空间材料科学实验中的X光三维成像

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我国空间科学研究事业的蓬勃发展，为开展空间材料科学研究提供了更大的平台。从我国空间材料科学研究发展历程可以看出，制约我国空间材料科学研究的关键因素之一是缺乏先进的空间实验设备。目前，X射线透射式实时观察系统的研制已列入空间站材料科学实验规划，目的是研制出可用于空间微重力环境中使用的X射线透射式观察成像系统，实现对空间材料科学实验过程的实时观察和记录。通过对材料内部过程的实时观察，可以了解金属、合金、陶瓷等材料在空间实验时的动态过程，从而通过对材料过程的研究，弄清其生长的机理，提高我国空间材料科学的研究深度，以期获得对我国的经济发展和科学事业具有切实促进作用的空间材料科学研究成果。本文的目标是仿真实现X射线三维成像的整个流程。本文对X射线的成像机理进行了深入的分析，并对相关理论进行了推导。首先，对X射线直接投影成像进行了比较系统的分析讨论。之后，对X射线的断层成像理论进行了推导。从基本的平行束X光，到扇形束X光，再到锥形束X光，逐层深入，推导了其算法的流程。之后，本文对X射线断层成像的理论在计算机上进行仿真实现，并分析讨论了插值算法、滤波器选择、基于像素重建等细节对算法最终重建效果的影像。本文基于锥束X光理论仿真实现了X光三维成像系统。系统主要分为三个部分：投影，反投影重建和三维显示。投影阶段，计算了多角度下3D Shepp-Logan多椭球模型的影像。反投影阶段，根据影像数据和几何关系反演3D Shepp-Logan模型。最后，将重建的3D Shepp-Logan模型三维显示出来。显示阶段采用了面绘制和体绘制两种技术。最后，本文定量分析讨论了重建误差，指出X射线源距离扫描对象中心距离以及投影数目对重建结果的影响。论文的研究工作为进一步研究和实际应用奠定了基础：在理论上做了比较全面系统的分析；在软件设计上，搭建了一个良好的仿真平台。这些对于X射线透射式实时观察系统的研制以及更为复杂系统的研制提供了有力的指导和参考。