發(fā)布時(shí)間：2020-02-12 05:09

【摘要】：宇宙線繆子成像是一種用于重核材料無(wú)損成像的新型技術(shù),它利用天然的宇宙射線,避免了外加射線源帶來(lái)的輻照損傷風(fēng)險(xiǎn),可用于對(duì)特殊核材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)探傷等。由于天然繆子通量有限、入射角度不完備,在有限時(shí)間內(nèi)的成像質(zhì)量一般較差,應(yīng)用于結(jié)構(gòu)成像存在困難。為了提高繆子成像質(zhì)量,本論文從圖像重建算法和成像質(zhì)量分析方法兩方面展開(kāi)研究。論文的研究成果對(duì)于降低繆子成像的圖像噪聲水平、優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)等都有重要意義。圖像重建算法方面,本文提出了基于邊緣約束先驗(yàn)函數(shù)的lp-MAP重建算法。針對(duì)圖像噪聲較大問(wèn)題,通過(guò)分析繆子成像的物理模型,將邊緣稀疏型先驗(yàn)函數(shù)作為懲罰項(xiàng)加入目標(biāo)函數(shù)中。同時(shí)提出具有統(tǒng)一形式的lp范數(shù)先驗(yàn)函數(shù),它兼具各類(lèi)先驗(yàn)函數(shù)的優(yōu)勢(shì),且在各先驗(yàn)之間轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)代價(jià)小。針對(duì)lp-MAP算法的目標(biāo)函數(shù)形式復(fù)雜、難以求解的問(wèn)題,通過(guò)構(gòu)造原目標(biāo)函數(shù)的替代函數(shù),將復(fù)雜的優(yōu)化問(wèn)題簡(jiǎn)化成拋物面問(wèn)題,并利用凸函數(shù)分離定理將多變量問(wèn)題轉(zhuǎn)變成單變量問(wèn)題,最終實(shí)現(xiàn)lp-MAP問(wèn)題的高效率求解。此外,還采用數(shù)值實(shí)驗(yàn)方法詳細(xì)分析強(qiáng)度參數(shù)和范數(shù)參數(shù)對(duì)結(jié)果的影響。相比于已有重建算法,lp-MAP算法有效抑制了圖像噪聲,保持了物體邊緣,提高了圖像的空間分辨率。成像質(zhì)量分析方面,本文采用理論分析結(jié)合數(shù)值分析的方法,得到成像參數(shù)對(duì)成像質(zhì)量的影響關(guān)系。首先,采用頻域分析方法研究系統(tǒng)參數(shù)對(duì)重建空間分辨率的影響,提出了繆子中心切片定理,創(chuàng)新地將散射信息轉(zhuǎn)移到頻域中分析,并建立繆子的等效束寬模型,推導(dǎo)出空間分辨率的解析表達(dá)式。其次,采用誤差分析方法研究系統(tǒng)參數(shù)對(duì)重建材料分辨力的影響,先建立探測(cè)誤差與散射角測(cè)量誤差的關(guān)系,再結(jié)合繆子重建的統(tǒng)計(jì)特性,得到探測(cè)誤差對(duì)重建值偏差的影響。最后,采用數(shù)值分析方法研究成像時(shí)間對(duì)重建空間分辨率和材料分辨力影響的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。此外,還提出繆子成像的性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試分析方法。這部分工作填補(bǔ)了國(guó)際上繆子成像質(zhì)量分析領(lǐng)域的空白,為指導(dǎo)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、預(yù)測(cè)系統(tǒng)成像能力、估計(jì)成像時(shí)間等提供參考和依據(jù)。最后,在TUMUTY系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)成像實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了lp-MAP算法的魯棒性和成像質(zhì)量分析的有效性,進(jìn)而為系統(tǒng)優(yōu)化提供參考。
【圖文】：

圖 1.1(a) LANL 大型繆子成像系統(tǒng)；(b) LANL 小型繆子成像系統(tǒng)；(c) LANL 對(duì)模擬反應(yīng)堆的成像結(jié)果[12,13,30]2008 年，LANL 將繆子成像技術(shù)授權(quán)給 DS 公司進(jìn)行商業(yè)化開(kāi)發(fā)，后者將繆子散射與電子阻擋兩種信息相結(jié)合，再集成 γ 射線成像技術(shù)，開(kāi)發(fā)了多模態(tài)被動(dòng)式成像系統(tǒng)（The Multi-Mode Passive Detection System，MMPDS）[31]。該系統(tǒng)的出現(xiàn)真正意義上實(shí)現(xiàn)了將繆子成像技術(shù)大范圍應(yīng)用于海關(guān)、邊防的貨車(chē)和大型集裝箱檢測(cè)。檢測(cè)對(duì)象也不再局限于重核物質(zhì)，而是擴(kuò)大到有機(jī)物范圍，可以探測(cè)爆炸物、毒品等違禁品。該系統(tǒng)不提供精確的圖像，只是在較短時(shí)間內(nèi)給出是否有危險(xiǎn)品的預(yù)判，平均 45 秒就可以完成 40 英尺集裝箱的檢測(cè)[32]。2013 年，DS 公司和 LANL 憑借 MMPDS 系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)獲得了 R&D 100 大獎(jiǎng)，被評(píng)為年度最具創(chuàng)新性的科技產(chǎn)品[31]。

1.1(a) LANL 大型繆子成像系統(tǒng)；(b) LANL 小型繆子成像系統(tǒng)；(c) LANL 對(duì)擬反應(yīng)堆的成像結(jié)果[12,13,30]2008 年，LANL 將繆子成像技術(shù)授權(quán)給 DS 公司進(jìn)行商業(yè)化開(kāi)發(fā)，后繆子散射與電子阻擋兩種信息相結(jié)合，，再集成 γ 射線成像技術(shù)，開(kāi)發(fā)了態(tài)被動(dòng)式成像系統(tǒng)（The Multi-Mode Passive Detection System，MMPD1]。該系統(tǒng)的出現(xiàn)真正意義上實(shí)現(xiàn)了將繆子成像技術(shù)大范圍應(yīng)用于海關(guān)、的貨車(chē)和大型集裝箱檢測(cè)。檢測(cè)對(duì)象也不再局限于重核物質(zhì)，而是擴(kuò)大機(jī)物范圍，可以探測(cè)爆炸物、毒品等違禁品。該系統(tǒng)不提供精確的圖像是在較短時(shí)間內(nèi)給出是否有危險(xiǎn)品的預(yù)判，平均 45 秒就可以完成 40 英裝箱的檢測(cè)[32]。2013 年，DS 公司和 LANL 憑借 MMPDS 系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)獲 R&D 100 大獎(jiǎng)，被評(píng)為年度最具創(chuàng)新性的科技產(chǎn)品[31]。
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：O572.1

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本文編號(hào)：2578710