中子半影成像的軟件系統(tǒng)

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1、中子半影成像的軟件系統(tǒng)趙宗清I丁永坤'郝軼聃'袁永騰'李志超'（1.中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心,四川綿陽,621900；2.清華大學(xué)工程物理系,北京100084）摘要：屮了半影成像的軟件系統(tǒng)包括成像過程模擬和圖像重建算法研究。目前，我們已分別發(fā)展了Monte-Carlo方法和解析模擬方法，對(duì)成像的物理過程進(jìn)行了細(xì)致的模擬，兩種方法得到了非常一致的比對(duì)結(jié)果。我們發(fā)展了維納濾波法和Richardson-Lucy方法用于圖像重建，并分別采用兩種重建算法對(duì)模擬成像的結(jié)果進(jìn)行了解碼。通過數(shù)值實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Richardson-Lucy方法得到的結(jié)果與源符合得更好，較維納濾波法更具可

2、行性。據(jù)此詳細(xì)考察了散射屮子、編碼孔加工i吳差及整個(gè)成像系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)精度對(duì)編碼圖像的影響，為成像系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)捉供了重要的參考意見。關(guān)鍵詞：蒙特卡羅方法；解析模型；維納濾波；Richardson-Lucy方法引言：屮子成像技術(shù)，可以獲得內(nèi)爆中子產(chǎn)主區(qū)域圖像，從而驗(yàn)證內(nèi)爆動(dòng)力學(xué)計(jì)算的正確與否，了解靶丸壓縮與產(chǎn)額之間的關(guān)系，獲得各種黑腔、靶丸設(shè)計(jì)的性能參數(shù)，達(dá)到優(yōu)化靶及黑腔設(shè)計(jì)等目的。美國(guó)勞倫斯里列莫爾實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的D.Rcss,R.A.Lcrchc等人，在實(shí)驗(yàn)上采用針孔成像技術(shù)，首次獲得了內(nèi)爆中子圖像，證實(shí)了中子成像技術(shù)的可行性，該結(jié)果發(fā)表在1988年的Science上

3、⑴。此后，美國(guó)，法國(guó)和日本的科學(xué)家［網(wǎng)在対中子成像的模擬，解譜和實(shí)驗(yàn)等方面進(jìn)行了深入的研究。其中，2002年，L.Disdier"】等人在Omega裝置上利用中子半影成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)了20pm的分辨率。而在即將建成的美國(guó)NIF裝置和法國(guó)LMJ裝置上要實(shí)現(xiàn)5?10呵的分辨率。在神光II激光裝置上，屮子產(chǎn)額較低不能滿足屮子成像的要求卩叫但隨著我國(guó)ICF事業(yè)的發(fā)展，在神光III原型裝置上DT中子產(chǎn)額有望達(dá)到10W發(fā)以上，這為中子成像技術(shù)的發(fā)展提供了有利的條件。因此,為了捉高我國(guó)ICF核診斷的水平，我們將大力發(fā)展中了半影成像技術(shù)。屮子半影成像系統(tǒng)的建設(shè)，包括硬件平臺(tái)建設(shè)和軟件平臺(tái)建設(shè)兩部

4、分。硬件平臺(tái)的建設(shè)包括編碼孔的設(shè)計(jì)加工，圖像記錄系統(tǒng)研制和瞄準(zhǔn)技術(shù)研究等。目詢我們?cè)诰幋a孔加工技術(shù)和瞄準(zhǔn)技術(shù)方而還有一定的技術(shù)瓶頸，盂要進(jìn)行突破。同時(shí)，為了考察中了成像技術(shù)的可行性，并H為便件設(shè)計(jì)提供定量化的參考意見，軟件平臺(tái)的建設(shè)必須先于硬件平臺(tái)建設(shè)。50iran編碼孔b屏蔽體圖1屮（半彩成像硬件系統(tǒng)2成像過程的數(shù)值模擬2.1蒙特卡羅模擬Monte-Carlo方法是一種隨機(jī)抽樣方法。利用已知的屮子反應(yīng)截面數(shù)據(jù)，模擬各利傲觀物理過程，通過概率抽樣對(duì)源粒了的行為進(jìn)行跟蹤，決定每次碰撞后次級(jí)粒子的運(yùn)動(dòng)方向和速率。我們采用MCNP作為計(jì)算程序。1CP是一個(gè)大型多功能的蒙特卡羅計(jì)

5、算程序，可處理復(fù)雜場(chǎng)所三維兒何結(jié)構(gòu)的屮子光子耦合輸運(yùn)問題jCNP具有較強(qiáng)的通用性，在源描述、空間物質(zhì)的幾何分布上具有很人的靈活性，可處理任意三維幾何結(jié)構(gòu)問題，適用面寬。對(duì)中了的輸運(yùn)問題,MCNP詳細(xì)處理了各種微觀物理過程，適用于中了成像的要求。利用MCNP模擬屮子成像，能使我們更好地理解屮子在成像系統(tǒng)屮的輸運(yùn)過程，同時(shí)能夠得到圖像重建所需要的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，為圖像重建算法的研究提供條件。2.2解析模擬問通過物理分析和幾何建模，我們得到成像傳遞函數(shù)H(U,P,A)=FgFm,由兩部分的乘積組成，即幾何衰減因子及吸收哀減因了嚴(yán)MSP,2)其中AL(t7,P,2)為中了束在錐孔材料中的

6、吸收路程，◎?yàn)椴牧系闹辛宋障禂?shù)。詳細(xì)內(nèi)容可參看文獻(xiàn)1201.3兩種模擬方法的比較切蒙特卡羅方法模擬的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)b)解析法模擬的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)圖2蒙特卡羅方法和解析方法得到的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)圖2是蒙特卡羅模擬和解析模擬分別得到的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)。從圖2屮可以看岀，蒙特卡羅模擬得到的圖像考慮了散射等物理因素的影響，存在著統(tǒng)計(jì)誤差，而解析法得到的圖像非常光滑。Monte-Carlo方法的優(yōu)勢(shì)在于通過對(duì)單中了事例的微觀物理過程的計(jì)算來實(shí)現(xiàn)宏觀模擬，因此其結(jié)果在包括噪聲分布等的各方面均非常接近真實(shí)物理過程。而解析方法的優(yōu)勢(shì)在于，忽略噪聲、對(duì)屮子束的幾何光學(xué)近似及采用各種宏觀物理現(xiàn)象的唯象理論，使得計(jì)

7、算效率極高。因此，我們的發(fā)展方向定位為，采用解析方法對(duì)中子成像系統(tǒng)進(jìn)行定性或半定量佔(zhàn)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上采用Monte-Carlo方法做進(jìn)一步的細(xì)致研究，并且采用并行機(jī)提高M(jìn)onte-Carlo的計(jì)算效率。3圖像重建3.1成像模型中了半影成像，主要冇兩個(gè)步驟⑸：第一步：由中子源發(fā)射中子，經(jīng)過半影孔形成編碼像，編碼像由亮區(qū)、半影區(qū)和本底組成。源的亮度分布o(jì)(x,刃通過半影孔點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)h(x,y)2,后，像的亮度分布丿為：i(x,y)=o(x,y)**h(x9y)+n(x9y)(3)其中，杯代表二維卷積，刃為干