基于断层CT 的轻便式引信自动检测系统研究

邵立康，朱小浩，张有兵

（中国人民解放军炮兵学院，安徽 合肥 230031）

0 引言

引信是保证弹药安全的关键一环，目前我军对于炮弹引信的检测，基本上都是使用传统的有损检测，如抽检试爆，或者是使用观察外观等方法。 这样做既不可靠也不经济，甚至存在着较大的安全隐患。事实证明，传统的检测技术和手段已经不能解决我军目前引信检测、保障、储存和保养中存在的问题[1]。美军很早就重视引信安全性X 射线机动化检测研究，目的是实现部队所装备弹药非基地化检测，以保证部队的弹药配备，满足部队的使用要求[2]。 因此，研究轻便式机动化引信安全性检测技术是十分必要的。

1 系统原理及功能

1.1 系统原理

系统原理是利用ICT 技术，即：X 射线穿过物质并与物质相互作用后，其强度将受到射线路径上物质的吸收或散射而衰减。 由于物质的衰减系数与物质的密度直接相关，故衰减系数的二维分布可体现为密度的二维分布。 经过一定数据处理或重建，能够得到展现其结构关系和物质组成的二维图像[3]。

1.2 系统功能

系统功能主要检查引信隔爆机构位置是否正常，当发现机构有偏移或处于失效时，进行自动报警。 其基本工作流程为：（1） 开机打开各子系统电源，系统初始化，并自检反馈结果。（2）放上引信并选择该引信类型。 （3）自动读取数据库中该引信参数，并发送到各子系统进行设置。 （4）开始扫描引信，射线经前准直器成扇束照射到引信后， 再经后准直器被探测器接收。（5）数据采集系统将扫描数据实时传输到计算机。 （6）利用图像重建和自动检测算法，在显示器上显示扫描图像和自动检测结果。 图1 是基于断层CT 的轻便式引信检测设备结构示意图。

图1 系统结构示意图Fig.1 System structure sketch

2 系统设计

根据系统的设计原理和功能，经分析，整个系统可从射线源、准直器、探测器、数据采集系统、计算机系统、控制系统、机械扫描运动系统7 个模块来分别研究。

2.1 射线源

射线源用以产生扫描检测用的射线束，是直接影响检测效率的主要因素之一。 对射线源的选择主要考虑强度适中、安全可靠、焦点尺寸小、使用寿命长、能够快速检测等因素。 本系统是一个轻便式的检测装置，在穿透厚度上要满足炮弹引信检测的最大穿透厚度（达到25～27mm 钢板的要求），X 射线管电压为80～160 kVp，电流为0.4mA，同时还需小型轻便。 经大量调研论证，选择美国Spellman 公司的XRB160 PN480 X 型射线机。 经实验对比，该设备简便、可靠、稳定，安全性好，适合野外使用。

2.2 准直器

准直器将射线源发出的X 射线处理成所需形状的射线束,减少散射，并用于限制进入探测器射线束的截面尺寸。 前准直器将射线限制成具有一定厚度的扇形射线束，后准直器将扇形射线束离散化为线状束，以利于探测器的接收，同时屏蔽掉散射射线，减少散射射线对探测器的影响，以利于降低噪声，提高信噪比和成像质量。

2.3 探测器

X 射线探测器是数字化X 射线成像系统最重要的组成部分。 X 射线在穿过物体后，探测器将包含物体结构信息的X 射线信息转化成数字矩阵，并传输入到计算机。 因此，探测器总体性能的好坏直接决定成像的质量。 本系统根据引信检测部件的尺寸、大小以及检测要求的空间分辨率、速度、像素大小等参数，选用了Paxscan1313LowkV 型数字成像式平板探测器。 该探测器与传统探测器相比，具有检测效率高、速度快，可以获得较好的空间分辨率和更高的射线利用率等优点。

2.4 数据采集系统

数据采集系统用于获取和收集信号，它将探测器获得的信号转换、收集、处理和存储，供图像重建用。 本系统的数据采集与传输部分主要由CSI 闪烁晶体、PIN 光电二极管、低噪声放大器、低压电源、数据采集模块和计算机通信接口组成（如图2 所示）。其工作原理是利用CSI 闪烁晶体将X 射线转换为可见光信号， 由PIN 光电二极管进行光电转换，经低噪声放大器放大后，由数据采集模块将信号转换为数字量，再通过计算机通信接口将其传输至计算机。

图2 探测采传系统原理框图Fig.2 Detection and acquisition system principle

2.5 计算机系统

计算机图像自动处理系统是检测设备的核心，设备的主要功能都由它来完成，包括自动对射线机及控制系统中各参数的设置、图像重建、图像处理、图像显示、自动检测报警、图像存储及系统自检等。根据本系统小型轻便的要求，采用笔记本电脑（处理器为100 MHz 总线下的Intel PIV/350 以上、内存1G、硬盘80G 以上、分辨率不低于1024×1024、真彩色显示卡）。 网络集线器、 网卡最低10M 以上速率，以保证网内多节点间大数据量的实时传输与交换。

2.6 控制系统

控制系统接收计算机发出的控制指令，实现对扫描检测过程的控制。 它通过执行机构控制机械扫描运动系统，完成机械运动的精确定位控制、整个系统的逻辑控制和时序控制，以及系统各个部分的协调，并担负系统状态监控和安全连锁控制。

2.7 机械扫描运动系统

在本系统中，机械扫描运动系统主要用来承载被检测引信，并在控制系统的控制下完成三自由度、高精度的运动，为计算机图像自动处理系统提供所需该引信预定位置的计算机断层扫描图像。 本系统的主要检测对象引信属于精密部件，检测时要求一定的检测精度和良好的几何稳定性，因此，选择立式结构对引信进行检测。 被检测引信安放在机械检测台上，通过分层运动、分度运动、径向运动得到不同方位的多幅图像，提高成像分辨率，便于图像重建。

3 关键技术问题研究

3.1 检测部件的研究

设备检测对象主要是对机械类型的引信（如各种类型的炮弹、火箭弹的引信），也可对电子引信的机械保险装置进行检测。 据统计，常规的引信重量一般在2 kg 以下，全长在60～200 mm 之间，最大外直径在40～64 mm 之间。 本系统检测部件用小型旋转平台，其分度盘直径为120 mm，安装底盘直径为130 mm。 旋转平台上布置有夹具，用于固定引信。平台受计算机控制，按检测需求，在步进电机的带动下可作三自由运动，旋转速度为10°/s。 该系统的X 射线机安全性高，持续工作稳定性好，且X 射线泄漏剂量为0.5 mR/h（在离装置5 cm 处），达到国际工业CT 机的安全技术性能要求（系统射线安全防护可靠，满足部队安全可靠的需要）。

3.2 轻便式的实现

为了实现装置的轻便式和适应野外作业的特殊要求， 系统设备的各组件都安置在一个小推车上。X 射线源主体为长方体， 基本尺寸为： 底部直径长508 mm、宽571.5 mm、高273.1 mm，重量40 kg。 探测器基本尺寸为：长650 mm、宽100 mm、高500 mm左右。 探测器以及机械扫描系统、主机笔记本等体积均较小，重量较轻。电源采用交、直流两用方式，交流用220V，50 Hz 市电，直流用蓄电池。为减轻整机重量，机械系统支架和平台采用硬铝合金型材料。总之，整体上实现了装置的小型化、轻便式，满足了部队机动化野外作业的要求。

3.3 检测高效率和可靠性的实现

为了提高检测效率和系统检测的可靠性，检测单个引信的时间（扫描开始到检测结束）为1 min，加上电机调整时间，检测两发不同引信也仅需3 min。在图像上，采用多种数据校正和去除射束硬化的技术，利用经典的卷积投影滤波图像重建算法，保证了图像质量和重建速度。 采用了适合多种引信的图像预处理技术，不同引信结构用不同的图像分割算法及自动检测算法。 在自动检测的同时，用户还可根据扫描显示的重建图像，对照该引信的检测说明，进行人工判读，无需较专业的知识，便可消除因检测设备误差在射击时带来的膛炸、早炸等重大安全事故。

4 系统检测结果及分析

笔者对该检测系统的各种性能进行了测试，结果表明： 各子系统的所有技术指标均满足要求。 其中，图3 为该系统对榴-5 引信中回转体和轴座这两处装有雷管及导爆药的断层扫描图。有关榴-5 引信的结构和作用原理，相关文献均有论述。

从图3a 中可清楚地看到，回转体处装有雷管的圆槽灰白区域及轴座的止销插在回转体的回形槽中的一端。 这说明其处在正常安全隔爆位置。 而在图3b 中，圆形灰白的区域装有导爆药。 在引信待发状态下，这两处圆形灰白区域处于对正状态，且止销滑到回形槽靠近雷管的一端。 通过计算机图像自动处理系统，自动计算其重心坐标差，并考虑系统误差。当超过系统误差值时，自动报警。 此时，操作人员可对照该引信的检测说明，进行人工判读。

图3 榴-5 引信扫描图像Fig.3 Pyrope-5 fuze scanning pictures

5 结语

该检测系统的设计不仅能对引信进行足够精确和快速的检测，而且实现了装置的轻便式，在检测上也实现了自动检测和无需要专业知识的人工识别，该系统在军事武器装备上有较高的价值和意义，并具有广阔的应用前景和发展空间。

[1] 王欢. 基于锥束CT 的引信直接三维重建研究[D]. 炮兵学院，2006.

[2] 美国无损检测学会. 美国无损检测手册[M]. 《美国无损检测手册》译审委员会，译.上海：世界图书出版公司，1992：154-155.

[3] 郑世才. 射线检测[M]. 北京：机械工业出版社，2004：77-79.