CN103364421A - 用于检测物品内瑕疵的x射线反向散射系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于检测物品内瑕疵的方法。该方法包含：沿至少一个维度将能量波导向至物品处，其中能量波的一部分从物品反射回来；沿至少一个维度检测从物品反射的能量波，并且记录所检测的反射能量波的强度；以及根据所检测的反射能量波形成物品的一维图像。

Description

用于检测物品内瑕疵的X射线反向散射系统和方法

背景技术

在制造或改造过程中，外物通常被引入商用和军用飞行器内。一旦制造或改造完成，物品可能被不经意地留在飞行器的内部，物品例如为工具、紧固件、钻屑、制造材料、个人物品和碎片。

例如，在制造过程中当共同钻孔飞行器蒙皮及它们的配合支撑结构时，产生钻屑形式的外物。由于来自钻孔操作的力以及由于碎片掉落到地面的趋势，钻屑可能落入蒙皮和支撑结构之间的缝隙中。通常期望将紧固件安装到新钻的孔中，而部件仍然在钻机中被保持在一起。由于零散钻屑的潜在存在，紧固件不能被安装，直至执行检查以确保没有外物碎片(FOD)出现在蒙皮和支撑结构之间的界面中。

而且，在许多航天结构的蒙皮安装操作过程中，临时紧固件通常被用于在紧固件安装期间将蒙皮保持到下面的肋。如果该操作被错误地执行，则下面的结构和蒙皮中的孔是不对齐的，导致钻孔或扩孔，这随后引起孔的尺寸过大。尺寸过大的孔降低被紧固的结构的预期性能，并且甚至可能产生使用损害的加速。这个不幸的机会可能同样存在于飞行器的原始维修过程中。

FOD在飞行器中的存在是不期望的。

在制造过程中，结构可能必须被拆卸并且执行耗时的外观检验，以便观察是否存在任何FOD，并且通常没有发现FOD或者仅仅在非常有限区域中发现FOD。

根据当代实践，例如，如在美国专利No.7,463,714中提出的，技术人员可以通过二维(2D)和/或三维(3D)X射线反向散射系统检查飞行器的工作区域。然而，这些系统是昂贵的，并且通常产生大量的数据需要处理，以便识别飞行器中的FOD或其它瑕疵。

因此，期望有一种用于识别飞行器中的FOD或其它瑕疵的系统，该系统不像目前的二维(2D)和/或三维(3D)X射线反向散射系统那样昂贵，和/或比目前的二维(2D)和/或三维(3D)X射线反向散射系统更快地产生数据。

发明内容

在一方面，提供一种用于检测物品内瑕疵的方法。该方法包含：沿至少一个维度将能量波导向/直射(directing)至物品处，其中一部分能量波从物品反射回来；沿至少一个维度检测从物品反射的能量波并且记录所检测的反射能量波的强度；以及根据所检测的反射能量波形成物品的一维图像。此外，这种方法可以有利地包含为应力波的能量波。根据进一步的方面，存在一种方法，其中物品包含飞行器壁板、壁板背面的钻屑，并且至少一部分能量波穿透壁板。还根据进一步的方面，存在一种方法，其中物品选自由飞行器、汽车、船、潜水艇、卫星、空间飞行器、建筑物、桥梁、管道组成的组。

在另一方面，提供一种用于检测物品内瑕疵的系统。该系统包含：用于在物品处发射能量波的发射器，其中发射的能量波的一部分从物品反射回来作为反射能量波；用于检测从物品反射的能量波的检测器；以及用于根据所检测的反射能量波形成物品的一维图像的成像器。

在进一步的方面，提供一种用于检测物品内瑕疵的系统。该系统包含：X射线发射器，其用于在物品处发射X射线，其中发射的X射线的一部分从物品反射回来；一维反向散射X射线检测器，其用于沿一个维度检测从物品反射回来的X射线；以及图像处理器，其用于根据所检测的从物品反向散射的X射线产生一维图像。有利地，系统可以进一步包含用于比较由图像处理器生成的一维图像与参考图像的比较器，以便确定物品中是否存在任何瑕疵。

附图说明

参考以下的附图和说明可以更好地理解本发明。附图中的部件不必按比例，而重点在于图示说明本发明的原理。

图1图示说明了示出示例瑕疵检测器的方框图；

图2示出了更详细地图示说明图1中的比较器的方框图；

图3示出了图示说明包含瑕疵说明和检测的示例生产流程的流程图；

图4图示说明了飞行器蒙皮背面瑕疵的示例检测。

具体实施方式

此处公开提供通过一维成像的物品内瑕疵检测的方法和系统，所述物品例如为飞行器、汽车、船、潜水艇、卫星、空间飞行器、建筑物、桥梁和管道。一方面，提供了一种用于检测物品内瑕疵的方法。例如电磁波或应力波的能量波沿至少一个维度被导向在物品处。从物品反射回来的能量波沿至少一个维度被检测。根据此处所预期的，术语“反射能量波”还意味着包含来自物品表面以下的能量波，例如反向散射的X射线。此外，或可替换地，透过物品传播的能量波可以被检测，例如当进入物品的一侧时，面向能量波源的相反侧是可使用的。

检测的波强度而后被用于形成物品的一维(1D)图像，其建立了沿维度上的点和在每一个点检测的能量波强度之间的对应。例如，物品的一维图像可以是所检测的波强度图，并且波强度可以针对沿物品被扫描的轴上的位置绘制。此处公开的方法和系统需要更简单的硬件，并且产生比先前使用的二维和三维方法更快的数据收集速度。

在一些情况下，在其它线性检测的波强度图中，瑕疵可以容易地被识别为峰值或波谷。在这种情况下，图的基准线本身作为参考用于识别瑕疵。在其它情况下，参考图像，例如参考图，可辅助瑕疵的检测。参考图可以是通过在物品经历改造程序之前扫描物品得到的图。在一些情况下，参考图是没有瑕疵的物品的基于模型预测的图，其中模型可以是例如计算机辅助设计(CAD)模型。在扫描之前，一个或更多的基准点还可以被附加到物品，以便于相对于参考图记录图。以此方式，图像的处理可以更容易地促进。

一旦图被记录，物品图和参考图像可以被比较以便找出瑕疵。比较可以包含，例如，图的视觉比较。为了更容易地确定图之间的差别，图像相减可以被应用，其中参考图的每个点的强度从物品经历改造过程后得到的图的对应点的强度被减去，由此产生减去的图。

物品图和/或参考图可以在将一个与另一个比较之前被处理。处理可以使得物品图和参考图彼此更相似，同时保存关于任何瑕疵存在的信息。例如，这种处理可以包含缩放图和/或参考图。

物品图或减去的图的部分可以与其他图和/或已知的瑕疵特征进行比较或检查。这些图和特征可以被存储在数据库中。以此方式，瑕疵特性可以被更容易地确定。例如，已知FOD的特征可以与怀疑由于FOD导致的反射波强度的增加进行比较。这可以被应用于其它类型的瑕疵；例如，对图的负贡献可以与由于已知几何形状和/或尺寸的裂缝和/或缝隙引起的所检测的反射波的减少进行比较。

导向在物品处的能量波的选择可以不同，除其他因素外，这将依赖于它包含的物品和材料的性质以及所检测的瑕疵类型。示例能量波包含电磁波以及机械波，电磁波例如为红外(IR)线、可见射线、紫外线、X射线和伽马射线，机械波例如为应力波，例如音速波和超音速波。在一些情况下，被导向在物品处的能量波能穿透物品的至少一层。例如，当在铆接飞行器壁板之前搜索钻孔碎片时，能够穿透壁板的能量波可被使用。这样，波能到达插入壁板后面的物体并且从该物体反射，该物体例如为钻孔碎片。

穿透物品的至少一个外层可被实现，例如，通过将X射线导向在物品处。X射线检测器，例如大面积检测器，被用于检测从物品反射的X射线，例如通过康普顿散射。如果物体插入在外层和物品的其他部分之间，该其他部分例如为第二层、内部层或底层，这将导致由于物体的存在引起的额外的X射线反向散射，并且因此导致由检测器检测的X射线的强度的增加。

作为一个示例，例如由配有矩形发射狭缝的X射线管发射的X射线扇形束可以以狭窄的束宽度在平行于管道长度的方向上被导向在油管上。被由波束投射的部分管道反向散射的X射线可以用大面积检测器检测，其产生所检测的反向散射的X射线强度读数。因此，反向散射的X射线的增加将引起检测器的更高读数，并且反之亦然。

沿管道长度的多个读数可以例如通过扫描包含沿管道长度的X射线发射器和检测器的系统产生。因此可以得到针对管道的期望部分的所检测的反向散射的X射线强度图。然后，图中强度的变化可以是足以改变反向散射的X射线的强度的腐蚀量的诊断。并不是由于瑕疵而是由于管道的已知特征，由于管道中已知的变化而期望发生的图中的变化可能被忽略，该管道中已知的变化例如为连接处的厚度的变化。

在另一个示例中，X射线束和检测器可以被用于检测在物品制造和维修过程中可能发生的瑕疵。在飞行器制造中，例如，典型的瑕疵包含例如钻屑的外物碎片(FOD)、尺寸过大的孔、损坏的翼梁、损坏的肋腐蚀、裂缝、缝隙和变形。如上所述，该方法可以被应用于检测钻屑是否被遗留在飞行器外壳内。例如，如图4所示，包含X射线管402和检测器404的一维X射线扫描器组件400可以沿箭头406所示的方向被扫描。X射线扇形束408穿透飞行器410的蒙皮，并且反向散射的X射线波的强度通过检测器404测量，从而产生图412。瑕疵的存在，例如插入在蒙皮410和内部结构416之间的钻屑414，将作为尖峰出现在所检测的反向散射的X射线强度中。

另一方面，提供一种用于检测物品内瑕疵的系统。该系统包含：用于在物品处发射能量波的发射器；用于检测从物品反射的能量波的检测器；以及用于根据所检测的反射能量波形成物品的一维图像的成像器。该系统还可以比较器为特征，该比较器用于比较物品的一维图像与参考图像以便于确定可能存在于物品内的任何瑕疵。

例如，发射器可以被配置为发射电磁波以及机械波，电磁波例如为红外(IR)线、可见射线、紫外线、X射线和伽马射线，机械波例如为应力波。检测器通常被配置为检测与发射器产生的波的能量幅值相同的波。因此，如果发射器发射X射线，X射线检测器可以用于检测从物品反向散射的X射线。然而，应了解的是反向散线的X射线的频率不需要与发射器产生的那些非常相同，并且与能量波的反射相关的频率的变化是预期的，并且若需要，可被考虑在内。

成像器可以被配置为形成一维图像，例如，所检测的波强度图。例如，成像器可以得到一维X射线反向散射扫描器的输出，并且产生所检测的反向散射的X射线强度图。在这种情况下，发射器可以发射X射线扇形束，并且检测器可以是一维X射线反向散射扫描器。发射器和检测器可以是扫描器组件的一部分，当扫描要被扫描的区域时，扫描器组件一起被移动，其中扫描器组件的运动可以例如通过专用的栏杆辅助。成像器可以包含计算机可读存储介质以及处理器，该计算机可读存储介质被存储在系统内，该处理器可操作以从计算机可读存储介质访问程序指令，该程序指令可由处理器执行以根据检测器的输出形成图像。

比较器可以被配置为比较在改造程序之前得到的扫描区域的所检测的反向散射X射线强度图与在该程序之后得到的图之间的差别。比较可以被配置为比较经过强度相减的图，因此产生减法图。以此方式，由于可疑的瑕疵产生的贡献可以作为反向散射的X射线强度的增加或减少出现在减法图上。比较器可以包含计算机可读存储介质以及处理器，该计算机可读存储介质被存储在系统内，该处理器可操作以从计算机可读存储介质访问可由处理器执行以比较图像的程序指令。

为了帮助识别可疑的瑕疵，部分图像可以与其他图像和/或瑕疵的已知特征进行比较或核查。为此，系统可以配备有已知瑕疵的数据库。例如，对图像的负贡献可以与由于尺寸过大的孔、已知几何形状和/或尺寸的裂缝和/或缝隙引起的所检测的反射波的减少相比较。

示例

图1图示说明了示例瑕疵检测系统的流程图。例如飞行器100的物体可以装配一个或多个基准点101。通常，多个基准点101将被附接到飞行器100。例如，基准点101被临时或永久地附接到飞行器100。他们可以在飞行器100的内部、外部或内部和外部的任意组合。基准点101可以以促进飞行器100的X射线反向散射图像或至少其一部分的增强对齐的方式被定位。

基准点101可以以确保基准点101在经过飞行器100改造后保持原来位置的方式被附接到飞行器100。例如，基准点101可以通过粘合剂被附接到飞行器100，例如通过超效黏合剂、牙科粘固粉或环氧树脂。作为进一步的示例，基准点101可以通过紧固件被附接到飞行器100，紧固件例如为螺栓或螺钉。

基准点101便于用于检测FOD和其他瑕疵的存在的图像的对齐，如在下面详细讨论。基准点101的使用是可选的。用于对齐图像的其他装置可以可替换地使用。例如，对齐可以基于翼梁和肋的已知位置。可替换地，编码方案可被使用，其中线性运动装置被编码使得成像序列可以被重复。这可以通过例如线性轨道或通过允许用于重复扫描的额外自由度的机器人来实施。

一维X射线反向散射设备102可以被用于形成图像，例如所检测的反向散射X射线强度图，其可用于确定在改造之后飞行器100中FOD的潜在存在。示例一维X射线反向散射装置可以包含：发射X射线扇形束的X射线发射器，例如具有矩形狭缝的X射线管；以及大面积检测器，其用于检测反向散射的X射线的强度。

为了便于确定瑕疵，在飞行器100的改造之后得到的图像可以与在改造之前得到的图像相比较，例如通过将两幅图像显示在显示器105上。可选地，在飞行器100的改造之后得到的图通过比较器103与在飞行器100的改造之前得到的图相比较，例如通过强度相减。在这种情况下，在飞行器100的改造之前得到的所检测的反向散射X射线强度图的每一个点的强度可以从在飞行器100的改造之后得到的图的相应点的强度减去，以提供减法图像。减法图像因此可以是包含两幅图间的差别的减法图。这些差别可以是由于飞行器100中瑕疵的存在，例如FOD。

可选地，包含已知(之前被识别和特征化)的瑕疵的特征的数据库104可以被用于试图识别减法图像中的任何潜在瑕疵。例如，减法图像中潜在FOD的响应可以与数据库104中已知的FOD的响应相比较，以试图确定潜在的FOD是否确实是FOD。与物体相关的减法图上的响应可以取决于这些几何形状特征，其可以包含尺寸(例如最大尺寸)、形状、体积、主要尺寸、尺寸比例和/或特殊结构的存在。

减法图像和由减法图像(其可以是图形或文本的格式)提供的表示其的信息，和/或由使用数据库104引起的信息，也可以被显示在显示器105上。例如，结果可以指示怀疑的钻屑可能出现在结构中。如以上所讨论的，这些FOD存在可能呈现实质的危害。

图2更详细地示出了比较器103。比较器103可以包含处理器201、位置松弛器(position relaxer)202、减法器203和/或瑕疵比较器204。处理器201、位置松弛器202、减法器203和/或瑕疵比较器204可以在硬件中(例如经由专用电路)或软件(例如经由一般用途的微处理器)中、或硬件和软件的任何组合中被实施。

处理器201可以执行处理任务，例如缩放X射线强度图。位置松弛器202可以在某种程度上改变在改造前得到的图像和/或在改造后得到的图像的特征的尺寸、形状和/或位置，以便更好地便于通过比较器103匹配这些图像。以此方式，两幅图像之间的微小差别不可能引起对减法图像的贡献。这些微小差别可以产生于热膨胀、机械应力和/或非刚性部件(电缆、线路、管件等等)的移动。因此，位置松弛器202的使用更可能地使得出现在减法图像中的物品将是有瑕疵的，并且因此可以减少误报/假阳性(false positive)的发生。

如上所述，减法器203执行图像减法以提供减法图像。例如，当图像是所检测的波强度图时，图之一的每个点的强度从其他图的对应点的强度减去。然而，位置松弛器202的使用可以造成点的强度反而从其它通常附近的点的强度减去。在任何情况下，位置松弛器202试图引起一个图像中的结构从另一个图像中的相同结构减去，即使该结构在每一个图中没有用相同的点表示。

瑕疵比较器204比较在减法图像中发现的物品的特征与使用数据库104已知的瑕疵的特征。例如，尺寸过大的孔、裂缝或其它结构缺陷可以在这个比较过程中被给于优先级。

图3示出了示例流程图。基准点可以在扫描之前被附接到飞行器100。而后，飞行器可以通过一维X射线反向散射扫描器扫描，如方框301所指示。在这次初始扫描后，飞行器可以被改造，如方框302所示。而后，例如使用用于初始扫描的相同的设备和程序，飞行器再次被扫描，如方框303所指示。

由两次扫描产生的两个X射线强度图可以被比较，如方框304所指示，例如通过相减来比较。在一些情况下，多于一个的初始图和多于一个的最终图可能是必要的，取决于被改造的区域的尺寸和受到每次扫描的区域的尺寸。

如以上所讨论的，位置松弛可以用来更好地便于这种比较。如方框305所示，第一个和第二个图之间的差别可以与数据库中的那些比较，以确定这些差别是否是由于瑕疵(相对于期望的飞行器结构)造成的。如方框306所示，比较的结果被显示或者要不然被传送，使得用户可以核查飞行器以核实根据此过程发现的瑕疵的存在，并且之后可以移除或修理瑕疵。

提供摘要以允许读者快速地确定本技术公开的性质。提交其，并理解其不用于解释或限制权力要求书的范围或含义。此外，在前述具体实施方式中，可以看出，出于简化本公开的目的，不同的特征在不同的实施例中被组合在一起。本公开的方法不应被理解为反映要求保护的实施例需要比每个权利要求中明确地详述的更多的特征的意图。相反，如所附权利要求所反映的，发明的主题在于比单个公开的实施例的所有特征更少。因此，所附权利要求因此被包含在具体实施方式中，每个权利要求作为独立要求保护的主题而独立存在。

尽管已经描述了本发明的不同实施例，对于本领域的技术人员显而易见的是在本发明范围内的其它实施例和实施方式是可能的。因此，本发明应仅根据所附权利要求及其等同物被限定。

Claims (15)

1.一种用于检测物品内瑕疵的方法，其包括：

沿至少一个维度将能量波导向至所述物品处，其中所述能量波的一部分从所述物品被反射回来；

沿至少一个维度检测从所述物品反射的能量波，并且记录所检测的反射能量波的强度；以及

根据所检测的反射能量波形成所述物品的一维图像。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述一维图像是所检测的波强度图。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述能量波是电磁波。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述能量波是X射线。

5.根据权利要求4所述的方法，其中反射的X射线通过一维反向散射X射线扫描器检测。

6.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括比较所述物品的所述一维图像与参考图像，以便确定任何瑕疵是否存在于所述物品内。

7.根据权利要求6所述的方法，其中比较包括从所述一维图像减去所述参考图像，以形成减去的图像。

8.根据权利要求6所述的方法，其中所述参考图像是没有瑕疵的物品的一维图像的基于模型的预测。

9.根据权利要求6所述的方法，其中所述物品已经经历改造，所述参考图像在所述改造前得到，而所述一维图像在所述改造后得到。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述瑕疵选自由外物碎片、腐蚀、裂缝、缝隙、变形、尺寸过大的孔和其组合组成的组。

11.一种用于检测物品内瑕疵的系统，所述系统包括：

发射器，其用于在所述物品处发射能量波，其中发射的能量波的一部分从物品被反射回来作为反射的能量波；

检测器，其用于检测从所述物品反射的能量波；

成像器，其用于根据所检测的反射能量波形成所述物品的一维图像。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述成像器被配置为形成所检测的波强度图。

13.根据权利要求11所述的系统，其进一步包括比较器，所述比较器用于比较所述物品的所述一维图像与参考图像，以便确定任何瑕疵是否存在于所述物品中。

14.根据权利要求11所述的系统，其进一步包括瑕疵的已知特征的数据库。

15.根据权利要求11所述的系统，其中所述发射器发射电磁波。

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