無損檢測技術中的數字圖像處理的理論與方法研究

王海波，張 麗

世界各國對核電無損評價都非常重視.如今在國內，以中核集團核動力運行研究所為代表的許許多多相關的研究院所和大學在核電無損檢測方面取得了很多進步，保證了中國核電多年來的安全運行［1-3］.在第四代核電技術的設計、試驗、建設等方面，目前的檢測標準、檢測驗證體系及關鍵檢測設備和技術主要都是從國外引進的［4］.因此，開展系統的核電聲學無損評價的基礎研究，開發具有自主知識產權的無損評價系統，建立我國自主的評價標準與檢驗驗證體系等一系列工作變得越來越重要，相關的研究迫在眉睫.

隨著現有的科學與工程技術水平的不斷提高以及發展進程的不斷加快，無損檢測技術越來越受到工業界和科研部門的關注，無論是在產品質量的控制方面，還是部件的檢測與維護中，無損檢測技術均具有不可替代的重要作用，丙炔的引入使得無損檢測技術在檢查設備方面也會發揮著重要作用［5-6］，其中，鈉冷快堆液態金屬鈉管道腐蝕監測就是一個重要應用領域，目前，國內相關研究仍然較少，我們擬對此開展聲學無損評價的基礎理論研究，探索一種有效的聲學檢測手段.通過管道腐蝕缺陷和液態金屬流動模態之間的相互關系，研究液態金屬和固態金屬管道之間的聲耦合和傳播理論，發展一種管道腐蝕的檢測方法.同時，采用聲學成像理論對管道內壁腐蝕狀況進行成像研究，分析管道中流動的高溫液態金屬與成像分辨率的影響關系，得到管道內壁腐蝕狀態的清晰圖像.因此，本研究對于確保鈉冷快堆液態金屬鈉管道的完整性具有重要的意義［7-8］.

1 無損檢測技術概述

為了測定被檢測對象的內部構建、幾何關系、物理性質與組織狀態以及各種缺陷缺損情況，我們需要以不破壞被檢測材料、零部件以及設備的性能和完整為前提下，應用一定的分析方法和檢測技術，按照一定的評價標準對其做出評價的過程，這就是無損檢測（Nondestructive testing，NDT）.其發展過程分以下三個階段:

（1）無 損 探 傷（Nondestructive Inspection，NDI）階段.

（2）無損檢測（Nondestructive testing，NDT）階段.

（3）無 損 評 價（Nondestructive Evaluation，NDE）階段.

這是由原來的探傷到現在對產品缺陷類型、形狀、尺寸等的認知要求［9］.

此外，無損檢測還有下述優點:

（1）非破壞性.無損檢測的非破壞性是指在不破壞被測物體的前提下，對物體的內部結構進行探測.物品在經過無損檢測以后對其無任何損壞，可以繼續被利用.因此，無損檢測在非破壞性的方面優勢明顯.

（2）全面性.由于無損檢測具有很好的非破壞性，因此可在必要的情況下，對被測物體進行完全的檢測，可以全面地探測被測物體的內部結構信息，獲取信息比較全面、真實.

（3）全程性.一般的檢測（如破壞性檢測）在正常情況下只能運用于對原材料的檢測，但是如果是已經完成的成品以及正在使用的物品，則不可能進行檢測.否則被破壞的物品因為破壞性檢測而報廢，除非該物件已經報廢或者已經不能正常工作.而無損檢測在檢測物品之后，物品沒有被損壞，可以繼續使用，所以無損檢測可以檢測原材料、成品、正在使用的物品等所有的材料，一般沒有什么限制.

2 無損檢測的研究內容

無損檢測是利用聲、光、電、熱、磁和射線等與被測物質的相互作用，在不損害被檢驗對象的內外部結構和使用性能的前提下，對工業生產中工程零部件、材料、結構件等進行有效地檢驗和測試，包括超聲檢測法中的圖像處理，射線檢測法中的圖像處理，磁粉檢測法中的圖像處理以及滲透檢測法中的圖像處理.

針對鈉冷快堆中輸送液態金屬鈉管道的管道腐蝕問題，建立物理模型，研究聲波在這種特定條件下的激發、傳播和散射機制，尤其是研究漏泄聲導波的激發、傳播和散射機制.以矩形齒狀表面為切入點，對復雜形狀表面的波導問題進行數值模擬研究.同時，通過數值模擬研究液態金屬流動模態和管道腐蝕缺陷之間的相互關系，研究液態金屬和固態金屬管道之間的聲耦合和傳播理論.結合數值仿真和虛擬檢測研究，發展聲學成像和定量評價的理論，探索一種聲學檢測手段，發展一種管道腐蝕的檢測方法.在這些研究的基礎上，爭取形成一種能夠有效地監測鈉冷快堆液態金屬鈉管道腐蝕的聲學成像檢測手段.具體包括以下幾項內容:

（1）針對核電中的鐵素體鋼、低合金鋼、奧氏體鋼這幾種材料，以及新材料納米氧化物彌散加強材料等，通過理論和實驗研究，研究在鈉冷快堆條件下材料彈性模量變化的規律和應力應變本構關系.

（2）通過數值模擬、半解析方法研究液態金屬和固態金屬管道之間的聲耦合和傳播理論.在該條件下的漏泄聲導波的激發、傳播和散射的基本理論.

（3）探索應用超聲相控陣與綜合孔徑聚焦成像集成技術檢測方法的可能性.

（4）積極了解鈉冷快堆試驗的進展，開展有限的模擬實驗研究.

（5）搜索跟蹤國內的同類工作，并開展合作.

對于鈉冷快堆液態金屬鈉管道腐蝕監測本文從聲學的角度探索一種檢測手段.在基礎理論和應用技術方面有一系列關鍵問題需要解決.最基本的有以下幾點:

（1）核電極端條件下材料的應力應變本構關系.在核輻照作用下，材料處于高溫狀態，材料的彈性模量等物理常數會發生很大變化，而且這些變化隨時間改變.認識這些規律是聲學檢測的基礎.

（2）液態金屬鈉輸送管道中聲波的激發機理和傳播散射規律.由于材料性質和管道結構的復雜性，使以上這些規律變得非常復雜.同時，換能器材料的性質也會大大改變.認識這些規律是聲學檢測方法的基礎，同時也是采集和分析檢測數據需要考慮的重要方面.

（3）檢測換能器的安放和數據采集，常常會受到狹小環境空間的限制.靈活應用超聲相控陣技術，并對綜合孔徑聚焦成像技術加以修正改進，對兩者的長處集成，有可能補充超聲成像所必需的數據.

3 系統設計及圖像數字化

在本課題研究的脈沖反射法超聲無損檢測中，超聲無損檢測系統由高頻超聲探頭，超聲脈沖發生/接收卡，PC機等組成，其系統原理框圖如圖1所示.高頻超聲探頭在超聲波脈沖發生/接收卡向其發射高頻脈沖的情況下受到脈沖的激勵而發出超聲波，再通過耦合劑進入到被測對象中，同時接收超聲回波信號，經超聲脈沖發生/接收卡實現信號的數字化轉換再傳輸至PC機，PC機再對信號進行必要的處理、分析、顯示與存儲處理.

圖1 超聲無損檢測系統原理框圖

通過理論模型的建構和數據的分析，該系統具有以下功能:

（1）建立核電極端條件下輸送液態金屬管道的聲傳播理論.通過針對核電中現在常用的材料和研究開發中的新材料聲學特性的研究，本質上揭示聲波在核電站液態金屬鈉輸送管道中傳播的內在物理現象和聲學規律.

（2）形成分析計算液態金屬和固態金屬管道之間漏泄聲導波的數值模擬方法和軟件.該軟件應用半解析方法，可計算漏泄聲導波的激發、傳播.

（3）對于液態金屬鈉管道的管道腐蝕問題，應用縱波、橫波和導波檢測的結果給出比較和評價.爭取形成一個虛擬檢測仿真軟件系統.

4 圖像處理

將待處理的圖像運用數字化該變成為電腦可以接受格式，之后再應用MATLAB軟件來分析以及處理圖像.圖像處理和分析過程主要三個部分組成，分別是采樣、量化與壓縮編碼.

4.1 采樣

采樣的本質就是運用許多的點來描述圖片，其結果的好壞可以用圖片分辨率來評價.一般來說，在兩個維度的空間上連續的圖片在水平和豎直的兩個方向上等距離地分離成方形網狀的結構，變成細小的格子，將這些細小的格子稱之為像素點.一張圖片會被采樣為大量的像素點所組成的一個集合.每一秒鐘之中采樣的次數被稱為采樣頻率，間隔的大小就是采樣點之間的大小.采樣的頻率越高，所采集到的圖片的樣本越真實，圖片成像的質量就會越高，此時，圖片的存儲量較大.

4.2 量化

用數值量化的程度來表示每個采樣點的圖像，量化的結果要適應圖像的整體顏色，它反映了采樣的質量.例如:如果4位存儲在一個點上，圖像可以有16個顏色，如果你使用了16位內存，216=65536顏色.所以，量化位數越大，圖像的自然顏色越多，可以產生更多的圖像細節，缺點是會占據更多的存儲空間，還存在視覺效應與存儲空間的基本問題.灰色和白色的照片，因為它在垂直方向的灰度變化是連續的，可以考慮有數以百萬計的像素，任何一點的價值可以從黑色到白色有無限的能量值.通過模擬圖像像素沿水平方向和垂直方向和采樣間隔被分解成近似有限，像素的灰度值的每個像素表示（亮度）要量化的價值.通過一個空間的有限的離散像素的性能分布，被采樣和量化的值的離散值的性能可以被稱為數字圖像.只要水平和垂直采樣點足夠，量化位的數目就足夠大，數字圖像的質量也不遜于原來的模擬圖像.確定量化的離散值的數目被稱為量化.對于二進制數字顏色值（或亮度值）量化表示，量化字長度，一般可用8位和16位，24位或更高的量化字長度來表示圖像的顏色；量化字長度是，能真正反映原始圖像的顏色，但數字圖像的能力較大.例如:曲線沿直線的灰度值的圖像，最大值，最小值.先采樣:沿線段AB等間隔進行采樣，取樣值在灰度值上是連續分布的；再進行量化:將連續的灰度值再進行數字化（8個級別的灰度級標尺）.

4.3 壓縮編碼

數字化后得到的圖像數據量十分巨大，必須采用編碼技術來壓縮其信息量.在一定意義上講，編碼壓縮技術是實現圖像傳輸與儲存的關鍵.本研究采用無損壓縮編碼的方式對數字化后圖像進行編碼壓縮處理，通過小波變換、編碼、壓縮過程實現對圖像多余數據的處理，盡量將圖像涉及的數據減少，同時還能保證圖像的保真性.這一過程是可逆的，即可以將壓縮后的數據恢復成原來的圖像，防止圖像丟失難以找回.如對于分辨率為256*256的圖像，經過第一次壓縮后圖像分辨率變為135*135，此次壓縮分解的是第一層低頻信息，壓縮效果非常好，第二次壓縮后圖像的分辨率降為75*75，此次壓縮選取的是低頻部分中的低頻信息，壓縮就比較大，通常情況下，圖像的低頻部分是最主要部分，小波分解的方式正好是主要保留低頻部分，去掉高頻部分，盡量不讓圖像失真，確保圖像信息的真實性.

5 結論

圖像的數字化過程主要三個部分組成，分別是采樣、量化與編碼.為了工作需要，通常要將數據改成圖像，進而用來進一步的分析.在此過程中，圖像處理技術具有重要作用.如今計算機圖像處理技術已經廣泛地應用于生活中的許多領域之中，并取得的許多較大的近展，得到較好的圖像處理效果.無損檢測是在不破壞被測物體的同時對物體內部進行檢測，通過實時成像采集圖像，并且運用圖像處理技術，來優化圖像質量.本文就無損檢測技術中的數字圖像處理的理論與方法進行了研究，希望為無損檢測技術的革新提供一點理論參考.

20世紀電子科技的迅猛發展對電子圖像產生了巨大的推動性作用，并使其經歷了從“具體圖像”“磁帶圖像”到“計算機圖像”三個階段.通過對電子圖像作品進行編寫，透視出當代電子圖像作品制作技術演進的結果是越來越趨于“計算機”化，相信計算機圖像的未來一定是美好的.