硬x射线同轴相衬成像技术相对于其他成像方法,具有光路简单、基本不需要光学元器件、可采用多色光源成像及成像面积大等优点,在医学、生物学、材料学、力学、等离子体物理学等众多领域具有广泛的应用背景。本文通过理论分析、数值模拟和实验研究,系统研究了硬x射线同轴相衬成像的布局优化、图像处理方法、以及成像的基本规律,以期为硬X射线同轴相衬成像技术的发展和实际应用提供基础支撑。本文主要内容、结论和创新点如下。硬x射线同轴相衬成像系统布局优化研究。在原有硬x射线同轴相衬成像理论研究的基础上,进一步考虑光源的焦斑尺寸、探测器像元的尺寸、以及待成像物体的空间频率,采用图像衬度、信噪比、分辨率和探测器抽样数作为成像质量的综合评价标准,针对具有广泛应用意义的一维对称高斯相位分布、二维对称高斯相位分布、以及台阶模糊边相位分布特征的物体,提出参数优化方法并建立优化流程；对亚微焦点源、激光驱动微焦点源及同步辐射源三种不同x射线源,通过数值模拟,优化了成像系统的相关参数。优化结果表明,基于最大化衬度的参数优化方法和基于信噪比的参数优化方法各具优势,一般来说,最大化衬度优化方法的优势是具有高的衬度、分辨率及充足的细节抽样数；信噪比优化方法的优势则是具有较高的图像信噪比以及更为合理的成像空间距离。优化方法具有广泛的指导意义,在实际操作中,一方面需根据实际情况对参数进行调整,另一方面,需要认识到本优化方法及其优化流程是建立在单能x射线源及真空传输的基础之上,在提供成像布局设计指导的同时,其优化结果具有一定的理想化特点,同时这也是成像技术未来的发展方向。硬x射线同轴相衬成像图像处理方法研究。在分析相衬图像噪声特点的基础上,把图像消噪与相位恢复结合在一起,通过数值模拟,对几种典型消噪方法对相衬图像的消噪效果进行了分析,定量评价了不同信噪比水平相衬图像消噪方法对相位恢复效果的影响,并给出了相应的消噪方法与相位恢复方法建议。对理想的无噪声图像和信噪比非常高的相衬图像进行相位恢复,不需要进行消噪处理,采用原始相衬图像进行恢复,效果最好；对信噪比较高的相衬图像进行相位恢复,要首先选择适当的滤波方式进行简单的低通滤波,消除部分噪声的影响,再进行相位恢复；对信噪比较差的相衬图像进行相位恢复,由于图像的本质影响,很难得到一幅理想的相位恢复图像,通过加强平滑滤波并采用适当的相位恢复方法,可以改善图像的相位恢复效果。此外,虽然中值滤波被认为是消除泊松噪声比较有效的一种方式,但对信噪比较高的相衬图像进行相位恢复,不能采用中值滤波的方式进行滤波。硬X射线同轴相衬成像数值模拟与实验研究。根据硬X射线同轴相衬成像技术实用化的需要,针对相对简易的X射线源、接收系统以及有限的成像空间,通过理论、数值模拟和实验研究相结合的方式,开展了空气吸收法分析微焦点光源的等效能量研究,宽谱硬X射线同轴相衬成像规律研究,金属样品的同轴相衬成像质量研究,以及炸药压缩过程的同轴相衬成像质量研究等,同时对实验中获得的同轴相衬图像进行了相位恢复。(1)依据硬X射线同轴相衬成像理论,推导出宽谱硬X射线相衬成像结果,并用于硬X射线同轴相衬成像的数值模拟计算。系统性地对比分析了单能X射线、宽谱X射线在空气中和真空中传输的情况下,各种成像参数对相衬成像质量的影响,并同时与相应的实验结果进行比对,定量地获得了重要的成像基本规律。(2)金属样品硬X射线同轴相衬成像的结果显示,轻金属(A1)的相衬图像的相衬信息非常明显,相位衬度图像的质量明显优于吸收衬度图像；重金属(Pb)相衬图像的相衬信息基本淹没在吸收信息之中,无法分辨相衬的特征。从而把硬X射线同轴相衬成像技术的应用范围拓展到轻金属材料方面。(3)对模拟炸药和炸药样品进行了硬X射线吸收和同轴相衬成像实验,结果表明,相位衬度像都明显优于吸收衬度像,炸药压缩的相衬实验在微介观尺度清晰地显示了炸药在压力作用下裂纹从无到有、并长大的过程,成像技术为研究炸药的承压机理奠定诊断基础。(4)对昆虫的硬X射线同轴相衬图像进行了相位恢复,结果显示,图像基本达到了相位恢复的效果,恢复图像与参考的具有同样泊松统计噪声的lena图像恢复效果基本相当。