高速旋转动态过程层析辐射成像关键物理及技术研究

加速器高能X射线辐射成像方法有非接触检测和图像直观的特点，对高温、高压环境下高速旋转转子检测具有独特的优势。本项目针对航空发动机高速涡轮转子与定子之间的叶尖间隙检测这类应用需求，拟突破目前闪烁屏+CCD相机透视成像检测的局限，将CT图像重建新方法引入高速旋转转子的动态过程检测，创新性提出利用转子自身旋转运动获取CT重建投影扫描数据，重建感兴趣区域的转子高速旋转动态过程层析图像。课题拟通过研究非完备性投影数据CT重建、高速旋转运动模糊CT重建和旋转中心稳定性等关键理论和技术，设计基于先验知识的局部图像重建方法，获得高速旋转转子动态过程层析辐射成像检测新技术。我们的研究工作将为CT成像理论和技术在动态过程层析领域的研究提供一个新手段，对解决航空发动机研制的迫切需要有重要应用意义。

本项目创新性地将CT成像技术引入到过程层析检测应用领域，特别是对高温高压复杂环境下高速旋转转子的动态成像提供了一种新的无接触检测方法，提出了一种辐射成像过程层析成像技术，探讨了X射线辐射成像技术在过程层析领域应用的理论基础与重要问题。本项目创新性地提出了利用高速转子自身旋转运动获取投影数据的动态测量方式，解决了传统CT技术中静态数据获取与过程层析中物体运动的矛盾，为其在过程层析领域创造了可能。然而被成像物体的高速运动，对数据采集系统和图像重建算法都提出了更大的挑战。本项目分别针对两方面问题，从物理建模入手，对动态数据采集和图像重建方法中的核心问题进行了深入研究和探讨。在数据获取方面，我们设计了一种基于叶片同步触发的曝光采集方式，通过探测叶片转动信号控制加速器出束，在转子的多个旋转周期内，获得不同角度下转子的投影数据。并根据应用不同，建立了了单次触发和多次触发两种触发模式，满足不同应用需求。针对这样一个动态数据采集方式，我们分析解决了动态过程层析中图像重建算法面临的三个主要问题，特别是投影角度存在误差，曝光过程物体运动造成的运动模糊，以及固定部分形成遮挡对投影数据的影响。我们分别通过预重建校正方法，物理建模曝光过程离散化的方法，以及基于静态先验图像的遮挡投影数据校正法解决了上述三个主要问题，并且通过数值模拟实验和实际风机动态成像实验验证了数据采集系统的可行性和重建算法的有效性。我们的研究工作是CT成像理论在过程层析领域的重要延拓与发展，对于高速转子的动态过程检测应用具有重要的实际意义。