● 摘要
效率、像质和可检工件尺寸是制约工业CT技术发展的重要因素。为高效地设计扇束X射线工业CT系统的各部件及其配合方法，并拓展其扫描视场，本文对扇束X射线工业CT系统优化设计方法进行了研究。内容包括：针对扫描运动方位角误差的仿真模型，系统软硬件集成设计优化，视场拓展的扫描方式及其重建算法。研究思路如下：针对扇束CT扫描运动的特点，建立了仿真模型；利用仿真模型，基于系统各部分硬件的性能，研究了适于扇束X射线工业CT检测的最优运行模式及其配合方法；在高性能的集成CT系统上，研究了基于扇束X射线工业CT系统的视场拓展的扫描方式及其重建算法。本文采取理论推导与多套系统集成实践相结合的方法，取得以下成果：1. 扫描运动误差仿真模型的研究扇束CT系统以旋转扫描为主要运动，以获取不同角位置的投影。传统的点扩展模型的冲激点位于检台的旋转中心，不同角位置对此冲激点的投影完全相同。检台转动引起的角位置变化，无法在此类投影中体现。因此，检台转动的误差不能用传统的点扩展模型描述。将冲激点移出检台旋转中心，是本文的创新。冲激点绕旋转中心的运动，可完全模拟检台的旋转运动。由此运动得到的投影及其重建结果，能充分反映扇束CT系统对冲激点的调制。为此建立的角坐标系理论，坐标原点与检台旋转中心不重合，以方位角作为其中一维坐标，使角方位角误差更为直观。由此建立的仿真模型具有以下优点：1) 客观性：排除了离散模型仿真带来的伪影，揭示了扫描运动误差对重构图像影响的本质；2) 通用性：建立了扫描运动部件的安装参数和运动参数变化的统一格式，便于根据特定系统的实际情况得到相应的点扩展函数；3) 实用性：对工业CT系统其它的点扩展函数的推导和数值求解，简便易行。2. 系统软、硬件的集成CT系统在各部件的性能及其相互的配合方式的研究是CT技术的重要基础。目前，对于CT系统各部件性能的研究比较活跃，但由于CT系统各部件的配合方式（尤其是时序控制和任务优先级等）具有较强的技术产权特性，CT制造商很少公开讨论。本文在研究了多套扇束X射线工业CT系统设备的工程实践基础上，按照扫描时间和精度，对系统优化设计进行了详细的分析。对各子系统的同类部件做了详细比较，指出这些部件的特点及其在不同环境下的设计方案和运行模式，进而形成了根据用户的精度、效率和成本要求，对各部件性能及其配合方式进行设计优化的方法。3. 扇束X射线工业CT系统的视场拓展技术可检试件尺寸是制约扇束X射线工业CT技术发展的一个重要方面。传统的二代CT扫描方式虽不限制被检试件的尺寸，但扫描时间很长。很多文献研究了基于扇束CT扫描的视场拓展技术，旨在保留扇束CT扫描高速优点的基础上，尽可能拓展视场，但仍存在一些问题，如：拓展视场范围有限，射线场能量分布不均，以及须增加多个自由度运动等。为解决上述问题，本文提出了一种新的视场拓展的扫描方式：扫描视场可与二代CT扫描相同；便于利用能量均匀的窄束射线；采用价格相对低廉的旋转电机实现直线运动；同等条件下扫描，可比二代CT节约20％～46％的扫描时间。本文研究成果已成功应用于国防科工委军转民技术项目“工业射线DR/ICT一体化技术Liming-DR/ICT450”、某单位项目“高能X射线DR/ICT集成检测系统”和本实验室建设的系统中。