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(shù)是兩相流在線檢測的重要工具。計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)(CT)作為一種成功的過程成像技術(shù)，在兩相流成像領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
　　 本課題組采用第三代CT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)性，同時(shí)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(diǎn)：
　　 (1)首先對(duì)兩

2、相流過程成像技術(shù)進(jìn)行了概括，重點(diǎn)介紹了CT技術(shù)的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀。并對(duì)γ射線CT系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)進(jìn)行了詳細(xì)分析，建立了扇形束CT系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。同時(shí)利用Geant4軟件對(duì)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(jìn)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(shí)時(shí)成像的要求。
　　 (2)提出了γ射線CT系統(tǒng)的構(gòu)架方案，對(duì)CT系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)分析和設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)使用300mCi

3、的241Am源作為射線源，由17個(gè)CdZnTe探測器構(gòu)成的探測器陣列作為光子接收器，并設(shè)計(jì)了專用的高斯脈沖濾波成形電路和FPGA計(jì)數(shù)器。同時(shí)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(jìn)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(jià)比。
　　 (3)對(duì)影響γ射線CT系統(tǒng)性能的各種噪聲因素進(jìn)行了分析，給出了消除噪聲的方法，重點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的空間分辨率和計(jì)數(shù)值的統(tǒng)計(jì)性進(jìn)行了討論

4、。實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)速度低于40mm/s時(shí)，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(shí)驗(yàn)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(yīng)用更加靈活。為了消除動(dòng)態(tài)重建圖像中的模糊和條紋，引入小波域去噪方法對(duì)計(jì)數(shù)值進(jìn)行處理，有效提高了動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)兩相流體的實(shí)時(shí)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(duì)計(jì)算機(jī)主機(jī)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(jìn)行了靜態(tài)實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(dá)每秒416幀/秒，從而提高了兩相流成像的實(shí)時(shí)性。CT/ECT雙模態(tài)系統(tǒng)兩種模態(tài)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)流體運(yùn)動(dòng)速度較慢時(shí)，CT模態(tài)的空間分