本发明涉及x射线近场散斑成像领域中成像系统的优化设计，尤其涉及成像系统的功率谱理论和成像系统快速优化设计方面，可适用于x射线近场相衬成像系统中多曝光模式成像或波前检测等应用领域中，也适用于一次曝光模式在不可逆动态过程的原位观测和应用研究中。
背景技术：
1、在x射线近场散斑成像系统的优化方法中，在线实验优化时，由于系统中可调节参数多以及成像的需求或系统改变后重新优化，导致优化的人力和时间成本高；在离线仿真模拟x射线近场散斑成像优化时，需基于穷尽参数组合的仿真模拟x射线近场散斑成像计算，所需计算资源大、速度慢，不适用多个实验参数的同时优化。而如何在节能时间、人力、同步实验时间等成本的同时，实现x射线近场散斑成像系统的多参数的同时快速优化，对其优化设计方法提出了独特需求，而传统的在线优化方法和离线仿真模拟已经不能满足这些需求，因此亟需发展快速、便捷、更为普适的x射线近场散斑成像系统优化设计方法。
技术实现思路
1、针对现有x射线近场散斑成像系统优化设计方法的不足，本发明的目的在于提供一种快速、便捷、更为普适的x射线近场散斑成像系统优化设计方法，并实现x射线近场散斑成像系统多参数同时快速优化。
2、本专利的创新点主要在于：
3、①根据实际成像系统中光源焦斑、探测器点扩散、散射体等参数得到散斑功率谱的表达式，并根据散斑功率谱峰值和峰值位置可以分别给出散斑衬度和散斑尺寸；
4、②给出相对综合的优化评估函数——角灵敏度表达式，并将散斑尺寸、散斑衬度、系统几何设置等参数代入该表达式，构建基于散斑功率谱一阶偏导的约束条件避免功率谱峰值位置的解析求解，得出基于散斑功率谱的角灵敏度约束表达；
5、③使用角灵敏度作为全域寻优的优化判据，将实验特定的需求和实验装置可选参数范围等设计为优化的约束条件，通过非线性约束多变量全域寻优法实现了优化的快速求解。
6、本发明的技术方案为：
7、一种x射线近场散斑成像系统的快速优化设计方法，其步骤包括：
8、1)对于一待优化的成像系统，所述成像系统包括沿光路方向依次设置的x射线光源、散射体以及成像探测器，待测样品置于所述x射线光源与所述散射体之间或置于所述散射体与所述成像探测器之间；根据所述成像系统的功率谱和所述散射体的功率谱构建散斑功率谱模型由于x射线近场散斑成像中以及通常是各向同性，与方位角无关，则以及圆周积分后可得到t(q)、s(q)和i(q)，其中为物面中各个频率矢量在极坐标中的径向频率，q为的标量；
9、2)根据所述散斑功率谱模型构建基于散斑的角度灵敏度αs的约束表达式：且其中，l1为所述x射线光源到所述散射体的距离，l为所述x射线光源到待测样品的距离，d1为所述散射体到所述成像探测器的距离，d为待测样品到所述成像探测器的距离，s为所述成像系统的总长；
10、3)用非线性多目标迭代约束全域寻优法对所述约束表达式进行求解，得到优化后的成像系统。
11、进一步的，优化后的成像系统的参数包括但不限于：所述散射体到所述成像探测器的距离d1、系统总长s、所述散射体的颗粒尺寸d0、x射线光源的能量e、待测样品到所述散射体的距离rsam的最优解；其中，rsam为正表示待测样品在所述散射体后方，rsam为负表示待测样品在所述散射体前方。
12、进一步的，所述非线性多目标迭代约束全域寻优法中的非线性约束多元函数为并设置约束条件；其中，为待优化变量矩阵，是待优化的目标函数；设置的约束条件包括且不限于：
13、1)所述x射线光源的能量范围、焦斑尺寸σs的范围，所述成像探测器的像素尺寸b、像素数n以及相应展宽σp；
14、2)系统总长s的最大值smax；
15、3)所述成像探测器的成像视场w满足w＝bn/(s/l)≥wmin；wmin为待测样品的成像视场要求；
16、4)所述散射体的平均颗粒自相关尺寸d0可选范围；
17、5)所述成像系统的空间分辨率ζ0为成像空间分辨率的需求；
18、6)所述散射体的传播距离需满足的近场条件
19、7)待测样品的位置满足
20、8)所述成像探测器的散斑尺寸为nmin至nmax倍的成像探测器的像素尺寸。
21、进一步的，待优化变量矩阵中的参数包括：所述x射线光源焦斑的标准差尺寸σs、能量最小值emin和最大值emax，系统总长最小值smin和最大值smax，所述散射体厚度分布的均方根σdif，所述散射体的颗粒自相干尺寸最小值dmin和最大值dmax，所述成像探测器的点扩散标准差尺寸σp、像素数n、像素尺寸b和最小成像视场wmin，rsam的最大值，nmin和nmax。
22、进一步的，通过利用matlab全局优化工具中的多起点算法生成多个随机新起点，以及并行计算查找各个起始点附近的局部最优点，并通过多次迭代对比各个局部最优点找出相对最大的点作为全域最优点；将全域最优点集作为满足各个约束条件后的x射线近场散斑成像系统的优化设计参数集。
23、进一步的，根据光源空间相干性以及探测器响应对成像所带来的点扩散将所述成像系统的功率谱表述为其中，tideal(q)为理想点源时所述成像系统中相位衬度传递函数的功率谱，σs为所述x射线光源的焦斑标准差尺寸，σp是成像探测器的点扩散标准差尺寸，m为所述成像系统对所述散射体的放大倍数。
24、进一步的，其中，zeff＝d1l1/s，σdif为所述散射体厚度分布的标准差尺寸，d0为所述散射体的平均自相关尺寸，k为x射线光源的波数，δ和β分别为所述散射体复折射率n＝1-δ+iβ的实部、虚部。
25、与现有技术相比，本发明的积极效果为：
26、本发明优化设计方法同时权衡了能量、几何距离设计、散斑衬度、散斑信噪比、散射体参数等多重因素，实现了折射角灵敏度的快速、便捷的多参数的同时快速优化设计，避免了仿真模拟优化慢以及在线多参数在线优化费时费力等问题。
1.一种x射线近场散斑成像系统的快速优化设计方法，其步骤包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，优化后的成像系统的参数包括但不限于：所述散射体到所述成像探测器的距离d1、系统总长s、所述散射体的颗粒尺寸d0、x射线光源的能量e、待测样品到所述散射体的距离rsam的最优解；其中，rsam为正表示待测样品在所述散射体后方，rsam为负表示待测样品在所述散射体前方。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述非线性多目标迭代约束全域寻优法中的非线性约束多元函数为并设置约束条件；其中，为待优化变量矩阵，是待优化的目标函数；设置的约束条件包括且不限于：
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，待优化变量矩阵中的参数包括：所述x射线光源焦斑的标准差尺寸σs、能量最小值emin和最大值emax，系统总长最小值smin和最大值smax，所述散射体厚度分布的均方根σdif，所述散射体的颗粒自相干尺寸最小值dmin和最大值dmax，所述成像探测器的点扩散标准差尺寸σp、像素数n、像素尺寸b和最小成像视场wmin，rsam的最大值，nmin和nmax。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过利用matlab全局优化工具中的多起点算法生成多个随机新起点，并行计算查找各个起始点附近的局部最优点，并通过多次迭代对比各个局部最优点找出相对最大的点作为全域最优点；将全域最优点集作为满足各个约束条件后的x射线近场散斑成像系统的优化设计参数集。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据光源焦斑以及探测器响应对成像所带来的点扩散将所述成像系统的功率谱表述为其中，tideal(q)为理想点源时所述成像系统中相位衬度传递函数的功率谱，σs为所述x射线光源的焦斑标准差尺寸，σp是成像探测器的点扩散标准差尺寸，m为所述成像系统对所述散射体的放大倍数。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，其中，zeff＝d1l1/s，σdif为所述散射体厚度分布的标准差尺寸，d0为所述散射体的平均自相关尺寸，k为x射线光源的波数，δ和β分别为所述散射体复折射率n＝1-δ+iβ的实部、虚部。
