一種基于雙源錐束CT的新型引信檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 歡，夏 良，朱國春

（解放軍陸軍軍官學(xué)院,230031）

0 引言

引信是炮彈引爆的重要裝置。但是往往炮彈在運(yùn)輸、裝載、使用過程中會(huì)出現(xiàn)撞擊、掉落等情況，這些情況會(huì)導(dǎo)致炮彈引信內(nèi)部保險(xiǎn)裝置遭到破壞。引信保險(xiǎn)裝置的受損會(huì)直接引起炮彈爆炸或在使用過程中出現(xiàn)炸膛。針對這種情況，目前一般使用兩種方法處理：一是對所有異常情況的炮彈進(jìn)行銷毀；二是利用無損檢測技術(shù)對引信保險(xiǎn)裝置進(jìn)行檢測，判斷哪些是解脫保險(xiǎn)的炮彈，哪些是可以繼續(xù)使用的炮彈。顯然，第二種方式可以減少不必要的損失。目前主要使用的無損檢測方式是射線照相技術(shù)和傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)（Computer Tomography，CT）。

利用射線照相技術(shù)對引信進(jìn)行檢測，圖像是三維結(jié)構(gòu)的二維成像，被測部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)前后疊加，讀片困難，且不能進(jìn)行足夠清晰準(zhǔn)確地檢測，會(huì)增加誤判率。利用傳統(tǒng)的斷層CT技術(shù)進(jìn)行檢測，雖然可以得到斷層圖像，但是掃描時(shí)間比較長，掃描一圈一般需要采集180到360幅圖像，每幅圖像的極限掃描時(shí)間在0.1到0.5秒，也就是說得到一個(gè)分辨率足夠高的斷層圖像至少需要3分鐘。并且要從多個(gè)斷層的圖像才能判斷出引信保險(xiǎn)裝置的內(nèi)部情況。斷層與斷層之間的縱向分辨率較差，如果要顯示出引信的三維內(nèi)部圖像還需要專門的三維顯示程序進(jìn)行重建，這又要耗費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間。

針對上述情況，本文提出一種新的基于雙源錐束CT技術(shù)的檢測方法，該方法可以對引信進(jìn)行無損、快速、準(zhǔn)確地檢測。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 掃描結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

筆者對榴-2、榴-5、時(shí)-2等幾種常用的引信進(jìn)行了調(diào)研。發(fā)現(xiàn)要判斷幾種常用引信是否失效，主要要看其內(nèi)部隔爆機(jī)構(gòu)的狀況，可以將檢測范圍進(jìn)一步縮小到15厘米以內(nèi)，可視為感興趣區(qū)域重建問題。所以可以選用比較適合局部區(qū)域重建的錐束Micro-CT系統(tǒng)進(jìn)行檢測。由于引信本身的特點(diǎn)決定，不必過多考慮像人或動(dòng)物對射線輻射劑量的要求，也不必考慮運(yùn)動(dòng)物體產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)偽影等因素，所以可以選取多源CT進(jìn)行檢測。

本文設(shè)計(jì)的引信掃描結(jié)構(gòu)是將兩套錐束Micro-CT影像系統(tǒng)集成在一個(gè)設(shè)備上的雙源檢測系統(tǒng)：使用兩個(gè)射線源、兩個(gè)平板探測器，兩個(gè)探測器成90度角，分別對應(yīng)一個(gè)射線源。中間掃描臺(tái)上放置被測引信，掃描臺(tái)可以以任意角度和速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并且可以控制其升降。

1.2 射線源的選擇

本系統(tǒng)中，射線源是直接影像成像質(zhì)量的重要因素之一?？紤]到引信對射線穿透能力的要求，本文選擇可調(diào)節(jié)氣絕緣X射線機(jī)，管電壓設(shè)置為125kV～126kV，管電流為0.4mA（根據(jù)最大穿透公式計(jì)算，可得到，此管電壓可穿透25～27mm的鋼）。該射線源具有散熱性好，保護(hù)措施齊全，使用壽命長，穿透能力強(qiáng)等特點(diǎn)，X射線泄露劑量也符號輻射安全標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 平板探測器的選擇

探測器是數(shù)字成像的關(guān)鍵部件之一，基于在系統(tǒng)幾何失真、空間分辨率以及射線利用率幾個(gè)方便的考慮，平板探測器都是最適合錐束CT的信息獲取設(shè)備。根據(jù)常用引信的規(guī)格技術(shù)指標(biāo)，本系統(tǒng)選用了Paxscan1313 LowkV型數(shù)字成像式平板探測器。該平板探測器圖像傳輸速度可達(dá)30幀/秒，可以達(dá)到實(shí)時(shí)成像的要求；像素大小僅為127μm或194μm，空間分辨率高，可達(dá)3.97LP/mm（即線徑0.126mm）。對于引信內(nèi)部結(jié)構(gòu)，錐形束一次照射便可在平板探測器上完成一個(gè)角度投影數(shù)據(jù)的采集，不必分段升降進(jìn)行掃描，大大縮短檢測時(shí)間。

1.4 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)方面的控制：一是可對射線源進(jìn)行開關(guān)、強(qiáng)度進(jìn)行控制。二是對平板探測器的積分時(shí)間進(jìn)行控制。三是對掃描臺(tái)的上下位置調(diào)整、旋轉(zhuǎn)的方向和速度進(jìn)行控制。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 重建算法的選擇

利用錐束CT投影數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建的算法有很多種，大致分為精確重建算法和近似重建算法兩大類。在引信內(nèi)部結(jié)構(gòu)檢測過程中，我們只需要利用重建圖像準(zhǔn)確判斷出某些部件的位置即可，例如：榴-2引信的隔報(bào)機(jī)構(gòu)，當(dāng)滑塊處于中間位置時(shí),說明該引信處于安全狀態(tài)， 否則引信處于解脫保險(xiǎn)狀態(tài)。針對這種情況，我們選擇可以利用一組錐束投影數(shù)據(jù)進(jìn)行快速重建的標(biāo)準(zhǔn)FDK近似重建算法進(jìn)行重建。該算法是由Feldkamp、Davis和Kress于1984年提出的，它比其它的精確重建算法要簡潔的多，重建時(shí)間短，而且錐角越小重建誤差越小。還有一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是可以在縱向處理數(shù)據(jù)截?cái)唷?/p>

2.2 成像系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

基于雙源錐束CT的引信檢測系統(tǒng)主要分為以下六大模塊：

（1）參數(shù)設(shè)置模塊：首先進(jìn)行操作員登錄驗(yàn)證，該部分的設(shè)計(jì)主要是為了記錄相應(yīng)部件的檢測責(zé)任人，可以在事后對誤檢和漏檢的引信作跟蹤；由于引信型號不同，規(guī)格也不同，所以對常見的引信建立一個(gè)引信特征數(shù)據(jù)庫，每次采集投影數(shù)據(jù)前，通過引信的型號進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整射線強(qiáng)度，探測器的積分時(shí)間，掃描臺(tái)的高度以及旋轉(zhuǎn)速度。

（2）數(shù)據(jù)采集模塊：采集不同角度下的投影數(shù)據(jù)，最后將投影數(shù)據(jù)匯聚到一個(gè)投影數(shù)據(jù)集，并對投影數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，去除無效數(shù)據(jù)。

（3）圖像重建模塊：該模塊是系統(tǒng)最主要的一個(gè)模塊，相對來說也是最為復(fù)雜的一個(gè)模塊。主要流程如下：先對采集的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，有散射校正、射束硬化校正、探測器像元響應(yīng)不一致校正等，再選擇重建算法（FDK），對處理后的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行重建，重新后保存。

（4）圖像處理模塊：對重建的圖像進(jìn)行圖像分割、特征提取等圖像后處理，目的是為了后續(xù)的圖像顯示和自動(dòng)判別。此過程也可跳過。

（5）圖像顯示模塊：利用三維顯示技術(shù)，對重建后的引信內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像進(jìn)行三維顯示。

（6）自動(dòng)判別模塊：此模塊的設(shè)計(jì)是為了實(shí)現(xiàn)引信的自動(dòng)檢測。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)特征值的比對情況，對解脫保險(xiǎn)的引信進(jìn)行報(bào)警提示。

3 結(jié)論

本文所提出的雙源錐束CT引信檢測系統(tǒng)跟以往的無損檢測系統(tǒng)比較具有下列兩個(gè)方面的優(yōu)勢：

（1）掃描速度快。用傳統(tǒng)斷層CT進(jìn)行引信的掃描，如果要采集64層斷面圖像，則需要192分鐘。而雙源CT由于其一次掃描就可獲得數(shù)個(gè)斷層的投影圖像，而且利用雙源的結(jié)構(gòu)，又可使時(shí)間縮短一倍，則使得整個(gè)采集投影數(shù)據(jù)時(shí)間可縮短128倍。2009年西門子在北美放射學(xué)年會(huì)上推出的雙源CT機(jī)架旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到 0.28 秒/圈，掃描速度高達(dá)43厘米/秒，時(shí)間分辨率可達(dá)到73ms，這使得雙源結(jié)構(gòu)的CT系統(tǒng)，不僅可以針對一般物體進(jìn)行快速檢測，還可以用來對運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行檢測，甚至實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)檢測。

（2）重建分辨率高。傳統(tǒng)斷層CT雖然可以重建出分辨率較高的斷層圖像，但是縱向分辨率比較低。要想重建出三維圖像，必須要獲得足夠多的斷層圖像進(jìn)行差值等處理，才可生成，所以并不能稱之為真正意義上的三維重建。而與此相比，錐束CT有著獨(dú)特的優(yōu)勢，可以利用錐束二維投影數(shù)據(jù)，一次性生成被測物體的三維密度空間分布函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的三維重建，縱向分辨率和橫向分辨率一樣高。

但是雙源CT系統(tǒng)也存在著自身的一些問題。由于利用的是雙射線源，在射線強(qiáng)度比較低的時(shí)候，投影圖像受散射的影響就比較單源的要大很多。另外在錐角大于10度時(shí)重建圖像中偽影就比較嚴(yán)重。這些問題還需要后續(xù)用一些算法進(jìn)行修正。

目前在國內(nèi)工業(yè)CT檢測領(lǐng)域，多源CT系統(tǒng)應(yīng)用的還比較少。主要考慮到其需要多個(gè)射線源、多個(gè)探測器，制造成本比較昂貴。隨著近年來多源CT的發(fā)展，今后以雙源、三源等多源CT系統(tǒng)取代單源CT系統(tǒng)必然會(huì)是一個(gè)趨勢。

[1]易束君，王歡等.基于錐束CT的小型部件檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].CT理論與應(yīng)用研究.2006,10

[2]秦曉燕，王海濤等.基于ICT引信無損檢測系統(tǒng)開發(fā)研究[J].全國射線數(shù)字成與CT新技術(shù)研討會(huì).2009,6

[3]霍修坤.錐束CT直接三維成像算法研究[D].合肥：安徽大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院.2005.

[4]呂楊.多源錐形束CT快速精確重建算法研究[D].上海:上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院.2011.