液体火箭发动机小直径导管焊缝的X射线检测

空间推进系统中的液体火箭发动机被广泛应用于运载火箭、卫星、载人航天、导弹武器和深空探测等领域，因此其安全性和可靠性对于整个发射任务特别重要。导管是液体火箭发动机的重要组成部分，其多级连接使用的是焊接技术，有效地识别焊接过程中可能产生的缺欠显得尤为重要。现有技术使用X射线胶片成像技术对导管进行检测，然后由人工在观片灯下对胶片进行评定。人眼在观片灯的强光下工作会产生视觉疲劳，进而可能影响判定结果的准确性。现有的射线缺欠检测算法种类很多，其中多尺度分析是当今目标检测领域最为活跃的研究课题之一，检测算法需要将不同尺度的目标都检测出来，这要求算法模型对于不同尺度的目标具有鲁棒性。卷积神经网络处理大尺度目标的应用效果比较好，这是因为其面积大、特征丰富，但是会将小尺度目标卷积到容易被忽略的特征尺度上。实际上，小尺度目标在实际检测任务中却占据了较大的比例，比大目标更难以被检测。针对直径为0.1~0.5mm的小直径导管焊缝缺欠，上海大学复合材料研究中心联合上海空间推进研究所和深海精密科技（深圳）有限公司的研究人员使用了一种基于特征金字塔的多尺度分析方法，搭建了全数字X射线成像系统，在数字导管图像上进行缺欠识别，为了识别出不同大小和形态的缺欠，使用了基于多尺度的图像分析技术，并在GPU（图形处理器）平台上进行了算法优化，最终实现了对缺欠的自动、定量检测。1

X射线数字化图像平台相比于X射线胶片检测平台，X射线数字化图像平台可以实时成像，是X射线缺欠自动检测的前提。X射线数字化图像平台的核心部分包括微焦点X射线管（电压160kV，电流1mA，焦点尺寸15μm）、X射线数字平板探测器（成像视野长130mm，宽130mm，像素尺寸85μm）以及X射线数字采集与成像软件（自编程）等。2X射线图像预处理与传统的X射线胶片检测不同，X射线数字化图像需要额外的预处理才能得到用于进一步分析和检测的图像。主要原因是X射线平板探测器每次成像的暗电流噪声不同，每个像元响应不一致且会随着时间的推移变化，因此需要对原始图像进行坏点坏线校准（暗场与亮场校准），保证得到处理后的图像是亮度均一的；其次，X射线平板探测器是16位图像数据，其动态范围比普通可见光相机的8位图像大得多，因此需要在预处理阶段对其进行动态范围压缩，将尽可能多的细节提取出来，使其在后续的处理中不至于被湮灭，动态范围压缩前后图像如图1所示。（a）压缩前

（b）压缩后图1动态范围压缩前后的图像3多尺度分析算法传统的卷积神经网络通常是自上而下的模式，这种自上而下的结构对多尺度的目标检测存在弊端，对于小目标来说，其特征可能会随着深度的增加而逐渐丢失，从而导致检测性能的下降。最小的缺欠在图像上仅由5~10个像素点构成，由于焊缝缺欠尺寸非常小，科研人员使用了一种改进的特征金字塔多尺度分析模型，在传统模型的基础上，对各个尺度的图像分别使用分辨率增强算法（REA）进行处理，自下而上地将不同尺度的特征融合在一起，形成互补覆盖。特征金字塔模型如图2所示。图2特征金字塔模型特征金字塔中间层图像的分辨率增强效果如图3所示，图3a为从特征金字塔中间层抽出的局部原始图像，图3b为分辨率增强算法处理后的图像，可以看到原较小缺欠的分辨率得到提高，同时图像噪声也明显降低。（a）原始图像（b）处理后图3特征金字塔中间层图像的分辨率增强效果4缺欠检测在多尺度特征金字塔的每层，都采用缺欠检测算法对图像进行处理，并将结果融合后输出为最终的缺欠检测结果，这种方法避免了因缺欠本身大小不同导致的漏检。缺欠检测算法如下：（1）对原始图像I进行中值滤波，即得到Ig。（2）在Ig上进行动态二值化得到It。（3）在It上根据缺欠所在位置的特征进行筛选，得到缺欠标记图像Id。（4）在图像Id上得到缺欠边缘图像Ic。图4为缺欠检测算法每个步骤产生的图像，其中图4f为将缺欠边缘图像叠加到原始图像上的合成图像，用以标记缺欠位置。（a）I（c）It（e）Ic（b）Ig（d）Id（f）合成图像

图4缺欠检测算法每个步骤产生的图像5试验测试选择了一定数量的火箭液体发动机小直径导管焊缝作为实测样品，导管直径为5~8mm，其焊缝宽度为1~2mm。实际的X射线数字图像采集参数如下：球管焦点与被测目标距离（FOD）为259mm；球管焦点到平板探测器距离为1152.55mm；放大倍率为4.45；最终图像上每像素点对应的实际物理尺寸为0.019mm。实际采集了一批测试图像，1号样本和2号样本的试验结果分别如图5和图6所示。（a）原始图像（b）叠加图像（c）仿三维图像图51号样本的缺陷检测结果（a）原始图像（b）叠加图像（c）仿三维图像图62号样本的缺陷检测结果1号和2号样本检测结果的定量分析数据如下：1号样本8个缺陷缺陷总面积：0.098mm2单个缺陷面积/mm2单个缺陷等效椭圆长轴长度/mm单个缺陷等效直径/mm0.00400.03070.00540.00900.01050.00720.01190.01950.11210.31510.15550.14780.19720.16250.17420.30670.07110.19770.08300.10720.11550.09590.12320.15752号样本12个缺陷缺陷总面积：0.153mm2单个缺陷面积/mm2单个缺陷等效椭圆长轴长度/mm单个缺陷等效直径/mm0.03470.00790.01050.00610.00650.00690.00790.00940.02270.01120.01370.01550.25150.16880.14920.12620.14300.13350.13800.19910.20010.14090.23240.19020.21010.10060.11550.08840.09100.09350.10060.10930.17020.11940.13220.1406上表分别给出了单个缺陷的面积大小、单个缺陷等效椭圆长轴长度（代表了缺陷最长直径）、单个缺陷等效直径（代表了缺陷等效直径），在实际的生产检测中可以根据具体的工艺指标来判断其是否为合格品。

在实际检测中可以使用以下的组合式判断准则：（1）单个缺陷等效直径大于0.15mm，判断为不合格。（2）等效直径大于0.1mm的缺陷个数超过3个，判断为不合格。从上表中数据可以看出，输出的定量结果完全支持组合式判断准则的实际应用。结语液体火箭发动机小直径导管焊缝的