Промышленная томография из низкоэнергетических рентгеновских проекционных данных

Традиционная томография является эффективным средством для медицинской диагностики, неразрушающего контроля промышленных конструкций и проверки качества индустриальных изделий. Задача томографической реконструкции изображений объектов в случае ограниченного угла обзора, малого количества проекций и/...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2009
Автори:	Золотарев, С.Л., Венгринович, В.Л.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2009
Назва видання:	Техническая диагностика и неразрушающий контроль
Теми:	Неразрушающий контроль
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/103448
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Промышленная томография из низкоэнергетических рентгеновских проекционных данных / С.Л. Золотарев, В.Л. Венгринович // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2009. — № 3. — С. 47-50. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-103448
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1034482016-06-17T03:02:32Z Промышленная томография из низкоэнергетических рентгеновских проекционных данных Золотарев, С.Л. Венгринович, В.Л. Неразрушающий контроль Традиционная томография является эффективным средством для медицинской диагностики, неразрушающего контроля промышленных конструкций и проверки качества индустриальных изделий. Задача томографической реконструкции изображений объектов в случае ограниченного угла обзора, малого количества проекций и/или недостаточной мощности рентгеновского источника излучения является некорректной обратной задачей. Статья посвящена случаю, когда закон линейного ослабления не выполняется для некоторых направлений просвечивания и, более того, эффект ужесточения лучей приводит к погрешностям в реконструкции. Traditional tomography is an effective means for medical diagnostics, non-destructive testing of industrial structures and checking the quality of industrial products. The problem of tomographic reconstruction of object images in the case of a limited viewing angle, small number of projections and/or insufficient power of X-ray radiation source is an incorrect inverse problem. The paper is devoted to the case, when the linear weakening law is not fulfilled for some directions of transmission and moreover, the effect of increased rigidity of the beams leads to reconstruction errors. 2009 Article Промышленная томография из низкоэнергетических рентгеновских проекционных данных / С.Л. Золотарев, В.Л. Венгринович // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2009. — № 3. — С. 47-50. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 0235-3474 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/103448 620.179.15 ru Техническая диагностика и неразрушающий контроль Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Неразрушающий контроль Неразрушающий контроль
spellingShingle	Неразрушающий контроль Неразрушающий контроль Золотарев, С.Л. Венгринович, В.Л. Промышленная томография из низкоэнергетических рентгеновских проекционных данных Техническая диагностика и неразрушающий контроль
description	Традиционная томография является эффективным средством для медицинской диагностики, неразрушающего контроля промышленных конструкций и проверки качества индустриальных изделий. Задача томографической реконструкции изображений объектов в случае ограниченного угла обзора, малого количества проекций и/или недостаточной мощности рентгеновского источника излучения является некорректной обратной задачей. Статья посвящена случаю, когда закон линейного ослабления не выполняется для некоторых направлений просвечивания и, более того, эффект ужесточения лучей приводит к погрешностям в реконструкции.
format	Article
author	Золотарев, С.Л. Венгринович, В.Л.
author_facet	Золотарев, С.Л. Венгринович, В.Л.
author_sort	Золотарев, С.Л.
title	Промышленная томография из низкоэнергетических рентгеновских проекционных данных
title_short	Промышленная томография из низкоэнергетических рентгеновских проекционных данных
title_full	Промышленная томография из низкоэнергетических рентгеновских проекционных данных
title_fullStr	Промышленная томография из низкоэнергетических рентгеновских проекционных данных
title_full_unstemmed	Промышленная томография из низкоэнергетических рентгеновских проекционных данных
title_sort	промышленная томография из низкоэнергетических рентгеновских проекционных данных
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2009
topic_facet	Неразрушающий контроль
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/103448
citation_txt	Промышленная томография из низкоэнергетических рентгеновских проекционных данных / С.Л. Золотарев, В.Л. Венгринович // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2009. — № 3. — С. 47-50. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.
series	Техническая диагностика и неразрушающий контроль
work_keys_str_mv	AT zolotarevsl promyšlennaâtomografiâiznizkoénergetičeskihrentgenovskihproekcionnyhdannyh AT vengrinovičvl promyšlennaâtomografiâiznizkoénergetičeskihrentgenovskihproekcionnyhdannyh
first_indexed	2025-07-07T13:52:44Z
last_indexed	2025-07-07T13:52:44Z
_version_	1836996482980380672
fulltext	УДК 620.179.15 ПРОМЫШЛЕННАЯ ТОМОГРАФИЯ ИЗ НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕНТГЕНОВСКИХ ПРОЕКЦИОННЫХ ДАННЫХ С. Л. ЗОЛОТАРЕВ, В. Л. ВЕНГРИНОВИЧ Традиционная томография является эффективным средством для медицинской диагностики, неразрушающего кон- троля промышленных конструкций и проверки качества индустриальных изделий. Задача томографической рекон- струкции изображений объектов в случае ограниченного угла обзора, малого количества проекций и/или недоста- точной мощности рентгеновского источника излучения является некорректной обратной задачей. Статья посвя- щена случаю, когда закон линейного ослабления не выполняется для некоторых направлений просвечивания и, более того, эффект ужесточения лучей приводит к погрешностям в реконструкции. Traditional tomography is an effective means for medical diagnostics, non-destructive testing of industrial structures and checking the quality of industrial products. The problem of tomographic reconstruction of object images in the case of a limited viewing angle, small number of projections and/or insufficient power of X-ray radiation source is an incorrect inverse problem. The paper is devoted to the case, when the linear weakening law is not fulfilled for some directions of transmission and moreover, the effect of increased rigidity of the beams leads to reconstruction errors. Томографическая визуализация (ТВ) — это тех- нология математической реконструкции свойств и изображений объектов по многосенсорным дан- ным с помощью тепловых, электромагнитных, акустических, рентгеновских, оптических и дру- гих измерительных систем. Она является важным средством для создания интегрированной инфор- мационной среды, а именно, для получения трех- мерных цифровых компьютерных изображений производственных изделий и процессов. Если при ТВ «наблюдение» объекта доступно из любого положения на круговой траектории, то для получения качественного трехмерного изоб- ражения объекта используется либо алгоритм, ос- нованный на преобразовании Радона, либо ите- рационный метод реконструкции, либо метод фильтрованных обратных проекций (ФОП). Од- нако в случае наличия ограниченных углов обзора и/или малого количества проекций, задача стано- вится сильно некорректной [1–6]. Если, например, рентгеновское излучение не может полностью просветить объект контроля по наихудшим направлениям, то его нельзя реконс- труировать с помощью традиционных итерацион- ных алгоритмов [7]. Иногда удовлетворительной реконструкции можно добиться, применяя байе- совскую реконструкцию изображений с исполь- зованием приемлемой априорной информации, признанной наиболее эффективной для реконс- трукции изображений из неполных наборов дан- ных [6–8]. Использование в качестве априорной информации статистических свойств восстанав- ливаемого изображения также является весьма по- лезным для бинарных изображений [9–12]. В последнее время быстрыми темпами раз- вивается промышленная рентгеновская томогра- фия, которая позволила вывести, например, кон- троль фасонных отливок различных деталей ав- томобильных и тракторных двигателей на качес- твенно новый уровень. Производство ответствен- ных изделий современного машиностроения — автомобильных, тракторных и авиационных дви- гателей, охлаждаемых турбинных лопаток невоз- можно без использования современных средств измерения линейных размеров. Однако тради- ционные средства измерения, незаменимые при оценке характеристик отдельных деталей и образ- цов простейшей формы, неприменимы при изме- рениях внутри сложных пространственно развет- вленных деталей и сборных либо неразборных со- единений. Понятно, что штангенциркулем невоз- можно измерить толщину стенки охлаждаемой турбинной лопатки сложной формы, также как, например, и зазор внутри неразборного клапана. Такие задачи решаются с помощью промышлен- ной рентгеновской томографии, способной без ге- ометрических искажений и с высокой степенью точности бесконтактно измерить размеры указан- ных выше структурных элементов внутри изделий любой сложности. С ее помощью достижима уни- кально высокая точность бесконтактного нераз- рушающего измерения размеров внутренних структурных элементов и их локальных дефектов, соизмеримая с точностью традиционных средств контактного измерения наружных размеров про- мышленных изделий. Основные ограничения ин- формационных характеристик и возможных об- ластей применения современных промышленных © С. А. Золотарев, В. Л. Венгринович, 2009 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №3,2009 47 томографических систем обусловлены несовер- шенством источников рентгеновского излучения — слишком низкой для машиностроительных за- дач величиной энергии, слишком большими раз- мерами фокусных пятен и ничтожной удельной интенсивностью в пересчете на размеры фокус- ного пятна. Все это вызывает необходимость развития но- вых направлений исследований, направленных на создание концепции, теории, алгоритмов и соот- ветствующего программного обеспечения для преодоления дефицита исходных данных в зада- чах неразрушающего контроля (НК) с помощью новых эффективных математических и алгорит- мических средств. На сегодня нужно уметь осу- ществлять реконструкцию с ограниченного коли- чества направлений просвечивания, расположен- ных в угловом диапазоне меньшем, чем 180°, а также в условиях применения минифокусных рен- тгеновских трубок с небольшими напряжениями. Снижением энергии просвечивания можно однов- ременно повысить разрешение, так как при этом соответственно уменьшится и размер фокусного пятна. Актуальным является вопрос разработки эффективных вычислительных технологий, кото- рые позволили бы осуществлять высокоточную реконструкцию сложных машиностроительных деталей, например, головок блока цилиндров ди- зельных двигателей, при отсутствии полной ин- формации по некоторым направлениям просвечи- вания. Следует также заметить, что одним из са- мых массовых объектов томографического конт- роля в авиационной промышленности и очень важным для надежности авиадвигателей являются охлаждаемые турбинные лопатки, неразруша- ющее измерение внутренней геометрии которых невозможно без ТВ. Двухмерная итерационная реконструкция турбинных лопаток. При традиционном томог- рафическом контроле подобных объектов контро- ля из-за резкого изменения толщины в зависимос- ти от направления просвечивания общие требо- вания к энергии излучения ориентируются на худ- шие направления, отказавшись от которых можно было бы достичь существенного улучшения, пе- рейдя в область более низких энергий, где име- ются минифокусные трубки. Типичные задачи технологического контроля ло- паток — локальные измерения размеров стенок в местах утонений, обнаружение рыхлот, пор и трещин. На рис. 1, а по- казана современная охлаждаемая лопат- ка с простейшей внутренней структу- рой, изготовленная из никелевого спла- ва (худшее направление в месте конт- роля — ширина пера порядка 35 мм; лучшее направление — поперек стенки с суммарной толщиной порядка 4 мм), на рис. 1, б — обработанные линейные проекции одного из поперечных сечений данной лопатки для энергии источника 125 кВ, которые содержат 1024 480 16-разрядных значений. Интервал между 1024 значениями в каждой од- норакурсной проекции равен 0,04 мм, угловой шаг между ракурсами 0,375°. Рентгеновскую съемку проводили при напряжении рентгеновской трубки 125 кВ, причем, рассеянное излучение ослаблено удаленностью от детекторов и коллимацией. Все- го здесь содержится 480 проекций. Проблема зак- лючается в том, что для того, чтобы полностью просветить данный объект контроля во всех нап- равлениях, необходимо напряжение рентгеновс- кой трубки 420 кВ. При таком напряжении попе- речное сечение лопатки реконструируется с прос- транственным разрешением, достаточным для оценки необходимых технологических размеров и обнаружения дефектов сплошности и рыхлот, которые могут присутствовать в изделии. Однако при этом приходится использовать дорогостоящее рентгеновское оборудование и поскольку размер фокусного пятна для данного напряжения явля- ется достаточно большим, то существуют прин- ципиальные ограничения для повышения прост- ранственного разрешения для особо тонких сте- нок, т. е. внутренняя конфигурация лопатки мо- жет быть существенно более сложной. Для умень- шения размера фокусного пятна желательно было бы перейти к напряжению рентгеновской трубки 125 кВ, однако из-за невозможности полностью просветить лопатку в наиболее протяженных нап- равлениях, получается реконструкция, осущест- вленная ФОП. С целью улучшения последней реконструкции была проведена коррекция экспериментальных данных. Для коррекции реальных проекций ис- пользовали алгоритм, учитывающий эффект ужес- точения лучей, характерный для просвечивания протяженных объектов полихроматическим рен- тгеновским излучением. Закон ужесточения рен- тгеновских лучей был определен по эксперимен- тальным данным, полученным при просвечивании реальной лопатки известной конфигурации для напряжения рентгеновской трубки 125 кВ и мо- дельным проекциям, полученным для САД пред- Рис. 1. Современная турбинная лопатка (а) и линейные проекции одного из ее поперечных сечений (б) 48 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №3,2009 ставления данной лопатки, совмещенного в прос- транстве с реальным изделием. На рис. 2 показан график аппроксимации зависимости суммарной толщины лопатки на лучевых срезах от соответ- ствующих показаний детекторов полиномом пя- той степени. Используя методику, основанную на предва- рительной коррекции реальных проекционных данных по данной зависимости, с целью устра- нения эффекта ужесточения лучей, была прове- дена итерационная байесовская реконструкция [6] по 240 проекциям. На рис. 3 показаны результаты итерационной байесовской реконструкции после 16 и 20 итераций соответственно. Полученное пространственное разрешение уже достаточно близко к тому, которое необходимо иметь по тех- ническим условиям и, конечно, существенно луч- ше того, которое было получено с использованием стандартного алгоритма. Трехмерная реконструкция промышлен- ных объектов. С целью исследования возможнос- ти создания на территории Беларуси промышлен- ных томографов на основе уже выпускаемого се- рийно рентгеновского оборудования фирмы «Ада- ни» [13], было проведено рентгеновское скани- рование вентилятора и масляного распределителя на рентгеновской установке фирмы «Адани» Se- curescan с неподвижным Г-образным детектором с 3136 регистрирующими элементами размером 0,8 мм (детали перемещались относительно план- ки детекторов на подвижной платформе). Рассто- яние от рентгеновского источника до детектора 1799 мм, рабочее напряжение трубки 160 кВ, раз- мер фокусного пятна 0,8 мм. Было получено 60 цифровых рентгеновских снимков вентилятора размером 1150 3136 с разрешением 0,6 0,8 мм в угловом диапазоне 180° с шагом 3° и 60 таких же рентгеновских снимков для масляного расп- ределителя. Особый интерес представляет реконструкция масляного распределителя. Габаритные размеры масляного распределителя 134 90 45 мм, а для напряжения 120 кВ, при котором проводили рен- тгеновскую съемку, можно просветить слой стали порядка 40 мм, т. е. на большинстве рентгенов- ских проекций очень значительны потери инфор- мации, однако, благодаря коррекции эффекта ужесточения лучей и учета дополнительной ап- риорной информации о реальном значении коэф- фициента линейного ослабления стали для данной энергии просвечивания, удалось в принципе вос- становить внутреннюю структуру масляных кана- лов. На рис. 4 показаны проекции для углов 0 и 30°. Хорошо видно насколько сильно зашумлены и как быстро деградируют проекционные изобра- жения в зависимости от углового положения рен- тгеновского источника по отношению к масляно- му распределителю. На рис. 5 приведены сечения реконструирован- ного трехмерного изображения масляного распре- делителя координатными плоскостями XOY, YOZ и XOZ. Рис. 2. Зависимость суммарной толщины лопатки на лучевых срезах от соответствующих показаний детекторов Рис. 3. Результаты интерационной реконструкции лопатки после 16 (а) и 20 итераций (б) Рис. 4. Проекции масляного распределителя для 0 и 30° Рис. 5. Сечения трехмерного изображения масляного распре- делителя координатными плоскостями XOY и XOZ ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №3,2009 49 Выводы Способ компенсации неполноты исходных данных на основе осуществления коррекции ужесточения рентгеновского излучения по имеющимся реаль- ным проекциям и проекциям, полученным для из- вестного САД представления этого же объекта контроля, показал хорошую эффективность при ис- пользовании байесовских реконструктивных алго- ритмов. Дальнейшее развитие и усовершенствова- ние данной технологии должно позволить сущес- твенно повысить эффективность томографического контроля промышленных изделий. Авторы выражают глубокую благодарность проф. В. Н. Линеву за помощь в организации рен- тгеновского сканирования промышленных изде- лий. 1. X-ray 3D reconstruction using minimal projections and max- imum a priori knowledge / V. L. Vengrinovich, Y. B. Den- kevich, G.-R. Tillack, S. Heine // Proc. Intern. сonf. «Com- puter methods and Inverse Problems in nondestructive Testing and Diagnostics», 21–24 Nov. — Minsk, 1995. — P. 77–82. 2. X-ray 3D reconstruction of objects with unhomogeneous in- ternal structure using a priori knowledge / V. L. Vengrino- vich, S. A. Zolotarev, G.-R. Tillack, C. Nockemann // Ibid. — P. 124–128. 3. Multistep 3D X-ray tomography from a limited number of projections and views / V. L. Vengrinovich, Yu. Denkevich, G.-R. Tillack, C. Nockeman // Review of Progress in QNDE, ed. by D. O. Tompson and D. E. Chimenti, Plenum Press. — New York, 1997. — 16. — P. 317–323. 4. Золотарев С. А., Венгринович В. Л. Трехмерная реконс- трукция по минимальному числу проекций с внутриите- рационным подавлением теневых артефактов // Техн. диагностика и неразруш. контроль. — 1998. — № 2. — С. 32–38. 5. Reconstruction of Three-Dimensional Binary Structures from Extremely Limited Number of Cone-Beam X-ray Pro- jections. Choise of Prior. / V. L. Vengrinovich, Yu. Denke- vich, G.-R. Tillack // J. of Phys., D:Applied Physics. — 1999. — 32. — P. 2505–2514. 6. Vengrinovich V. L., Denkevich Yu., Tillack G.-R. Bayesian 3D X-ray reconstruction from incomplete noisy data // Max- imum Entropy and Bayesian Methods, ed. by W.von der Linden et. al., Kluwer Academic Publishers. — 1999. — P. 73–83. 7. Vengrinovich V. L., Denkevich Yu., Tillack G.-R. Limitied projection 3D X-ray tomography using the maximum entro- py method // Review of Progress in QNDE, ed. by D. O. Tompson and D. E. Chimenti. Plenum Press. — New York, 1998. — 17. — P. 403–410. 8. Bayesian Restoration of Crack Images in Welds from In- complete Noisy Data / V. L. Vengrinovich, Yu. Denkevich, G.-R. Tillack et al. // Review of Progress in QNDE, ed. By D. O. Tompson and D. E. Chimenti, American Institute of Physics. — Melville-New York, 2000. — 19A. — P. 635– 642. 9. Золотарев С. А., Венгринович В.Л., Тиллак Г. Р. 3-хмер- ная реконструкция внутренней поверхности двухсвязно- го бинарного объекта по малому числу проекций // Техн. диагностика и неразруш. контроль. — Киев, 2001. — № 2. — С. 8–11. 10. Трехмерная томографическая визуализация труб в про- цессе эксплуатации / В. Л. Венгринович, С. А. Золота- рев, Ю. Б. Денкевич, Г.-Р. Тиллак // 4-я Нац. науч.-техн. конф. «Неразрушающий контроль и техническая диаг- ностика». — Киев, 2003. — С. 46–50. 11. New technique for 2D an 3D X-ray image restoration of pipes in service given a limited access for observation / V. L. Vengrinovich, S. A. Zolotarev, A. Kuntsevich, G. R. Tillack // Review of Progress in QNDE, ed. By D. O. Thompson and D. E. Chimenti, Plenum Press New-York. — New-York, 2001. — 20A. — P. 756–763. 12. Zolotarev S. A., Vengrinovich V. L., Tillack G.-R. 3D Recon- struction of Flaw Images with Inter-Iterational Suppression of Shadow Artefacts // Review of Progress in QNDE, ed. By D. O. Thompson and D. E. Chimenti, Plenum Press New- York. — New-York, 1997. — 16. — P. 216–221. 13. Линев В. Н. Роль современных сканирующих технологий в цифровой рентгенодиагностике // Сб. матер. Между- нар. межуниверситетского семинара по диагностической и терапевтической радиологии «Радиология в медицинс- кой диагностике». — Минск, 2003. — С. 41–49. Гоc. науч. уч-ние «Ин-т прикладной физики», НАН Беларуси, Минск Поступила в редакцию 29.11.2008 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №3,2009 50

Промышленная томография из низкоэнергетических рентгеновских проекционных данных

Репозитарії

Схожі ресурси