一种基于双源锥束CT的新型引信检测系统设计

王 欢，夏 良，朱国春

（解放军陆军军官学院,230031）

0 引言

引信是炮弹引爆的重要装置。但是往往炮弹在运输、装载、使用过程中会出现撞击、掉落等情况，这些情况会导致炮弹引信内部保险装置遭到破坏。引信保险装置的受损会直接引起炮弹爆炸或在使用过程中出现炸膛。针对这种情况，目前一般使用两种方法处理：一是对所有异常情况的炮弹进行销毁；二是利用无损检测技术对引信保险装置进行检测，判断哪些是解脱保险的炮弹，哪些是可以继续使用的炮弹。显然，第二种方式可以减少不必要的损失。目前主要使用的无损检测方式是射线照相技术和传统的计算机层析成像技术（Computer Tomography，CT）。

利用射线照相技术对引信进行检测，图像是三维结构的二维成像，被测部件内部结构前后叠加，读片困难，且不能进行足够清晰准确地检测，会增加误判率。利用传统的断层CT技术进行检测，虽然可以得到断层图像，但是扫描时间比较长，扫描一圈一般需要采集180到360幅图像，每幅图像的极限扫描时间在0.1到0.5秒，也就是说得到一个分辨率足够高的断层图像至少需要3分钟。并且要从多个断层的图像才能判断出引信保险装置的内部情况。断层与断层之间的纵向分辨率较差，如果要显示出引信的三维内部图像还需要专门的三维显示程序进行重建，这又要耗费大量的计算时间。

针对上述情况，本文提出一种新的基于双源锥束CT技术的检测方法，该方法可以对引信进行无损、快速、准确地检测。

1 硬件系统设计

1.1 扫描结构的设计

笔者对榴-2、榴-5、时-2等几种常用的引信进行了调研。发现要判断几种常用引信是否失效，主要要看其内部隔爆机构的状况，可以将检测范围进一步缩小到15厘米以内，可视为感兴趣区域重建问题。所以可以选用比较适合局部区域重建的锥束Micro-CT系统进行检测。由于引信本身的特点决定，不必过多考虑像人或动物对射线辐射剂量的要求，也不必考虑运动物体产生的运动伪影等因素，所以可以选取多源CT进行检测。

本文设计的引信扫描结构是将两套锥束Micro-CT影像系统集成在一个设备上的双源检测系统：使用两个射线源、两个平板探测器，两个探测器成90度角，分别对应一个射线源。中间扫描台上放置被测引信，扫描台可以以任意角度和速度进行旋转，并且可以控制其升降。

1.2 射线源的选择

本系统中，射线源是直接影像成像质量的重要因素之一。考虑到引信对射线穿透能力的要求，本文选择可调节气绝缘X射线机，管电压设置为125kV～126kV，管电流为0.4mA（根据最大穿透公式计算，可得到，此管电压可穿透25～27mm的钢）。该射线源具有散热性好，保护措施齐全，使用寿命长，穿透能力强等特点，X射线泄露剂量也符号辐射安全标准。

1.3 平板探测器的选择

探测器是数字成像的关键部件之一，基于在系统几何失真、空间分辨率以及射线利用率几个方便的考虑，平板探测器都是最适合锥束CT的信息获取设备。根据常用引信的规格技术指标，本系统选用了Paxscan1313 LowkV型数字成像式平板探测器。该平板探测器图像传输速度可达30帧/秒，可以达到实时成像的要求；像素大小仅为127μm或194μm，空间分辨率高，可达3.97LP/mm（即线径0.126mm）。对于引信内部结构，锥形束一次照射便可在平板探测器上完成一个角度投影数据的采集，不必分段升降进行扫描，大大缩短检测时间。

1.4 控制系统的设计

该系统的控制系统主要实现以下三个方面的控制：一是可对射线源进行开关、强度进行控制。二是对平板探测器的积分时间进行控制。三是对扫描台的上下位置调整、旋转的方向和速度进行控制。

2 软件系统设计

2.1 重建算法的选择

利用锥束CT投影数据进行图像重建的算法有很多种，大致分为精确重建算法和近似重建算法两大类。在引信内部结构检测过程中，我们只需要利用重建图像准确判断出某些部件的位置即可，例如：榴-2引信的隔报机构，当滑块处于中间位置时,说明该引信处于安全状态， 否则引信处于解脱保险状态。针对这种情况，我们选择可以利用一组锥束投影数据进行快速重建的标准FDK近似重建算法进行重建。该算法是由Feldkamp、Davis和Kress于1984年提出的，它比其它的精确重建算法要简洁的多，重建时间短，而且锥角越小重建误差越小。还有一个重要优点是可以在纵向处理数据截断。

2.2 成像系统模块设计

基于双源锥束CT的引信检测系统主要分为以下六大模块：

（1）参数设置模块：首先进行操作员登录验证，该部分的设计主要是为了记录相应部件的检测责任人，可以在事后对误检和漏检的引信作跟踪；由于引信型号不同，规格也不同，所以对常见的引信建立一个引信特征数据库，每次采集投影数据前，通过引信的型号进行相关参数设置，系统自动调整射线强度，探测器的积分时间，扫描台的高度以及旋转速度。

（2）数据采集模块：采集不同角度下的投影数据，最后将投影数据汇聚到一个投影数据集，并对投影数据进行处理，去除无效数据。

（3）图像重建模块：该模块是系统最主要的一个模块，相对来说也是最为复杂的一个模块。主要流程如下：先对采集的有效数据进行预处理，有散射校正、射束硬化校正、探测器像元响应不一致校正等，再选择重建算法（FDK），对处理后的投影数据进行重建，重新后保存。

（4）图像处理模块：对重建的图像进行图像分割、特征提取等图像后处理，目的是为了后续的图像显示和自动判别。此过程也可跳过。

（5）图像显示模块：利用三维显示技术，对重建后的引信内部结构图像进行三维显示。

（6）自动判别模块：此模块的设计是为了实现引信的自动检测。系统会根据特征值的比对情况，对解脱保险的引信进行报警提示。

3 结论

本文所提出的双源锥束CT引信检测系统跟以往的无损检测系统比较具有下列两个方面的优势：

（1）扫描速度快。用传统断层CT进行引信的扫描，如果要采集64层断面图像，则需要192分钟。而双源CT由于其一次扫描就可获得数个断层的投影图像，而且利用双源的结构，又可使时间缩短一倍，则使得整个采集投影数据时间可缩短128倍。2009年西门子在北美放射学年会上推出的双源CT机架旋转速度达到 0.28 秒/圈，扫描速度高达43厘米/秒，时间分辨率可达到73ms，这使得双源结构的CT系统，不仅可以针对一般物体进行快速检测，还可以用来对运动物体进行检测，甚至实现在线实时检测。

（2）重建分辨率高。传统断层CT虽然可以重建出分辨率较高的断层图像，但是纵向分辨率比较低。要想重建出三维图像，必须要获得足够多的断层图像进行差值等处理，才可生成，所以并不能称之为真正意义上的三维重建。而与此相比，锥束CT有着独特的优势，可以利用锥束二维投影数据，一次性生成被测物体的三维密度空间分布函数，从而实现真正意义上的三维重建，纵向分辨率和横向分辨率一样高。

但是双源CT系统也存在着自身的一些问题。由于利用的是双射线源，在射线强度比较低的时候，投影图像受散射的影响就比较单源的要大很多。另外在锥角大于10度时重建图像中伪影就比较严重。这些问题还需要后续用一些算法进行修正。

目前在国内工业CT检测领域，多源CT系统应用的还比较少。主要考虑到其需要多个射线源、多个探测器，制造成本比较昂贵。随着近年来多源CT的发展，今后以双源、三源等多源CT系统取代单源CT系统必然会是一个趋势。

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[3]霍修坤.锥束CT直接三维成像算法研究[D].合肥：安徽大学计算机学院.2005.

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