宇宙线缪子成像图像重建与成像质量分析方法研究

发布时间：2020-02-12 05:09

【摘要】：宇宙线缪子成像是一种用于重核材料无损成像的新型技术,它利用天然的宇宙射线,避免了外加射线源带来的辐照损伤风险,可用于对特殊核材料进行结构探伤等。由于天然缪子通量有限、入射角度不完备,在有限时间内的成像质量一般较差,应用于结构成像存在困难。为了提高缪子成像质量,本论文从图像重建算法和成像质量分析方法两方面展开研究。论文的研究成果对于降低缪子成像的图像噪声水平、优化系统参数设计等都有重要意义。图像重建算法方面,本文提出了基于边缘约束先验函数的lp-MAP重建算法。针对图像噪声较大问题,通过分析缪子成像的物理模型,将边缘稀疏型先验函数作为惩罚项加入目标函数中。同时提出具有统一形式的lp范数先验函数,它兼具各类先验函数的优势,且在各先验之间转换的实现代价小。针对lp-MAP算法的目标函数形式复杂、难以求解的问题,通过构造原目标函数的替代函数,将复杂的优化问题简化成抛物面问题,并利用凸函数分离定理将多变量问题转变成单变量问题,最终实现lp-MAP问题的高效率求解。此外,还采用数值实验方法详细分析强度参数和范数参数对结果的影响。相比于已有重建算法,lp-MAP算法有效抑制了图像噪声,保持了物体边缘,提高了图像的空间分辨率。成像质量分析方面,本文采用理论分析结合数值分析的方法,得到成像参数对成像质量的影响关系。首先,采用频域分析方法研究系统参数对重建空间分辨率的影响,提出了缪子中心切片定理,创新地将散射信息转移到频域中分析,并建立缪子的等效束宽模型,推导出空间分辨率的解析表达式。其次,采用误差分析方法研究系统参数对重建材料分辨力的影响,先建立探测误差与散射角测量误差的关系,再结合缪子重建的统计特性,得到探测误差对重建值偏差的影响。最后,采用数值分析方法研究成像时间对重建空间分辨率和材料分辨力影响的经验关系。此外,还提出缪子成像的性能评价标准和测试分析方法。这部分工作填补了国际上缪子成像质量分析领域的空白,为指导系统优化设计、预测系统成像能力、估计成像时间等提供参考和依据。最后,在TUMUTY系统上进行实测数据成像实验,验证了lp-MAP算法的鲁棒性和成像质量分析的有效性,进而为系统优化提供参考。
【图文】：

成像系统,反应堆,成像

图 1.1(a) LANL 大型缪子成像系统；(b) LANL 小型缪子成像系统；(c) LANL 对模拟反应堆的成像结果[12,13,30]2008 年，LANL 将缪子成像技术授权给 DS 公司进行商业化开发，后者将缪子散射与电子阻挡两种信息相结合，再集成 γ 射线成像技术，开发了多模态被动式成像系统（The Multi-Mode Passive Detection System，MMPDS）[31]。该系统的出现真正意义上实现了将缪子成像技术大范围应用于海关、边防的货车和大型集装箱检测。检测对象也不再局限于重核物质，而是扩大到有机物范围，可以探测爆炸物、毒品等违禁品。该系统不提供精确的图像，只是在较短时间内给出是否有危险品的预判，平均 45 秒就可以完成 40 英尺集装箱的检测[32]。2013 年，DS 公司和 LANL 凭借 MMPDS 系统的开发获得了 R&D 100 大奖，被评为年度最具创新性的科技产品[31]。

界面图,系统检测,集装箱,界面

1.1(a) LANL 大型缪子成像系统；(b) LANL 小型缪子成像系统；(c) LANL 对拟反应堆的成像结果[12,13,30]2008 年，LANL 将缪子成像技术授权给 DS 公司进行商业化开发，后缪子散射与电子阻挡两种信息相结合，，再集成 γ 射线成像技术，开发了态被动式成像系统（The Multi-Mode Passive Detection System，MMPD1]。该系统的出现真正意义上实现了将缪子成像技术大范围应用于海关、的货车和大型集装箱检测。检测对象也不再局限于重核物质，而是扩大机物范围，可以探测爆炸物、毒品等违禁品。该系统不提供精确的图像是在较短时间内给出是否有危险品的预判，平均 45 秒就可以完成 40 英装箱的检测[32]。2013 年，DS 公司和 LANL 凭借 MMPDS 系统的开发获 R&D 100 大奖，被评为年度最具创新性的科技产品[31]。
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O572.1

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