1 中国科学技术大学 先进技术研究院, 安徽 合肥 230022
2 中国科学技术大学 工程科学学院, 安徽 合肥 230022
化学发光（chemiluminescence）与层析成像（CT）结合能够测量燃烧流场的三维信息。为了研究层析成像的重建效果, 实现了两种经典的迭代类算法: 代数迭代法（ART）和最大似然期望最大化法（MLEM）, 比较了两种算法在不同布置方式、不同流场以及不同噪声水平下的重建性能。仿真结果表明, 在投影数目较少的情况下, 非共面布置方式可以有效提升重建精度; 当投影数目达到9个时, ART算法和MLEM算法的均方根误差均小于2%, MLEM略优; 同时MLEM算法的抗噪声能力更强, 更适合在复杂环境下重建, 但ART算法的时间成本占优, 9个投影时ART算法比MLEM算法快约56.57%。实验结果表明, 两种算法均能得到良好的重建效果, MLEM算法的计算精度略高于ART算法。在待测流场划分的体素更多的情况下, MLEM耗费的时间成本约为ART算法的8.37倍。
光学测量 层析成像 代数迭代法 最大似然期望最大化法 燃烧诊断 optical measurement tomography algebraic reconstruction technique maximum likelihood expectation maximization combustion diagnosis
1 伊犁师范大学网络安全与信息技术学院，新疆 伊宁 835000
2 南京大学电子科学与工程学院，江苏 南京 210046
非视域成像技术采用非传统光学技术，利用间接成像的方法对无法直接观测的隐藏物体进行探测。针对目前试验系统复杂且需要场景扫描，导致数据采集过程复杂且需要大量时间的问题，提出基于阵列式APD的透射式非视域成像试验设置，试验设置操作简单且不需要场景扫描，实现快速数据采集。针对非视域成像技术一般只能获取不完全（缺失）角度的数据，使用反投影算法不能得到理想的重建结果的问题，提出利用联合代数迭代（SART）重建算法对非视域成像物体进行三维重建。试验结果表明：SART算法能够在部分角度数据下，更好地去除反投影算法中的伪影和噪点；在最初的第2和第3次迭代后，通过计算，其峰值信噪比PSNR值提高了1.392 8、2.466 3，其结构相似度SSIM值提高了0.119 8、0.231 2，表明该方法能有效提高非视域物体的图像重建精度。
非视域成像 联合代数迭代重建算法 缺失数据 三维图像重建 non-line-of-sight imaging simultaneous algebraic reconstruction technique re missing data 3D image reconstruction
1 中国科学院合肥物质研究院安徽光学精密机械研究所环境光学研究中心, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
临边辐射探测技术是一种新型卫星探测技术,主要利用紫外-可见光-红外太阳散射光谱获得臭氧等痕量气体在垂直方向上的分辨率廓线信息。基于波长配对光谱分析法、乘代数重建技术以及SCIATRAN正向模型,用SCIAMACHY仪器临边辐射反演垂直高度为10~40 km、分辨率为1 km的臭氧数密度。首先,根据臭氧在Chappuis-Wulf波段的吸收特性分析波长配对的机理,并结合临边辐射权函数确定臭氧反演的波长和反演范围。然后,分析了几种典型的波长配对组合对反演结果的影响,确定一组较好的波长配对组合。最后,对迭代算法反演过程中的误差来源如迭代次数、先验廓线、切线高度和NO2浓度参量进行不同程度的偏差反演,误差结果表明,这些参数都会明显影响垂直高度小于20 km的臭氧廓线反演结果。
大气光学 临边辐射 波长配对 乘代数重建技术 臭氧廓线 反演
南京理工大学瞬态物理国家重点实验室, 江苏 南京 210094
针对在不完全投影数据条件下燃烧场气体组分浓度、 温度二维分布重建难题, 提出了一种基于虚拟光线再投影方法的燃烧场二维重建算法。 利用有限的测量投影数据进行差分运算获取相同角度下不同位置处虚拟光线投影值, 增加光线数量以提高重建质量。 采用改进型代数迭代算法对燃烧场进行重建并获取燃烧场的重建初始值, 利用再投影方式获取其他投影角度下虚拟光线的投影数据并进行联合迭代, 最终实现对燃烧场气体组分浓度与温度二维分布重建。 采用近红外波段7 185.6和7 444.35 cm-1两条H2O特征吸收谱线结合21条测量光线对49×49网格区域进行计算, 通过对相同光线数量条件不同布置方式燃烧场重建结果进行对比分析, 选取了合理的光线布置结构。 与传统的采用平滑因子的代数迭代重建算法进行对比, 虚拟光线再投影方法的重建精度明显提高, 同时该方法消除了人为选择平滑因子对重建结果所带来的主观影响, 降低了由于投影角度较少所带来的重建误差。 计算结果表明, 重建误差随着再投影运算次数的增加而不断下降, 当在再投影次数达到十次后重建误差逐渐趋于稳定。 在5%噪声幅值条件下进行十次再投影后, 温度分布重建误差小于5.76%, 浓度分布重建误差小于8.83%, 测量噪声对于燃烧场重建结果影响较小。 通过对600~1 200 K温度范围内的双峰以及三峰燃烧场模型进行计算分析, 验证了虚拟光线再投影方法对于不同工况下燃烧场气体组分浓度、 温度二维分布的重建能力。 研究结果对有限投影条件下的激光吸收光谱技术二维重建技术理论研究具有重要意义, 可促进激光吸收光谱技术在现实燃烧装置中的工程化应用。
激光吸收光谱 二维重建 代数迭代算法 虚拟光线 再投影 Laser absorption spectrum Two-dimensional reconstruction Algebraic reconstruction technique Virtual beam Re-projection 光谱学与光谱分析
2020, 40(12): 3686
1 中国人民公安大学警务信息工程与网络安全学院, 北京 100038
2 首都师范大学数学科学学院, 北京 100048
3 首都师范大学北京成像技术高精尖创新中心, 北京 100048
双能谱CT(DSCT)可以重建被测物的材料分辨图像和能量分辨图像,进而区分物质,在医学、工业领域都有广泛的应用。图像重建算法是影响DSCT成像质量的关键技术。广义代数重建算法(E-ART)可以重建得到高质量的双基材料图像,但是该算法收敛速度较慢。针对该问题,提出一种加速收敛算法(AE-ART),其基本思想是通过为基函数添加权重来增大高能和低能投影曲线的夹角或减小高能和低能投影方程组系数矩阵条件数。使用口腔模型对水和骨双基材料分解进行模拟实验,实验结果表明:与E-ART算法相比,AE-ART算法的收敛速度提高了30%以上。
成像系统 双能谱CT 迭代重建 基材料分解 广义代数重建算法 光学学报
2020, 40(14): 1411001
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
2 天津市生物医学检测技术与仪器重点实验室, 天津 300072
扩散拉曼层析成像(DRT)结合了拉曼光谱的分子指纹特性和扩散光学层析成像的深度分辨能力，是一种新型的无标记在体三维光学成像技术。提出一种基于蒙特卡罗光子输运模型的DRT可行性研究方法，该方法应用互易原理建立了快速有效的拉曼数据模拟器，可对实验条件下不同信噪比的拉曼测量数据进行客观模拟，同时结合扩散荧光层析线性成像原理，实现多波段下薄层组织的拉曼光谱分析。通过开展178个波段下5种物质成分的薄层组织模型的模拟重建研究，表明线性DRT图像重建方法能有效构建多种成分浓度的三维空间分布。
医用光学 扩散拉曼层析成像 蒙特卡罗模型 格林互易定理 拉曼光谱分析 代数重建算法
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
可视化的二维温度场分布反演软件对温度场重建分布起到了重要的作用。基于可调谐二极管激光吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS)技 术,结合代数迭代算法(algebraic reconstruction technique, ART)和Python设计语言,在读取两组积分吸光度的基础上,设计了二维温度场分布的可视化软件。 结合激光吸收光谱技术和计算机断层扫描方法,封装了二维温度场重建的算法。在此基础上,添加可视化的操作界面,实现二维温度场重建的原 始分布和插值后的分布。针对高斯分布的重建,与原始分布进行比较,结果显示,中心区域温度值较高,边缘较小。结果表明, ART算法和TDLAS技术的结合能够 很好地实现二维温度场的反演,克服了TDLAS视线测量的缺陷。
代数迭代算法 二维重建温度场 TDLAS tunable diode laser absorption spectroscopy algebraic reconstruction technique 2D temperature filed reconstruction Python Python 大气与环境光学学报
2017, 12(5): 393
中国空气动力研究与发展中心，四川 绵阳 621000
基于可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS)技术及修正型代数迭代算法(Algebraic Reconstruction Technique, ART)，选择频率为7 153.7 cm-1 和7 154.3 cm-1 的H2O 吸收线作为测温谱线，测量了CH4/Air 预混平面火焰炉燃烧场温度和H2O 气浓度分布。仿真采用1 000 pixels×1 000 pixels 个像素点描述方形模型区域，假设40 条光束从两个方向正交通过重建区域，通过引入初始分布并经修正型ART 算法计算和三次多项式插值处理，温度场重建偏差在4.5%以内，H2O 气浓度场重建偏差在4%以内。实验采用导轨和转台实现探测光对稳态燃烧场两个方向上的平行扫描，共获取24 路光束吸收信号，经修正型ART 算法重建和三次多项式插值处理得到整个火焰炉燃烧区域的温度场和H2O 气浓度场分布。将温度场重建结果与热电偶的测量结果进行对比，表明该方法能够有效实现燃烧场温度二维重建。
可调谐半导体激光吸收光谱 代数迭代算法 温度场 浓度场 二维重建 tunable diode laser absorption spectroscopy algebraic reconstruction technique temperature field concentration field two dimensional reconstruction
中国科学院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥230031
基于TDLAS(tunable diode laser absorption spectroscopy)技术, 以水汽作为目标气体, 采用直接吸收的测量方式, 探测了甲烷空气预混平焰炉燃烧区域水汽的吸收光谱信号, 通过ART(algebraic reconstruction technique)代数迭代算法对燃烧场温度和水汽浓度分布进行了模拟重建和实验研究, 模拟重建采取5×5共25个网格的正方形重建区域, 假定25个网格的一个温度浓度二维分布, 模拟28条激光束从不同的角度方位穿越重建区域, 得到模拟射线下的投影值, 经ART算法重建, 结果显示温度场和水汽浓度场的重建偏差均在1%以内。 实验采用分布反馈式激光器作为光源, 选取H2O的7 153.722, 7 153.748和7 154.354 cm-1三条吸收线作为测温谱线, 其中前两条线不区分作为一条吸收线来处理。 使用平移台多方位平行扫描, 共获取30路光谱吸收信号, 经数据处理、 算法重建和双线比值法测温原理得到了圆形平焰炉16个不同区域的温度浓度值, 且炉面偏向中心区域温度浓度值较高, 边缘较小, 结果表明代数迭代算法能够很好地实现燃烧区域温度场和水汽浓度场的反演。
可调谐激光吸收光谱 温度场 浓度场 代数迭代算法 Tunable diode absorption spectroscopy Concentration field Temperature field Algebraic reconstruction technique 光谱学与光谱分析
2015, 35(10): 2697
海军驻江南造船集团有限公司军事代表室,上海201913
ART(algebraic reconstruction technique)算法是一种适合于投影数据采集量比较少的情况的图像重建算法。利用其进行图像重建时的主要工作是计算加权因子,该计算方法严重影响图像重建的重建质量和重建速度。讨论、研究并仿真了加权因子的三种计算模型,经比较分析最后得出了一种最优的重建模型。
图像重建 代数重建算法 加权因子 image reconstruction algebraic reconstruction technique(ART) weight factor
