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利用计算机断层成像方法由观测图像重建等离子体层全球密度分布--投影数据不完备问题

地球物理学报 2012年第4期55卷 1071-1077页

作者：黄娅徐荣栏沈超李亮陈志强中国科学院空间科学与应用研究中心中国科学院空间天气学国家重点实验室北京100190 中国科学院力学研究所北京100190 清华大学工程物理系北京100084

在用计算机断层成像方法由EUV观测图像重建等离子体层全球密度分布时,地球的遮挡和有限角度都会导致投影数据不完备,从而无法精确重建出等离子体层的密度分布.本文针对该问题,提出一种基于图像总变差极小化的代数迭代算法.通过重建等离... 详细信息

在用计算机断层成像方法由EUV观测图像重建等离子体层全球密度分布时,地球的遮挡和有限角度都会导致投影数据不完备,从而无法精确重建出等离子体层的密度分布.本文针对该问题,提出一种基于图像总变差极小化的代数迭代算法.通过重建等离子体层投影数据缺失最为严重的中心子午面,证明该算法能够显著提高重建图像的质量.并且在IMAGE卫星仅能达到90°的有限投影角度下,此算法重建图像的相关系数可达0.760,而代数迭代算法的相关系数仅为0.696.

关键词：地球等离子体层密度投影数据不完备总变差代数迭代算法

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TDLAS技术用于燃烧场气体温度和浓度重建研究

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光电工程 2016年第12期43卷 20-27页

作者：殷可为胥頔张龙杨富荣中国空气动力研究与发展中心四川绵阳621000

基于可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)技术及修正型代数迭代算法(Algebraic Reconstruction Technique,ART),选择频率为7 153.7 cm^(-1)和7 154.3 cm^(-1)的H_2O吸收线作为测温谱线,测量了CH_4/Air预混平面火焰炉燃烧场温度和H_2O气浓度分布。仿真采用1 000 pixels×1 000 pixels个像素点描述方形模型区域,假设40条光束从两个方向正交通过重建区域,通过引入初始分布并经修正型ART算法计算和三次多项式插值处理,温度场重建偏差在4.5%以内,H_2O气浓度场重建偏差在4%以内。实验采用导轨和转台实现探测光对稳态燃烧场两个方向上的平行扫描,共获取24路光束吸收信号,经修正型ART算法重建和三次多项式插值处理得到整个火焰炉燃烧区域的温度场和H_2O气浓度场分布。将温度场重建结果与热电偶的测量结果进行对比,表明该方法能够有效实现燃烧场温度二维重建。

关键词：可调谐半导体激光吸收光谱代数迭代算法温度场浓度场二维重建

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被动DOAS断层扫描的大气痕量气体分布重建

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光电工程 2013年第3期40卷 50-55页

作者：韦民红童敏明蔡丽李素文中国矿业大学信息与电气工程学院江苏徐州221116 淮北师范大学物理与电子信息学院安徽淮北235000

针对大气痕量气体浓度的二维分布重建问题,本文提出了一种以差分吸收光谱断层扫描技术重构大气痕量气体空间分布的方法,用两台被动多轴差分吸收光谱系统(MAX-DOAS)对待测烟羽进行层析扫描,使用DOAS技术反演出的气体斜柱浓度,进而通过代... 详细信息

针对大气痕量气体浓度的二维分布重建问题,本文提出了一种以差分吸收光谱断层扫描技术重构大气痕量气体空间分布的方法,用两台被动多轴差分吸收光谱系统(MAX-DOAS)对待测烟羽进行层析扫描,使用DOAS技术反演出的气体斜柱浓度,进而通过代数迭代算法(ART)把其中的浓度分布信息提取出来。采用高斯分布烟羽为重构对象,用数值模拟的方法对重构效果进行了研究分析,分析表明重建结果与模型基本一致,表明了气体分布测量方法的可行性。为了研究在实际测量中的误差对气体分布重建结果的影响,在投影数据中添加了不同比例的随机误差,研究表明,投影误差对气体浓度分布重建结果影响很小。

关键词：被动差分吸收光谱断层扫描代数迭代算法二氧化硫

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非均匀流场CO2浓度分布测量方法研究

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应用激光 2021年第3期41卷 590-598页

作者：许国强段拼搏张恩先周志兴肖明成王一红江苏方天电力技术有限公司江苏南京211100 东南大学能源与环境学院江苏南京210096

在使用TDLAS技术测量高温燃烧环境下CO2浓度分布时,由于流场的分布非均匀性以及近红外波段的CO2谱线吸收较弱且容易受H2O的吸收干扰,使得二维浓度场的重建测量尤为困难。为解决上述问题,本文提出了一种基于TDLAS技术的非均匀流场二维浓... 详细信息

在使用TDLAS技术测量高温燃烧环境下CO2浓度分布时,由于流场的分布非均匀性以及近红外波段的CO2谱线吸收较弱且容易受H2O的吸收干扰,使得二维浓度场的重建测量尤为困难。为解决上述问题,本文提出了一种基于TDLAS技术的非均匀流场二维浓度分布重建方法。该方法利用CO2的吸收谱线R(50)具有R2f/1f在中心频率处的幅值近似满足线性叠加关系这一特点,使用单条谱线的吸收信息结合代数迭代算法,实现了非均匀流场的CO2浓度场重建。仿真与试验结果表明,在正交投影方式下测量的CO2浓度与烟气分析仪测量结果的最大相对误差小于13%,平均相对误差为4.16%,整体分布趋势与烟气分析仪测量的结果相似。

关键词： TDLAS 吸收谱线代数迭代算法正交投影

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基于K(o)hler投影的快速CT迭代图像重建研究

基于K(o)hler投影的快速CT迭代图像重建研究

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作者：师蒲松西北大学

学位级别：硕士

近年来，数字化技术在文物的研究、保护上取得了飞速发展和应用。传统的三维扫描建模，不能了解文物内部的损毁情况、结构等。计算机断层成像即CT（Computed Tomography）技术，可以通过无损检测技术重构文物的内部构造。CT技术的核心... 详细信息

近年来，数字化技术在文物的研究、保护上取得了飞速发展和应用。传统的三维扫描建模，不能了解文物内部的损毁情况、结构等。计算机断层成像即CT（Computed Tomography）技术，可以通过无损检测技术重构文物的内部构造。CT技术的核心是图像重建算法，代数重建算法（Algebraic Reconstruction Techniques，ART）是一种迭代算法，适合于不完备投影情况下的图像重建，其投影系数的计算方式对重建速度有很大的影响。ART算法常用Siddon算法计算投影系数，由于Siddon投影使用近邻插值，重建质量不高。而K?hler投影方法采用线性插值和辛普森积分计算系数，重建精度高，但K?hler算法计算量大，计算速度慢。针对该问题，通过改进投影算法和多核并行加速来实现基于K?hler投影的快速图像重建，论文的主要工作如下：　　（1）提出一种基于K?hler投影的二维扇形束快速迭代CT图像重建方法。通过减少无效交点的计算，以及合并数组的耗时，利用射线与像素的位置关系，快速计算穿过下一个网格的交点坐标，利用线性插值计算出交点和中点像素值，然后通过辛普森积分公式计算分离出投影系数。实验结果表明在保持重建精度不变情况下，快速K?hler方法比传统K?hler算法提高约3倍的加速比，同时K?hler方法相比Siddon、Joseph、DDM方法取得了更高的重建质量。　　（2）在二维交点计算优化的基础上，实现二维到三维的扩展，提出一种基于K?hler投影的三维锥束快速迭代CT图像重建方法。三维需要通过双线性插值计算与射线相交的两个平面交点处像素值，使用三线性插值计算出中点像素值，最后通过辛普森积分公式计算分离出投影系数。实验结果表明在保持重建精度不变情况下，三维快速K?hler方法比传统K?hler方法提高约3倍的加速比。　　（3）提出一种基于多核加速的并行快速迭代CT图像重建方法。通过使用pThreads线程库，在同一角度同层下，按照探测器平面的射线数划分任务，实现多线程并行编程技术，提高重建速度。并且为了均衡各线程的计算任务，提前计算当前角度同层下与射线相交的体素个数，按照总共相交体素的个数来平均划分计算任务。实验结果表明，相较于串行ART算法，四核并行达到3.1倍的加速效果，在六核并行下，达到4.4倍的加速效果。

关键词： CT迭代图像图像重建代数迭代算法 K(o)hler投影

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基于TDLAS的二维温度分布断层诊断技术

基于TDLAS的二维温度分布断层诊断技术

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作者：罗灿厦门大学

学位级别：硕士

本文根据航空发动机燃烧室燃烧流场诊断的迫切需求,针对燃烧过程中的温度分布,搭建了 TDLAS测量系统,并引入ART算法,对温度场的二维分布进行了重建。主要内容和结果如下:(1)根据TDLAS技术的谱线选择原则,选取了 H20的两条吸收谱线7203.8... 详细信息

本文根据航空发动机燃烧室燃烧流场诊断的迫切需求,针对燃烧过程中的温度分布,搭建了 TDLAS测量系统,并引入ART算法,对温度场的二维分布进行了重建。主要内容和结果如下:(1)根据TDLAS技术的谱线选择原则,选取了 H20的两条吸收谱线7203.89cm-1和7306.75cm-1作为测温谱线对。基于直接吸收法,搭建了 TDLAS实验系统,实验采用时分复用的方式,设计了两路光线垂直交叉穿过被测流场的实验,并利用Python编写的程序对实验数据进行了一系列处理,计算出温度值。利用热电偶对测量的温度进行了比对,验证了该系统具有一定的精度和可靠性,并分析了误差的影响因素。(2)为达到重建燃烧场二维平面温度分布的目的,引入了代数迭代算法(ART),并详细介绍了 ART算法的实现过程。基于此算法,进行了一系列的数值模拟,得出了如下几个结论:1)当网格数量一定时,光线数量越多重建效果越好;2当被测区域网格一定且光线数量相同时,划分网格越密,重建效果越好;3)当网格数量一定时,随着入射光数量的增加,重建效果越来越好,当光线数量达到一定值时,重建效果趋于最佳稳定状态;4)光线距与网格距的比值在0.5～1之间时,重建效果最好;5)实际测量过程中,由于空间及成本的限制,入射光数量较少,可以通过增加虚拟光线来提高重建质量。(3)搭建了 TDLAT实验系统,实验采用3条水平光线与3条垂直光线相交的方式重建了被测区域的二维温度分布,并对引起的误差原因进行了分析,其主要原因包括:1)标准具峰值间隔不均匀引起相对频率偏差较大;2)voigt拟合偏差直接导致积分吸收率的值偏大或偏小;3)常温环境中的H20分子对所选谱线的吸收信息被带入到吸收信号中,导致边缘温度值偏差较大。

关键词：可调谐二极管吸收光谱技术代数迭代算法可调谐二极管激光断层诊断技术

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基于贝塞尔光束的连续太赫兹波计算层析成像研究

基于贝塞尔光束的连续太赫兹波计算层析成像研究

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作者：许志浩北京工业大学

学位级别：硕士

太赫兹(Terahertz)波段是目前人们尚未充分开发的电磁波段,由于其穿透性、低能性、惧水性等多种独特的重要特性,太赫兹成像技术已经成为近年来的研究热点,在国防安全、安检反恐、雷达通信、生物医学成像等重要领域发挥了重要的作用。现... 详细信息

太赫兹(Terahertz)波段是目前人们尚未充分开发的电磁波段,由于其穿透性、低能性、惧水性等多种独特的重要特性,太赫兹成像技术已经成为近年来的研究热点,在国防安全、安检反恐、雷达通信、生物医学成像等重要领域发挥了重要的作用。现有的太赫兹成像技术手段有点扫描成像、层析成像、近场成像、数字全息成像等。其中太赫兹层析成像技术通过旋转样品得到不同角度下的投影数据,利用重建算法获取物体强度吸收系数的空间分布,因此应用尤为广泛。与时域脉冲成像技术相比,连续太赫兹波成像系统更加简单。目前连续太赫兹波层析成像技术其焦深受限于高斯光束,数据采集速率受限于逐点扫描模式。近年来以太赫兹贝塞尔光束为代表的太赫兹光场调控手段已逐渐成为研究热点,其具有大焦深无衍射特性,应用于太赫兹层析成像系统中可拓宽焦深。在重建算法方面,传统的滤波反投影算法需要足够多角度投影数据才能获得较好的重建质量,在投影数据较少的情况下会出现严重的条状伪影。代数迭代算法不同于传统的重建算法,通过求解投影方程,在少量投影数据的情况下也能精确重建图像,因此用于太赫兹计算层析成像可极大缩短成像时间。充分调研了太赫兹成像技术与太赫兹层析成像技术的研究现状,以及以贝塞尔光束为代表的太赫兹光场调控技术在太赫兹层析成像中的应用。详细阐述了层析成像的基本原理,比较了滤波反投影算法为代表的解析类算法与代数迭代类算法的区别。针对数据采集速率较慢的问题,编写了数据自动采集程序,研究了基于代数迭代算法重建的连续太赫兹层析成像方法,用滤波反投影重建算法和代数迭代算法通过仿真进行重建对比,仿真结果表明代数迭代算法可用远少于滤波反投影算法的投影数据来精确重建图像,并可在很大程度上减少图像伪影,进而提升图像质量。针对高斯光束焦深短的问题,开展了连续太赫兹贝塞尔特性实验研究。首先对贝塞尔光束在太赫兹波段的产生原理进行了理论上的分析,设计了不同顶角、不同材料的轴棱锥。基于FIR-295型二氧化碳泵浦连续太赫兹激光器,在2.52 THz频段对不同实验参数下的贝塞尔光束的特性展开了实验研究。针对成像焦深短的问题,将贝塞尔光束用于层析成像系统以提升系统焦深,同时给出一种基于压缩感知理论的改进型代数迭代算法。通过图像质量评价函数对两种算法的仿真结果进行对比,可看到在少量投影数据下,改进型的代数迭代算法,重建图像有更好的保真度,更适用于稀疏采样下的太赫兹层析成像实验研究。基于FIR-295连续太赫兹源和高莱单点探测器开展了贝塞尔光束和高斯光束的连续太赫兹波层析成像实验,针对不同焦深位置处的水管进行成像。使用代数迭代算法和改进后的算法进行重建对比,验证了算法的有效性和贝塞尔光束大焦深特性,为连续太赫兹波层析成像技术提供了一种新的思路。

关键词：太赫兹成像计算层析成像贝塞尔光束代数迭代算法

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基于对称结构的图像重建动态SAP迭代算法研究

基于对称结构的图像重建动态SAP迭代算法研究

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作者：刘学敏北京信息科技大学

学位级别：硕士

由投影重建图像的算法主要分为两大类:解析重建算法和代数迭代重建算法。解析重建算法以傅里叶中心切片定理为理论基础，重建速度快，但需要完备数据;代数迭代重建算法从离散角度出发，将重建问题转化为求解方程组，可处理高噪声、少量... 详细信息

由投影重建图像的算法主要分为两大类:解析重建算法和代数迭代重建算法。解析重建算法以傅里叶中心切片定理为理论基础，重建速度快，但需要完备数据;代数迭代重建算法从离散角度出发，将重建问题转化为求解方程组，可处理高噪声、少量数据和不完全数据等实际问题。\n SAP(string-averaging projection)算法是图像重建的一类迭代算法。作为超平面正交投影算法，SAP算法收敛，每一次迭代均使校正后的图像逼近被估计的图像，能有效抑制噪声。DSAP(dynamic string-averaging projection)算法是对SAP算法的改进，对string做分块处理将固定string扩展为可变string。\n 本文首先提出了动态对称块SAP迭代算法。该算法将DSAP算法与图像重建离散模型的对称性结构相结合，在对称结构射线中构造分块string。本文给出了算法具体的迭代格式，并讨论了其收敛性。其次，将动态对称块SAP迭代算法应用到重建点离散模型中，几何意义明确，便于计算。最后，将DSAP算法扩展到大型对称网格中，讨论了对称网格SAP迭代算法，给出了一种分块string的构造算法。在SAP算法中采用分块及对称结构的思路，也可应用于其他相关问题和算法，为建立快速实用的图像重建迭代算法和工程应用方法提供了思路。\n 本文给出了数值实验。针对不同离散模型分别采用经典ART算法、对称块结构算法、块内SAP算法和动态对称块SAP迭代算法对图像重建结果进行比较，结果表明，动态对称块SAP算法在成像质量上有所提高，细节更加突出，保持了良好的空间分辨率;在重建点模型下的该算法，与传统离散模型相较，在成像质量提高的同时，计算效率大大提高。对称网格动态SAP算法的初步实验结果表明，分块string和权系数的优化选取是影响成像质量的关键因素。如何建立快速、实用的自适应参数调整方法有待进一步研究。

关键词：图像重建代数迭代算法对称结构数值模拟

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重建点模型下EM成像算法的研究

重建点模型下EM成像算法的研究

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作者：孙守思中北大学

学位级别：硕士

计算机断层成像在理论上可以归结为由投影重建图像问题，算法上可以分为解析算法和迭代算法。解析算法建立在连续模型上，以傅里叶中心切片定理为理论基础，重建速度快，成像质量较好，但对噪声比较敏感且要求投影数据完备。迭代算法则... 详细信息

计算机断层成像在理论上可以归结为由投影重建图像问题，算法上可以分为解析算法和迭代算法。解析算法建立在连续模型上，以傅里叶中心切片定理为理论基础，重建速度快，成像质量较好，但对噪声比较敏感且要求投影数据完备。迭代算法则是建立在离散化模型之上，将重建问题转化为方程组求解问题，对低信噪比及不完备数据也能进行重建，但计算量大，重建速度较慢，制约了算法的实际应用。本文对平行束扫描方式下的图像重建迭代算法进行了研究。首先阐述了计算机断层成像技术的发展历史和基本原理，接着从扫描模式出发，讨论了平行束扫描模式下图像的离散化模型。针对传统离散化模型的缺点，介绍了误差更小的重建点离散化模型。根据重建点模型的性质和特点，引入基函数来对模型中重建点理想区域进行刻画。在重建点离散化模型下，光子辐射满足泊松概率模型，在此基础之上，推导并建立了新模型下的EM迭代格式。本文基于重建点离散化模型，给出了子集平衡定理的一般性描述。基于泊松概率模型，本文提出了一种按照步长来划分子集的方法，给出了该方法的两种OSEM迭代格式，并讨论了按步长划分的子集是满足子集平衡的，能够用来优化迭代顺序，改善重建速度。本文完成了算法的验证，并对仿真结果给出了分析和比较。数据试验表明，与传统离散化模型相比，重建点离散化模型误差较小。新模型下的EM算法在一定程度上提高了成像的精度，在子集平衡条件的约束下，其相应的加速算法OSEM也将会提高算法的收敛速度。

关键词：图像重建代数迭代算法重建点模型 EM算法

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基于Joseph投影方法的ART算法快速图像重建研究

基于Joseph投影方法的ART算法快速图像重建研究

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作者：刘洋西北大学

学位级别：硕士

文物数字化对于文物的研究、保护具有重要意义。传统的数字化技术多采用三维激光扫描技术,但该技术不能展示物体的内部结构信息。CT(Computed Tomography)技术,即计算机断层成像技术,可以在无损的情况下通过断层灰度图像呈现物体的内部... 详细信息

文物数字化对于文物的研究、保护具有重要意义。传统的数字化技术多采用三维激光扫描技术,但该技术不能展示物体的内部结构信息。CT(Computed Tomography)技术,即计算机断层成像技术,可以在无损的情况下通过断层灰度图像呈现物体的内部结构,因此CT技术被逐渐应用于文物数字化领域。CT技术的核心是图像重建算法,主要分为两种:解析法与迭代法。解析法可以在较短时间内重建出较为理想的图像,但对投影数据的完备性要求较高,且抗噪性较弱。迭代法不仅抗噪性强,并且适合于不完备投影情况下的图像重建,因此迭代算法逐渐成为CT图像重建中的研究热点。代数重建算法(Algebraic Reconstruction Techniques,ART)是一种典型的迭代算法。在ART算法中,投影系数的计算方法对重建质量与重建速度都有很大的影响。传统的线积分模型通过计算射线与像素相交长度确定像素对投影的贡献,这种系统矩阵下多采用Siddon算法来计算投影系数。由于Siddon投影算法使用近邻插值,重建效果并不理想。而同属于线积分模型的Joseph投影算法采用线性插值,相较于Siddon算法重建效果更为理想,但Joseph算法计算量大,重建速度较慢。针对该问题,本文通过快速投影算法的设计和并行加速来实现基于Joseph快速投影算法的ART算法快速图像重建,论文的主要工作如下:(1)提出了一种二维扇形束Joseph快速投影算法。传统Joseph算法计算投影系数效率较低,本文提出了一种根据距离增量求投影系数的方法。通过二维坐标系下的直线方程,计算出在X/Y方向上每经过相同距离时另一方向的增量,并用其与像素边长作比较以判断射线穿过像素的情况。该方法可以快速计算权因子及对应的像素索引。实验结果表明,该方法可以将ART算法的重建速度提高一倍,且在投影的计算上取得了接近4倍的加速比。(2)提出了一种三维锥束情况下快速Joseph投影算法。通过三维坐标系下的射线方程,先确定射线在XOY平面上的投影方向,以及射线与重建区域边界相交情况。再计算XOY平面上,在投影方向上每经过相同距离时的距离增量,使用该增量与体素尺寸比较从而确定射线与同层体素相交情况,并使用双线性插值计算对应体素的权因子。再根据XOY平面上的距离增量确定Z方向上的距离增量,并用其与体素尺寸作比较,判断射线是否与下一层体素相交。实验结果表明,相较于采用传统Joseph算法的ART算法,采用该算法的ART算法在整体重建上取得了2.2倍的加速比,在投影的计算上取得了4倍的加速比。(3)提出了一种多核加速的锥束ART算法快速并行图像重建。虽然本文对投影算法作出改进,但ART算法重建速度仍然较慢。针对该问题,本文使用Open MP技术对基于Joseph投影算法的锥束ART算法进行多核并行加速。按照探测器平面的射线数进行任务划分,并且为了解决各线程间负载不均衡的问题,预先计算每个角度下每条射线相交的体素数,使用相交体素数平均划分计算任务。实验结果表明,在六核情况下,相较于串行ART算法取得了4倍以上的加速比。

关键词：文物数字化代数迭代算法投影算法 Joseph算法 OpenMP

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