宇宙射线μ子成像重建算法研究

图像重建算法是成像技术中的重要组成部分。介绍了基于多次库仑散射的宇宙射线μ子成像基本原理,系统研究了现有μ子的成像算法,通过对模拟实验成像结果的对比,分析了各种算法的特点,总结了各种算法在成像精度和运算速度上的优点与不足,并在此基础上,对μ子成像算法未来的发展趋势进行了探讨。     

大型集装箱CT系统图像重建研究

研究了大型集装箱CT系统的图像重建技术,给出了卷积反投影算法的基本原理、实现过程,以及目前得到的重建图像。经实际检验,应用该算法重建的图像清晰,能够识别铸造工件中的孔及树木的年轮。     

严重事故堆芯μ子成像监测重建方法研究

严重事故发生时,堆芯变化对于跟踪事故进程、确定应急方案十分重要。宇宙射线μ子成像监测技术具有高穿透力、对高原子序数物质敏感等特点,已被证明适用于核材料的监测。图像重建算法是实现这一技术的关键难点之一,由于待测目标物体为高原子序数物质,通常会在其周围伴随着灰度值相近的点状噪声。本文为提高重建质量,便于严重事故期间应急人员实时监测堆芯变化,提出了在径迹重建算法的基础上使用巴特沃斯滤波技术消除点状干扰的重建方法,初步模拟实验结果表明,该方法可有效降低噪声,从而验证了该方法的有效性。     

一种用于μ子成像检测技术的探测器校正方法

宇宙射线μ子成像检测技术具有穿透力强、对高Z材料敏感等特点,特别适合检测特殊核材料,是监控核材料走私的有效方式之一.数据校正问题是实现μ子成像检测技术的关键难点之一,由于环境本底,周围噪声,探测器的误差等外界因素的影响使得原始数据不能直接使用,如果不做任何校正就将原始数据认为是可用数据进行重建成像,将会出现严重的伪像.根据μ子成像检测系统的特点,本文针对探测器偏移带来的误差提出了一种校正方法.数值实验结果表明该方法能够有效地对探测器发生的偏移进行准确的校正,这有助于推动宇宙射线μ子成像检测技术早日投入实际应用.     

OSEM算法在编码板成像中的应用

为提高γ辐射编码成像中MLEM算法在图像重建时的速度及质量,论文基于核医学ECT图像重建中的OSEM算法思想在图像重建时对编码成像所得投影数据进行分组,并采用精细采样平衡相关法的重建结果作为初值进行迭代。通过实验对该算法进行验证。实验表明:OSEM算法可以有效提高收敛速度,改善重建图像质量。在γ辐射编码成像中采用OSEM算法是有效且可行的。     

体素投影分类ART算法快速重建CT图像

为克服CT图像重建中代数重建算法(ART)不足,基于体素投影分类的方法,提出了一种快速计算加权因子的策略,进而提出了重建CT图像的快速ART算法。相比于常用Siddon方法计算加权因子的ART算法,虽然该算法的重建精度略逊,但是解决了原ART算法计算非常费时和所需存储空间大的问题。仿真实验结果证明了该算法的有效性。     

宇宙射线μ子成像蒙特卡罗模拟研究

正当前,核恐怖及核材料走私己成为国际安全面临的重大挑战。宇宙线μ子具有极强的穿透能力,能用于对被屏蔽核材料的检测。μ子穿越物质时在低Z物质和高Z物质中的散射角有明显的差异,为了验证成像方法的可行性对μ子成像进行了蒙特卡罗模拟。蒙特卡罗模拟采用的是Geant4     

基于L_p算子的CT迭代重建算法研究

针对稀疏角度下的CT图像重建问题,E.Y.Sidky等人提出了ART-TV算法。该算法利用图像梯度具有稀疏性作为先验知识,每次迭代利用梯度下降法调整图像梯度的L1范数。论文在ARTTV算法的基础上,利用图像梯度的Lp(0p1)范数代替L1范数对图像进行重建,研究不同Lp(0p1)算子对图像重建效果的影响。实验表明,适当的p可以进一步提高图像重建质量。     

基于硬件实现的锥束CT图像重建系统的存储机制设计

为了实现三维锥束CT图像重建加速系统的小型化,建立了基于FPGA的三维图像重建系统。并对该系统中所采用的FDK重建算法所需的数据存储量和数据传输量以及由SDRAM、SRAM和FPGA内部缓存组成的存储系统的数据吞吐率进行了研究。首先,根据FDK算法的滤波与反投影两个步骤介绍了三维锥束CT图像重建系统的数据规模。接着,介绍了一种以SDRAM为外部主存,以SRAM为外部缓存和以FPGA内部SRAM资源作为内部高速缓存的存储机制。然后,介绍了该存储机制的实现方法以及测试方法。最后对该三维图像重建系统的数据吞吐能力进行了测试,并将之与FDK算法所需的数据传输量进行了对比分析。试验结果表明:该存储机制的数据连续存取速度为151.9MB/s,数据随机存取速度为100MB/s,基本满足小规模的三维图像重建的数据存储与传输带宽的要求。     

多层像素芯片缪子成像装置中芯片位置校正方法研究

硅像素互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)芯片因具有微米级的位置分辨能力和极高的探测效率等特点,对于径迹精确重建具有举足轻重的作用。通过大面积拼接,能够将硅像素芯片用于μ子成像,但芯片拼接产生的机械误差,以及各层之间的相对位置误差,对μ子重建过程中的位置精度具有明显影响。本文利用μ子通过探测层时产生的观测点,建立了基于μ子径迹直线拟合模型的迭代芯片位置校正算法。通过在GEANT4程序中构建μ子成像探测原型装置,其中包含8个物理探测层,每层拼接了4块硅像素芯片,并添加芯片在x、y方向与旋转角θ三个自由度上的偏移量,模拟了真实情况下的机械误差对重建位置精度的影响。结果显示:该算法可用于芯片真实位置的高精度修正,使芯片位置修正精度小于5μm。     

Monte Carlo estimate of particle fluxes in thin cylindrical detectors

An algorithm is proposed for greatly accelerating Monte Carlo calculations of the indications of neutron flux detectors whose linear dimensions are much greater than their thickness and width and whose volume is extremely small. Detectors of this form are often used for performing measurements inside a core. Activation detectors can also be of this type. In contrast to existing methods for estimating flux at a point, the proposed algorithms do not require explicit calculation of the conditional probability density for scattering as a function of energy and direction. Only the azimuthal symmetry of scattering and the anisotropy of fission neutrons are used. A method is proposed for implementing the algorithm that does not require any changes in the physical module of the Monte Carlo program. The question of the variance of the estimates is discussed and a method that guarantees a finite variance is proposed. __________ Translated from Atomnaya énergiya, Vol. 103, No. 6, pp. 364–369, December, 2007.     

中子能谱测量中的解谱技术研究进展北大核心CSCD

中子能谱解谱技术为中子能谱测量系统必要的组成部分,近几十年来国内外开展了大量研究。本文首先介绍了中子能谱常规解谱流程,包括解谱模型、响应函数、解谱误差等内容;接着详细介绍了国内外中子能谱测量技术研究现状以及中子能谱解谱算法研究现状,包括比较成熟的最小二乘算法、最大熵算法等,也有新兴的神经网络算法、遗传算法等,总结了不同解谱算法的特点;接着介绍了根据不同解谱算法发展的解谱程序,对比了不同解谱算法及程序的优缺点,基于最小二乘算法开发的SAND系列程序和基于最大熵算法开发的MAXED程序是解谱功能强大、使用最广泛的程序;最后梳理了中子能谱解谱方法的发展脉络,总结了国内和国外研究的区别,未来开发包含多种解谱方法的综合性解谱程序具备较强的应用需求。     

COMPARISON OF PARTICLE-TRACKING FEATURES IN GEANT4 AND MCNPX CODES FOR APPLICATIONS IN MAPPING OF PROTON RANGE UNCERTAINTY

The accuracy of proton therapy is partially limited by uncertainties that result from changing pathological conditions in the patient such as tumor motion and shrinkage. These uncertainties can be minimized with the help of a time-resolved range telescope. Monte Carlo methods can help improve the performance of range telescopes by tracking proton interactions on a particle-by-particle basis thus broadening our understanding on the behavior of protons within the patient and the detector. This paper compared the proton multiple coulomb scattering algorithms in the Monte Carlo codes MCNPX and Geant4 to well-established scattering theories. We focus only on beam energies associated with proton imaging. Despite slight discrepancies between scattering algorithms, both codes appear to be capable of providing useful particle-tracking information for applications such as the proton range telescope.     

A New Approach to the Fan Beam Geometry Image Reconstruction for a CT Scanner

A new derivation of the fan beam geometry image reconstruction formula for CT scanners has been made in this paper. Moreover there are two points discussed here in order to develop fast algorithms based upon this formula. First is to establish a principle of filterered back-projection algorithm for fan beam geometry which enables us to use FFT algorithm. Second is to develop a fast algorithm for fan back-projection process. With these algorithms, the fan beam image reconstruction time to compute can be made comparable with the filtered back-projection algorithm for the parallel beam geometry image reconstruction.     

Influences of Turbulent Reentry Plasma Sheath on Wave Scattering and Propagation

The randomness of turbulent reentry plasma sheaths can affect the propagation and scattering properties of electromagnetic waves.This paper developed algorithms to estimate the influences.With the algorithms and typical reentry data,influences of GPS frequency and Ka frequency are studied respectively.Results show that,in terms of wave scattering,the scattering loss caused by the randomness of the turbulent plasma sheath increases with the increase of the ensemble average electron density,ensemble average collision frequency,electron density fluctuation and turbulence integral scale respectively.Also the scattering loss is much smaller than the dielectric loss.The scattering loss of Ka frequency is much less than that of the GPS frequency.In terms of wave propagation,the randomness arouses the fluctuations of amplitude and phase of waves.The fluctuations change with altitudes that when the altitude is below 30 km,fluctuations increase with altitude increasing,and when the altitude is above 30 km,fluctuations decrease with altitude increasing.The fluctuations of GPS frequency are strong enough to affect the tracking,telemetry,and command at appropriate conditions,while the fluctuations of Ka frequency are much more feeble.This suggests that the Ka frequency suffers less influences of the randomness of a turbulent plasma sheath.     

基于Adaboost算法的核电站故障诊断方法

针对当前基于集成学习的核电站故障诊断算法大多注重提高各种机器学习算法识别精度而忽略底层基学习器整合方法,导致集成学习算法识别事故类型精度难以提高,而且存在识别结果是否可信的问题。本文基于Adaboost算法设计了一种可使核电站控制系统自主识别故障类型的机器学习算法模型,该算法模型通过为集成学习的各种故障识别算法合理分配权重系数,提升集成学习整体算法对核电站事故类型的识别精度和算法可靠性。同时测试结果表明Adaboost算法对7种典型的核电站运行或事故工况的平均识别正确率可达95%以上;而且当事故发生150 s后,识别正确率可达100%。因此基于Adaboost算法的基学习器整合方法可用于优化集成学习的算法结构,提高算法对核电站事故类型的识别精度。      

Edgeworth series for collision energy loss and multiple scattering

The Edgeworth expansion is used to go beyond the usual Gaussian approximation for collision energy loss and multiple scattering. Monte Carlo algorithms based on the expansion are presented. Comparisons of the Edgeworth expansion with exact results of Vavilov and Molière are shown. A simple model which attempts to include correlations between energy loss and angular distribution is proposed and illustrated with an example.     

可控中子源密度测井仪的密度响应特性与算法研究

在可控中子源密度测井中,脉冲中子源的中子产额存在波动,采用探测器绝对计数的密度算法受地层环境、测量条件的影响较大,因此会导致密度算法的精度较差。为提高密度测量的稳定性和精确性,本文针对可控中子源一体化测井仪的研发需要,建立了适合所研发仪器的密度算法：首先,结合蒙特卡罗数值模拟软件MCNP对新型一体化测井仪及地层进行了建模;然后,利用所建模型,模拟了在不同岩性、孔隙度条件下可控中子源发射的快中子与地层物质的相互作用过程,并通过记录γ探测器的近、远非弹性散射γ计数和俘获γ计数,中子探测器的近热中子及近超热中子计数信息,获得了一体化测井仪探测器计数与地层密度之间的响应关系,并对影响密度算法的主要因素进行了分析;最后,在密度响应特性分析的基础上,提出了使用近超热中子与近热中子计数比、近远非弹γ计数比来提高稳定性和精确性的可控中子源密度测井新算法。采用新密度算法对所建模型进行计算,结果表明,砂岩、灰岩、白云岩3种岩性下计算的密度与真密度非常接近,其相对误差小于6%。与哈里伯顿和斯伦贝谢算法的计算结果相比,本文方法显示了更好的效果：公式参数少、没有探测器的绝对计数、精确度高。     

Contact-impact algorithms on parallel computers

Contact-impact algorithms on parallel computers are discussed within the context of explicit finite element analysis. The algorithms concerned include a contact searching algorithm and an algorithm for contact force calculations. The contact searching algorithm is based on the territory concept of the general HITA algorithm. However, no distinction is made between different contact bodies, or between different contact surfaces. All contact segments from contact boundaries are taken as a single set. Hierarchy territories and contact territories are expanded. A three-dimensional bucket sort algorithm is used to sort contact nodes. The defence node algorithm is used in the calculation of contact forces. Both the contact searching algorithm and the defence node algorithm are implemented on the connection machine CM-200. The performance of the algorithms is examined under different circumstances, and numerical results are presented.     

基于多算法的电子剂量场反演方法

为了研究精确放射治疗中多算法的电子剂量场反演方法及反演效果,建立非线性规划电子剂量场反演模型,利用体外透射剂量重建全空间电子剂量场,并通过多种算法实现。采用7个例题测试结果表明:除NMinimize算法不能实现该模型外,其他算法都能实现,其中Levenberg-Marquardt算法最精确快速。进一步测试表明,利用接近电子射程的透射剂量会带来较大的反演误差(尾差),原因可能是能谱平均带来的,因此改进方法需考虑改进对平均能量的近似。但由于反演时间较短,精度高,可实现实时剂量场反演;并且每一种算法都有特点,为实现提供多方法的选择性,满足临床上对实时剂量验证的需要。