核電站穩(wěn)壓器內(nèi)表面堆焊層CCTV檢測分辨率的影響因素

劉 軍，嚴志剛，石 磊

(中廣核檢測技術有限公司，蘇州 215002)

穩(wěn)壓器又稱容積補償器，是壓水堆核電站的重要設備之一。在壓水堆核電站的運行中，其作用是補償一回路冷卻水溫度變化引起的一回路水容積變化，同時調節(jié)一回路冷卻劑的工作壓力，防止一回路系統(tǒng)設備由于壓力過高而損壞或壓力過低造成堆內(nèi)冷卻劑產(chǎn)生容積沸騰而引起燃料棒過燒事故[1]。穩(wěn)壓器殼體材料為低合金鋼，內(nèi)表面堆焊6～8 mm(厚度)的不銹鋼堆焊層，用以保護殼體金屬不受硼酸溶液的腐蝕。在運行過程中系統(tǒng)會受應力、腐蝕、高溫作用，因此需按照相關標準要求對穩(wěn)壓器內(nèi)表面堆焊層進行CCTV(閉路電視監(jiān)控系統(tǒng))檢測，檢測周期為每3年檢測一次[2]。

文章分析了華龍一號壓水堆核電機組穩(wěn)壓器內(nèi)表面堆焊層CCTV檢測過程中不同因素對檢測分辨率的影響，并提出改進措施，增強缺陷典型特征及分辨率，從而提高缺陷檢出率。

1 穩(wěn)壓器內(nèi)表面堆焊層CCTV檢測過程

穩(wěn)壓器筒體內(nèi)表面堆焊層筒體CCTV檢測過程如下：① 按圖1所示的方式將設備從穩(wěn)壓器人孔裝入，攝像頭上下運動軸線位于穩(wěn)壓器筒體軸心，CCTV檢測攝像頭實物如圖2所示；② 通過扁平電纜將攝像頭放下至人孔口下方一定高度處，然后使用扁平電纜步進回收攝像頭；③ 每回收一定高度后停止，攝像頭云臺旋轉360°，完成一周掃查；④ 鋼纜再次步進一定高度，攝像頭回轉360°。

圖1 穩(wěn)壓器CCTV設備工作示意

圖2 穩(wěn)壓器CCTV檢測攝像頭實物

穩(wěn)壓器電加熱元件支撐板檢測過程為：攝像頭下放到一定高度后高度固定不變，攝像頭由0°步進到90°(垂直角度步進)，每步進一次，攝像頭旋轉360°(水平旋轉)。

穩(wěn)壓器上封頭內(nèi)表面CCTV堆焊層檢測過程為：攝像頭回收到一定高度后高度固定不變，攝像頭由90°步進到180°，每步進一次，攝像頭旋轉360°。

2 檢測分辨率影響因素

2.1 攝像頭分辨率和放大率

穩(wěn)壓器內(nèi)表面堆焊層CCTV檢測系統(tǒng)中，攝像頭負責采集視頻信號，通過電纜將SDI(串行數(shù)據(jù))信號傳輸至控制箱，控制箱將電信號變?yōu)楣庑盘?，再通過光纖將信號送至核島外光端機，然后通過字符疊加器疊加上字符后分為兩路，一路送至顯示器顯示，供檢驗人員觀察；另外一路送至電腦采集存儲，以供后續(xù)對比分析。其中攝像頭、顯示器、人眼組成一套檢測系統(tǒng)。CCTV視頻檢測系統(tǒng)傳輸流程如圖3所示。

圖3 CCTV視頻檢測系統(tǒng)傳輸流程

攝像頭、監(jiān)視器的分辨率或者人眼狀態(tài)都會對檢驗結果有重大影響。視頻信號的主要影響因素為攝像頭與監(jiān)視器，攝像頭分辨率與監(jiān)視器的分辨率對于整個檢測系統(tǒng)起決定性作用。一個高分辨率的攝像頭匹配一個低分辨率的監(jiān)視器會使圖像變得模糊；同樣，一個低分辨率的攝像頭匹配一個高分辨率的監(jiān)視器也會使分辨率達不到要求。

缺陷檢測中的一個重要參數(shù)是攝像機芯片上每個光敏單元的成像尺寸。該參數(shù)受兩個影響因素——攝像機的分辨率和放大率。一個分辨率為640×480(長×寬)的攝像機聚焦100 mm×75 mm(長×寬)的區(qū)域，平均像素尺寸為156 μm。假設該區(qū)域內(nèi)有一寬度為100 μm的裂紋，裂紋的寬度小于平均像素尺寸，裂紋的寬度至少需要用1個像素點來顯示，這時裂紋與周圍背景在圖像中就會被平均，大大削弱裂紋圖像的清晰度與對比度。由于線性顯示的寬度明顯小于像素尺寸，線性顯示的像素紋理與形成的低對比度圖像如圖4所示。

圖4 線性顯示的像素紋理與形成的低對比度圖像

如果采用分辨率為1 920×1 080(長×寬)的攝像機聚焦100 mm×75 mm(長×寬)的區(qū)域，則平均像素尺寸為52 μm。那么，寬度為100 μm的裂紋需要用2個像素點顯示，對比度就可以大大提高，得到清晰的圖像。所以可通過使用更高分辨率的攝像機來改善分辨率。

但是采用過大的放大率也會帶來很多限制，首先，高放大率下不能長距離進行檢測。如果想分辨10 μm以下的裂紋，采用1 920×1 080標準攝像機，就必須聚焦10 mm×6 mm的區(qū)域，這在實際操作上是不可能的。其次，在較高分辨率下進行檢測，是無法了解周圍環(huán)境圖像的，而在圖像內(nèi)長時間無法看到參照物，檢測員則無法判斷組件的位置。最后高分辨率會使特定裂紋的分支和彎曲無法呈現(xiàn)在屏幕上，從而減少裂紋的檢測性。

筆者分別采用兩種分辨率不同的攝像頭觀察同一對象(18%灰度卡)，采集的圖像如圖5，6所示，攝像頭參數(shù)如表1所示。從實際的成像效果來看，高分辨率攝像頭采集的圖像遠比低分辨率攝像頭采集的圖像要清晰。

圖5 210萬像素攝像頭采集的圖像

圖6 44萬像素攝像頭采集的圖像

表1 攝像頭參數(shù)比較

2.2 照明類型

照明條件對于CCTV檢測有很大的影響，良好的照明可以極大地提高CCTV檢測的分辨能力，但是當被檢表面為鏡面反射時，圖像中會產(chǎn)生耀斑，從而導致設備分辨能力大大降低，進而產(chǎn)生漏檢。

而穩(wěn)壓器內(nèi)部堆焊層為不銹鋼材料，照明通常會在受檢表面產(chǎn)生鏡面反射，形成耀斑。遇到這種情況，可以通過調整照明亮度、采用多角度檢測等措施來降低表面耀斑的影響。

分別采用三種照明類型(聚光燈，散射環(huán)形燈和散射同軸燈)，使用130萬像素攝像機進行檢測，得到的高反光表面裂紋在不同照明條件下的檢測結果如圖7所示。

圖7 高反光表面裂紋在不同照明條件下的檢測結果

結果顯示，漫射同軸光是裂紋檢測的最佳照明方式。聚光燈和漫射環(huán)形燈相似，環(huán)形燈在某些方面更好。當聚光燈的照明角度平行于裂紋時，效果比環(huán)形燈的效果要好。但當聚光燈的照明角度垂直于裂紋，照明結果基本是無效的。

2.3 被檢對象

被檢對象的各種固有特性對于缺陷檢測的影響是至關重要。缺陷尺寸的大小直接決定了缺陷能否被檢出，表面狀況和表面耀斑則會影響缺陷檢測的難易程度。

在檢測設備一定的情況下，隨著缺陷長度的增加，檢驗人員有更大的長度去識別缺陷。但是，缺陷與背景之間的對比度不會隨長度的增加而提高。

隨著缺陷寬度的增加，缺陷與背景之間的對比度增加；缺陷的形狀會隨缺陷寬度的增加而更容易識別；缺陷寬度較大時，就不會將其誤認為機加工痕跡等無害特征。

18%灰度卡檢測圖像如圖8所示，使用分辨率為1 920×1 080的攝像機對一張長約200 mm，寬約160 mm的灰度卡進行攝像，灰卡上刻有寬度分別為15，20，25 μm的人工黑線，攝像機對于寬度大于100 μm的線可以清晰的辨識。對于15 μm的黑線則辨識難度大增，表明裂紋檢出率大大降低。

圖8 18%灰度卡檢測圖像

2.4 表面狀況

被檢對象的表面狀況對缺陷檢測有很大影響。一個表面狀況良好的部件，可以檢出微小的裂紋。然而，一個機加工痕跡明顯的表面會使微小缺陷的檢測變得異常困難。在役檢測中，硼結晶與水跡等常見表面狀況會使檢測變得更加復雜，甚至會遮蓋部分缺陷。

2.5 掃查速度

使用變焦攝像機在10～30 mm·s-1的速度范圍內(nèi)對一試樣裂紋(寬約110 μm，長約24 mm)進行記錄攝像，并評價得到的圖像。該裂紋在3種速度下得到的掃查圖像如圖9所示，掃查速度較低時幾乎不會引起圖像的變形，但當以30 mm·s-1的速度掃查時，圖像就會變得模糊不清，導致試樣上裂紋幾乎不可見。

圖9 裂紋在3種掃查速度下得到的圖像

可見，較低的掃查速度(低于20 mm·s-1)只會輕微降低圖像質量，所以在這個速度下掃查不會對檢測有害。然而，以大于70 mm·s-1的速度掃查就會大大降低圖像質量。

3 圖像處理

上述影響因素的存在，極易導致獲取的缺陷圖像伴有噪聲，因此需采用有效的圖像增強處理措施。圖像增強的核心思想是將圖像中有處理價值的部分進行表征化突出，從而衰減不具備處理價值的部分。常用的圖像增強方法為空域法和頻域法[3]?？沼蚍ê皖l域法可以對圖像信息進行過濾，以突出有效信息，并且可以去除無效信息，利于提升缺陷圖像的可讀性。

由于攝像頭拍攝的圖像為24位或36位彩色圖像，因此需要進行圖像灰度化處理。通過圖像灰度化處理，可以有效增強輪廓在辨識圖上的有效信息強度，加快接口數(shù)據(jù)傳輸校驗效率，提升計算機圖像處理速度?；叶葓D像的每個像素只有一個采樣顏色，并且其亮度用灰度值來表示。

邊緣檢測可采用圖像二值化方法，將目標輪廓和背景圖像分隔開后，可以獲得其二值化圖像f(x，y)，即

(1)

式中：T為圖像的全局閾值;G(x,y)為圖像算法中的算子，用來調節(jié)二值圖像的數(shù)據(jù)結果。

圖像細化指二值圖像的骨架化，即通過一層層地剝離，從原圖像輪廓邊緣中去掉一些點，提取出形狀和結構特征與原圖形一致、寬度為一個像素的輪廓骨架。圖像細化算法能提取缺陷圖像特征，同時不會破壞圖形的連通性，有助于圖像的后續(xù)處理。

由于測試環(huán)境具有電磁干擾復雜情況，CCTV采集到的原始圖像、傳輸過程中的電磁信號均會受到該環(huán)境的影響，使得地面接收到的圖像具有噪聲，進而影響圖像識別的精確度。對于圖像中的孤立點、線的噪聲和脈沖噪聲，可采用中值濾波的方法進行消除。同時，利用中值濾波算法還可以對圖像進行局部增強。采用引入擾動因子去關聯(lián)光照區(qū)間段的方法進行全局閾值的定義，對灰度空間進行最優(yōu)閾值雙向檢測，結合邊緣檢測技術對穩(wěn)壓管內(nèi)表面層的圖像進行提取，可以有效解決傳統(tǒng)圖像增強效果中存在的噪點過多等問題。

利用上述方法對某次試驗的圖像進行處理，處理結果如圖10所示。

圖10 某次試驗的圖像處理結果

4 結語

(1) 提高穩(wěn)壓器內(nèi)表面CCTV設備攝像頭與監(jiān)視器的分辨率，可以提高整個CCTV檢驗系統(tǒng)的分辨率。提高放大率也可以提高裂紋的檢出率，但是視頻采用太大的放大率會失去背景對比度，反而降低攝像頭對裂紋的檢出率，并且太大的放大率會大大降低檢驗效率，使檢驗時間變得不可接受。

(2) 漫射光有助于提高裂紋和金屬表面的對比度，漫射同軸光是裂紋檢測最好的照明方式。改善光源的類型與攝像頭的角度，有利于缺陷的檢出。

(3) 當缺陷尺寸不至于過小，表面狀況良好，采用充足的照明和足夠慢的掃查速度時，分辨率為1 920×1 080的攝像機可以可靠地發(fā)現(xiàn)尺寸大于100 μm的缺陷顯示。但對于寬度小于15 μm的裂紋，檢出率大大降低。

(4) 改善補檢對象表面狀況，能提高裂紋檢出率。

(5) 穩(wěn)壓器CCTV檢驗系統(tǒng)攝像機的掃查速度對攝像機的分辨率影響很大。低速掃查時，攝像機的分辨率幾乎沒有損失，但是高速掃查時，圖像質量嚴重降低，檢出率急劇下降。

(6) 采用有效的圖像處理措施，可增強缺陷典型特征及分辨率，從而提高缺陷檢出率。