求解光学CT图象重建问题的广义脉冲谱技术研究

间接法是目前实现医学诊断用近红外光三维成象(光CT)的最有潜力的手段之一.该方法基于以下假设,即给定分别对应于不同点激励源作用下成象组织体表面各点的传输光测量.在组织体内存在着与上述检测量相对应的、唯一的光学参数三维分布.由此,图象重建变成了特定光子传输模型的逆问题.本文提出采用广义脉冲谱技术(Generalized Pulse Spectrum Technique,GPST)进行光学CT图象重建逆问题的求解.给出了GPST在扩散方程光子传输模型逆问题求解中的具体实现,数值实验结果表明,通过选择合适的复频率点,采用GPST算法的图象重建结果优于其它现有算法,且响应时间合理.最后,本文还初步讨论了吸收和散射系数重建中复频率点选择的一些基本原则。     

光学CT图象重建的数值模拟研究─Kosenbrock坐标轮换法

时间分辨光学CT技术因其对生物组织体的无损性,在生物成象领域引起了广泛的兴趣和研究,已提出许多方案,意在克服由于生物组织体中的多光散射效应所造成的成象障碍.本文简述了基于扩散方程近似的光学CT正向问题有限元解法,提出采用直接搜索优化算法-Rosenbrock坐标轮换法求解时间分辨光学CT中的图象重建问题,给出了基于积分光强和光子平均飞行时间及其加权组合的二维图象重建问题的数值模拟结果,证实了该方法的可行性.     

光学CT图象重建的数值模拟研究─Kosenbrock坐标轮换法

时间分辨光学 ＣＴ技术因其对生物组织体的无损性，在生物成象领域引起了广泛的兴趣和研究，已提出许多方案，意在克服由于生物组织体中的多光散射效应所造成的成象障碍．本文简述了基于扩散方程近似的光学ＣＴ正向问题有限元解法，提出采用直接搜索优化算法一Ｒｏｓｅｎｂｒｏｃｋ坐标轮换法求解时间分辨光学 ＣＴ中的图象重建问题，给出了基于积分光强和光子平均飞行时间及其加权组合的二维图象重建问题的数值模拟结果，证实了该方法的可行性．     

二维稳态辐射传输方程的有限差分求解法

针对扩散光学层析在小动物成像中的应用问题并基于混浊介质空间光子三维散射的实际物理效应,提出的二维稳态辐射传输方程的有限差分数值求解新方法.在此基础上,研究了不同的空间剖分网格和角度离散密度对求解准确度的影响,并通过将所提方法与蒙特卡洛模拟进行比对,验证方法的正确性.研究表明:在均匀组织体内,当离散角度达到一定数量时,由辐射传输方程的有限差分解获得的透射面和侧面的光子密度对空间网格大小并不敏感,而在反射面上光子密度计算则需要较密的空间网格才能够达到一定准确度.本研究为发展基于辐射传输方程的扩散光学层析理论奠定了基础.     

基于九速四方格子模型的二维对流扩散方程格子Boltzmann方法模拟

用九带正方格子模型给出了二维对流扩散方程的格子Ｂｏｌｔｚｎａｎｎ方法,由对流扩散方程的对流系数的扩散系数确定了局域平衡分布函数的系数。计算机模拟结果与理论结果吻合很好。     

二维快速Fourier变换及模拟CT

编制了软件可实现二维FFT和模拟CT;可以进行多种图形的夫琅禾费衍射,模拟各种空间滤波实验,进行计算全息;模拟CT成像的各个环节。     

衍射光学二维激光扫描器设计制作研究

提出、设计并采用激光直写和反应离子刻蚀技术制作出一种新型的衍射光学纯相位型二维激光扫描器,并进行了系统参数的实验测试,其扫描角度为２５°×２５°,衍射效率为４１％。     

超音速连续波COIL的二维半数值模拟

给出了超音速连续波氧碘化学激光器的理论模型，利用此模型对典型实验装置进行了二维半几何近似下的初步数值模拟研究，对所得结果进行了讨论，并与实验或文献结果作了比较。     

使用扩散模型数值模拟二维湍流气固两相流

本文从描述多维湍流气固两相流的两流体模型出发,导出了计算湍流气固两相流中固体颗粒扩散速度的计算模型,进而基于在一维流场中颗粒的终端速度是重力加速度gi的函数,提出在多维流场中颗粒相处于一个修正的加速度场g'i的作用下,该修正的加速度g'i包含了包括重力在内的各种力的作用,这些力对颗粒的加速作用与重力对颗粒的加速作用没有区别。根据这种观点,提出了用于模拟多维湍流气固两相流的改进的扩散模型。本文使用改进的扩散模型对台阶后方的气固两相流进行了数值模拟,并将数值计算结果与实验结果进行了比较,结果表明,改进的扩散模型的预报结果与实验结果符合得相当好。     

二维稳态辐射传输方程的有限差分求解法

针对扩散光学层析在小动物成像中的应用问题并基于混浊介质空间光子三维散射的实际物理效应,提出的二维稳态辐射传输方程的有限差分数值求解新方法.在此基础上,研究了不同的空间剖分网格和角度离散密度对求解准确度的影响,并通过将所提方法与蒙特卡洛模拟进行比对,验证方法的正确性.研究表明：在均匀组织体内,当离散角度达到一定数量时,由辐射传输方程的有限差分解获得的透射面和侧面的光子密度对空间网格大小并不敏感,而在反射面上光子密度计算则需要较密的空间网格才能够达到一定准确度.本研究为发展基于辐射传输方程的扩散光学层析理论奠定了基础.     

光学CT中的图像重建算法

从理论上研究了利用正向模型求解逆问题的迭代算法，特别是其中Ｊａｃｏｂｉ矩阵的有限元解法，引入了图像恢复了领域广泛采用的规则化方法用于处理逆问题中的奇异性问题；作为总结，最后给出了ＦＥＭ法求解光学ＣＴ问题的完整步骤。     

最佳摄动量法在光学计算机层析图像重建逆问题中的应用

阐述了时间分辨光学计算机层析（ＣＴ）图像重建塑问题的最佳摄动量法求解原理,人出了基于微扰变分原理的正向算子雅可比（Ｊａｃｏｂｉ）矩阵计算公式,数值模拟实验证明了该方法在实际应用中的可行性。     

两种单光纤光镊捕获效果的数值仿真与实验研究

采用一种基于时域有限差分(FDTD)的数值算法,仿真计算了抛物线形和大锥角形两种新型单光纤光镊的出射光场,并在稳态场下通过对麦克斯韦应力张量积分求得介质球在两种光场中受到的光阱力,得到大锥角型光纤端产生的光阱力较大的结论;讨论了不同介质球大小、折射率,光纤探针形状对光阱力的影响.在实验中这两种光纤探针都实现了对水中酵母菌细胞的捕获,且采用流体力学法对抛物线形和大锥角形二种新型单光纤光镊产生的光阱力进行了标定.结果表明:基于FDTD数值仿真方法计算受力与实验结果一致,并且这种计算光纤光镊产生的光阱力的方法简单.适用;且抛物线形和大锥角形光纤探头都具备构成单光纤光镊的条件.     

热动力学问题的数值计算

 对含热传导的流体动力学方程组，用有限元方法进行数值求解。采用傅里叶热传导计算热流、用热流连续条件计算单元间接触面的温度、用三角形传热法计算体单元表面的热流，考虑各向同性弹塑性流体材料模型、三项式物态方程和导热系数与状态的相关性，给出了傅里叶热传导、接触传热、热应力应变效应、以及混合物冲击压缩特性等算例。对混合物冲击温度的数值模拟表明，小颗粒混合物在冲击压缩过程中，颗粒间的温度有差别、稍有波动，并随时间趋向于一致，以至热平衡。     

荧光分子断层成像正向问题的并行计算

针对荧光分子断层成像中相应于激发光和发射光的两个正向方程必须串行求解的实际情况,提出了一种可同时对两个扩散方程进行求解的并行算法。其思想是通过引入乘子矩阵对耦合方程进行解耦来实现并行计算,并利用有限元方法进行了二维数值模拟,将算法求解所得结果与基于串行方法,以Ralf B．Schulz等提出的并行算法所得到的数值模拟结果进行了综合比较。实验表明,该算法一方面适合于任何大小的斯托克斯频移条件,具有更广泛的适应性;另一方面提高了荧光分子断层成像正向问题的求解速度和精度,从而有利于整个荧光分子断层成像的快速精确求解。     

激光相干层析成像的光散射模拟计算

利用低相干光作为光源的光学相干层析技术是一种新型成像技术。本文利用蒙特－卡罗（Ｍｏｎｔｅ－Ｃａｒｌｏ）模拟计算方法研究了该技术在不同的散射条件下,相干调制信号随散射系数的变化关系,得出了单次散射和多次散射的差别以及它对成像质量的影响,并进一步讨论了利用单次散射和多次散射信号,提高光学相干层析术图像清晰度和信号强度的方法。还研究了光束半径大小对成像分辨率的影响及变化过程,得出了对实验有指导意义的结果     

基于离散裂缝模型的裂缝性油藏注水开发数值模拟

针对目前裂缝性油藏数值模拟方法存在的问题,基于单裂缝等效的概念,建立离散裂缝模型.对宏观大裂缝进行显式降维处理,在保证高计算效率的同时能够真实地反映裂缝对整个油藏流体流动的影响.详细阐述模型的基本原理,基于Galerkin加权残量法推导有限元数值计算格式,实现二维问题的数值模拟,通过算例验证模型和算法的正确性.以此为基础,分析裂缝对注水开发效果的影响.计算结果表明,对于裂缝发育程度不高尤其是当油藏中存在数条控制着流体流动方向的大裂缝时,离散裂缝模型具有很好的适用性.     

区域谱元正压大气模式台风移动数值模拟试验

针对地图投影坐标系下的正压原始方程组,将计算区域按三角形元进行分解,在三角形元内用三角形截断的勒让德多项式的积为插值函数对变量进行谱分解,发展出区域正压谱元大气模式.采用固定边界条件,以2006年5月15日08时500 hPa位势高度和风场为初值,在勒让德多项式最高阶数为3和7这两种情形下开展0601号台风"珍珠"移动的数值模拟试验.结果表明,数值模式模拟的风压场关系合理,数值模式的实现是成功的.     

单模光纤中超短脉冲的前向四波混频

给出了一组在单模光纤中超短脉冲前向四波混频的耦合波方程。利用这组方程所作的数值研究表明：在低转换和脉冲的走离远小于脉冲宽度的条件下,越短脉冲前向四波混凝的转换效率对相位失配的关系与连续波四波混频情况基本相同,不存在使增益为零的Δｋ（ｋ为不考虑非线性折射率时模的波数）的取值区间,蛤峰值条件应该是Δｋ＝０（ｋ为计及非线性折射率时模的波数）,而不是Δｋ＝０;窄脉冲的转换效率略低且峰值位置与Δｋ＝０稍有偏     

水中障碍物爆炸毁伤效应的二维数值模拟

 建立了水下障碍物的爆炸毁伤效应的物理模型和计算模型。建立了守恒方程组、混凝土的动态弹塑性本构关系和破坏准则,并确定了其在大应变、高应变率及高压条件下的的屈服准则。基于多物质流体的Euler算法,用面向对象的C++语言自行编制了NM-MMIC通用多物质二维流体弹塑性程序,对不同炸点位置、不同炸药量对轨条砦爆炸破坏过程进行数值模拟,并采用自行开发的后处理软件VISC2D实现了可视化,定量地反应了障碍物迎爆面所承受的压力变化过程,确定了轨条砦毁伤的最佳药量,并对毁伤程度进行了评价,得到了爆炸破障的毁伤规律。研究结果对设计和评价反水中障碍物的弹药具有一定的参考价值。