（固体力学专业论文）同步辐射CT技术研究及应用.pdf

摘要 摘要 本文首先总结概述了s r - c t 技术的原理以及目前国内外研究现状。在此基 础上，对s r - c t 技术进行了较系统全面和深入的研究：针对吸收系数相近的多组 分材料，吸收成像无法分辨的情形，提出了衍射增强s r c t 方法。为获得材料变 形的三维位移场，提出了基于三维结构图象的数字图像相关法。作为s r c t 技术 的应用，研究了泡沫铝材料在准静态压缩过程中的内部微结构演化及其相关的力 学性能分析。 本人的主要研究内容与创新之处： 一、对s r c t 技术进行了系统深入的研究，分析比较了适应于s r c t 技术 的几种不同重建算法，总结了不同算法的优缺点，对算法中的参数进行了优化， 同时提出了一种优化新算法混合算法。分析研究了不完全投影数据s r c t 技术重建图像的质量，给出了重建图像质量与投影数据残缺量之间的关系，同时 提出了改善不完全投影数据重建图像质量的方法。对s r c t 技术的误差进行了 分析，给出了s r - c t 技术误差的四种基本形式。 二、研究了衍射增强s r c t 技术。针对吸收系数相近的多组分材料( 如复合 材料、陶瓷材料等) ，吸收成像技术往往无法清晰分辨各组分，为此对x 射线衍 射增强成像方法进行了实验研究，并与s r c t 技术相结合，以提高重建图像的衬 度分辨率。实验研究表明，该技术对不同元素问的边界衬度有着增强作用，且增 强效果明显。 三、研究了数字图像三维相关方法。在s r - c t 技术获取物体内部三维结构图 像的基础上，提出了三维位移场计算的数字图像相关法，论述了数字图像三维相 关法原理，给出了其计算窗口的形式、大小以及相关系数的拟合函数，并详细介 绍了整像素位移与亚像素位移的求解过程，最后通过模拟实验证实了该方法的可 行性。 四、应用s r - c t 技术研究了泡沫铝材料的压缩变形行为。选取开孔及闭孑l 两 种不i n ? l , 结构的泡沫铝材料作为研究对象，应用s r c t 技术对两种不同孔结构泡 沫铝材料的压缩变形行为进行了研究。获得了压缩过程中开孔及闭孔泡沫铝材料 内部微结构的演化图像，通过对演化图像的处理与计算，分析了开孔及闭孔泡沫 摘要 铝材料的不同压缩变形机理。 最后，总结全文工作，给出本文研究的主要内容和尚需进一步深入的研究课 题，提出今后研究思路和方案。 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ep r i n c i p l ef o rs r c tt e c h n i q u e ，i t ss t u d ya n da p p l i c a t i o na t p r e s e n ta r ef i r s t l yr e v i e w e d b a s e do np r e v i o u sw o r k s ，t h et e c h n i q u eo fs r c ti s i n v e s t i g a t e di nd e t a i l i no r d e rt oi m p r o v et h ec o n t r a s to f r e c o n s t r u c t i o ni m a g e sf o rt h e m a t e r i a l sw h i c ht h e i re l e m e n t sa b s o r b a n c ei n d e xa r ev e r yc l o s e ，t h et e c h n i q u eo f d i f f r a c t i o ne n h a n c e ds r c ti sd e v e l o p e d t oa c q u i r et h e3 - dd i s p l a c e m e n tf i e l do f i n n e rs t r u c t u r e sf o ro b j e c t s ，t h e3 - dd i s t a li m a g ec o r r e l a t i o nm e t h o di sr e s e a r c h e d a t l a s t ，t h et e c h n i q u eo fs r c ti sa p p l i e dt oi n v e s t i g a t et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f a l u m i n u mf o a m e du n d e rq u a s i s t a t i cc o m p r e s s i o n t h em a i nr e s e a r c ht o p i c sa n dc r e a t i v ep o i n t sa r ec o n c l u d e da sf o l l o w s ： 1 a r i t h m e t i cf o rs r - c t t e c h n i q u ea r es t u d i e da n ds o m ep a r a m e t e r si na r i t h m e t i c a r eo p t i m i z e d an e wm e t h o dn a m e dm i x a r i t h m e t i ci sg i v e n t h er e c o n s t r u c t i o n i m a g e sq u a l i t yo fi n c o m p l e t ep r o j e c t i o nd a t af o rs r - c t t e c h n i q u ei sa n a l y z e da n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eq u a l i t ya n dt h ea b s e n ta m o u n to fp r o j e c t i o nd a t ai so b t a i n e d t h em e t h o d st o i m p r o v e t h eq u a l i t yo fr e c o n s t r u c t i o ni m a g e sf o r i n c o m p l e t e p r o j e c t i o nd a t aa r eg i v e n t h ee r r o rm e c h a n i s mo fs r c tt e c h n i q u ei sa n a l y z e da n d f o u rb a s i ce r r o rf o r m sa r ep r e s e n t e d 2 t h et e c h n i q u eo fd i f f r a c t i o n e n h a n c e ds r c ti sd e v e l o p e d f o rt h em a t e r i a li n w h i c ht h e i re l e m e n t sa b s o r b a n c ei n d e x e sa r ev e r yc l o s e ，c a n tc l e a r l yb er e s o l v e db y t h ea b s o r p t i o ni m a g i n gt e c h n i q u e t h et e c h n i q u eo fd i f f r a c t i o n e n h a n c e di m a g i n gi s s t u d i e d f u r t h e r m o r e ，i ti sc o m b i n e dw i t ht h es r c tt e c h n i q u et oi m p r o v et h e c o n t r a s to f r e c o n s t r u c t i o ni m a g e sf o rs u c hm a t e r i a l s e x p e r i m e n t a lr e s u l t sc o n f i r mt h i s n e wt e c h n i q u e 3 b a s e do nt h er e c o n s t r u c t i o ni m a g e so b t a i n e db ys r c tt e c h n i q u e ，3 - dd i g i t a l i m a g ec o r r e l a t i o nm e t h o di sd e v e l o p e dt oa c q u i r et h e3 - dd i s p l a c e m e n tf i e l do fi n n e r s t r u c t u r e s t h e3 - ds e a r c h i n gw i n d o w , c o r r e l a t i v ef u n c t i o n ，t h ef i t t e df u n c t i o no f c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n ta n dt h ep r o c e s so fc a l c u l a t i n ga r eg i v e n t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t sc o n f i r mt h i sm e t h o d 1 1 1 a b s t r a c t 4 a st h e a p p l i c a t i o n ，t h e s r c tt e c h n i q u ei s a p p l i e d t o i n v e s t i g a t et h e c o m p r e s s i v eb e h a v i o ro fa r u r f i n u mf o a m s ，o p e na n dc l o s e d - c e l la l u m i n u mf o a m s u n d e rq u a s i s t a t i cc o m p r e s s i o na r ee x a m i n e di n - s i t u ，a n dt h e i ri n n e rm i c r o s t m c t u r e s e v o l u t i o ni m a g e su n d e rc o m p r e s s i o na r eo b t a i n e db ya n a l y z i n ga n dc o m p u t a t i o n ， t h e i rd i f f e r e n t c o m p r e s s i v e d e f o r m a t i o nm e c h a n i s mf o r o p e n a n dc l o s e d - c e i l a l u m i n u mf o a m si sr e v e a l e d a tl a s t , t h ew h o l ew o r k sa r es u m m a r i z e da n dt h ef u r t h e rr e s e a r c h e sa r ep r o p o s e d i v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本文选题的背景 1 1 1c t 概述 自第一台c t ( c o m p u t e dt o m o g r a p h y ) 机问世以来，c t 技术有着长足的发展， 图像的空间分辨力、密度分辨力都大大提高了。除在医学上的应用外，c t 技术 在其它行业的应用也越来越广泛。如：农林业、地球物理方面的应用，特别在工 业方面，c t 技术已用于反应堆组件的无损评估；钢板焊缝的无损检测；水泥制 品质量的检测；电力电容器质量的检验等。目前c t 技术已应用于火箭发动机、 导弹等部件的检查“1 。总之，由于c t 技术无损性、不接触性等独特的优点，其 在工业上的应用己非常广泛，并且在特定要求下是其它方法不可替代的检测技 术。 c t 的思想要追溯到1 9 1 7 年奥地利数学家雷唐( r a d o n ) 的贡献。雷唐证明 了下述定理： 若已知某函数f ( x ，y ) = f ( r ，0 ) 沿直线2 的线积分为 p = 扩( e y ) d z = 旷( r ，曰) 出= 旷( 雨，矿+ t g 1 手， ( 1 1 ) 则 如，寺? 赢考d d e z ， 式中各量的意义见图1 1 。式( 1 1 ) 称为雷唐变换，式( 1 2 ) 则称为雷唐反变 换。式( 1 _ 1 ) 实际上就是射线投影，式( 1 2 ) 则是根据投影p 重建图像夕( r ，目) 。 可惜此公式在发表后5 0 多年，直至2 0 世纪7 0 年代才被发现。 最初把投影图像重建术应用于医学领域的应当首推奥顿道夫( o l d e n d o r f ) 。 他在1 9 6 1 年研制了用伽马射线进行透射型成像的初级装置。科尔( k u h l ) 与爱 德华( e d w a r d s ) 在1 9 6 3 年独立地研制了发射型成像装置。这些装置均用类似于 反投影的算法进行图像重建，所得图像不够清晰。 第一台临床用的计算机断层成像扫描装置( c t ) 于1 9 6 7 年至1 9 7 0 年间由英 国e m i 公司的工程师豪斯菲特( h o u n s f i e l d ) 研制成功，并于1 9 7 1 年9 月正式 第一章绪论 安装在伦敦的a t k i n s o nm o r l e y 医院。1 9 7 2 年利用第一台c t 首次为一名妇女诊 断出脑部的囊肿，并取得了世界上第一张c t 照片。同年，豪斯菲特与医生阿姆 勃劳斯( a m b r o s e ) 在英国放射学会上发表了第一篇c t 论文。 0 图1 1 雷唐公式中所用的坐标系统 c t 的问世在放射学界引起了爆炸性的轰动，被认为是继伦琴发现x 射线后， 工程界对放射学诊断的又一划时代的贡献。1 9 7 9 年的诺贝尔生理和医学奖破例 地授予两位没有专门医学经历的科学家：g o d f r e yn h o u n s f e i l d 与a 1 l a n m a c l e dc o r m a c k 。从此，放射诊断学进入了c t 时代。c t 装置很快推广，并在短 期内获得极大发展。1 9 7 3 年美国m a y oc l i n i c 和麻省总医院即相继安装了颅脑 c t ，1 9 7 4 年美国制成第一代全身c t 。1 9 8 3 年我国研制成了第一台颅脑c t 扫描 装置；1 9 8 5 年国产第二代c t 研制成功；1 9 9 0 年国产第三代全身c t 通过鉴定。 c t 技术的进步，推动着工业c t 技术的迅速发展，并推动了其产品不断推陈 出新。进入上世纪9 0 年代，许多公司都相应开发出了高能x 射线工业c t 产品， 如美国b i r 公司的a c t i s 系列，a r a c o r 公司i c t 和k o n o s c o p e 系列，加拿大 原子能公司a e c l 系列，德国西门子x i c t 系列等。在我国，工业c t 技术也得 到了快速的发展，重庆大学i c t 中心于1 9 9 3 年功研制出我国首台y 射线i c t 机， 填补了国内空白，1 9 9 6 年开发出我国第一台商品化工业c t 机并投放市场，1 9 9 9 年开发出了系列工业c t 机产品并批量生产。最近，中国工程物理研究院研制成 功我国首套高精度工业c t 。该设备从体上可检测最小达0 0 0 2 立方毫米的设备 第一章绪论 内部缺陷，从线上可检测出1 0 微米的内部裂缝，分辨能力比国外公布的同类设 各高出近1 0 倍。 1 1 2s r c t 技术简介 随着材料科学、生物医学等学科的发展，对图像检测技术的要求越来越高， 高分辨率图像和内部结构无损检测成为图像检测技术的新要求。近年来，一些具 有高分辨率的图像检测设备，例如扫描电镜、原子力显微镜以及透射电镜等高科 技产品出现了。但是这些设备只能对物体进行表面检测或切片检测，无法满足物 体内部结构的在线及无损检测。传统c t 技术( 医学、工业等) 由于受x 射线光 源尺寸及波长选择性差等特点的限制，使得传统c t 技术难以满足现代材料科学、 生物医学等研究和应用检测的要求。为了满足科学发展的需求，自从2 0 世纪8 0 年代以来，就不断有学者将同步辐射光源结合到c t 技术中，从而建立起 s r c t ( s y n c h r o t r o nr a d i a t i o nc o m p u t e dt o m o g r a p h y ) 技术。3 。，并对该技术不 断的进行探索研究。对比于c t 技术，s r c t 技术具有高空间分辨率以及光子能 量可选性等突出优点。经过近3 0 年的发展，s r c t 技术得到进一步发展，并且 其应用领域也越来越广阔。 s r - c t 技术与c t 技术在原理上是完全一致的，它们的基本思想都是源于 r a d o n 变换，即根据投影重建图像。在组成装置上，c t 是由x 射线光源、试件 台、光强接受器以及后处理软件四部分组成。与s r c t 技术装置比起来，其主 要差别在于光源的不同，并且s r c t 技术中多了单色晶体。同步辐射光源与c t 装置中x 射线的差别在于，同步辐射光源具有高强度、强穿透、高分辨等特性， 并且其准直性非常高，其光源可近似为一组平行线光束“，而c t 装置中的x 射 线则不行，是为具有一定发散角的扇形光束“5 。3 。同时同步辐射光源的频谱范围 宽，包含从远红外、可见光直到x 光等各种波长的光，因此实验时可以根据需 要选择合适的波长“”，而c t 光源则为一单色光，难以实现合适波长的选择。并 且同步辐射光源是不能旋转的，这样使得在s r c t 技术中实现对物体的0 1 8 0 度视角范围内的投影成像是通过旋转物体本身实现的，而在c t 技术中既可通过 旋转光源也可通过旋转物体来实现。 s r - c t 技术实验装置示意图见图1 2 ，主要由同步辐射光源、单色晶体、旋 转装置、x 射线c c d 以及图像处理五部分组成。其中单色晶体的作用是将同步辐 第一章绪论 射光变成单色光，旋转装置通过旋转从而实现试件在不同视角下的连续投影成 像，x 射线c c d 用于接受投影像，而图像处理部分包括对投影像的预处理、射线 投影值的提取、物体断层图像的重建以及物体重建图像的三维组装与显示等。 同 图1 2s r c t 技术实验装置不意图 实验时，可通过调节单色晶体与同步辐射光源间夹角( 口) 来选择实验需要 的光子能量，光子能量的选择根据实验试件的材料成分而定，亦即根据材料的质 量吸收系数、试件尺寸选择合适的光子能量，以期获得最佳的图象质量。一般而 言，对于轻元素材料( 如复合材料、高分子材料等) 应选用较小的光子能量；对 于重元素材料( 如金属、合金材料等) 应选用较大的光子能量。卢值由布拉格衍 射公式即可求得，如( 1 3 ) 式所示， p 铆c s i n ( 刍) “- 3 ) 式中，d 表示两相邻原子层间的距离，丑即为所需选择光子能量的波长。 选择好光子能量后，再根据被检测试件的大小来确定投影间隔度数( 妒) 。 投影间隔度数是指投影成像时，每旋转多少度对物体投影成像一次。为了方便物 体断层图像的重建，投影间隔度数为常数，这样舻值越小投影成像次数就越多， 即投影像数( r ) 越多，这里胛= 1 8 0 妒。一般情况下，对于较大尺寸试件应选用 较小的投影间隔度数，对于较小尺寸试件应选用较大的投影间隔度数。 将被检测试件置于旋转台上，通过x 射线c c d 接受投影像。获得一系列投影 像后，由重建软件计算得到被检测试件的断层重建图像。其处理过程示意图见图 1 3 。 第一章绪论 图1 3s r c t 技术重建运算过程 1 1 3s r c t 技术研究及应用进展 s r c t 技术结合相应的设备装置可以实现各种不同的检测。例如在s r c t 技 术中，引入拉伸压缩加载装置，可以实现物体力学性能的检测，引入加热装置可 以实现热载荷下的物体性能检测。s r c t 技术可以为不同外场作用下的物体各种 性能机理的建立提供直接的图像依据，同时也可以通过物体在不同状态下的内部 结构演化图像从微结构角度来研究物体的各种性能。 s r c t 技术的基本思想由g r o d z i n s 在1 9 8 2 年提出”3 ，他指出在获得高空问 分辨率c t 图像时应用同步辐射光源的必要性。1 9 8 4 年t h o m p s o n 等人第一次报 告了s r - c t 技术试验，获得了猪，t l , 脏的断层图像5 1 。随后的2 0 多年内，b o n s e 、 h i r a n o 、k i n n e y 等学者对s r - c t 技术进行不断地研究“1 “，他们自制了多种不同 种类的样品用来测试s r - c t 技术的空间分辨率，这些样品含有不同组分的材料， 如复合材料、金属材料、生物材料等，样品大小也是多样的，有毫米、微米等不 同量级的尺寸。同时，在实验研究中不断地改进实验方法和成像系统，以期提高 s r c t 技术的空间分辨率。近年来对s r c t 技术空间分辨率研究的报道有：2 0 0 1 年日本学者t a k e d a 报道了8 r - c t 技术空间分辨率的研究结果为5 0 微米“。2 0 0 3 年巴西学者l o p e s 对s r - c t 技术的图像分辨率进行了实验研究，图象的空间分辨 率为4 0 微米，图1 4 为其应用s r c t 技术对自制试件进行重建运算得到的图像“1 1 。 由上述可知，众多学者对s r c t 技术的研究，其主要目的在于提高空间分 辨率、改善设备装置和优化实验方法，以使得该技术能够满足微观领域研究的要 求，进而使得该技术的应用更加广泛。但是，s r - c t 技术的空间分辨率的标定是 个非常复杂的工作，比如，s k - c t 技术的各种实验条件均相同时，不同样品的空 间分辨率大小是不同的，这是因为空间分辨率与样品内的组分元素也是相关的。 同样的样品，当选用不同波长的同步辐射光源，其重建图像的空间分辨率也是不 同的。因此，近3 0 年来空间分辨率研究结果均只能反映s r c t 技术在特定条件 下对特定试件的空间分辨能力，所以研究结果所报道的空间分辨率大小是有局限 第一章绪论 性的。 图1 4a 为试件重建图像，b 为试件重建图像经过3 3 中值滤波后的图像 在对s r c t 技术进行实验研究的同时，该技术也不断地被应用到各个领域的 研究当中。1 9 8 8 年，s a k a m o t o 应用s r c t 技术研究了s i c 纤维增强s i 。n 。陶瓷材 料，实验重建图像能清楚地分辨出纤芯、包层、基体以及裂纹“。1 9 9 1 年b o n s e 应用s r c t 技术研究了a 1 。瓯晶须增强a 1m 麓c 材料，实验结果得到了材料的各个 纵横剖面图像，这些图像清楚地显示出材料内部的金相分布。1 9 9 4 年h i r a n o 应 用s r - c t 技术对拉伸过程中的s i c a 6 n 0 1 增强m m c 材料进行了在线检测，获得了 该材料在不同应力应变状态下的内部结构重建图像，这些内部结构演化图像再现 了纤维拉出、纤维断裂、纤维与基体间的脱层以及裂纹扩展等变化过程，分析结 果表明c 材料是在纤维断裂后通过基体的塑性变形失效的。2 0 0 5 年( ( s c i e n c e ) ) 上报道了奥地利学者p y z a l l a 应用s r c t 技术研究合金c u z n 4 0 p b 2 蠕变行为的实 验结果，实验结果表明合金内部气孔随时间的变化呈指数增长。实验方法是作者 通过s r c t 技术获取不同时刻在一定应力作用下合金的内部结构图像，通过这一 系列不同时刻合金内部结构图像的分析，从而得到了合金内部气孔的增长情况。 图1 5 为合金c u z n 4 0 p b 2 在经过不同时间蠕变后的重建图像“。2 0 0 5 年法国学者 b e r n a r d 应用s r c t 技术对烧结过程中的陶瓷材料进行了实验研究1 。作者通过 s r c t 技术获取不同烧结时刻下陶瓷材料的内部结构图像，进而通过内部结构的 演化图像来获取陶瓷材料在烧结过程中的孔隙率变化以及颈缩变化情况。 一6 第一章绪论 1r n m qi , - 图1 5 上下图分别为合金经过3 4 8 分钟与4 3 1 分钟蠕变后其横向与纵向截面重建图像 综上所述，s r c t 技术成功地实现了物体内部结构演化过程的在线检测，从 而为从微结构角度揭示物体或材料的属性提供了强有力的手段，同时也为物体或 材料各种属性模型的建立或修正提供了直接依据。随着s r - c t 技术的不断发展， 空间分辨率的不断提高，可以预见的是s r c t 技术将会越来越被广泛地应用在科 学研究的各个领域之中。 1 2 本文研究领域存在的问题及选题的意义 从s r c t 技术的发展历史来看，提高其重建图像的空间分辨率与精度是该 技术的主要发展方向。而s r c t 技术重建图像的空间分辨率及精度与重建算法、 重建算法中的参数设置、同步辐射光源、旋转装置以及x 射线c c d 都是密切相 关的。比如：对于同样的投影数据，采用不同重建算法进行计算时所得的重建图 像是有差异的，采用不同参数值的相同算法时其重建图像也是有差别的，由此可 知，分析研究s r c t 技术的重建算法及优化算法中的参数设置对于改善或提高 重建图像分辨率及精度是十分重要的工作。在s r - c t 技术中，同步辐射光源空 曩圈圈圈 第一章绪论 间及时间上的不均匀性、旋转装置的精度以及x 射线c c d 的分辨率等因素将会 直接影响着投影数据的偏差，因此，对这些因素的分析研究也将直接关系着 s r c t 技术重建图像的精度。 在s r - c t 技术的实际应用中，有时由于受相关条件的制约不能获取被检测 物体完整的投影数据，这时需要判断由这些不完整投影数据所计算得到的重建图 像能否正确反映物体内部结构信息，或者况重建图像的精度能否满足实际检测的 需要。因此，对于这种不完全投影数据情形的分析研究是有着十分重要的意义。 同样，在实际应用中，经常需要检测一些组分相近的复合材料，对于这样的材料， s r - c t 技术将难以区分这些密度相近的成分，其重建图像不能清晰给出这些密度 相近成分之间的边界。为此，需要发展新的方法来满足这一检测需求，在s r - c t 技术的基础上，引入衍射增强成像方法，将这两种技术结合起来从而形成衍射增 强s r c t 技术，而该技术大大提高了检测重建图像的密度分辨率。“。 对于物体的内部结构检测，一般情况下，通过s r c t 技术获得其内部结构图 像就达到了目的。而对于物体的内部结构演化，则需获取其在外场作用下( 如载 荷、温度等) 不同状态的内部结构图像，还需要对这些不同状态下的结构演化图 像进行处理，以期获得所需的信息。而对于材料结构与力学行为方面的实验研究， 获取材料内部结构的三维位移场是有着重要价值的，因此，通过何种方法实现物 体内部结构三维位移场的求解是具有十分重要的意义。 由于泡沫铝材料的诸多优异特性，使得其在工业上的应用极为广泛。5 1 。目 前，国内外对泡沫铝的研究非常多，尤其在动静态力学性能方面的研究“6 “。然 而泡沫铝的诸多性能与其内部气孔的尺寸、形状以及分布是极为相关的，因此， 从微结构角度去研究泡沫铝材料的性能是非常有意义的一项工作。目前，已有学 者采用数码相机拍摄泡沫铝截面图像来统计分析泡沫铝的微结构及其分布。该 方法的不足之处主要有：其截面图像仅能反映泡沫铝微结构的二维分布情况，分 析量大，对泡沫铝材料进行线切割时会给其截面带来一定程度的损伤，并且该方 法不能对变形过程中的泡沫铝材料进行追踪检测。综上所述，应用s r c t 技术对 变形过程中的泡沫铝材料进行在线检测将是真正地从微结构角度开展泡沫铝材 料力学性能的研究。 第一章绪论 综上所述，本文所要研究的两个主要问题是：1 ) 建立基于同步辐射的材料 内部微结构检测的s r c t 系统平台( 其中关键硬件高精度同步旋转一拉压实验装 置由夏源明教授研究小组完成) 及其检测技术，对该技术进行系统的研究，包括 重建算法、投影数据残缺影响、误差分析等，以期使该实验方法系统化并不断完 善。同时更进一步拓展和延伸该方法，研究了衍射增强s r c t 技术与获得三维变 形场的数字图像相关法。2 ) 作为该方法的应用，对压缩过程中泡沫铝材料进行 了在线检测，应用断层图像重建程序计算出不同压缩状态下泡沫铝材料的内部结 构图像，通过泡沫铝材料内部结构演化图像的分析与处理，获得了泡沫铝材料的 压缩变形规律。 1 3 本文主要工作 本文以s r c t 技术的研究和应用为两个主要内容。在s r c t 技术研究中，详 细分析了该技术的不同重建算法。对比不同算法各自的优缺点，提出了一种新算 法一一混合算法，并且对算法中的参数进行的优化分析；研究了不完全投影数据 重建图像的精度及其优化方法；分析研究了s r c t 技术的误差及其影响因素。基 于s r c t 技术，研究了衍射增强s r c t 技术和数字图像三维相关方法。在应用研 究中，采用s r - c t 技术对泡沫铝材料在压缩过程中进行在线检测，获得了不同压 缩状态下泡沫铝材料内部结构的演化图像，通过数字图像处理及数字图像相关 法，对泡沫铝材料的压缩变形行为进行了分析研究。 下面对本论文的主要工作及章节安排简要介绍如下： 第一章是本文的绪论。概述了c t 发展历史，简要介绍了s r c t 技术，详细 论述了s r c t 技术的研究及应用进展、本研究领域存在的问题、选题的意义等， 提出了需要解决的问题。然后简要介绍的本文的主要工作。 第二章在介绍s r c t 技术相关基础知识上，详细研究了该技术的几种不同重 建算法，如迭代算法、滤波反投影算法等。并对这些算法进行了分析比较，提出 了一种新算法。同时对迭代算法中的一些参数进行了优化分析，提高了迭代算法 的运算精度及效率。分析研究了不完全投影数据重建图像质量，给出了投影数据 的不同残缺量与重建图像质量之问的关系，同时提出了提高不完全投影数据重建 图像质量的优化方法。分析研究了s r - c t 技术的误差，s r c t 技术的误差是由 第一章绪论 同步辐射光源空间及时间上的非均匀性、旋转装景旋转偏差、x 射线c c d 灰度 溢出以及灰度等级分辨等多方面原因引起的，最后给出了s r - c t 技术误差的四 种基本形式。 第三章研究了衍射增强s r c t 技术。该技术是将衍射增强成像方法结合到 s r c t 技术中而形成的，用于提高重建图像的衬度分辨率。在北京同步辐射室形 貌站，对自制样品进行实验研究，实验结果表明，该技术对不同元素间的边界有 着增强作用，且这种增强作用效果很明显，因此在检测组分元素相近的材料时， 应优先选用衍射增强s r c t 技术。 第四章研究了数字图像三维相关法方法。该方法用于求解物体变形前后内部 结构的三维位移场。在s r c t 技术获取物体内部结构图像的基础上，提出了数字 图像三维相关法，论述了数字图像三维相关法原理，给出了其计算窗口的形式、 大小以及相关系数的拟合函数，并详细介绍了整像素位移与亚像素位移的求解过 程，最后通过模拟实验证实了该方法的可行性。 第五章应用s r c t 技术研究了泡沫铝材料的压缩变形行为。选取开孔及闭孔 两种不同孔结构的泡沫铝材料作为研究对象，应用s r c t 技术对这两种不同孔结 构泡沫铝材料的压缩变形行为进行了研究。实验成功地获得了压缩过程中开孔及 闭孔泡沫铝材料内部微结构的演化图像，通过这些演化图像的处理与分析，获得 了压缩过程中开孔及闭孔泡沫铝材料孔隙率变化过程，同时也得到了压缩过程中 开孔及闭孔泡沫铝材料各横截面的位移及变形过程，最后给出了开孔及闭孔泡沫 铝材料两种不同的压缩变形机理。 第六章对本文的工作进行了概括和总结，并对今后工作中需要进一步研究的 问题给予展望。 参考文献： 【1 】庄天戈c t 原理与算法上海：上海交通大学出版社，1 9 9 2 2 】2 y o s h i t on a k a s h i m a ，t s u k a s an a k a n o ，k o i c h in a k a m u r a ，k e n t a r ou e s u g i ，a k i r a t s u c h i y a m a ，s u s u m ui k e d a t h r e e d i m e n s i o n a ld i f f u s i o no fn o n s o r b i n gs p e c i e si n p o r o u ss a n d s t o n e ：c o m p u t e rs i m u l a t i o nb a s e do nx r a ym i c r o t o m o g r a p h yu s i n g s y n c h r o t r o nr a d i a t i o n j o u r n a lo fc o n t a m i n a n th y d r o l o g y ，2 0 0 4 ，7 4 ：2 5 3 2 6 4 第一章绪论 【3 】s a k a m o t ok ，s u z u k iy ，h i r a n ot u s a m ik i m p r o v e m e n to fs p a t i a lr e s o l u t i o no f m o n o c h r o m a t i cx r a yc tu s i n gs y n c h r o t r o nr a d i a t i o n j a p a n e s ej o u r n a lo fa p p l i e d p h y s i c s ，1 9 8 8 ，2 7 ：1 2 7 1 3 2 4 m g o i t e i n ，t h r e e d i m e n s i o n a ld e n s i t yr e c o n s t r u c t i o n f r o mas e r i e so ft w o d i m e n s i o n a lp r o j e c t i o n s ，n u c l i n s t r u m o t h ，1 9 7 2 ，1 0 1 ：5 0 9 - 5 1 8 5 a c t h o m p s o n ，j l l a c e r c o m p u t e dt o m o g r a p h yu s i n gs y n c h r o t r o nr a d i a t i o n n u c l e a ri n s t r u m e n t sa n dm e t h o d si np h y s i c sr e s e a r c h ，1 9 8 4 ，2 2 2 ：3 1 9 - 3 2 3 6 6u b o n s e ，q j o h n s o n ，m n i c h o l s ，r n u s s h a r d t ，s k r a s n i c k i ，j k i n n e y h i 曲 r e s o l u t i o nt o m o g r a p h yw i t hc h e m i c a ls p e c i f i c i t y n u c l e a ri n s t r u m e n t sa n dm e t h o d s i np h y s i c sr e s e a r c ha ，19 8 6 ，2 4 6 ：6 4 4 - 6 4 8 【7 t a t s u m ih i r a n o ，k a t s u h i s au s a m i h i g hr e s o l u t i o n m o n o c h r o m a t i cx r a y t o m o g r a p h yu s i n gs y n c h r o t r o nr a d i a t i o n ，j a p a n e s ej o u r n a l o fa p p l i e dp h y s i c s ， 1 9 8 9 ，2 8 ( 2 ) ：2 6 3 2 6 6 8 u b o n s e ，r n u s s h a r d t ，fb u s c h ，r p a h l ，q c j o h n s o n ，j h k i n n e y , r a s a r o y a n ，m c n i c h o l s o p t i m i z a t i o no fc c d b a s e de n e r g y m o d u l a t e dx r a y m i c r o t o m o g r a p h y r e v s c i i n s t r u m 1 9 8 9 ，6 0 ( 7 ) ：2 4 7 8 2 4 8 1 9 y o s h i os u z u k i ，k a t s u h i s au s a m i ，k o z os a k a m o t o ，h i r o s h ik o z a k a ，t a t s u m i h i r a n o ，h i d e m is h i o n o ，h i d e k ik o h n o x r a yc o m p u t e r i z e dt o m o g r a p h yu s i n g m o n o c h r o m a t e ds y n c h r o t r o nr a d i a t i o n j a p a n e s ej o u m a lo fa p p l i e dp h y s i c s ，19 8 8 ， 2 7 ( 3 ) ：4 6 1 4 6 4 【1 0 】j h k i n n e y ，q c j o h n s o n ，m c n i c h o l s ，u b o n s e ，r a s a r o y a n ，r n u s s h a r d t ， r ，p a h l x r a ym i c r o t o m o g r a p h yo nb e a m l i n ex a ts s r l r e v s c i i n s t m m 19 8 9 ， 6 0 ( 7 ) ：2 4 7 1 - 2 4 7 4 【11 t a t s u m ih i r a n o ，k a t s u h i s au s a m i ，k o z o os a k a m o t o h i g h r e s o l u t i o n m o n o c h r o m a t i ct o m o g r a p h yw i mx r a ys e n s i n gp i c k u pt u b e r o y s c i i n s t r u m 1 9 8 9 ，6 0 ( 7 ) ：2 4 8 2 2 4 8 5 【1 2 tt a k e d a ，q y u ，t y a s h i r o ，t z e n i y a ，j w u ，yh a s e g a w a ，t h e t - t h e t l w i n ，k h y o d o ，ty u a s a ，f a d i l m a n i a n ，ta k a t s u k a ，yi t a i i o d i n ei m a g i n gi ni h y r o i db y f l u o r e s c e n tx r a yc tw i t ho 0 5 m ms p a t i a lr e s o l u t i o n n u c l e a ri n s t r u m e n t sa n d m e t h o d s i n p h y s i c s r e s e a r c h a ，2 0 0 1 ，4 6 7 4 6 8 ：1 3 1 8 1 3 2 1 1 1 第一章绪论 【1 3 】r tl o p e s ，h s r o c h a , e fo d ej e s u s ，r c b a r r o s o ，l ed eo l i v e i r a ，mj a n j o s ，d - b r a z ，s m o r e i r a x _ r a yt r a n s m i s s i o nm i c r o t o m o g r a p h yu s i n g s y n c h r o t r o nr a d i