中子/X射线双模式原位CT层析关键技术研究

As a couple of complementary non-destructive testing methods, neutron and X-ray CT inspection can provide different internal information of a same object and are playing more and more important roles in many fields. However, at present, neutron and X-ray imaging are mainly implemented on different imaging devices. These independent imaging means result in temperal asynchronism and dimensional scale differences between the two kinds of images. Thus it is impossible to carry out in-situ CT scanning for samples with their environment field by the two imaging ways, bringing out difficulties to interpret the whole structural information and quality state of the samples accurately. This project takes advantages of neutron and X-ray imaging to promote the research of data reconstruction and fusion for in-situ neutron and X-ray combined computed tomography (NXCT). In our research, registration of projection data from different imaging sources in temperal-spacial domain, control and correction of the radiation background noise pollution, sparsification and partition of the projection sequences, image reconstruction algorithms and data fusion rules for images with different resolutions will be investigated, to realize information complementation of the two kinds of CT images. Through the research of the project, a new bi-modal imaging way is proposed and developed for in-situ CT and capacity expansion of CT data. This method will enlarge the application fields and functions of neutron and X-ray imaging. Furthermore, it will promote the technical level and scientific service capacity of the large-scale science facilities in China.

作为相辅相成的无损检测技术，中子与X射线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。但是，目前的中子与X射线CT测量基本是在独立的成像装置上分别实现，造成了两种图像数据获取时间上的不同步以及空间尺度上的差异，无法实现施加环境场条件下的原位扫描，给样品内部全局结构信息和质量状态的准确解读带来困难。本项目充分利用中子和X射线成像的互补性，开展样品原位状态下的中子/X射线双模式CT层析成像数据重构与融合方法研究。重点解决NXCT层析成像过程中非同源投影数据的时域-空域精准匹配、辐射背景噪声的控制与校正、投影序列的稀疏化和分段策略、重建算法及不同分辨率层析图像融合准则设计，最终实现两种层析数据的信息互补。该项目研究将为原位扫描及重构体数据信息增容提供一种有效的双模式层析方法，进一步丰富中子、X射线层析成像的功能及应用领域，提升我国大科学装置的技术水平及科研服务能力。

中子与X射线作为两种重要的辐射源，在材料学、生物医学、航空航天、汽车工业、电子、考古、安检等领域的无损检测中发挥着越来越重要的作用。X射线和中子与物质作用的机理不同，导致其成像特性存在着很好的互补性。本项目充分利用中子和X射线成像的互补性，对X射线/中子双模态CT层析成像关键技术展开了研究，主要包括双源成像系统几何光路优化、非同源投影数据获取与预处理、稀疏投影与有限投影角下CT重建、X射线/中子CT图像配准与融合方法，以及X射线/中子射线双模态CT层析成像平台的设计开发。. 为了实现X射线/中子双模态CT层析成像，本项目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）以及基于各项异性的Split Bregman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）将WTDM和TV-POCS重建模型用于稀疏投影重建和有限投影角重建，重建质量相对于传统算法有了较大的提升，采用多GPU并行加速的方法对重建算法进行加速，解决了重建效率低下问题，提升了工程实用价值。. 3）根据X射线和中子图像的灰度信息，采用SIFT算法提取非同源图像的特征点，拟合出仿射变换矩阵的参数，实现了不同尺度和分辨率下X射线/中子层析图像的精确配准；采用非下采样轮廓波变换算法对X射线与中子层析图像进行多尺度、多方向分解，根据分解图像频带特征选取合适的融合规则，提出了三维层析图像融合方法，实现了两种模态DR/CT图像的信息互补与增容。. 4）搭建X射线/中子射线双模态CT层析成像平台，开发出图像采集与重构软件，实现了两种成像模式下的数据重构与信息增容。. 本项目研究将为重构体数据信息增容提供一种有效的双模式层析方法，进一步丰富中子、X射线层析成像的功能及应用领域，提升我国大科学装置的技术水平及科研服务能力。