Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Задачи и проблемы технического контроля. анализ состояния вопроса L5
1.1 Задачи промышленности и проблемы технического контроля изделий 15
1.2 Выбор метода скоростного контроля изделий при динамических испытаниях
1.3 Математическая модель процесса формирования изображения при рентгенотелевизионном контроле
1.4 Оптимальная видеоинформационная система рентгенотелеви-зионного контроля
1.5 Дискретизация наблюдаемого изображения при оцифровке
1.6 Исходное изображение 31
1.7 Ансамбль исходных изображений 32
1.8 Функция потерь получателя 34
1.9 Восстановление исходного изображения минимизацией сред-неквадратического отклонения
Выводы по главе 1 38
ГЛАВА 2 CLASS Классификация звеньев метода рентгенотеле-визионного контроля в процессе формирования выходного изображения и вносимых по грешностях 40 CLASS
2.1 Постановка задачи 40
2.2 Классификация искажений видеоинформационной системы рентгенотелевизионного контроля
2.3 Процессы взаимодействия рентгеновского и гамма - излучений с веществом
2.4 Влияние конечного размера источника излучения на искажения наблюдаемой внутренней структуры изделия 47
2.5 Многократное рассеяние и уравнение переноса 51
2.6 Влияние конечного размера локальной внутренней структуры изделия на процесс формирования изображения 56
2.7 Влияние экрана-преобразователя 57
2.8 Искажения оптической системы 58
2.9 Влияние электронных компонент телевизионного тракта и передающей трубки 62
2.10 Точностные характеристики анализирующих устройств рентгенотелевизионного метода контроля 63
Выводы по главе 2 65
ГЛАВА 3 Практическая реализация цифровой коррекции геометрических и шумовых искажений рентгенотелевизионного метода контроля 66
3.1 Постановка задачи коррекции геометрических искажений рентгенотелевизионного метода контроля 66
3.2 Постановка задачи реперной компенсации 67
3.3 Модель изображения 69
3.4 Алгоритм восстановления исходного изображения 70
3.5 Выбор интерполяционной формулы 71
3.6 Алгебраические аспекты метода обратного проецирования 73
3.7 Глобальные искажения изображения 76
3.8 Постановка задачи ракурсных искажений 76
3.9 Математическая модель ракурсных искажений 77
3.10 Искажения центрального проецирования 79
3.11 Выбор аппаратной части прибора, обзор технических средств, выбор прототипа 80
3.12 Требования к программному обеспечению прибора 85
3.13 Описание программного обеспечения прибора" 86
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 91
ГЛАВА 4 Результаты внедрения метода и прибора рентгенотелевизионного контроля изделий 92
4.1 Конструктивная реализация прибора «2
4.2 Практические результаты коррекции геометрических искажений изображения на натурных объектах 93
4.3 Оценка точностных характеристик прибора
4.4 Шумовые искажения выходных изображений метода рентгенотелевизионного контроля
4.5 Фильтрация шумовых искажений выходных изображений рентгенотелевизионного метода контроля
4.6 Оценка чувствительности и погрешности при цифровой коррекции результатов рентгенотелевизионного метода контроля 107
4.7 Исходные данные для тестирования метода и прибора. 109
4.8 Результаты цифровой коррекции 114
4.9 Эксплуатационные характеристики прибора рентгенотелеви-
зионного контроля 114
Выводы по главе 4 120
Заключение
- Выбор метода скоростного контроля изделий при динамических испытаниях
- Классификация искажений видеоинформационной системы рентгенотелевизионного контроля
- Алгоритм восстановления исходного изображения
- Шумовые искажения выходных изображений метода рентгенотелевизионного контроля
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Современная промышленность характеризуется сосредоточением огромных материально-технических средств и научных достижений в одном изделии, эффективность которого, в значительной степени, определяется качеством комплектующих деталей и материалов. Проблема повышения качества комплектующих материалов связана с актуальной задачей контроля и количественного оценивания параметров при выборочных испытаниях модельных и натурных изделий.
В химическом производстве к таким изделиям относятся крупногабаритные промышленные изделия из высокоэнергетических материалов на основе порохов, например генераторы газа, давления. Особенность их контроля заключается в том, что они имеют значительные габариты до десятков метров, а время испытания - процесс горения от 0,1 сек. до нескольких минут при значительных температурах, вибрациях и давлении, что определяет динамику испытаний. Эти особенности формулируют специфические задачи контроля.
Решение задачи получения наиболее полной информации непосредственно из внутренних областей изучаемых или контролируемых изделий и сред осуществляется различными методами неразрушающего контроля. Анализ существующих в настоящее время методов контроля показывает, что для контроля изделий в процессе испытаний, определяемых временем от 0,1 сек. до нескольких минут наиболее эффективно используется метод рентгенотелевизи-онного контроля (РТК) [1,2,3,4,5] со стандартным телевизионным оборудованием.
Рентгенотелевизионный контроль, как метод неразрушающего контроля, основан на принципах классической радиографии. Он позволяет получить теневое изображение исследуемого изделия, используя различные виды проникающих излучений, и, в силу этого, решает большой спектр прикладных задач от медицинской диагностики до технического контроля. Представление сигнала измерительной информации в виде изображения, представляет оператору в
естественном виде и реальном времени контролируемое изделие. Во многих случаях, оказывается, достаточно такого простого анализа теневого изображения, полученного недорогим методом контроля.
Информационная способность средств рентгенотелевизионного контроля определяется многими факторами, формирующими данный тип контроля. Такими факторами являются условия формирования изображения на выходном приборе из первичного потока излучения. Эти условия определяются передаточными характеристиками звеньев приборов метода РТК. К ним относятся [6]:
физическая природа проникающего излучения (входного поля);
механизм взаимодействия проникающего излучения с веществом, изучаемого или контролируемого изделия;
материал, структура и геометрия контролируемого изделия;
скорость получения и обработки многоэлементной информации и преобразование ее в изображение;
метод регистрации изображений в потоках проникающего излучения;
тип и параметры преобразователя и усилителя изображений;
способ распознавания образов, получаемой информации;
тип применяемых цифровых приборов.
Главной целью развития направления метода РТК в технике является создание методов и приборов, обеспечивающих контроль внутренних свойств непрозрачных для обычного света, материалов и изделий без их разрушения [6]. В широком применении таких методов и приборов нуждается также и современная медицина, где РТК является основным средством получения точных данных, как для врача - терапевта, так и для хирурга, получающего косвенную информацию об объекте или процессе. Во всех подобных случаях возникает естественное желание получать как можно более полную и точную информацию. Это тот случай, когда информации не может быть много [7,8].
Однако, сигнал измерительной информации [2,3,76], прежде чем стать изображением, предъявляемым для анализа, проходит большое количество
звеньев приборов РТК и претерпевает значительные искажения, вносимые каждым звеном. По оценкам [1,2] дефектоскопическая чувствительность метода РТК составляет 10-15% при значительных геометрических искажениях [3]. Это обстоятельство долгое время сдерживало широкое применение метода РТК.
К искажениями, которые претерпевает сигнал измерительной информации, пройдя ряд звеньев РТК, прежде чем стать кадром изображения в динамической видеопоследовательности, относятся [3]:
шумовые искажения, обусловленные статистикой источника излучения и флуктуациями передающего тракта;
локальные неоднородности экран-преобразователя;
аберрации: астигматизм и дисторсия оптической (объектива) и электронной систем прибора контроля, к которым относятся и локальные неоднородности мишени передающей телевизионной камеры;
ракурсные искажения, обусловленные большим углом расхождения излучения.
Эти искажения приводят к тому, что на экране монитора наблюдается искаженное изображение, определение геометрических характеристик которого приводит к большим ошибкам, т.е. изображение не подобно объекту контроля. Причем, чем дальше от центра изображения рассматриваемый участок, тем больше искажения.
Особую актуальность метод РТК приобретает при контроле крупногабаритных изделий с площадью контроля более 1м2. Искажения в 10-15% дают отклонения до десятка сантиметров и более, что недопустимо для реального оценивания геометрических характеристик изделий и процессов. К таким процессам в химическом производстве крупногабаритных изделий из высокоэнергетических материалов относится процесс горения при испытаниях.
Обзор литературных данных [9,10,11,12,13,14] показывает, что для решения многих проблем РТК используются средства цифровой техники, при этом рентгенотелевизионный метод контроля, иногда, называют цифровой радиографией. Использование специализированных цифровых приборов и компью-
теров можно рассматривать как возможный путь решения таких проблем, как повышение чувствительности и устранение искажений метода РТК. Решение этих проблем возможно лишь с повышением уровня наукоемкости, созданием интеллектуальных приборов, насыщением РТК математическими методами, применение, которых немыслимо без использования цифровой техники.
Таким образом, современная промышленность формулирует новые задачи неразрушающего контроля, предъявляя повышенные требования к качеству материалов, повышению производительности и получению количественных оценок при определении геометрических размеров исследуемых изделий, исключая субъективизм в принятии решений. Эти задачи подчеркивают необходимость более наукоемкого подхода и к таким средствам неразрушающего контроля как РТК. Эта необходимость выражается, прежде всего, в потребности иметь формализованный подход на уровне математических моделей, формируемых количественными оценками. Только в этом случае можно соединить гениальное интуитивное чутье инженера и оператора - расшифровщика с точностью, присущей науке, и избавиться от произвольного субъективизма.
Резюмируя, можно сказать, что проблема разработки методов и приборов промышленного РТК высокоэнергетических изделий химического производства на основе пороховых составов, выбор средств цифровой техники, разработка методов коррекции искажений и анализа результатов контроля не решена полностью и сохраняет актуальность в настоящее время. Решению этих проблем посвящена данная работа.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью диссертационной работы является разработка метода и создание прибора РТК, позволяющего проводить с высокой чувствительностью и точностью скоростной контроль изделий на основе пороховых составов при динамических испытаниях.
ЗАДАЧИ РАБОТЫ. 1. Провести анализ процесса формирования изображений метода РТК и разработать модель получения сигнала измерительной информации.
Рассмотреть звенья приборов РТК и выявить основные источники, приводящие к искажениям сигнала измерительной информации.
Разработать метод коррекции искажений сигнала измерительной информации РТК.
Определить основные требования к аппаратно-техническому обеспечению прибора РТК, с вводом/выводом телевизионного сигнала.
Провести экспериментальные исследования и оценить точностные характеристики и чувствительность прибора РТК.
Провести отработку метода и отладку прибора в условиях опытной и промышленной эксплуатации.
Экспериментальные и теоретические исследования, направленные на решение этих задач, проводились на экспериментальной базе АО "ИнформСети" при Федеральном научно-производственном центре (ФНПЦ) "АЛТАЙ" в рамках научно-технических договоров.
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ. Объектом исследования является метод контроля быстроменяющихся эксплуатационных характеристик изделий на основе порохов при стендовых испытаниях, основанный на классическом методе рентгенотелевизионного контроля, с присущей ему чувствительностью по плотности и точностью определения геометрических характеристик.
НАУЧНУЮ НОВИЗНУ СОСТАВЛЯЕТ СЛЕДУЮЩЕЕ:
Впервые предложен вероятностный подход к рассмотрению процесса формирования результатов рентгенотелевизионного контроля с позиции теории обработки изображений.
Впервые предложено совместить реперную коррекцию результатов и интерполяционный метод в рентгенотелевизионном контроле изделий на основе порохов.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. При выполнении работы применялись как теоретические, так и экспериментальные методы исследования контроля быстроменяющихся характеристик при испытаниях, которые способствовали решению поставленных задач. Исследования проводились путём построения мате-
матической модели метода РТК, допускающей численное решение. На всех этапах проводилось сопоставление теоретических и экспериментальных результатов.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Во-первых, реализован новый вероятностный подход к рассмотрению процесса формирования результатов РТК, который дает возможность ввести методы, адекватные методам теории обработки изображений и повысить чувствительность метода РТК до 2%. Во-вторых, разработан интерполяционно-реперный метод коррекции искажений наблюдаемого изображения в РТК, представляющий реализацию решения дифференциального уравнения видеоинформационного процесса на реперной решетке и позволяющий снизить геометрические искажения до 2%. В-третьих, предложенные методы компенсации шумовых и геометрических искажений реализованы в виде единого цифрового прибора. В-четвертых, проведено практическое внедрение, разработанного метода и прибора в практику работы ФГУП ФНПЦ "АЛТАЙ" г. Бийска и ОАО БиКЗ (Бийский котельный завод). В-пятых, на основании опытной и промышленной эксплуатации проведена оценка чувствительности и точности метода.
РЕАЛИЗАЦИЯ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ Прибор реализован на базе персонального компьютера и включает платы обработки телевизионного сигнала и управляющие программы по устранению искажений при обработке результатов контроля. Прибор внедрен в состав действующей системы рентгенотелевизионного контроля при ФГУП ФНПЦ "АЛТАЙ".
Акт. Внедрение результатов диссертационной работы СМ. Заикина в практику обработки результатов стендовых испытаний ФГУП ФНПЦ "АЛТАЙ" г. Бийска - приложение А.
Акт. Внедрение результатов диссертационной работы СМ. Заикина в учебный процесс Бийского технологического института - приложение Б.
3. Акт. Использование результатов диссертационной работы СМ. Заикина в практику рентгенотелевизионного контроля изделий энергетической промышленности ОАО "Бийский котельный завод" - приложение В.
ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Метод рентгенотелевизионного контроля высокоэнергетических изделий химического производства с интерполяционно-репернои моделью коррекции результатов контроля.
Модель получения сигнала измерительной информации рентгенотелевизионного метода контроля.
Алгоритм компенсации коэффициента увеличения при проецировании в расходящемся пучке излучения.
Приборная реализация предложенного метода рентгенотелевизионного контроля.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы работы обсуждались на семинарах кафедры информационных и управляющих систем Бийского технологического института АлтГТУ., а также на научно - технических советах в отделах ФГУП ФНПЦ "Алтай". Основные результаты работы подкреплены тремя актами внедрения и изложены в 12 печатных работах, опубликованных в различных региональных и центральных научно - технических изданиях, в том числе, тезисы и личное участие в XVI международном симпозиуме по радиографии в г. Кар-пач (Польша). Личное участие в международных симпозиумах и всероссийских конференциях по неразрушающему контролю, радиографии, обработке изображений, информационным технологиям в Москве, Новосибирске, Улан-Удэ, Бийске.
ЛИЧНЫЙ ВКЛАД. Идея разработки интерполяционно-реперного метода коррекции результатов контроля изделий при динамических испытаниях и создание цифрового прибора принадлежит автору. Автором диссертации проведен анализ методов контроля пороховых изделий при динамических испытаниях, выявлены основные источники искажений результатов контроля, обоснован и осуществлен выбор аппаратной платформы цифрового прибора рентгенотеле-
визионного контроля, разработан комплекс программных модулей управления прибором, выполнены экспериментальные исследования метода и прибора.
СОДЕРЖАНИЕ ГЛАВ ДИССЕРТАЦИИ. В первой главе дается формулировка задачи обработки видеоинформации рент-генотелевизионного контроля с позиций теории обработки изображений. При этом вводится понятие - видеоинформационная система рентгенотелевизионно-го контроля ВИС РТК. Рассматривается процесс формирования исходного изображения изделия. Адаптируются к ВИС РТК такие понятия теории обработки изображений, как исходное изображение, ансамбль исходных изображений, функция потерь получателя. Рассматриваются практические вопросы, связанные с искажениями, возникающими при дискретизации наблюдаемого изображения. Формулируются необходимые требования для оптимальной видеоинформационной системы рентгенотелевизионного контроля. Подробно рассматривается восстановление исходного изображения. Делаются необходимые математические выкладки при получении оператора, минимизирующего средне-квадратическое отклонение яркости наблюдаемого изображения от исходного изображения. Делаются необходимые выводы по рассмотрению процессов формирования наблюдаемого изображения.
Во второй главе доказывается, что основными источниками искажений, вносимых в процесс формирования изображения с использованием рентгеновского аппарата 2Г,г50-г300 КэВ, являются геометрические искажения, вносимые за счет конечного размера источника излучения и контролируемого изделия. При использовании изотопа Ег >. 1 МэВ. существенную роль играют эффекты взаимодействия излучения с веществом - комптоновское рассеяние. Угловое распределение у- квантов, определяющее геометрическую нерезкость изображения, можно оценить функцией нормального распределения. Нерезкость, возникающая в случае рассеяния на мелких структурах, зависит от глубины залегания, что позволяет ее оценить. Основной вывод второй главы состоит в том, что искажения, возникающие в телевизионном тракте радиационного телевизионного прибора контроля, на порядок меньше суммарного влияния радиацион-
ных искажений. Из погрешностей оптической системы следует учитывать погрешности, приводящие к возникновению подушкообразных искажений и глобальные искажения, обусловленные неквадратичностью телевизионного экрана.
В третьей главе представлены материалы по обзору технических средств, выбору аппаратной платформы и прототипа цифрового прибора рентгенотелеви-зионного контроля с коррекцией результатов контроля. Представлены материалы по разработке метода коррекции и его реализации. При этом получены следующие результаты:
Разработана математическая интерполяционно-реперная модель искажений результатов РТК, представляющая реализацию решения дифференциального уравнения видеоинформационного процесса на реперной решетке.
Реализован алгоритм компенсации коэффициента увеличения при проецировании в расходящемся пучке излучения.
Разработан пакет управляющих программ, реализующий методы фильтрации изображений рентгенотелевизионного контроля, реперную и ракурсную компенсации геометрических искажений наблюдаемых изображений. Это повысило дефектоскопическую чувствительность рентгенотелевизионного метода контроля с 10-15%, получаемую на серийных приборах, до 2%.
В четвертой главе обсуждаются результаты работы и представлены материалы по конструктивной реализации прибора и практические результаты работы. Проведен анализ и сделан выбор аппаратной платформы прибора цифровой коррекции изображений рентгенотелевизионного метода контроля. Экспериментально показано влияние на чувствительность метода РТК процесса обработки наблюдаемого выходного изображения. Показано, что чувствительность метода при этом достигает 2%. Разработанный прибор, реализующий, предложенный метод позволяет снизить уровень геометрических искажений с 10%-15%, до 2%.
Выбор метода скоростного контроля изделий при динамических испытаниях
Современная промышленность характеризуется большими объемами и сосредоточением огромных материально-технических средств и научных достижений в одном изделии, экономическая эффективность которого, в значительной степени, определяется качеством комплектующих материалов. Помимо проблемы повышения качества комплектующих материалов особо остро стоит проблема контроля изделий в процессе их испытаний [15,16,17,19,77]. Не менее важную роль играют проблемы диагностики в медицине при контроле динамических процессов работы органов и развитие патологий [7,8,11].
Особую актуальность приобретает задача контроля крупногабаритных изделий, в процессе выполнения ими их функций. К таким изделиям в химическом производстве относятся крупногабаритные изделия на основе пороховых составов, таких как генераторы газов, давления. Особенность их контроля заключается в том, что они имеют значительные габариты до десятков метров, а время испытания - процесс горения от 0,1 сек. до нескольких минут при значительных температурах, вибрациях и давлении, что определяет динамику испытаний. Эти особенности формулируют специфические задачи контроля.
На решение задачи получения и формирования наиболее полной информации непосредственно из внутренних областей изучаемых или контролируемых изделий направлены многие средства неразрушающего контроля, основанные на широком использовании самых различных видов проникающих излучений и, в силу этого, решающие большой спектр задач от медицины до техники.
Классификация видов и методов неразрушающего контроля приведена в ГОСТ 18353-79. Среди них радиационные методы контроля, использующие источники ионизирующего излучения, обладают большой проникающей способ ностью. Эти методы обеспечивают 100%-ный контроль и выявление как внутренних, так и наружных дефектов в материалах, деталях и узлах изделий. Они наиболее полно решают задачу технического контроля.
К таким методам относят радиографию, радиоскопию, радиометрию, рентгеновскую томографию [1].
Радиографические методы радиационного неразрушающего контроля основаны на преобразовании радиационного изображения контролируемого объекта и отображении его в радиографический снимок или запись этого изображения на запоминающем устройстве с последующим преобразованием в световое изображение. На практике этот метод широко распространен. Он наиболее прост, позволяет просвечивать стальные изделия толщиной до 700мм. и обладает высокой чувствительностью до 1%. К недостаткам данного метода следует отнести малую скорость процесса контроля, связанную с обработкой рентгеновской пленки. Этот недостаток переводит данный метод контроля только в категорию подтверждающих методов.
Радиоскопия или рентгенотелевизионный контроль - основан на преобразовании радиационного изображения в световое изображение на выходном экране телевизионного прибора - интроскопа. Данный метод обладает большой информативностью и производительностью - анализ полученного изображения производится в процессе контроля. Однако чувствительность этого метода хуже, чем радиографии - 10-15% [1]. Этот недостаток до последнего времени сдерживал применение данного метода для широкого использования.
Радиометрическая дефектоскопия получает информацию о внутреннем состоянии контролируемого изделия, просвечиваемого ионизирующим излучением, в виде электрических сигналов. Преимуществом этого метода являются: высокая производительность, чувствительность, возможность проведения непрерывного контроля. Недостаток: сложность расшифровки результатов контроля. Данный метод дает хорошие результаты в промышленности в сочетании с радиографией.
Рентгеновская вычислительная томография позволяет послойно реконструировать внутреннюю структуру контролируемого объекта. Используя источники излучения, регистрирующую аппаратуру и математические методы преобразования, томография позволяет восстанавливать внутреннюю структуру и, кажется, на первый взгляд идеальным средством диагностики. Но теоретические расчеты по чувствительности метода к различно-ориентированным дефектам, ограничиваются погрешностями традиционных средств и аппаратуры, в том числе вычислительной техники. И хотя точность воспроизведения томограмм доведена до уровня методических ограничений, проблемным остается вопрос контроля больших плошадей и толщин. Повышение чувствительности и производительности требует разработки специальных источников излучения и регистрирующей аппаратуры, ориентированных на томографический метод. В силу этого наибольшее распространение томографические методы нашли в медицине [1]. Производительность данного метода позволяет использовать его только для подтверждающего контроля.
Анализ зарубежных источников свидетельствует о том, что для целей скоростного, оперативного контроля используются методы и приборы рентге-нотелевизионного контроля, оснащенные цифровой техникой. К таким приборам относятся, разработанные фирмой "Isotopenechnik" (Германия) цифровые приборы - интроскопы Gs-200 и Gs-220 [18]. Для толщин по стали 150-200 мм на ускорителе с энергией 3 МэВ получена контрастная разрешающая способность (для Gs 220 с обработкой изображения) 0,8-1%.
Классификация искажений видеоинформационной системы рентгенотелевизионного контроля
Процессы взаимодействия у-квантов с веществом поглотителя принято классифицировать по виду полей частиц, с которыми у-квант взаимодействует, и по тем изменениям, которые претерпевает квант при взаимодействии с веществом [27]. Возможно взаимодействие квантов с: 1) электронами, 2) нуклонами, 3) электромагнитными полями электронов и нуклонов, 4) мезонным полем нуклонов. В результате каждого из этих процессов может произойти: а) полное поглощение кванта; б) неупругое или упругое рассеяние. Постановкой задачи определены следующие возможные источники энергии: 1) рентгеновский аппарат Е 50 - 300 кэВ., 2) изотоп Со60 Е 1,17 МэВ., 3) ускоритель электронов Е 6 - 10 МэВ.
В этих областях энергий наиболее вероятны следующие процессы:
1) фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект) на легких элементах (углерод, алюминий), сечение фотоэффекта которого при энергии 50 кэВ. составляет 20 %, а при 100 кэВ. - 1 % от общей доли взаимодействия [27];
2) некогерентное рассеяние на свободных электронах (Комптон - эффект). Его доля в диапазоне энергий от 100 кэВ. до 1,02 МэВ. составляет - 100 % (рисунок 2а);
3) образование пары электрон-позитрон происходит в нуклонном поле ядра и начинается при энергии первичного кванта излучения (излучения источ ника) больше 1,02 МэВ. (Е 2 тое; тое = 0,511 МэВ. - масса покоя электрона), приобретая значительное влияние только при энергиях более 10 МэВ.
Выявление внутренних дефектов и процессов в контролируемом изделии и, соответственно, высокая чувствительность метода определяется изменением интенсивности излучения достигающего детектора. Высокая чувствительность обеспечивается малым поглощением излучения на бездефектных участках и значительным изменением интенсивности излучения на дефектном участке, контролируемого объекта. Под дефектным участком, можно, понимать любое изменение плотности. Фактически наличие процесса рассеяния излучения приводит к ухудшению чувствительности - шумовым искажениям.
При фотоэффекте у-квант поглощается электроном, который освобождается от связи с атомом. Энергия кванта частично расходуется на преодоление связи электрона с атомом, при этом атом ионизируется, а большая часть переходит в кинетическую энергию электрона (испускание электронов атомом под действием у-квантов). Основная доля сечения фотоэффекта стф приходится на электроны внешней К-оболочки. Сечение (вероятность взаимодействия-рассеяния) растет с увеличением атомного номера и убывает с возрастанием энергии фотона. Для обеспечения высокой чувствительности низкоэнергетическое рентгеновское излучение следует применять только для легких материалов и небольших толщин, например, на основе углерода, как в химическом производстве. К таким процессам относится и процесс рентгеноскопии грудной клетки и аномальных явлений (патологий) в медицине.
Комптон - эффект можно рассматривать как процесс взаимодействия у-квантов с атомными электронами. При этом длина волны до взаимодействия и после различна - начинает проявляться релятивистский корпускулярно-волновой дуализм у-кванта. А поскольку энергия связи электрона в атоме значительно меньше энергии фотона, в ядерной физике обычно рассматривают этот процесс как процесс взаимодействия у-кванта со свободными электронами. Вероятность комптоновского рассеяния (дифференциальное сечение) в на правлении угла 0 (рисунок 2а), в единицу телесного угла d Q на Z - электронах (т.е. атом с зарядом Z) [28], записывается:
Комптоновское рассеяние пропорционально заряду Z исследуемого материала и играет значительную роль до энергии 1Мэв.
Образование пары электрон - позитрон происходит в нуклонном поле ядра и приобретает значительное влияние только при энергиях более 10 МэВ., при этом направление вылета вторичных частиц близко к направлению первичного излучения.
Таким образом, полное сечение взаимодействия определяется тремя процессами: 1 - фотоэффектом сгф ; 2 - Комптон - эффектом стк; 3 - эффектом образования пар ст„ а = Стф + стк + ап (2.3.3) Причем Стф представляет собой сечение поглощения, а стк - сечение рассеяния у-квантов.
В результате проведенного анализа можно сказать, что рассеяние рентгеновского и гамма - излучения в контролируемом изделии определяется вторичными электронами и квантами, образованные в процессе фотоэффекта и ком-птоновского рассеяния, которые значительно отклоняются от направления первичного пучка излучения, что ухудшает качество контроля. При использовании ускорителей образующиеся в материале пары электрон - позитрон существенно меньше отклоняются от направления пучка излучения. Такое рассеянное способствует образованию скрытого изображения и незначительно ухудшает чувствительность.
Влияние конечного размера источника излучения на искажения наблюдаемой внутренней структуры изделия
Влияние реального фокусного пятна на теневое радиационное изображение можно описать двумерным интегральным оператором типа свертки [28]. (2.4.1) где І2(х, у) и 1]( 7 -распределения интенсивности первичного излучения при реальном и теоретическом (точечном) источнике излучения;
h(x,y) -функция рассеяния фокусного пятна, описывающая нормированное распределение приращения интенсивности первичного излучения в теневом радиационном изображении. Функция рассеяния h(x,y) пятна, обладающего осевой симметрией, может быть записана в виде [3]
Алгоритм восстановления исходного изображения
Классическое представление изображения связано с представлением изображения как реализации статистического поля (глава 1). В случае телевизионных искажений нарушается лишь метрика изображения, а само изображение сохраняется, т.е. значение яркостей сохраняется, меняется лишь расстояние между точками: изображение как бы "натягивается" на некоторую криволинейную поверхность. В этом случае, можно не рассматривать процесс реализации статистического поля, а достаточно представить изображение как численное решение дифференциального уравнения с частными производными на криволинейной поверхности [37], заданной узловыми точками реперной решетки. Если задать узловые точки достаточно плотно, то значение яркости в узловых точках является решением уравнения по всем значениям яркости решетки, однако это связано с большими вычислительными трудностями. В случае разреженной реперной решетки промежуточные значения яркости, попадающие в межузловое пространство, можно получить интерполяцией по узловым точкам.
На рисунке 5а представлена криволинейная область, являющаяся наблюдаемым изображением реперной решетки, т.е. решением дифференциального уравнения вдоль криволинейных горизонталей у = f(x) и вертикалей х = h(y). На рисунке 56 - исходное изображение. Промежуточные значения наблюдаемого изображения легко определяются с помощью перехода к новым независимым переменным.
Таким образом, криволинейной решетки наблюдаемого изображения соответствует прямоугольная решетка исходного изображения. Достоинством представляемой модели является то, что не требуется решать дифференциальное уравнение. Достаточно последовательно от точки к точке осуществить переход к новой системе координат по виду наблюдаемой реперной решетки. Вид реперной решетки можно получить до получения основного изображения.
На основании представленной модели можно получить следующий словесно-описательный алгоритм восстановления исходного изображения. 1. До начала эксперимента на экран преобразователь наносится правильная реперная решетка, состоящая из N N узлов. 2. В видимом свете через телевизионный тракт формируется на мониторе изображение исходной реперной решетки, однако, уже не правильной, а подвергшейся искажениям телевизионного тракта, т.е. по сути, в криволинейных координатах. 3. Оцифровывается изображение искаженной реперной решетки. 4. Интерполируя горизонтальные и вертикальные узлы решетки, осуществляется переход к новым прямоугольным координатам. 5. Значения яркости искаженной реперной решетки заменяется значениями яркости наблюдаемого рентгеновского изображения в новых координатах. Одной из задач данного алгоритма является задача выбора интерполяционной формулы.
Для выбора метода интерполяции была создана модель: нормальная реперная решетка проецировалась на сферу. При этом рассматривалось пересечение луча визуализации со сферой. Для выбора интерполяционной формулы моделировалась ситуация локального искажения решетки. Для этого координата Y центрального узла реперной решетки по всем горизонталям была смещена, что соответствует ее увеличению на величину равную L (l/3), и рассматривалось поведение интерполяционной кривой в межузловом пространстве и на краях решетки. Для упрощения процедуры вычисления из полученной проекции удалялись вертикальные линии. Таким образом, формировались данные для выбора интерполяционной формулы. Результаты представлены на рисунке 6-а. Количество узлов решетки было равно 13, что близко к реальной ситуации со стороны максимума. Межузловое пространство было равно L=20 пикселам. Это соответствует изображению размером 240x240 точек. Для интерполяции межузлового пространства рассматривались классические интерполяционные формулы: Лагранжа, Эйткена, интерполяция сплайнами.
Шумовые искажения выходных изображений метода рентгенотелевизионного контроля
Осуществляя скользящую фильтрацию по столбцам и строкам со смещением на единицу, получим отфильтрованное выходное изображение. Модифицируя, оператор Собеля, можно получить алгоритм выделения границ контуров на отфильтрованном изображении. Для этого необходимо задать некоторый порог, сравнивая с которым модули в числителе выражения 4.5.5, можно принять решение о наличии перепада яркости, что будет соответствовать границе контура.
К нелинейным алгоритмам относится целый класс алгоритмов, называемых ранговыми алгоритмами. Вид ранговых алгоритмов определяется некоторым подмножеством рангов или ранговых (порядковых) статистик выборки, образованной отсчетами сигнала в некоторой окрестности данного элемента с последующим упорядочиванием отсчетов сигнала. Для вычисления локальных гистограмм окрестность каждого элемента изображения последовательно сканируется апертурой, охватывающей требуемую окрестность [34].
Для усиления контраста после устранения низкочастотной помехи в процессе фильтрации в приборе используется метод модификации гистограмм. Линейная и гиперболическая модификация гистограмм заключается в поэлементном нелинейном преобразовании яркости центральных элементов пропорционально некоторой степени от значения локальной гистограммы в той же точке.
Для оценки чувствительности метода цифрового рентгенотелевизионного контроля использовался, хорошо зарекомендовавший себя на практике, метод оценки качества наблюдаемого изображения и чувствительности методов радиационного контроля. Качество наблюдаемого - выходного изображения, оценивается по выявлению на наблюдаемом изображении изображения объекта, вид которого заранее известен - эталону. Изображение эталона занимает небольшой процент полезной площади выходного изображения. В экспериментах по оценке чувствительности использовался "канавочный" эталон по ГОСТ 7512-69 (СССР). Эталон представлял пластинку из материала близкого по плотности исследуемому объекту с набором канавок различной глубины. Для определения чувствительности в процентах достаточно явно выявить канавки минимальной глубины. Эталон содержал 6 канавок, что соответствовало чувствительности от 6% до 1%. Эталон помещался в наименее благоприятное для выявления место.
Исследуемый объект представлял собой резиновую "шайбу", имеющую внешний диаметр - 70 мм, внутренний - 20 мм и толщину - 10 мм. Технические характеристики условий эксперимента: источник излучения - ускоритель электронов бетатрон МИБ 4 с энергией тормозного излучения гамма квантов 4Мэв. и системой контроля на основе ПТУ "Интроскоп" с, разработанным цифровым прибором рентгенотелевизионного контроля.
На рисунке 16 представлено изображение одного кадра объекта с эталоном. На отдельном кадре наблюдаемого изображения почти не просматривается эталон. При визуальном наблюдении эталон просматривается и слегка угадывается эталонная канавка, соответствующая чувствительности 6%. Это объясняется способностью глаза проводить суммирование (накапливать) на сетчатке глаза информацию.
На рисунке 17 показан график яркости по образующей линии вдоль эталона. С трудом в шумах угадывается канавка, соответствующая 6% чувствительности. График яркости после обработки наблюдаемого изображения и получения выходного изображения (рисунок 18) представлен на рисунке 19. Легко видна и канавка, соответствующая 1% чувствительности. Обработка представляла предварительное суммирование статистического ансамбля наблюдаемых изображений с последующей нормировкой и применение алгоритмов фильтрации с последующим повышением контраста.
Одним из самых сложных вопросов в обработке выходных изображений является процедура выбора критерия оценки обработки. Часто оказывается, что оптимально обоснованный критерий является неоптимальным с точки зрения визуального оценивания. В данных экспериментах использовался простой и достаточно эффективный метод-МСКО (Метод Среднеквадратического Отклонения). МСКО-оценивание представляет подсчет дисперсии, где в качестве математического ожидания используется эталонный сигнал. Значения доверительной вероятности МСКО метода для 2% чувствительности составило 0,97, рассчитанной по методике, выведенной в п. 1.9 (глава 1) и [32,70] и 1% для 0,99. Это с достаточной степенью точности говорит о повышении чувствительности метода цифрового РТК до 2%.
Тестирование цифрового прибора рентгенотелевизионного контроля при оценке точностных характеристик осуществлялось в условиях опытной эксплуатации и производственных испытаний. Отработка осуществлялась по видеозаписям натурного процесса контроля крупногабаритного полимерного изделия и данным реперной решетки.
На рисунках 21 и 22 представлены исходные изображения как результат рентгенотелевизионного контроля. Видимые точки-узлы реперной решетки соединены пунктирными линиями, образующими криволинейную решетку. Кривизна вертикальных и горизонтальных линий определяет искажения изображения. Искажения достигают 15%. Эти изображения давали лишь качественную, а не количественную оценку динамики контроля.
