核電站穩(wěn)壓器內表面堆焊層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冷卻劑產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)壓器內表面堆焊層CCTV檢測過程

穩(wěn)壓器筒體內表面堆焊層筒體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(串行數據)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是攝像機芯片上每個光敏單元的成像尺寸。該參數受兩個影響因素——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，圖像中會產生耀斑，從而導致設備分辨能力大大降低，進而產生漏檢。

而穩(wěn)壓器內部堆焊層為不銹鋼材料，照明通常會在受檢表面產生鏡面反射，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，加快接口數據傳輸校驗效率，提升計算機圖像處理速度。灰度圖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)二值圖像的數據結果。

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。