Разработка и внедрение мобильных рентгенотелевизионных систем для промышленной дефектоскопии и антитеррористической диагностики тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Усачев, Евгений Юрьевич

• Усачев, Евгений Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Усачев, Евгений Юрьевич

Введение.

Глава 1 Анализ последних достижений в области разработки рентгенотелевизионных систем для промышленной дефектоскопии и антитеррористической диагностики

1.1 Принципы построения современных рентгенотелеви-зионных систем.

1.2 Особенности построения и применения рентгеноте-левизионных систем для антитеррористической диагностики.

1.3 Особенности построения и применения мобильных рентгенотелевизионных систем для промышленной дефектоскопии.

1.4 Применение методов цифровой обработки изображений в радиационной дефектоскопии.

1.5 Выводы.

Глава 2 Разработка физико-математической модели мобильной рентгенотелевизионной системы

2.1 Расчет энергетического спектра за поглотителем.

2.2 Прохождение ионизирующего излучения через сцин-тилляционные преобразователи.

2.3 Расчет прохождения рентгеновского излучения через сцинтиллятор.

2.4 Расчет световых потерь.

2.5 Анализ результатов расчета.

2.6 Выводы.

Глава 3 ФОРМИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ В ПРИЕМНО-РЕГИСТРИРУЮЩЕМ тракте рентгенотелевизионной системы

3.1 Расчет световыхода в сцинтилляторе.

3.2 Расчет световых потерь в приемно-регистрирующего тракта.

3.3 Характеристики шумов регистрирующей аппаратуры.

3.4 Оценка разрешающей способности рентгенотелевизи-онного преобразователя.

3.5 Метод аналитического определения спектра сигнала.

3.6 Математические модели для обработки изображений

3.7 Выводы.

Глава 4 Мобильная рентгенотелевизионная система для промышленной дефектоскопии и антитеррористической диагностики

4.1 Разработка поисковой мобильной рентгенотелевизи-онной системы для контроля ручной клади и забытых предметов.

4.1.1 Микрофокусный рентгеновский аппарат с малым нер-гопотреблением.

4.1.2 Цифровая видеокамера на основе ПЗС-матрицы с высоким разрешением и большим динамическим диапазоном.

4.1.3 Специальное программное обеспечение для обрабогкии анализа рентгеновских изображений.

4.1.3.1 Алгоритм автоматической адаптации цифровой видеокамеры, в составе рентгенотелевизионной системы.

4.1.3.2 Описание алгоритма сшивки изображений.

4.2 Измерение основных характеристик рентгентелеви-зионных систем.

4.2.1 МРТС с преобразователем на основе поликристаллического экрана.

4.2.2. МРТС для промышленной дефектоскопии.

4.3 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и внедрение мобильных рентгенотелевизионных систем для промышленной дефектоскопии и антитеррористической диагностики»

Одним из основных методов контроля качества в промышленности является радиография материалов и изделий. Радиографическому неразрушающему контроля посвящено большое количество монографий, справочников, статей, докладов на научно-технических конференциях [1-16].Общеизвестные достоинства данного метода - высокая чувствительность и разрешающая способность могут быть использованы в полной мере лишь в стационарных условиях контроля. Но такие ограничения, как необходимость специального помещения и оборудования для обработки рентгеновской пленки, не слишком высокая производительность и субъективность при оценке полученных результатов сужают круг задач, где была бы возможность реализовать вышеуказанные преимущества метода пленочной радиографии.

Наиболее эффективно устраняют указанные недостатки радиографии радиоскопические системы, основанные на преобразовании ионизирующего излучения в видимое изображение в реальном масштабе времени. Эти системы реализованы как на преобразователях типа РЭОП, так и на основе систем, состоящих из сцинтилляционных преобразователей с последующей регистрацией светового потока светочувствительными детекторами типа ПЗС матриц, либо твердотельные многоэлементные матрицы [17,18,19] дефектоскопическая чувствительность ряда стационарных радиоскопических систем [20- 23] приближается к чувствительности рентгеновской пленки, что позволяет применять эти системы для контроля отдельных узлов и агрегатов авиационной и космической техники, где требуется проведение контроля с высокой чувствительностью.

Для промышленной дефектоскопии в полевых условиях созданы мобильные радиоскопические системы [22,19,24,25], позволяющие проводить контроль в нестационарных условиях (на трассах трубопроводов, строительных площадках, аэродромах и т.п.). Как следует из анализа их основных технических параметров диапазон контролируемых толщин для систем данного типа составляет для изделий из стали от 2 до 50 мм, а из алюминия до 150 мм, при этом дефектоскопическая чувствительность соответствует третьему, а в ряде случаев второму классу чувствительности по ГОСТу 7512-82. С расширением магистралей трубопроводов и развитием топливно-энергетического комплекса, повышением требованием к авиационной безопасности существует тенденция к совершенствованию мобильных радиационных средств промышленного контроля в части их требований по назначению, а также эксплуатационных характеристик (энергопотребление, масса-габаритные параметры, климатика и т.п.).

В последнее десятилетие мировое сообщество столкнулось с небывалым ростом терроризма и наркоторговли. Участились случаи использования транспортных средств в качестве оружия, содержащего большие объемы взрывчатых веществ. Многократно возросла опасность крупных террористических актов, объектами которых могут быть предприятия топливно-энергетической и атомной отраслей промышленности, стратегически значимые транспортные магистрали и телекоммуникационные системы, государственные органы. Ведущее место среди широкой номенклатуры антитеррористических средств принадлежит поисковым устройствам, основанным на использовании методов радиационной интроскопии. Высокая информативность, обеспечиваемая радиационными методами, обусловлена возможностью визуализации внутренней структуры контролируемого объекта и идентификации террористических средств с определением их местоположения в объекте контроля. Как следует из практики проведения оперативно-технических мероприятий по борьбе с терроризмом одним из определяющих требований к досмотровым средствам является возможность осуществления контроля в полевых условиях (на улицах города, в помещениях зданий, на контрольно-пропускных пунктах и т.п.). В связи с чем, для ведущих научно-технических организаций стали актуальными задачи по созданию мобильной антитеррористической техники на принципах радиационных методов контроля, внедрение которой повысит техническую оснащенность правоохранительных органов, и как следствие эффективность борьбы с терроризмом.

Объект исследования - рентгенотелевизионные системы для контроля внутренней структуры материалов и изделий.

Предмет исследований - установление закономерностей формирования информации в приемно-регистрирующем тракте: источник излучения -контролируемый объект - преобразователь ионизирующего излучения - блок обработки и отображения визуальной информации; применительно к условиям, характерным для выявления локальных неоднородностей в контролируемых объектах в нестационарных и полевых условиях.

С учетом изложенного в настоящей диссертационной работе была поставлена следующая цель — разработка обоснованных научно-технических решений для создания и освоения промышленного производства мобильных рентгенотелевизионных систем (МРТС), оптимизированных по критерию минимизации энергопотребления и масса-габаритным параметрам и обеспечивающих повышенную достоверность контроля при использовании МРТС правоохранительными органами и промышленными предприятиями в нестационарных (полевых) условиях.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Анализ последних достижений в области разработки рентгеноскопических систем для промышленной дефектоскопии и антитеррористической диагностики.

2. Разработка физико-математической модели мобильной рентгено-телевизионной системы контроля и на ее основе оптимизация параметров рентгеновского излучателя и приемно-регистрирующего тракта системы, с учетом особенностей объекта контроля.

3. Разработка методики оценки основных дефектоскопических параметров (чувствительность, пространственное разрешение и контролируемая толщина) МРТС в зависимости от задаваемых требований к эксплуатационным параметрам МРТС (производительность контроля, контролируемая толщина, энергопотребление, масса-габариты) .

4. Разработка технических решений по созданию МРТС и его алгоритмического и программного обеспечения.

5. Испытание МРТС для решения задач радиационного контроля в авиационной технике и проведении антитеррористических мероприятий в полевых условиях. Промышленное освоение производства МРТС.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Получена совокупность математических соотношений, определяющих функцию чувствительности рентгенотелевизионных систем применительно к нестационарным и полевым условиям диагностики внутренней структуры объектов в рамках проблемы противодействия террористической деятельности и промышленной диагностики.

2. Разработан алгоритм автоматического выбора экспозиции, обеспечивающей максимум чувствительности метода рентгенотелевизионного контроля путем предварительного анализа изображения, сформированного при малом времени экспозиции.

3. Разработан алгоритм коррекции оптических искажений при синтезе рентгенотелевизионных изображений, формируемых в многокамерных преобразователях ионизирующего излучения.

Практическая значимость.

1. На основе проведенных исследований разработана серия рентгенотелевизионных установок для решения задач антитеррористической диагностики с технико-экономическими показателями, превышающими аналоги, что подтверждено сертификационными испытаниями.

2. Разработанные МРТС могут быть использованы для промышленной дефектоскопии, что подтверждено актами внедрения.

Реализация результатов работы.

Под руководством и при непосредственном участии диссертанта создана производственно-технологическая база для изготовления МРТС с объемом выпуска до 150 комплектов в год. Всего к настоящему времени поставлено около 450 МРТС типа «Норка», в том числе 96 комплектов в страны ближнего и дальнего зарубежья. Серийное производство осуществляется по утвержденным нормативными органами техническим условиям и сертифицировано по ИСО 9001. Все выпускаемые МРТС имеют санитарно-эпидемиологический паспорт Минздрава РФ. ----Методология работы основана на использовании положений формирования пучка рентгеновского излучения, его взаимодействия с контролируемым объектом и последующей регистрации. Алгоритмы обработки рентгеноскопической информации основаны на использовании математического аппарата статистического анализа информации и критериев оценки полученных результатов. Измерения основных физических величин и аппроксимация полученных результатов аналитическими зависимостями осуществлялась с погрешностью 3-5%.

Достоверность теоретических результатов находится в достаточной точности для использования их в практических разработках и подтверждено аппаратурной реализацией в установках, внедренных в системах антитеррористической диагностики.

Основные положения и результаты работы докладывались на следующих конференциях: 14-я, 15-я, 16-я и 17-я Российская научно-техническая конференция «Неразрушакмций контроль и диагностика» (Москва, 1996г., 1999г., 2002г., Екатеринбург, 2005г.), 3-я Международная конференция «Диагностика трубопроводов» (Москва, 2001г.).

Основные положения диссертации опубликованы в 8 печатных работах.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Усачев, Евгений Юрьевич

4.3 Выводы

1. Разработана поисковая мобильная рентгенотелевизионная система для контроля ручной клади и забытых предметов, содержащая микрофокусный рентгеновский аппарат с малым энергопотреблением, цифровую видеокамеру на основе ПЗС-матрицы с высоким разрешением и большим динамическим диапазоном.

2. Разработано специальное программное обеспечение для обработки анализа рентгеновских изображений и алгоритм автоматической адаптации цифровой видеокамеры, в составе рентгенотелевизионной системы, разработана методика измерения характеристик МРТС.

3 Разработана МРТС для промышленной дефектоскопии, обеспечивающая чувствительность контроля 1,5-2,5 % при контроле объектов, эквивалентных стальному поглотителю толщиной 15-60 мм.

Заключение

В результате теоретических и экспериментальных исследований и научно-практических разработок были получены следующие результаты:

1.Проведен детальный анализ устройств, предназначенных для обнаружения оружия и взрывных устройств при контроле подозрительных предметов, ручной клади и багажа. Данный анализ показал, что наиболее подходящим является радиоскопический контроль с последующей компьютерной обработкой полученных результатов.

2. По оригинальной методике с учетом всех стадий преобразования рентгеновского излучения в электрический сигнал, проведен расчет энергетического спектра за поглотителем из стали в диапазоне 2—50 мм, алюминия 2 - 150 мм. Разработана физико-математическая модель мобильной рентгенотелевизионной системы контроля и на ее основе методика оптимизации параметров рентгеновского излучателя и приемно-регистрирующего тракта системы, с учетом особенностей объекта контроля.

3. Разработаны и изготовлены несколько модификаций радиационных интроскопов, позволяющих осуществлять неразрушающий контроль подозрительных предметов, ручной клади и багажа. К наиболее успешным разработкам можно отнести установки типа «Норка», «Калан». Эти установки нашли широкое применение, что подтверждается актами внедрения, прилагаемые к данной диссертационной работе.

4. Разработаны оригинальные алгоритмы и программы обработки результатов радиоскопического контроля с целью повышения информативности и достоверности полученных результатов

5. Разработана методика оценки технических параметров различных радиационных интроскопов.

6. Разработана МРТУ "Норка" для антитеррористической и промышленной диагностики. Технические и эксплуатационные характеристики полностью соответствуют сформулированным требованиям.

Организовано промышленное производство различных модификаций МРТУ "Норка", отличающихся составом, адаптированным к конкретным объектам контроля. К настоящему времени выпущено более 450 комплектов «Норка», из них более 90 комплектов поставлено за рубеж.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Усачев, Евгений Юрьевич, 2005 год

1. Румянцев C.B., Штань A.C., Гольцев В.А.Справочник по радиационным методам неразрушающего контроля / Под ред. C.B. Румянцева. — М.: Энергоиздат, 1982. 240 с.

2. Румянцев C.B. Радиационная дефектоскопия. Изд 2-е , М., Атомиздат, 1974., 512 с.

3. Рентгенотехника, справочник под ред. Клюева В.В., М.: Машиностороение, В 2-х кн. Кн.1 480 е., ил., кн.2 368 е., ил. 2-е изд. изд. перераб и доп. -М.: Машиностроение, 1992.

4. Клюев В.В., Соснин Ф.Р. Теория и практика радиационного контроля: Учеб. пособие для студентов вузов. -М.: Машиностроение, 1998. —170 е.: ил.

5. Добромыслов В.А. Радиционные методы неразрушающего контроля. — М.: Машиностроение, 1999. 104 с

6. Адаменко A.A. Современные метода радиационной дефектоскопии, Киев, Наукова думка, 1984, 214 с.

7. Бунж З.А., Вейц Б.Н., Ддченко JI.H. Радиоизотопные рентгенофлюоресцентные толщиномеры покрытий. М.: Атомиздат, 1979.-84 с.

8. Горбунов В.И., Покровский A.B. Радиометрические системы радиационного контроля. -М.: Атомиздат, 1979. -221 с.

9. Быстров Ю.А., Иванов С.А. Ускорители и рентгеновские приборы. М.: Высшая школа, 1976. 206 с.

10. Ю.Горбунов Е.И., Епифанцев В.Н. Автоматические устройства в радиационной дефектоскопии. М.: Атомиздат, 1979. 120 с.

11. П.Иванов В.И., Машкович В.П., Центер Э.М. Международная система единиц (СИ) в атомной науке и технике

12. Промышленная радиография. Перев. С англ. Под ред А.С.Штаня и В.И. Синицина М., Атомиздат, 1960.

13. Владимиров Л.В., Козлов A.A. Индикатор дозы и мощности дозы для контроля промышленных рентгеновских аппаратов. 15 Российская научн.-технич. конф. «Неразрушающий контроль и диагностика» М.: 1999. Тезисы доклада, с. 176.

14. Tofaute Н. Arch. f.d. Eisenhuttenwessen, 7,8 / 1958, s. 303 -310.

15. Wallman G. Arch. f.d. Eisenhuttenwessen, 8 / 1958, s. 243-251.

16. Ковалев A.B. «Антитеррористическая и криминалистическая диагностика» ж. «Контроль. Диагностика», № 2, 2004 г., с. 23-30

17. Рентгеновские диагностические аппараты в 2-ух томах.-Под ред. H.H. Блинова, Б.Н. Леонова, М., ВНИИМТ, НПО «Экран», 2001 г., с. 32-87; с. 54-73.

18. Неразрушающий контроль: Справочник, том.8, книга 2 A.B. , под общей ред. В.В. Клюева, М., Машиностроение, 2005 г. с. 6-147

19. Роуз А. Зрение человека и электронное зрение. М.: Мир. 1977. 216 с.

20. Блинов H.H., Жуков Е.М., Козловский Э.Б., Мазуров А.Е. Телевизионные методы обработки рентгеновских и гамма изображений. М.: Энергоиздат, 1982, 200 с.

21. Неразрушающий контроль: Справочник, том.1, книга 2 Ф.Р. Соснин, под общей ред. В.В. Клюева, М., Машиностроение, 2003 г. с.203- 246

22. Клюев В.В. и др. 16-я Международная конференция по неразрушающему контролю, ж. «Контроль. Диагностика», № 1, 2005 г с. 3-23.

23. Проспект ИР200, ООО «Диагностика М»

24. Проспект фирмы THALES, 2001-2004г.

25. Клюев В.В. «Глобализация технической диагностики и неразрушающего контроля» ж. «Контроль. Диагностика», № 8, 2004 г., стр. 3-6

26. Спецификация на оборудование фирмы PCO GMbH 1999-2003 г.

27. Соснин Ф.Р. «3-я Международная выставка и конференция «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» ж. «Контроль. Диагностика», № 7, 2004 г., с. 3-18

28. Темник А.К., Москвитин Е.В., Усачев Е.Ю. «Цифровое восстановление теневого изображения» Томск, Известия ТПУ, вып. 5, 2002 г.

29. Moskalev Y.A, Chakhlov V.L., TemnikA.K., Usachev E.Y., Lebedev M.B. "System of digital radiography for NT in the radiacoin energy 1-20 meV" -Roma,15-t World conference onNDT, 2000 y.

30. Соснин Ф.Р. «3-я Международная выставка и конференция «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» ж. «Контроль. Диагностика», № 7, 2004 г., с. 3-18

31. А. А. Майоров «Компьютерная радиография с использованием. флуоресцентных запоминающих пластин — что это такое?», ж. «В мире неразрушающего контроля», № 2, 2004 г.с. 8-11

32. Прэтт У.К. Цифровая обработка изображений М., Мир, 1982 г., с. 12-18

33. Каппелини В., Константиниус А.Дж., Эмилиани П. Цифровые фильтры и их применение-М., Энергоатомиздат, 1953 г., с. 22-38

34. Павлидис П. Алгоритмы машинной графики и обработки изображений — М., Радио и связь, 1986 г., с. 10-41

35. Р. Блейхут Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов М., Мир, 1989 г.,

36. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач -М., Наука, 1996 г., с. 36-51

37. Бейтс Р., Мак-Доннеля Н., Мак-Доннеля Восстановление и реконструкция изображений М., Мир, 1989 г., с. 5-838.0чин Е.Ф. Вычислительные системы обработки изображений JL, Энергоатомиз, 1989 г., с. 10-18

38. Лейпунский О.И., Новожилов Б.В., Сахаров В.Н. Распространение гамма-квантов в веществе, М. Физматгиз, 1960 г. с. 17-48

39. У. Фоно, JI. Спенсер, М. Бергер Перенос гамма излучения, - М. Госатомиздат, 1969 г.с. 16-21

40. Бусленко Н. М. и др. Метод статистических испытаний М., Мир, 1971 г. 54 с.

41. С.Н. Ермаков Метод Монте Карло и смежные вопросы- М., Наука, 1976 г. с.5-19

42. A.M. Кольчужкин, В.В. Угайкин Введение в теорию прохождения частиц через вещество- М., Атомиздат, 1978 г. 6-44

43. В.Н. Беспалов Пакет программ ЕРНСА для статистического моделирования поля излучения фотонов и заряженных частиц. Томск, Известия ВУЗов, Физика № 4, 2000 г.

44. Ланник Ю.В. Статистические задачи с мешающими параметрами.- М., Наука, 1966 г., с. 12-17

45. Кантор Б.М. Методы и средства малодозной цифровой флюорографии» -Медицинская техника, № 5, 1999 г. 23-27

46. С.В. Стародубцев, A.M. Романов Взаимодействие гамма излучения с веществом, Ташкент.: Наука, 1964 г., с.5-27, 33-37

47. Триска Т.И., Шевкис З.Л. Изготовление сцинтилляционных детекторов рентгеновского излучения на основе монокристалла. Монокристаллы, сцинтилляторы и органические люминофоры., Вып. 6, ч. 2, 1972, с. 44

48. М.Н. Медведев Сцинтилляционные детекторы, -М., Атомиздат, 1977 г., с. 23-36

49. Brinckman P. "CsJ9Na) Scintillation on Cristals." "Phys. Letters", № 4, 1965 г., p.305

50. M.H. Аненко, A.C. Дубовик, Прикладная оптика, М., Наука, 1982 г., с.7-32

51. Р. Шарп Методы неразрушающих испытаний М., Мир 1972 г., 490 с.53.3аказнов Н.П. Прикладная геометрическая оптика, М., Машиностроение,1984 г.

52. М.М. Русипов Техническая оптика, М., Машиностроение, 1979 г., c.l 1— 46

53. Beteman J.E. Some Recent Results with a Photodiode

54. Левин Б.Р. Теоретические основы статической радиотехники, кн. 1,2.;-М., «Советское радио», 1968 г., с. 356; с. 288

55. Шестов Н.С. «Выделение оптических сигналов на фоне случайных помех; -М., «Советское радио», 1967 г.

56. Харкевич A.A. Борьба с помехами -М., издательство «Наука», 1965 г. с. 26-151

57. Филипов М.В., Фурсов A.C. Алгоритмы цифрового восстановления изображений в оптической микроскопии для повышения точности измерений. Контроль. Диагностика. № 1, 2004 г., с. 44-49

58. Филипов М.В., Фурсов A.C. Алгоритмы цифрового восстановления изображений в оптической микроскопии для повышения точности измерений. Контроль. Диагностика, № 7, 2004 г., с. 22-28

59. Блинов H.H., Варшавский Ю.В., Зеликман М.Н. Цифровые преобразователи изображения для медицинской радиологии.: — М., Компьютерные технологии в медицине, № 3, 1997 г., с. 21-27

60. Деч A.B. Требование к программным комплексам улучшения и архивирования рентгеновских изображений.: ж-л «В мире Н.К» , № 3, 2003 г., с. 66-69

61. Иванов В.А., Марусина М.Я., Сизиков B.C. Обработка измерительной информации в условиях неопределенностей ж-л «Контроль. Диагностика», № 4, 2001 г. 38-42

62. Верлань А.Ф., Сизиков B.C. Интегральные уравнения: методы, алгоритмы, программы -Киев, Наукова думка, 1986 г.

63. Артемьев Б.В., Маслов А.Н., Запскалов В.Г., Егоров Н.В., Ролик В.А. Теоретические исследования с поглотителем сложной геометрической формы в динамике -Контроль. Диагностика, № 3, 2003 г., с. 17-20

64. Вайнштейн JT.A., Зубаков В.Д. «Выделение сигналов на фоне случайных помех» М., изд. «Советское радио», 1960 г.

65. Горбунов В.Н., Удод B.JI. и др. Выбор параметров радиометрических систем с дискретным сканированием радиационного поля — ж-л Автометрия, 1987 г., № 4, с. 25-27

66. Фирстов В.Г., Дягилев A.B., Усачев Е.Ю., Чахлов C.B., Бронников А.Г., Шуринов В.А. Исследование возможностей автоматизации анализа результатов технологического контроля изделий микроэлектроники; — ж-л «Контроль. Диагностика» № 11 2001 г., с. 32 -36

67. ГОСТ 20426 Контроль неразрушающий. Методы дефектоскопии радиационные. Область применения.