基于细胞反向投影的木材缺陷断层重建的研究

作     者：吴彤 

作者单位：东北林业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘嘉新

授予年度：2016年

学科分类：082902[工学-木材科学与技术] 08[工学] 0829[工学-林业工程] 

主      题：应力波 木材缺陷 反向投影 断层重建 

摘      要：随着国内外无损检测技术的不断发展进步,基于应力波的木材无损检测技术越来越得到研究人员的重视,其具有便携性、对测量环境要求低、测试过程简便、不损害检测者健康,并且能在短时间内获得所需要的结果等优点;因此利用应力波检测木材内部缺陷的重建技术具有十分广阔的前景。国内外研究人员对应力波检测木材物理学特性研究证明,木材是天然高分子材料,具有结构复杂、各向异性和非均匀的特性,即使是同一树种,生长环境不同,其材性也有差异。应力波在活立木中的传播从属于弹性波的范畴,其规律满足波动方程。本文主要研究木材缺陷断层的重建,因此根据波动学理论,主要研究应力波沿原木径向和弦向的传播条件下,在不同波阻抗介质界面间的变化规律。研究表明,如果应力波传播时经过缺陷部位,则会由于波阻抗增大导致应力波幅值下降,以此判定该原木内部存在缺陷,从而证明应力波对木材缺陷检测的可行性。在此基础上,首先利用应力波在原木中的传播时间、距离和速度三项参数建立基于细胞反向投影的模型;然后在有空洞缺陷的硬椴木段样本上均匀选取6个应力波发射端,在常温状态下利用微秒计测得在各点之间的传播时间,利用细胞反向投影的模型构建数值模型,将各个细胞单元的速度值等效为二维图像像素的灰度值,采用MATLAB编程实现断层重建;并将重建的二维缺陷图像与实验样本进行对比,讨论分析不同测试点数量、不同细胞密度、不同含水率下的断层重建图像的误差率和拟合度,证实算法可行性。最后通过形态学对重建图像进行平滑处理,分析不同结构元素的形状与尺寸的选取标准,从而得到更加准确的断层重建图像。基于细胞反向投影的木材缺陷的重建算法,与代数重建法(ART)和联合迭代重建算法(SIRT)相比较具有运算速度快的优点。因此,本文的重建算法特别适合数据运算能力较弱的嵌入式处理器的数据处理,为研制便携式木材应力波无损检测仪提供了可能。