相控阵雷达接收技术-相控阵雷达技术丛书
接收技术是相控阵雷达最基本的技术之一。本书全面分析了相控阵雷达通道接收技术、相参频率合成技术、波形产生和激励源技术，这三部分内容涵盖了完整的相控阵雷达接收技术，具体有：相控阵雷达对接收机性能的要求，接收机的构成和主要功能；噪声的特性、来源，噪声系数及其测量方法和动态范围；多通道接收、计算机辅助测试和接收机监控技术；现代雷达中开始出现的数字接收技术；相位噪声的特点，在时域和频域表征它的参数和术语，对它的测量方法以及它对雷达性能的影响；基本的频率合成技术，特别详细地介绍了近年来出现的直接数字式频率合成技术；雷达发射波形和激励信号产生技术；相控阵雷达数字化接收技术的新进展。.目录Ⅻ3.4普遍情况下的网络噪声特性2了3.4.1多频网终的噪声特性303.4.2级联网络的噪声特性pt.自d鲁333.4.3超外差雷达接收机网络级联分析…39接收机灵敏度403.6相控阵雷达接收阵面的有效噪声温度3.6.1相控阵雷达有源天馈线阵面的主要类型433.6.2各类天线阵的有效噪声温度453.7噪声系数的测量463.7.1噪声源…463.7.2Y因子法…∴……483.7.3自动测量法3.7.4噪声直接测量法543.8内部干扰——电磁兼容性设计………553.8.1滤波与带宽的优化56.8.2中频频率的优化59参考文献…60第4章通道接收机的其他性能…624.1动态范围………624.1.1增益设计和增益分配634.1.2接收机输入端回波信号的动态范围……644.1.3接收机设备的动态范围674.1.4接收机的增益控制704.1.5接收机动态范围对MTI改善因子的影响4.2多通道接收机…………724.2.1多通道接收机的特性……724.2.2多通道接收机性能对相控阵雷达性能的影响…………………724.3通道接收机的计算机辅助测试(CAT)技术………734.3.1计算机自动测试基本原理和系统构成鲁非■鲁鲁章鲁∴…744.3.2单通道性能测试………………764.3.3通道间幅相一致性测试77相控阵雷达接收机的监控与BIT784.4.1相控阵雷达接收机监控和BⅠT的必要性、内容与方法4.4.279参考文献80Ⅻ相控阵雷达接收技术第5章数字接收机及采样定理1数字接收机的意义815.1.1雷达数字接收机的关键技术5.1.2数字接收机对雷达通道接收机性能的影响82低通采样定理…825.2.1采样845.2.2量化883中频数字化895.3.1带通釆样定理。曲自B自鲁鲁鲁5.3.2带通采样的进一步分析94降低噪声和杂散的方法97参考文献106第6章模数变换(ADC)技术…………………………………1086.1ADC的类型及其特性1086.1.1闪烁型或全并行型1096.1.2流水线型1106.1.3逐次逼近型………………·即.·看··罪·如自鲁6.1.4∑一△型……1126.2ADC主要性能分析…………………………………1146.2.1转换速率1166.2.2分辨力∴…1176.2.3增益误差非自自1176.2.4量化噪声1176.2.5输出信噪比暂最DD1216.2.6有效位……1226.2.7非线性失真及无杂散动态范围………………………………1246.2.8谐波失真…1256.2.9输入带宽,小信号带宽,全功率带宽…∴1266.2.10积分非线性误差和微分非线性误差1276.2.11漏码…1306.2.12直流偏移……………1306.2.13采集时间、孔径时间、孔径延迟时间和有效孔径延迟时间…1306.2.14孔径不确定性噪声1326.2.15噪声功率比1346.2.16缓冲放大器…136日录上絮6.2.17数字接收机与系统噪声系数………………1366.2.18ADC对雷达性能的影响138参考文献140第7章解调技术…1417.1解调技术的主要性能指标7.2模拟信号的解调●·普鲁啬1443无混频数字信号的解调1467.3.1数字正交检相器的一般原理∴…1477.3.2希尔伯特滤波法1487.3.3低通滤波法…………………1497.3.4插值法………………………1517.3.5数字乘积检相(DPD)法………1527.4采样率转换技术1537.4.1抽取……1537.4.2内插1545高效数字滤波器1567.6数字下变频器…7.6.1实现数字下变频的方法1617.6.2ASIC方法1617.6.3FPGA方法……甲·普···………………165参考文献…171第8章频率合成器的各项性能、相位噪声及其测量方法∴……1738.1频率合成器的主要性能指标1738.1.1工作频率范围及频率捷变点数…1738.1.2工作频率、频率准确度及长期频率稳定度……1748.1.3输出功率1748.1.4频率转换时间及其测试技术174频率稳定度或相位噪声………………1758.1.6谐波与杂散1768.1.7撷率推移1778.1.8频率牵引●●4……1778.1.9频率复现性1778.1.10开机特性1778.2频率稳定度及其表征………1788.2.1频率稳定度对于现代雷达的意义178Ⅻ相控阵霅达接收技术82.2相位噪声的产生………1838.2.3雷达频率源的频率稳定度砑究特点1938.2.4相位噪声的谱密度分布∴……………………19582.5频率稳定度的表征……1978.3频率稳定度的测量技术·。由击●果●………………………2128.3.1时域一阿仑方差测量法…2138.3.2频域测量方法之直接频谱仪法………………218.3.3频域测量方法之二—一相位检波法…∴…2178.3.4频域测量方法之三——鉴频法2238.3.5附加噪声的测量………………2248.3.6信号源调幅噪声的测量……2258.3.7脉冲信号相位噪声的测量技术…………226参考文献………230第9章频率源性能对雷达性能的影响……2329,1对雷达接收机噪声系数的影响2329.2对雷达接收机选择性的影响………2339.3对接收机动态范围的影响………2339.4对脉冲压缩性能的影响……鲁·鲁命鲁自着·非最单·非“·p看自·鲁·要罪要·D·身看2339.5对动目标显示性能的影响…2349.5.1动目标显示技术的基本原理……D●鲁2349.5.2颊率稳定度对MTI的影响…2369.6对脉冲多普勤雷达的影响240参考文献241第10章频率合成器的构成●鲁。看,·自·非24210.1直接模拟式频率合成技术……24210.2间接模拟式频率合成技术(锁相环技术)…………………24410.3直接数字式频率合成技术24610.3.1DDS的基本工作原理24710.3.2DDS输出信号的质量…25010.3.3DDS杂散的抑制……25710.3.4DDS输出频率的扩展26010.3.5数模变换器(DAC)26010.4组合式频率合成技术……………26710.4.1锁相环/直接式合成技术26710.4.2DDS/锁相环式合成技术268目录X参考文献………………………268第11章发射波形和激励信号产生技术27011.1发射波形的产生…………270模拟产生法27111.1.2数字产生法27411.2激励信号的产生……………28011.2.1直接中频信号产生…28011.2.2正交调制技术和上变频技术……………28111.3激励信号带宽的扩展一超宽带信号的产生……………28511.3,1基带信号带宽的展宽…………………………28511.3.2调制器的选择28611.3.3倍频技术28711.4激励信号质量分析自自自自「非28711.4.1基带波形的质量…28711.4.2正交调制器输出信号的质量……鲁。·香卵2811.4.3信号质量对匹配滤波一脉冲压缩性能的影响……290I1.4.4信号质量对去斜处理性能的影响……………293参考文献…297第12章数字化接收技术的新进展…………………………29912.1数字阵雷达(DAR)的发展历史及现状29912.2数字收发组件和数字接收机30312.3微波ADC技术…看·曲·鲁·鲁非自●。·带垂垂…30712.4光学ADC技术…………………………………31012.4.1电子ADC在提高ADC的动态范围一釆样频率积时的局限性……31112.4.2光学ADC的分类及几种主要类型的特性…31412.4.3光电ADC芯片……………32412.4.4光学模数变换器的应用…∴………32612.5多芯片组件(MCM)技术32612.6直接数字频率合成技术、数字波形产生和数字上变频技术……327参考文献328符号表………331缩略语340第1章概论1.1相控阵雷达接收分系统的构成部完整的相控阵雷达接收分系统的构成如图1.1所示,它包含了通道接收机、频率源和激励源(含雷达波形产生器)三个组成部分通道接收机模拟接收机或模拟前端数字接收机来自天线阵面的去DBF网络或射频信号模拟接收机或模拟前端数字接收机信号处理机1模拟接收机或模拟前端数字接收机频率源基准频率变频器及僧频器霎达基带波形产生器激励源图1.1相控阵雷达接收分系统的构成通道接收机是雷达回波信号的通道,它接收来自相控阵天线阵面的雷达回波信号。模拟接收机对回波信号首先进行一系列模拟处理,包含保护接收机免烧毁或饱和的有源/无源小功率限幅器、为机内检测(BⅠT)而设置的低插损定向耦合器、低噪声放大器(LNA)、下变频器。第一下变频器是借助于雷达频率源产生的本振信号(f()将微波射频回波信号下变频至固定的中频频率。变频次数可以是一次、两次或三次,视雷达的工作频段高低和中频频率优化结果而定,它们的作用2相控庥管达接取技术是逐渐将中频频率降低到合适的频率。接收机在中频频段,除对回波信号进行放大之外,还会对回波信号的带宽进行匹配或准匹配滤波;为了压缩回波信号的瞬时动态范围,在射频段或中频段,对通道的总增益进行灵敏度时间控制(STC);对多路通道之间的幅度/相位一致性进行调整;为后续的数字接收机设置防混叠滤波器。结构简单的模拟接收机有时又称为模拟前端雷达回波信号,经过模拟接收机的上述处理之后进人数字接收机,在数字接收机中首先是对模拟回波信号进行采样和量化分层,变换为特定字长和特定数据率的数字信号,高速率的数字信号进入数字下变频器(DDC),在一对正交数字乘法器中,借助于数控振荡器(NCO)把模数变换器采集到的数字信号解调出数字基带信号。为了与后续的数字信号处理机速率匹配,往往还要进行数据率的抽取和进步的数字匹配滤波,最后以极坐标或直角坐标的格式输出数字信号去进行数字波束形成或雷达数字信号处理回波信号数字化的切入点是根据雷达工作频段、回波信号带宽和模数变换器的采样速率等因素决定的,可以是在低中频,高中频,甚至于射频、微波频毀进行数字化。目前模数变换器的釆样率多在几兆赫至1吉赫范围内,国际上也出现了几吉赫以上采样率的模数变换器。模数变换器的采样率高低,决定了模拟接收机的繁简程度,技术的发展趋势是促成直接在射频或微波频段进行回波信号的数字化相控阵雷达接收分系统的第一个重要组成部分是通道接收机。通道接收机的通道数目多少取决于相控阵雷达的功能,这在本书第2章进行详细叙述。最简化的情况是采用三通道的单脉冲测角体制,为了进行副瓣对消,会增加副瓣对消接收通道,如果作为机载、星载相控阵雷达,还会设置对海接收通道和保护通道。对于采用数字波束形成技术的相控阵雷达,可以将天线阵面分割成若干个子阵,每个子阵后置一路通道接收机,也可以每个天线辐射单元后置一路通道接收机。相控阵雷达接收分系统另一个重要组成部分是雷达频率源,有时又称为雷达频率合成器,它是以一个高质量振荡器作为频率基准,经过不同方法的综合形成的,在本书第10章介绍了三种不同的类型,即直接模拟式频率源、间接模拟式频率源(即锁相环式频率源)、直接数字式频率源,以及它们相互结合的组合式频率源它提供通道接收机和雷达激励源所需的各本振信号、数字接收机和雷达波形产生器所需的采样信号()和时钟信号(f),除此之外,雷达频率源还向雷达定时器提供定时基准信号。相控阵雷达接收分系统第三个组成部分是所谓的雷达激励源,它实际上就是相控阵雷达发射机的前端部分。雷达激励源由上变频器和雷达波形产生器组成雷达波形产生器往往是数字式可编程的,它以直接式频率综合器(DDS)芯片为核心。理论上讲这种构成的波形产生器可以产生任意多种雷达工作波形,可以任意改变脉冲宽度和雷达重复频率,可以进行任意形式的调制:例如脉冲雷达常用的线第1章概论性调频、非线性调频和脉冲编码调制等,可以产生基带波形,也可以产生中频波形,可以产生正交的1/Q分量信号,也可以产生合成单边带信号上变频器:正如同通道接收机的下变频方式,雷达激励源可以采用上变频方式,将雷达波形产生器输出的中频信号借助雷达频率源输出的本振信号上变频至发射频率,也可以在上变频基础上再倍频至雷达发射频率,这要视雷达工作频段而定。激励源输出的功率一般在几十毫瓦至几百毫瓦之间,到雷达发射机内部再经过前级放大后驱动发射机的末级功率放大器1.2相控阵雷达对通道接收技术的要求雷达接收分系统为雷达能在噪声、杂波和干扰中检测到有用目标回波信号提供通道,并进行必要的处理。相控阵雷达一般是相参雷达,接收机常常是超外差式体制,它有一个或多个中频频率。接收机首先对信号进行低噪声放大并预选,最大限度地降低内部产生的噪声和带外干扰,并使进入的射频或微波回波信号与相参本振进行变频,频率变换到中频后进一步放大和对信号带宽进行匹配滤波,再进行正交相参解调和模数变换(对于数字接收机是先进行模数变换再进行正交相参解调);为了适应回波信号在大动态范围内的变化,而通道又能工作在线性状态,需要对通道进行适当的增益控制。除以上常规功能之外,相控阵雷达对接收分系统还有如下的一些突出要求对天线接收到的目标回波信号提供污染尽量小的信号通道,并高保真地传输回波信息。因此,一般情况下,相控阵雷达接收机应为线性接收机,对信号提供线性通道。所谓“污染”,包含了设备内部产生的各种噪声以及寄生调幅和调相噪声;模数变换器的量化噪声、采样脉冲产生的孔径抖动噪声;由设备的非线性产生的谐波、互调产物;频率组合产生的组合干扰频率;各种源产生的杂散频谱。这些成分均会污染信号空间。接收机的主要任务之一就是减小这些污染源的影响,尽量扩大无污染空间。所谓信号空间,在频域的宽度是接收机的带宽,信号强度的下限就是最小可检测信号电平,但这受限于噪声电平高低,这就要抑制各种噪声来降低接收机的噪声系数,提高接收机的灵敏度,以扩展信号空间的下限,扩展信号空间的上限就是通道各电路的线性输出能力,为此,就要减小器件的各种非线性失真,合理地设计系统,比如系统增益的合理分配,增益控制的合理设计,被选用器件的线性输出能力。相控阵雷达,当采用DBF技术时,通道接收机往往是多通道的,其中对接收机最突出的要求是:为了高性能自适应天线波束的形成,对通道的幅相一致性和相互之间的隔离都提出了很高的要求,特别是在信号全动态范围内及雷达工作频段内的幅相一致性和隔离度提出了严格的要求。如果说,通道的幅相…一致性还可以通过计算机进行误差修正的话,那么通道工作的稳定性就显得更为突出。
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计算机断层成像技术原理、设计、伪像和进展
作者是GE的CT部门首席科学家，此书为中文第一版计算机断层成像技术原理、设计、伪像和进展(美) Jiang hsieh著张朝宗郭志平青译王贤刚學$激化京图字:01-2005-5902内窖简介本书系统介绍了X射线CT近30年来的发展概况和有关的数学、物理基础知识以及最近的临床应用。全书共十一章,其内容新颖,深入浅出,覆盖面广,同时给出了大量参考文献供深人研究的读者参考。本书虽然着重于医学CT的各个方面,但是其基本原理和大部分问题的考虑思路与工业CT是完全一致的。因此,本书不仅可供从事有关医学图像研究的人员参考,对从事工业CT领域科研和应用的人员,也是一本极有价值的参考书。本书还可用作大专院校相关专业研究生教材。图书在版编目CP)数据计算机断层成像技术:原理、设计、伪像和进展/(美)谢强( Hsieh J.)著;张朝宗等译,一北京:科学出版社,2006ISBN7-03-016547-0Ⅰ.计…Ⅱ.①谢…②张…Ⅲ.计算机X线扫描体层摄影Ⅳ,R814,42中国版本图书馆CIP数据核字(2005)第142111号贲任編辑:向小峰黄敏/贵任校对:陈丽珠责任印制:刘士平/封面设计:黄超版权所有,者必究。未经本社许可,数字图书馆不得使用北京市版权局版权登记号图字01-2005-5902Authorized Chinese- language editionCopyright( year)SPIE. All rights reserved. No part of this book may he reproduced ortransmitted in any form or by any means, elect ronic or mechanical, including photocopying,recording or by any information storage and retrieval system, wit hout permissionin writing from the Publisher and SPIE.宀魔出版北京东黄城根北街I6号邮政编码:100717http://www.sciencep.com中·命享◆副「印刷科学出版社发行各地新华书店经销2006年2月第版开本:787×10921/162006年2月第一次印刷印张:181/2印数:1-2000宇数:470000定价:6900元如有印装质量问题,我社负责调换(科印)中文版前言CT领域的科学技术正在经历日新月异的发展。十六年前,当我刚刚跨进这个领域时,许多人认为CT已经是一门非常成熟的技术,不再需要开发和硏究。它所需要的是降低成本、提高生产效率和可靠性。历史证明这些人的观点不完全正确。虽然成本效率和可靠性仍然是CT面临的重大挑战,CT技术的开发和研究比以前任何时候都更加活跃。当这本书的英文版在两年多以前问世时,16层医用多层螺旋CT被认为是尖端产品。然而,在我写这篇前言的今天,这类CT机的地位已经被64层容积CT所取代。当这本中文版和大家真正见面时,我相信新一代产品又会出现。CT不仅可以用于医学为人类诊断疾病,它也可以效力于工业来检验核心零件的质量它还被大量地应用于动物试验去推动生物学和药学发展。它更被安装在机场和港口来保护人身和社会的安全。虽然这些CT机的应用、外观和特性大不相同,但是它们的基本原理却是一样的。它们在设计和分析上所面临的问题也大同小异。这本书虽然是基于医学CT的原理与开发,但是绝大部分的理论与分析可以同样地用于其他CT上。当我在1980年离开北京时,CT机只存在于寥寥无几的大城市医院里。如今,CT已经成为大多数医院内的基本诊断工具。CT的成功与发展是与世界各地华人的贡献分不开的。我非常感谢清华大学的张朝宗教授和王贤刚博士等将本书翻译成中文,以便使更多的华人了解CT的发展,并且为新一代CT研发做出贡献。我希望这本书可以成为初学者手中去打开CT知识的宝库的一把钥匙我也希望它能作为CT工程技术人员的工具来探索CT的未来谢强( Jiang Hsieh)2005年11月4日于美国译者序从1971年第一台临床CT设备问世以来,CT已经成为医院中不可缺少的临床诊断工具和科研手段。近年来,计算机断层成像技术( computed tomography,CT)不断取得巨大进展,出现了髙速的多层螺旋CT等先进设备。此外,CT原理(由投影重建图像)还在许多其他领域(特别值得一提的是用于工业无损检测方面)得到了应用。鉴于CT是一门新兴的多学科交叉的技术,有不少还涉及比较难懂的理论或数学推导,很难从已有的一两本参考书中找到全面的介绍。因此,广大从事CT相关的医务人员、科研工作者和工程技术人员都迫切地希望手头备有一本既从实际考虑又包括系统理论叙述的参考书。1985年,科学出版社出版了G.T. Herman1980年所著的《从投影重建图像—CT理论基础》中文版,此后国内再没有出现过全面、系统论述CT理论与技术的书籍,多年来该书在国内外一直被当作CT的经典书籍。但因出版年代较早,且重点在于论述CT图像重建的基础理论,近二十多年的CT技术的新发展在该书中没有得到反映;同时有关CT构成、设计和许多实际的关键技术问题,如伪像的产生、鉴别和校正等都没有涉及。2003年,美国SPE出版社出版了 Jiang Hsieh所著《 Computed Tomography: Princi-ple, Design, Artifacts and Recent Advances》-书可以说是很适时的。它是一本比较全面地论述CT理论和各种实践问题的书籍。该书内容几乎涉及了CT系统关键技术的各个方面,如CT系统构成、设计、图像(包括三维图像)显示技术及伪像校正等。此外该书还用大量篇幅从实用的角度来介绍螺旋CT多层螺旋CT等近年来的发展,以及心脏及心血管成像等高级CT应用。在每一章的后面列出了大量文献,对希望深入研究的读者无疑有着特别的价值。该书作者谢强( Jiang Hsieh)博士,是通用电器( General electric,GE)医疗集团首席科学家,1989年在伊利诺伊理工学院获得电子工程博士学位,在医学成像领域有18年的研究经历。他拥有92项美国专利,发表了90多篇研究论文,在国际光学工程师学会( InternationalSociety for Optical Engineering,sPIE)的医学成像会议北美放射学学会( Radiology Society ofNorth american,RSNA)年会、EEE的核科学研讨会和医学成像会议以及AAPM暑期学校等许多场合开设过有关XCT(X- ray computed tomography)的短期课程。鉴于CT是一门边缘交叉的新兴学科,许多专业术语还没有统一的汉语译法,不同行业或专业人员之间的用语就有不少差别。这给翻译工作带来一些困难。我们对待专业术语不同译法的原则是尽量选用已经广泛流传的用法。如“ computed tomography”,本书译作“计算机断层成像”,而没有选用不少书刊上出现的“体层摄影”或“层析成像”等。对不同专业人员习惯用法不同时,尽量考虑该术语出自哪个“原始专业”,如数学、物理、医学等。对于有些应用比较广泛又有相当影响但是科学性或准确性不够的用法,则尽量选用更加合理科学的译法,并希望对今后术语的合理应用产生一些影响。在这里最主要的一个例子是有些书刊把CT图像(物体衰减系数分布的图像)称为“密度”图像,并把CT数或图像“强度”ll计算机斷层成像技术:原理、设计、伪像和进展与“密度”混淆起来。这种混淆在医用CT的应用中一般不会出现问题,这是因为医用CT所检测的“材料”相对比较固定,它们对射线的衰减系数大体与密度同方向增加或减少。但是在工业CT的应用中就可能出现衰减系数和材料密度“倒置”的情况。因此本书中凡是相关的术语一概不取“密度”的译法。如“ maximum Intensity projection(MIP)”译成“最大强度投影”或“最大亮度投影”,而不译成“最大密度投影”。另一个例子是“mage”译成“图像”,不译成“影像”;“ artifacts”译成“伪像”不译成“伪影”。一则因为“图像处理”是当今门应用广泛的学科,CT只是部分地应用该学科的结论或成果;另一方面,传统物理学中影”和“像”属于不同的范畴,CT采用“像”的概念更加合理一些。尽管做了不少努力,但是由于多年来不同行业或专业人员之间用语的差别,在一些相对次要的译法上还是采用了迁就”多数的办法,因此留下了不少不够确切的地方。例如本书中“ partial volume effect”选用了大量医学书籍中所用的“部分容积效应”,但事实上“体积”和“容积”在汉语中不是同概念,从物理上说这里应当是“体积”,本应译为“部分体积效应”。由此引起许多本应译为“体积”的地方都译成了“容积”,只是在那些实在无法“兼容”的地方,就取用物理学名词。例如“voxe”,还是只能译为“体素”。为了读者査用方便,在本书最后对原书的术语索引增补了一部分术语,除优先列出本书选用的译法外也列出了部分常用译法。本书各章的译者分别是:张朝宗:前言、第一章(引言)。叶青:第二章(预备知识)第三章(图像重建)第四章(图像表征)、第五章(重要性能参数)第七章(伪像:形貌原因和校正)。郭志平:第六章(CT扫描机的主要部件)王贤刚:第八章(计算机仿真与分析)、第九章(螺旋CT)、第十章〔多层CT)、第十一章(高级CT应用)。全书校对及最后定稿由张朝宗和郭志平完成。此外,王贤刚负责与原书作者联系;郭志平完成了全书图表中文译稿的制备工作;张朝宗负责全书技术术语译文的选取和词义的甄别,编写了“中英文术语对照表”。本书译稿虽经译者多次校对和斟酌,毕竟限于译者的见识和水平,必有许多不妥乃至错误存在。望读者不吝赐教,批评指正。译者2005年9月前言近年来,X射线计算机断层成像(CT)无论在基本技术方面还是在新的临床应用方面都取得了巨大的发展。在CT的各个主要组成部分,如光管、探测器、滑环、数据获取系统和算法等方面都取得很大进步。自从螺旋CT和多层CT问世,出现了许多新的临床应用。CT经过三十多年发展以后,再次成为医学图像領域中最令人兴奋的诊断方法之可以认为,CT在其发展历史上至少出现了五代商用扫描机。由于下述理由,本书的大部分内容将集中在分析和讨论第三代CT扫描机。一方面,第一代和第二代CT得到发展的主要原因是当时技术水平的限制,体现了CT的历史演变。虽然这些扫描机在临床环境中已经完全被取代,但是在实验室里还可以看到它们。另一方面,通过对第三代CT的讨论,也基本上包括了这些扫描机的技术问题。第四代扫描机曾经扮演过重要的角色。对于单层CT而言,即便在采用螺旋技术以后,用第四代CT代替第三代CT都还是可行的。然而随着近来多层CT的引人,由于各种技术和经济的原因,第四代扫描机不再是发展的焦点。有些第四代CT碰到的技术问题也是第三代CT所共有的。另一方面,某些第四代所固有的技术问题在第三代中并没有出现反之亦然。第五代CT通常也称为电子束CT,是一种专门关注时间分辨的新设备,故而其设计和技术特点明显地和其他类型的CT扫描机不同。为了进行比较分析,在适当的地方我们也插入对其他各代扫描机的讨论本书共十一章。像其他涉及本课题的书一样,第一章概论用于回顾CT技术的发展历史,包括许多研究工作者在计算机时代以前所做的努力以及导致发展到目前我们所知道的CT扫描机的那些努力。该章还对CT扫描机各代产品的主要差别进行了全面的评述。由于本书包含了许多技术详细分析和讨论,第二章便对其背景知识进行了概括的回顾。这一章分为数学和基础物理两个部分。我们认为读者已具有徵积分统计学线性代数和基础物理等方面的一般知识,书中对这些内容不再进行详细讨论和推导。对于那些需要对上述专题做深入讨论的读者,该章最后提供了参考文献。第三章重点讨论图像重建的基本原理。为了使读者更好地理解CT图像重建原理,我们在直觉的水平上开始讨论提供了几种无需对数学公式进行严格推导的方法。接着是傅里叶切片定理的详细推导,该定理是目前大多数商用CT釆用的重建算法基础。为了便于阐述,我们将先后介绍平行束、扇形束和锥形束的滤波反投影算法。相关的各种解决途径也进行了详细的讨论。我们希望这一章能够帮助读者运用不同的算法,并理解如何选择重建核和反投影方法。为完整起见,本书对迭代重建算法也进行了简短的讨论。我们的目标是提供高水平的叙述和参考材料,使得有兴趣的读者可以更深入地探讨这个课题。图像重建之后,下一个问题就是如何观察这些图像。第四章首先讨论了传统的CT图像显示模式,包括CT强度单位的定义以及强度重现过程。然而,由于近年来CT技术的发展,传统显示模式遇到越来越严重的挑战。越来越多的射线工作者依赖新的三维工具进行图像诊断和观测。这一章的第二部分内容是论述这些新工具的原理和应用。由于图像是CT扫描机的主要输出,因此,懂得评判所生成图像质量的主要性能参数是计算机断层成像技术:原理、设计、伪像和进屐很重要的。这些参数不仅对于CT使用者,同时对于CT设计者都是重要的。第五章列出了各个主要参数,如空间分辨率、时间分辨率、低对比度分辨率、CT数准确度、噪声和剂量等。该章的重点是测量这些参数的不同方法和影响这些参数的主要因素。同时讨论了这些测量方法背后的理论和各种测量模体大多数人都把CT扫描机看成是一个单元。事实上,它是一个由许多部件组成的十分复杂的系统。在第六章里我们要深人到扫描机的内部,仔细研究每一个主要的部件。为了使读者更好地了解不同部件之间是怎么联结的我们从CT扫描机的总体结构框图开始,解释扫描过程中操作的顺序尔后概括地叙述这些部件的功能,分析它们对CT系统的影响并介绍它们的最新发展。许多因素使得单个部件或者整个系统的运行都远远不是理想的。这些不理想的条件自然会导致图像上出现伪像,也就是不代表实际物体的图像。人们通常并没有意识到CT今天能够成为一种可行的医疗设备的真正秘密,既不是第三章讨论的重建算法,也不是第四章介绍的图像显示方法,而是伪像的处理方法。事实上这是所有CT制造商很少公开讨论的技术。第七章我们给出了伪像的一般描述和不同类型。对每一种主要伪像讨论了其起因和可能的校正方法。这些校正步骤是CT标定、预处理和后处理的组成部分。因为这个题目的产权特性,只能作一些示意性的介绍。对于那些已经公开的校正方法,本书提供了数学公式以及校正的途径。因为该章放在CT技术最新进展的前面,所以有关螺旋C和多层CT伪像及其校正的内容没有包括在内。这些内容将在相关的章节内详细讨论。CT设计师或物理学家通常都希望在系统实际建成以前,能够预计一台CT系统的性能或者能够理解某种伪像的起因。第八章提供了分析的一般方法。某些仿真和分析方法很简单,属于“信封背面”即可进行的计算,然而这些方法在实践中已被证明也是十分精确和有用的。另一方面,有许多用频谱方法设计出精细的仿真方法适用于比较复杂一些的问题。该章首先详细描述某些方法尔后讨论选择仿真参数的影响。读完该章以后,读者应当可以构造自己的仿真器用来回答他们关于CT的许多问题。第九章和第十章论述近年来CT的技术进步螺旋CT和多层CT。详细讨论了每种技术在临床应用上的长处、不同的重建算法、性能建模和伪像等问题。为了易于理解,重建算法按照从易到难的顺序介绍。首先介绍基础的原理和总体思想,然后介绍简单的重建实例,最后介绍复杂一些的算法。这两章为那些已经掌握不太复杂算法的读者提供了足够的细节。鉴于这些技术的性质,重建图像更具各向同性,导致切片方向灵敏度曲线这一重要概念的引出。第九章详细地描述了建模及分析技术,以便不用通过大量实验就可以理解在不同扫描模式下或选择不同参数时切片方向灵敏度曲线的基本特点。CT新技术的出现引发了临床应用方面的许多进展。第十一章我们选择了几种重要的临床应用实例来详细讨论。有些应用如心脏病学和荧光成像,需要生理学的门控或者对目前现有算法修改。另外一些应用如灌注、肺癌筛检和结肠成像要求在图像生成以后开发扩展的算法。本书都适时地提供足够的技术细节,使读者对这些应用的原理和操作能做到基本了解。该章最后提供了许多文献供有兴趣的读者进一步研究。作者首先要向自己的父母 eR, Gao博士和B,Z. Hsieh博士表达自己的感激,是他们教我懂得了刻苦工作和自律的价值。本书中出现的许多思想、原理、结果和实例都来源于其他的书籍和研究论文,借此机会作者向这些源头表示感谢。作者要感谢密歇根大学的Jeffrey A. Fessler教授,他审阅了迭代重建的章节,他富有见解的建议和意见对该章节有前言〓二二二二计国新时早品工出計山d很大帮助。作者还要特别感谢SPTE出版社指定的评审专家: Analogic公司的 Carl crawford博士、艾奥瓦大学的 Wang ge教授以及匿名评审的另外一位专家。他们非常专业的重要意见使原稿得到了重大改进。作者还应该感激 Robarts研究所的 Ting-Yim le博士,他提供了有关CT灌注法的参考材料;以及伦敦 ImPACT研究组的 Nick keat先生,他提供了CT早期发展的历史照片。为了那些有益的讨论、共同的研究课题、突发的灵感和优美的图像,作者要感谢许多目前和过去在 GE Medical System和 GE Globa! Research center一起工作的同事。很遗憾不可能将他们的名字全部列在这里,那样就似乎在说“某人是GEMS的,某人是(RC的”。最后特别要感谢作者的夫人Ii!yJ.Gong,对本书的编写给了无条件的支持;以及孩子 Christopher和 Matthew,原谅了作者在编写本书期间没有和他们共同度过更多的时间。作者2002年12月
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