Малоракурсная томография в науке и технике

Обратные некорректные задачи в физическом эксперименте

Представлены разработки профессора, д.т.н., Филонина О.В. в области малоракурсной томографии для научно-технических приложений

Оптическая томография, конструкции малоракурсных томографов, систем обработки исходных данных, устройства сопряжения с РС.

Оптические и структурные схемы, разработанных и изготовленных малоракурсных томографов

NB При разработке алгоритмов реконструкции применительно к заданному классу ожидаемых изображений сечений целесообразно использовать процедуру полного предварительного моделирования.

Для этих целей предложен ряд методик моделирование пространственного распределения параметров исследуемых объектов, а также фантомов, пример одного из них показан на рисунке ниже.

Здесь справа вверху исходное изображения, слева внизу реконструированное с использованием «сверточных» алгоритмов при числе проекций 12, формат реконструкции 512 х 512 элементов, в зеркальном представлении.

Методы и средства малоракурсной томографии успешно применяются для исследования плазмы в установках термоядерного синтеза , как в области «видимого» излучения так и в рентгеновском диапазоне.

На рисунке внизу представлена система реконструкции переноса примесей в плазме ТОКАМАКа (ФТ-2) в области видимого излучения.

Основная сложность такого рода диагностики, заключается в предельно малом числе проекций – в данном случае всего две. Но несмотря на это удалось разработать достаточно эффективные алгоритмы реконструкции позволяющие получать поперечные срезы плазмы в камере – томограмма в центре рисунка. Причем никаких других альтернативных способов на сегодняшний день в принципе не существует. Качество реконструкции видно по изображению, процедура последовательного моделирования дает возможность утверждать, что относительная (обобщенная) погрешность не превышает 10% - 15%.

Малогабаритный малоракурсный томограф для исследования параметров дуговых разрядов, плазменных потоков плазмотронов, напорных потоков высокотемпературных газов и пламен.

На фотографии представлен образец первого в мире малоракурсного оптического томографа, официально результаты работы и конструкция доложены на Х Сибирском совещании по спектроскопии (Томск, 1981 г).

Томограф разработан для исследовательских целей, предназначен для работы в оптических лабораториях. Он позволяет получать до 24 проекций, проводить спектрально томографическую реконструкцию, заданных сечений плазменных объектов, может комплектоваться монохроматорами любых типов, спектрографами ИСП-28, ТСП-51, ввод исходной информации из зоны регистрации спектрографа производится с помощью двумерных ПЗС камер позволяющих формировать изображение формата 320 х 200, 512 х 512 ,соответственно в цветном и ч/б вариантах, Максимальное число кадров полученное в данной конструкции 100 кадр/с.

 Оптическая схема малоракурсного томографа для исследовательских целей  приведена на рисунке внизу, отличительной особенностью предложенной конструкции является легкий выбор числа проекций и геометрии сбора исходных данных, в пределах (0 - p), (0 - 2p), а также использовать методику лазерного зондирования плотной или запыленной плазмы. Данная конструкция позволяет получать исходные данные, как  в плоскопараллельной геометрии, так и в геометрии веерного пучка.

Применение лазерного зондирования запыленных потоков плазмы позволяет определить качество распределения примеси в потоке, например, материала напыления, по объему потока. Это дает возможность подбирать такие газодинамические параметры, например, для плазмотрона как давление рабочего газа, ток, диаметр электрода, расход порошка и т. д., чтобы оптимально произвести процедуру напыления изделия. Отдельный вопрос - оптимизация формы факела, например при разработке «режущих» плазмотронов, в том числе и «скальпелей». Здесь добавка порошка из высокотемпературных сплавов значительно облегчает исследование конфигурации факела и позволяет косвенно определять пространственное распределение поля температур, плотностей и т. д. Оптическая схема малоракурсного лазерного томографа представлена на рисунке ниже.

Системы такого типа должны получить развитие не только в плане диагностики, но и в штатных измерительных системах. Разработанные методики и системы сбора исходной информации позволяют одновременно регистрировать как собственное излучение самосветящегося объекта  так и зондирующее излучение, причем целесообразно использовать спектрально томографическую методику регистрации, принцип которой поясняется на рисунке внизу.

Оптико-электронный томограф для исследования крупноразмерных высокотемпературных напорных газовых потоков высокого давления.

Данный томограф предназначен для исследования параметров процессов горения в высокотемпературных потоках газов большого давления. Число проекций может быть выбрано от 6 до 12, максимальный диаметр газового объекта до 3 м. Регистрация пакета проекций, в том числе и в спектральной области производится высокоскоростными цветными ПЗС камерами высокого разрешения с пересчетом формата 800 х 600 элементов.

В качестве примера представлена томограмма температурного распределения по ортогональному сечению, реконструированная с помощью описанного  выше томографа для высокотемпературных газовых потока высокого давления , диаметром сечения примерно 0, 76 м.

На следующем снимке приведено изображение отфильтрованной томограммы, для выделения градиентных зон температур факела.

Малоракурсный оптический томограф позволяющий проводить лазерное зондирование плазменного или  пламенно – плазменного объекта.

Малоракурсный оптический томограф предназначен для исследования запыленных и «плотных» плазменных и пламенных объектов используя собственное свечение объекта и зондирующее лазерное излучение. При исследовании пламен томограф сочленяется с монохроматором (см. рисунок монохроматор на переднем плане). В последнем случае восстанавливается классический вариант сечения поля излучения прошедшего через данное сечение. Число проекций в данной системе от 6 до 12, наибольший «поперечный» размер исследуемого объекта до 40 мм.

Исходная информация спектров пакета проекций регистрируется либо скоростной фотокамерой, либо ПЗС матрицей с пересчетом формата в 512 х 512 элементов. Пример изображения напорного пропан бутанового пламени представлен на рисунке ниже (томограмма 010).

Примеры реконструированных томограмм поперечных срезов факелов плазмотронов, в различных сечениях и дугового разряда представлены на фотографиях помещенных  ниже (томограммы  № 200, № 168):