Способ радиационной вычислительной вибротомографии

 

Изобретение относится к исследованию материалов и объектов методами радиационной вычислительной томографии. Способ заключается в просвечивании по меньшей мере одного слоя исследуемого объекта пучком проникающего излучения, регистрации прошедшего через объект излучения системой детектирования, первичной обработке сигналов системы детектирования с получением измерительных сигналов, обработке измерительных сигналов с получением набора реконструктивных данных и восстановлении изображения слоя исследуемого объекта. При первичной обработке сигналов производят выделение по меньшей мере одной переменной составляющей указанных сигналов по меньшей мере на одной частоте колебаний исследуемого объекта и набор реконструктивных данных получают на основе выделенной переменной составляющей. Способ обеспечивает возможность исследований динамических периодических процессов, протекающих в объектах с закрытой для механического или оптического доступа структурой. 6 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к исследованию материалов и объектов методами радиальной вычислительной томографии.

Известен способ радиальной вычислительной томографии, в котором получение проекционных данных сопровождается операцией их двойного дифференцирования по координате проекции, что позволяет более четко выделять контуры внутренней структуры объема [1].

Наиболее близким техническим решением является способ радиационной вычислительной томографии, заключающийся в просвечивании по меньшей мере одного слоя исследуемого объекта пучком проникающего (рентгеновского) излучения по совокупности расположенных в плоскости этого слоя траекторий (направлений), что реализуется посредством линейно-поворотного сканирующего относительного перемещения исследуемого объекта и просвечивающего пучка, регистрации в каждом из направлений прошедшего через исследуемый объект излучения системой детектирования, первичной обработке сигналов системы детектирования с получением измерительных сигналов, обработке измерительных сигналов по заданному алгоритму с получением набора реконструктивных данных и восстановлении изображения слоя исследуемого объекта на основе полученного набора реконструктивных данных [2].

Известные способы не обеспечивают возможности томографического исследования процессов динамических колебаний объектов, поскольку производимая обработка приводит к получению усредненного статического изображения внутренней структуры объекта с возможными артефактами от колебательного процесса, характер и параметры которого не раскрываются.

Задача изобретения заключается в обеспечении возможности исследования динамических периодических процессов, протекающих в объектах с закрытой для механического или оптического доступа структурой.

Согласно изобретению, поставленная задача решена способом радиационной вычислительной вибротомографии, заключающемся в просвечивании по меньшей мере одного слоя исследуемого объекта пучком проникающего излучения по совокупности расположенных в плоскости указанного слоя направлений, регистрации в каждом из направлений прошедшего через исследуемый объект излучения системой детектирования, первичной обработке сигналов системы детектирования с получением измерительных сигналов, обработке измерительных сигналов с получением набора реконструктивных данных и восстановлении изображения слоя исследуемого объекта на основе полученного набора реконструктивных данных, в котором (способе) при первичной обработке сигналов системы детектирования производят выделение по меньшей мере одной переменной составляющей указанных сигналов по меньшей мере на одной частоте колебаний исследуемого объекта и набор реконструктивных данных получают на основе выделенной переменной составляющей.

В частности, производят выделение синфазной с колебаниями исследуемого объекта и сдвинутой по фазе на 90^o реактивной переменных составляющих сигналов системы детектирования и получают наборы реконструктивных данных для синфазной и реактивной составляющих.

На основе наборов реконструктивных данных для синфазной и переменной составляющих формируют по меньшей мере один дополнительный набор реконструктивных данных из группы, включающей набор реконструктивных данных модуля амплитуды колебаний, набор реконструктивных данных фазы колебания и набор реконструктивных данных квадрата фазы колебаний.

В частности, выделение переменных составляющих сигналов системы детектирования производят на основной частоте колебаний исследуемого объекта и по меньшей мере на одной ее гармонике.

В одном из вариантов объект приводят в принудительные колебания с заданной частотой.

В этом случае в процессе исследования можно изменять частоту колебаний исследуемого объекта, причем при каждой частоте принудительных колебаний производят просвечивание исследуемого объекта и регистрацию прошедшего излучения по всей совокупности направлений, выделяют переменные составляющие сигналов системы детектирования на каждой из частот принудительных колебаний и производят формирование соответствующих наборов реконструктивных данных.

В другом варианте, когда колебания объекта имеют неизвестный частотный спектр, предварительно анализируют спектр колебаний объекта и выделение одной или более переменных составляющих сигналов системы детектирования производят на одной или более представительных частотах указанного спектра.

Приведенная совокупность общих и частных существенных признаков заявленного изобретения позволяет в ходе известной аппаратурно и методологически процедуры томографического контроля выявить зоны взаимодействия колеблющихся частей внутренней структуры исследуемого объекта с зондирующим пучком, приводящего к модуляции интенсивности прошедшего через объект пучка на частоте соответствующего колебания. Процедура выделения составляющих модуляции позволяет сформировать картину динамического поведения исследуемого объема на выделенной частоте.

Сущность изобретения поясняет чертеж, на котором приведена схема рентгеновибротомографа, иллюстрирующая принципы осуществления способа радиационной вычислительной вибротомографии.

Рентгеновибротомограф содержит рентгеновский излучатель 1, с которым сопряжен коллиматор 2, формирующий узкоколлимированный зондирующий пучок 3 рентгеновского излучения. Исследуемый объект 4 установлен на виброплатформе 5, связанной с вибратором 6 и сканирующей системой 7, в состав которой входят шаговые приводы 8 и 9 линейного перемещения и поворота платформы 5 с объектом 4, а также таймер 10, задающий время единичного отсчета при линейном перемещении и интервал срабатывания привода 9 поворота. Приводы 8 и 9 снабжены координатными выходами, на которых формируются сигналы текущего положения (линейного и углового) объекта 4. Вибратор 6 снабжен синхронизирующим выходом, на котором формируется сигнал частоты и фазы работы вибратора 6.

За исследуемым объектом 4 установлен детектор 11 излучения, к которому подключен усилитель-формирователь 12. Выход усилителя-формирователя 12 выведен на первый синхронный детектор 13, второй, смещенный по фазе на 90^o относительно первого, синхронный детектор 14 и систему 15 обработки для восстановления томографического изображения. Синхронные детекторы 13 и 14 имеют входы управления, к которым подключен синхронизирующий выход вибратора 6.

Система обработки 15 содержит три входных ЗУ 16, 17, 18, на которые поступают сигналы с выходом соответственно усилителя-формирователя 12, первого 13 и второго 14 синхронных детекторов. Входные ЗУ 16, 17, 18 имеют таймерные входы, подключенные к выходу задания времени единичного отсчета таймера 10 сканирующей системы 7, и координатные входы, подключенные к соответствующим выходам приводов 8 и 9. Входные ЗУ 16, 17, 18 подключены к параллельным блокам 19, 20, 21 обработки, в которых реализуется один и тот же алгоритм формирования наборов реконструктивных данных. Выходы блоков 19, 20, 21 обработки подключены к входам первых трех выходных ЗУ 22, 23, 24. Кроме того, выходы блоков 20 и 21 подключены к входам блока 25 формирования набора реконструктивных данных амплитуды и блока 26 формирования набора реконструктивных данных фазы колебания, на выходе которого включен блок 27 формирования набора реконструктивных данных квадрата фазы колебания. Выходы блоков 25, 26, 27 подключены к вторым трем выходным ЗУ 28, 29, 30. Выходы ЗУ 22-24, 28-30 через блок 31 сопряжения (интерфейс) связаны с видеоконтрольным устройством 32.

Следует отметить, что в приведенном на чертеже варианте детектор 11 работает в счетном режиме, в силу чего необходимости использования аналого-цифровых преобразователей на входах ЗУ 16-18 нет. При работе детектора 11 в аналоговом режиме за ним включается обычный усилитель (или цепочка предусилитель - логарифмический усилитель), а на входах ЗУ 16-18 включаются аналого-цифровые преобразователи.

Способ радиационной вычислительной вибротомографии осуществляют следующим образом.

С помощью регулируемого коллиматора 2 формируют узкоколлимированный зондирующий пучок 3 рентгеновского излучения. Включают вибратор 6, с помощью которого платформа 5 с исследуемым объектом 4 приводится в колебания с определенной частотой ω₁ и некоторой амплитудой. Сканирование исследуемого объекта 4 зондирующим пучком 3 осуществляется в шаговом режиме циклами типа линейное перемещение платформы 5 приводом 8 - поворот платформы 5 на заданный угол приводом 9 - линейное перемещение в обратном направлении привода 8 и т.д., т.е. режим сканирования соответствует системам топографии 1-го поколения. Время остановки платформы 5 в каждом положении, т.е. время одиночного отсчета, задается таймером 10.

Сигналы с выхода усилителя -формирователя 12, представляющие собой усиленные и сформированные импульсы счета детектора 11, поступают на входное ЗУ 16 системы 15 обработки, первый и второй синхронные детекторы 13, 14. В ЗУ 16 за время каждого единичного отсчета в ячейках, соответствующих координатным сигналам с соответствующих выходов приводов 8 и 9, формируется сигнал, характеризующий постоянную составляющую интенсивности , где i и j - обозначения координатных положений объекта 4. На выходе первого синхронного детектора 13 формируется сигнал, величина счета которого во втором входном ЗУ 17 системы обработки 15 за время каждого единичного отсчета соответствует синфазной с колебаниями объекта составляющей амплитуды модуляции на частоте ω₁ интенсивности прошедшего через объект 4 зондирующего пучка 3. На выходе второго, сдвинутого по фазе на 90^o относительно первого, синхронного детектора 14 формируется сигнал, величина счета которого в третьем входном ЗУ 18 системы 15 обработки за время каждого отсчета соответствует сдвинутой по фазе на 90^o (реактивной) составляющей амплитуды модуляции на частоте ω₁ интенсивности прошедшего через объект 4 пучка 3.

Таким образом, во входных ЗУ 16, 17 18 формируются наборы данных , которые подвергаются обработке на основе идентичных алгоритмов восстановления в блоках 19, 20, 21, в которых формируются наборы реконструктивных данных {α(x,y)},{α^A(x,y)},{α^R(x,y)} , где α,α^A,α^R - поставленная, синфазная и реактивная составляющие коэффициента поглощения; x, y - координаты матрицы восстановления. Эти наборы реконструктивных данных записываются в первые три выходных ЗУ 22, 23, 24.

Кроме того, на основе наборов реконструктивных данных {α^A(x,y)} и {α^R(x,y)} , формируемых блоками 20 и 21, в блоке 25 формируется дополнительный набор реконструктивных данных соответствующий модулю амплитуды модуляции интенсивности прошедшего через объект 4 зондирующего пучка 3, а в блоке 26 - дополнительный набор реконструктивных данных {ϕ(x,y)} = {arctgα^A(x,y)/α^R(x,y)}, соответствующий фазе модуляционных колебаний интенсивности пучка 3 после объекта 4. На основе набора реконструктивных данных {ϕ(x,y)} блоком 26 формируется вспомогательный набор реконструктивных данных {ϕ²(x,y} = {arctg²α^A(x,y)/α^R(x,y)}. Наборы реконструктивных данных записываются во вторые три выходные ЗУ 28, 29, 30.

Набор реконструктивных данных {α(x,y)} характеризует распределение коэффициента поглощения рентгеновского излучения по сечению исследуемого объекта 4.

Набор реконструктивных данных {α^A(x,y)} характеризует распределение синфазной переменной составляющей коэффициента поглощения по сечению исследуемого объекта 4. Эта величина максимальна вблизи перемещающихся границ, возрастая при резонансе.

Набор реконструктивных данных {α^R(x,y)} характеризует распределение реактивной переменной составляющей коэффициента поглощения по сечению исследуемого объекта 4. Эта величина максимальна вблизи перемещающихся границ, обращаясь в ноль при резонансе.

Набор реконструктивных данных характеризует распределение амплитуды переменной составляющей коэффициента поглощения по сечению исследуемого объекта 4.

Набор реконструктивных данных {ϕ(x,y)} характеризует распределение фазы переменной составляющей коэффициента поглощения по сечению исследуемого объекта 4.

Набор реконструктивных данных {ϕ²(x,y)} используется для более четкого выделения областей резонанса, поскольку эта величина обращается в ноль там, где имеют место резонансные колебания, и равняется ~(π/2)² в точках, где частота возбуждающего усилия находится за пределами резонансного пика. При этом функция ϕ²(x,y) не имеет особенностей вблизи границ областей с различным коэффициентом поглощения с точностью до ошибки вычисления.

Указанные наборы реконструктивных данных из выходных ЗУ 22-24, 28-30 через блок 31 сопряжения выводятся на видеоконтрольное устройство 32 по отдельности или комбинированно.

Для более детального описания колебательного процесса в исследуемом объекте 4 можно дополнительно использовать переменные составляющие модуляции интенсивности зондирующего пучка 3 за объектом 4 на гармониках основной частоты ω₁. При этом можно использовать дополнительные каналы обработки, построенные идентично вышеописанным. Получаемая в таких каналах информация полезна для выявления тех областей объекта, где имеют место нелинейные процессы либо вследствие больших амплитуд колебаний, либо вследствие нелинейностей структуры типа трещин.

В ходе исследований платформу 5 можно приводить в колебания с различными частотами и получать вибротомограммы на этих различных частотах. Такая процедура может быть полезна при исследовании резонансных колебательных процессов.

В случае собственных колебаний объекта 4 с неизвестными частотами для осуществления способа необходимо произвести операцию спектрального анализа колебаний объекта 4 и выбрать для построения вибротомограммы одну или несколько представительных частот этого спектра.

Экспериментально показано, что вибрация металлоконструкций с амплитудами порядка 1 мкм приводят к модуляции интенсивности рентгеновского пучка до 1%, что доступно измерению методами вычислительной томографии. При размерности матрицы восстановления изображения 320х320 и толщине просвечиваемого объекта до 30 см пространственное разрешение в плоскости исследуемого слоя составляет 0,1-0,3 мм при пороге обнаружения вибраций 0,45 - 3 мкм.

Формула изобретения

1. Способ радиационной вычислительной вибротомографии, заключающийся в просвечивании по меньшей мере одного слоя исследуемого объекта пучком проникающего излучения по совокупности расположенных в плоскости указанного слоя направлений, регистрации в каждом из направлений прошедшего через исследуемый объект излучения системой детектирования, первичной обработке сигналов системы детектирования с получением измерительных сигналов, обработке измерительных сигналов с получением набора реконструктивных данных и восстановлении изображения слоя исследуемого объекта на основе полученного набора реконструктивных данных, отличающийся тем, что при первичной обработке сигналов системы детектирования производят выделение по меньшей мере одной переменной составляющей указанных сигналов по меньшей мере на одной частоте колебаний исследуемого объекта и набор реконструктивных данных получают на основе выделенной переменной составляющей.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что производят выделение синфазной с колебаниями исследуемого объекта и сдвинутой по фазе на 90^o реактивной переменных составляющих сигналов системы детектирования и получают наборы реконструктивных данных для синфазной и реактивной составляющих.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что на основе наборов реконструктивных данных для синфазной и реактивной составляющих формируют по меньшей мере один дополнительный набор реконструктивных данных из группы, включающей набор реконструктивных данных модуля амплитуды колебаний, набор реконструктивных данных фазы колебаний и набор реконструктивных данных квадрата фазы колебаний.

4. Способ по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что производят выделение переменных составляющих сигналов системы детектирования на основной частоте колебаний исследуемого объекта и по меньшей мере на одной ее гармонике.

5. Способ по пп. 1 - 4, отличающийся тем, что исследуемый объект приводят в принудительные колебания с заданной частотой.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что в процессе исследования изменяют частоту принудительных колебаний исследуемого объекта, при каждой частоте производят просвечивание исследуемого объекта и регистрацию прошедшего излучения по всей совокупности направлений, выделяют переменные составляющие сигналов системы детектирования на каждой из частот принудительных колебаний и производят формирование соответствующих наборов реконструктивных данных.

7. Способ по пп. 1 - 4, отличающийся тем, что производят анализ спектра колебаний исследуемого объекта и выделение по меньшей мере одной переменной составляющей сигналов системы детектирования производят по меньшей мере на одной представительной частоте из указанного спектра.

РИСУНКИ

Рисунок 1