基于超导的小型化磁粒子成像系统仿真构建

针对磁粒子成像技术尚停留在实验室鼠用设备阶段,传统线材线圈过大,无法在可接受的设备体量内达到临床人体检测所需磁场强度的问题,提出了一种基于超导技术构建高场强、小型化磁粒子成像设备的方法。采用高温超导MgB_(2)线圈替代传统铜线圈,构建磁粒子成像选择场与驱动场。结果表明,在达到相同磁通量的情况下,超导磁粒子成像系统可将两组功能区总质量降低为0.01 kg,设备体积缩小至7 L。在此基础上,采用超导线圈构建梯度磁场还能够获得更高的变化斜率,使零磁扫描区边缘更为清晰规则,移动过程中形态更为稳定,平均直径缩小近二分之一。

基于Kaczmarz算法的磁粒子成像快速重建算法研究

目的:为了解决磁粒子断层成像中系统矩阵方法成像时间长、计算复杂的问题,提出一种基于Kaczmarz算法的磁粒子成像快速重建算法。方法:首先,分析经典Kaczmarz算法及其变体算法的收敛速度,并计算在任意矩阵下的迭代次数和计算时间;其次,比较欧氏距离和余弦距离对系统数据的区分能力,并运用基于余弦距离的K-means算法来增强块Kaczmarz算法的运算能力,缩短系统矩阵重建时间并最终实现磁粒子成像快速重建。最后,通过计算机仿真实验验证提出的算法的有效性。结果:提出的算法大幅缩短了重建时间,提高了重建图像的空间分辨力和质量。结论:提出的算法可以实现磁粒子成像的快速重建,并且在处理含有噪声的数据时具备较强的重建能力。

基于频率筛选的磁粒子成像量化分析研究

为实现磁粒子成像(magnetic particle imaging,MPI)中示踪剂铁量化,本研究基于仿真程序,采集二维扫描图像,筛选信号频率并重建图像,以聚类结果作为先验信息,约束水平集函数的演化,对示踪剂图像进行分割,并借助Dice系数、IoU等参数定量评估分割效果。通过计算分割区域的信号强度总和,建立MPI信号与已知示踪剂铁含量的校正曲线。结果显示,频率筛选后显著缩短了信号重建时间;基于先验的水平集方法Dice系数和IoU均大于0.90,实现了肿瘤区域较精准的分割;通过本研究建立的MPI信号强度与铁含量的校正曲线,实现了示踪剂铁量化,平均误差为3.11%,最小误差0.03%。结果表明,基于先验的水平集方法可实现较精确的图像分割和铁量化,为MPI临床前定量研究提供参考。

基于无场线电子扫描开放式磁粒子成像系统设计

磁粒子成像是一种全新的人体内动态靶向影像学方法,但当前磁粒子成像系统以封闭式磁场扫描结构为主,严重限制了其临床应用范围。设计了一种开放式电子扫描窄带磁粒子成像系统,在分析了超顺磁粒子谐波磁化响应的基础上,通过对线圈表面耦合磁场的计算及电流控制利用8个梯度线圈形成了基于无场线的开放式空间定位磁场,成像区域30 mm×30 mm;以单边激励线圈产生20.7 kHz激励磁场,处于高频激励磁场及定位磁场中的超顺磁纳米粒子示踪剂产生具有丰富谐波成分的可定位超顺磁磁化信号,使用高信噪比Gradiometer线圈检测其3次谐波信号形成电压云图图像;通过预测量的系统函数矩阵利用非负最小二乘法对电压云图进行重建,形成示踪剂浓度分布云图。成像实验结果表明,系统在开放式成像区域内探测灵敏度20μg Fe,图像重建空间分辨率2 mm,成像速度1 fps,达到了较好的开放式成像效果,系统也是国内首台全自主研发的开放式磁粒子成像系统。

离心泵流道中固体颗粒速度场的粒子成像测速(PIV)分析与研究

粒子成像测速（ＰＩＶ）技术是随高速摄影技术和计算机图像处理技术发展起来的一种速度量测技术。该文将ＰＩＶ技术应用于离心泵流道中固粒速度场的研究。开发了一套Ｗｉｎｄｏｗｓ界面的速度分析软件，分析了具有不同物理特性的橡皮泥、核桃壳和砂子等固体颗粒在流道中的运动。研究表明固粒的密度影响其在叶轮中的相对运动轨迹，固粒的粒径和形状则主要影响其运动速度大小；揭示了开式叶轮比闭式叶轮效率低、磨损快的原因是固粒受到水流泄漏的影响，其相对速度比在闭式叶轮中的大。研究结果有助于解释离心泵内磨粒磨损现象。

基于粒子成像测速法的正、负电晕放电下线-板式电除尘器内流场测试

电除尘器(ESPs)内流场的变化对细颗粒物的捕集具有显著影响。为此,采用粒子成像测速技术(PIV)测试了线–板式电除尘器模型内的流场。该电除尘器模型外壳为有机玻璃材质;放电极为2根不锈钢圆线且间距可调;示踪粒子为艾灸烟,一次流速约为0.5 m/s;流场测试平面垂直于收尘极和放电极的中心位置;分别施加正、负直流高压进行实验。结果表明,随着电压的增大,正、负电晕放电产生的离子风使得一次气流流速增大,最大增速分别可达0.6 m/s和0.7 m/s。当电压约为±30 kV时,2个放电极之间产生了4个涡旋;且电压越大,4个涡旋分布越均匀对称;较大的放电极间距更利于4个涡旋的形成。这些涡旋的存在会严重阻碍电除尘器内细颗粒物的捕集。

基于粒子成像测速(PIV)技术的褶皱冲断构造物理模拟

本文设计完成了三种双滑脱层模型的物理模拟实验,并运用粒子成像测速(PIV,Particle Image Velocimetry)技术计算出实验过程中各阶段模型剖面上的速度场分布,进而对褶皱冲断带的运动学过程和变形机制进行讨论。实验结果表明,双滑脱层模型中,基底滑脱层控制了整体的构造样式,浅部滑脱层决定局部的浅层构造。笔者等将实验结果与龙门山褶皱冲断带南段双滑脱体系构造进行了比较,验证了这一结论。PIV分析显示,逆冲断层的产生经历一个平行层缩短的变形过程。该过程在塑性层上、下具有明显差异,塑性层上的变形传递得更快更远。当缩短进行到一定阶段,断层开始发育,发生初始破裂,断层下盘的变形消失,应变集中在断面上,断层上盘沿断面同步逆冲。

两相流场粒子成像测速技术(PTV-PIV)初探

在单相ＰＴＶ－ＰＩＶ研究基础上，研究液固两相流场粒子成像图像数字测速技术．首次用ＰＴＶ技术得到直槽道中液固两相流场二维瞬时全场两相流速分布．初步探讨了两相ＰＴＶ－ＰＩＶ技术中与单相ＰＴＶ－ＰＩＶ测速技术的关键不同之处，提出两相ＰＴＶ－ＰＩＶ测速采样的两相相容性准则．为深入研究两相流场粒子成像测速技术奠定了基础．

高性能机载云粒子成像仪研制及应用

机载云粒子成像仪是目前直接观测云中粒子谱分布和形状特征的关键设备,在云物理结构探测、遥感反演验证、数值模式云物理过程改进和人工影响天气等领域具有十分重要的作用。因此,针对现有进口仪器性能和应用方面的不足,开发更高性能的云粒子探测仪器十分必要。通过2011年启动的国家重大科学仪器设备开发专项—机载云粒子谱仪与成像仪研制项目,研制出国产高性能机载云粒子测量系统。经过多年的研制和反复测试,解决和显著改进了激光光束均匀化、弱信号探测、多路并行处理及微粒消衍射等关键技术,从而提高了探测器像元的光功率均匀性和一致性,使光斑区域内平均光功率密度提高约3倍,从而改进了粒子成像能力。采用更高分辨率国产光电线阵探测器,测量响应时间明显缩短,对小云粒子的探测能力明显提高。研制的仪器通过一系列基础参数测试、系统优化、环境适应性实验和累计60多架次的飞行测试。对2018年11月5日进行的两架次对比探测结果的初步分析表明,新研制的云粒子成像仪对小粒子浓度的测量精度较进口仪器提高一个量级左右,测量数据起伏更小,稳定性更高,并且可正确获得更清晰可靠的云粒子形态特征。

检测爆炸物和毒品的伴随粒子成像方法

评述检测爆炸物和毒品的伴随粒子成像方法的基本原理、主要性能和研究进展。

基于粒子成像瞬态测量技术的雨滴微物理特性及降雨动能研究

雨滴微物理特性及降雨动能是揭示降雨物理本质的重要特征量,亦是开展侵蚀定量分析与建立侵蚀量预报模型的基础。采用粒子成像瞬态测量可视化技术观测自然降雨雨滴,结合计算机视觉识别技术解算雨滴微物理特性参数,同时采用虹吸式自记雨量计记录自然降雨降雨强度。研究表明:该次降雨雨滴以中等粒子为主,雨滴直径均值为1.52 mm,降落末速度均值为3.47 m/s,其中直径在1.00~3.00 mm范围内的雨滴占样本总数的87.21%。雨滴直径和降落末速度呈显著的对数关系。基于实测的雨滴微物理特性和降雨强度估算降雨动能,该结果与传统的经验模型估算结果相对误差均值为7.28%。该方法得到的降雨动能较以往的经验模型能更真实的反应雨滴降落过程中的做功大小,为准确计算降雨过程中雨滴所造成的溅蚀量奠定基础。

雨滴物理特性的粒子成像测量技术研究

雨滴形状、直径、降落速度等是表征雨滴特性的重要物理量。为了获取雨滴物理特性参数,基于粒子成像的瞬态测量可视化技术,研制了降雨环境下拍摄雨滴影像的光路系统和成像系统,开发了雨滴影像的识别、提取、量测等软件系统,设计了一种基于面阵电荷耦合元件的自然降雨成像测量系统。钢珠洒落实验发现该技术观测误差小。外场观测实验发现本次降雨主要以中等粒子为主,雨滴直径和降落速度均值分别为2.00 mm和3.52 m/s。雨滴降落速度可由雨滴直径的线性回归方程表达,且该方程的预测准确度和精度较高。可见,该测量技术可以准确地获取雨滴物理特性参数,为降雨特征和土壤侵蚀研究开辟了新途径。

粒子成像测速技术研究进展

粒子成像测速（ＰＩＶ）作为一种流场测试的方法正受到越来越多的关注．其基本原理为测量流场中示踪粒子在一定时间间隔内的位移，从而获得流场速度的定量信息．对国内外关于ＰＩＶ技术在三维测量及信号处理技术方面的进展进行了综合研究．该技术有良好的发展前景，随着计算机技术和图像处理技术的发展．不仅能测试流场的瞬时流动特性，还可以完成与时间相关的流动特性测试，对现代流体力学的研究和发展，将有重要影响．

机载云降水粒子成像仪所测数据中伪粒子的识别

机载云粒子成像仪(Cloud Imaging Probe,简称CIP)和降水粒子成像仪(Precipitation Imaging Probe简称PIP)所测数据中伪粒子的存在会直接导致仪器所测数据质量下降。利用山西Y-12探测飞机在太原地区的三次航测资料对飞机采样期间伪粒子图像的特点及其成因进行了分析和归类,并在此基础上提出了综合利用到达时间间隔阈值和图像处理识别技术的伪粒子识别方法。利用所提的方法对航测的粒子图像资料进行处理、统计和分析,统计结果表明,在一次测量过程中伪粒子的出现概率最高可达45.2%,其平均出现概率分别是36.01%(CIP))和8.64%(PIP);在所有伪粒子成分中,破碎形成的伪粒子的出现概率是最高的,它可以占到伪粒子总数的95%以上;其次是条纹状粒子和并存粒子,相对来说,空白粒子和线状粒子出现的概率是比较低的。研究还发现,机载平台的飞行状态对伪粒子各成分的出现概率也会造成影响。利用所提方法对仪器测量的粒子谱、粒子数浓度和冰水含量值进行订正,订正结果表明伪粒子对仪器量程内的粒子谱、粒子数浓度和冰水含量值均有影响,其中在云粒子谱影响上,伪粒子对粒子谱两端的影响较大,其中对小云粒子谱的影响主要是在400μm以下,对大云粒子端的影响主要是在1000μm(CIP)和2000μm(PIP)以上。所提方法和阈值对于以Y-12飞机为机载探测平台,以CIP和PIP为探测仪器所获取的其它航次云微物理图像资料处理也是有一定的参考使用价值。

一种用于空间粒子成像谱仪的计数器阵列

为满足目前磁层物理研究的需要,先进的粒子探测器需获得粒子能谱的三维分布。设计一种可用于多方向空间带电粒子的能谱测量的计数器阵列。该计数器阵列用1个4K×8位的双口RAM实现了拥有2048个通道的16位计数器阵列。目前,已完成原型设计,并利用精密脉冲信号源和放射源进行了性能测试。测试结果表明,该计数器阵列性能良好,具有尺寸小、功耗低、灵活性高等特点。

伴随粒子成像技术及其研究进展

综述伴随粒子成像技术的基本原理、主要性能和研究进展．伴随α粒子方法可以实现位置灵敏，可以用于需要位置灵敏的检查中，如机场隐蔽爆炸物的检查和毒品的检查，有着重要的应用前景．

液滴群速度场的激光粒子成像测速法

应用前向散射激光粒子成像测速法，测量了油滴群在水中的浮升速度。测试表明液滴群的浮升速度同单液滴有显著不同。应用片光束的侧向散射激光粒子成像测速法，测量了液滴群在流动液体中的速度分布，并观察到高浓度的速度扰动。

粒子成像测速图像的模糊聚类识别

聚类是流体运动的基本规律 ,聚类由几个相邻的粒子开始。随着流体的运动 ,粒子簇在第二次曝光时改变其形状及位置 ,通过模糊聚类可获得粒子运动的规律。应用聚类分析方法可改善非标识PIV图像的处理效率。将粒子运动轨迹追踪算法应用于PIV图像分析 。

粒子成像测速技术在天然气计量中的应用

粒子成像测速技术(Particle Image Velocimetry,PIV)是集流动可视化和全流场流动参数定量测试为一体的现代流场测试技术。为探索该技术应用于管输天然气计量的可行性,中国石油西南油气田公司在DN100天然气管道上设置了1套适用于现场的PIV成像系统(PIV系统),并利用该系统对天然气管道内流态进行了定量研究。PIV系统不仅可以测得管道内流体的流态,而且还可测得不同方向上流体的流速。介绍了在5种阻流件安装状态下应用PIV系统对管内截面流量进行测量的情况,得到了标准装置流量的相对误差。对PIV系统发展成为一种新型天然气流量测量装置的可能性进行了探讨。

颗粒粒径的粒子成像测量方法

基于统计学理论及图像分析技术 ,提出了一种测量流动中颗粒粒径的粒子成像方法。该方法不仅避免了采样的繁琐 ,可以进行非浸入式的实时测量 ,而且能够定量完成全流场中颗粒群粒径分布的瞬态测量。成功地作出了 1～ 10 μm范围内的粒子直径标定线 ,然后用该曲线进行了颗粒粒径的实际测量。结果表明 ,测量值与真实值吻合较好 。