劉 軍，嚴(yán)志剛，石 磊

(中廣核檢測(cè)技術(shù)有限公司，蘇州 215002)

穩(wěn)壓器又稱容積補(bǔ)償器，是壓水堆核電站的重要設(shè)備之一。在壓水堆核電站的運(yùn)行中，其作用是補(bǔ)償一回路冷卻水溫度變化引起的一回路水容積變化，同時(shí)調(diào)節(jié)一回路冷卻劑的工作壓力，防止一回路系統(tǒng)設(shè)備由于壓力過高而損壞或壓力過低造成堆內(nèi)冷卻劑產(chǎn)生容積沸騰而引起燃料棒過燒事故[1]。穩(wěn)壓器殼體材料為低合金鋼，內(nèi)表面堆焊6～8 mm(厚度)的不銹鋼堆焊層，用以保護(hù)殼體金屬不受硼酸溶液的腐蝕。在運(yùn)行過程中系統(tǒng)會(huì)受應(yīng)力、腐蝕、高溫作用，因此需按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)穩(wěn)壓器內(nèi)表面堆焊層進(jìn)行CCTV(閉路電視監(jiān)控系統(tǒng))檢測(cè)，檢測(cè)周期為每3年檢測(cè)一次[2]。

文章分析了華龍一號(hào)壓水堆核電機(jī)組穩(wěn)壓器內(nèi)表面堆焊層CCTV檢測(cè)過程中不同因素對(duì)檢測(cè)分辨率的影響，并提出改進(jìn)措施，增強(qiáng)缺陷典型特征及分辨率，從而提高缺陷檢出率。

1 穩(wěn)壓器內(nèi)表面堆焊層CCTV檢測(cè)過程

穩(wěn)壓器筒體內(nèi)表面堆焊層筒體CCTV檢測(cè)過程如下：① 按圖1所示的方式將設(shè)備從穩(wěn)壓器人孔裝入，攝像頭上下運(yùn)動(dòng)軸線位于穩(wěn)壓器筒體軸心，CCTV檢測(cè)攝像頭實(shí)物如圖2所示；② 通過扁平電纜將攝像頭放下至人孔口下方一定高度處，然后使用扁平電纜步進(jìn)回收攝像頭；③ 每回收一定高度后停止，攝像頭云臺(tái)旋轉(zhuǎn)360°，完成一周掃查；④ 鋼纜再次步進(jìn)一定高度，攝像頭回轉(zhuǎn)360°。

圖1 穩(wěn)壓器CCTV設(shè)備工作示意

圖2 穩(wěn)壓器CCTV檢測(cè)攝像頭實(shí)物

穩(wěn)壓器電加熱元件支撐板檢測(cè)過程為：攝像頭下放到一定高度后高度固定不變，攝像頭由0°步進(jìn)到90°(垂直角度步進(jìn))，每步進(jìn)一次，攝像頭旋轉(zhuǎn)360°(水平旋轉(zhuǎn))。

穩(wěn)壓器上封頭內(nèi)表面CCTV堆焊層檢測(cè)過程為：攝像頭回收到一定高度后高度固定不變，攝像頭由90°步進(jìn)到180°，每步進(jìn)一次，攝像頭旋轉(zhuǎn)360°。

2 檢測(cè)分辨率影響因素

2.1 攝像頭分辨率和放大率

穩(wěn)壓器內(nèi)表面堆焊層CCTV檢測(cè)系統(tǒng)中，攝像頭負(fù)責(zé)采集視頻信號(hào)，通過電纜將SDI(串行數(shù)據(jù))信號(hào)傳輸至控制箱，控制箱將電信號(hào)變?yōu)楣庑盘?hào)，再通過光纖將信號(hào)送至核島外光端機(jī)，然后通過字符疊加器疊加上字符后分為兩路，一路送至顯示器顯示，供檢驗(yàn)人員觀察；另外一路送至電腦采集存儲(chǔ)，以供后續(xù)對(duì)比分析。其中攝像頭、顯示器、人眼組成一套檢測(cè)系統(tǒng)。CCTV視頻檢測(cè)系統(tǒng)傳輸流程如圖3所示。

圖3 CCTV視頻檢測(cè)系統(tǒng)傳輸流程

攝像頭、監(jiān)視器的分辨率或者人眼狀態(tài)都會(huì)對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果有重大影響。視頻信號(hào)的主要影響因素為攝像頭與監(jiān)視器，攝像頭分辨率與監(jiān)視器的分辨率對(duì)于整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)起決定性作用。一個(gè)高分辨率的攝像頭匹配一個(gè)低分辨率的監(jiān)視器會(huì)使圖像變得模糊；同樣，一個(gè)低分辨率的攝像頭匹配一個(gè)高分辨率的監(jiān)視器也會(huì)使分辨率達(dá)不到要求。

缺陷檢測(cè)中的一個(gè)重要參數(shù)是攝像機(jī)芯片上每個(gè)光敏單元的成像尺寸。該參數(shù)受兩個(gè)影響因素——攝像機(jī)的分辨率和放大率。一個(gè)分辨率為640×480(長(zhǎng)×寬)的攝像機(jī)聚焦100 mm×75 mm(長(zhǎng)×寬)的區(qū)域，平均像素尺寸為156 μm。假設(shè)該區(qū)域內(nèi)有一寬度為100 μm的裂紋，裂紋的寬度小于平均像素尺寸，裂紋的寬度至少需要用1個(gè)像素點(diǎn)來顯示，這時(shí)裂紋與周圍背景在圖像中就會(huì)被平均，大大削弱裂紋圖像的清晰度與對(duì)比度。由于線性顯示的寬度明顯小于像素尺寸，線性顯示的像素紋理與形成的低對(duì)比度圖像如圖4所示。

圖4 線性顯示的像素紋理與形成的低對(duì)比度圖像

如果采用分辨率為1 920×1 080(長(zhǎng)×寬)的攝像機(jī)聚焦100 mm×75 mm(長(zhǎng)×寬)的區(qū)域，則平均像素尺寸為52 μm。那么，寬度為100 μm的裂紋需要用2個(gè)像素點(diǎn)顯示，對(duì)比度就可以大大提高，得到清晰的圖像。所以可通過使用更高分辨率的攝像機(jī)來改善分辨率。

但是采用過大的放大率也會(huì)帶來很多限制，首先，高放大率下不能長(zhǎng)距離進(jìn)行檢測(cè)。如果想分辨10 μm以下的裂紋，采用1 920×1 080標(biāo)準(zhǔn)攝像機(jī)，就必須聚焦10 mm×6 mm的區(qū)域，這在實(shí)際操作上是不可能的。其次，在較高分辨率下進(jìn)行檢測(cè)，是無法了解周圍環(huán)境圖像的，而在圖像內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間無法看到參照物，檢測(cè)員則無法判斷組件的位置。最后高分辨率會(huì)使特定裂紋的分支和彎曲無法呈現(xiàn)在屏幕上，從而減少裂紋的檢測(cè)性。

筆者分別采用兩種分辨率不同的攝像頭觀察同一對(duì)象(18%灰度卡)，采集的圖像如圖5，6所示，攝像頭參數(shù)如表1所示。從實(shí)際的成像效果來看，高分辨率攝像頭采集的圖像遠(yuǎn)比低分辨率攝像頭采集的圖像要清晰。

圖5 210萬像素?cái)z像頭采集的圖像

圖6 44萬像素?cái)z像頭采集的圖像

表1 攝像頭參數(shù)比較

2.2 照明類型

照明條件對(duì)于CCTV檢測(cè)有很大的影響，良好的照明可以極大地提高CCTV檢測(cè)的分辨能力，但是當(dāng)被檢表面為鏡面反射時(shí)，圖像中會(huì)產(chǎn)生耀斑，從而導(dǎo)致設(shè)備分辨能力大大降低，進(jìn)而產(chǎn)生漏檢。

而穩(wěn)壓器內(nèi)部堆焊層為不銹鋼材料，照明通常會(huì)在受檢表面產(chǎn)生鏡面反射，形成耀斑。遇到這種情況，可以通過調(diào)整照明亮度、采用多角度檢測(cè)等措施來降低表面耀斑的影響。

分別采用三種照明類型(聚光燈，散射環(huán)形燈和散射同軸燈)，使用130萬像素?cái)z像機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，得到的高反光表面裂紋在不同照明條件下的檢測(cè)結(jié)果如圖7所示。

圖7 高反光表面裂紋在不同照明條件下的檢測(cè)結(jié)果

結(jié)果顯示，漫射同軸光是裂紋檢測(cè)的最佳照明方式。聚光燈和漫射環(huán)形燈相似，環(huán)形燈在某些方面更好。當(dāng)聚光燈的照明角度平行于裂紋時(shí)，效果比環(huán)形燈的效果要好。但當(dāng)聚光燈的照明角度垂直于裂紋，照明結(jié)果基本是無效的。

2.3 被檢對(duì)象

被檢對(duì)象的各種固有特性對(duì)于缺陷檢測(cè)的影響是至關(guān)重要。缺陷尺寸的大小直接決定了缺陷能否被檢出，表面狀況和表面耀斑則會(huì)影響缺陷檢測(cè)的難易程度。

在檢測(cè)設(shè)備一定的情況下，隨著缺陷長(zhǎng)度的增加，檢驗(yàn)人員有更大的長(zhǎng)度去識(shí)別缺陷。但是，缺陷與背景之間的對(duì)比度不會(huì)隨長(zhǎng)度的增加而提高。

隨著缺陷寬度的增加，缺陷與背景之間的對(duì)比度增加；缺陷的形狀會(huì)隨缺陷寬度的增加而更容易識(shí)別；缺陷寬度較大時(shí)，就不會(huì)將其誤認(rèn)為機(jī)加工痕跡等無害特征。

18%灰度卡檢測(cè)圖像如圖8所示，使用分辨率為1 920×1 080的攝像機(jī)對(duì)一張長(zhǎng)約200 mm，寬約160 mm的灰度卡進(jìn)行攝像，灰卡上刻有寬度分別為15，20，25 μm的人工黑線，攝像機(jī)對(duì)于寬度大于100 μm的線可以清晰的辨識(shí)。對(duì)于15 μm的黑線則辨識(shí)難度大增，表明裂紋檢出率大大降低。

圖8 18%灰度卡檢測(cè)圖像

2.4 表面狀況

被檢對(duì)象的表面狀況對(duì)缺陷檢測(cè)有很大影響。一個(gè)表面狀況良好的部件，可以檢出微小的裂紋。然而，一個(gè)機(jī)加工痕跡明顯的表面會(huì)使微小缺陷的檢測(cè)變得異常困難。在役檢測(cè)中，硼結(jié)晶與水跡等常見表面狀況會(huì)使檢測(cè)變得更加復(fù)雜，甚至?xí)谏w部分缺陷。

2.5 掃查速度

使用變焦攝像機(jī)在10～30 mm·s-1的速度范圍內(nèi)對(duì)一試樣裂紋(寬約110 μm，長(zhǎng)約24 mm)進(jìn)行記錄攝像，并評(píng)價(jià)得到的圖像。該裂紋在3種速度下得到的掃查圖像如圖9所示，掃查速度較低時(shí)幾乎不會(huì)引起圖像的變形，但當(dāng)以30 mm·s-1的速度掃查時(shí)，圖像就會(huì)變得模糊不清，導(dǎo)致試樣上裂紋幾乎不可見。

圖9 裂紋在3種掃查速度下得到的圖像

可見，較低的掃查速度(低于20 mm·s-1)只會(huì)輕微降低圖像質(zhì)量，所以在這個(gè)速度下掃查不會(huì)對(duì)檢測(cè)有害。然而，以大于70 mm·s-1的速度掃查就會(huì)大大降低圖像質(zhì)量。

3 圖像處理

上述影響因素的存在，極易導(dǎo)致獲取的缺陷圖像伴有噪聲，因此需采用有效的圖像增強(qiáng)處理措施。圖像增強(qiáng)的核心思想是將圖像中有處理價(jià)值的部分進(jìn)行表征化突出，從而衰減不具備處理價(jià)值的部分。常用的圖像增強(qiáng)方法為空域法和頻域法[3]。空域法和頻域法可以對(duì)圖像信息進(jìn)行過濾，以突出有效信息，并且可以去除無效信息，利于提升缺陷圖像的可讀性。

由于攝像頭拍攝的圖像為24位或36位彩色圖像，因此需要進(jìn)行圖像灰度化處理。通過圖像灰度化處理，可以有效增強(qiáng)輪廓在辨識(shí)圖上的有效信息強(qiáng)度，加快接口數(shù)據(jù)傳輸校驗(yàn)效率，提升計(jì)算機(jī)圖像處理速度。灰度圖像的每個(gè)像素只有一個(gè)采樣顏色，并且其亮度用灰度值來表示。

邊緣檢測(cè)可采用圖像二值化方法，將目標(biāo)輪廓和背景圖像分隔開后，可以獲得其二值化圖像f(x，y)，即

(1)

式中：T為圖像的全局閾值;G(x,y)為圖像算法中的算子，用來調(diào)節(jié)二值圖像的數(shù)據(jù)結(jié)果。

圖像細(xì)化指二值圖像的骨架化，即通過一層層地剝離，從原圖像輪廓邊緣中去掉一些點(diǎn)，提取出形狀和結(jié)構(gòu)特征與原圖形一致、寬度為一個(gè)像素的輪廓骨架。圖像細(xì)化算法能提取缺陷圖像特征，同時(shí)不會(huì)破壞圖形的連通性，有助于圖像的后續(xù)處理。

由于測(cè)試環(huán)境具有電磁干擾復(fù)雜情況，CCTV采集到的原始圖像、傳輸過程中的電磁信號(hào)均會(huì)受到該環(huán)境的影響，使得地面接收到的圖像具有噪聲，進(jìn)而影響圖像識(shí)別的精確度。對(duì)于圖像中的孤立點(diǎn)、線的噪聲和脈沖噪聲，可采用中值濾波的方法進(jìn)行消除。同時(shí)，利用中值濾波算法還可以對(duì)圖像進(jìn)行局部增強(qiáng)。采用引入擾動(dòng)因子去關(guān)聯(lián)光照區(qū)間段的方法進(jìn)行全局閾值的定義，對(duì)灰度空間進(jìn)行最優(yōu)閾值雙向檢測(cè)，結(jié)合邊緣檢測(cè)技術(shù)對(duì)穩(wěn)壓管內(nèi)表面層的圖像進(jìn)行提取，可以有效解決傳統(tǒng)圖像增強(qiáng)效果中存在的噪點(diǎn)過多等問題。

利用上述方法對(duì)某次試驗(yàn)的圖像進(jìn)行處理，處理結(jié)果如圖10所示。

圖10 某次試驗(yàn)的圖像處理結(jié)果

4 結(jié)語

(1) 提高穩(wěn)壓器內(nèi)表面CCTV設(shè)備攝像頭與監(jiān)視器的分辨率，可以提高整個(gè)CCTV檢驗(yàn)系統(tǒng)的分辨率。提高放大率也可以提高裂紋的檢出率，但是視頻采用太大的放大率會(huì)失去背景對(duì)比度，反而降低攝像頭對(duì)裂紋的檢出率，并且太大的放大率會(huì)大大降低檢驗(yàn)效率，使檢驗(yàn)時(shí)間變得不可接受。

(2) 漫射光有助于提高裂紋和金屬表面的對(duì)比度，漫射同軸光是裂紋檢測(cè)最好的照明方式。改善光源的類型與攝像頭的角度，有利于缺陷的檢出。

(3) 當(dāng)缺陷尺寸不至于過小，表面狀況良好，采用充足的照明和足夠慢的掃查速度時(shí)，分辨率為1 920×1 080的攝像機(jī)可以可靠地發(fā)現(xiàn)尺寸大于100 μm的缺陷顯示。但對(duì)于寬度小于15 μm的裂紋，檢出率大大降低。

(4) 改善補(bǔ)檢對(duì)象表面狀況，能提高裂紋檢出率。

(5) 穩(wěn)壓器CCTV檢驗(yàn)系統(tǒng)攝像機(jī)的掃查速度對(duì)攝像機(jī)的分辨率影響很大。低速掃查時(shí)，攝像機(jī)的分辨率幾乎沒有損失，但是高速掃查時(shí)，圖像質(zhì)量嚴(yán)重降低，檢出率急劇下降。

(6) 采用有效的圖像處理措施，可增強(qiáng)缺陷典型特征及分辨率，從而提高缺陷檢出率。