基于知识的涡轮叶片高质量锥束CT成像技术研究

发布时间：2020-10-24 01:23

　　 高温合金空心涡轮叶片被誉为航空发动机“皇冠上的明珠”,是影响发动机性能和安全的关键部件,其铸造精度及检测尤为重要。如果涡轮叶片存在微裂纹、壁厚不均或尺寸超差等缺陷,会极大降低叶片的服役性能,严重时甚至会发生发动机爆炸等恶性事故。因此发动机涡轮叶片的尺寸检测、无损探伤是迫切需要解决的关键技术难题。研究快速有效的无损检测和高质量成像技术,对解决涡轮叶片检测和发动机研制至关重要。本文针对航空发动机涡轮叶片工程检测中存在的散射和射束硬化影响成像质量及重建图像质量差等问题,对CBCT系统成像过程中的噪声、散射、射束硬化伪影校正和病态投影重建技术进行深入系统研究。针对CBCT成像中存在的若干关键技术和难点问题,进行了CBCT扫描成像分析、结构特征侦测的散射场估计、基于硬化曲线建模与侦测的射束硬化-散射伪影校正、叶片特征侦测的病态投影重建等问题,并通过仿真和实际数据验证了本文相关算法的有效性。主要研究内容包括:1、针对涡轮叶片成像质量问题,给出了整个CBCT投影成像过程表征,同时对涡轮叶片成像过程中的影响因素进行描述,分析了CT系统成像知识及涡轮叶片特性。在成像噪声和伪影产生机理基础上,讨论了曝光参数、量子噪声、探测器响应与输出等因素对涡轮叶片成像的影响。结合涡轮叶片特点,重点分析了叶片投影及重建伪影特性,给出了抑制成像噪声及伪影的处理方法。最后,根据整个投影成像链及各个环节因素对成像质量的影响,提出了实现CBCT高质量成像的相关策略。2、针对CBCT成像中涡轮叶片散射伪影校正问题,提出了一种光栅散射与结构张量区域特征建模相结合的散射估计方法。该方法以单光栅散射侦测和叶片投影的梯度信息为先验知识,通过投影图像的特征区域划分与建模,结合局部角度位置光栅散射侦测信息,得到不同区域的投影-散射模型参数知识,完成基于角度序列投影图像的散射场估计。实验结果证明,通过结构区域特征得到的散射场,可以有效的解决角度序列的散射场估计问题。最后通过对不同散射获取方法的比较,得出结构区域散射估计更接近光栅散射场分布。3、针对涡轮叶片成像过程中射束硬化及散射耦合伪影对成像质量的影响问题,首先在射束硬化行为分析的基础上,完成了射线硬化的路径知识侦测,提出了一种基于二值化图像的射束硬化曲线模型侦测方法。然后对DR投影在投影域和切片域进行散射校正;通过分析和比较不同校正结果,进一步完成了基于模型修正的射束硬化校正方法。实验结果表明,散射校正后,散射伪影降低,信噪比提升在10%以上,平均梯度提升在80%以上,射束硬化校正后,杯状伪影也得到很好抑制,有效的改善了成像质量。4、针对涡轮叶片投影采集过程中存在的弱投影或射线无法穿透等病态投影重建问题,首先对病态投影特征进行侦测,获取叶片特征知识,然后给出不同病态投影类型的前期处理方法。针对弱投影信息提出了一种局部投影多幅求平均的方法,提升了该位置弱投影的信噪比;针对射线无法穿透得到的投影,在改进的离散代数重建算法的基础上,提出了一种混合融合抗噪重建算法,该方法将代数迭代算法与FDK算法相结合,通过迭代算法的迭代更新机制补偿病态投影数据下FDK算法的不足,使重建切片信噪比得到改进。实验结果显示,应用抗噪算法重建得到的切片图像,其归一化均方根距离NMSD、归一化平均绝对距离NAAD、信噪比SNR等提升均在10%以上。
【学位单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V263.3;TP391.41
【部分图文】：

图 1-1 CBCT 系统组成航空燃气涡轮发动机是飞机的“心脏”，作为高推重比发动机的核轮叶片被誉为航空发动机“皇冠上的明珠”。由于国内研制的精约着我国航空发动机研制和生产[7]。尤其是涡轮叶片存在微裂

针对散射的软件校正方法，卷积算法通过把图像与卷积核进行卷积，加权得到散射。将散射图像从原始图像中减掉，进而获得校正投影。加权函数是实现散射校正的，其受到各个实验条件(曝光率、射线能量、管电流等)的影响。近年来，在卷积法上提出了修正卷积法。反卷积法认为散射是原始图像与核函数反卷积的结果，其通适的散射点扩展函数与反特性滤波器对图像滤波，反变化得到散射图像。CBCT 系

Radon空间、Fourier空间和Image空间关系示意图
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本文编号：2853823