МАЛОРАКУРСНАЯ КОМПЬЮТЕРНАЯ ТОМОГРАФИЯ В ФИЗИЧЕСКОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ, часть 1

О. В. Филонин

Самарский государственный аэрокосмический университет

Представлены методы, алгоритмы и примеры аппаратурной реализации малоракурсной 2D и 3D томографической диагностики параметров физических объектов применительно к лабораторным исследованиям. В частности, описаны методы и алгоритмы диагностики высокотемпературной плазмы и плазменных потоков, представлены результаты исследования пространственного распределения примесей в пламенах и примеры реконструкции структуры композиционных материалов.

Методы и средства малоракурсной компьютерной томографии (only a few projections tomography - OFPT) находят эффективные приложения в физическом эксперименте. Прежде всего, это касается исследования пространственных параметров самосветящихся объектов, таких, как плазма [1]; потоки высокотемпературных газов, пламена [2]; биологические объекты [3] и т. д. Малоракурсная томографическая диагностика находит широкое применение и при исследованиях структуры твердых тел, например, при диагностике сварных соединений, контроле особо ответственных изделий, особенно в полевых условиях. Особый интерес представляет применение методов и средств малоракурсной томографии для исследования структуры композиционных материалов в условиях тепловых нагружений [4], так как в этом случае возможно одновременно получать пространственную информацию о распределении температур в плазменном потоке и об изменении структуры материала с использованием внешнего рентгеновского излучения. При рентгенографических исследованиях структуры кристаллов появляется возможность восстановить пространственную информацию об истинном расположении атомов в решетке, определять вид и конфигурацию дислокаций в отдельных зонах кристалла и т. д.

Однако, несмотря на привлекательность, высокую ожидаемую информационную отдачу методов и средств томографической диагностики параметров физических объектов, разработка новых эффективных методов, алгоритмов и средств оказывается весьма сложной задачей. Это объясняется тем, что экспериментальные физические установки имеют оригинальную конструкцию и при оптическом способе формирования исходных данных их количество ограничено с технической точки зрения. Например, при исследовании плазмы в установках типа ТОКАМАК число ракурсов -1,2; при анализе процессов плазменных потоков плазмат-ронов - максимальное количество исходных проекций не более 12...24. При контроле качества сварных соединений в трубопроводах или особо ответственных изделий с трудом удается получить 12 изображений проекций при радиографической диагностике и т. д. Применение для исследовательских целей классических промышленных томографов не всегда возможно по техническим причинам и зачастую экономически неоправданно.

Методы и средства малоракурсной томографической реконструкции параметров исследуемых процессов в целом дают относительно большую погрешность (5... 15 %) по сравнению с многоракурсными системами. Однако с учетом высокой гибкости систем сбора и обработки информации, простоты реализации, невысокой стоимости, возможности получения уникальной трехмерной информации об исследуемых объектах в малоракурсных исследовательских системах разработка новых методов и алгоритмов, а также совершенствование конструкций томографических систем в области малоракурсной томографии являются весьма актуальными.

Рис. I. Геометрия получения исходных данных при упыпрамалоракурсной ВТ диагностике

Рис. I. Геометрия получения исходных данных при упыпрамалоракурсной ВТ диагностике

Целью данной статьи является систематическое изложение разработанных автором методов, алгоритмов и систем малоракурсной томографической диагностики параметров самосветящихся физических объектов для исследовательских физических лабораторий.
Рассмотрим методы и системы 2D, 3D реконструкции параметров исследуемых объектов с учетом возможного количества получения исходных проекционных данных в условиях конкретного эксперимента. В этом смысле процедура томографической реконструкции условно может быть разделена на несколько классов:

1. Ультрамалоракурсную - при количестве исходных проекций 2 или 3, например установки типа ФТ-2, камеры сгорания поршневых двигателей, исследование сетчатки глаза.

2. Малоракурсную, когда имеется возможность получить 6, 12, 24 проекции в геометрии 0...л, 0...2л - контроль качества сварных соединений, диагностика плазменных потоков, потоков высокотемпературных газов газотурбинных двигателей (ГТД), жидкостных реактивных двигателей (ЖРД).

3. В рассмотренных случаях, если это возможно и необходимо, может быть использован мультималоракурсный подход, позволяющий получать дополнительные функции проекций в узком телесном углу по отношению к центральной - «основной» проекции. Рассмотрим возможность восстановления «сильно» несимметричных функций, характеризующихся двумя, тремя максимумами, при наличии всего двух исходных проекций.

На рис. 1  представлена геометрия получения функций проекций при ультрамало-ракурсной реконструкции. Известно [5], что для реконструкции неаксиальных распределений требуется число ракурсов, соизмеримое с числом явно неисчезаю-щих Фурье-компонент в разложении восстанавливаемой функции по положительному поло-идальному углу.

Если реконструируемая функция имеет на периферии два и более максимумов, то недостаток проекций можно компенсировать лишь априорной информацией об исследуемом явлении. Можно предположить, что искомая функция f(r,<p) может быть представлена в виде

f(r,(p))= a(r) + y/(r,(p)), (1)

где а(г) - радиально симметричная составляющая, например фонового изображения; \f/{r,(p) - составляющая, соответствующая периферийным максимумам. Выражение (1) справедливо в случае, если функции проекций не слишком неаксиальны относительно своих «центров тяжести». Для таких условий экспериментальная проекция имеет вид:

Вывод формул см. в печатной версии журнала.

Задача реконструкции при ультрамало-ракурсной геометрии получения исходных данных значительно упрощается, если возможно использовать так называемый муль-тималоракурсный режим считывания данных проекций. Суть его проиллюстрирована на рис. 16 (1 - исследуемый самосветящийся объект; 2, 3 - проецирующие линзы; 4 - зоны регистрации проекций). Если позволяет конструкция экспериментальной установки, то целесообразно фиксировать не одну проекцию в данном ракурсе, а три или пять в узком углу конвергенции, поскольку при увеличении этого угла возрастает и точность реконструкции. Практика построения малоракурсных томографических систем показывает, что при угле конвергенции порядка 15°, при наличии лишь двух «дополнительных» проекций точность реконструкции может быть увеличена на (30...60 %), и при этом упрощается процедура интерполяций и вычислений в целом.

На рис. 1 в представлена оптическая схема ультрамалоракурсного томографа для исследования процессов воспламенения и горения рабочей смеси в камере сгорания ДВС (1 - камера сгорания; 2 - зона горения смеси; 3,4- кварцевые входные объективы, один из которых конструктивно совмещен со свечей зажигания 6; 5 - регуляторы фокусных расстояний; 7 - светопроводы для передачи изображений; 8 - выходной торец системы светопроводов, формирующий пакет проекций; 9-линза; 10 - монохроматор; 11 -объектив;

12 - ПЗС камера, в качестве фотодетектора в которой используется двумерная матрица на основе приборов с зарядовой связью;

13 - устройство сопряжения с персональным компьютером - ПК). Принцип работы данной системы сводится к следующему: процесс горения фиксируется с трех ракурсов при угле конвергенции порядка 120°; то есть углы 0 ~ я/3. Двумерные проекции, позволяющие захватывать зону горения до 5ТО"3 м с помощью двухлинзовых объективов, передаются на входные торцы светопроводов. В одном из объективов размещены электроды для под-жига смеси, а для компенсации светосилы его диаметр несколько больше диаметров смежных объективов. Возможность изменения фокусного расстояния позволяет выбирать определенные объемы в зоне горения, что особенно важно при исследовании распространения фронта горения в объеме камеры. Двумерные изображения проекций с помощью светопроводов преобразуются в «последовательный пакет» проекций, изображение которого проецируется однолинзовой системой 9 на щель монохроматора 10.

Таким образом, в зоне регистрации спектров формируется три изображения спектров проекций. Перемещая выходной торец светопровода относительно щели монохроматора в направлении, перпендикулярном главной оптической оси, можно выбирать необходимые сечения в исследуемом объеме. Для одновременной регистрации нескольких сечений можно воспользоваться многощелевой насадкой. Конохроматор позволяет выбрать излучениечастиц сажи, имеющих максимальную светимость в оптическом диапазоне, а их пространственное распределение в зоне горения позволяет судить о газодинамике процесса. Кроме того, спектр излучения частиц сажи можно рассматривать как спектр абсолютно черного тела с определенным коэффициентом серости и, следовательно, оценивать пространственное распределение температуры в зоне горения. Спектры проекций с помощью объектива 11 проецируются в зону регистрации ПЗС камеры формата не менее 512x512 элементов. Устройство сопряжения с шиной ПК содержит микропроцессор, промежуточное ОЗУ, позволяющее запоминать до 16 кадров проекций, и формирователь сигналов управления и передачи данных. Такая конфигурация позволяет разгрузить центральный процессор, упорядочить процессы передачи и обработки данных, увеличить производительность системы в целом.

Источник - "Вестник Самарского Государственного Аэрокосмического университета имени Академика С.П. Королёва", выпуск №1, печатная версия.

Полную версию статьи со всеми чертежами, формулами и приложениями см. в печатной версии журнала.

Продолжение следует.

 

 

© 2024 Образовательный портал Самарской области