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        應(yīng)用工業(yè)CT 技術(shù)智能識別和三維顯示炸藥裝藥缺陷的設(shè)想

        2013-12-10 07:17:50高玉玲馬燕劉艷萍張峰張晶胡東常
        計(jì)測技術(shù) 2013年1期
        關(guān)鍵詞:軍用三維重建裝藥

        高玉玲,馬燕,劉艷萍,張峰,張晶,胡東常

        (西安近代化學(xué)研究所 十一部,陜西 西安710065)

        0 引言

        工業(yè)CT 是工業(yè)用計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)的簡稱,也簡稱ICT。它能在對檢測物體無損傷條件下,以二維斷層圖像或三維立體圖像的形式,清晰、準(zhǔn)確、直觀地展示被檢測物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、組成、材質(zhì)及缺損狀況,被譽(yù)為當(dāng)今最佳無損檢測和無損評估技術(shù)。工業(yè)CT 技術(shù)涉及了核物理學(xué)、微電子學(xué)、光電子技術(shù)、儀器儀表、精密機(jī)械與控制、計(jì)算機(jī)圖像處理與模式識別等多學(xué)科領(lǐng)域,是一個(gè)技術(shù)密集型的高科技產(chǎn)品。X 射線ICT 被稱為近25 年中十大最重要的技術(shù)進(jìn)步之一[1]。

        在進(jìn)行軍用裝藥缺陷智能化識別及三維可視化研究課題中,設(shè)想應(yīng)用工業(yè)CT 技術(shù)達(dá)到軍用裝藥內(nèi)部缺陷的自動(dòng)、快速識別和判斷,并達(dá)到三維立體可視化多角度、全方位、多層次、多功能顯示的效果。

        1 工業(yè)CT 無損檢測原理及系統(tǒng)組成

        1.1 工業(yè)CT 無損檢測原理[2]

        首先介紹一下CT 技術(shù)與射線照相之間的差別:射線照相方法的最終圖像是信息的疊加、模糊,將三維物體的信息投影為二維的射線照片,但它無法在透照方向上對特征信息進(jìn)行空間定位。CT 技術(shù)則克服了這個(gè)局限,靈敏度比射線照相高出一、兩個(gè)數(shù)量級之多,它能夠?qū)ξ矬w的某一平面產(chǎn)生清晰的二維圖像。

        CT 成像是利用射線從多個(gè)方向透射工件某斷層,通過探測器探測由工件衰減后的射線信息,由計(jì)算機(jī)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建,以二維圖像形式展現(xiàn)所檢測斷層的密度分布。

        DR 成像則使射線從單一方向穿過工件,對檢測的信息進(jìn)行重建后,以二維圖像形式展現(xiàn)所檢測方向的重疊密度分布。

        以X 射線作為射線源的工業(yè)CT 工作原理:

        當(dāng)射線穿過均勻物質(zhì)時(shí)

        當(dāng)射線穿過非均勻物質(zhì)時(shí)

        式中:l 為射線穿過被檢測物各體積元的長度;I 為射線穿過被檢測物以后的強(qiáng)度(即經(jīng)被檢測物衰減后探測到的計(jì)數(shù)和);μi為射線穿過不同物質(zhì)的線衰減系數(shù)(與被檢物質(zhì)密度和原子序數(shù)以及使用輻射源能量有關(guān));I0為射線入射端初始強(qiáng)度(射線在空氣中探測器測到的原始計(jì)數(shù)和)。

        圖1 典型系統(tǒng)組成

        通俗地說:有一束單能的射線透射過物質(zhì),必然產(chǎn)生衰減,其衰減情況遵循比爾定律 (見式 (1),(2)),檢測物的密度、厚度不同,均影響衰減結(jié)果,從而得到不同強(qiáng)度的射線,探測器上得到的數(shù)據(jù)必然不同,在CT 圖片上則得到相應(yīng)的密度反映,這樣,就形成了反映密度變化的樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)CT 圖。

        1.2 工業(yè)CT 系統(tǒng)組成[2]

        工業(yè)CT 系統(tǒng)通常由射線源、探測器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)、機(jī)械掃描運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、圖像重建分析系統(tǒng)等組成。典型系統(tǒng)組成如圖1 所示。

        目前常用的工業(yè)CT 系統(tǒng)一般采用X 射線源。

        2 工業(yè)CT 研究發(fā)展?fàn)顩r

        2.1 國內(nèi)外工業(yè)CT 設(shè)備發(fā)展介紹

        基于醫(yī)用CT 技術(shù)基礎(chǔ),從上世紀(jì)70 年代末到80年代中期,美國SMS 公司和IDM 公司率先推出了ITA200 和IRISTM 系列產(chǎn)品探測器射線源后,工業(yè)CT技術(shù)迅速發(fā)展[3]。工業(yè)CT 技術(shù)雖然與醫(yī)學(xué)CT 技術(shù)原理相同,但醫(yī)學(xué)CT 的檢測對象為人,其檢測對象具有單一性和確定性特點(diǎn)。而工業(yè)CT 系統(tǒng)應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域,檢測對象在形狀、尺寸、材料、缺陷類型、檢測精度要求等方面千差萬別,這就決定了應(yīng)用在不同行業(yè)和部門的工業(yè)CT 系統(tǒng)存在差異,系統(tǒng)需要針對檢測對象的特性進(jìn)行針對性設(shè)計(jì),以滿足檢測要求,達(dá)到最優(yōu)的檢測和分析效果。

        我國的工業(yè)CT 技術(shù)發(fā)展始于上世紀(jì)90 年代初期。各大高校和基礎(chǔ)科學(xué)的研究院所相繼投入精力進(jìn)行工業(yè)CT 硬件和仿真系統(tǒng)開發(fā)的研究工作,同時(shí),在許多應(yīng)用性研究院所和軍工企業(yè)也在積極開拓工業(yè)CT 系統(tǒng)的應(yīng)用,現(xiàn)在工業(yè)CT 在我國正處于蓬勃上升的發(fā)展階段。西南ICT 研究中心研制出我國第一臺XN 一1300-y 射線工業(yè)CT 機(jī)后,極大地推動(dòng)了我國在工業(yè)CT技術(shù)上的研究和發(fā)展。且我國自主開發(fā)的產(chǎn)品與國外同類產(chǎn)品相比,具有性價(jià)比更高的特點(diǎn)。比如中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所研制出的我國首套高精度工業(yè)CT,已完全達(dá)到國際先進(jìn)水平,相比國際上所推出的低能工業(yè)CT 高達(dá)100 多萬美元的價(jià)格,價(jià)格僅為其三分之一左右,主要應(yīng)用于工程物理研究院內(nèi)部[3]。

        目前國內(nèi)外已經(jīng)達(dá)到kV 級(主要指450 kV 以下)系列CT 機(jī)和MeV 級(最高15 MeV 已經(jīng)產(chǎn)品化,現(xiàn)在美國出現(xiàn)了30 MeV 工業(yè)CT 設(shè)備)產(chǎn)品化。表1 列出國內(nèi)外典型公司同類產(chǎn)品性能指標(biāo)比較[5-6]。

        表1 國內(nèi)外典型公司同類產(chǎn)品性能指標(biāo)比

        2.2 工業(yè)CT 技術(shù)的研究狀況

        工業(yè)CT 技術(shù)的研究主要課題是工業(yè)CT 硬件系統(tǒng)的研究和軟件技術(shù)的研究,其中硬件系統(tǒng)的研究目前國際上主要集中于高能X 射線工業(yè)CT,其科技含量高,成本大,可對較厚工件或較重元素材料進(jìn)行檢測,對于軍工產(chǎn)品有明顯的重要性,也是發(fā)展國防、航空、航天等大型動(dòng)力設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)之一;軟件技術(shù)的研究主要集中在圖像重建算法的研究面最廣。

        自CT 廣泛應(yīng)用以來,三維成像一直是人們研究的課題,總體上可以分為兩類:一類為直接研究從投影數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建稱為真三維重建技術(shù);另一類是將多幅二維CT 圖像疊堆出樣品的三維圖像,這實(shí)際上是一種顯示技術(shù)。

        目前三維成像中以表面顯示法最常用。表面顯示法有三角網(wǎng)法、有限差分法、動(dòng)態(tài)彈性表面插入法等基本都是利用有限的斷層數(shù)據(jù)得到更加接近實(shí)際的光滑物體表面,近幾年出現(xiàn)的滑行環(huán)連續(xù)螺旋線掃描方式,可得到無間隙的螺旋狀掃描數(shù)據(jù),這對三維顯示技術(shù)無疑提供了十分有利的條件[6]。

        3 工業(yè)CT 技術(shù)應(yīng)用

        3.1 工業(yè)CT 技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域[4]

        工業(yè)CT 廣泛應(yīng)用在汽車、材料、航天、航空、軍工、國防等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域,為檢測航天運(yùn)載火箭及飛船航空發(fā)動(dòng)機(jī)、大型武器的檢測、地質(zhì)結(jié)構(gòu)的分析以及機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量的重要檢測手段。航空、航天等工業(yè)中精細(xì)工件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的測量及其缺陷的檢測;兵器工業(yè)中對彈藥裝填密度的檢測和武器關(guān)鍵部件的質(zhì)量檢測等等。

        3.2 工業(yè)CT 技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)[4]

        工業(yè)CT 技術(shù)應(yīng)用的特點(diǎn)主要有:定量、定位檢測;具有高的密度分辨力;探測信號的動(dòng)態(tài)范圍寬;能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化顯示。

        3.3 工業(yè)CT 技術(shù)檢測范圍[4]

        工業(yè)CT 檢測可以完成:缺陷檢測、定位與特性描述;各部件相對位置的確定;確定物體的密度梯度,評價(jià)均勻性;定量分析;動(dòng)態(tài)在線檢測。

        3.4 工業(yè)CT 技術(shù)應(yīng)用設(shè)想

        根據(jù)目前火炸藥裝藥技術(shù)發(fā)展與實(shí)際科研生產(chǎn)應(yīng)用實(shí)際,同時(shí)結(jié)合工業(yè)CT 特點(diǎn)等,把工業(yè)CT 技術(shù)用于軍用裝藥中裝藥缺陷的智能化識別與三維可視化研究中,具有重大意義和現(xiàn)實(shí)作用。下面是研究的初步設(shè)想。

        利用工業(yè)CT 技術(shù),檢測多類型模擬彈(包含各種能夠反映裝藥現(xiàn)狀的各種物理缺陷)或?qū)嶋H彈體裝藥、靶場回收彈體等,為課題研究提供完整可靠的ICT 測量數(shù)據(jù)。利用ICT 檢測技術(shù),將各種可能導(dǎo)致彈藥失能、失效、使用不安全的物理缺陷自動(dòng)、快速、高效檢測與識別是研究目標(biāo)。

        3.4.1 軍用裝藥中裝藥缺陷分布

        軍用裝藥過程中會(huì)出現(xiàn)氣孔、裂紋、夾雜、疏松、脫粘、脫層等缺陷,在裝藥完成后,其內(nèi)部的缺陷檢測是很重要的問題,但又是很困難的,尤其是缺陷的準(zhǔn)確定位和定量測量是很大的難題,一般的檢測手段是無法保證完成的,工業(yè)CT 無損檢測手段是最佳的方法。能夠準(zhǔn)確、及時(shí)檢測出裝藥存在的缺陷,保證軍用裝藥產(chǎn)品的本質(zhì)安全、整體安全。

        3.4.2 設(shè)想實(shí)現(xiàn)后的應(yīng)用效果

        工業(yè)CT 技術(shù)在武器彈藥質(zhì)量檢測中主要用于裝藥氣孔、疏松、夾雜等缺陷檢測;各種裝藥幾何尺寸、缺陷幾何尺寸測量;仿研樣品裝配結(jié)構(gòu)與裝藥分析;彈體裝藥密度、密度分度和彈體裝藥底隙測量等。

        設(shè)想是:結(jié)合在線檢測對軍用裝藥進(jìn)行全面檢測,對發(fā)現(xiàn)極限缺陷產(chǎn)品送入工業(yè)CT 檢測工序,進(jìn)行系列CT 層掃描,得到檢測樣品系列二維CT 圖,并進(jìn)一步重建三維CT 圖,或者對檢測樣品進(jìn)行整體DR 照射,得到檢測樣品系列DR 圖,進(jìn)一步形成系列CT 圖,構(gòu)建樣品的三維CT 圖,對軍用裝藥產(chǎn)品在裝藥、裝配過程中形成的缺陷進(jìn)行檢測,無損、準(zhǔn)確、真實(shí)的得到測量結(jié)果,服務(wù)于軍用火炸藥裝藥科研、生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量判斷,及時(shí)、準(zhǔn)確反映裝配問題,以便及時(shí)解決實(shí)際問題。

        為實(shí)現(xiàn)這一工業(yè)CT 無損檢測需求,要求配備在線檢測手段,或者至少配備先進(jìn)高精度工業(yè)CT 機(jī),應(yīng)當(dāng)具有線陣掃描探測器和面陣掃描探測器雙探測器功能,以便滿足樣品的三位檢測和精細(xì)化掃描檢測。

        1)機(jī)械零部件的實(shí)物圖與工業(yè)CT 三維重建圖

        首先,對大家熟悉的汽車油缸機(jī)械零部件進(jìn)行了大量的工業(yè)CT 逐層掃描,得到一系列對應(yīng)的CT 圖片,利用CT 系統(tǒng)現(xiàn)有的三維重建方法進(jìn)行三維重建,得到該機(jī)械零部件的三維立體圖。如圖2,同時(shí)還可以根據(jù)需要對已經(jīng)獲得三維CT 圖的汽車油缸機(jī)械零部件進(jìn)行多方位、多層次、多角度的直觀顯示,在逆向工程中使送樣者充分了解樣品內(nèi)外結(jié)構(gòu)信息,為樣品的解剖模擬仿真提供科學(xué)依據(jù)。

        圖2

        2)軍用炸藥裝藥中缺陷的智能化識別與三維可視化

        對軍用裝藥樣品進(jìn)行大量系列CT 無損檢測斷層掃面,得到樣品由下向上或由上向下大量CT 斷層掃描圖,每個(gè)CT 掃描層(典型CT 斷層掃描CT 圖片如圖3(a))上清楚顯示缺陷分布、大小、形狀等,重建得到炸藥裝藥的三維立體圖(如圖3 (b)),利用CT 專用軟件就關(guān)心的裝藥缺陷獨(dú)立、三維、可視化顯示。

        圖3

        圖3 中標(biāo)識出較大的疏松氣孔缺陷幾何尺寸測量結(jié)果是:長22.3 mm、寬0.909 mm,體積為83.416 mm3。

        由圖3 可以看出,炸藥裝藥CT 三維重建立體圖根據(jù)需要只顯示了缺陷分布而去掉了裝藥成份顯示,這樣可以一目了然看清楚裝藥缺陷的所有情況,并用CT專用軟件對分布的缺陷進(jìn)行自動(dòng)識別和幾何尺寸自動(dòng)測量。這里的關(guān)鍵是CT 數(shù)據(jù)和CT 圖片的獲得、軟件對缺陷的自動(dòng)識別和幾何尺寸自動(dòng)測量功能。

        炸藥裝藥缺陷的智能化識別和三維可視化研究中,智能化識別中重點(diǎn)在于智能化即自動(dòng)化識別異常密度區(qū)域,設(shè)想在軟件開發(fā)研究時(shí)考慮對同一批樣品首先獲得無缺陷裝藥CT 數(shù)據(jù)(設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)),輸入軟件系統(tǒng),然后在批量檢測時(shí)進(jìn)行CT 斷層掃描過程中或掃描完成后立即由軟件與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)比較,自動(dòng)判讀,自動(dòng)得出低密度區(qū)域(氣孔缺陷)或高密度區(qū)域(夾雜缺陷)的分布范圍、尺寸大小等結(jié)果,以達(dá)到快速、自動(dòng)、智能識別缺陷。而三維可視化只是一種豐富的顯示效果,使顯示更加明了、形象、直觀。

        4 工業(yè)CT 技術(shù)在軍用裝藥缺陷檢測方面的應(yīng)用展望

        上述設(shè)想的實(shí)現(xiàn)必須采用先進(jìn)的工業(yè)CT 設(shè)備,采用線陣和面陣雙探測器系統(tǒng),面陣探測器進(jìn)行立體快速掃描、線陣探測器完成細(xì)節(jié)檢測,以便較高速度獲得足夠的CT 數(shù)據(jù),從而得到樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)CT 圖、三維顯示立體圖。

        應(yīng)用工業(yè)CT 技術(shù)進(jìn)行智能化識別軍用裝藥缺陷及三維可視化顯示研究,首先是對軍用裝藥缺陷的智能化識別,其表現(xiàn)在CT 圖片的快速獲得、得到每張CT圖片后的快速判讀、區(qū)域范圍內(nèi)的自動(dòng)測量和取值,并與事先設(shè)定好的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)值比較判定缺陷種類、是否合格等;其次是對軍用裝藥的三維可視化顯示和表征,三維可視化表現(xiàn)在系列CT 圖獲得后的三維重建、多方位顯示、多層次顯示、多功能顯示等等,如圖4表現(xiàn)了多方位顯示。

        圖4 炸藥裝藥CT 三維重建立體圖多方位顯示

        應(yīng)用工業(yè)CT 技術(shù)進(jìn)行智能化識別軍用裝藥缺陷及三維可視化顯示研究獲得的是一個(gè)CT 專用軟件,該軟件應(yīng)當(dāng)具有對得到的CT 圖片進(jìn)行快速判讀、定位、尺寸測量、三維重建、三維顯示等功能,其三維顯示體現(xiàn)在對樣品多方位顯示、多層次顯示、個(gè)性顯示等方面,如圖4 表現(xiàn)了多方位顯示,每個(gè)立體圖又是個(gè)性顯示,根據(jù)需要只顯示了裝藥缺陷,也可以只顯示三維立體圖的1/2,1/3,1/4…,以便將內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)分層次顯示,還可以動(dòng)化演示樣品的裝配過程和缺陷成長過程等等。另外,希望達(dá)到通過對打靶回收彈或燃燒試驗(yàn)殘留物密度檢測研究,配合三維可視化技術(shù),研究裝藥內(nèi)部出現(xiàn)的缺陷成長過程、密度變化等,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)裝藥內(nèi)部熱效應(yīng)檢測、分析,利用X 射線工業(yè)CT 揭示隱藏的運(yùn)動(dòng)過程,在軍用裝藥熱效應(yīng)或化學(xué)反應(yīng)等方面取得一定的研究成果。

        雖然采用工業(yè)CT 技術(shù)檢測關(guān)重件軍用裝藥產(chǎn)品質(zhì)量具有非常重要的意義,但是目前還無法做到采用工業(yè)CT 無損技術(shù)100%檢測軍用產(chǎn)品,開展研究和積累工作很有必要,相信隨著軍用裝藥質(zhì)量要求的不斷提高、工業(yè)CT 無損檢測技術(shù)的快速發(fā)展、檢測費(fèi)用不斷降低,將加快軍用裝藥缺陷智能化識別與三維可視化CT 檢測技術(shù)成果的普遍應(yīng)用。

        [1]Ramakrishna G S,Uresh Kumar,Datta S S,et a1. Design and Applications of Computed Industrial Tomographic Imaging System (CTIS) [A]. Proceedings of 14th World Conference on NDTE [C]. 新 德里,印度:1996,293—299.

        [2]葉云長. 計(jì)算機(jī)層析成像檢測[M]. 國防科技工業(yè)無損檢測人員資格鑒定與認(rèn)證培訓(xùn)教材.

        [3]王召巴,金永. 高能X 射線工業(yè)CT 技術(shù)的研究進(jìn)展[J].測試技術(shù)學(xué)報(bào),2002,16 (2):1 -4.

        [4]工業(yè)CT 的應(yīng)用及發(fā)展[M/OL]. [2013 -03 -10]. http://wenku.baidu.com/view/0082d6de6faff00bed51e90.html.

        [5]重慶真測科技股份有限公司.CD 系列工業(yè)CT/DR 系統(tǒng)[M/OL]. [2013 -03 -10]. http://www.cqzhence.com/cn/index.asp.

        [6]王增勇,湯光平. 工業(yè)CT 技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用[J]. 無損檢測,2010,32 (7).

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