无损检测技术中的数字图像处理的理论与方法研究

王海波，张 丽

世界各国对核电无损评价都非常重视.如今在国内，以中核集团核动力运行研究所为代表的许许多多相关的研究院所和大学在核电无损检测方面取得了很多进步，保证了中国核电多年来的安全运行［1-3］.在第四代核电技术的设计、试验、建设等方面，目前的检测标准、检测验证体系及关键检测设备和技术主要都是从国外引进的［4］.因此，开展系统的核电声学无损评价的基础研究，开发具有自主知识产权的无损评价系统，建立我国自主的评价标准与检验验证体系等一系列工作变得越来越重要，相关的研究迫在眉睫.

随着现有的科学与工程技术水平的不断提高以及发展进程的不断加快，无损检测技术越来越受到工业界和科研部门的关注，无论是在产品质量的控制方面，还是部件的检测与维护中，无损检测技术均具有不可替代的重要作用，丙炔的引入使得无损检测技术在检查设备方面也会发挥着重要作用［5-6］，其中，钠冷快堆液态金属钠管道腐蚀监测就是一个重要应用领域，目前，国内相关研究仍然较少，我们拟对此开展声学无损评价的基础理论研究，探索一种有效的声学检测手段.通过管道腐蚀缺陷和液态金属流动模态之间的相互关系，研究液态金属和固态金属管道之间的声耦合和传播理论，发展一种管道腐蚀的检测方法.同时，采用声学成像理论对管道内壁腐蚀状况进行成像研究，分析管道中流动的高温液态金属与成像分辨率的影响关系，得到管道内壁腐蚀状态的清晰图像.因此，本研究对于确保钠冷快堆液态金属钠管道的完整性具有重要的意义［7-8］.

1 无损检测技术概述

为了测定被检测对象的内部构建、几何关系、物理性质与组织状态以及各种缺陷缺损情况，我们需要以不破坏被检测材料、零部件以及设备的性能和完整为前提下，应用一定的分析方法和检测技术，按照一定的评价标准对其做出评价的过程，这就是无损检测（Nondestructive testing，NDT）.其发展过程分以下三个阶段:

（1）无 损 探 伤（Nondestructive Inspection，NDI）阶段.

（2）无损检测（Nondestructive testing，NDT）阶段.

（3）无 损 评 价（Nondestructive Evaluation，NDE）阶段.

这是由原来的探伤到现在对产品缺陷类型、形状、尺寸等的认知要求［9］.

此外，无损检测还有下述优点:

（1）非破坏性.无损检测的非破坏性是指在不破坏被测物体的前提下，对物体的内部结构进行探测.物品在经过无损检测以后对其无任何损坏，可以继续被利用.因此，无损检测在非破坏性的方面优势明显.

（2）全面性.由于无损检测具有很好的非破坏性，因此可在必要的情况下，对被测物体进行完全的检测，可以全面地探测被测物体的内部结构信息，获取信息比较全面、真实.

（3）全程性.一般的检测（如破坏性检测）在正常情况下只能运用于对原材料的检测，但是如果是已经完成的成品以及正在使用的物品，则不可能进行检测.否则被破坏的物品因为破坏性检测而报废，除非该物件已经报废或者已经不能正常工作.而无损检测在检测物品之后，物品没有被损坏，可以继续使用，所以无损检测可以检测原材料、成品、正在使用的物品等所有的材料，一般没有什么限制.

2 无损检测的研究内容

无损检测是利用声、光、电、热、磁和射线等与被测物质的相互作用，在不损害被检验对象的内外部结构和使用性能的前提下，对工业生产中工程零部件、材料、结构件等进行有效地检验和测试，包括超声检测法中的图像处理，射线检测法中的图像处理，磁粉检测法中的图像处理以及渗透检测法中的图像处理.

针对钠冷快堆中输送液态金属钠管道的管道腐蚀问题，建立物理模型，研究声波在这种特定条件下的激发、传播和散射机制，尤其是研究漏泄声导波的激发、传播和散射机制.以矩形齿状表面为切入点，对复杂形状表面的波导问题进行数值模拟研究.同时，通过数值模拟研究液态金属流动模态和管道腐蚀缺陷之间的相互关系，研究液态金属和固态金属管道之间的声耦合和传播理论.结合数值仿真和虚拟检测研究，发展声学成像和定量评价的理论，探索一种声学检测手段，发展一种管道腐蚀的检测方法.在这些研究的基础上，争取形成一种能够有效地监测钠冷快堆液态金属钠管道腐蚀的声学成像检测手段.具体包括以下几项内容:

（1）针对核电中的铁素体钢、低合金钢、奥氏体钢这几种材料，以及新材料纳米氧化物弥散加强材料等，通过理论和实验研究，研究在钠冷快堆条件下材料弹性模量变化的规律和应力应变本构关系.

（2）通过数值模拟、半解析方法研究液态金属和固态金属管道之间的声耦合和传播理论.在该条件下的漏泄声导波的激发、传播和散射的基本理论.

（3）探索应用超声相控阵与综合孔径聚焦成像集成技术检测方法的可能性.

（4）积极了解钠冷快堆试验的进展，开展有限的模拟实验研究.

（5）搜索跟踪国内的同类工作，并开展合作.

对于钠冷快堆液态金属钠管道腐蚀监测本文从声学的角度探索一种检测手段.在基础理论和应用技术方面有一系列关键问题需要解决.最基本的有以下几点:

（1）核电极端条件下材料的应力应变本构关系.在核辐照作用下，材料处于高温状态，材料的弹性模量等物理常数会发生很大变化，而且这些变化随时间改变.认识这些规律是声学检测的基础.

（2）液态金属钠输送管道中声波的激发机理和传播散射规律.由于材料性质和管道结构的复杂性，使以上这些规律变得非常复杂.同时，换能器材料的性质也会大大改变.认识这些规律是声学检测方法的基础，同时也是采集和分析检测数据需要考虑的重要方面.

（3）检测换能器的安放和数据采集，常常会受到狭小环境空间的限制.灵活应用超声相控阵技术，并对综合孔径聚焦成像技术加以修正改进，对两者的长处集成，有可能补充超声成像所必需的数据.

3 系统设计及图像数字化

在本课题研究的脉冲反射法超声无损检测中，超声无损检测系统由高频超声探头，超声脉冲发生/接收卡，PC机等组成，其系统原理框图如图1所示.高频超声探头在超声波脉冲发生/接收卡向其发射高频脉冲的情况下受到脉冲的激励而发出超声波，再通过耦合剂进入到被测对象中，同时接收超声回波信号，经超声脉冲发生/接收卡实现信号的数字化转换再传输至PC机，PC机再对信号进行必要的处理、分析、显示与存储处理.

图1 超声无损检测系统原理框图

通过理论模型的建构和数据的分析，该系统具有以下功能:

（1）建立核电极端条件下输送液态金属管道的声传播理论.通过针对核电中现在常用的材料和研究开发中的新材料声学特性的研究，本质上揭示声波在核电站液态金属钠输送管道中传播的内在物理现象和声学规律.

（2）形成分析计算液态金属和固态金属管道之间漏泄声导波的数值模拟方法和软件.该软件应用半解析方法，可计算漏泄声导波的激发、传播.

（3）对于液态金属钠管道的管道腐蚀问题，应用纵波、横波和导波检测的结果给出比较和评价.争取形成一个虚拟检测仿真软件系统.

4 图像处理

将待处理的图像运用数字化该变成为电脑可以接受格式，之后再应用MATLAB软件来分析以及处理图像.图像处理和分析过程主要三个部分组成，分别是采样、量化与压缩编码.

4.1 采样

采样的本质就是运用许多的点来描述图片，其结果的好坏可以用图片分辨率来评价.一般来说，在两个维度的空间上连续的图片在水平和竖直的两个方向上等距离地分离成方形网状的结构，变成细小的格子，将这些细小的格子称之为像素点.一张图片会被采样为大量的像素点所组成的一个集合.每一秒钟之中采样的次数被称为采样频率，间隔的大小就是采样点之间的大小.采样的频率越高，所采集到的图片的样本越真实，图片成像的质量就会越高，此时，图片的存储量较大.

4.2 量化

用数值量化的程度来表示每个采样点的图像，量化的结果要适应图像的整体颜色，它反映了采样的质量.例如:如果4位存储在一个点上，图像可以有16个颜色，如果你使用了16位内存，216=65536颜色.所以，量化位数越大，图像的自然颜色越多，可以产生更多的图像细节，缺点是会占据更多的存储空间，还存在视觉效应与存储空间的基本问题.灰色和白色的照片，因为它在垂直方向的灰度变化是连续的，可以考虑有数以百万计的像素，任何一点的价值可以从黑色到白色有无限的能量值.通过模拟图像像素沿水平方向和垂直方向和采样间隔被分解成近似有限，像素的灰度值的每个像素表示（亮度）要量化的价值.通过一个空间的有限的离散像素的性能分布，被采样和量化的值的离散值的性能可以被称为数字图像.只要水平和垂直采样点足够，量化位的数目就足够大，数字图像的质量也不逊于原来的模拟图像.确定量化的离散值的数目被称为量化.对于二进制数字颜色值（或亮度值）量化表示，量化字长度，一般可用8位和16位，24位或更高的量化字长度来表示图像的颜色；量化字长度是，能真正反映原始图像的颜色，但数字图像的能力较大.例如:曲线沿直线的灰度值的图像，最大值，最小值.先采样:沿线段AB等间隔进行采样，取样值在灰度值上是连续分布的；再进行量化:将连续的灰度值再进行数字化（8个级别的灰度级标尺）.

4.3 压缩编码

数字化后得到的图像数据量十分巨大，必须采用编码技术来压缩其信息量.在一定意义上讲，编码压缩技术是实现图像传输与储存的关键.本研究采用无损压缩编码的方式对数字化后图像进行编码压缩处理，通过小波变换、编码、压缩过程实现对图像多余数据的处理，尽量将图像涉及的数据减少，同时还能保证图像的保真性.这一过程是可逆的，即可以将压缩后的数据恢复成原来的图像，防止图像丢失难以找回.如对于分辨率为256*256的图像，经过第一次压缩后图像分辨率变为135*135，此次压缩分解的是第一层低频信息，压缩效果非常好，第二次压缩后图像的分辨率降为75*75，此次压缩选取的是低频部分中的低频信息，压缩就比较大，通常情况下，图像的低频部分是最主要部分，小波分解的方式正好是主要保留低频部分，去掉高频部分，尽量不让图像失真，确保图像信息的真实性.

5 结论

图像的数字化过程主要三个部分组成，分别是采样、量化与编码.为了工作需要，通常要将数据改成图像，进而用来进一步的分析.在此过程中，图像处理技术具有重要作用.如今计算机图像处理技术已经广泛地应用于生活中的许多领域之中，并取得的许多较大的近展，得到较好的图像处理效果.无损检测是在不破坏被测物体的同时对物体内部进行检测，通过实时成像采集图像，并且运用图像处理技术，来优化图像质量.本文就无损检测技术中的数字图像处理的理论与方法进行了研究，希望为无损检测技术的革新提供一点理论参考.

20世纪电子科技的迅猛发展对电子图像产生了巨大的推动性作用，并使其经历了从“具体图像”“磁带图像”到“计算机图像”三个阶段.通过对电子图像作品进行编写，透视出当代电子图像作品制作技术演进的结果是越来越趋于“计算机”化，相信计算机图像的未来一定是美好的.