1 引 言
强力输送带(以下简称输送带)是一种皮带内部嵌入了钢芯的输送带，是煤炭、冶金、码头等领域普遍使用的一种运输工具。由于荷载量增加、障碍物划伤及老化等原因，输送带内部钢芯会发生锈蚀、断裂或接头伸长等故障。一旦发生故障将会造成重大安全事故，严重影响安全生产。强力输送带无损检测仪可以检测输送带内部钢芯状态，对故障及时报警，避免事故的发生。目前工业应用的输送带无损检测仪分为两类：依据电磁感应原理的检测仪和依据射线成像原理的检测仪。文献[1]介绍了一种采用电磁感应原理研制的输送带检测仪，该检测仪已在多个国家得到了应用，但这种检测仪存在一定的缺点，比如检测结果通过数据与曲线进行表示，不直观;对于输送带内部带有防撕裂保护网的皮带不能检测等。文献[2]介绍了一种采用X光无损检测原理设计的输送带检测仪，这种检测仪的检测速度较低，无法实现实时在线监测。限制检测仪检测速度的主要因素有两个，一是探测器像元采集速度不高;二是像元处理算法的运算量大，实时处理比较困难。随着半导体制造工艺的发展以及现场可编程门阵列(FPGA)这类可以并行数据处理的器件的出现，研制一种可以实时在线监测输送带的检测仪已有了可能。
本文对X光无损检测原理进行了研究，通过对输送带检测仪结构的设计，消除了X光无损检测中散射对图像清晰度的影响。采用线阵探测器，并对线阵探测器进行多路数据并行采样，提高了探测器的数据采集速度，解决了数据采集的实时性问题。对线阵探测器像元的非均一化的成因进行了探讨，对常用的非均一性的处理算法进行了研究，根据本文设计的检测仪的具体情况提出了基于响应模型的三点分段校正算法，并采用ARM+FPGA的处理平台实现了所提出的算法。
本文设计的检测仪可以实时检测强力输送带，检测的图像清晰度比较高，均一化效果好，有较好的应用前景。
2 X光无损检测原理
X光在穿透物体过程中与物体相互作用，射线的强度会衰减，衰减公式如式(1)。式中I0为入射的射线强度，I为穿透物质后的射线强度，T为物质的厚度，u为射线衰减系数，即射线通过单位厚度物质时与物质相互作用的几率，与射线能量、物质原子序数、密度相关。因此，通过检测透射的X光的强度即可获得射线穿透的物质的厚度与原子序数等信息.
输送带检测仪的具体检测原理如图(1)所示。
入射光的强度为I0，经过橡胶与钢芯后出射光的强度分别为I1，I2。具体公式如式(2)，(3)所示。
式中u1表示橡胶的衰减系数，u2表示钢芯的衰减系数，T为输送带的厚度，T0为钢芯的厚度由式(2)，(3)可知，不同的出射光强度，通过输送带下的光电探测单元转化为电信号，经采集电路转化为数字信号，从而得到灰度值不同的图像，通过图像就可以判断钢芯的厚度与通断信息。不过，以上的情况并没有考虑X光的散射问题，事实上，由于存在瑞利效应X光会发生散射，散射射线参入成像即会导致图像对比度的降低，影响图像质[3]。因此，在X光无损检测系统中消除散射效应非常重要。
3 检测仪的系统设计
图2为本文研制的强力输送带无损检测仪的外观结构，其主要分为射线源、上准直器、下准直器、线阵探测器4个部分。输送带在上下准直器之间运行。射线源到输送带与射线源到探测器之间几何比例为1/1.5，可以使检测成像的横向分辨率提高1.5倍。
上下准直器由铅板制作，铅对X光的衰减率非常高，主要用于消除X光的散射对图像对比度的影响，X光与物质相互作用中由于瑞利效应产生的散射X光被准直器抑制，没有被探测器吸收，故对成像无影响。另外准直器也可以起到X射线的防护作用。
线阵探测器扫描速度快，适合应用于流水线检测，本文设计的检测仪采用线阵探测器。线阵探测器的设计如图3所示，它主要包含3部分，光电转换板(X-CARD)、数据采样板(A/D board)、数据处理与传输板(CU)。X-CARD主要用于将X光信号转变为电压信号，每个X-CARD有64pixel，多个X-CARD可以级联，构成任意长度的探测单元。
A/D board将电压信号转变为数字信号，包含4路A/D，同时对4路级联的X-CARD进行并行采样，这种硬件结构解决了数据的高速采样问题，可以提高系统成像的空间分辨率，并实现检测仪的实时在线监测。
CU用于实现数字信号的处理与传输，处理器为ARM+FPGA，FP-GA实现对4路A/D的控制以及信号的滤波、均一化校正等，ARM将处理完数据通过以太网传输到计算机进行图像显示。
4 检测仪像元处理算法
4.1 线阵探测器像元非均一性的数学表达与原因分析
在线阵探测器应用中，期望光辐照强度相同的情况下，各个像元的响应或者输出是一致的。但是实际上在同样强度的光的照射下，或者说探测器上方遮挡同样厚度同一种物体的情况下，探测器的各个像元的响应存在差异。这就是所谓的探测器的非均一性。
线阵探测器的像元响应可以由式(4)来表示，Yi表示第i个像元的输出，Φ表示照射到第i个像元的光的强度，Ri表示该像元对光的转换效率，Xi0表示该像元的本底噪声。
首先，线阵探测器每个像元的Xi0是不一样的，主要原因有两个，一是每个二极管的暗电流不同，二是每个二极管后面的运放电路存在差异。
其次，每个像元的Ri是不一样的，原因在于每个像元由于工艺而存在差异，如像元尺寸大小不一致、像元内部参数存在差异等，事实上每个像元的Ri本身也不是常数，是随着Φ的大小变化的。
最后，在X光光源发出同样强度的光的情况下，到达各个像元的光的强度也不一样，因为光源到各个像元的距离是不一致的。文献[4]对这个问题进行了细致的研究，结论为X光束流的强度按照X光的出射角度进行分布，即出射角度越小，光的强度越大，因此到达线阵探测器中间的像元的光强度要大于到达两边的光强度，这也是引起探测器非均一性的一个因素。
探测器的非均一性使检测得到的图像存在灰度不一的条纹，严重影响了图像的质量。非均一性校正的目的是让探测器在同样光强度辐照下各个像元的响应一致。
4.2 线阵探测器像元非均一性的校正算法
目前，国内外有很多文献对线阵探测器的像元非均一性的校正算法进行了研究。主要可以归结为两种算法。文献[5]介绍的算法为两点校正法，该方法是目前工业应用最广泛的一种校正方法。清华大学在研制集装箱检测系统中应用了线阵探测器，并提出一种一分段插值校正法[6]。分段插值校正法是两点法的细化与深入，具有更精确的校正效果。本文在分析了以上算法的基础上，同时考虑了本文设计系统的特性，提出了一种基于探测器响应曲线的三点分段校正法。该方法使分段插值校正法进一步细化并缩减了运算量。
4.2.1 两点校正算法
两点校正法的原理如下，对式(4)加入光强度角分布因素，则式(4)可以改写为式(5)。式中θ是像元与射线源的夹角，F(θ)是根据夹角计算出的系数。
两点校正法的前提是假设每个像元的Ri与F(θ)是一个常数。即每个像元的响应是一条直线，但各个像元响应直线的斜率与截距是不一样的，校正的方法是时应首先减掉每个像元响应本底噪声，使截距变为0，然后不同像元乘上不同校正系数，使像元响应的斜率一致。各个像元的校正系数计算公式如式(6)，校正后的输出如式(7)。
式(6)中Yh为探测器没有遮挡，开X光源情况下采集到的所有像元输出的均值，Yhi为第i个像元的输出值。Yl为关闭光源所有像元输出的平均值，Yl i为第i个像元的输出值。Ki为第i个像元的校正系数。式(7)为第i个像元校正后的输出。
具体校正过程可由图4表示，图4(a)中表示3个点的响应，横坐标为照射到探测器的光强度Φ(与探测器上方遮挡 物体的厚度d成线性比例关系)，纵坐标为探测器的输出。图4(b)表示去掉本底噪声之后的响应，图4(c)表示3个点的响应乘上各自校正系数后校正完成。
显然，两点校正法在探测器响应为线性的前提下，无论是由于像元的本身差异引起的图像不一致还是由于光的强度分布引起的图像不一致，都可以得到完全校正。但是探测器的响应一般呈非线性[7]，即式(4)中的Ri与F(θ)都不是一个常数。在考虑到探测器响应为非线性的情况下，提出了一种分段插值校正法。
4.2.2 分段插值校正算法
分段插值校正法是把非线性校正简化为分段线性的一种校正方法，式(8)为校正公式，式中Xi(Φ)，Xi(Φk)，Xi(Φk-1)表示第i个探测单元在光辐射强度为Φ，Φk，Φk-1情况下的输出，为所有探测单元在光辐照强度为Φk-1，Φk情况下输出平均值，也就是在这种情况下的校正输出值，Yi(Φ)为第i个探测单元校正后的输出。显然，公式(8)表示的意义是在求取了光辐照强度为Φk与Φk-1两种情况下第i个探测单元的输出值与校正后的输出值进行线性插值来求取光辐照强度在Φk与Φk-1之间的第i个探测单元的输出值。从本质来说，分段插值校正法其实就是分段两点校正法。
首先将探测器响应分为若干段，求出每段的两个端点的校正输出值，然后通过线性插值来求该线段内各种输出下的校正输出值。
校正的具体实现分为两步，一是定标，即求取校正公式(8)中的各个校正系数;二是校正，即运用公式(8)对每个像元输出值进行校正。
定标过程如下：假设将探测器响应分为n段，则需要制作厚度为d(1)，d(2)，d(3)直到d(n-1)的n-1块探测器遮挡板，在放置不同厚度遮挡板时使探测器受光的辐照强度不一样。放置厚度为d(k-1)的遮挡板，采集N次线阵探测器输出，将i个像元的输出求和后取均值就可以得到Xi(Φk-1)，将N次线阵探测器输出的所有像元的值求和后取均值，就可以得到同样方法可以计算Xi(Φk)，。
校正过程如下：探测像元输出值根据Xi(1)，Xi(Φk-1)，Xi(Φk)等值分为n段，在探测器正常工作时根据i个探测像元的输出值确定分布在哪一段，将该段校正系数代入式(8)对该像元输出值进行校正。
分段插值校正法考虑了探测器的响应非线性，校正精度较高。但是存在如下问题：一是分多少段合适，分段多，校正精细，运算量大;分段少，校正效果不好。二是如何选择分段点，是在光强度范围均分，还是其他分段方法。基于以上考虑，本文提出了基于响应曲线的三点分段校正法。
4.2.3 基于响应曲线的三点分段校正算法
研究表明探测器的响应一般呈S曲线[7]，如图5所示，即探测器的响应曲线可以分为3段，光强度比较弱或光强度比较强时，探测器响应接近饱和，探测器响应曲线的斜率较小;光强为中间值时，探测器响应基本为线性。基于以上研究，本文提出一种基于“S”型响应模型的三点分段校正法，即对探测器响应曲线分为三段进行逼近校正，具体的校正公式为式(8)。分段的位置为S曲线的两个拐点(图5中Φ1，Φ2两个点)，具体数值通过探测器响应曲线的标定实验来确定。校正过程同样分为两步，标定与校正。与分段插值校正法不同之处是本方法在标定过程中首先确定两个响应曲线的拐点。具体过程如下：将探测器的遮挡物的厚度逐步增加，使探测器接收到的光强逐步减弱，得到图5中的Φ值，同时对探测器所有像元的输出值进行均值计算，计算的值作为图5中的Y值，这样就可以得到探测器的响应曲线。根据曲线确定Y1，Y2的值，同时求取在Y1，Y2两种情况下每个像元的均值Xi(1)，Xi(2)，并由Xi(1)，Xi(2)来确定每个像元的分段点。其余的校正实现与分段插值校正法一样。这种校正算法按照探测器的响应将响应曲线分为三段，一是非常好地逼近了探测器的响应曲线，精度比较高;二是计算量也比较小，适合实时性要求比较高的工业现场应用。
4.3 基于响应曲线的三点分段校正算法的FP-GA实现
线阵探测器像元数据采集与处理的平台结构为ARM+FPGA，ARM采用三星公司ARM9系列的S3C2440A，FPGA采 用Xilinx公 司spar-tan3e系列FPGA。ARM与FPGA之间通过总线进行通信[8]，FPGA实现数据采集与校正，校正完成的数据存储到FPGA内部一块双口RAM里，ARM读取FPGA内部数据，通过网络传输给计算机，计算机通过软件将数据显示为图像。具体算法实现如图6所示，系统是四路A/D并行采样、处理，图6中画出了一路信号的采集与处理情况，其他三路算法的实现方式与此完全相同。首先是用一个状态机实现A/D的控制与数据的采样，ROM(1)内部存储各个像元的分段值，通过分支判断模块来判定本次采集的数据应该用哪一段的校正公式进行校正，减法器是实现式(8)中减去Xi(Φk-1)的运算，ROM(2)，ROM(3)，ROM(4)内部存储3个分段的乘法系数，即式(8)中的比值部分的数值，加法器是实现式(8)加Y(Φk-1)的运算，最后的数据写入双口RAM，由ARM通过总线读取。
5 实验测试与工业应用
5.1 实验测试及结论
检测仪的检测性能指标主要有三项，一是图像灰度对比度，二是图像空间分辨率，三是图像清晰度。
图像灰度对比度是指由于被测物体存在厚度差，使射线的衰减存在差异，进而使图像的灰度值产生差异。输送带内部钢芯由于长久使用造成的拉伸，钢芯变细的程度是检测仪检测的一个重要指标，良好的图像对比度可以分辨钢芯变细的具体程度。影响图像对比度的因素有两点，被测物体的射线衰减系数和射线散射。被测物体的射线衰减系数是固定的，因此射线散射成为影响图像对比度的主要因素，射线散射参入成像越少，图像对比度就会越高。本文设计的检测仪采用准直器消除散射影响，提高图像对比度。通过比较检测仪测量不同厚度的钢板得到的灰度值来检测系统图像对比度的优劣，测量结果如表1所示，可见，检测仪对被测物体的厚度比较灵敏，0.5mm厚差异的钢板，灰度值差约为13，因此系统的图像对比度效果达到了国家标准GB/T 9770-2001对输送带检测的要求。
空间分辨率反映了系统对被测物体缺陷的最小识别能力，空间分辨率与探测器像元的尺寸以及像元采集速度有关。本文采用的探测器像元尺寸为1.5mm×1.5mm。采用图2所示的结构设计，成像横向分辨率提高了1.5倍。采用图3所示硬件结构设计，成像的纵向分辨率在输送带3m/s运行状态下可以达到探测器固有分辨率的极限值1.5mm。因此系统成像空间分辨率为1.0mm×1.5mm。在对输送带实时在线监测情况下得到的图像分辨 率符合国 家标准GB/T 9770-2001中对输送带检测分辨率的要求。
射线成像系统的图像清晰度受很多因素影响[9-10]，但主要因素是像元非均一性的校正效果。考察非均一性的校正效果有两种方式，一是直观法，通过校正前与校正后图像的对比来检测校正的效果，图7(a)是未进行校正的图像，图7(b)是校正后的图像，通过对比可以看出，图像的非均匀性得到了较好的校正。二是通过对图像的标准差与非均匀度计算来定量的考察校正的效果，式(9)是计算图像标准差的公式，式中m，n为图像的行数与列数，x(i，j)为第i行j列的点的像素值，式(10)中珡X为图像所有点的灰度均值，式(11)为图像非均匀度的计算公式。图像的标准差与非均匀度是说明图像数据分散程度的一个数据，它越大说明图像灰度越不均匀。表3是对遮挡3种不同厚度的钢板采集到的数据进行计算得到的校正前后的图像的标准差与非均匀度，通过对比可以发现图像的非均匀性得到了有效校正，由未校正前的13%降到低于2.57%。在同样的测试条件下采用二点法得到的非均匀度约为6.3%。采用分段插值校正法，按照光照强度均分得到分段点，在分段高于7段的情况下，响应曲线拐点处的非均匀度与本文所用方法相当。分段低于7段情况下，拐点处的校正非均匀度高于3%，其他段校正效果基本相当。因此本文所用方法在缩减了一半以上运算量，节约一半以上内存的情况下可以达到与分段插值校正法同样的校正效果，有助于系统检测实时性的实现。
5.2 工业现场的实际应用
输送带无损检测仪后在山西、内蒙、辽宁等多个地区的煤矿进行了应用，工业现场的应用表明系统运行稳定、可靠;同时也证明检测仪可以对安全隐患进行预警。图8(a)是在山西某煤矿采集到的图像，输送带的运行速度为2.6m/s，宽度为1.2m。图像内部亮点处显示的是输送带内部数根钢芯由于划伤造成了断裂，输送带无损检测仪及时发现了问题，消除了潜在的安全隐患。图8(b)是内蒙某煤矿采集到的图像，输送带的速度为3m/s，宽度为1.6m。图像显示的是皮带钢芯接头部分，接头中间部分数根钢芯的搭接不合乎规范，钢芯没有交叉，强度不足，存在潜在风险。
6 结 论
本文研制了一种新型的输送带无损检测仪，使用准直器解决了X光无损检测的散射问题，多路并行数据采集硬件结构设计解决了数据高速采集问题。用提出的基于探测器响应模型的三点分段校正算法对图像进行了有效校正。结果表明，输送带无损检测仪可以对高速运行的输送带进行实时在线监测，监测结果准确、直观。工业现场应用也表明研制的检测仪具备对输送带安全隐患提前预警功能。
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作者简介：
荣 锋(1979-)，男，山东日照人，博士，讲师，主要研究方向为无损检测技术、嵌入式系统设计等。E-mail：Shus-hing 677@163.com
苗长云(1962-)，男，辽宁人，教授，博士生导师，主要研究方向为无损检测技术、现代通信网与现代通信技术的应用。E-mail：miaochangyun@tjpu.edu.cn.
徐 伟(1984-)，男，安徽芜湖人，硕士，讲师，主要研究方向为光电子技术、嵌 入 式 系 统 设 计。E-mail：xuwei@tjpu.edu，cn.
