源平移扫描局部CT成像及其检测在役高压电缆研究 廖明娟.pdf

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光学学报
ActaOpticaSinica
ISSN0253-2239,CN31-1252/O4
《光学学报》网络首发论文
题目:源平移扫描局部CT成像及其检测在役高压电缆研究
作者:廖明娟,李雷,段晓礁,陈大兵,刘丰林
网络首发日期:2022-07-17
引用格式:廖明娟,李雷,段晓礁,陈大兵,
在役高压电缆研究[J/OL].光学学报.
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:.
췸싧쫗랢쪱볤ꎺ2022-07-1719:00:47
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源平移扫描局部CT成像及其检测在役高压电缆研究
廖明娟1,2,李雷2,段晓礁1,2,3,陈大兵4,刘丰林1,2,3*
1重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400044;
2重庆大学工业CT无损检测教育部工程研究中心,重庆400044;
3重庆真测科技股份有限公司,重庆401332;
4国网江苏省电力有限公司电力科学研究院,南京,211103
摘要高压电缆作为城市电网电力传输的主要途径之一,由于其内部进水导致的缓冲层烧
蚀,在实际应用中存在重大安全隐患。高压电缆的芯部导线尺寸大、密度高,而外部缺陷对
比度低,常规便携式X射线数字成像会在皱纹铝护套和外护层间产生无规律间隙影像干扰,
不能满足在役高压电缆的检测需求。针对在役高压电缆缓冲层烧蚀缺陷多出现在电缆底部的
特点,本文提出一种局部源直线扫描CT(L-STCT)成像方法,实现在役电缆底部阻水缓冲层
缺陷检测。L-STCT扫描时,平板探测器靠近检测电缆,预估缺陷位置大致处于最大投影覆
盖角度处,通过射线源平移扫描采集投影数据。本文建立了L-STCT成像模型,分析了扫描
参数和扫描系统各数据点的最大投影覆盖角度对重建图像的影响,搭建了实验平台,初步研
究采用同步迭代(SIRT)图像重建算法重建CT图像。仿真和实际实验结果表明,L-STCT能
实现高压电缆阻水缓冲层的局部缺陷检测,对在役高压电缆检测实际应用具有重要参考价值。
关键词计算机断层成像;直线扫描;高压电缆;图像重建
中图分类号TP391文献标志码A
LocalSource-TranslationCTforTestingIn-ServiceHigh-Voltage
Cables
LiaoMingjuan1,2,LiLei2,DuanXiaojiao1,2,3,ChenDabing4,LiuFenglin1,2,3*
1KeyLaboratoryofOptoelectronicTechnologyandSystems,MinistryofEducation,
ChongqingUniversity,Chongqing400044,China;
2EngineeringResearchCenterofIndustrialComputedTomographyNondestructive
Testing,MinistryofEducation,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China;
3ChongqingZhenceScienceandTechnologyCo.,Ltd.,Chongqing401332,China;
4StateGridJiangsuElectricPowerCo.,Ltd.,ResearchInistitute,Nanjing211103,
China
AbstractHigh-voltagecables,asoneofthemainwaysofpowertransmissioninurbanpower
grids,havesignificantsafetyhazardsinpracticalduetotheablativedefectsofthebufferlayer
-voltagecableshavelargecoreconductorandhigh
density,whiletheexternaldefectshavelowcontrast,conventionalportableX-raydigital
imagingwouldproduceirregulargapimageinterferencebetweenthewrinkledaluminum
sheathandtheoutersheath,whichcannotmeetthetestingneedsofin-servicehigh-voltage
-servicehigh-voltagecablebufferlayerablation
defectsmostlyappearingatthebottomofthecable,alocalsource-translationCT(L-STCT)
imagingmethodisproposedtodetectwater-blockingbufferlayerdefectsatthebottomofin-
servicehigh-voltagecables,wheretheflatpaneldetectorisplacedclosetothetestedcableso
thattheestimateddefectlocationisapproximatelyatthemaximumprojectioncoverageangle,
andprojectiondataiscollectedbytranslationalscanningofX-,we
基金项目:国家自然科学基金(62171067),国家电网有限公司科技项目(5500-202118134A)
*E-mail:******@
:.
establishL-STCTimagingmodelandanalyzetheinfluenceofscanningparametersandthe
maximumprojectioncoverageangleofeachdatapointofthescanningsystemonthe
reconstructedimages,
reconstructiontechniques(SIRT)imagereconstructionalgorithmisappliedtoreconstructthe
-
STCTcanrealizelocaldefectdetectionofwater-blockingbufferlayerofhigh-voltagecables,
whichhasanimportantreferencevalueforapplicationofin-servicehigh-voltagecable
inspection.
Keywords:computedtomography;linearscanning;high-voltagecables;imagereconstruction
1引言
交联聚乙烯(cross-linkedpolyethylene,XLPE)高压电缆因机械性能优异、耐热性能好、安
装维护方便等优点,在城市电力输送中发挥重要作用[1]。该电缆从里向外由导体,导体屏蔽
层,XLPE绝缘层,绝缘屏蔽层,半导体阻水缓冲层,铝护套和外护层组成。电缆长时间带
电运行,地下工作环境湿度大,部分电缆沟或隧道积水严重,高压电缆底部阻水缓冲层容易
受潮,析出白色粉末,使得绝缘屏蔽层与铝护套之间的接触电阻增大,从而在径向上产生一
定的电压差。当电压差大于某个值时会导致空气间隙击穿,引起铝护套与缓冲层间的放电,
长时间作用下导致缓冲层烧蚀,产生重大的安全隐患[2-3]。
目前,X射线数字成像(digitalradiography,DR)技术是在役电缆缺陷无损检测的主要方
法之一。DR图像以不同灰度值显示电缆各部分材料对X射线的吸收程度差异,可在电缆带
电运行时直观地检测出电缆缺陷的位置及尺寸[4]。但由于DR呈现的是一个方向物体所有结
构的叠加信息,受电缆皱纹铝套和外护套间无规律的间隙阴影干扰,DR只能检测出电缆内
部缺陷较为明显的区域,不能满足在役高压电缆的检测需求。计算机断层成像(computed
tomography,CT)技术通过从不同角度获取检测对象的投影信息,可以清晰呈现物体三维内部
结构,得到缺陷的空间位置、形状及尺寸信息[5-6]。圆周扫描是CT成像中常见的扫描方式,
通过射线源与探测器相对检测对象做圆周旋转运动采集完备的投影数据,实现对物体的精确
图像重建[7]。但由于地下隧道电缆检测现场空间狭窄,电缆间多为一字或品字排列,使用传
统圆周CT扫描检测在役电缆难度大[2]。因此,研究新型CT成像方法实现在役电缆检测,
具有重要的实际应用价值。
大量现有检测报告表明,在役高压电缆阻水缓冲层缺陷多出现在电缆接头底部[8-9],且
缺陷沿电缆圆周切向分布。分析在役高压电缆CT检测需求,可只考虑电缆底部局部CT成
像,以检测电缆圆周切向缺陷为主要目标。同时,相应的CT扫描成像设备应具有结构简单、
扫描运动简单、可移动和便携等特点。另外,由于局部CT扫描成像不需要射线穿透电缆芯
部高密度材料,可降低射线能量和功率要求;检测缺陷沿电缆圆周切向分布时,可考虑利用
:.
不完备投影数据重建CT图像。
直线扫描CT是利用射线源或者探测器平移采集数据的一种扫描方式[10-11]。由于直线运
动更容易控制且在机械结构上更简单、更易制造,相对于圆周CT扫描而言,直线扫描CT
更适合应用于工业流水线、安装管道、地下隧道等非常规条件下的检测。2013年,针对墙角
的线缆、管道检测,Schon[12]等提出了一种射线源运动轨迹与探测器相互垂直的直线扫描CT。
Gao[13]等利用大扇角射线源和大尺寸面阵探测器,设计了一套适用于安全检查的直线扫描
CT系统。在扫描过程中,射线源、探测器固定,物体在扫描场中移动。针对石油管道检测,
Liu[14]等研究了一种直线CT系统,即物体不动,射线源与探测器沿直线同向运动。2021年,
Yu[15]等人提出了一种新型X射线源平移扫描CT(sourcetranslationbasedCT,STCT)成像方
法,扫描过程中探测器和检测对象保持不动,射线源沿平行于探测器的方向作直线运动以扫
描检测对象获取投影数据,检测对象靠近射线源放置,通过改变射线源的平移扫描距离改变
成像视场(fieldofview,FOV)。由于在检测过程中,STCT不涉及任何旋转运动,可以实现快
速扫描,并且系统结构简单。
本文针对在役高压电缆缺陷检测需求,提出了一种源平移扫描局部CT(localsource-
translationCT,L-STCT)成像方法,对在役高压电缆阻水缓冲层底部进行局部检测。L-STCT
的扫描方式如下:被测电缆和平板探测器保持不动,X射线源沿平行于探测器方向作等距直
线移动采集投影数据,检测对象相对靠近探测器放置。受射线源移动距离以及探测器大小限
制,L-STCT无法采集完备投影数据用于图像重建,为了保证采集最大投影角度覆盖范围,
本文将成像区域中心放在源轨迹上端-探测器下端形成的直线与源轨迹下端-探测器上端形
成的直线的交点处。
常用CT图像重建算法主要分为解析型和迭代型重建算法[16-17]。解析法包括滤波反投影
(FBP)、反投影滤波(BPF)和Linogram重建算法等,这类算法重建速度快,但是对数据完备
性要求较高,在欠采样情况下会产生严重的伪影[18-20]。由于单段直线扫描投影数据不完全,
采用解析类算法会导致重建图像受伪影干扰严重。迭代类算法以求解线性方程组的方式进行
图像重建,该方法可以在投影数据不完全情况下,结合先验知识提高图像质量,图像信噪比
高[21]。因此,本文采用同步迭代重建算法(simultaneousiterationsreconstructiontechniques,SIRT)
对投影数据重建。
本文通过建立L-STCT几何模型,分析扫描系统内所有数据点的最大投影覆盖角度以及
扫描参数;通过仿真实验验证该成像方法可行性;搭建实验系统,对高压电缆进行CT扫描
成像实验;采用SIRT算法进行图像重建;最后进行讨论和总结。
2L-STCT扫描成像方法

:.
L-STCT几何模型如图1所示。X射线源和平板探测器放置在检测电缆的两侧,探测器
靠近检测电缆,其中心对准电缆底部放置。扫描过程中,探测器固定,射线源沿着垂直方向
平移,探测器通过读取不同射线源位置物体的衰减信息获取不同位置的投影数据。
为了便于分析,我们以电缆底部成像区域中心为原点,建立固定坐标系o-xyz。如图1所
示,x轴平行于射线源运动轨迹,向上为正,y轴垂直于射线源运动轨迹并指向平板探测器
中心,z轴平行于探测器行阵。在扫描过程中,平板探测器和被扫描物体不动,射线源沿着
x轴方向等距平移,采集物体不同角度的投影数据,每个源位置发射的X射线束只能照到物
体的一部分。
图1L-STCT系统几何模型
-STCTsystem
取锥束中心水平面xoy平面对模型进一步分析,如图2所示。其中dm和d1分别是探测
器的上下两端,d是探测器的长度。扫描过程中射线源从s1线性运动到sn,s表示射线源运
动轨迹长度。h表示检测对象(x轴)到射线源运动轨迹的距离,l表示平板探测器到检测对象
(x轴)之间的距离。射线源轨迹s1与探测器dm的连线和射线源轨迹sn与探测器d1的连线相交
于点M,称其为系统中心点,即坐标原点o。物体中心与中轴线的水平距离为a,系统成像
区域FOV设置为以坐标原点o为中心的矩形,如图2红色方框,对应高压电缆底部区域。
后文中所说的高压电缆底部都对应成像系统平面图中电缆切片的左侧。
图2平面几何模型

对任意穿过检测对象的射线uij可以由射线与x轴的夹角和原点到射线的距离r唯一
:.
标识,设为射线源位置到中心o的连线与x轴正半轴的夹角,则
lh,(1)
arctan0,180xxDS,
rxhS22sin。(2)
其中,arctan/0,180hxS,xD,和xS分别是射线与探测器和射线源运动轨迹
交点的横坐标,且xddD[/2,/2],xssS[/2,/2]。在对投影数据进行重建时,数据完备
性原则是,对于所有的r,应至少有180°的投影角度覆盖。于是对于任意r,可以求得相应
的投影角度覆盖范围,
arctan0。dr(3)
rl
12rrr0
式中
dlrdlr,/2/4222(4)
1rarctandr22/4

,shrshr/2/4(5222)
2rarctandr22/4

1()r表示射线源焦点位于s1发出的X射线与原点距离为r时,此X射线与x轴形成的
夹角;r表示到探测器单元d1的X射线与原点距离为r时,此X射线与x轴形成的夹
2
角。引入以(,)r为坐标系的Radon变换空间来描述投影数据,Radon空间中的每个点表示
每条射线在不同投影角度和位置下得到的投影数据,由式(1)~(3)可以得到L-STCT扫描在
Radon空间中的投影数据分布,如图3所示。可以得到当r=0时,即在坐标原点o时,
取得最大值,记为最大投影覆盖角度max。
图3Radon空间数据分布


:.
如图2,当射线源扫描轨迹、探测器宽度、射线源到探测器距离一定时,确定一个M点,
其为过射线源扫描轨迹端点s1和探测器端点dm的直线sd1m与过射线源扫描轨迹端点sn和探
测器端点d1的直线sdn1的交点,点M到射线源运动轨迹的直线距离为slh()。当固定坐标
sd
系原点o位于M点时,可以获得最大max,此时系统参数满足ds。
lh
为证明点M的性质,将系统以点M为中心分为如图4所示的4个区域,分析L-STCT
扫描系统中每个数据点最大投影覆盖角度。由公式(1)可以得到,在射线源平移采集投影数据
时,对不同区域的数据点Pxy(,)相应的最大投影覆盖角度为maxmaxmin=,max和min分
别表示为对所有穿过P点的射线中与x轴正半轴的最大夹角和最小夹角。
图4系统区域划分图

如图5所示,在区域1中P点的最大投影覆盖角max为射线dP1和射线sP1的夹角;
在区域2中P点的最大投影覆盖角max为射线sPn和射线sP1的夹角;在区域3中P点的
最大投影覆盖角max为射线dP1和射线dPm的夹角;在区域4中P点的最大投影覆盖角
max为射线sPn和射线dPm的夹角。
图5各子区域P点分析。(a)区域1;(b)区域2;(c)区域3;(d)区域4
-area.(a)Area1;(b)area2;(c)area3;(d)area4
具体地,max的计算如下:
:.
DLSL,Area1
,Area2
SRSL。(6)
max,Area3
DLDR
SRDR,Area4
其中,yh,yh,yl,
SLarctan()xs/2SRarctan()xs/2DLarctan()xd/2)
yl。从图5中可以得到在其他条件不变的情况下,区域1、区域2和区域
DRarctan()xd/2
4内数据点的最大投影覆盖角度会随着射线源移动距离的增大而增大;选用更大尺寸的平板
探测器时,区域1、区域3和区域4的最大投影覆盖角度会增大;当减小射线源和被测物体
之间的距离时,区域1、区域2和区域4的最大投影覆盖角度都会相应的增大,反之则变小。
根据式(6)可以得到扫描系统每个数据点最大投影覆盖角度分布图。如图6所示,横纵
坐标确定数据点在系统中的几何位置,对应的值表示最大投影覆盖角度。可以得到点M处
最大投影覆盖角度最大,证明了点M的性质。此时,
ds。(7)
max2arctan=2arctan22lh
由上述分析可知,在探测器宽度、射线源轨迹到探测器距离不变的情况下,s变大时,
M点向探测器方向移动,M点的max增大;在射线源行程、射线源轨迹到探测器距离不变
的情况下,d变大时,M点向射线源轨迹方向移动,M点的max增大;射线源行程、探测
器宽度不变的情况下,h变大时,M点远离探测器,M点的max减小。
图6系统最大投影覆盖角度分布

图7为图6过点M的水平线剖面图和垂直线剖面图。如图7(a),在点M左右,即区域
1和区域4,最大投影覆盖角度对称式分布,向两边减小;如图7(b),在点M上下,即区域
2和区域3,最大投影覆盖角度向上下减小,靠近射线源方向减小速度快。
:.
图7过点M最大投影覆盖角度分布。(a)水平线剖面图;(b)垂直线剖面图
.(a)Horizontalsectionview;(b)vertical
sectionview
综合以上分析可以看出,由于扫描系统和成像物体所处空间环境限制,投影角度受限,
L-STCT无法获得图像重建所需完备数据。点M处的max最大但小于180°,向左右和上下
依次减小,随着系统参数的变化上下移动。根据文献[22]可知,从有限角投影数据重建图像时,
如果被检测对象某一特征的边界与有限数据集中的一条射线相切,那么该边界很容易从有限
数据重建,反之则不易被重建。对单个数据点而言,投影覆盖角度越大,重建出来的结果则
会越好。在L-STCT成像系统中,其他参数都保持不变时,区域1、3和4的数据点投影射
线角度的覆盖范围与探测器尺寸呈正相关,探测器宽度d越大,max越大,采集到的投影
数据越多,所以实际使用中可尽量选用较大尺寸的探测器;射线源行程越长,区域1、2和
4的数据点max越大,不同角度的射线越多,可通过增大射线源行程提高重建图像质量。
除此之外,区域1、2和4数据点的max与射线源轨迹到被测物体的距离h呈负相关,两者
距离越近,每个数据点max增大。
在传统圆周CT扫描中,射线束至少需围绕检测对象旋转180°加扇形角,以获取完备的
投影数据用于图像重建,因而将所有角度下所有射线经过的公共区域定义为FOV。FOV为
一个圆形区域,圆形区域半径大小与射线源到旋转中心的距离、旋转中心到探测器的距离和
探测器有效宽度有关[23]。易知在该区域内每个点均至少有180°的射线经过,因而可对该区
域内每个点都实现精确重建。
当射线角度不足180°,则转化为CT系统中的有限角问题。L-STCT扫描不足以覆盖
180°,故无法用一个完整的圆形区域来描述L-STCT的成像区域。但在有射线经过的区域内,
一部分区域相对拥有更多的数据量,该区域主要集中在M点附近,经过该区域的投影覆盖
角度范围相对较大,重建图像质量相对较好。故从提高成像质量的目的出发,本文将L-STCT
成像区域FOV定义为以M点为中心的矩形区域。在对高压电缆阻水缓冲层缺陷检测时,将
预估缺陷位置(高压电缆缓冲层底部)放在FOV,此时矩形区域内每个数据点最大投影覆盖角
度最大,图像重建结果最好,FOV区域大小根据实际检测需求确定。

:.
L-STCT成像本质是CT成像中的有限角问题,通过对构件的不完全扫描,实现对其内
部结构形态及缺陷的层析检测[24]。在扫描过程中,对于每一个射线源焦点位置,都可以获得
一份投影数据。由于实际电缆检测中,射线源和探测器的距离有限,且电缆体积较大,射线
源发出的X射线只能照射到物体的一部分,每个角度的投影数据存在截断,只包含部分物
体的投影,采用传统的解析重建算法(如FBP算法)会产生严重的截断伪影。为了获得更高质
量的重建图像,本文采用迭代重建算法对图像进行重建。相比解析重建算法,迭代重建算法
对数据一致性要求较低,抗噪能力较强。传统的代数迭代重建算法有ART(代数重建算法)、
SART(联合代数重建算法)、SIRT(联合迭代重建算法)等。SIRT算法求解过程中,用到
的是经过该像素所有的射线,能够有效修正单条射线更新时引起的干扰,对测量误差不敏感,
在数据不全的情况下也可以重建出质量较好的图像,故本文采用的是SIRT算法。
假设待重建图像为f[,,,]fff12JT,J代表待重建图像的像素个数,每个像素宽度为,
P[,,,]ppp12I表示TI条射线投影得到的投影数据,则CT迭代重建的数学模型可表示为
[25]:
Af=P,(8)
式中,AR=[]aijIJ表示系统投影矩阵,aij称为权因子,表示第j个像素对第i条射线投影
值的贡献。投影系统矩阵将断层图像矢量映射到投影数据,是迭代法重建的关键因素,它的
计算直接关系到重建的速度和精度。文中,采用面积模型进行求解[26-27],即把投影数据看成
宽为的射束,a表示第i条投影射线与第j个像素相交的面积与像素面积的比值。求解的
ij
过程中,由于投影矩阵A较大,无法通过直接求逆得到,SIRT算法求解如下:
。I(9)
ffa(1)()tt1ppii
jjijINi12
aaijik
ik11
其中,t为SIRT当前迭代次数,N()t。是松弛因子(01),影响迭代过
pafiikkk1
程中的收敛速度,过大时,算法收敛速度快,但重建图像引入噪声成分增多;过小时,重建
图像会变得平滑,但是收敛也趋于缓慢。迭代时图像的初值设为0,具体地,算法实现过程
如下:
(1)输入投影数据P,并对图像赋初值fj(0)0;
(2)对第i条射线,计算投影数据估计值N;
pafiikkk1()t
(3)使用式(9)对fj中的每个像素值进行修正;
(4)将上一轮的结果作为初值,重复步骤(2)~(3),直到满足迭代终止条件。
3