基于x射線源陣列的實時在線工業ct檢測系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于X射線源陣列的實時在線工業CT檢測系統，包括用于傳輸待檢測物體的傳送帶，所述傳送帶外側設置碳納米管陰極的X射線源陣列和與碳納米管陰極的X射線源陣列配合進行待檢測物體的CT檢測的探測器陣列，所述系統還包括用于進行X射線源快速切換與探測器同步讀取的控制裝置，用于獲取探測器陣列檢測的CT圖像并進行CT圖像的存儲和處理操作的圖像處理裝置。該系統可以大幅提高掃描速度，快速完成產品檢測，提高工廠的生產效率，節約經濟開支。
【專利說明】基于X射線源陣列的實時在線工業CT檢測系統
【技術領域】
[0001]本發明屬于工業CT掃描【技術領域】，具體涉及一種屬于工業CT的系統設計，特別涉及一種新型多源CT的基于X射線源陣列的實時在線工業CT檢測系統。
【背景技術】
[0002]工業CT是工業用計算機斷層成像技術的簡稱，它能在對檢測物體無損傷條件下，以二維斷層圖像或三維立體圖像的形式，清晰、準確、直觀地展示被檢測物體內部的結構、組成、材質及缺損狀況，被譽為當今最佳無損檢測和無損評估技術。
[0003]如圖1所示，目前，大部分工業CT的設計方案與醫用CT類似，常用的CT掃描模式有II代掃描、III代掃描。這兩種方式都是通過固定待檢測物體I (固定在載物臺3上)，使用旋轉及移動X射線源2和探測器4的方式來完成全角度采樣(箭頭方向為X射線源2和探測器4的運動軌跡，5為X射線線束)。這樣的采樣方式有許多缺點，首先，旋轉的設計帶來系統復雜性，成本變高，需要極高的機械運動精度來保證采樣準確度，相應也提高了設備的功耗和體積，其次，旋轉的設計對數據的傳輸有很大限制，由于數據傳輸大多只能使用電刷，數據通道帶寬受限，相應的限制了采集速度，另外，采樣方式時間耗費較大，大批量的檢測將耗費很多時間及資源。近年來出現雙源工業CT，可以在一定程度上提高圖像分辨率，但是仍然無法縮短掃描時間。對于面向實時在線監測工業CT而言，傳統的旋轉式掃描的使用是極其困難的。
[0004]除此之外，雖然有研究者提出過多個射線源的思路，但是由于傳統射線源體積較大，重量較高，且X射線時間響應較慢，這種思路難以實施。基于碳納米管陰極的X射線源是具有體積小、高時間分辨率、工作溫度低、功耗小、穩定和可編程等特點，這種射線源的出現為大幅縮短檢測時間提供了可能。本發明因此而來。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在于提供一種基于X射線源陣列的實時在線工業CT檢測系統，解決了現有技術中存在的機器體積龐大、大量機械運動和掃描時間慢等缺陷。
[0006]為了解決現有技術中的這些問題，本發明提供的技術方案是:
一種基于X射線源陣列的實時在線工業CT檢測系統，包括獲取、存儲和處理CT圖像的圖像處理裝置、屏蔽機箱及設置在該屏蔽機箱內的待測物體放置裝置、組合檢測模塊、用于X射線源快速切換與探測器同步讀取的控制裝置，其特征在于，所述的待測物體放置裝置為傳送帶，所述組合檢測模塊包括位于傳送帶外側的支架及設置在支架上的基于碳納米管陰極的X射線源陣列、與該X射線源陣列配合的探測器陣列，所述X射線源陣列的X射線源為若干個，每個X射線源的入射角度沿待檢測物體周向設置。
[0007]所述系統還包括用于控制傳送帶進行待檢測物體傳輸作業的傳送裝置，所述控制裝置通過指令控制傳送裝置進行傳送。
[0008]每排碳納米管陰極的X射線源陣列和每排探測器陣列形成組合檢測模塊，所述組合檢測模塊的數量不少于2個。
[0009]所述探測器分布在X射線源的對面一側，且每個X射線源和探測器分別設置位置調節裝置。
[0010]當所述組合檢測模塊的數量為2個時，兩組模塊相互垂直固定，X射線源與相應探測器覆蓋180度的采樣范圍。
[0011 ] 優選的，若干個組合檢測模塊處于同一平面內，且X射線源與相應探測器覆蓋180度的采樣范圍；或者若干個組合檢測模塊處于不同平面內，且X射線源與相應探測器覆蓋180度的采樣范圍。
[0012]優選的，所述控制裝置同步控制X射線源陣列和探測器陣列，采用經過頻率調制的控制信號，進行快速X射線曝光，在相應的時間間隔里從探測器陣列上讀出圖像，進行解調得到每個X射線源的成像，發送給圖像處理裝置。
[0013]優選的，所述圖像處理裝置設置有用于接收探測器陣列檢測的CT圖像，并對CT圖像進行存儲的CT圖像存儲模塊、基于壓縮感知的迭代重建算法對CT圖像進行重建的圖像重建模塊、對圖像進行分析處理，并向用戶進行可視化輸出的圖像處理模塊。
[0014]優選的，所述碳納米管陰極的X射線源陣列和探測器陣列設置在屏蔽機箱內，所述屏蔽機箱內還設置用于進行待檢測物體標記的物體標記裝置，所述待檢測物體由傳送帶從屏蔽機箱外側傳入屏蔽機箱進行檢測后，進行標記，然后傳出屏蔽機箱外。
[0015]本發明技術方案基于碳納米管陰極的X射線源。基于碳納米管陰極的X射線源具有體積小、高時間分辨率、工作溫度低、功耗小、穩定和可編程等優點。本發明使用該X射線源但不限于該X射線源。將多個基于碳納米管陰極的X射線源排成陣列，可以有效利用其高時間分辨率的特點，實現在短時間內進行逐個曝光，相當于從不同角度進行X射線采樣，實現CT重建的采樣要求。本發明中采用的基于碳納米管陰極的X射線源可以采用如申請號為201120253622.7的中國專利申請:基于場發射冷陰極的陣列X射線源。
[0016]申請號為201120253622.7的中國專利申請公開了一種基于場發射冷陰極的陣列X射線源，包括陰極基板、陰極電極、用于發射電子束的場致發射體、反射式陽極靶；其中，在陰極基板上設有陰極電極，在陰極電極上設有場致發射體，反射式陽極靶位于陰極基板上方且與陰極基板相對設置，反射式陽極靶與陰極基板平行；場致發射體發射出的電子束轟擊到反射式陽極靶上，產生的X射線穿過陰極基板出射。
[0017]優選的，所述使用兩組或多組射線源陣列和探測器陣列組合模塊進行成像。以一排探測器陣列分別與一排基于碳納米管陰極的X射線源連接固定形成一個組合模塊。各個模塊可以在同平面內，按照不同的角度錯開，形成覆蓋全角度的采樣范圍。也可在不同平面利用勻速皮帶的特性，等間隔不同角度放置組合模塊，達到對某個切面形成覆蓋全角度采樣范圍的目的。以使用兩組模塊為例，兩組模塊相互垂直固定，形成覆蓋180度的采樣范圍。如果多組模塊，則相互錯開一定角度，形成覆蓋全角度的采樣范圍。
[0018]優選的，所述控制裝置控制X射線源陣列和探測器陣列進行同步處理，采用經過頻率調制的控制信號，進行快速X射線曝光，在相應的時間間隔里從探測器陣列上讀出圖像，進行解調得到每個X射線源的成像，整個過程時間極短，在整個過程里，器件和傳送帶的運動可以忽略不計。
[0019]優選的，使用控制芯片控制傳送帶傳送待檢測物體，使待檢測物體精確地勻速穿過兩組或多組X射線源陣列及對應探測器陣列。
[0020]優選的，所述圖像重建模塊采用基于壓縮感知的迭代重建算法。由于迭代重建對不規則的采樣軌跡具備良好的適應性，但是對采樣數量要求較高，使用基于壓縮感知的代數迭代CT重建算法，能夠以較少的采樣重建出可靠的圖像。
[0021]優選的，所述圖像處理模塊采用基于可視化處理，將重建得到的器件橫截面圖像進行三維可視化，實現任意截面觀察。所述圖像處理模塊采用智能分析系統，采用算法對重建可視化結果進行自動分析，根據用戶對待檢測物體的要求，自動進行檢查，自動處理標記不合格器件或者人為進行處理。
[0022]本發明技術方案中產品的檢查將按如下流程進行:首先，待檢測的產品按照工廠的流水線進入傳送帶勻速前進；當產品運行到一定的位置，觸發光電門控開關，這時，X射線源控制電路觸發一次X射線成像，在一次X射線成像中，控制電路將產生一系列控制信號，控制X射線源分頻發射，同步的探測器控制電路進行快速曝光并保存結果，以上過程在極短時間內完成，產品在期間的位移可以忽略不計，之后，首先由解調程序將每個X射線源的成像從得到的結果中解調出來，然后由重建模塊進行一次斷層重建，同時傳送帶繼續前進，以同樣的循環完成每個斷層的掃描；物體離開X射線檢測區域，此時，計算機將重建所得的斷層進行歸檔；最后，計算機對斷層數據序列形成的體數據進行三維可視化，并顯示用戶設定的感興趣截面，智能分析對產品的瑕疵和缺陷進行分析，按照用戶設定的指標發布通知。
[0023]相對于現有技術中的方案，本發明的優點是:
1、應用本發明可以大幅提高掃描速度，快速完成產品檢測，提高工廠的生產效率，節約經濟開支。
[0024]2、裝置中使用傳送帶式的流水線設計思路，可以嵌入工廠的流水線中，為企業簡化流程，方便引進。
[0025]3、裝置中使用固定的X射線源和探測器使得機械運動帶來的誤差大幅減小，另夕卜，裝置的功耗大大降低，并且消除了機械運動的損耗和噪聲，降低設備的維護成本，即環保又提高了設備的壽命。
[0026]4、裝置中使用基于碳納米管陰極的X射線源，相比于傳統射線源，功耗大幅下降，并且不需要高溫工作，減少了散熱方面的問題。
[0027]5、裝置中采用X射線源的陣列，使得原本由一個射線源完成的X射線發射工作，分攤到多個X射線源進行，大大延長了 X射線源的使用壽命。
[0028]6、裝置中采用X射線源和探測器的分頻復用技術，有效縮短了采樣所需的時間。
[0029]7、本發明中采用的基于壓縮感知的CT重建算法，具有對采樣角度要求少和效率高的特點，可以實現實時重建的效果。結合以上的1、2、6點優點，在各個環節提高了速度，特別適合產品的快速大批量檢測，特別適合對于芯片封裝，電子產品和器件的大批量檢測。
[0030]綜上所述，本發明提供了一種基于X射線源陣列的實時在線工業CT檢測系統，包括基于碳納米管陰極的X射線源陣列及探測器陣列組，用于射線源快速切換與探測器同步讀取的控制裝置，待檢測物體的傳送帶及運動控制裝置，圖像存儲于歸檔系統，基于壓縮感知的迭代重建算法重建模塊以及可視化軟件及智能分析系統，屬于工業CT的系統設計領域，可以實時對物體進行CT斷層成像，并且大大降低了系統能耗。【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1是傳統工業CT的掃描方式，箭頭所示方向為X射線源及探測器的運動軌跡； 圖2是本發明的基于碳納米管陰極X射線源陣列的實時在線工業CT檢測系統的結構
圖；
圖3是使用兩對X射線源陣列和探測器陣列模塊的采樣方式示意圖；
圖4是使用三對X射線源陣列和探測器陣列模塊的采樣方式示意圖；
圖5是使用四對X射線源陣列和探測器陣列模塊的采樣方式示意圖；
圖6是使用三對X射線源陣列和探測器陣列模塊的空間排布示意圖；
圖7是使用四對X射線源陣列和探測器陣列模塊的空間排布示意圖；
圖8是多X射線源陣列的分頻復用成像示意圖；
圖9是多X射線源陣列的控制示意圖；
圖10是基于壓縮感知的CT重建算法示意圖；
圖11是系統流程框圖；
其中有:待檢測物體1、X射線源2、載物臺3、探測器4、X射線線束5、屏蔽機箱6、物體標記裝置7、組合檢測模塊和用于X射線源快速切換與探測器同步讀取的控制裝置8、圖像處理裝置9、傳送帶30、X射線源陣列20和與該X射線源陣列配合的探測器陣列40、X射線源陣列中某個射線源產生的具有一定頻率的X線信號21、指示燈81、急停開關82、主機80。
【具體實施方式】
[0032]以下結合具體實施例對上述方案做進一步說明。應理解，這些實施例是用于說明本發明而不限于限制本發明的范圍。實施例中采用的實施條件可以根據具體廠家的條件做進一步調整，未注明的實施條件通常為常規實驗中的條件。
[0033]如圖2，該基于碳納米管陰極X射線源陣列的實時在線工業CT檢測系統，包括用于傳輸待檢測物體I的傳送帶，所述傳送帶外側設置碳納米管陰極的X射線源陣列20和與碳納米管陰極的X射線源陣列配合進行待檢測物體I的CT檢測的探測器陣列40，所述系統還包括用于進行X射線源20快速切換與探測器同步讀取的控制裝置8，用于獲取探測器陣列檢測的CT圖像、進行CT圖像的存儲和處理操作的圖像處理裝置9。控制裝置8設置有主機80、用于緊急處理的緊急開關82、顯示檢測狀態的狀態指示燈81。控制裝置8與圖像處理裝置9間通過線纜連接。
[0034]其中核心組件為基于碳納米管陰極的X射線源陣列20與對應的探測器陣列(探測器組)40。該組件由一排基于碳納米管陰極的X射線源、一排探測器以及支架構成。支架為U型設計，基于碳納米管陰極的X射線源安裝在支架一側的孔中，焦點朝向支架的中心，其基本電路通過線路連到外部，探測器40分布在X射線源20的對面一側，每個X射線源和每個探測器分別有位置調節裝置。在理想情況下，所有X射線源的焦點位于一條直線上，并且與探測器中線平行。實際情況中，由于不可避免的誤差，在使用圖像進行重建之前，需要進行校準。所述碳納米管陰極的X射線源陣列和探測器陣列設置在屏蔽機箱6內，所述屏蔽機箱6內還設置用于進行待檢測物體標記的物體標記裝置7，所述待檢測物體由傳送帶30從屏蔽機箱外側傳入屏蔽機箱進行檢測后，進行標記，然后傳出屏蔽機箱外。[0035]在該基于碳納米管陰極X射線源陣列的實時在線工業CT檢測系統中，基于碳納米管陰極的X射線源陣列與對應的探測器組的使用為一排或多排。各組模塊在X射線源陣列方向上是互相錯開的，模塊使用轉軸連接在機架上，以便根據不同需求進行角度調整。在調整中，各個模塊是聯動并保持互相平行的。在本發明中，雖然圖2是以兩對模塊進行成像，但是這僅僅是個范例，本發明包含使用多組X射線源陣列和探測器陣列模塊成像的情況，其中圖3包括使用三組或四組的情況，如果使用更多，則可以在成本允許的范圍內得到更密集的采樣效果，以獲得更好的重建效果。
[0036]模塊組合的采樣效果如圖:3~5所示，可以是兩組、三組甚至四組X射線源陣列和探測器陣列模塊。圖3飛中這些X射線源陣列和探測器陣列模塊均在同一個平面，而實際上，各模塊的采樣在同一時刻是可以在不同的平面進行的，如圖6、7所示。圖3飛中相對的X射線源陣列和探測器陣列模塊處于一個平面，而另一對模塊則可根據實際需要放置于與之平行的另一平面，每對模塊相互錯開排列，其中兩組模塊的空間布局示意圖見圖2，三組和四組的情況如圖6、7所示。當物體在傳送中時，每個模塊采到的是物品不同截面的數據并存儲，由于運動的速度是由程序設定的，所以一個平面的數據采集片段是可知的。在進行某個平面的重建前，圖像重建模塊先定位該平面的數據存儲位置，再從相應的位置取出斷層數據進行重建。
[0037]如圖8、所示，本發明中還使用了一種分頻復用的成像技術，使用不同射線源分別以不同曝光頻率同時照射物體(21為X射線源發射頻率波形)，可以得到整個曝光時間中探測信號強度曲線，而該曲線又是不同曝光頻率的射線源光強變化曲線以一定的權重線性疊加的結果，通過解調就可以求出每個射線源變化曲線的權重，即實現了該射線源在該像素的投影數據獲取。傳統的CT成像方式是射線源在不同位置分別進行曝光。由于基于碳納米管陰極 的X射線源具有成本低、體積小、高時間分辨率、工作溫度低、功耗小和可編程等優點，該發明中使用該X射線源進行高頻發射。假設相比于用每個射線源逐點曝光，分頻復用的方法完成一樣的曝光量，所需的時間更短，從而提高掃描效率。
[0038]圖10是基于壓縮感知的CT重建算法。該重建算法為常規現有技術，不再贅述。本系統產品的檢查如圖11所示，將按如下流程進行:首先，待檢測的產品按照工廠的流水線進入傳送帶勻速前進；當產品運行到一定的位置，觸發光電門控開關，這時，X射線源控制電路觸發一次X射線成像，在一次X射線成像中，控制電路將產生一系列控制信號，控制X射線源分頻發射，同步的探測器控制電路進行快速曝光并保存結果，以上過程在極短時間內完成，產品在期間的位移可以忽略不計，之后，首先由解調程序將每個X射線源的成像從得到的結果中解調出來，然后由重建模塊進行一次斷層重建，同時傳送帶繼續前進，以同樣的循環完成每個斷層的掃描；物體離開X射線檢測區域，此時，計算機將重建所得的斷層進行歸檔；最后，計算機對斷層數據序列形成的體數據進行三維可視化，并顯示用戶設定的感興趣截面，智能分析對產品的瑕疵和缺陷進行分析，按照用戶設定的指標發布通知。
[0039]上述實例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人能夠了解本發明的內容并據以實施，并不能以此限制本發明的保護范圍。凡根據本發明精神實質所做的等效變換或修飾，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種基于X射線源陣列的實時在線工業CT檢測系統，包括獲取、存儲和處理CT圖像的圖像處理裝置、屏蔽機箱(6)及設置在該屏蔽機箱內的待測物體放置裝置、組合檢測模塊和用于X射線源快速切換與探測器同步讀取的控制裝置(8)，其特征在于，所述的待測物體放置裝置為傳送帶(I )，所述組合檢測模塊由位于傳送帶外側的支架，及設置在支架上的基于碳納米管陰極的X射線源陣列(20)和與該X射線源陣列配合的探測器陣列(40)組成，所述的X射線源陣列的X射線源為多個，每個X射線源的入射角度沿待檢測物體周向設置。
2.根據權利要求1所述的基于X射線源陣列的實時在線工業CT檢測系統，其特征在于，所述組合檢測模塊的數量不少于2個。
3.根據權利要求1所述的基于X射線源陣列的實時在線工業CT檢測系統，其特征在于，所述系統還包括用于控制傳送帶進行待檢測物體傳輸作業的傳送裝置。
4.根據權利要求1或2所述的基于X射線源陣列的實時在線工業CT檢測系統，其特征在于，當所述組合檢測模塊的數量為2個時，兩組模塊相互垂直固定，X射線源與相應探測器覆蓋180度的采樣范圍。
5.根據權利要求1或3所述的基于X射線源陣列的實時在線工業CT檢測系統，其特征在于，所述組合檢測模塊處于同一平面內，且X射線源與相應探測器覆蓋180度的采樣范圍；或者組合檢測模塊處于不同平面內，且X射線源與相應探測器覆蓋180度的采樣范圍。
6.根據權利要求1所述的基于X射線源陣列的實時在線工業CT檢測系統，其特征在于，所述X射線源和探測器設置有位置調節裝置。
7.根據權利要求1所述的基于X射線源陣列的實時在線工業CT檢測系統，其特征在于，所述圖像處理裝置設置有對探測器陣列檢測的CT圖像進行接收并存儲的CT圖像存儲模塊、對CT圖像進行重建的圖像重建模塊、對圖像進行分析處理并向用戶進行可視化輸出的圖像處理模塊。
8.根據權利要求1所述的基于X射線源陣列的實時在線工業CT檢測系統，其特征在于，所述屏蔽機箱內還設置有用于進行待檢測物體標記的物體標記裝置。
【文檔編號】G01N23/04GK103760180SQ201410038927
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月27日 優先權日:2014年1月27日
【發明者】羅守華, 林志宏, 李光, 顧寧 申請人:東南大學