高能X射线数据采集系统研究

为了克服传统的射线探测方案在高能X射线工业CT的探测与数据采集系统中的弊端,分析了高能X射线探测技术,并重点研究了高能X射线探测器——钨酸镉(CdWO4)耦合光电二极管探测器的探测原理及其信号输出特征。根据探测器信号的输出特性,研究了微弱电流信号的测量原理,详细介绍了高能X射线探测转换电路的设计,并重点介绍了微弱信号探测系统的前置放大电路、主放大电路以及一种新的应用于工业CT的高低压分区放大电路的设计。

教学用工业CT实验仪器的设计与开发研究

计算机层析成像(CT)技术采用射线从多个角度穿透物体来重建断层图像或三维图像,该技术已经广泛地应用于医学诊断和治疗、工业无损检测和无损评价。因此,对于大学学生来讲,了解和掌握CT技术的基本原理具有重要意义。本文详细介绍了用于大学教学的CD-50BG型CT实验仪。该仪器采用“平移+旋转”的扫描方式,具有活度为0.74GBq的Csγ射线源、单个塑料闪烁体+光电二极管的探测器和50mm的视场137直径,其中射线源安装在钨合金的屏蔽容器中。同时,开发了图像处理软件对采集数据进行处理,重建断层图像和重构三维图像。重建断层图像可达到1lp/mm的空间分辨率和1%的密度分辨率。目前,已经有包括清华大学、北京大学在内的十余所高校将该仪器用于基础教学。

工业虚拟内窥关键技术研究

工业内窥镜在工业产品内壁缺陷检查中具有诸多局限性,但是利用工业CT对工业产品进行扫描获得数字化的体数据,并采用虚拟内窥镜技术模拟工业内窥镜的检查过程,则具有更大的灵活性。论文简要介绍了工业虚拟内窥镜的成像原理,并重点阐述了工业虚拟内窥镜技术的关键技术:内表面数据获取、虚拟镜头的运动控制、漫游轨迹生成等内容,最后将工业虚拟内窥镜技术应用于实际的工业检查。实验对一个汽车引擎管道进行检查,发现了其内壁的凹坑,并获得了直径为2mm的细管道的一系列内窥图像。工业虚拟内窥镜不仅可逼真地模拟工业内窥镜,而且解决了工业内窥镜无法解决的难题,并具有可重复性、更强的适应性等优点。

工业CT用数据采集与传输系统设计及实现

为了满足工业CT对数据采集系统的采集实时性、传输准确性、结构小型化及功能模块化等要求,设计并完成了一种基于FPGA+ARM架构的嵌入式数据采集与传输系统。该系统利用FPGA实现了多通道并行数据的实时采集、格式转换与一级缓存,同时利用ARM完成了数据的二级缓存以及基于TCP协议的以太网数据传输。该系统已被应用到多个大型工业CT机中,结果表明该系统能够满足射线能量达9 MeV、探测器通道数达960的工业CT系统运行在各种扫描方式下的数据采集与传输要求。

基于RGB的颜色辨识系统设计

传统颜色辨识系统需要白平衡调整,引入了人为误差,造成辨别精度较差。介绍了一种改进型颜色辨识方案,采用TCS3200D颜色传感器将颜色信号转换为数字信号后直接送至AT89C52单片机处理,硬件电路简单,在基本型软件算法的基础上设计了改进型软件算法流程,避免了白平衡调整引入的人为误差,有效提高了辨识精度。实验结果表明:系统对不同颜色辨识速度快、精度高,可广泛应用于各种需要对颜色成分进行分析、辨识的行业。

铁道货车铸钢件高能X射线数字化辐射成像无损检测系统研制及应用

针对目前铁道货车铸钢摇枕和侧架无损检测需要,研制高能X射线数字化辐射成像无损检测系统。系统由加速器射线源、探测、数据采集、控制、机械、图像处理分析等子系统组成。实现摇枕和侧架流水线式自动检测,对工件可进行绕水平轴线任意角度翻转和±15°范围偏摆的透视检测,检测的圆形缺陷气孔直径≤1mm,像质计灵敏度≤1.5%,最大成像像素矩阵可达2 700×18 000,4 min可检测2个工件(相差90度各扫描1次)。为了便于分析和评定,给出局部灰度自动调节方法和气孔深度估算方法。在实际生产检测线上的应用情况表明:系统检测速度快、自动化程度高、成像质量好,能有效检测铁道货车铸钢摇枕和侧架内部的气孔、砂眼、缩孔、疏松等缺陷,并可应用于其他铸钢件的质量检测。

利用CUDA技术实现锥束CT图像快速重建

锥束CT三维重建算法的计算量和传输量巨大,仅利用CPU来计算,无法满足实时、快速、准确重建的要求,根据图形处理器运算能力强、存储带宽大的特点,研究了一种不需要学习图形API,就可以在图形处理器上实现三维重建算法的快速运算的方法。该方法采用基于统一计算设备架构的图形处理器,通过这种新架构的编程模式,利用图形处理器中的流处理器来加快滤波和反投影计算,实现了FDK算法的重建加速,与利用图形API的重建方法相比,开发门槛较低。对于尺寸为5123的单精度浮点数据格式的图像,重建时间可以缩短到一分钟以内,并且GPU与计算机的传输时间小于1秒。实验结果表明与仅利用CPU的重建方法相比,本文提出的图像加速方法得到了较高的时间加速比。

基于UDP的工业CT数据传输系统

目前工业CT探测采集传输系统探测器数量多、传输距离长、数据量大,传统的数据传输系统很难低成本地同时满足远距离传输和高速传输。文中设计了一种数据传输系统,将UDP协议用verilog编程的方式在FPGA中实现。在兼顾低成本的同时又很好地协调了远距离传输和高速传输之间的矛盾。

高能X射线探测器射线串扰模拟研究

探测器的串扰噪声会对探测器的信噪比以及高能工业CT的图像质量产生很大的影响。本文利用EGSnrc程序模拟估算了CdWO4探测器模块的串扰噪声,并初步分析比较了影响探测器模块串扰噪声的各种因素。对在实际中选用和设计探测器模块有一定的指导意义,同时为利用软件修正探测器串扰噪声提供了理论计算参数。

工业CT光电二极管探测器灵敏度

在工业CT系统设计过程中,射线能量选择、探测器结构设计、射线源和探测器匹配等方面都涉及探测器灵敏度问题。研究了影响工业CT光电二极管探测器灵敏度的几个主要因素及其定量关系。首先分析了灵敏度的几个主要影响因素:能量沉积率、绝对闪烁效率、光收集效率、光电转换效率。然后采用蒙特卡罗方法仿真得到闪烁体的能量沉积率、光收集效率,计算了CsI(Tl)闪烁体的荧光转换效率及光电二极管的光电转换效率,定义了闪烁体与光电二极管的匹配度的概念。最后得出具有普遍意义的探测器灵敏度的表达式,理论计算值与实际测量结果最大相差20.4%,实验验证了该灵敏度计算方法的有效性和正确性。

基于工业CT体数据的三维测量方法研究

采用工业CT体数据,研究了三维图像空间的距离、角度、平面面积、曲面表面积、目标区域容积等几何参数的精确测量方法,并将图像空间的测量结果转换到物理空间,从而实现了产品内部结构几何尺寸的测量。结合某标准工件模型,通过实例比较了该文方法的测量结果和实际尺寸的差别,结果表明该文方法具有较高测量精度。

高能X射线成像装置数据采集与传输系统设计

为满足高能X射线成像装置对并行数据实时采集以及远距离传输的要求,开发了一套嵌入式并行数据采集与网络传输系统。该系统用FPGA实现多通道并行数据的实时采集,用ARM完成了数据的缓存以及基于TCP协议的以太网数据传输。此系统已成功应用于多台高能X射线成像装置中,运行稳定。

工业CT体数据切片重组方法研究

为了获取工业CT体数据任意方向的切片序列,提出了一种切片重组方法。该方法首先对体数据进行封装并定义逻辑坐标系,接着在逻辑坐标系中计算剖切平面的法向量和中心,求出平面的运动轨迹方程,并提出一种新的剖切面采样准则。对汽车引擎三维工业CT体数据进行了切片重组,得到了新的图像序列。该方法可连续、自动地获取任意方向的序列切片图像,弥补了工业CT不能从任意角度扫描的不足。

工业CT图像的二维几何测量方法研究

为实现对物体内部结构尺寸的无损测量,提出一种基于阈值化边缘提取的工业CT图像几何尺寸的自动测量方法。首先对CT图像进行预处理,然后采用最佳阈值分割方法进行边缘提取,在此基础上实现了对工件的CT图像的几何尺寸的自动测量。实验结果表明:对图像的几何测量达到了一定的精度,基本上满足了可重复性和精确度的要求。同时这种方法对于有伪影的图像,可以有效地减少伪影的影响。

全帧CCD探测器CT扫描数据读出与拖影校正研究

以光纤耦合全帧CCD方式制作的X射线探测器在实验室高精度X射线CT扫描中广泛应用。由于X射线的强穿透特性,全帧CCD探测器通常工作在无快门模式,图像拖影是该模式下必定存在的伪影。本文针对全帧CCD探测器CT扫描图像拖影校正进行研究,提出了非曝光行校正法校正投影图像拖影,避免了利用暗像元校正法校正投影图像拖影时可能会带来的条形伪影;针对动态曝光CT扫描,设计了基于辐射屏蔽的投影图像感兴趣区域快速读出模式,通过降低电荷转移时间有效抑制投影图像拖影的产生,提高探测器有效信号动态范围。实验结果表明:应用非曝光行校正法能有效校正投影图像拖影、提高投影图像质量;采用投影图像感兴趣区域快速读出模式可有效解决动态曝光CT扫描图像拖影校正难题。

安全检查用螺旋CT扫描同步控制研究

螺旋CT安检系统中平移运动和旋转运动的同步,以及旋转运动与探测数据采集的同步问题,是实现螺旋CT的关键问题之一,也是螺旋CT控制系统设计的难点之一。本文针对一种多线阵螺旋CT安检系统的设计要求,提出了一种实现平移和旋转运动同步,以及旋转运动与探测数据采集的同步控制方法。设计了一种工业计算机控制,磁栅位置检测,交流伺服电动机和滚筒电机分别驱动旋转轴和平移轴的同步运动控制系统。该控制方法能够有效地解决平移运动和旋转运动的同步,以及旋转运动与探测数据采集的同步问题,具有可行性和经济实用性。

高速多通道γ射线工业CT数据采集系统

为满足γ射线工业CT的高速多通道数据采集要求,设计了针对性的高速数据采集系统实现数据的采集和处理。γ射线转换为放大的电流信号后,经信号处理电路进行放大、甄别、分频处理,然后信号经FPGA计数单元整理后传送到主控FPGA。主控FPGA作为控制核心,对配置为Slave FIFO工作模式的USB2.0内部的FIFO进行控制,数据通过块传输方式传输到上位机进行图像重建。为了现场采集的实际需求,系统的计数单元可以扩展,以实现更多通道的数据采集。实验结果表明:系统传输速度快,约为35 MB/s;并且最多可以扩展11片计数单元,采集1 024通道的数据。能够满足γ射线工业CT数据采集传输高速要求。

一种X射线测厚校正方法的研究

针对工业CT系统中所使用的X射线是一种多能谱射线,进而导致厚度测量不准确的现象,介绍了X射线测厚原理,分析了X射线在对物体进行厚度测量时发生射束硬化现象对测量结果的影响,推导出一种用于测厚的校正数学模型,并通过CD-300BXR型工业CT研究平台对该数学模型进行了验证。实验结果表明,当被测钢板厚度范围为5～50 mm时,利用该校正模型进行测厚的相对误差在±0.5%以内,能满足实际测厚需求。

基于USB2.0的小型工业CT数据采集系统的研制

针对小型工业CT系统探测器数量不多、体积小、传输距离不长等特点,设计了一种基于小间隔探测器、FPGA和USB2.0的数据采集系统。系统选取X-CARD 0.2-256G作为探测器芯片。主控芯片FPGA控制前端探测采集的时序并缓存数据,再通过USB接口芯片EZ-FX2LP CY7C68013A把数据上传给PC机便于以后的图像重建。该系统已通过实验验证,结果表明USB传输速度可达33.2 MB/s,能满足小型工业CT数据采集的要求。

螺旋CT用无线数据传输系统的方案设计

针对螺旋CT传输系统的结构和特点,在分析几种无线传输技术的基础上提出了基于UWB技术的数据高速无线传输方案;并对该方案进行了完整设计,验证了其可行性。以UWB无线集线器作为系统的无线模块,来实现数据的无线传输;利用FPGA器件作为系统的主控制器,通过对其编程来满足系统各模块的控制时序要求;对两块SDRAM芯片进行乒乓操作来实现系统的大容量缓存机制;采用USB2.0接口实现传输板卡与无线UWB模块的高速无缝连接。实验结果表明,该系统在3 m以内传输速率可达16.8 Mbitps,且传输准确率达到100%。基本满足线阵螺旋CT数据传输要求。