Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ последних достижений в области разработки рентгенотелевизионных систем для промышленной дефектоскопии и антитеррористической диагностики
1.1 Принципы построения современных ренттенотелеви-зионных систем 9
1.2 Особенности построения и применения рентгеноте-левизионных систем для антитеррористической диагностики 23
1.3 Особенности построения и применения мобильных рентгенотелевизионных систем для промышленной дефектоскопии 29
1.4 Применение методов цифровой обработки изображений в радиационной дефектоскопии 34
1.5 Выводы 39
Глава 2 Разработка физико-математической модели мобильной ренттенотелевизионной системы
2.1. Расчет энергетического спектра за поглотителем 41
2.2 Прохождение ионизирующего излучения через сцин-тилляционные преобразователи 62
2.3 Расчет прохождения рентгеновского излучения через сцинтиллятор 62
2.4 Расчет световых потерь 68
2.5 Анализ результатов расчета 78
2.6 Выводы 86
Глава 3 Формирование информации в приемно-регистрирующем тракте ренттенотелевизионной системы
3.1 Расчет световыхода в сцинтилляторе 87
3.2 Расчет световых потерь в приемно-регистрирующего тракта 92
3.3 Характеристики шумов регистрирующей аппаратуры,. 98
3.4 Оценка разрешающей способности рентгенотелевизи-онного преобразователя 99
3.5 Метод аналитического определения спектра сигнала,... 103
3.6 Математические модели для обработки изображений 108
3.7 Выводы 110
Мобильная рентгенотелевизионная система для промышленной дефектоскопии и антитеррористической диагностики
4Л Разработка поисковой мобильной рентгенотелевизионной системы для контроля ручной клади и забытых предметов 112
4.1.1 Микрофокусный рентгеновский аппарат с малым нергопотреблением 122
4 1,2 Цифровая видеокамера на основе ПЗС-матрицы с высоким разрешением и большим динамическим диапазоном 129
4Л.З Специальное программное обеспечение для обработки и анализа рентгеновских изображений 137
4Л.ЗЛ Алгоритм автоматической адаптации цифровой видеокамеры, в составе рентгенотелевизионной системы 144
4.1.3,2 Описание алгоритма сшивки изображений 147
4.2 Измерение основных характеристик рентгентелевизионных систем 151
4.2Л МРТС с преобразователем на основе поликристаллического экрана 151
4.2.2- МРТС для промышленной дефектоскопии 161
4.3 Выводы 172
Заключение 173
Литература
- Особенности построения и применения рентгеноте-левизионных систем для антитеррористической диагностики
- Прохождение ионизирующего излучения через сцин-тилляционные преобразователи
- Расчет световых потерь в приемно-регистрирующего тракта
- Цифровая видеокамера на основе ПЗС-матрицы с высоким разрешением и большим динамическим диапазоном
Введение к работе
Одним из основных методов контроля качества в промышленности является радиография материалов и изделий. Раднофафическому неразрушающему контроля посвящено большое количество монографий, справочников, статей, докладов на научно-технических конференциях [1-16].Общеизвестные достоинства данного метода - высокая чувствительность и разрешающая способность могут быть использованы в полной мере лишь в стационарных условиях контроля. Но такие ограничения, как необходимость специального помещения к оборудования для обработки рентгеновской пленки, не слишком высокая производительность и субъективность при оценке полученных результатов сужают круг задач, где была бы возможность реализовать вышеуказанные преимущества метода пленочной радиографии.
Наиболее эффективно устраняют указанные недостатки радиографии радиоскопнческие системы, основанные на преобразовании ионизирующего излучения в видимое изображение в реальном масштабе времени. Эти системы реализованы как на преобразователях типа РЭОП, так и на основе систем, состоящих из сцинтилляционных преобразователей с последующей регистрацией светового потока светочувствительными детекторами типа ПЗС матриц, либо твердотельные многоэлементные матрицы [17,18,19] дефектоскопическая чувствительность ряда стационарных радиоскопических систем [20- 23] приближается к чувствительности рентгеновской пленки, что позволяет применять эти системы для контроля отдельных узлов и агрегатов авиационной и космической техники, где требуется проведение контроля с высокой чувствительностью Для промышленной дефектоскопии в полевых условиях созданы мобильные радиоскопнческие системы [22,19,24,25], позволяющие проводить контроль в нестационарных условиях (на трассах трубопроводов, строительных площадках, аэродромах и т.п.)« Как следует из анализа их основных технических параметров диапазон контролируемых толщин для систем данного типа составляет для изделий из стали от 2 до 50 мм, а из алюминия до 150 мм, при этом дефектоскопическая чувствительность соответствует третьему, а в ряде случаев второму классу чувствительности по ГОСТу 7512-82. С расширением магистралей трубопроводов и развитием топливно-энергетического комплекса, повышением требованием к авиационной безопасности существует тенденция к совершенствованию мобильных радиационных средств промышленного контроля в части их требований по назначению, а также эксплуатационных характеристик (энергопотребление, масса-габаритные параметры, климатика и тлі.).
В последнее десятилетие мировое сообщество столкнулось с небывалым ростом терроризма и наркоторговли. Участились случаи использования транспортных средств в качестве оружия, содержащего большие объемы взрывчатых веществ. Многократно возросла опасность крупных террористических актов, объектами которых могут быть предприятия топливно-энергетической и атомной отраслей промышленности, стратегически значимые транспортные магистрали и телекоммуникационные системы, государственные органы. Ведущее место среди широкой номенклатуры антитеррористических средств принадлежит поисковым устройствам» основанным на использовании методов радиационной интроскопии. Высокая информативность, обеспечиваемая радиационными методами, обусловлена возможностью визуализации внутренней структуры контролируемого объекта и идентификации террористических средств с определением их местоположения в объекте контроля. Как следует из практики проведения оперативно-технических мероприятий по борьбе с терроризмом одним из определяющих требований к досмотровым средствам является возможность осуществления контроля в полевых условиях (на улицах города, в помещениях зданий, на контрольно-пропускных пунктах и т.п.). В связи с чем, для ведущих научно-технических организаций стали актуальными задачи по созданию мобильной антитеррористической техники на принципах радиационных методов контроля, внедрение которой повысит техническую оснащенность правооэфанительных органов, и как следствие эффективность борьбы с терроризмом Объект исследования - ренттенотелевизионные системы для контроля внутренней структуры материалов и изделий.
Предмет исследований - установление закономерностей формирования информации в приемно-регистрирующем тракте: источник излучения — контролируемый объект - преобразователь ионизирующего излучения - блок обработки и отображения визуальной информации; применительно к условиям, характерным для выявления локальных неоднородностей в контролируемых объектах в нестационарных и полевых условиях,
С учетом изложенного в настоящей диссертационной работе была поставлена следующая цель - разработка обоснованных научно-технических решений для создания и освоения промышленного производства мобильных рентгенотелевизионных систем (МРТС), оптимизированных по критерию минимизации энергопотребления и масса-габаритным параметрам и обеспечивающих повышенную достоверность контроля при использовании МРТС правоохранительными органами и промышленными предприятиями в нестационарных (полевых) условиях.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1 .Анализ последних достижений в области разработки рентгеноскопических систем для промышленной дефектоскопии и антитеррористической диагностики.
2- Разработка физико-математической модели мобильной ренттено-телевизионной системы контроля и на ее основе оптимизация параметров рентгеновского излучателя и приемно-регистрирующего тракта системы, с учетом особенностей объекта контроля.
3. Разработка методики оценки основных дефектоскопических параметров (чувствительность, пространственное разрешение и контролируемая толщина) МРТС в зависимости от задаваемых требований к эксплуатационным параметрам МРТС (производительность контроля, контролируемая толщина, энергопотребление, масса-габариты)
4. Разработка технических решений по созданию МРТС и его алгоритмического и программного обеспечения»
5. Испытание МРТС для решения задач радиационного контроля в авиационной технике и проведении антитеррористических мероприятий в полевых условиях. Промышленное освоение производства МРТС,
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Получена совокупность математических соотношение определяющих функцию чувствительности рентгенотелевизионных систем применительно к нестационарным и полевым условиям диагностики внутренней структуры объектов в рамках проблемы противодействия террористической деятельности и промышленной диагностики.
2. Разработан алгоритм автоматического выбора экспозиции, обеспечивающей максимум чувствительности метода рентгенотелевизионного контроля путем предварительного анализа изображения, сформированного при малом времени экспозиции.
3. Разработан алгоритм коррекции оптических искажений при синтезе рентгенотелевизионных изображений, формируемых в многокамерных преобразователях ионизирующего излучения.
Практическая значимость.
1, На основе проведенных исследований разработана серия рентгенотелевизионных установок для решения задач антитеррористической диагностики с технико-экономическими показателями, превышающими (у аналоги, что подтверждено сертификационными испытаниями.
2. Разработанные МРТС могут быть использованы для промышленной дефектоскопии, что подтверждено актами внедрения.
Реализация результатов работы.
Под руководством и при непосредственном участии диссертанта создана производственно-технологическая база для изготовления МРТС с объемом выпуска до 150 комплектов в год. Всего к настоящему времени поставлено около 450 МРТС типа «Норка», в том числе 96 комплектов в страны ближнего и дальнего зарубежья. Серийное производство осуществляется по утвержденным нормативными органами техническим условиям и сертифицировано по ИСО 9001. Все вьтускаемые МРТС имеют санитарно-эпидемиологический паспорт Минздрава РФ.
Методология работы основана на использовании положений формирования пучка рентгеновского излучения, его взаимодействия с контролируемым объектом и последующей регистрации- Алгоритмы обработки рентгеноскопической информации основаны на использовании математического аппарата статистического анализа информации и критериев оценки полученных результатов- Измерения основных физических величин и аппроксимация полученных результатов аналитическими зависимостями осуществлялась с погрешностью 3-5%,
Достоверность теоретических результатов находится в достаточной точности для использования их в практических разработках и подтверждено аппаратурной реализацией в установках, внедренных в системах антитеррористической диагностики.
Основные положения и результаты работы докладывались на следующих конференциях: 14-я, 15-я, 16-я и 17-я Российская научно-техническая конференция «Неразрушающий контроль и диагностика» (Москва, 1996г., 1999г., 2002г., Екатеринбург, 2005г.)3 3-я Международная конференция «Диагностика трубопроводов» (Москва, 2001г.) Основные положения диссертации опубликованы в 8 печатных работах.
Особенности построения и применения рентгеноте-левизионных систем для антитеррористической диагностики
При разработке поисковых мобильных устройств (имеется в виду поиск террористических средств), реализующих метод радиационной интроскопии, необходимо выбирать между рентгенотелевизионными и сканирующими системами.
Компромисс между величиной радиационной нагрузки на объект контроля, чувствительностью, разрешающей способностью, контрастом, масса-габаритными и эксплуатационными характеристиками определяет необходимость создания и применения не сканирующих, а именно мобильных рентгенготелевизионных систем для решения антитеррористических задач.
Поисковые средства радиационной интроскопии должны обеспечивать получение максимума информации о внутренней структуре объекта контроля при минимальном уровне радиационной нагрузки, обладать оптимальными соотношениями между весо-габаритными и эксплуатационными характеристиками и отвечать жестким требованиям безопасности работы с ними.
Для выбора технических характеристик поисковых систем необходимо проанализировать объекты, подлежащие контролю, а также материалы, из которых они состоят [17,19], В табл. 1.5 дается перечень объектов контроля и поиска, а в табл. 1.6 приводится диапазон контролируемых материалов и возможные дефекты. Из табл. 1.5 видно, что рентгеновский контроль большинства объектов, подлежащих обследованию, может быть проведен мобильными системами. В данном случае под термином мобильные системы рассматриваются установки,.не содержащие биологической защиты, вес и модульность установки позволяют их перемещать одним или двумя операторами, устанавливать на штативные устройства. Установки данного типа могут работать в различных климатических условиях, иметь систему автоном ного питания; На рис. 1.4 показаны примеры использования мобильных рент-генотелевизионных систем для контроля различных объектов.
Наибольшее распространение в промышленной дефектоскопии получило использование тормозного рентгеновского излучения или гамма излучения радиоактивных изотопов [26] для контроля технических изделий различной сложности.
Принципиально для регистрации ионизирующего, в том числе и тормозного рентгеновского и гамма-излучения, могут использоваться детекторы самого различного устройства, основанные практически на всех известных механизмах взаимодействия излучения с веществом [22]. Однако в радиационной дефектоскопической аппаратуре нашёл применение более узкий класс преобразователей [26,31] В первую очередь это радиографическая плёнка, люминесцентные флуороскопические экраны (в том числе сцинтилляционньте экраны, фото и термостимулируемые преобразователи) и различного рода электронные приборы.
Радиографическая плёнка, являясь старейшим визуализатором рентгеновского изображения, до сих пор по целому ряду параметров, а зачастую и по всей их совокупности остаётся вне конкуренции. Высокое пространственное разрешение плёнок (десятки пар линий на миллиметр) и дефектоскопическая чувствительность (в ряде случаев менее 1%), широкий динамический диапазон, возможность осуществлять накопление сигнала в течение большого времени, достаточная чувствительность к излучению — всё это обеспечивает радиографическому методу перспективы, по крайней мере, на ближайшие десять - двадцать лет.
Однако наличие таких существенных недостатков, как необходимость обработки плёнки в жидких реактивах, невозможность получения изображения в режиме «живого времени», необходимость в точном выборе режимов, сложность дальнейшей компьютерной обработки изображений и т.д. заставляет исследователей всего мира осуществлять постоянный поиск замены радиографической плёнки» Необходимость и актуальность таких работ обусловлена также еще и тем, что, как показывает анализ научно-технических публикаций последних 10 — 15 лет, существенного и принципиального обновления ассортимента плёнок не происходит. По всей видимости, характеристики плёнок достигли своего предела, и существенных их изменений в ближайшие годы не предвидится.
Окончательно избавиться от перечисленных недостатков, связанных с неудобством получения и обработки изображения, представлялось возможным с помощью систем радиационной дефектоскопии, использующих аналоговые телевизионные камеры различных типов [22]. С их помощью изображение обследуемого объекта получается в виде, удобном для визуального анализа оператором. Легко может быть реализован режим оцифровки изображения с целью его дальнейшей обработки на ЭВМ. Предоставляется также возможность исследований динамических процессов и т.п. Вместе с тем, телевизионные интроскопы первых поколений [22] обладали наряду с достоинствами и недостатками.
Прохождение ионизирующего излучения через сцин-тилляционные преобразователи
Трудности аналитического расчета характеристик распределения радиационных полей в различных материалах вызывают необходимость использования численных методов расчета указанных характеристик. Как было ранее показано, наибольшее распространение среди них получил метод Монте-Карло, который позволяет решать задачи переноса излучения в различной геометрии, с учетом всех взаимодействий гамма-квантов с веществом [44,45].
Расчеты пространственного изображения дефектов проводились по классической программе метода Монте-Карло.
Траектории фотонов в описываемой программе строятся прямым аналоговым моделированием. Случайный пробег фотона между двумя последовательными столкновениями разыгрывается по формуле: ВД = -1п(є)/с() (2.5) где о() - полное сечение взаимодействия для фотонов с энергией Е. №)=оф(Я)+а (Я)+ав№) И»] где $ЛЕ)- сечение фотоэффекта; Ф, () — сечение эффекта Комптона; и()- сечение образования электронно-позитронной пары. Полные сечения для всех процессов взаимодействия фотонов взяты из работы [40]. Ввиду того, что энергия фотонов у нас не превышает 0,5 мэВ, то вероятность эффекта образования пар отсутствует.
Розыгрыш энергий и углов вылета вторичных частиц, образующихся в результате взаимодействия фотонов с атомами вещества, осуществляется в соответствии с дифференциальными сечениями этих столкновений, приведенными в литературе [48]. Для моделирования энергии фотона после комптоновского рассеяния используется известный алгоритм Кана [40].
Энергия направления движения электронов отдачи определяется из законов сохранения энергии и импульса. Энергия испускаемого при фотоэффекте электрона Я равна: где Rf - энергия фотона; fVy—энергия связи электрона на -оболочке атомов. Если E Wj то учитывалась возможность фотоэффекта на і-оболочке. Угловое распределение фотоэлектронов разыгрывается из распределения Заустера [43]. В рассматриваемом случае распределение вторичных частиц по азимутальному углу является равномерным. Направление движения и энергия фотонов между двумя последовательными столкновениями не меняется, а декартовые координаты следующего столкновения (гН) определяются из выражения: где Qi - направление вылета фотона из точки предыдущего і-го столкновения; S - длина пути между столкновениями.
По сравнению с аналоговым построением траектории фотонов, когда учитывается каждое столкновение, такое непосредственное моделирование всех столкновений для электронов и позитронов возможно лишь для тонких поглотителей и небольших перепадов по энергии, т.к. пробеги этих частиц сопровождаются, в основном, малыми потерями энергии. Поэтому количество столкновений, которое испытывает электрон даже небольшой энергии до заметного уменьшения своей начальной энергии столь велико, что их прямое моделирование на ЭВМ невозможно.
Эту трудность преодолевают, применяя различные методы группировки столкновений, когда часть или все столкновения электронов группируются, а фазовые координаты электронов разыгрываются после прохождения некоторого отрезка пути S из соответствующих теорий многократного рассеяния.
Расчет световых потерь в приемно-регистрирующего тракта
Рукописные индексы представляют дискретные двумерные Фурье-образы соответствующих величин, величина «А» сверху означает восстановленное изображение [36,38].
Недостаток предлагаемого в литературе [38] метода Винера состоит в том, что кроме функции рассеяния нужно знать и характеристики шума и изображения, величина и характер которых вычислены нами приближенно.
При оценке по методу наименьших квадратов знания соответствия между измеряемыми величинами не требуется [38] Эта оценка получается в результате минимизации вероятности отношения сигнал/шум.
Эти два метода приведены только в качестве примера решения проблемы. В связи с разнообразием методов восстановления возникает вопрос: как их сравнить и какой из них лучше? Качество восстановленного изображения определяют факторы: отношение сигнал/шум, форма и ширина точечной функции рассеяния, корреляционные свойства изображения и шума, критерии оптимальности восстановления, объем и характер имеющейся априорной информации [37,46].
Если отношение сигнал/шум велико, все методы обнаружения равноценны и сводятся к обратной фильтрации. Белый шум создает одинаковые трудности для всех методов- В этих условиях небольшое дополнение априорной информации об изображении - оригинале может принести значительную пользу. В наших условиях доподлинно известно, что сигнал от дефекта имеет конечные размеры, как по длительности, так и по амплитуде.
Дополнительной априорной информации об изображении при использовании методов частотной экстраполяции изображения с ограниченной полосой посвящен следующий раздел,
Апостериорная обработка информации может точно указать протяженность восстанавливаемого сигнала, т.е. будет известно, что функция Ffxty) определена на конечном интервале, например, (-а, а), а вне этого интервала F(x4 у) тождественно равна нулю. Это означает, что множество входных сигналов ограничено классом известных функций.
Сигнал от дефекта F(y) можно считать кусочно-непрерывной и интегрируемой в промежутке от -а до а функцией, поэтому спектр ее является аналитической функцией- Это видно из теоремы Винера-Пэли, согласно которой Фурье-образ функции F(y) может быть продолжен на всю плоскость. Таким образом, Фурье-образ функции, известный в некоторой области, может быть экстраполирован на всю область исходных значений.
Все это говорит о том, что если некоторый кусочно-непрерывный сигнал конечен, то его спектр «гладкий» и потому при абсолютно точных измерениях может быть единственным образом экстраполирован сколь угодно далеко за пределы полосы пропускания прибора. В результате появляется возможность (по крайней мере, теоретическая) достижения сколь угодно большой разрешающей способности.
Теорема Винера-Пэли по существу показывает природу производных от Фурье-образа функции, которая должна иметь конечные значения производных в любой точке.
Вследствие некорректности задачи такое решение будет неустойчивым, если не принять специальных мер, таких, как ограничение числа членов в Фурье-образе, например, введение в это разложение весовых коэффициентов и т.д. Возникающая ситуация не отличается от рассмотренной ранее при анализе общих путей борьбы с помехами.
Известные методы аналитического исследования спектра основаны на разложении анализируемых функций в различные функциональные ряды [38, 59].
Возможные преобразования исходной информации в компьютере можно представить как эквивалентное математическое описание работы системы контроля в следующих вариантах:
Цифровая видеокамера на основе ПЗС-матрицы с высоким разрешением и большим динамическим диапазоном
Цифровая видеокамера предназначена для получения и предобработка рентгеновских изображений и оптимизирована для работы в составе рентгеновских комплексов. Рассмотрим работу цифровой камеры в составе рентгеновского комплекса. Структурная схема мобильного рентгенотелевизионного комплекса приведена на рис. 4.13,
Типичный рентгенотелевизионный комплекс состоит из 3-х узлов: - 1 - рентгеновский излучатель; - 2 - рентгенооптический преобразователь с видеокамерой; - 3 - модуль управления обработки, накопления и визуализации.
Оператор осуществляет взаимодействие с комплексом посредством модуля управления, который должен находиться на достаточном расстоянии от излучателя (не менее 15 м), если не предусмотрено полной биологической защиты. Наряду с этим дозовую нагрузку на оператора возможно снизить путем уменьшения времени работы аппарата.
Алгоритм работы комплекса после нажатия на кнопку ПУСК следующий [62-64]: - на рентгеновский излучатель подается команда включения; - далее необходимо выдержать некоторое время (примерно 2 сек), необходимое для выхода излучателя на режим, В течение этого времени камера может проводить подготовку экспозиции (очистить приемный буфер, установить режим работы АЦП, произвести регенерацию светочувствительного слоя ПЗС матрицы и т.д.); - затем начинается экспозиция; время экспозиции определяется настройками камеры и возможностью непрерывной работы рентгеновского аппарата; - по окончании экспозиции аппарат выключается, данные подвергаются предварительной обработке с последующей передачей в персональный компьютер.
В случае непрерывного потока кадров (режим окивого видео»), пункт 2 можно исключить, но аппарат не должен выключаться после окончания очередной экспозиции При серийной съемке объектов с разной плотностью или если сложно предсказать оптимальную экспозицию, применяется функция автоматической адаптации [65-68], При включении режима автоматической адаптации, время экспозиции увеличивается примерно на 0.5 - 1 сек. Это связано с необходимостью получения начальных данных для предсказания, но в этом случае оператор имеет возможность получать оптимальные результаты для каждой экспозиции, не прибегая к пробным снимкам. Функция работает следующим образом: сначала производится пробная экспозиция (от 0.5 до 1 сек), затем диаграмма распределения яркостей изображения (гистограмма) подвергается анализу- По результатам анализа производится основная экспозиция.
Для увеличения чувствительности камеры используется метод объединения соседних пикселей (биннинг). При этом чувствительность возрастает, а разрешение падает пропорционально количеству объединенных пикселей. Во столько же раз уменьшается поток, передаваемый в персональный компьютер.
Например, производим объединение 16 пикселей в формате 4x4. Тогда, разрешение по вертикали и горизонтали уменьшатся в 4 раза соответственно, чувствительность возрастет в 16 раз, а размер данных уменьшится в 16 раз. Следовательно, существенно возрастает частота обновления кадров в режиме «живого видео», которая в большинстве случаев будет определяться временем экспозиции.
Данная процедура производится аппаратно и не вносит дополнительных задержек,
К узлам, работающим в составе подобных комплексов, предъявляются особые требования, связанные со следующими факторами: - возможность работы в широком диапазоне температур при повышенной влажности, В идеале, данная характеристика должна удовлетворять требованиям военной приемки; - высокий уровень электромагнитных помех (особенно характерных для промышленных применений), которые могут распространяться как по проводам питания и сигнальным линиям, так и по эфиру; - сложная радиационная обстановка, обусловленная спецификой работы самих комплексов.
Кроме того, видеокамеры для рентгенотелевизионных систем должны обладать рядом свойств, которые не актуальны для бытовых и промышленных систем, не связанных с рентгеновским излучением:
