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源平移扫描局部CT成像及其检测在役高压电缆.docx
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源平移扫描局部CT成像及其检测在役高压电缆.docx
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摘要
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,提出一种源直线扫描局部计
算机断层成像(L-STCT)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。建立 L-STCT 成像模型,分析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,搭建实验平台,采用同步迭代重建(SIRT)算法重建
CT 图像。仿真和实验结果表明,L-STCT 能实现高压电缆阻水缓冲层的局部缺陷检测,对
在役高压电缆检测的实际应用具有重要参考价值。
Abstract
In terms of the problem that ablation defects in the buffer layer of in-service high-voltage
cables mostly appear at the bottom of the cable, a local source-translation computed
tomography (L-STCT) method is proposed to detect defects in the water-blocking buffer
layer at the bottom of in-service high-voltage cables. During the operation of L-STCT, the
flat panel detector is placed close to the tested cable, estimated defect approximately
exists at the maximum projection coverage angle, and projection data is collected by X-
ray STCT. This paper establishes an L-STCT imaging model, analyzes scanning
parameters and the maximum projection coverage angle of each data point of the
scanning system, and studies their influence on image reconstruction. In addition, an
experimental platform is set up to carry out a preliminary study on image reconstruction
by the simultaneous iterative reconstruction technique (SIRT) algorithm. The simulation
and actually experimental results show that L-STCT can detect local defects in the water-
blocking buffer layer of high-voltage cables, which provides an important reference for
the application of in-service high-voltage cable detection.
1 引言
交联聚乙烯(XLPE)高压电缆以其机械性能优异、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。电压差大于某个值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(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(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,使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: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
更容易控制且结构更简单、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,Schön 等
[12]
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 等
[13]
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 等
[14]
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 等
[15]
提出了一种新型 X 射线源平移扫描 CT(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做直线运动以扫描检
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可改
变成像视场(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,提出了一种局部 STCT(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进行等距直线移动并采集投影数据,检测对
象靠近探测器放置。受射线源移动距离以及探测器大小限制,L-STCT 无法采集完备的投
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]
。解析型重建算法包括滤波
反投影(FBP)、反投影滤波(BPF)和 Linogram 重建算法等,解析类算法的重建速度
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,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的情况下,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(SIRT)算法对投影数
据进行重建。
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;通过仿真验证该成像方法的可行性;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。
2 L-STCT 扫描成像方法
2.1 几何模型
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。
图 1. L-STCT 系统几何模型
Fig. 1. Geometric model of L-STCT system
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为了便于分析,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。
取锥束中心水平面 xoy 平面对模型进行进一步分析,如图 2 所示。其中 R 表示被测电缆半
径;dmdm(m 表示探测器探元个数)和 d1d1 分别是探测器的上下两端点,dd 是探测器
的长度。扫描过程中射线源从 s1s1 线性运动到 snsn(n 表示 L-STCT 扫描采集的投影
数),ss 表示射线源运动轨迹长度。hh 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 s1s1 与探测器 dmdm 的连
线和射线源轨迹 snsn 与探测器 d1d1 的连线相交于点 M,称其为系统中心点,坐标原点 o
与点 M 重合。物体中心与中轴线的水平距离为 a,系统成像区域的视场(FOV)设置为以
坐标原点 o 为中心的矩形,如图 2 矩形框,对应高压电缆底部区域。下文中所说的高压电
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
Fig. 2. 2D geometry model
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