CN102253063A - 钢丝绳芯输送带x光在线检测探测器及信号采集处理方法 - Google Patents

Abstract

一种钢丝绳芯输送带X光在线检测探测器及信号采集处理方法。本发明属于无损X射线在线探测设备领域。本发明的硬件设计包括：通过光电转换模块实现X光信号到电信号的转换；四路A/D模块实现模拟信号到数字信号的采样；ARM+FPGA结构的信号采集与处理模块实现对A/D模块的控制及对像元数据的处理。信号采集处理方法包括：FPGA采用状态机实现四路A/D的采样控制；采用基于响应模型的三点分段像元非均一化校正算法在FPGA内实现像元数据的均一化处理；通过ARM计算出校正算法的系数，对校正完成的像元数据进行中值滤波处理。本发明可以实现对输送带的高精度、动态实时检测，便于对钢绳芯接头伸长、锈蚀和断裂等情况的诊断。

Description

钢丝绳芯输送带X光在线检测探测器及信号采集处理方法

技术领域

本发明属于无损X射线在线探测设备领域，特别是涉及一种钢丝绳输送带X光在线检测探测器及其信号采集处理方法。

背景技术

澳大利亚学者A.哈里森首次提出了根据电磁感应原理对强力输送带实现无损检测的方法，并研制出CBM强力输送带钢绳芯探测装置。这种方法在1982-1987年被用于德国、南非、加拿大、美国等地的采矿工业。该项技术的应用使对有危险的和高张力钢绳芯输送带的检测成为可能。我国的中科院力学所、煤科总院上海分院、太原理工学院等单位利用相似的原理研制出强力输送带钢绳芯探测装置。但采用该方法所研制的装置只能给出检测结果曲线，大致测出钢绳芯输送带断裂的位置和程度，不能直接显示输送带的内部图像，探伤周期较长、其精确位置和详细状况还要辅助设备来判断，存在准确性差、显示不直观、不能远程检测等缺点，而且当带内有纵向撕裂保护丝网时，更不能探测。1993年，中国矿业大学研制了基于X光探测原理的强力输送带的检测系统，该系统受当时的软硬件技术的限制，存在输送带图像处理速度慢、实时性差、精度低(分辨率为2.5mmx2.5mm)、不具备远程实时检测功能。专利申请200610015797.8提供了一种强力输送带无损检测系统，该系统的数据采集装置只有一路A/D，因此限制了其扫描速度。此外该系统将采集到的信号直接输入微机系统，利用微机进行数据处理，存在不能进行远程实时检测输送带图像以及硬件实现成本高的缺陷。

在强力输送带运输系统设计时，安全规程要求对强力输送带进行实时检测。但现有的检测手段存在可靠性差，不能准确定位，扫描速度慢，不能进行远程实时检测强力输送带图像等缺点，所以这一规程并未得到很好的落实。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述缺陷，提出一种钢丝绳输送带X光在线检测探测器及其信号采集处理方法。主要包含两个方面内容：一是钢丝绳输送带X光在线检测探测器的硬件结构；二是基于以上结构的X光像元信号采集处理方法。

1.钢丝绳输送带X光在线检测探测器的硬件结构

钢丝绳输送带X光在线检测探测器包括光电转换模块、信号调理采集模块和ARM+FPGA结构的信号处理传输模块。

光电转换模块包含4组光电转换板，每组通过串联的方式连接多块(最多8块)光电转换板，产生1路串行电信号。光电转换板主要由二氧化钛(TiO₂)涂层、闪烁晶体、光电二极管阵列(包含64个光电二极管)、放大电路和通道选择电路组成，其组成框图见附图2。光电转换模块的工作过程：接收到的X光经二氧化钛涂层滤除自然光以消除自然光对闪烁晶体的影响后，照射在闪烁晶体上；闪烁晶体是一种感光材料碘化铯(CsI)，可将X射线转换成可见光；可见光经光电二极管阵列转化为电荷信号，由一级放大电路转换为电压信号送给二级放大电路；二级放大电路对电压信号进行低压差分放大后，送给通道选择电路；通过通道选择电路控制各路低压差分信号依次输出至信号调理采集模块。

信号调理采集模块主要由4组信号调理电路、A/D转换电路组成，其组成框图见附图3。信号调理电路是由一级运算放大器、低通滤波器和二级运算放大器组成；A/D转换电路采用TI公司的ADS8422芯片，以16位并行数据格式输出数字信号，采样速率为4MSPS。信号调理采集模块实现对X光信号转换的模拟信号进行放大、滤波和A/D转换后，输出数字信号给信号处理传输模块。

信号处理传输模块主要由FPGA、ARM9和以太网接口等电路组成，其组成框图见附图4。FPGA电路实现信号采集控制、A/D转换控制和均一化处理功能。ARM用来计算校正算法的系数，并将计算完成的系数通过总线写入FPGA。ARM接收FPGA处理完成的数据，并对其进行中值滤波处理，处理完成后通过网络上传到PC机。

2.基于上述硬件结构的X光像元信号采集处理方法

该部分包含A/D采样控制、像元数据均一化处理、像元数据中值滤波三部分内容。

2.1A/D采样控制

FPGA内部X-CARD时序控制模块和A/D采样控制模块是由有限状态机来实现的，有限状态机的状态转换见附图5，主要包含复位、发出转换信号、读忙信号判别、片选、读A/D转换的数据等状态。

2.2像元数据均一化处理

在线阵探测器应用中，期望光辐照强度相同的情况下，各个像元的响应或者输出是一致的。但是实际的情况不是这样：在同样强度的光的照射下，或者说探测器上方遮挡同样厚度同一种物体的情况下，探测器的各个像元的响应存在差异。这就是所谓的探测器的非均一性。

线阵探测器的像元响应可以由式(1)来表示，Y_i表示第i个像元的输出，Φ表示照射到第i个像元的光的强度，R_i表示该像元对光的转换效率，X_i0表示该像元的本底噪声。

Y_i＝R_i*φ+X_i0                    (1)

首先，线阵探测器每个像元的X_i0是不一样的，主要原因有两个，一是每个二极管的暗电流不同，二是每个二极管后级的运放电路存在差异。

其次，每个像元之间的R_i是不一样的，主要是每个像元由于工艺的原因存在差异，如像元尺寸大小不一致、像元内部参数存在差异等。事实上每个像元的R_i本身也不是常数，是随着Φ的大小而变化的。

最后，在X光光源发出同样强度的光的情况下，到达各个像元的光的强度也是不一样的，因为光源到各个像元的距离是不一致的。X光束流的强度按照X光的出射角度进行分布，即出射角度越小，光的强度越大，因此到达线阵探测器的中间的像元的光的强度要大于到达两边的光的强度，这也是引起探测器非均一性的一个因素。

探测器的非均一性的后果是检测得到的图像存在灰度不一的条纹，严重影响了图像的质量。探测器的非均一性校正的目的是让探测器在同样光强度辐照下，探测器的各个像元的响应一致。

目前国内外有很多文献对线阵探测器的像元非均一性的校正算法进行了研究。主要可以归结为两种算法：一是两点校正法，两点校正法是目前工业应用最为广泛的一种校正方法。二是分段插值校正法，分段插值校正法是两点法的细化与深入，具有更精确的校正效果。本发明是在分析了以上算法的基础上，同时考虑了本文设计系统的特性情况下提出一种基于探测器响应曲线的三点分段校正法。该方法是分段插值校正法进一步细化并缩减了运算量。

两点校正算法：

两点校正法的原理如下，对式(1)加入光强度的角分布的因素，则式(1)可以改写为式(2)。θ是像元与射线源的夹角，F(θ)是根据夹角计算出的系数。

Y_i＝F(θ)*R_i*φ+X_i0                (2)

两点校正法的前提是假设每个像元的R_i与F(θ)是一个常数，即每个像元的响应是一条直线，各个像元响应直线的斜率与截距是不一样的。校正的方法是每个像元的响应先减掉本底噪声，使截距变为零，然后不同像元乘上相应的校正系数，使像元响应的斜率变为一致。各个像元的校正系数计算公式如式(3)，校正后输出如式(4)。

$K_i=\frac{\mathrm{Yh}-\mathrm{Yl}}{{\mathrm{Yh}}_i-{\mathrm{Yl}}_i}---\left(3\right)$

${\stackrel{\‾}{Y}}_i=K_i(Y_i-Y_{i0})---\left(4\right)$

式(3)中Yh为探测器没有遮挡，开X光源情况下，采集到的所有像元输出的均值，Yh_i为第i个像元的输出值。Yl为关闭光源，所有像元输出的平均值，Yl_i为第i个像元的输出值。K_i为第i个像元的校正系数。式(4)中

为第i个像元校正后的输出。具体校正过程可由附图8表示，附图8(a)表示三个点的响应，横坐标为照射到探测器的光的强度Φ(Φ与探测器上方遮挡的物体的厚度d成线性比例关系)，纵坐标为探测器的输出。附图8(b)表示去掉本底噪声之后的响应，附图8(c)表示三个点的响应乘上各自校正系数后校正完成。

显然，两点校正法在探测器响应为线性的前提下，无论是由于像元的本身差异引起的图像不一致还是由于光的强度分布引起的图像不一致，都可以得到完全校正。但是探测器的响应一般呈非线性，即式(4)中的R₁与F(θ)都不是一个常数。在考虑到探测器响应为非线性的情况下，一种新的校正方法被提出，分段插值校正法。

分段插值校正算法：

分段插值校正法是把非线性校正简化为分段线性的一种校正方法，式(5)为其校正公式，式中X_i(Φ)、X_i(Φk)、X_i(Φk-1)表示第i个探测单元在光辐射强度为Φ、Φk、Φk-1情况下的输出，

为所有探测单元在光辐照强度为Φk-1、Φk情况下输出平均值，也就是在这种情况下的校正输出值，Yi(Φ)为第i个探测单元校正后的输出。显然，式(5)表示的意义是在求取了光辐照强度为Φk与Φk-1两种情况下第i个探测单元的输出值与校正后的输出值后进行线性插值来求取光辐照强度在Φk与Φk-1之间的第i个探测单元的输出值。从本质来说，分段插值校正法其实就是分段两点校正法。

$Y_i\left(\mathrm{\φ}\right)=\frac{\stackrel{\‾}{Y\left({\mathrm{\φ}}_k\right)}-\stackrel{\‾}{Y\left({\mathrm{\φ}}_{k-1}\right)}}{X_i\left({\mathrm{\φ}}_k\right)-X_i\left({\mathrm{\φ}}_{k-1}\right)}(X_i\left(\mathrm{\φ}\right)-X_i\left({\mathrm{\φ}}_{k-1}\right))$

$+\stackrel{\‾}{Y\left({\mathrm{\φ}}_{k-1}\right)}---\left(5\right)$

首先将探测器响应分为若干段，求出每段的两个端点的校正输出值，然后通过线性插值来求该线段内各种输出下的校正输出值。

校正的具体实现分为两步：一是定标，即求取校正公式(5)中的各个校正系数；二是校正，即运用公式(5)，对每个像元输出值进行校正。

定标过程如下：假设将探测器响应分为n段，则需要制作厚度为d(1)、d(2)、d(3)直到d(n-1)的n-1块探测器遮挡板，在放置不同厚度遮挡板时使探测器受光的辐照强度不一。放置厚度为d(k-1)的遮挡板，采集N次线阵探测器输出，将i个像元的输出求和后取均值就可以得到X_i(Φk-1)，将N次线阵探测器输出的所有像元的值求和后取均值，就可以得到

同样方法可以计算X_i(Φk)、

校正过程如下：探测像元输出值根据X_i(1)、X_i(Φk-1)、X_i(Φk)等值分为n段，在探测器正常工作时根据i个探测像元的输出值确定分布在那一段，将该段校正系数代入上式(5)对该像元输出值进行校正。

分段插值校正法考虑了探测器的响应的非线性，校正精度越高。但是存在如下问题：一分多少段合适，分段多，校正精细，运算量大，分段少，校正效果不好；二如何选择分段点，是在光强度范围均分，还是其他分段方法。基于以上考虑，本文提出了基于响应曲线的三点分段校正法。

基于响应曲线的三点分段校正算法：

基于响应曲线的三点分段校正算法为本发明提出的一种新的校正算法。研究表明探测器的响应一般呈S曲线，如附图9所示，即探测器的响应曲线可以分为三段：光的强度比较弱的时候；光的强度比较强，探测器响应接近饱和的时候，探测器响应曲线的斜率较小；在光强为中间值时，探测器响应基本为线性。基于以上研究，本文提出一种基于“S”型响应模型的三点分段校正法，即对探测器响应曲线分为三段进行逼近校正，具体的校正公式为公式(5)。分段的位置为S曲线的两个拐点(附图9中Φ1、Φ2两个点)，具体数值通过探测器响应曲线的标定实验来确定。

校正过程同样分为两步，标定和校正。与分段插值校正法不同之处是在标定过程中首先确定两个响应曲线的拐点。具体过程如下：将探测器的遮挡物的厚度逐步增加，使探测器接收到的光强逐步减弱，得到附图9中的Φ值，同时将探测器所有像元的输出值进行均值计算，计算的值作为附图9中的Y值，这样就可以得到探测器的响应曲线。根据曲线确定Y1、Y2的值，同时求取在Y1、Y2两种情况下每个像元的均值X_i(1)、X_i(2)，由X_i(1)、X_i(2)来确定每个像元的分段点。其余的校正实现与分段插值校正法一样。

这种校正算法按照探测器的响应将响应曲线分为三段，一是非常好的逼近了探测器的响应曲线，精度比较高。二是计算量也比较小，适合实时性要求比较高的工业现场应用。

基于响应曲线的三点分段校正算法的FPGA实现：

线阵探测器像元数据采集与处理的平台结构为ARM+FPGA，ARM采用三星公司ARM9系列的S3C2440A，FPGA采用Xilinx公司spartan3e系列FPGA。ARM与FPGA之间通过总线进行通信，FPGA实现数据采集与校正，校正完成的数据存储到FPGA内部一块双口RAM里，ARM读取FPGA内部数据，通过网络传输给计算机，计算机通过软件将数据显示为图像。具体算法实现如附图6所示，系统是四路A/D并行采样、处理，附图6中画出了一路信号的采集与处理情况，其他三路算法的实现方式与此完全相同的。首先是用一个状态机，实现A/D的控制与数据的采样，ROM(1)内部存储各个像元的分段值，通过分支判断模块来判定本次采集的数据应该用哪一段的校正公式进行校正，减法器是实现式(5)中减去X_i(Φk-1)的运算，ROM(2)、ROM(3)、ROM(4)内部存储三个分段的乘法系数，即式(8)中的比值部分的数值，加法器是实现式(8)加

的运算，最后的数据写入双口RAM，由ARM通过总线读取。

2.3像元数据中值滤波

像元数据中值滤波有ARM实现，ARM读取FPGA均一化数据后进行中值滤波处理，中值滤波节数可以通过PC机指令进行设定，处理消除了探测器的噪声，使图像清晰度加强。

3.本发明的硬件结构及其信号采集处理方法的优点

本发明的硬件结构优点：

(1)容易扩展，可以根据被测物体的宽度扩展探测器长度。

(2)并行采集，提高了数据采集速率，有助于探测器分辨率的提高。

(3)ARM+FPGA的处理器架构对算法快速实现。提高数据处理速度。

信号采集处理方法的优点：

(1)算法精度较高。

(2)算法实现的运算量较小，利于探测器实现在线实时检测。

附图说明

图1是钢丝绳输送带X光在线检测系统，其中虚线框内的为本发明的钢丝绳输送带X光在线检测探测器。

图2是光电转换模块结构框图。

图3是A/D采样模块结构框图。

图4是ARM+FPGA的信号采集与处理模块。

图5是控制A/D的状态机。

图6是基于响应曲线的三点分段校正算法的FPGA实现。

图7是响应曲线的三点分段校正算法的处理效果图。图7.1是未进行处理的图像，图7.2是处理完成的图像。

图8是两点校正法的示意图

图9是基于探测器响应曲线的三点分段校正算法示意图

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明做进一步详述

图1是高速X射线强力输送带检测系统结构框图。本发明的钢丝绳输送带X光在线检测探测器为虚线框内部分。

X射线发生器产生的X射线穿过运行着的强力输送带，照射到高速X射线探测器。高速X射线探测器用于对透过强力输送带的X射线进行接收、处理及传输。首先光电转换模块的硅光电二极管一维阵列将强力输送带内钢绳芯的投影图像光信号转换为电信号。然后电信号通过信号调理采集模块进行模拟信号调理和A/D转换，转化为数字信号，数字信号再送入信号处理传输模块进行图像数字信号的前端处理，然后信号处理传输模块通过以太网接口将处理后的信号传输到PC机中进行后端处理和显示。PC机中装有X射线强力输送带检测系统软件，包括初始化，输送带图像显示、存储、检索，结果分析与报警和以太网通信模块。该软件除了能进行图像处理的基本功能和对图像进行动态实时显示外，还能够运用各种算法对强力输送带钢绳芯的接头伸长、锈蚀、断裂等情况进行提取和判断，并在超标时给出报警信号。

图2是光电转换模块框图。光电转换模块每四个为一组，组内模块之间以串行方式连接，最多可分为四组，每组与X射线数据采集模块并行连接。每组X射线光电转换模块以并行方式与X射线数据采集模块连接。X射线数据采集模块同样以并行方式与X射线数据处理与传输模块连接，一个X射线数据处理与传输模块最多可与6个X射线数据采集模块并行连接。实际应用中可以根据检测的皮带的宽度，来决定采用X射线光电转换模块和X射线数据采集模块的个数。

每个X射线光电转换模块有32或64个光电转换通道，即32或64个象素，象素间距最小为0.8mm。它利用硅光电二极管阵列将探测器吸收的X射线转换为与之能量和流量成正比的电流信号，然后进入X射线数据采集模块。X光数据采集模块由多路开关及信号调理电路，A/D转换器和时序控制器组成。首先通过多路开关和信号调理电路，将输入的包含有强力输送带信息的模拟电压并行信号转换为串行信号。模拟电压信号然后进入A/D转换器，进行模数转换并得到16位数字信号。其中时序控制由FPGA完成，用于产生精确的时序信号来控制多路开关和A/D转换器的转换工作。

图3是信号调理采集模块框图。信号采集模块主要由4组信号调理、A/D转换等电路组成，实现对X光信号转换的模拟信号进行放大、滤波和A/D转换后，输出数字信号给信号处理传输模块。

图4是ARM+FPGA结构的信号处理传输模块框图。处理平台为ARM+FPGA。FPGA实现A/D的采样、数据处理，ARM实现滤波处理。信号调理采集模块输出的数字信号被发送到处理传输模块中的图像处理及传输控制器。信号处理模块由数据处理与传输控制器、串口芯片、以太网接口芯片、数据存储器和电源管理电路五部分组成。其中数据处理与传输控制器是X射线数据处理与传输模块的核心，它分别与模块中的其他四部分相连。数据处理采用Xilinx公司的高端FPGA芯片，完成对X光数据采集模块和信号进行处理。ARM实现中值滤波处理，并根据TCP/IP协议对数据进行打包，通过以太网接口发送到上位PC机。串口芯片用于对模块进行调试。数据存储器采用SDRAM存储器，用于对预处理后的数据进行缓存，它可以根据实际需要以及FPGA芯片的容量进行相应的扩展。

Claims (3)

1.一种钢丝绳芯输送带X光在线检测探测器及信号采集处理方法，包括探测器的硬件结构和基于该硬件结构的像元采集、均一化与滤波处理算法，其特征在于，探测器的硬件结构包括光电转换模块、信号调理采集模块和ARM+FPGA结构的信号处理传输模块，采集处理算法为FPGA用状态机实现四路A/D的采样控制，采用基于响应模型的三点分段像元非均一化校正算法在FPGA内实现像元数据的均一化处理，用ARM实现均一化校正算法的系数运算，校正完成的像元数据的中值滤波处理，ARM与FPGA之间采用总线方式通信。

2.根据权利要求1所述的基于响应模型的三点分段像元非均一化校正算法以及该算法采用ARM+FPGA实现的结构，其特征在于基于响应模型的三点分段像元非均一化校正算法是一种新的线阵探测器像元非均一化校正算法，较以往工业常用的两点法校正精度有很大提高，但是计算量比较小，适合流水线检测应用。并用ARM+FPGA的处理器结构对该算法进行了实现，采用FPGA实现校正过程，ARM用来计算该校正算法的系数，并将计算完成的系数通过总线写入FPGA。

3.根据权利要求1所述的钢丝绳输送带X光在线检测探测器硬件结构，其特征在于光电转换模块实现X光信号到电信号的转换，信号调理采集模块采用多路A/D并行实现模拟电信号到数字信号的高速采样，ARM+FPGA结构的信号处理传输模块实现对信号调理采集模块的控制以及对像元数据的处理与传输。

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