射线实时成像检测系统标定及定量分析方法的研究

2000年5月OPTICALTECHNIQUEMay　2000

文章编号:100221582(2000)0320286203　　

射线实时成像检测系统标定及定量分析方法的研究

任大海1,尤政1,邾继贵2,孙长库2,叶声华2

Ξ

(1.清华大学精密仪器与机械学系,北京　100084;2.天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津　300072)

摘要:以射线实时成像检测系统为研究对象,从射线实时成像检测系统的透视变换出发,给出了其成像模型,对成像系统的标定和缺陷的定量分析进行了较为详细的研究。针对工业射线探伤工作的特点,设计了对称型标定块,分析了不清晰度的影响,讨论了间接标定和移动法测量缺陷的方法。所述方法简便易行,且具有良好的稳定性,在实际应用中取得了良好的效果。

关键

词:射线实时成像;缺陷检测;定量分析

中图分类号:TH87811　　　文献标识码:A

Thestudyoncalibrationandquantitativeanalysismethods

forreal-timeradiographyinspectionsystem

RENDa2hai1,YOUZheng1,ZHUJi2gui2,SUNChang2ku2,YESheng2hua2

(1.Departmentofprecisioninstrumentsandmechanics,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

(2.StateKeyLaboratoryofPrecisionMeasuringTechnology&Instruments,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)Abstract:Theresearchiscarriedoutforreal-timeradiographicinspectionsystemonthebasisoftheperspectivetransfor2mation.Meanwhile,theimagingmodelispresentedandtheproblemsofsystemcalibrationanddefectquantitativeanalysisarestudiedindetail.Aimingattheindustrialradiographyinspection,asymmetricalcalibrationblockisdesignedandtheinfluenceofblurringisanalyzed.Moreover,the“indirectgauging”andthemethodfordefectmeasuringbasedonworkpiecemovingarediscussed.Itisindicatedthroughpracticethatthemethodspresentedareverysimpleandconvenient.Inaddition,itpossessestheadvantageofgoodreliabilitybywhichverysatisfyingresultsareachievedinpracticaluses.

Keywords:real-timeradiography;defectinspection;quantitativeanalysis.

1　前　言

长期以来,在工业探伤领域普遍使用的仍然主要是胶片摄影法。为了改善操作人员的工作条件,提高检测工作的效率,研究开发适合工业探伤需要的射线实时成像检测技术,无疑具有重要的意义[1]。一般来讲,射线实时成像检测系统包括射线透射、图像增强、光学成像、数字量化等多个环节,为了进行缺陷的定位与测量,需对上述系统进行标定[2]。本文从射线实时成像检测系统的特点出发,对系统的标定进行较为详细的讨论,并在此基础上研究相应的缺陷定位与测量方法。

故在测量前必须进行标定。理论上讲,若能够正确确定上述各成像环节的参数,即可准确地由图像求出缺陷的大小;但实际上我们只关心系统被测面与像面间的变换关系,即需对以上过程进行简化。在实时成像法检测中,缺陷的大小是以像素为单位进行衡量的。为此,我们已对实时成像系统的成像过程进行了详细分析。但应该指出,由于射线检测的实际特点,一般情况下,我们只需对其二维投影进行分析。在此,我们以摄像机光学透视中心为原点,x、y轴方向分别沿与像面平行的水平和垂直方向建立坐标系。对于平板型或类似被测物,其成像模型可以简化为

nxny

=

kx

0

ky

～

Dx(x0,y0)x0y0

(1)

2　射线实时成像系统的标定

在胶片照相法检测中,底片上缺陷的大小可直接量出,由放大比关系即可求出缺陷的大小;而在实时成

像法检测中,缺陷的大小是以像素为单位进行衡量的,

Ξ收稿日期:1999211205

00

Dy(x0,y0)

～

1

01

1

式中(x0,y0)为被测点坐标;kx、ky为x、y方向的比例系数;ns、ny分别为像面上x、y方向的像素位置坐

作者简介:任大海(19582),男,河北人,清华大学博士后,从事光电测试技术与控制、微米纳米技术研究。

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　第3期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　任大海,等:　射线实时成像检测系统标定及定量分析方法的研究

标;Dx(x0,y0)、Dy(x0,y0)为实际像差,由系统空间布局和成像像差决定。

对于上式中各个参数的值,我们可由工件上点与像面上点的对应关系求出。严格来讲,对按上节方法建立的坐标系,工件坐标x0、y0值并不易得知,但一般而言,我们并不需要精确地逐点求取以上坐标值。事实上,一般情况下我们可忽略成像过程中的像差,只需确定工件位置与像面位置处的二维相对变换关系,即只需确定二者在线度上的变换关系。对于需要准确定出被测点三维坐标的情况,事实上也可转化为上述问题。为此我们只要在被测面附近标定一参考点。由下面方法,我们可以得知被测点与参考点的相对位置,由此即可确定被测点的绝对位置。下面我们仅以单方向为例进行讨论。

在此,我们可采用阶梯形块[3],从所采集图像中求出与标定块上两已知点对应的像素位置,与实测的L值相比较,即可求出工件坐标与摄像机坐标间的变换关系,其变换系数为

kdc=L/n

～～

AiBi,实际上可由A1A2和B1B2间的任意连线投影

而得,而我们无法确切知道AB的位置。同时,在实际检测中,我们很难保证工件安装位置的一致性。为此,我们采用如下的方法进行测量。

3　缺陷的定位与测量

设A1～A2,B1～B2在像增强器输入屏上的投影均为AiBi,我们可对像增强器的输入屏位置进行标定,即求出与像面上AicBic对应的AiBi大小。为此,我们采用如图2所示的对称型阶梯块,设A、B为上表

图2　对称型标定块示意图

面点,相对距离为L,参考图1,可得

Li=

LHH-T-H2

(2)

设与L对应的像素个数为n,则有变换系数

kic=

LHn(H-T-H2)

(3)

式中n为对应的像素总数。

　　在实际检测中,我们很难确切知道增强器输入屏的位置,不过这无关紧要。事实上,AiBi面的位置可以取在A2B2至增强器输入屏间的任意位置,我们不妨把它称为“虚拟像面”。

对实时成像检测系统进行标定以后,由工件缺陷在摄像机坐标平面上的投影,即可求得其实际大小,在缺陷高度方向影响不大的情况下,我们可采用下面的方法进行测量。在射线实时成像检测中,根据检测系统的特点,我们采用射线源与增强器相

对固定,工件进行移动的方法进

图3　移动法缺陷测量行缺陷的定位与

测量。在对平板类工件的检测中,我们采用电机对试板进行拖动,以完成整体检验;对圆筒类工件的周向缺陷,我们可采取将射线源与增强器分置在圆筒内外,利用滚转台带动筒体转动进行周向检测。基于以上结构设计,我们采取移动工件两次采集图像的方法进行缺陷高度的定位。

对平板类工件,如图3,设缺陷到虚拟像面距离为

h,工件在与像面平行的方向上移动的距离为S,缺陷

(a)边缘不清晰　　　　　(b)内部位置的不确定

图1　标定中的不确定性

　　事实上,标定过程中存在着许多不确定性因素的影响。图1所示分别为边缘不清晰和内部位置的不确定,其中,s为射线源,Uv为由工件边界高度造成的不清晰度,A1～A2,B1～B2为工件上点,Ai～Bi为其在像增强器输入屏上的投影,H为射线源到增强器输入屏的位置,T为工件厚度,H2为工件底面到输入屏的距离,L0和Li分别为内部缺陷的实际长度和投影长度。h为缺陷到输入屏的实际距离。

这里,考虑到阶梯高度越大,由射线源倾斜造成的

边缘不清晰度越大[如图1(a)],从而影响边界的确定,故我们将阶梯高度取为0.2mm。

在工件厚度较小或精度要求不高时,上述方法是可行的。但当需要进行精确定位时,应作进一步分析。在下面的分析中,忽略散射和焦点的影响,将成像模型看作纯几何投影关系。

由图1(b)可见,对于由摄像机摄得的图像段

287

光　学　技　术　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第26卷

在虚拟像面上的投影为Di,S在虚拟像面上的投影为Si,则Si的大小可由下式求出

Si=ns・kic

(4)

量条件较好,并有可靠的图像处理及测量控制软件配合条件下,可以得到较为满意的结果。

这里,kic为变换系数,可由与前面类似的方法标定得出;ns为与Si对应的像素个数,而S的大小可直接求得或由电机的转数及传动比求出,于是可知

h=(Si-S)H/Si=(ns・kic-S)H/(ns・kic)

(5)

4　结　论

在实际工业探伤工作中,工件的厚度往往不一致,同时由于机械装夹等原因,图1中H2的大小常有变化,这时,往往需要对系统进行重新标定,而在两次采集图像法进行缺陷测量时,只要保持射线源距图像增强器的距离不变,其余参数的变化没有影响,这一点在实际检测中具有重要意义。我们在实际检测中采用这一方法,取得了良好的效果。参考文献:

[1]中国机械工程学会无损检测学会编.无损检测概论[M].北京:机

　　以上计算中,缺陷位置可利用缺陷的中心近似抽像代替。求出h后,即可由缺陷所占有的像素个数nd,求得缺陷大小

Dd=Di(1-ndh)=・SHns

(6)

　　这与直观结果是一致的。

在此,nd的大小应在缺陷处在垂直透射位置时读取。同时,我们看到,这种方法对缺陷大小进行测量时,结果的精确度与S的测量精度有很大关系,在测

械工业出版社,1993.[2]HalmshawR,RidyardJN.Areviewofdigitalradiologicalmethods

[J].BritishJournalofNDT.1990,32(1):16226.

[3]李衍.射线实时成像检验技术[J].无损检测,1996,18(10):2902

294.

(上接第282页)

(4)光学系统透过率:>45%;

(5)调制传递函数:0视场MTF≥0.9(21线对);

0.7视场MTF≥0.8(15线

(3)刷新率:25/30Hz。

　4.4　外形尺寸及重量

目标模拟器(不含二轴转台)的外形尺寸为:长、宽、高1120×300×440.5(mm);

重量:以CRT为图像源时为20kg;

以胶片为图像源时为25kg。

对);

(6)工作波段380nm～1100nm。

　4.2　模拟目标对导引头的运动特性

(1)目标距离范围:250m～30km;(2)弹目接近速度:0.8～1Ma;(3)目标滚动:≤±50°;滚动速率:<20°/s,变化

可调;

(4)模拟目标可作振幅3°～5°、周期1～3s的连续振动。　4.3　光学目标模拟器输出图像

(1)光学系统空间分辨率为800×600;(2)光束不平行度:≤(最小光栏时);0.5′

5　结　论

经过一年多的研制,已研制成“可见光光学目标模

拟器”。经用户使用证明,该装置的设计方案正确,技术指标已达到或超过原合同要求。利用该装置可有效地进行可见光电视导引头半实物仿真研究,为研究导引头的性能提供了良好的仿真手段。参考文献:

[1]袁志勇.新型光学目标模拟器的原理与结构[J].红外与激光工程.

1998,27(1).

[2]张万清主编.飞行导弹电视导引头[M].宇航出版社.北京.1994.

(上接第285页)

[1]张鸣平等1夜视系统[M]1北京:北京理工大学出版社,1993.[2]王以铭1电荷耦合器件原理与应用[M]1北京:科学出版社,1987.[3]张敬贤等1微光与红外成像技术[M]1北京:北京理工大学出版

模式CCD摄像机作为一种方便、灵活、有效易操作的弱光目标探测器的方法是行之有效的,又加之成本较低,它必将给许多科研领域提供切实可行的途径。参考文献:288

社,1995.

[4]张祥1帧积分图像处理技术的研究[D].北京理工大学学位论文1

北京:1999,1.