CN106066335B - 基于双周外部ct检测装置在线检测大口径管壁的方法及系统 - Google Patents

基于双周外部ct检测装置在线检测大口径管壁的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于双周外部CT检测装置在线检测大口径管壁的方法及系统，该系统包括射线源、面阵探测器Ⅰ和面阵探测器Ⅱ、控制及图像处理系统；所述射线源、面阵探测器的信号线路与控制及图像处理系统相连，圆形轨道固定设置在管道上，使得圆形轨道的中心与管道的某一横截面的圆心重合；射线源、面阵探测器Ⅰ和面阵探测器Ⅱ分别固定在圆形轨道上；所述面阵探测器Ⅰ和面阵探测器Ⅱ在管道的两侧对称地偏置放置，使得射线源产生的锥形射线束能够覆盖管道的外壁区域。本发明可用较低能量的射线及较小尺寸的探测器扫描重建较大直径的管道外部环形区域的图像，射线束张角较小，射线一致性好，可用于重建管道(含固定管道)管壁的外部环形区域的三维图像。

Description

基于双周外部CT检测装置在线检测大口径管壁的方法及系统
技术领域
本发明属于管道管壁缺陷检测技术领域，涉及一种基于双周外部CT(ComputedTomography，计算机断层成像)检测装置在线检测大口径管壁的方法及系统。
背景技术
管道运输已经广泛应用于石油、化工、冶金、制药、能源和环保等行业，已经成为现代工业和国民经济的命脉。管道运输担负着高温、高压、易燃、易爆和有毒等介质的输送任务，一旦因缺陷的存在而引发泄漏或爆炸，有可能导致灾难性的事故。在管道的生产，加工和使用的过程中，不可避免地会存在腐蚀、裂纹、气孔等缺陷，因此采用无损检测技术对管道实施周期性的主动检测，对一些严重缺陷进行及时维修就可以大量避免事故发生，同时也能大大延长管道寿命，经济效益十分可观。
现有技术中，CT能够无损、准确地检测物体的内部结构、材料和缺陷等等，是最常用的无损检测技术之一。由于射线束剂量和探测器尺寸的限制，传统的CT成像系统因无法穿透物体或者无法完全覆盖物体而只能得到穿过物体外部环形区域的投影数据。由于投影数据的缺失，传统的重建算法无法得到高质量的重建结果。外部CT是处理这种情况的一种有效手段。传统的外部CT，通常将探测器在物体的两侧对称放置，只扫描并重建感兴趣的物体外部环形区域。这种扫描方式可在射线源和探测器围绕被扫描物体旋转(或物体旋转)的一个圆周内完成扫描，扫描速度和普通CT相当。但这种扫描方式要求射线束的张角要足够大、或射线源到旋转中心的距离足够大、或者被检测物体直径相对较小，才能保证物体两侧的探测器都能采集到射线投影数据。限于在役大口径管壁的检测条件，射线源到旋转中心的距离不够大而且被检测物体直径相对较大，如果射线束的张角较大则边缘射线强度与中心射线强度差别较大，这些都难以满足传统外部CT的应用条件；如只将探测器在物体的一侧放置，射线束的张角较小，但采集到射线投影数据比传统外部CT少一半，将可能影响物体外部环形区域的图像重建质量。
因此，需要一种外部CT检测装置，能够在线检测大口径管壁处的缺陷，扫描过程易于机械实现，并且射线束张角较小，射线一致性好，能得到高质量的三维重建图像。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于双周外部CT检测装置在线检测大口径管壁的方法及系统，该方法和系统易于机械实现，射线束张角较小，射线一致性好，并且能得到高质量的三维重建图像。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于双周外部CT检测装置在线检测大口径管壁的系统，该系统包括射线源(1)、面阵探测器Ⅰ(2a)和面阵探测器Ⅱ(2b)、控制及图像处理系统(5)；
所述射线源(1)、面阵探测器Ⅰ(2a)和面阵探测器Ⅱ(2b)的信号线路与控制及图像处理系统(5)相连，圆形轨道(3)固定设置在管道(4)上，使得圆形轨道(3)的中心与管道(4)的某一横截面的圆心重合；射线源(1)、面阵探测器Ⅰ(2a)和面阵探测器Ⅱ(2b)分别固定在圆形轨道上；所述面阵探测器Ⅰ(2a)和面阵探测器Ⅱ(2b)在管道(4)的两侧对称地偏置放置，使得射线源(1)产生的锥形射线束能够覆盖管道(4)的外壁区域。
本发明还提供了一种基于双周外部CT检测装置在线检测大口径管壁的方法，在该方法中采用了射线源(1)、面阵探测器Ⅰ(2a)和面阵探测器Ⅱ(2b)、控制及图像处理系统(5)，具体包括以下步骤：
S1：在控制及图像处理系统(5)的控制下，首先将射线源(1)对准面阵探测器Ⅰ(2a)的中心，射线源(1)和面阵探测器Ⅰ(2a)沿圆形轨道(3)旋转一周，得到一部分投影数据，并传送到控制及图像处理系统(5)中存储，然后将射线源(1)对准面阵探测器Ⅱ(2b)的中心，射线源(1)和面阵探测器Ⅱ(2b)沿圆形轨道(3)再旋转一周，得到另一部分投影数据，并传送到控制及图像处理系统(5)中存储；因为射线源(1)发出的锥形射线束不能完全覆盖大口径管壁，偏置后的面阵探测器Ⅰ(2a)和面阵探测器Ⅱ(2b)只能得到管道外部环形区域的投影数据，双周扫描得到的投影数据是射线束完全覆盖管道时得到的投影数据的一部分。
S2：在控制及图像处理系统(5)中将存储的两部分投影数据按照旋转分度进行组合，得到外部的投影数据；
S3：根据组合得到的投影数据重建管道外部环形区域的三维图像；
S4：显示三维重建结果及二维切片图像。
进一步，所述步骤S3具体包括以下步骤：
S31：对组合得到的投影数据进行加权；
S32：结合斜坡滤波器对加权后的投影数据进行一维滤波；
S33：对滤波结果进行三维加权反投影。
进一步，在步骤S31中，面阵探测器实际采集到的组合后的投影数据为p(β,a,b)，则投影数据加权后为：
其中，β表示中心射线与y轴的夹角，a,b分别代表虚拟探测器上的水平位置和竖直位置坐标，R表示射线源到旋转中心的距离。
进一步，在步骤S32中，对加权后的投影数据p′(β,a,b)进行一维滤波：
其中“*”代表卷积算子，q为积分变量。
进一步，在步骤S33中，将卷积后的投影数据用三维坐标表示为则待重建点(x,y,z)处的重建公式为：
其中(x,y,z)表示待重建点的三维坐标，f(x,y,z)表示在(x,y,z)处的图像灰度，U(x,y,β)＝R-xsinβ+ycosβ，表示对应射线在虚拟探测器上的水平位置坐标，表示对应射线在虚拟探测器上的竖直位置坐标。
本发明的有益效果在于：本发明利用两块小尺寸的面阵探测器和现有的CT机的机构实现大口径管壁外部环形区域内裂纹和缺陷的检测，扫描前将射线源和两块面阵探测器设置在围绕管道的固定圆形轨道上，并使两块探测器对称地偏置放置，扫描开始后，射线源对准一侧的面阵探测器中心，绕待检测的大口径管壁旋转一周，得到一部分投影数据，然后射线源对准另一侧的面阵探测器中心，绕待检测的大口径管壁再旋转一周，得到另一部分投影数据，然后将两部分投影数据按照旋转分度进行组合，得到重建算法所需的外部投影数据，扫描过程易于机械实现。然后利用FDK算法对管道进行三维图像重建。本发明可用较低能量的射线及较小尺寸的探测器扫描重建较大直径的管道外部环形区域的图像，射线束张角较小，射线一致性好，可用于重建管道(含固定管道)管壁的外部环形区域的三维图像。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明的管道检测结构示意图；
图2为本发明的待检测管道扫描时的横截面示意图；
图3为本发明的圆周轨迹锥束外部CT的FDK重建算法几何结构示意图；
图4为本发明的双周外部CT检测装置在线检测大口径管壁的方法流程图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
图1为本发明的管道检测结构示意图，图2为本发明的待检测管道扫描时的横截面示意图，图3为本发明的圆周轨迹锥束外部CT的FDK重建算法几何结构示意图，如图所示：将射线源(1)，两个面阵探测器：面阵探测器Ⅰ(2a)和面阵探测器Ⅱ(2b)设置在绕管道(4)的圆形轨道(3)上，以起始射线源(1)到管道(4)中心轴的垂足为坐标原点O建立空间直角坐标系O-xyz，x轴为原点与射线源(1)的连线并且正方向为从原点指向射线源(1)，y轴为沿管道(4)横向并垂直于x轴的坐标轴(图2)，z轴为与管道(4)中心轴线重合的坐标轴并且以管道一侧作为正方向(图1)。以坐标原点O为旋转中心，(x,y,z)表示被重建点坐标，在过坐标原点O并且垂直于中心射线的位置处引入虚拟探测器，射线源(1)位于S，SO′表示锥形射线的中心射线，SK表示经过被重建点的一条射线，K′表示K点在探测器中心层(z＝0)的投影，被重建点在直线SK′上的投影为M，中心射线与y轴成β角，κ为射线SK的锥角(图3)。
本发明公开的一种双周外部CT检测装置在线检测大口径管壁的方法的主要步骤包括：将射线源和两个探测器设置在围绕待检测管道中心的圆形轨道上，探测器相对于管道对称地偏置放置，扫描开始后，射线源分别对准两个面阵探测器保持相对位置并沿围绕管道的轨道作两周圆周运动(图1中实线部分的射线和探测器表示第一周扫描，虚线部分的射线和探测器表示第二周扫描)，获得两部分管道外部环形区域的投影数据，然后按照旋转分度进行组合，得到算法所需的外部投影数据。此类扫描方式的机械运动实现简单易行，能够利用小尺寸的面板探测器在线检测大口径的管道壁处的缺陷，射线束张角较小，射线一致性好。
图4为本发明的双周外部CT检测装置在线检测大口径管壁的方法流程图，如图所示：双周外部CT检测装置在线检测大口径管壁的方法包括以下步骤：
S1.检测装置安装：包括射线源(1)、面阵探测器Ⅰ(2a)和面阵探测器Ⅱ(2b)以及控制及图像处理系统(5)，所述射线源(1)、面阵探测器Ⅰ(2a)和面阵探测器Ⅱ(2b)的信号线路与控制及图像处理系统(5)相连，圆形轨道(3)固定设置在管道(4)上，使得圆形轨道(3)的中心与管道(4)某一横截面的圆心重合，射线源(1)、面阵探测器Ⅰ(2a)和面阵探测器Ⅱ(2b)分别固定在圆形轨道上，面阵探测器Ⅰ(2a)和面阵探测器Ⅱ(2b)在管道(4)的两侧对称地偏置放置，使得射线源(1)产生的锥形射线束能够覆盖管道(4)的外壁区域；
S2.扫描：在控制及图像处理系统(5)的控制下,首先将射线源(1)对准面阵探测器Ⅰ(2a)的中心，射线源(1)和面阵探测器Ⅰ(2a)沿圆形轨道(3)旋转一周，得到一部分投影数据，并传送到控制及图像处理系统(5)中存储，然后将射线源(1)对准面阵探测器Ⅱ(2b)的中心，射线源(1)和面阵探测器Ⅱ(2b)沿圆形轨道(3)旋转一周，得到另一部分投影数据，并传送到控制及图像处理系统(5)中存储；
S3.投影数据组合：在控制及图像处理系统(5)中将存储的两部分投影数据按照旋转分度进行组合，得到外部的投影数据；
S4.管道外部环形区域三维图像的重建：根据组合得到的投影数据重建管道外部环形区域的三维图像，主要包含三个步骤：S41.对组合得到的投影数据进行加权；S42.结合斜坡滤波器对加权后的投影数据进行一维滤波；S43.对步骤S42的滤波结果进行三维加权反投影。
在本实施例中，假设管道感兴趣区域(Region of Interest，ROI)为：
其中rmin，rmax分别为管道外部环形区域的内径和外径，zmin，zmax分别表示所要检测管道z坐标的初始值与结束值。在感兴趣区域外，重建图像的值为零。
重建算法如下：
1)面阵探测器实际采集到的组合后的投影数据为p(β,a,b)，则投影数据加权后为：
其中，β表示中心射线与y轴的夹角，a,b分别代表虚拟探测器上的水平位置和竖直位置坐标，R表示射线源到旋转中心的距离。
2)对加权后的投影数据p′(β,a,b)进行一维滤波
其中“*”代表卷积算子，为斜坡滤波函数，q为积分变量。
3)将卷积后的投影数据用三维坐标表示为：则待重建点(x,y,z)处的重建公式为：
其中(x,y,z)表示待重建点的三维坐标，f(x,y,z)表示在(x,y,z)处的图像灰度，U(x,y,β)＝R-xsinβ+ycosβ，表示对应射线在虚拟探测器上的水平位置坐标，表示对应射线在虚拟探测器上的竖直位置坐标。
S5.显示三维重建结果及二维切片图像。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种基于双周外部CT检测装置在线检测大口径管壁的方法，其特征在于：在该方法中采用了射线源(1)、面阵探测器Ⅰ(2a)和面阵探测器Ⅱ(2b)、控制及图像处理系统(5)；
所述射线源(1)、面阵探测器Ⅰ(2a)和面阵探测器Ⅱ(2b)的信号线路与控制及图像处理系统(5)相连，圆形轨道(3)固定设置在管道(4)上，使得圆形轨道(3)的中心与管道(4)的某一横截面的圆心重合；射线源(1)、面阵探测器Ⅰ(2a)和面阵探测器Ⅱ(2b)分别固定在圆形轨道上；所述面阵探测器Ⅰ(2a)和面阵探测器Ⅱ(2b)在管道(4)的两侧对称地偏置放置，使得射线源(1)产生的锥形射线束能够覆盖管道(4)的外壁区域；
具体包括以下步骤：
S1：在控制及图像处理系统(5)的控制下，首先将射线源(1)对准面阵探测器Ⅰ(2a)的中心，射线源(1)和面阵探测器Ⅰ(2a)沿圆形轨道(3)旋转一周，得到一部分投影数据，并传送到控制及图像处理系统(5)中存储，然后将射线源(1)对准面阵探测器Ⅱ(2b)的中心，射线源(1)和面阵探测器Ⅱ(2b)沿圆形轨道(3)再旋转一周，得到另一部分投影数据，并传送到控制及图像处理系统(5)中存储；
S2：在控制及图像处理系统(5)中将存储的两部分投影数据按照旋转分度进行组合，得到外部的投影数据；
S3：根据组合得到的投影数据重建管道外部环形区域的三维图像；
S4：显示三维重建结果及二维切片图像。
2.根据权利要求1所述的一种基于双周外部CT检测装置在线检测大口径管壁的方法，其特征在于：所述步骤S3具体包括以下步骤：
S31：对组合得到的投影数据进行加权；
S32：结合斜坡滤波器对加权后的投影数据进行一维滤波；
S33：对滤波结果进行三维加权反投影。
3.根据权利要求2所述的一种基于双周外部CT检测装置在线检测大口径管壁的方法，其特征在于：在步骤S31中，面阵探测器实际采集到的组合后的投影数据为p(β,a,b)，则投影数据加权后为：
其中，β表示中心射线与y轴的夹角，a,b分别代表虚拟探测器上的水平位置和竖直位置坐标，R表示射线源到旋转中心的距离。
4.根据权利要求3所述的一种基于双周外部CT检测装置在线检测大口径管壁的方法，其特征在于：在步骤S32中，对加权后的投影数据p′(β,a,b)进行一维滤波：
其中“*”代表卷积算子，q为积分变量。
5.根据权利要求4所述的一种基于双周外部CT检测装置在线检测大口径管壁的方法，其特征在于：在步骤S33中，将卷积后的投影数据)用三维坐标表示为 )则待重建点(x,y,z)处的重建公式为：
其中(x,y,z)表示待重建点的三维坐标，f(x,y,z)表示在(x,y,z)处的图像灰度，U(x,y,β)＝R-x sinβ+y cosβ，表示对应射线在虚拟探测器上的水平位置坐标，表示对应射线在虚拟探测器上的竖直位置坐标。
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