應用工業(yè)CT 技術智能識別和三維顯示炸藥裝藥缺陷的設想

高玉玲，馬燕，劉艷萍，張峰，張晶，胡東常

(西安近代化學研究所 十一部，陜西 西安710065)

0 引言

工業(yè)CT 是工業(yè)用計算機斷層成像技術的簡稱，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，被譽為當今最佳無損檢測和無損評估技術。工業(yè)CT 技術涉及了核物理學、微電子學、光電子技術、儀器儀表、精密機械與控制、計算機圖像處理與模式識別等多學科領域，是一個技術密集型的高科技產(chǎn)品。X 射線ICT 被稱為近25 年中十大最重要的技術進步之一［1］。

在進行軍用裝藥缺陷智能化識別及三維可視化研究課題中，設想應用工業(yè)CT 技術達到軍用裝藥內(nèi)部缺陷的自動、快速識別和判斷，并達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行空間定位。CT 技術則克服了這個局限，靈敏度比射線照相高出一、兩個數(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，由計算機對采集的數(shù)據(jù)進行圖像重建，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:

當射線穿過均勻物質(zhì)時

當射線穿過非均勻物質(zhì)時

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度(即經(jīng)被檢測物衰減后探測到的計數(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);I0為射線入射端初始強度(射線在空氣中探測器測到的原始計數(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)、機械掃描運動系統(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)展狀況

2.1 國內(nèi)外工業(yè)CT 設備發(fā)展介紹

基于醫(yī)用CT 技術基礎，從上世紀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技術迅速發(fā)展［3］。工業(yè)CT 技術雖然與醫(yī)學CT 技術原理相同，但醫(yī)學CT 的檢測對象為人，其檢測對象具有單一性和確定性特點。而工業(yè)CT 系統(tǒng)應用在工業(yè)領域，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行針對性設計，以滿足檢測要求，達到最優(yōu)的檢測和分析效果。

我國的工業(yè)CT 技術發(fā)展始于上世紀90 年代初期。各大高校和基礎科學的研究院所相繼投入精力進行工業(yè)CT 硬件和仿真系統(tǒng)開發(fā)的研究工作，同時，在許多應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 機后，極大地推動了我國在工業(yè)CT技術上的研究和發(fā)展。且我國自主開發(fā)的產(chǎn)品與國外同類產(chǎn)品相比，具有性價比更高的特點。比如中國工程物理研究院應用電子學研究所研制出的我國首套高精度工業(yè)CT，已完全達到國際先進水平，相比國際上所推出的低能工業(yè)CT 高達100 多萬美元的價格，價格僅為其三分之一左右，主要應用于工程物理研究院內(nèi)部［3］。

目前國內(nèi)外已經(jīng)達到kV 級(主要指450 kV 以下)系列CT 機和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)品性能指標比較［5－6］。

表1 國內(nèi)外典型公司同類產(chǎn)品性能指標比

2.2 工業(yè)CT 技術的研究狀況

工業(yè)CT 技術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、航天等大型動力設備的關鍵技術之一;軟件技術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)進行三維重建稱為真三維重建技術;另一類是將多幅二維CT 圖像疊堆出樣品的三維圖像，這實際上是一種顯示技術。

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)，這對三維顯示技術無疑提供了十分有利的條件［6］。

3 工業(yè)CT 技術應用

3.1 工業(yè)CT 技術應用領域［4］

工業(yè)CT 廣泛應用在汽車、材料、航天、航空、軍工、國防等產(chǎn)業(yè)領域，為檢測航天運載火箭及飛船航空發(fā)動機、大型武器的檢測、地質(zhì)結(jié)構(gòu)的分析以及機械產(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鍵部件的質(zhì)量檢測等等。

3.2 工業(yè)CT 技術應用特點［4］

工業(yè)CT 技術應用的特點主要有:定量、定位檢測;具有高的密度分辨力;探測信號的動態(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，評價均勻性;定量分析;動態(tài)在線檢測。

3.4 工業(yè)CT 技術應用設想

根據(jù)目前火炸藥裝藥技術發(fā)展與實際科研生產(chǎn)應用實際，同時結(jié)合工業(yè)CT 特點等，把工業(yè)CT 技術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)實作用。下面是研究的初步設想。

利用工業(yè)CT 技術，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，將各種可能導致彈藥失能、失效、使用不安全的物理缺陷自動、快速、高效檢測與識別是研究目標。

3.4.1 軍用裝藥中裝藥缺陷分布

軍用裝藥過程中會出現(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。能夠準確、及時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 設想實現(xiàn)后的應用效果

工業(yè)CT 技術在武器彈藥質(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。

設想是:結(jié)合在線檢測對軍用裝藥進行全面檢測，對發(fā)現(xiàn)極限缺陷產(chǎn)品送入工業(yè)CT 檢測工序，進行系列CT 層掃描，得到檢測樣品系列二維CT 圖，并進一步重建三維CT 圖，或者對檢測樣品進行整體DR 照射，得到檢測樣品系列DR 圖，進一步形成系列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行檢測，無損、準確、真實的得到測量結(jié)果，服務于軍用火炸藥裝藥科研、生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量判斷，及時、準確反映裝配問題，以便及時解決實際問題。

為實現(xiàn)這一工業(yè)CT 無損檢測需求，要求配備在線檢測手段，或者至少配備先進高精度工業(yè)CT 機，應當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化掃描檢測。

1)機械零部件的實物圖與工業(yè)CT 三維重建圖

首先，對大家熟悉的汽車油缸機械零部件進行了大量的工業(yè)CT 逐層掃描，得到一系列對應的CT 圖片，利用CT 系統(tǒng)現(xiàn)有的三維重建方法進行三維重建，得到該機械零部件的三維立體圖。如圖2，同時還可以根據(jù)需要對已經(jīng)獲得三維CT 圖的汽車油缸機械零部件進行多方位、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 專用軟件就關心的裝藥缺陷獨立、三維、可視化顯示。

圖3

圖3 中標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行自動識別和幾何尺寸自動測量。這里的關鍵是CT 數(shù)據(jù)和CT 圖片的獲得、軟件對缺陷的自動識別和幾何尺寸自動測量功能。

炸藥裝藥缺陷的智能化識別和三維可視化研究中，智能化識別中重點在于智能化即自動化識別異常密度區(qū)域，設想在軟件開發(fā)研究時考慮對同一批樣品首先獲得無缺陷裝藥CT 數(shù)據(jù)(設為標準數(shù)據(jù))，輸入軟件系統(tǒng)，然后在批量檢測時進行CT 斷層掃描過程中或掃描完成后立即由軟件與標準數(shù)據(jù)比較，自動判讀，自動得出低密度區(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，以達到快速、自動、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 技術在軍用裝藥缺陷檢測方面的應用展望

上述設想的實現(xiàn)必須采用先進的工業(yè)CT 設備，采用線陣和面陣雙探測器系統(tǒng)，面陣探測器進行立體快速掃描、線陣探測器完成細節(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。

應用工業(yè)CT 技術進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)的自動測量和取值，并與事先設定好的標準數(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

應用工業(yè)CT 技術進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CT 專用軟件，該軟件應當具有對得到的CT 圖片進行快速判讀、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、個性顯示等方面，如圖4 表現(xiàn)了多方位顯示，每個立體圖又是個性顯示，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，還可以動化演示樣品的裝配過程和缺陷成長過程等等。另外，希望達到通過對打靶回收彈或燃燒試驗殘留物密度檢測研究，配合三維可視化技術，研究裝藥內(nèi)部出現(xiàn)的缺陷成長過程、密度變化等，進而實現(xiàn)裝藥內(nèi)部熱效應檢測、分析，利用X 射線工業(yè)CT 揭示隱藏的運動過程，在軍用裝藥熱效應或化學反應等方面取得一定的研究成果。

雖然采用工業(yè)CT 技術檢測關重件軍用裝藥產(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 無損檢測技術的快速發(fā)展、檢測費用不斷降低，將加快軍用裝藥缺陷智能化識別與三維可視化CT 檢測技術成果的普遍應用。

［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. 計算機層析成像檢測［M］. 國防科技工業(yè)無損檢測人員資格鑒定與認證培訓教材.

［3］王召巴，金永. 高能X 射線工業(yè)CT 技術的研究進展［J］.測試技術學報，2002，16 (2):1 －4.

［4］工業(yè)CT 的應用及發(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 技術進展及應用［J］. 無損檢測，2010，32 (7).