CN110286136B - 在役gis组合电器盆式绝缘子的x射线三维成像方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开在役GIS组合电器盆式绝缘子的X射线三维成像方法及系统，包括步骤：S1、固定X射线源和探测器的几何位置，X射线源和探测器围绕盆式绝缘子旋转；S2、以步进或连续的方式进行扫描，采集盆式绝缘子的二维X射线数字图像投影序列；S3、将二维数字图像投影序列通过三维图像重建算法重建得到盆式绝缘子的三维图像。本发明以GIS盆式绝缘子三维断层成像为中心，以X射线成像的三维成像检测技术试验为基础，通过对盆式绝缘子部件不同角度的扫描，由二维数字图像投影序列重构三维图像，本发明利用X射线源进行大视野扫描，采用X射线源与探测器偏置放置的方式进行成像视野的拓展，开发了相应的三维图像重建算法。

Description

在役GIS组合电器盆式绝缘子的X射线三维成像方法及系统

技术领域

本发明属于三维成像技术领域，本发明以GIS组合电器盆式绝缘子三维断层成像为中心，以X射线成像的三维成像检测技术试验为基础，具体涉及在役GIS组合电器盆式绝缘子的X射线三维成像方法及系统。

背景技术

GIS(GAS insulated SWITCHGEAR)是气体绝缘全封闭组合电器的英文简称。GIS内部任何缺陷和故障的存在都可能影响设备整体性能，可能影响到相邻设备的正常工作以及服务范围的正常用电。而大型电力设备GIS、罐式断路器体形庞大、现场环境复杂原因，一旦出现事故进行停电检修时就需要投入大量的人力、物力、财力和时间。在电力设备内部的缺陷80％以上为结构性缺陷因此，为减少或者避免电力设备因故停运，就必须对电力设备内部结构缺陷进行检测。

近年来，在造成GIS故障的因素中，由于盆式绝缘子故障造成的停电事故的比例不断升高，并且往往造成严重的事故。盆式绝缘子作为气体绝缘金属封闭开关设备中的关键部件，在GIS设备中使用广泛，其性能优劣直接决定了GIS设备的绝缘性能及运行可靠性。总体上，盆式绝缘子的缺陷主要有两个方面，一是盆式绝缘子本身的缺陷，在生产加工和运行过程中造成的，如气孔、夹杂、裂纹、装配缺陷、螺丝缺失等；二是在运行过程中，由于机械磨损造成的铁、银、铜等高密度的金属微粒，附着在盆式绝缘子的表面时会造成局放，进而导致严重的事故。

目前，国内外基于X射线数字成像检测技术应用于电力设备的检测之中并取得了良好的效果，为电力设备带电检测提供了一种快速、可视、无损的检测手段。能够在不停电或不解体的情况下，准确及时的掌握设备内部机械结构状态信息，发现设备内部的机械结构缺陷。通过对电力设备进行多方位X射线透视成像，配合专用的图像处理与识别技术，实现其内部结构的“可视化”与运行状态的快速诊断，可极大地提高设备故障定位与判别的准确性。

但是目前X射线数字成像检测技术也存在着较多的问题：由于被检测电力设备结构复杂，造成影像重叠无法区分缺陷所在的具体位置；盆式绝缘子是脸盆状工件，常规的X射线检测需要进行多角度成像，而X射线检测设备体积大、重量重、摆放定位过程繁琐等原因，导致检测效率非常低；因为X射线检测灵敏度不高，容易造成裂纹、气泡等缺陷的漏检。

实验室内X射线的三维成像技术可以实现对物体的检测，具有密度分辨率高、空间分辨率高、三维可视化的优点。但是在役GIS组合电器盆式绝缘子的现场空间位置结构复杂、部件尺寸较大，目前还没有可以对在役GIS组合电器盆式绝缘子在带电状态下，进行X射线成像的三维成像检测技术。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供在役GIS组合电器盆式绝缘子的X射线三维成像方法及系统。(1)解决X射线数字成像的多层影像重叠给故障精确定位、分析故障原因、设计检修方案带来的困难。(2)解决检测效率，大幅度改善现有X射线检测技术的应用。(3)提高X射线检测数据的利用率，使其更加有效的服务于电力设备故障诊断工作。(4)通过对检测部件不同角度的拍摄，由二维图像重构三维图像，并动态显示缺陷三维位置，区分开叠加的部件，更快更准确的分析封闭式设备的内部问题，为后续检修等工作提供依据。

本发明所采用的技术方案为：

在役GIS组合电器盆式绝缘子的X射线三维成像方法，包括如下步骤：

S1、固定X射线源和探测器的几何位置，X射线源和探测器围绕盆式绝缘子旋转；

S2、以步进或连续的方式进行扫描，采集盆式绝缘子的二维X射线数字图像投影序列；

S3、将二维数字图像投影序列通过三维图像重建算法重建得到盆式绝缘子的三维图像。

在上述技术方案的基础上，所述X射线三维成像方法还包括步骤：S4、动态显示三维图像。

在上述技术方案的基础上，所述步骤S1中，X射线源与探测器相对于旋转中心O点偏置放置，X射线源和探测器以旋转中心O点围绕盆式绝缘子360°旋转。

在上述技术方案的基础上，当X射线源与探测器相对于旋转中心O点偏置放置，X射线源和探测器以旋转中心O点围绕盆式绝缘子360°旋转时，X射线三维成像方法还包括如下内容：

建立固定的坐标系(x,y)，坐标系的原点即为旋转中心O点，假设X射线源S点到旋转中心O点的距离为SO，β角为SO与X坐标轴的夹角，则X射线源的轨迹公式为：

(SOcos(β),SOsin(β))，

u为以探测器中心E点为参考的投影点距离，则二维数字图像投影序列表示为g(β,u)，假设探测器过旋转中心O点，以X射线源与探测器中心连线上的某个点E为原点，u可正可负，SE与SO的夹角记为β₀，假设虚拟探测器的位置为O-t轴方向，虚拟探测器的坐标轴为t轴，OS轴记为s轴，则X射线与虚拟探测器中心线夹角为：

α＝β₀+arctan(u/SE)，

X射线与虚拟探测器的交点：

t＝SOtanα。

在上述技术方案的基础上，当X射线源与探测器相对于旋转中心O点偏置放置，X射线源和探测器以旋转中心O点围绕盆式绝缘子360°旋转时，所述步骤S3中三维图像重建算法的具体步骤如下：

S311、以虚拟探测器为参考进行余弦校正；

对于面阵探测器，以探测器中心为原点建立直角坐标系，与转轴平行的方向记为v，转轴为旋转中心O的中心轴线，则校正过程如下：

S312、二维数字图像投影序列截断的一端正弦延拓；

假设延拓后数据的长度增加ne，则延拓的公式为：

S313、使用等间距滤波器进行滤波：

S314、仅使用探测器一侧的数据反投影；

p(β，u，v)为二维数字图像投影序列重排后的平行束，假设重建点的坐标为(x,y,z)，在旋转坐标系下的坐标为(x_r,y_r,z)：

在役GIS组合电器盆式绝缘子的X射线三维成像系统，包括：

机械子系统用于固定射线源和探测器的几何位置，由运动控制子系统控制旋转或者平移；

运动控制子系统，控制机械子系统旋转或者平移实现X射线源和探测器围绕盆式绝缘子旋转或者平移；

数据采集子系统，与探测器连接，在机械子系统旋转或者平移的过程中，采集盆式绝缘子的二维数字图像投影序列；

图像重建子系统，将二维数字图像投影序列通过三维图像重建算法重建得到盆式绝缘子的三维图像。

在上述技术方案的基础上，X射线三维成像系统还包括：三维图像显示子系统，动态显示三维图像。

本发明的有益效果为：

1)针对GIS盆式绝缘子的机械装置及运动控制方式：采用X射线源和探测器运动的方式，盆式绝缘子静止不动，X射线源和探测器旋转模式和沿Y轴平移模式采用同一套系统，只需切换以及相应参数修改即可，减少了不必要的硬件；系统采用硬件和软件限位，进一步提高了系统安全性。

2)适合GIS盆式绝缘子检测的三维成像系统的设计：由于GIS盆式绝缘子成像区域通常大于X射线源探测器形成的视场区域，创新的采用了X射线源和探测器相对于旋转中心O点整体偏置的扫描方式，增大了成像的视野，满足了GIS成像的需求。

3)针对三维图像重建算法：X射线源和探测器相对于旋转中心O点偏置放置，在传统的FDK重建算法基础上进行改进完成新三维图像重建算法开发。

附图说明

图1是本发明-实施例的探测器偏置的大视野扫描方式中心截面示意图。

图中，1-探测器；2-虚拟探测器。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。

实施例：

如图1所示，本实施例的在役GIS组合电器盆式绝缘子的X射线三维成像系统，包括机械子系统、运动控制子系统、数据采集子系统、图像重建子系统和三维图像显示子系统。

机械子系统用于固定射线源和探测器的几何位置，由运动控制子系统控制旋转或者平移。

运动控制子系统，控制机械子系统旋转或者平移实现X射线源和探测器围绕盆式绝缘子旋转或者平移。

数据采集子系统，与探测器连接，在机械子系统旋转或者平移的过程中，采集盆式绝缘子的二维数字图像投影序列。

图像重建子系统，将二维数字图像投影序列通过三维图像重建算法重建得到盆式绝缘子的三维图像。

进一步地，射线源和探测器相对于旋转中心O点偏置放置。

三维图像显示子系统，动态显示三维图像。

在役GIS组合电器盆式绝缘子的X射线三维成像方法，包括如下步骤：

S1、固定X射线源和探测器的几何位置，X射线源和探测器围绕盆式绝缘子旋转或平移；

S2、以步进或连续的方式进行扫描，采集盆式绝缘子的二维X射线数字图像投影序列；

S3、将二维数字图像投影序列通过三维图像重建算法重建得到盆式绝缘子的三维图像；

S4、动态显示三维图像。

本发明基于X射线成像的三维成像方法，通过对盆式绝缘子部件不同角度的扫描，由二维数字图像投影序列重构三维图像，并动态显示缺陷三维位置。其原理为以X射线开放式扫描，利用采集的二维数字图像投影序列，重建出扫描区域内的所有切片图像和被检试件的三维图像。

具体地，固定X射线源和探测器的几何位置，使X射线源与探测器相对于旋转中心O点偏置放置，X射线源和探测器以旋转中心O点围绕盆式绝缘子360°旋转。

偏置放置可表示为X射线源与探测器中心点的连线不穿过旋转中心O点。

本发明利用X射线源进行大视野扫描，采用X射线源与探测器相对于旋转中心O点偏置放置的方式进行成像视野的拓展。

具体的操作方式为：

建立固定的坐标系(x,y)，坐标系的原点即为旋转中心O点，假设X射线源S点到旋转中心O点的距离为SO，β角为SO与X坐标轴的夹角，则X射线源的轨迹公式为：

(SOcos(β),SOsin(β))，

u为以探测器中心E点为参考的投影点距离，则二维数字图像投影序列表示为g(β,u)(假设探测器过旋转中心O点，旋转中心O点的投影只要在探测器范围内即可，以X射线源与探测器中心连线上的某个点E为原点，u可正可负，探测器的带夹角的影像通过此坐标系换算为平行光投影)，SE与SO的夹角记为β₀，假设虚拟探测器的位置为O-t轴方向，如图1所示，虚拟探测器的坐标轴为t轴，OS轴记为s轴，则X射线与虚拟探测器中心线夹角为：

α＝β₀+arctan(u/SE)，

X射线与虚拟探测器的交点：

t＝SOtanα。

t是虚拟探测器上经过平行投影转换的投影点，没有具体位置。t和变量a相关，投影位置在t轴上。

当固定X射线源和探测器的几何位置，使X射线源与探测器相对于旋转中心O点偏置放置，X射线源和探测器以旋转中心O点围绕盆式绝缘子360°旋转时，传统的FDK重建算法已经不再适合，本发明对其进行改进，提出三维图像重建算法，具体步骤如下：

S311、以虚拟探测器为参考进行余弦校正；

对于面阵探测器，以探测器中心为原点建立直角坐标系，与转轴平行的方向记为v，转轴为旋转中心O的中心轴线，则校正过程如下：

S312、二维数字图像投影序列截断的一端正弦延拓；

假设延拓后数据的长度增加ne，则延拓的公式为：

S313、使用等间距滤波器进行滤波：

S314、仅使用探测器一侧的数据反投影；

p(β，u，v)为二维数字图像投影序列重排后的平行束，假设重建点的坐标为(x,y,z)，在旋转坐标系下的坐标为(x_r,y_r,z)：

另一种方式是，固定X射线源和探测器的几何位置，使X射线源与探测器相对于旋转中心O点偏置放置，X射线源和探测器围绕盆式绝缘子沿Y轴平移。三维图像重建算法具体步骤如下：

S321、按照每个探测器，将投影数据重排为平行束p(u,v,β)。

S322、对重排后的数据进行正弦延拓。

S323、逐个平行束进行滤波。

S324、反投影。

本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.在役GIS组合电器盆式绝缘子的X射线三维成像方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、固定X射线源和探测器的几何位置，X射线源和探测器围绕盆式绝缘子旋转；

S2、以步进或连续的方式进行扫描，采集盆式绝缘子的二维X射线数字图像投影序列；

S3、将二维数字图像投影序列通过三维图像重建算法重建得到盆式绝缘子的三维图像；

所述步骤S1中，X射线源与探测器相对于旋转中心O点偏置放置，X射线源和探测器以旋转中心O点围绕盆式绝缘子360°旋转；

当X射线源与探测器相对于旋转中心O点偏置放置，X射线源和探测器以旋转中心O点围绕盆式绝缘子360°旋转时，X射线三维成像方法还包括如下内容：

建立固定的坐标系(x,y)，坐标系的原点即为旋转中心O点，假设X射线源S点到旋转中心O点的距离为SO，β角为SO与X坐标轴的夹角，则X射线源的轨迹公式为：

(SOcos(β),SOsin(β))，

u为以探测器中心E点为参考的投影点距离，则二维数字图像投影序列表示为g(β,u)，假设探测器过旋转中心O点，以X射线源与探测器中心连线上的某个点E为原点，u可正可负，SE与SO的夹角记为β₀，假设虚拟探测器的位置为O-t轴方向，虚拟探测器的坐标轴为t轴，OS轴记为s轴，则X射线与虚拟探测器中心线夹角为：

α＝β₀+arctan(u/SE)，

X射线与虚拟探测器的交点：

t＝SOtanα；

当X射线源与探测器相对于旋转中心O点偏置放置，X射线源和探测器以旋转中心O点围绕盆式绝缘子360°旋转时，所述步骤S3中三维图像重建算法的具体步骤如下：

S311、以虚拟探测器为参考进行余弦校正；

对于面阵探测器，以探测器中心为原点建立直角坐标系，与转轴平行的方向记为v，转轴为旋转中心O的中心轴线，则校正过程如下：

S312、二维数字图像投影序列截断的一端正弦延拓；

假设延拓后数据的长度增加ne，则延拓的公式为：

S313、使用等间距滤波器进行滤波：

滤波器

滤波

S314、仅使用探测器一侧的数据反投影；

p(β，u，v)为二维数字图像投影序列重排后的平行束，假设重建点的坐标为(x,y,z)，在旋转坐标系下的坐标为(x_r,y_r,z)：

2.根据权利要求1所述的在役GIS组合电器盆式绝缘子的X射线三维成像方法，其特征在于：所述X射线三维成像方法还包括步骤：S4、动态显示三维图像。

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