加速器中子成像低衬度图像增强及多模式层析方法研究

As a new light source, neutron accelerator has a promising development potential and application space for its merits of mobility, smaller focus, stable and high-strength beams, which makes up the weakness of the cold and thermal neutrons. However, low detecting efficiency, long imaging period and single scanning mode are the main challenges we must respond on the way of developing neutron accelerator technologies. This project promotes the research of low contrast image enhancement and multi-mode tomography for the inspection of special specimens such as plate-like and cylindrical nuclear fuel elements by accelerator neutron imaging. In our research, special scanning ways, geometrical calibration, sparsification of the projection sequences for decreasing the scanning time and the risk of neutron activation, adaptive multiscale denoising for images with very low SNR, and correction of CT artifacts caused by incomplete projection information will be investigated. The research of the project will increase the imaging quality of neutron accelerator DR/ICT testing systems in China and boost our neutron accelerator imaging technology into the advanced level in the world.

加速器中子源具有便于移动、可产生高稳定和高强度的中子束、中子靶点小等诸多优点，弥补了冷中子、热中子照相技术的不足，具有很大的发展潜力和较好的应用前景。然而，中子探测效率低、成像时间长、层析扫描模式单一是国内中子加速器成像系统目前面临的主要难题。本项目以板状、筒状核燃料组件为代表的特殊构件的质量检测为对象，开展低衬度快中子图像的增强及多模式层析方法研究。重点攻克板状、大尺寸筒状构件的非常规层析扫描方式及层析几何标定方法设计，以缩短扫描时间、降低中子辐照活化风险为目标的投影序列稀疏化策略设计，极低信噪比中子图像的多尺度自适应降噪及投影信息欠完备导致的CT图像伪影校正，从而提高中子加速器DR/ICT检测系统的成像品质，助推我国该项技术进入国际先进水平行列。

由于中子和X射线与物质作用的机理不同，其成像特性存在着很好的互补性。中子CT可提供同一样品的不同信息，在众多领域发挥着越来越重要的作用。然而，对于工程中大量应用的板状、大尺寸筒状构件的层析检测，受探测器成像面积、射束能量的限制，传统中子CT无法实现该类构件的层析检测。为此，本项目以板状、大尺寸筒状构件的中子CT检测为研究对象，开展低衬度中子图像降噪、外部CT扫描及CL扫描模式下的重建算法、伪影校正以及几何参数校准方法研究，解决板状构件以及大尺寸筒状构件层析检测难题，提高中子CT检测系统的成像品质。为了实现低衬度中子图像降噪以及多模式层析检测，主要开展以下几个方面的研究工作：. 1) 基于中子图像的噪声特点，采用非局部均值（NL-Means）、BM3D算法以及STROLLR算法对低衬度中子图像进行降噪增强，显著提升了图像的信噪比，增强了图像的细节信息。. 2) 设计了针对较大尺寸筒状样品层析检测的偏置扫描方法。提出了采用投影数据转换的CT重建算法，有效解决了实际CT系统几何布局与理论推导不一致问题，在不改变标准CT扫描几何布局的前提下，明显增加了CT系统的成像视野。. 3) 设计了针对大尺寸筒状样品层析检测的外部CT扫描方法。分析了外部CT扫描投影数据的特点，揭示了待重建点投影数据缺失情况与投影角度的关系。进一步分析了不完备的投影数据导致重建图像呈现出明显的径向边缘伪影的成因。提出了改进的加权方向全变差最小化的重建算法，实现了外部CT图像径向边缘伪影校正。. 4) 研究了针对板状样品的射束倾斜层析扫描方法。提出了中子CL扫描方式下滤波反投影重建、反投影滤波重建以及基于TV最小化的迭代重建算法，搭建了中子CL扫描系统与多GPU加速CT重构软件平台，实现了板状样品的快速断层重构。. 通过本项目的研究，建立了一种有效的中子多模式层析检测方法，解决了板状构件以及大尺寸筒状构件层析检测难题，提高了中子DR/CT检测系统的成像品质，助推我国该项技术进入国际先进水平行列。