CT高速数据传输技术及应用研究

CIOMP OpenIR

	CT高速数据传输技术及应用研究
	刘敏
学位类型	博士
导师	张涛
	2018
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位名称	博士
关键词	CT高速数据传输光电数据传输空间光折叠光纤准直器误码率测试
摘要	CT图像的精确性高、清晰度好,因此CT成像设备成为诊断成像领域最广泛应用的检测设备之一,它被广泛应用于术前诊断分析、病灶定位及许多常规筛查。CT滑环作为CT成像设备的关键部件之一,用于CT旋转端和固定端之间功率和数据的传输。随着CT设备的不断更新换代,CT设备中探测器的数量越来越多,数据采集系统(DAS)采集的数据量也越来越大,DAS的层数也越来越多,对CT滑环数据传输系统的传输速率也提出了越来越高的要求,而目前我国的CT数据传输技术存在严重的短缺和不足,严重制约了我国国产医用CT成像设备的健康发展。因此,CT高速数据传输技术具有重大的理论研究意义和工程应用价值:(1)通过对相关非接触旋转体之间的数据传输技术进行分析和总结,找出其存在的不足,提出一种改进的CT高速数据传输技术,有利于促进CT滑环产业的技术进步和发展;(2)对所提出的CT高速数据传输技术进行应用研究,可以促使该技术尽快地实现工程应用,以便能为国内外CT厂商提供更多的CT数据传输解决方案,从而降低CT滑环的价格,促进整个CT设备行业健康发展;(3)所提出的CT数据传输技术具有自主知识产权,可填补我国在该领域的技术空白,同时,通过与国内电滑环厂家展开技术合作,可开发出具有自主知识产权的CT滑环产品,填补我国在CT滑环产品方面的空白,促使CT滑环产品价格降低,节约CT设备研制成本和使用成本,最终造福于广大国内外消费者。本论文将围绕CT高速数据传输技术中的光纤传输和空间光传输环节中的一些关键技术展开相应的系统研究。首先,首先对现有的国内外CT高速数据传输技术相关的专利和文献进行了充分的调研和分析解读,发现径向式光传输方式是比较理想的高速数据传输方式,结合国内外厂商专利布局情况,经过大量的理论研究工作和试验验证,提出了一种具有自主知识产权的CT高速数据传输技术方法——采用径向式等光程单波长(1550nm)光传导技术,将光纤通信与自由空间光通信结合,利用基于平面反射镜成像原理的离轴空间光折叠技术将光信号折叠并耦合至光接收器,实现了旋转端到固定端之间的高速数据传输,相关技术已成功申报5项发明专利,其中3项已授权。同时,对所研究的离轴式空间光折叠技术进行了试验,结果表明,CT转盘持续旋转过程中,光探测器一直能探测到各光纤准直器传输过来的光信号,眼图线迹清晰,眼图较端正,眼交叉比50%,误码率优于10~(-12)(数据传输速率10Gbps,测试时间300s,BER的置信度为95%),所研究的离轴式空间光折叠技术是满足使用要求的。其次,在本论文中的光信号传输系统中,为降低出射光斑和光接收器之间的对准精度要求,降低工程实现难度,需要对光纤准直器的出射光斑进行适当扩束,从本论文课题的实际需求出发,选用了伽利略型扩束结构模式,并对其初始结构进行相应的改进和优化,运用Zemax软件进行了光学模拟仿真,仿真的激光扩束系统采用了三片球面镜,达到了10X的扩束要求,将1550nm激光出射光斑直径由0.7mm变成了7mm,并且扩束系统的像差也得到了良好的控制,满足了本论文所涉及课题对扩束系统的指标要求。接着,在现有激光整形理论基础上,结合本论文对激光整形结构的特殊要求,运用改进的复眼透镜激光整形技术,使高斯光束变成了平顶光束,将波长为1550nm、光斑直径为7mm、距离光出射面425mm的光接收面上的光斑的均匀性达到了85%,满足了CT高速数据传输系统所提出的设计指标要求。随后,为满足等光程设计要求,对光传输链路等长性检测技术展开了研究。针对目前多通道高速数据传输同步性检测技术的匮乏和不便,设计出了一种新的基于相位法激光测距技术的多通道数据传输链路等长性检测技术,通过相关理论计算和试验验证,得出在静止状态下本论文课题所自主研制的数据传输系统在10Gbps的高速数据传输过程中光传输各链路的最大相对光程差为0.9mm,小于系统最大许用光程差(3mm),同时,验证了静态下本论文中的CT高速数据传输系统在进行10Gbps数据传输时的误码率优于指标要求的10~(-12)(数据传输速率10Gbps,测试时间300s,BER置信度95%),即所设计的CT高速数据传输系统满足10Gbps高速数据传输的技术要求,同时验证了本论文所研发的光链路等长性检测技术是合理可行的。相关技术已申报一项发明专利,目处于实质审查阶段,同时,基于该技术和方法,已发表SCI论文一篇,详见论文最后部分本人已发表论文列表中的第一篇。之后,对本论文所研究的CT高速数据传输技术展开了应用研究,即研究设计出可适配CT扫描仪的光机结构,形成CT高速数据传输系统试验样机,以便为该技术以后能被顺利应用于工程实际奠定基础。利用系统化方案设计方法设计了适配于CT高速数据传输系统的光机结构系统,利用大型三维设计软件SolidWorks进行了三维实体建模,然后将该模型进行适当简化处理后导入大型CAE分析软件ANSYS Workbench对其进行静力学分析,分析结构表明,所研制的CT高速数据传输系统光机结构的旋转端自主设计的几个零部件的优化余量有限,为了减轻整个光机结构的质量,方便整机的移动和装调,对所设计的静止端的支撑臂和垫角柱进行了拓扑优化设计,使其质量分别降低了21.45%和30.51%,达到了减轻样机质量,美化样机结构的目的。然后,对所设计的光机结构在高速数据传输系统正常运行时不同模态频率下的谐响应振动情况进行了分析评估,确定了所设计的光机结构正常运行时产生的最大共振不会对CT高速数据传输系统数据传输的稳定性和准确性产生影响。最后,对本论文所研制的CT高速数据传输技术试验样机进行了误码率测试,误码率测试是检验数据传输性能的有效手段,故可通过误码率测试试验来检验所研制的CT高速数据传输技术试验样机的整体性能。试验结果表明,当EDFA模块输出光功率值取33dbm、FPGA模块输出的载波信号的频率和占空比分别取200MHz和50%时,所研制的CT高速数据传输技术试验样机的数据传输效果最好。当各机械装调模块在最佳位置和光传输模块参数设置最佳时,数据传输率为2.5Gbps、转速120rpm情况下,CT高速数据传输技术试验样机误码率优于10~(-12)(测试时间1200s,BER置信度95%),满足苏州市科技计划项目的技术要求;但是,当转速为150rpm、数据速率为10Gbps时,样机误码率为10~(-3)(测试时间300s,BER置信度95%)与国家重点研发计划项目中的技术要求有一定差距。综上可知,本文所研究的CT高速数据传输技术其理论和实践都是可行的,能够实现CT系统旋转端与固定端之间的高速率数据传输,目前所研制的CT高速数据传输技术试验样机可以实现不高于2.5Gbps的CT数据传输,要实现旋转状态下更高速率数据的非接触传输还需要开展进一步的深入研究工作。
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/61547
专题	中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	刘敏. CT高速数据传输技术及应用研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2018.

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