基于雙周外部ct檢測裝置在線檢測大口徑管壁的方法及系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于雙周外部CT檢測裝置在線檢測大口徑管壁的方法及系統，該系統包括射線源、面陣探測器Ⅰ和面陣探測器Ⅱ、控制及圖像處理系統；所述射線源、面陣探測器的信號線路與控制及圖像處理系統相連，圓形軌道固定設置在管道上，使得圓形軌道的中心與管道的某一橫截面的圓心重合；射線源、面陣探測器Ⅰ和面陣探測器Ⅱ分別固定在圓形軌道上；所述面陣探測器Ⅰ和面陣探測器Ⅱ在管道的兩側對稱地偏置放置，使得射線源產生的錐形射線束能夠覆蓋管道的外壁區域。本發明可用較低能量的射線及較小尺寸的探測器掃描重建較大直徑的管道外部環形區域的圖像，射線束張角較小，射線一致性好，可用于重建管道(含固定管道)管壁的外部環形區域的三維圖像。
【專利說明】
基于雙周外部CT檢測裝置在線檢測大口徑管壁的方法及系統
技術領域
[000。 本發明屬于管道管壁缺陷檢測技術領域，設及一種基于雙周外部CT(Computed Tomogra地y，計算機斷層成像)檢測裝置在線檢測大口徑管壁的方法及系統。
【背景技術】
[0002] 管道運輸已經廣泛應用于石油、化工、冶金、制藥、能源和環保等行業，已經成為現 代工業和國民經濟的命脈。管道運輸擔負著高溫、高壓、易燃、易爆和有毒等介質的輸送任 務，一旦因缺陷的存在而引發泄漏或爆炸，有可能導致災難性的事故。在管道的生產，加工 和使用的過程中，不可避免地會存在腐蝕、裂紋、氣孔等缺陷，因此采用無損檢測技術對管 道實施周期性的主動檢測，對一些嚴重缺陷進行及時維修就可W大量避免事故發生，同時 也能大大延長管道壽命，經濟效益十分可觀。
[0003] 現有技術中，CT能夠無損、準確地檢測物體的內部結構、材料和缺陷等等，是最常 用的無損檢測技術之一。由于射線束劑量和探測器尺寸的限制，傳統的CT成像系統因無法 穿透物體或者無法完全覆蓋物體而只能得到穿過物體外部環形區域的投影數據。由于投影 數據的缺失，傳統的重建算法無法得到高質量的重建結果。外部CT是處理運種情況的一種 有效手段。傳統的外部CT，通常將探測器在物體的兩側對稱放置，只掃描并重建感興趣的物 體外部環形區域。運種掃描方式可在射線源和探測器圍繞被掃描物體旋轉(或物體旋轉）的 一個圓周內完成掃描，掃描速度和普通CT相當。但運種掃描方式要求射線束的張角要足夠 大、或射線源到旋轉中屯、的距離足夠大、或者被檢測物體直徑相對較小，才能保證物體兩側 的探測器都能采集到射線投影數據。限于在役大口徑管壁的檢測條件，射線源到旋轉中屯、 的距離不夠大而且被檢測物體直徑相對較大，如果射線束的張角較大則邊緣射線強度與中 屯、射線強度差別較大，運些都難W滿足傳統外部CT的應用條件；如只將探測器在物體的一 側放置，射線束的張角較小，但采集到射線投影數據比傳統外部CT少一半，將可能影響物體 外部環形區域的圖像重建質量。
[0004] 因此，需要一種外部CT檢測裝置，能夠在線檢測大口徑管壁處的缺陷，掃描過程易 于機械實現，并且射線束張角較小，射線一致性好，能得到高質量的Ξ維重建圖像。
【發明內容】
[0005] 有鑒于此，本發明的目的在于提供一種基于雙周外部CT檢測裝置在線檢測大口徑 管壁的方法及系統，該方法和系統易于機械實現，射線束張角較小，射線一致性好，并且能 得到高質量的Ξ維重建圖像。
[0006] 為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：
[0007] -種基于雙周外部CT檢測裝置在線檢測大口徑管壁的系統，該系統包括射線源 (1)、面陣探測器I(2a)和面陣探測器Π (2b)、控制及圖像處理系統(5);
[0008] 所述射線源（1)、面陣探測器I(2a)和面陣探測器Π (2b)的信號線路與控制及圖像 處理系統(5)相連，圓形軌道(3)固定設置在管道(4)上，使得圓形軌道(3)的中屯、與管道(4) 的某一橫截面的圓屯、重合;射線源（1)、面陣探測器I(2a)和面陣探測器π (2b)分別固定在 圓形軌道上；所述面陣探測器I(2a)和面陣探測器Π (2b)在管道(4)的兩側對稱地偏置放 置，使得射線源(1)產生的錐形射線束能夠覆蓋管道(4)的外壁區域。
[0009] 本發明還提供了一種基于雙周外部CT檢測裝置在線檢測大口徑管壁的方法，在該 方法中采用了射線源（1)、面陣探測器I(2a)和面陣探測器Π (2b)、控制及圖像處理系統 (5)，具體包括W下步驟：
[0010] S1:在控制與圖像處理系統(5)的控制下，首先將射線源（1)對準面陣探測器I(2a) 的中屯、，射線源（1)和面陣探測器I(2a)沿圓形軌道(3)旋轉一周，得到一部分投影數據，并 傳送到控制與圖像處理系統(5)中存儲，然后將射線源（1)對準面陣探測器Π (2b)的中屯、， 射線源（1)和面陣探測器Π (2b)沿圓形軌道(3)再旋轉一周，得到另一部分投影數據，并傳 送到控制與圖像處理系統巧）中存儲；因為射線源（1)發出的錐形射線束不能完全覆蓋大口 徑管壁，偏置后的面陣探測器I(2a)和面陣探測器Π (2b)只能得到管道外部環形區域的投 影數據，雙周掃描得到的投影數據是射線束完全覆蓋管道時得到的投影數據的一部分。
[0011] S2:在控制與圖像處理系統(5)中將存儲的兩部分投影數據按照旋轉分度進行組 合，得到外部的投影數據；
[0012] S3:根據組合得到的投影數據重建管道外部環形區域的Ξ維圖像；
[0013] S4:顯示Ξ維重建結果及二維切片圖像。
[0014] 進一步，所述步驟S3具體包括W下步驟：
[0015] S31:對組合得到的投影數據進行加權；
[0016] S32:結合斜坡濾波器對加權后的投影數據進行一維濾波；
[0017] S33:對濾波結果進行Ξ維加權反投影。
[0018] 進一步，在步驟S31中，面陣探測器實際采集到的組合后的投影數據為p(i3，a，b)， 則投影數據加權后為：
[0019]
[0020] 其中，β表示中屯、射線與y軸的夾角，a，b分別代表虛擬探測器上的水平位置和豎直 位置坐標，R表示射線源到旋轉中屯、的距離。
[0021] 進一步，在步驟S32中，對加權后的投影數據p/(i3，a，b)進行一維濾波：
[0022]
[002引其中V'代表卷積算子
'q為積分變量。
[0024] 進一步，在步驟S33中，將卷積后的投影數據另化。，6)用Ξ維坐標表示為 P( A "托3'，風斬.V，Z, /?))，則待重建點(X，y，Z )處的重建公式為：
[0025]
[0026] 其中（x，y，z)表示待重建點的Ξ維坐標，f(x，y，z)表示在(x，y，z)處的圖像灰度，U (x,y ,β) =R-xsin0+ycos0
表示對應射線在虛擬探測器上的水平位 置坐標
表示對應射線在虛擬探測器上的豎直位置坐標。
[0027] 本發明的有益效果在于:本發明利用兩塊小尺寸的面陣探測器和現有的CT機的機 構實現大口徑管壁外部環形區域內裂紋和缺陷的檢測，掃描前將射線源和兩塊面陣探測器 設置在圍繞管道的固定圓形軌道上，并使兩塊探測器對稱地偏置放置，掃描開始后，射線源 對準一側的面陣探測器中屯、，繞待檢測的大口徑管壁旋轉一周，得到一部分投影數據，然后 射線源對準另一側的面陣探測器中屯、，繞待檢測的大口徑管壁再旋轉一周，得到另一部分 投影數據，然后將兩部分投影數據按照旋轉分度進行組合，得到重建算法所需的外部投影 數據，掃描過程易于機械實現。然后利用FDK算法對管道進行Ξ維圖像重建。本發明可用較 低能量的射線及較小尺寸的探測器掃描重建較大直徑的管道外部環形區域的圖像，射線束 張角較小，射線一致性好，可用于重建管道(含固定管道)管壁的外部環形區域的Ξ維圖像。
【附圖說明】
[0028] 為了使本發明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發明提供如下附圖進行 說明：
[0029] 圖1為本發明的管道檢測結構示意圖；
[0030] 圖2為本發明的待檢測管道掃描時的橫截面示意圖；
[0031] 圖3為本發明的圓周軌跡錐束外部CT的抑K重建算法幾何結構示意圖；
[0032] 圖4為本發明的雙周外部CT檢測裝置在線檢測大口徑管壁的方法流程圖。
【具體實施方式】
[0033] 下面將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。
[0034] 圖1為本發明的管道檢測結構示意圖，圖2為本發明的待檢測管道掃描時的橫截面 示意圖，圖3為本發明的圓周軌跡錐束外部CT的FDK重建算法幾何結構示意圖，如圖所示:將 射線源（1)，兩個面陣探測器:面陣探測器I(2a)和面陣探測器Π (2b)設置在繞管道(4)的圓 形軌道(3)上，W起始射線源（υ到管道(4)中屯、軸的垂足為坐標原點0建立空間直角坐標系 〇-xyz，x軸為原點與射線源（1)的連線并且正方向為從原點指向射線源（l)，y軸為沿管道 (4)橫向并垂直于X軸的坐標軸（圖2)，z軸為與管道(4)中屯、軸線重合的坐標軸并且W管道 一側作為正方向（圖1)。W坐標原點0為旋轉中屯、，（X，y，Z)表示被重建點坐標，在過坐標原 點0并且垂直于中屯、射線的位置處引入虛擬探測器，射線源（1)位于s，s〇/表示錐形射線的 中屯、射線，SK表示經過被重建點的一條射線，r表示K點在探測器中屯、層(z = 0)的投影，被 重建點在直線SK/上的投影為M，中屯、射線與y軸成β角，K為射線SK的錐角（圖3)。
[0035] 本發明公開的一種雙周外部CT檢測裝置在線檢測大口徑管壁的方法的主要步驟 包括:將射線源和兩個探測器設置在圍繞待檢測管道中屯、的圓形軌道上，探測器相對于管 道對稱地偏置放置，掃描開始后，射線源分別對準兩個面陣探測器保持相對位置并沿圍繞 管道的軌道作兩周圓周運動（圖1中實線部分的射線和探測器表示第一周掃描，虛線部分的 射線和探測器表示第二周掃描），獲得兩部分管道外部環形區域的投影數據，然后按照旋轉 分度進行組合，得到算法所需的外部投影數據。此類掃描方式的機械運動實現簡單易行，能 夠利用小尺寸的面板探測器在線檢測大口徑的管道壁處的缺陷，射線束張角較小，射線一 致性好。
[0036] 圖4為本發明的雙周外部CT檢測裝置在線檢測大口徑管壁的方法流程圖，如圖所 示:雙周外部CT檢測裝置在線檢測大口徑管壁的方法包括W下步驟：
[0037] S1.檢測裝置安裝:包括射線源（1)、面陣探測器I(2a)和面陣探測器Π (2b) W及控 制及圖像處理系統(5)，所述射線源（1)、面陣探測器I(2a)和面陣探測器Π (2b)的信號線路 與控制及圖像處理系統（5)相連，圓形軌道(3)固定設置在管道(4)上，使得圓形軌道(3)的 中屯、與管道(4)某一橫截面的圓屯、重合，射線源（1)、面陣探測器I(2a)和面陣探測器Π (2b) 分別固定在圓形軌道上，面陣探測器I(2a)和面陣探測器Π (2b)在管道(4)的兩側對稱地偏 置放置，使得射線源(1)產生的錐形射線束能夠覆蓋管道(4)的外壁區域；
[0038] S2.掃描:在控制與圖像處理系統(5)的控制下，首先將射線源（1)對準面陣探測器 I(2a)的中屯、，射線源（1)和面陣探測器I(2a)沿圓形軌道(3)旋轉一周，得到一部分投影數 據，并傳送到控制與圖像處理系統（5)中存儲，然后將射線源（1)對準面陣探測器Π (2b)的 中屯、，射線源（1)和面陣探測器Π (2b)沿圓形軌道(3)旋轉一周，得到另一部分投影數據，并 傳送到控制與圖像處理系統(5)中存儲；
[0039] S3.投影數據組合:在控制與圖像處理系統(5)中將存儲的兩部分投影數據按照旋 轉分度進行組合，得到外部的投影數據；
[0040] S4.管道外部環形區域Ξ維圖像的重建:根據組合得到的投影數據重建管道外部 環形區域的Ξ維圖像，主要包含Ξ個步驟:S41.對組合得到的投影數據進行加權;S42.結合 斜坡濾波器對加權后的投影數據進行一維濾波；S43.對步驟S42的濾波結果進行Ξ維加權 反投影。
[0041 ] 在本實施例中，假設管道感興趣區域(Region of Interest,R0I)為：
[0042]
[0043] 其中rminJmax分別為管道外部環形區域的內徑和外徑，Zmin，Zmax分別表示所要檢測 管道Z坐標的初始值與結束值。在感興趣區域外，重建圖像的值為零。
[0044] 重建算法如下：
[0045] 1)面陣探測器實際采集到的組合后的投影數據為p(i3，a，b)，則投影數據加權后 為：
[0046]
[0047] 其中，β表示中屯、射線與y軸的夾角，a，b分別代表虛擬探測器上的水平位置和豎直 位置坐標，R表示射線源到旋轉中屯、的距離。
[004引2)對加權后的投影數據p/ W，a，b)進行一維濾波
[0049]
[0化0]其中V'代表卷積算子
^斜坡濾波函數，q為積分變量。
[0051 ] 3)將卷積后的投影數據パ(/?，。，W用Ξ維坐標表示為：パ'ク，。(W'，ク)，W.γ，,v，z.ク))，則待重 建點(x，y，z)處的重建公式為：
[0化2]
[0053]其中（x，y，z)表示待重建點的Ξ維坐標，f(x，y，z)表示在(x，y，z)處的圖像灰度，U (x,y ,β) =R-xsin0+ycos0，
表示對應射線在虛擬探測器上的水平位 置坐標
表示對應射線在虛擬探測器上的豎直位置坐標。
[0化4] S5.顯示Ξ維重建結果及二維切片圖像。
[0055]最后說明的是，W上優選實施例僅用W說明本發明的技術方案而非限制，盡管通 過上述優選實施例已經對本發明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可W在 形式上和細節上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發明權利要求書所限定的范圍。
【主權項】
1. 一種基于雙周外部CT檢測裝置在線檢測大口徑管壁的系統，其特征在于:該系統包 括射線源（1)、面陣探測器I(2a)和面陣探測器Π (2b)、控制及圖像處理系統(5); 所述射線源（1)、面陣探測器I(2a)和面陣探測器Π (2b)的信號線路與控制及圖像處理 系統(5)相連，圓形軌道(3)固定設置在管道(4)上，使得圓形軌道(3)的中心與管道(4)的某 一橫截面的圓心重合;射線源（1)、面陣探測器I(2a)和面陣探測器Π (2b)分別固定在圓形 軌道上;所述面陣探測器I(2a)和面陣探測器Π (2b)在管道(4)的兩側對稱地偏置放置，使 得射線源(1)產生的錐形射線束能夠覆蓋管道(4)的外壁區域。2. -種利用如權利要求1所述系統進行在線檢測大口徑管壁的方法，其特征在于:在該 方法中采用了射線源（1)、面陣探測器I(2a)和面陣探測器Π (2b)、控制及圖像處理系統 (5)，具體包括以下步驟： S1:在控制與圖像處理系統(5)的控制下，首先將射線源（1)對準面陣探測器I(2a)的中 心，射線源（1)和面陣探測器I(2a)沿圓形軌道(3)旋轉一周，得到一部分投影數據，并傳送 到控制與圖像處理系統(5)中存儲，然后將射線源（1)對準面陣探測器Π (2b)的中心，射線 源（1)和面陣探測器Π (2b)沿圓形軌道(3)再旋轉一周，得到另一部分投影數據，并傳送到 控制與圖像處理系統(5)中存儲； S2:在控制與圖像處理系統(5)中將存儲的兩部分投影數據按照旋轉分度進行組合，得 到外部的投影數據； S3:根據組合得到的投影數據重建管道外部環形區域的三維圖像； S4:顯示三維重建結果及二維切片圖像。3. 根據權利要求2所述的在線檢測大口徑管壁的方法，其特征在于:所述步驟S3具體包 括以下步驟： S31:對組合得到的投影數據進行加權； S32:結合斜坡濾波器對加權后的投影數據進行一維濾波； S33:對濾波結果進行三維加權反投影。4. 根據權利要求3所述的在線檢測大口徑管壁的方法，其特征在于:在步驟S31中，面陣 探測器實際采集到的組合后的投影數據為P(i3，a，b)，則投影數據加權后為：其中，β表示中心射線與y軸的夾角，a，b分別代表虛擬探測器上的水平位置和豎直位置 坐標，R表示射線源到旋轉中心的距離。5. 根據權利要求4所述的在線檢測大口徑管壁的方法，其特征在于:在步驟S32中，對加 權后的投影數據P' (i3，a，b)進行一維濾波： p(P，a,b)=-^(p'{P，a,b)*g(a)) 其中代表卷積算子，咖)=?IW如，q為積分變量。 -QD6. 根據權利要求5所述的在線檢測大口徑管壁的方法，其特征在于:在步驟S33中，將卷 積后的投影數據；^(Αβ,?)用三維坐標表示為P(/?，七%]', /?)』(W，/?))，則待重建點（X，y，z)處的 重建公式為：其中（x，y，z)表示待重建點的三維坐標，f (x，y，z)表示在(x，y，z)處的圖像灰度，U(x， y，β) = R-x表示對應射線在虛擬探測器上的水平位置 坐標：丨表示對應射線在虛擬探測器上的豎直位置坐標。
【文檔編號】G01N23/04GK106066335SQ201610353562
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年5月25日 公開號201610353562.3, CN 106066335 A, CN 106066335A, CN 201610353562, CN-A-106066335, CN106066335 A, CN106066335A, CN201610353562, CN201610353562.3
【發明人】曾理, 郭雨濛
【申請人】重慶大學