基于γ射線CT及ECT的氣液兩相流成像系統(tǒng).pdf

1、氣液兩相流是一種較為常見的工業(yè)多相流體系，廣泛存在于各種工業(yè)過程中。工業(yè)過程成像技術是兩相流在線檢測的重要工具。計算機層析成像技術(CT)作為一種成功的過程成像技術，在兩相流成像領域有著廣泛的應用前景。
　　 本課題組采用第三代CT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設計了一套適用于氣液兩相流的γ射線CT系統(tǒng)。為提高在線成像的實時性，同時開發(fā)了一套基于DSP與FPGA的電容層析成像系統(tǒng)(ECT)。本文的主要內(nèi)容包括以下幾點：
　　 (1)首先對兩

2、相流過程成像技術進行了概括，重點介紹了CT技術的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀。并對γ射線CT系統(tǒng)的物理基礎進行了詳細分析，建立了扇形束CT系統(tǒng)的數(shù)學模型。同時利用Geant4軟件對γ射線在氣液兩相流流體內(nèi)的衰減過程、散射過程以及該CT系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行了仿真研究。結(jié)果表明，7源17探測器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可很好的滿足兩相流實時成像的要求。
　　 (2)提出了γ射線CT系統(tǒng)的構(gòu)架方案，對CT系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)進行了詳細分析和設計。本系統(tǒng)使用300mCi

3、的241Am源作為射線源，由17個CdZnTe探測器構(gòu)成的探測器陣列作為光子接收器，并設計了專用的高斯脈沖濾波成形電路和FPGA計數(shù)器。同時使用C++語言編寫了系統(tǒng)軟件TJU CT，并開發(fā)了ART算法、Landweber算法和CG算法進行圖像重建。該系統(tǒng)信噪比高，軟件界面友好，且具有較高的性價比。
　　 (3)對影響γ射線CT系統(tǒng)性能的各種噪聲因素進行了分析，給出了消除噪聲的方法，重點對系統(tǒng)的空間分辨率和計數(shù)值的統(tǒng)計性進行了討論

4、。實驗表明，7源結(jié)構(gòu)可以滿足工業(yè)現(xiàn)場兩相流的成像要求，這與仿真結(jié)果是一致的。在模型運動速度低于40mm/s時，該系統(tǒng)具有7mm的空間分辨率，成像速度為每秒33幀。本文還將有限角掃描模式引入到工業(yè)CT系統(tǒng)中，由實驗結(jié)果可知，有限角掃描模式成像效果接近全掃描模式，從而使工業(yè)CT系統(tǒng)的應用更加靈活。為了消除動態(tài)重建圖像中的模糊和條紋，引入小波域去噪方法對計數(shù)值進行處理，有效提高了動態(tài)圖像質(zhì)量。
　　 (4)研制了一套基于DSP和FPG

5、A的16電極ECT系統(tǒng)，以實現(xiàn)對兩相流體的實時成像。該系統(tǒng)由FPGA完成邏輯控制和數(shù)據(jù)解調(diào)功能；由DSP完成圖像重建和數(shù)據(jù)通訊功能，降低了對計算機主機的依賴程度。開發(fā)了靈敏度系數(shù)算法和Landweber迭代算法，并進行了靜態(tài)實驗和動態(tài)實驗。實驗結(jié)果表明，該ECT系統(tǒng)具有10mm的空間分辨率，在線成像速度可達每秒416幀/秒，從而提高了兩相流成像的實時性。CT/ECT雙模態(tài)系統(tǒng)兩種模態(tài)的對比實驗表明，當流體運動速度較慢時，CT模態(tài)的空間分