Оптимизация параметров многоканальных непрерывно -сканирующих систем цифровой рентгенографии

На правах рукописи

Лебедев Михаил Борисович

Оптимизация параметров многоканальных непрерывно -сканирующих систем цифровой рентгенографии

Специальности: 05.11.13 - «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»; 05.13.01 - «Системный анализ, управление и обработка информации (в отраслях информатики, вычислительной техники и автоматизации)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Томск - 2009

Работа выполнена в НИИ Интроскопии Томского политехнического университета и Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (техническом университете)

Научные руководители:

доктор технических наук, старший научный сотрудник

Сидуленко Олег Анатольевич

доктор технических наук, старший научный сотрудник

Удод Виктор Анатольевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, старший научный сотрудник

Капранов Борис Иванович

доктор технических наук, старший научный сотрудник

Косарина Екатерина Ивановна

Ведущая организация:

ЗАО «Научно-исследовательский институт интроскопии» МНПО "СПЕКТР", г. Москва

Защита состоится 8 декабря 2009г. в 15 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.269.09 при Томском политехническом университете по адресу: г. Томск, пр. Ленина, 2, ауд. 213.

Отзывы на автореферат высылать по адресу: 634028, г. Томск, ул. Савиных,7, НИИ Интроскопии, ученому секретарю Винокурову Б.Б.

С диссертацией можно ознакомиться в научно – технической библиотеке Томского политехнического университета по адресу: г. Томск, ул. Белинского, 53.

Автореферат разослан «______» ноября 2009 г.

Ученый секретарь

совета по защите докторских

и кандидатских диссертаций

кандидат технических наук, доцент Б.Б. Винокуров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время под термином «цифровая рентгенография» понимают совокупность методов неразрушающего контроля и диагностики, при которых радиационное изображение просвечиваемого объекта контроля преобразуется на определенном этапе в цифровой сигнал. В дальнейшем этот цифровой сигнал заносится в память компьютера и перераспределяется там в двумерный массив измерительных данных, который может подвергаться различным видам цифровой обработки (контрастирование, масштабирование, препарирование, сглаживание и т.п.) и, наконец, воспроизводится на экране графического дисплея или ТВ-монитора в виде полутонового изображения, непосредственно воспринимаемого оператором.

Среди различных типов систем цифровой рентгенографии (на основе оцифровки традиционных рентгенограмм, на основе усилителей радиационных изображений, на основе запоминающих люминофоров и т.д.) одними из наиболее перспективных являются сканирующие системы цифровой рентгенографии на основе линейки детекторов (ССЦР), что обусловлено целым рядом существенных преимуществ данных систем перед остальными: отсечка рассеянного излучения; малая дозовая нагрузка на исследуемый объект; большой динамический диапазон; высокая эффективность регистрации излучения; возможность контроля крупногабаритных объектов; высокая восприимчивость к автоматизации.

При проектировании вновь создаваемых ССЦР неизбежно возникает задача выбора их основных параметров и характеристик (размеры и форма фокусного пятна источника излучения, размера и формы апертур детекторов, фокусное расстояние, время измерения сигналов радиационных изображений и т.д.). При этом совершенно очевидно, что по возможности указанный выбор должен быть осуществлен в том или ином смысле оптимальным образом.

Общеизвестно, что пространственная разрешающая способность (РС) является одним из важнейших показателей качества систем неразрушающего контроля и диагностики с визуальным отображением дефектоскопической информации. Вследствие этого вполне закономерной становится задача оптимизации значений основных параметров ССЦР из условия максимума её РС. Насколько нам известно, данная задача ранее не рассматривалась, а между тем её решение позволит получить точную теоретическую оценку потенциальных возможностей ССЦР и тем самым формировать обоснованные технические требования на их создание.

В связи с вышеизложенным тема, избранная для диссертационных исследований, является актуальной. Это подтверждается тем, что работа выполнена в рамках работы "Разработка рентгено-телевизионного интроскопа (РТИ) конвейерного типа для контроля ручной клади авиапассажиров на наличие ВВ", выполненной в 2008г. МИРЭА.

Объект исследования – ССЦР.

Предмет исследования – закономерности обработки радиометрической информации в ССЦР.

Цель диссертационной работы – совершенствование теории проектирования ССЦР на основе оптимизации значений основных параметров ССЦР по критерию максимума РС данных систем с учетом возможности применения в них цифровой обработки радиометрической информации.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

1. Разработка математической модели процесса функционирования ССЦР с учетом основных факторов, влияющих на качество воспроизведения радиационного изображения объекта контроля на экране дисплея.

2. Вывод выражений для теоретической оценки РС ССЦР на основе разработанной модели.

3. Оптимизация, по критерию максимума РС, значений основных параметров ССЦР с учетом возможности применения в данных системах цифровой фильтрации результатов регистрации излучения.

4. Получение аналитических соотношений, которые дают возможность для данного объекта контроля по заданным значениям РС ССЦР и производительности контроля определить, с учетом цифровой фильтрации результатов регистрации излучения, оптимальные значения основных параметров ССЦР и минимально необходимое значение мощности экспозиционной дозы излучения от источника.

Методы исследования базируются на использовании теории переноса излучения, теории линейных систем, теории обработки сигналов и изображений, теории случайных процессов.

Достоверность и обоснованность полученных в диссертации результатов подтверждена корректным применением математического анализа и теоретических положений в области взаимодействия ионизирующего излучения с веществом и их согласованностью с экспериментальными данными и с результатами, известными в литературе.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель ССЦР с непрерывным сканированием (НССЦР), которая учитывает возможность применения в НССЦР как источника излучения с анизотропным угловым распределением и неравномерным распределением квантового выхода по его фокусному пятну, так и детекторов с неоднородной пространственной чувствительностью к падающему излучению, а также нормализацию результатов регистрации излучения и их цифровую фильтрацию.

2. Решена задача оптимального выбора значений основных параметров НССЦР по критерию максимума её РС по направлению сканирования с учетом цифровой фильтрации результатов регистрации излучения.

3. Решена задача оптимального выбора значений основных параметров НССЦР по критерию максимума её РС в «наихудшем случае» с учетом цифровой фильтрации результатов регистрации излучения.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что полученные в ней аналитические соотношения могут быть взяты за основу при проектировании НССЦР с оптимальными по РС значениями их основных параметров с учетом цифровой фильтрации результатов регистрации излучения.

Личный вклад автора. Все теоретические и экспериментальные исследования, составляющие основное содержание диссертации, были проведены автором лично, либо при его непосредственном участии. Личный вклад автора состоит: в анализе современного состояния и развития систем цифровой рентгенографии и формулировке выводов; в выборе структурной и функциональной схемы исследуемой НССЦР; в разработке математической модели НССЦР; в выводе выражений для теоретической оценки РС НССЦР; в получении аналитических соотношений для нахождения оптимальных значений основных параметров НССЦР как без учета, так и с учетом цифровой фильтрации результатов регистрации излучения.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель НССЦР.

2. Выражения для теоретической оценки РС НССЦР.

3. Решение задач оптимального по РС выбора значений основных параметров НССЦР как без учета, так и с учетом цифровой фильтрации результатов регистрации излучения.

4. Совокупность аналитических соотношений, позволяющих для данного объекта контроля по заданным значениям РС НССЦР в «наихудшем случае» и производительности контроля определить, с учетом цифровой фильтрации результатов регистрации излучения, оптимальные значения основных параметров НССЦР и минимально необходимое значение мощности экспозиционной дозы излучения от рентгеновского источника.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационных исследований использованы:

1. При выполнении опытно-конструкторской работы «Разработка рентгено-телевизионного интроскопа (РТИ) конвейерного типа для контроля ручной клади авиапассажиров на наличие ВВ»(МИРЭА).

2. При разработке сканера для контроля почтовой корреспонденции XR-PSCAN-2611 (ООО «Диагностика-М», Москва).

3. При проектировании ряда сканирующих рентгеновских установок в в/ч 35533, в/ч 43753, ФГУП «НИИЭФА им. Д.В.Ефремова».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на следующих конференциях и симпозиумах: 6-й Международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (Москва, 2007, два доклада); 3-й Российской научно-технической конференции «Разрушение, контроль и диагностика материалов и конструкций» (Екатеринбург, 2007); 8-м Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (осенняя сессия, Сочи-Адлер, 2007); Международной научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» (Томск, 2008); Международной научной конференции «Становление и развитие научных исследований в высшей школе», посвященной 100 – летию со дня рождения профессора А.А. Воробьева (Томск, 2009).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, из которых 7 статей в журналах, входящих в перечень ВАК, и 5 тезисов докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 130 наименований. Работа содержит 166 страниц машинописного текста, включая 15 рисунков и 13 таблиц.

Автор выражает благодарность научным руководителям – д.т.н., с.н.с. Сидуленко О.А. и д.т.н., с.н.с. Удоду В.А. – за помощь в проведении исследований и обсуждение их результатов. Автор выражает признательность коллегам из МИРЭА и НИИ интроскопии Томского политехнического университета.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, изложены научная новизна и практическая ценность полученных результатов, дана общая характеристика выполненной работы.

В первой главе проведен обзор литературных данных, посвященный анализу современного состояния и развития систем цифровой рентгенографии (СЦР) и обоснованы основные задачи диссертационных исследований.

В настоящее время СЦР широко используются в промышленной дефектоскопии, в медицинской диагностике и для проведения досмотра багажа, ручной клади, опломбированных контейнеров и т. д. с целью обеспечения безопасности пассажирских и грузовых перевозок. В обзоре представлены различные классификации СЦР, описанные ранее в работах Клюева В.В., Соснина Ф.Р., Бару С.Е., Недавнего О.И., Кантера Б.М., Зеликмана М.И., Yaffe M.J., Rowlands J.A., Harrison R.M. и других исследователей. В соответствии с одной из них, получившей наибольшее распространение, существующие СЦР делятся по способам детектирования радиационного изображения и формирования адекватного ему полутонового изображения на следующие основные типы: системы на основе оцифровки традиционных рентгенограмм; системы на основе запоминающих люминофоров; системы на основе фоторезистивных экранов; системы на основе усилителей радиационных изображений; системы на основе двумерных матричных детекторов; сканирующие системы на основе линейки детекторов (одномерных матричных детекторов); сканирующие системы на основе бегущего рентгеновского луча.

В обзоре приведено описание принципа действия, уровня развития на современном этапе и отмечены преимущества и недостатки СЦР каждого из указанных типов. В результате анализа приведённых данных были сделаны выводы, один из которых, в частности, заключается в том. что в настоящее время среди различных типов СЦР одними из наиболее перспективных являются сканирующие СЦР на основе линейки детекторов (ССЦР), что обусловлено целым рядом существенных преимуществ данных систем перед остальными ( отсечка рассеянного излучения; малая дозовая нагрузка на исследуемый объект; большой динамический диапазон; высокая эффективность регистрации излучения; возможность контроля крупногабаритных объектов; высокая восприимчивость к автоматизации). В рамках развития этого направления были сформулированы основные задачи исследований.

Во второй главе разработана математическая модель ССЦР, структурная схема которой представлена на рис.1, для случая применения в данной системе непрерывного режима сканирования, т. е. разработана математическая модель многоканальной непрерывно – сканирующей системы цифровой рентгенографии (НССЦР), а именно (рис.2):

(1)

Здесь В(х,у) – полутоновое изображение, синтезируемое НССЦР;

(2)

- идеальное полутоновое изображение, синтезируемое идеальной НССЦР, т.е. такой гипотетической НССЦР, в которой отсутствуют линейные и статистические искажения теневого радиационного изображения объекта контроля (ОК) в процессе его формирования и воспроизведения на экране дисплея; - яркость фона идеального полутонового изображения; - составляющая яркости фона, соответствующая градиенту амплитудной характеристики НССЦР; - составляющая яркости фона, соответствующая аддитивной составляющей амплитудной характеристики НССЦР;

; (3)

- градиент амплитудной характеристики НССЦР ; - среднее значение амплитуд электрических импульсов с выхода отдельного детектора [B]; - среднее число квантов излучения, регистрируемых в единицу времени центральным детектором линейки при отсутствии в ОК неоднородности ; Т – время регистрации излучения (постоянная времени каждого из временных интеграторов) ; ; , - линейный коэффициент ослабления излучения для материала ОК и инородного включения (неоднородности), соответственно; - лучевой размер неоднородности;

Рис.1. Структурная схема ССЦР:

1 – источник излучения; 2 – щелевой коллиматор источника; 3 – объект контроля; 4 – щелевой коллиматор детекторов; 5 – детекторы; 6 – временные интеграторы; 7 – аналого – цифровые преобразователи; 8 – компьютер; 9 – полутоновый дисплей.

Рис. 2 Математическая модель НССЦР

(4)

- нормированный по площади на единицу импульсный отклик фокусного пятна источника излучения; - функция, описывающая распределение квантового выхода по фокусному пятну коллимированного источника излучения; = - коэффициент геометрического увеличения; F – фокусное расстояние; f – расстояние от источника (фокусного пятна) до неоднородности вдоль оси Оz;

(5)

- нормированный по площади на единицу импульсный отклик апертуры крайнего (любого из крайних) детектора из линейки (с учетом её коллимирования); - функция, описывающая эффективность регистрации излучения центральным детектором линейки (с учётом её коллимирования); - угол между осью Оz и направлением от источника на крайний (любой из крайних) детектор линейки (фактически угол совпадает с половинным углом раствора рабочего пучка излучения);

(6)

- нормированный по площади на единицу импульсный отклик пространственного фильтра, соответствующего временному фильтру (интегратору со сбросом) с нормированным импульсным откликом

; (7)

- дельта-функция Дирака; -скорость сканирования (перемещения) ОК;

- нормированный по площади на единицу импульсный отклик процесса «дискретизация - ступенчатая интерполяция» (физически пространственная дискретизация изображения осуществляется за счет дискретизации сигналов радиационного изображения аналого-цифровыми преобразователями, а также за счет дискретности расположения детекторов в линейке, а ступенчатую интерполяцию осуществляет дисплей, у которого распределение яркости в пределах каждого элемента разложения (пикселя) равномерное);

(8)

- нормированный по площади на единицу импульсный отклик пространственного фильтра, соответствующего цифровому фильтру с нормированным импульсным откликом ; - двумерная дельта – функция Дирака; - шаги дискретизации радиационного изображения ОК вдоль соответствующих координатных осей;

, (9)

где - максимальный шаг расположения детекторов в линейке ( для плотноупакованной линейки детекторов , где g – ширина апертуры отдельного детектора из линейки); символ «*» означает двумерную свертку; - шум (обусловленный квантовой природой излучения) с нулевым средним значением и дисперсией

, (10)