基于斷層CT 的輕便式引信自動檢測系統(tǒng)研究

邵立康，朱小浩，張有兵

（中國人民解放軍炮兵學(xué)院，安徽 合肥 230031）

0 引言

引信是保證彈藥安全的關(guān)鍵一環(huán)，目前我軍對于炮彈引信的檢測，基本上都是使用傳統(tǒng)的有損檢測，如抽檢試爆，或者是使用觀察外觀等方法。 這樣做既不可靠也不經(jīng)濟(jì)，甚至存在著較大的安全隱患。事實(shí)證明，傳統(tǒng)的檢測技術(shù)和手段已經(jīng)不能解決我軍目前引信檢測、保障、儲存和保養(yǎng)中存在的問題[1]。美軍很早就重視引信安全性X 射線機(jī)動化檢測研究，目的是實(shí)現(xiàn)部隊(duì)所裝備彈藥非基地化檢測，以保證部隊(duì)的彈藥配備，滿足部隊(duì)的使用要求[2]。 因此，研究輕便式機(jī)動化引信安全性檢測技術(shù)是十分必要的。

1 系統(tǒng)原理及功能

1.1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)原理是利用ICT 技術(shù)，即：X 射線穿過物質(zhì)并與物質(zhì)相互作用后，其強(qiáng)度將受到射線路徑上物質(zhì)的吸收或散射而衰減。 由于物質(zhì)的衰減系數(shù)與物質(zhì)的密度直接相關(guān)，故衰減系數(shù)的二維分布可體現(xiàn)為密度的二維分布。 經(jīng)過一定數(shù)據(jù)處理或重建，能夠得到展現(xiàn)其結(jié)構(gòu)關(guān)系和物質(zhì)組成的二維圖像[3]。

1.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能主要檢查引信隔爆機(jī)構(gòu)位置是否正常，當(dāng)發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)有偏移或處于失效時，進(jìn)行自動報警。 其基本工作流程為：（1） 開機(jī)打開各子系統(tǒng)電源，系統(tǒng)初始化，并自檢反饋結(jié)果。（2）放上引信并選擇該引信類型。 （3）自動讀取數(shù)據(jù)庫中該引信參數(shù)，并發(fā)送到各子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置。 （4）開始掃描引信，射線經(jīng)前準(zhǔn)直器成扇束照射到引信后， 再經(jīng)后準(zhǔn)直器被探測器接收。（5）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將掃描數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)接嬎銠C(jī)。 （6）利用圖像重建和自動檢測算法，在顯示器上顯示掃描圖像和自動檢測結(jié)果。 圖1 是基于斷層CT 的輕便式引信檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 System structure sketch

2 系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計原理和功能，經(jīng)分析，整個系統(tǒng)可從射線源、準(zhǔn)直器、探測器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算機(jī)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機(jī)械掃描運(yùn)動系統(tǒng)7 個模塊來分別研究。

2.1 射線源

射線源用以產(chǎn)生掃描檢測用的射線束，是直接影響檢測效率的主要因素之一。 對射線源的選擇主要考慮強(qiáng)度適中、安全可靠、焦點(diǎn)尺寸小、使用壽命長、能夠快速檢測等因素。 本系統(tǒng)是一個輕便式的檢測裝置，在穿透厚度上要滿足炮彈引信檢測的最大穿透厚度（達(dá)到25～27mm 鋼板的要求），X 射線管電壓為80～160 kVp，電流為0.4mA，同時還需小型輕便。 經(jīng)大量調(diào)研論證，選擇美國Spellman 公司的XRB160 PN480 X 型射線機(jī)。 經(jīng)實(shí)驗(yàn)對比，該設(shè)備簡便、可靠、穩(wěn)定，安全性好，適合野外使用。

2.2 準(zhǔn)直器

準(zhǔn)直器將射線源發(fā)出的X 射線處理成所需形狀的射線束,減少散射，并用于限制進(jìn)入探測器射線束的截面尺寸。 前準(zhǔn)直器將射線限制成具有一定厚度的扇形射線束，后準(zhǔn)直器將扇形射線束離散化為線狀束，以利于探測器的接收，同時屏蔽掉散射射線，減少散射射線對探測器的影響，以利于降低噪聲，提高信噪比和成像質(zhì)量。

2.3 探測器

X 射線探測器是數(shù)字化X 射線成像系統(tǒng)最重要的組成部分。 X 射線在穿過物體后，探測器將包含物體結(jié)構(gòu)信息的X 射線信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字矩陣，并傳輸入到計算機(jī)。 因此，探測器總體性能的好壞直接決定成像的質(zhì)量。 本系統(tǒng)根據(jù)引信檢測部件的尺寸、大小以及檢測要求的空間分辨率、速度、像素大小等參數(shù)，選用了Paxscan1313LowkV 型數(shù)字成像式平板探測器。 該探測器與傳統(tǒng)探測器相比，具有檢測效率高、速度快，可以獲得較好的空間分辨率和更高的射線利用率等優(yōu)點(diǎn)。

2.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于獲取和收集信號，它將探測器獲得的信號轉(zhuǎn)換、收集、處理和存儲，供圖像重建用。 本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與傳輸部分主要由CSI 閃爍晶體、PIN 光電二極管、低噪聲放大器、低壓電源、數(shù)據(jù)采集模塊和計算機(jī)通信接口組成（如圖2 所示）。其工作原理是利用CSI 閃爍晶體將X 射線轉(zhuǎn)換為可見光信號， 由PIN 光電二極管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，經(jīng)低噪聲放大器放大后，由數(shù)據(jù)采集模塊將信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再通過計算機(jī)通信接口將其傳輸至計算機(jī)。

圖2 探測采傳系統(tǒng)原理框圖Fig.2 Detection and acquisition system principle

2.5 計算機(jī)系統(tǒng)

計算機(jī)圖像自動處理系統(tǒng)是檢測設(shè)備的核心，設(shè)備的主要功能都由它來完成，包括自動對射線機(jī)及控制系統(tǒng)中各參數(shù)的設(shè)置、圖像重建、圖像處理、圖像顯示、自動檢測報警、圖像存儲及系統(tǒng)自檢等。根據(jù)本系統(tǒng)小型輕便的要求，采用筆記本電腦（處理器為100 MHz 總線下的Intel PIV/350 以上、內(nèi)存1G、硬盤80G 以上、分辨率不低于1024×1024、真彩色顯示卡）。 網(wǎng)絡(luò)集線器、 網(wǎng)卡最低10M 以上速率，以保證網(wǎng)內(nèi)多節(jié)點(diǎn)間大數(shù)據(jù)量的實(shí)時傳輸與交換。

2.6 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)接收計算機(jī)發(fā)出的控制指令，實(shí)現(xiàn)對掃描檢測過程的控制。 它通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制機(jī)械掃描運(yùn)動系統(tǒng)，完成機(jī)械運(yùn)動的精確定位控制、整個系統(tǒng)的邏輯控制和時序控制，以及系統(tǒng)各個部分的協(xié)調(diào)，并擔(dān)負(fù)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控和安全連鎖控制。

2.7 機(jī)械掃描運(yùn)動系統(tǒng)

在本系統(tǒng)中，機(jī)械掃描運(yùn)動系統(tǒng)主要用來承載被檢測引信，并在控制系統(tǒng)的控制下完成三自由度、高精度的運(yùn)動，為計算機(jī)圖像自動處理系統(tǒng)提供所需該引信預(yù)定位置的計算機(jī)斷層掃描圖像。 本系統(tǒng)的主要檢測對象引信屬于精密部件，檢測時要求一定的檢測精度和良好的幾何穩(wěn)定性，因此，選擇立式結(jié)構(gòu)對引信進(jìn)行檢測。 被檢測引信安放在機(jī)械檢測臺上，通過分層運(yùn)動、分度運(yùn)動、徑向運(yùn)動得到不同方位的多幅圖像，提高成像分辨率，便于圖像重建。

3 關(guān)鍵技術(shù)問題研究

3.1 檢測部件的研究

設(shè)備檢測對象主要是對機(jī)械類型的引信（如各種類型的炮彈、火箭彈的引信），也可對電子引信的機(jī)械保險裝置進(jìn)行檢測。 據(jù)統(tǒng)計，常規(guī)的引信重量一般在2 kg 以下，全長在60～200 mm 之間，最大外直徑在40～64 mm 之間。 本系統(tǒng)檢測部件用小型旋轉(zhuǎn)平臺，其分度盤直徑為120 mm，安裝底盤直徑為130 mm。 旋轉(zhuǎn)平臺上布置有夾具，用于固定引信。平臺受計算機(jī)控制，按檢測需求，在步進(jìn)電機(jī)的帶動下可作三自由運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)速度為10°/s。 該系統(tǒng)的X 射線機(jī)安全性高，持續(xù)工作穩(wěn)定性好，且X 射線泄漏劑量為0.5 mR/h（在離裝置5 cm 處），達(dá)到國際工業(yè)CT 機(jī)的安全技術(shù)性能要求（系統(tǒng)射線安全防護(hù)可靠，滿足部隊(duì)安全可靠的需要）。

3.2 輕便式的實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)裝置的輕便式和適應(yīng)野外作業(yè)的特殊要求， 系統(tǒng)設(shè)備的各組件都安置在一個小推車上。X 射線源主體為長方體， 基本尺寸為： 底部直徑長508 mm、寬571.5 mm、高273.1 mm，重量40 kg。 探測器基本尺寸為：長650 mm、寬100 mm、高500 mm左右。 探測器以及機(jī)械掃描系統(tǒng)、主機(jī)筆記本等體積均較小，重量較輕。電源采用交、直流兩用方式，交流用220V，50 Hz 市電，直流用蓄電池。為減輕整機(jī)重量，機(jī)械系統(tǒng)支架和平臺采用硬鋁合金型材料。總之，整體上實(shí)現(xiàn)了裝置的小型化、輕便式，滿足了部隊(duì)機(jī)動化野外作業(yè)的要求。

3.3 檢測高效率和可靠性的實(shí)現(xiàn)

為了提高檢測效率和系統(tǒng)檢測的可靠性，檢測單個引信的時間（掃描開始到檢測結(jié)束）為1 min，加上電機(jī)調(diào)整時間，檢測兩發(fā)不同引信也僅需3 min。在圖像上，采用多種數(shù)據(jù)校正和去除射束硬化的技術(shù)，利用經(jīng)典的卷積投影濾波圖像重建算法，保證了圖像質(zhì)量和重建速度。 采用了適合多種引信的圖像預(yù)處理技術(shù)，不同引信結(jié)構(gòu)用不同的圖像分割算法及自動檢測算法。 在自動檢測的同時，用戶還可根據(jù)掃描顯示的重建圖像，對照該引信的檢測說明，進(jìn)行人工判讀，無需較專業(yè)的知識，便可消除因檢測設(shè)備誤差在射擊時帶來的膛炸、早炸等重大安全事故。

4 系統(tǒng)檢測結(jié)果及分析

筆者對該檢測系統(tǒng)的各種性能進(jìn)行了測試，結(jié)果表明： 各子系統(tǒng)的所有技術(shù)指標(biāo)均滿足要求。 其中，圖3 為該系統(tǒng)對榴-5 引信中回轉(zhuǎn)體和軸座這兩處裝有雷管及導(dǎo)爆藥的斷層掃描圖。有關(guān)榴-5 引信的結(jié)構(gòu)和作用原理，相關(guān)文獻(xiàn)均有論述。

從圖3a 中可清楚地看到，回轉(zhuǎn)體處裝有雷管的圓槽灰白區(qū)域及軸座的止銷插在回轉(zhuǎn)體的回形槽中的一端。 這說明其處在正常安全隔爆位置。 而在圖3b 中，圓形灰白的區(qū)域裝有導(dǎo)爆藥。 在引信待發(fā)狀態(tài)下，這兩處圓形灰白區(qū)域處于對正狀態(tài)，且止銷滑到回形槽靠近雷管的一端。 通過計算機(jī)圖像自動處理系統(tǒng)，自動計算其重心坐標(biāo)差，并考慮系統(tǒng)誤差。當(dāng)超過系統(tǒng)誤差值時，自動報警。 此時，操作人員可對照該引信的檢測說明，進(jìn)行人工判讀。

圖3 榴-5 引信掃描圖像Fig.3 Pyrope-5 fuze scanning pictures

5 結(jié)語

該檢測系統(tǒng)的設(shè)計不僅能對引信進(jìn)行足夠精確和快速的檢測，而且實(shí)現(xiàn)了裝置的輕便式，在檢測上也實(shí)現(xiàn)了自動檢測和無需要專業(yè)知識的人工識別，該系統(tǒng)在軍事武器裝備上有較高的價值和意義，并具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。

[1] 王歡. 基于錐束CT 的引信直接三維重建研究[D]. 炮兵學(xué)院，2006.

[2] 美國無損檢測學(xué)會. 美國無損檢測手冊[M]. 《美國無損檢測手冊》譯審委員會，譯.上海：世界圖書出版公司，1992：154-155.

[3] 鄭世才. 射線檢測[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：77-79.