CN104132951B - 用于x射线无损检测的图像信号采集和处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明开公了一种用于X射线无损检测的图像信号采集和处理装置，包括探测器线阵、探测器线阵中的探测器分组与各个模拟信号处理子板对应连接，各个模拟信号处理子板共同与图像采集与处理母板连接；所有的探测器紧邻并排固定在安装支架上，每四个一组，然后通过排线对应连接到对应的模拟信号处理子板上；模拟信号处理子板与图像采集与处理母板之间隔离有铅板，探测器线阵、模拟信号处理子板、图像采集与处理母板外周设置有金属板围成的金属外壳。本发明的装置，实现了将探测器输出信号转换成数字图像数据并送入上位机，整个成像过程误差得到了最大限度抑制，实时性强，X射线检测的成像质量高。

Description

用于X射线无损检测的图像信号采集和处理装置

技术领域

本发明属于自动检测技术领域，涉及一种用于X射线无损检测的图像信号采集和处理装置。

背景技术

X射线检测的工业自动化借助机器视觉的工业相机拍摄目标物体后传输至上位机，计算机根据设定的专用图像处理程序来提取图片的特征信息后作出相应的判断，进而控制输出模块做出相应动作。检测用的工业相机就是一个信号采集和处理装置。在X射线无损检测中采用此类装置可借助探测器完成肉眼不可视领域的检测任务，具有高分辨率和较快的采集速度；对批量测试有统一的测试标准，便于标准化管理，提高产品质量和可靠性；同时区分合格品和含有缺陷的产品，应用于那些不适合人工作业的高危工作环境和人工视觉难以满足要求的场合(比如高辐射或高速环境)，如工业检测领域、农产品分选和食品检测领域、伺服系统和医疗应用等领域。

X射线无损检测技术利用X射线穿透被检物时发生衰减的特性，再通过探测器收集透过被检物的射线量，完成被检测物内部异物或缺陷判断。此技术能实现对产品在线、快速、准确和无损的自动化检测，实现对产品数据的采集、分类、筛选、信息集成和分析，可大大提高产品生产效率和自动化程度，控制产品质量。一般X射线检测系统的空间分辨率主要由X射线探测器的像素尺寸决定。目前常用的X射线检测系统采用8-12位的AD转换器，动态范围小；成像装置本身的系统偏差和噪声不能得到最大程度地抑制和消除，严重影响成像质量。随着X射线检测系统的发展，目前的检测装置的数据处理和数据传输已很难满足现代检测系统的应用要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于X射线无损检测的图像信号采集和处理装置，解决了现有技术存在的动态范围小、系统偏差和噪声抑制和消除不够的问题。

本发明技术方案的特点在于，一种用于X射线无损检测的图像信号采集和处理装置，包括多个接收X射线的探测器组成的探测器线阵、探测器线阵中的探测器分组与各个模拟信号处理子板对应连接，各个模拟信号处理子板共同与图像采集与处理母板连接，

所有的探测器紧邻并排固定在安装支架上，每四个一组，然后通过排线对应连接到对应的模拟信号处理子板上；模拟信号处理子板与图像采集与处理母板之间隔离有铅板，

探测器线阵、模拟信号处理子板、图像采集与处理母板外周设置有金属板围成的金属外壳。

本发明的用于X射线无损检测的图像信号采集和处理装置，其特征还在于，

金属外壳设置有一个电源接口、一个以太网的通讯接口、一个USB接口和一个X射线的入射窗口。

每个模拟信号处理子板的结构是，包括一个AFE模拟前端，该AFE模拟前端通过驱动与CPLD连接。

图像采集与处理母板的结构是，包括FPGA，FPGA与电平转换和时序驱动三者首尾连接，构成一个闭合回路，电平转换的输入口通过各个插口与各个模拟信号处理子板连接；FPGA还分别连接有SRAM、FLASH、JTAG/AS、振荡器、USB/LAN控制器、LED指示，另外，FPGA还通过通讯与数据传输接口与上位机的PC连接。

本发明的有益效果是，

1)成像分辨率高，动态范围大，扫描速度快、功耗低。具有偏差校正功能，成像质量高。

2)采用USB3.0传输，传输速度提升10倍以上，保证图像数据的快速传输和通讯。

3)增加辐射屏蔽层和EMC屏蔽层结构，本装置具有良好的稳定性和抗干扰性能，同时具有很高的防尘防水等级，很强的抗电磁干扰能力，性能稳定。

附图说明：

图1是本发明装置的内部结构示意图；

图2是图1中的A向结构示意图；

图3是本发明装置的外观示意图；

图4是本发明装置的连接结构示意图。

图中，1.探测器线阵，2.模拟信号处理子板，3.图像采集与处理母板，4.安装支架，5.金属板，6.铅板，7.通讯接口，8.电源接口，9.入射窗口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1、图2、图3所示，本发明装置的总体结构是，包括一定数量接收X射线的探测器组成的探测器线阵1、探测器线阵1中的探测器固定分组后与各个模拟信号处理子板2对应连接，各个模拟信号处理子板2共同与图像采集与处理母板3连接，各个模拟信号处理子板2通过对应设置的电源接口和通讯接口与图像采集与处理母板3连接，

所有的探测器紧邻并排固定在安装支架4上，图中的DM1、DM2…依次代表各个探测器，每四个一组，然后通过排线对应连接到对应的模拟信号处理子板2上，图中的子板一、子板二、子板三…子板十依次代表各个子板；模拟信号处理子板2与图像采集与处理母板3之间隔离有铅板6，

探测器线阵1、模拟信号处理子板2、图像采集与处理母板3外周设置有金属板5围成的金属外壳。

本发明装置金属外壳采用铝合金板制作而成，金属外壳设置有一个RS232型电源接口8、一个以太网的通讯接口7、一个USB接口和一个X射线的入射窗口9。内部采用铅板6实现铅屏蔽，保证出X射线探测器感光部分外的电子元件免于X射线照射。通过增加辐射屏蔽层和EMC屏蔽层结构，母板和子板之间通过金属层屏蔽，保证敏感的模拟或数字信号不受噪声或电磁干扰，提高系统工作稳定性和抗干扰性能。外表面阳极化处理，美观防腐蚀。

如图4所示，每个模拟信号处理子板2(简称子板，包括子板一、子板二、子板三……子板十)的结构是，包括一个AFE模拟前端，该AFE模拟前端通过驱动与CPLD连接，每个模拟信号处理子板2中都设置有电源；

图像采集与处理母板3(简称母板)的结构是，包括FPGA(或称为FPGA芯片)，FPGA与电平转换和时序驱动三者首尾连接，构成一个闭合回路，电平转换的输入口通过各个插口与各个模拟信号处理子板2连接；FPGA还分别连接有SRAM、FLASH、JTAG/AS、振荡器、USB/LAN控制器、LED指示，另外，FPGA还通过通讯与数据传输接口与上位机的PC连接；图像采集与处理母板3设置有电源接口，与外界的直流电源连接，实现对各个部件的供电。母板经优化设计可接收十个子板的图像数据。

模拟信号处理子板2的主要功能是采集探测器的模拟输出信号，完成信号放大和模数转换后将图像数据以差分数字信号输出。模拟信号处理子板2输出信号通过排线送入到母板中处理，即所有探测器产生的图像数据经过母板中FPGA处理单元预处理后最终经USB或以太网传送给上位机；上位机通过数字成像软件系统处理接收到的数据，完成图像特征识别并实时成像显示。

模拟信号处理子板2采用AFE模拟前端实现采样和放大探测器输出并完成信号的模数转换。探测器采用S8865，AFEAFE模拟前端采用VSP5620芯片；MAX II系列CPLD芯片用于产生S8865和VSP5620所需的时钟和驱动信号。

图像采集与处理母板3用于接收各个模拟信号处理子板2传来的图像数据，对数据进行处理后送入存储单元，同时控制数据与上位机传输。母板通过FPGA接收上位机命令对图像数据进行预处理后，经过USB3.0收发器和以太网收发器完成数据传输。

FPGA采用Cyclone III系列EP3C40F324芯片，SRAM采用CYPRESS的CY7C1462AV33芯片，FLASH采用AT25DF041A-SSH芯片作为存储器。USB采用CYPRESS公司的CYUSB3014作为收发器。以太网隔离变压器采用PULSE的H5007芯片，千兆以太网LAN接收器采用REALTEK公司RTL8211DG芯片。(LAN表示以太网)

在图1、图2、图3、图4实施例中，每四个X射线探测器通过排线连接到子板，本发明的母板最多可连接十个子板，一块母板可同时满足四十个探测器对数据处理要求。各个子板用于处理模拟信号，母板用于处理数字信号，实现信号分离以提高系统工作稳定。根据检测通道宽度来决定子板数目，使用灵活。

X射线探测器可选择0.2mm或更大像素尺寸，闪烁体材料为GOS，像素数目为128或256，积分时间为0.2ms～10ms。X射线探测器可选择使用单能量或双能量探测器。

本发明装置的X射线信号流程是：入射的X射线通过探测器线阵1中的各个探测器表面的闪烁体被转换为可见光，可见光再由硅光敏二极管阵列检测并输出一个与X射线通量和能量成正比的模拟电压信号，该电压被AFE模拟前端采样、放大、数模转换并输出相应的数字信号，至以FPGA进行图像采集和处理，处理后的图像数据通过以太网或USB传输至上位机。上位机对数据再进行定量分析，提取图像特征，进行图像变换和增强并在显示器上实时显示图像。

本发明采用4通道CCD/CMOS传感器AFE模拟前端对探测器模拟输出信号处理，能够支持最大35MSPS的转换速率，支持可编程增益、偏移和噪声校正，内含16位高精度AD转换。探测器的串行输出信号首先经过采样、积分、滤波电路后接入AFE模拟前端输入端口。进入AFE模拟前端后先经过其内部的箝位、相关双采样和保持电路，再送入增益可调放大器放大以充分利用AD转换器的动态范围，得到合理的图像灰度范围。AFE模拟前端可对采样和量化过程进行数字校正，降低系统误差和噪声影响。AFE模拟前端的可编程增益放大器的增益寄存器、偏移校正寄存器以及采样方式等都可以采用通用微处理器或专用集成电路经由标准的串行端口进行编程或设定。

本发明装置中的FPGA作为核心单元，主要功能有：数字图像数据的缓冲、数字数据处理、数据暂存、系统时序驱动、数据传送、接收上位机指令等。该FPGA的主要作用是对由图像采集部分送来的数字图像数据进行处理，并将处理后的数据存入相应的存储单元。FPGA根据不同的工作模式向子板2中的CPLD提供不同的控制信号，为双端口RAM提供相应的读写控制信号，并为数据传输时提供相应的DMA服务。双端口RAM一方面接收来自FPGA处理后的图像数据，另一方面为数据的传输提供准备，且是在FPGA和CPLD(逻辑电路)双重控制之下工作的。

本发明装置中的FPGA(固件)会对每个感光像素值进行偏差校正和增益校正，保证系统在同一暗场下光响应输出相同或在同一亮场(X射线开启)下输出相同。默认的像素值为全动态范围值的80％。经过校正后并且优化后的X射线图像清晰度较好。FPGA采用采集多幅图像叠加取平均的方法，可明显降低图像噪声水平。结合实际成像采集速度，平均次数选取为4次。

本发明装置中的FPGA合理实现了将探测器输出信号转换成数字图像数据并送入上位机，整个成像过程误差得到了最大限度抑制，实时性强，X射线检测的成像质量高，可应用于工业无损检测、食品检测和安检系统中。

Claims (1)

1.一种用于X射线无损检测的图像信号采集和处理装置，其特征在于，包括多个接收X射线的探测器组成的探测器线阵(1)、探测器线阵(1)中的探测器分组与各个模拟信号处理子板(2)对应连接，各个模拟信号处理子板(2)共同与图像采集与处理母板(3)连接，

所有的探测器紧邻并排固定在安装支架(4)上，每四个一组，然后通过排线对应连接到对应的模拟信号处理子板(2)上；模拟信号处理子板(2)与图像采集与处理母板(3)之间隔离有铅板(6)，

探测器线阵(1)、模拟信号处理子板(2)、图像采集与处理母板(3)外周设置有金属板(5)围成的金属外壳；

所述的金属外壳设置有一个电源接口(8)、一个以太网的通讯接口(7)、一个USB接口和一个X射线的入射窗口(9)；

所述的每个模拟信号处理子板(2)的结构是，包括一个AFE模拟前端，该AFE模拟前端通过驱动与CPLD连接；

所述的图像采集与处理母板(3)的结构是，包括FPGA，FPGA与电平转换和时序驱动三者首尾连接，构成一个闭合回路，电平转换的输入口通过各个插口与各个模拟信号处理子板(2)连接；FPGA还分别连接有SRAM、FLASH、JTAG/AS、振荡器、USB/LAN控制器、LED指示，另外，FPGA还通过通讯与数据传输接口与上位机的PC连接。