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

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(duì)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(píng)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(shí)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(shí)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(shí)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(duì)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(jí)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(duì)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(duì)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(duì)象為人，其檢測對(duì)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(duì)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(duì)檢測對(duì)象的特性進(jìn)行針對(duì)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(tái)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(jí)(主要指450 kV 以下)系列CT 機(jī)和MeV 級(jí)(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(duì)較厚工件或較重元素材料進(jìn)行檢測，對(duì)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(duì)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(duì)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(hào)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(duì)位置的確定;確定物體的密度梯度，評(píng)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(shí)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(shí)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(duì)軍用裝藥進(jìn)行全面檢測，對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)別與三維可視化

對(duì)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(shí)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(duì)分布的缺陷進(jìn)行自動(dòng)識(shí)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(duì)缺陷的自動(dòng)識(shí)別和幾何尺寸自動(dòng)測量功能。

炸藥裝藥缺陷的智能化識(shí)別和三維可視化研究中，智能化識(shí)別中重點(diǎn)在于智能化即自動(dòng)化識(shí)別異常密度區(qū)域，設(shè)想在軟件開發(fā)研究時(shí)考慮對(duì)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(shí)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(shí)別軍用裝藥缺陷及三維可視化顯示研究，首先是對(duì)軍用裝藥缺陷的智能化識(shí)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(duì)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(shí)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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)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).