高玉玲，马燕，刘艳萍，张峰，张晶，胡东常

(西安近代化学研究所 十一部，陕西 西安710065)

0 引言

工业CT 是工业用计算机断层成像技术的简称，也简称ICT。它能在对检测物体无损伤条件下，以二维断层图像或三维立体图像的形式，清晰、准确、直观地展示被检测物体内部的结构、组成、材质及缺损状况，被誉为当今最佳无损检测和无损评估技术。工业CT 技术涉及了核物理学、微电子学、光电子技术、仪器仪表、精密机械与控制、计算机图像处理与模式识别等多学科领域，是一个技术密集型的高科技产品。X 射线ICT 被称为近25 年中十大最重要的技术进步之一［1］。

在进行军用装药缺陷智能化识别及三维可视化研究课题中，设想应用工业CT 技术达到军用装药内部缺陷的自动、快速识别和判断，并达到三维立体可视化多角度、全方位、多层次、多功能显示的效果。

1 工业CT 无损检测原理及系统组成

1.1 工业CT 无损检测原理［2］

首先介绍一下CT 技术与射线照相之间的差别:射线照相方法的最终图像是信息的叠加、模糊，将三维物体的信息投影为二维的射线照片，但它无法在透照方向上对特征信息进行空间定位。CT 技术则克服了这个局限，灵敏度比射线照相高出一、两个数量级之多，它能够对物体的某一平面产生清晰的二维图像。

CT 成像是利用射线从多个方向透射工件某断层，通过探测器探测由工件衰减后的射线信息，由计算机对采集的数据进行图像重建，以二维图像形式展现所检测断层的密度分布。

DR 成像则使射线从单一方向穿过工件，对检测的信息进行重建后，以二维图像形式展现所检测方向的重叠密度分布。

以X 射线作为射线源的工业CT 工作原理:

当射线穿过均匀物质时

当射线穿过非均匀物质时

式中:l 为射线穿过被检测物各体积元的长度;I 为射线穿过被检测物以后的强度(即经被检测物衰减后探测到的计数和);μi为射线穿过不同物质的线衰减系数(与被检物质密度和原子序数以及使用辐射源能量有关);I0为射线入射端初始强度(射线在空气中探测器测到的原始计数和)。

图1 典型系统组成

通俗地说:有一束单能的射线透射过物质，必然产生衰减，其衰减情况遵循比尔定律 (见式 (1)，(2))，检测物的密度、厚度不同，均影响衰减结果，从而得到不同强度的射线，探测器上得到的数据必然不同，在CT 图片上则得到相应的密度反映，这样，就形成了反映密度变化的样品内部结构CT 图。

1.2 工业CT 系统组成［2］

工业CT 系统通常由射线源、探测器系统、数据采集传输系统、机械扫描运动系统、图像重建分析系统等组成。典型系统组成如图1 所示。

目前常用的工业CT 系统一般采用X 射线源。

2 工业CT 研究发展状况

2.1 国内外工业CT 设备发展介绍

基于医用CT 技术基础，从上世纪70 年代末到80年代中期，美国SMS 公司和IDM 公司率先推出了ITA200 和IRISTM 系列产品探测器射线源后，工业CT技术迅速发展［3］。工业CT 技术虽然与医学CT 技术原理相同，但医学CT 的检测对象为人，其检测对象具有单一性和确定性特点。而工业CT 系统应用在工业领域，检测对象在形状、尺寸、材料、缺陷类型、检测精度要求等方面千差万别，这就决定了应用在不同行业和部门的工业CT 系统存在差异，系统需要针对检测对象的特性进行针对性设计，以满足检测要求，达到最优的检测和分析效果。

我国的工业CT 技术发展始于上世纪90 年代初期。各大高校和基础科学的研究院所相继投入精力进行工业CT 硬件和仿真系统开发的研究工作，同时，在许多应用性研究院所和军工企业也在积极开拓工业CT 系统的应用，现在工业CT 在我国正处于蓬勃上升的发展阶段。西南ICT 研究中心研制出我国第一台XN 一1300－y 射线工业CT 机后，极大地推动了我国在工业CT技术上的研究和发展。且我国自主开发的产品与国外同类产品相比，具有性价比更高的特点。比如中国工程物理研究院应用电子学研究所研制出的我国首套高精度工业CT，已完全达到国际先进水平，相比国际上所推出的低能工业CT 高达100 多万美元的价格，价格仅为其三分之一左右，主要应用于工程物理研究院内部［3］。

目前国内外已经达到kV 级(主要指450 kV 以下)系列CT 机和MeV 级(最高15 MeV 已经产品化，现在美国出现了30 MeV 工业CT 设备)产品化。表1 列出国内外典型公司同类产品性能指标比较［5－6］。

表1 国内外典型公司同类产品性能指标比

2.2 工业CT 技术的研究状况

工业CT 技术的研究主要课题是工业CT 硬件系统的研究和软件技术的研究，其中硬件系统的研究目前国际上主要集中于高能X 射线工业CT，其科技含量高，成本大，可对较厚工件或较重元素材料进行检测，对于军工产品有明显的重要性，也是发展国防、航空、航天等大型动力设备的关键技术之一;软件技术的研究主要集中在图像重建算法的研究面最广。

自CT 广泛应用以来，三维成像一直是人们研究的课题，总体上可以分为两类:一类为直接研究从投影数据进行三维重建称为真三维重建技术;另一类是将多幅二维CT 图像叠堆出样品的三维图像，这实际上是一种显示技术。

目前三维成像中以表面显示法最常用。表面显示法有三角网法、有限差分法、动态弹性表面插入法等基本都是利用有限的断层数据得到更加接近实际的光滑物体表面，近几年出现的滑行环连续螺旋线扫描方式，可得到无间隙的螺旋状扫描数据，这对三维显示技术无疑提供了十分有利的条件［6］。

3 工业CT 技术应用

3.1 工业CT 技术应用领域［4］

工业CT 广泛应用在汽车、材料、航天、航空、军工、国防等产业领域，为检测航天运载火箭及飞船航空发动机、大型武器的检测、地质结构的分析以及机械产品质量的重要检测手段。航空、航天等工业中精细工件内部结构的测量及其缺陷的检测;兵器工业中对弹药装填密度的检测和武器关键部件的质量检测等等。

3.2 工业CT 技术应用特点［4］

工业CT 技术应用的特点主要有:定量、定位检测;具有高的密度分辨力;探测信号的动态范围宽;能够实现数字化显示。

3.3 工业CT 技术检测范围［4］

工业CT 检测可以完成:缺陷检测、定位与特性描述;各部件相对位置的确定;确定物体的密度梯度，评价均匀性;定量分析;动态在线检测。

3.4 工业CT 技术应用设想

根据目前火炸药装药技术发展与实际科研生产应用实际，同时结合工业CT 特点等，把工业CT 技术用于军用装药中装药缺陷的智能化识别与三维可视化研究中，具有重大意义和现实作用。下面是研究的初步设想。

利用工业CT 技术，检测多类型模拟弹(包含各种能够反映装药现状的各种物理缺陷)或实际弹体装药、靶场回收弹体等，为课题研究提供完整可靠的ICT 测量数据。利用ICT 检测技术，将各种可能导致弹药失能、失效、使用不安全的物理缺陷自动、快速、高效检测与识别是研究目标。

3.4.1 军用装药中装药缺陷分布

军用装药过程中会出现气孔、裂纹、夹杂、疏松、脱粘、脱层等缺陷，在装药完成后，其内部的缺陷检测是很重要的问题，但又是很困难的，尤其是缺陷的准确定位和定量测量是很大的难题，一般的检测手段是无法保证完成的，工业CT 无损检测手段是最佳的方法。能够准确、及时检测出装药存在的缺陷，保证军用装药产品的本质安全、整体安全。

3.4.2 设想实现后的应用效果

工业CT 技术在武器弹药质量检测中主要用于装药气孔、疏松、夹杂等缺陷检测;各种装药几何尺寸、缺陷几何尺寸测量;仿研样品装配结构与装药分析;弹体装药密度、密度分度和弹体装药底隙测量等。

设想是:结合在线检测对军用装药进行全面检测，对发现极限缺陷产品送入工业CT 检测工序，进行系列CT 层扫描，得到检测样品系列二维CT 图，并进一步重建三维CT 图，或者对检测样品进行整体DR 照射，得到检测样品系列DR 图，进一步形成系列CT 图，构建样品的三维CT 图，对军用装药产品在装药、装配过程中形成的缺陷进行检测，无损、准确、真实的得到测量结果，服务于军用火炸药装药科研、生产产品质量判断，及时、准确反映装配问题，以便及时解决实际问题。

为实现这一工业CT 无损检测需求，要求配备在线检测手段，或者至少配备先进高精度工业CT 机，应当具有线阵扫描探测器和面阵扫描探测器双探测器功能，以便满足样品的三位检测和精细化扫描检测。

1)机械零部件的实物图与工业CT 三维重建图

首先，对大家熟悉的汽车油缸机械零部件进行了大量的工业CT 逐层扫描，得到一系列对应的CT 图片，利用CT 系统现有的三维重建方法进行三维重建，得到该机械零部件的三维立体图。如图2，同时还可以根据需要对已经获得三维CT 图的汽车油缸机械零部件进行多方位、多层次、多角度的直观显示，在逆向工程中使送样者充分了解样品内外结构信息，为样品的解剖模拟仿真提供科学依据。

图2

2)军用炸药装药中缺陷的智能化识别与三维可视化

对军用装药样品进行大量系列CT 无损检测断层扫面，得到样品由下向上或由上向下大量CT 断层扫描图，每个CT 扫描层(典型CT 断层扫描CT 图片如图3(a))上清楚显示缺陷分布、大小、形状等，重建得到炸药装药的三维立体图(如图3 (b))，利用CT 专用软件就关心的装药缺陷独立、三维、可视化显示。

图3

图3 中标识出较大的疏松气孔缺陷几何尺寸测量结果是:长22.3 mm、宽0.909 mm，体积为83.416 mm3。

由图3 可以看出，炸药装药CT 三维重建立体图根据需要只显示了缺陷分布而去掉了装药成份显示，这样可以一目了然看清楚装药缺陷的所有情况，并用CT专用软件对分布的缺陷进行自动识别和几何尺寸自动测量。这里的关键是CT 数据和CT 图片的获得、软件对缺陷的自动识别和几何尺寸自动测量功能。

炸药装药缺陷的智能化识别和三维可视化研究中，智能化识别中重点在于智能化即自动化识别异常密度区域，设想在软件开发研究时考虑对同一批样品首先获得无缺陷装药CT 数据(设为标准数据)，输入软件系统，然后在批量检测时进行CT 断层扫描过程中或扫描完成后立即由软件与标准数据比较，自动判读，自动得出低密度区域(气孔缺陷)或高密度区域(夹杂缺陷)的分布范围、尺寸大小等结果，以达到快速、自动、智能识别缺陷。而三维可视化只是一种丰富的显示效果，使显示更加明了、形象、直观。

4 工业CT 技术在军用装药缺陷检测方面的应用展望

上述设想的实现必须采用先进的工业CT 设备，采用线阵和面阵双探测器系统，面阵探测器进行立体快速扫描、线阵探测器完成细节检测，以便较高速度获得足够的CT 数据，从而得到样品内部结构CT 图、三维显示立体图。

应用工业CT 技术进行智能化识别军用装药缺陷及三维可视化显示研究，首先是对军用装药缺陷的智能化识别，其表现在CT 图片的快速获得、得到每张CT图片后的快速判读、区域范围内的自动测量和取值，并与事先设定好的标准数据值比较判定缺陷种类、是否合格等;其次是对军用装药的三维可视化显示和表征，三维可视化表现在系列CT 图获得后的三维重建、多方位显示、多层次显示、多功能显示等等，如图4表现了多方位显示。

图4 炸药装药CT 三维重建立体图多方位显示

应用工业CT 技术进行智能化识别军用装药缺陷及三维可视化显示研究获得的是一个CT 专用软件，该软件应当具有对得到的CT 图片进行快速判读、定位、尺寸测量、三维重建、三维显示等功能，其三维显示体现在对样品多方位显示、多层次显示、个性显示等方面，如图4 表现了多方位显示，每个立体图又是个性显示，根据需要只显示了装药缺陷，也可以只显示三维立体图的1/2，1/3，1/4…，以便将内部组织结构分层次显示，还可以动化演示样品的装配过程和缺陷成长过程等等。另外，希望达到通过对打靶回收弹或燃烧试验残留物密度检测研究，配合三维可视化技术，研究装药内部出现的缺陷成长过程、密度变化等，进而实现装药内部热效应检测、分析，利用X 射线工业CT 揭示隐藏的运动过程，在军用装药热效应或化学反应等方面取得一定的研究成果。

虽然采用工业CT 技术检测关重件军用装药产品质量具有非常重要的意义，但是目前还无法做到采用工业CT 无损技术100%检测军用产品，开展研究和积累工作很有必要，相信随着军用装药质量要求的不断提高、工业CT 无损检测技术的快速发展、检测费用不断降低，将加快军用装药缺陷智能化识别与三维可视化CT 检测技术成果的普遍应用。

［1］Ramakrishna G S，Uresh Kumar，Datta S S，et a1. Design and Applications of Computed Industrial Tomographic Imaging System (CTIS) ［A］. Proceedings of 14th World Conference on NDTE ［C］. 新 德里，印度:1996，293—299.

［2］叶云长. 计算机层析成像检测［M］. 国防科技工业无损检测人员资格鉴定与认证培训教材.

［3］王召巴，金永. 高能X 射线工业CT 技术的研究进展［J］.测试技术学报，2002，16 (2):1 －4.

［4］工业CT 的应用及发展［M/OL］. ［2013 －03 －10］. http://wenku.baidu.com/view/0082d6de6faff00bed51e90.html.

［5］重庆真测科技股份有限公司.CD 系列工业CT/DR 系统［M/OL］. ［2013 －03 －10］. http://www.cqzhence.com/cn/index.asp.

［6］王增勇，汤光平. 工业CT 技术进展及应用［J］. 无损检测，2010，32 (7).