本发明属于工业射线无损检测技术领域，具体涉及一种燃气轮机叶片探测区域自适应分割及曝光参数优化方法。
背景技术：
燃气轮机是在发电系统、大型舰船上广泛应用的一类大型旋转叶轮式动力装备。叶片作为燃气轮机上与工作介质相互作用并实现能量转换的核心气动零件，我国目前尚未完全掌握其制造及检测的关键技术。由于需要在极高的温度和压力下承受巨大的工作载荷，叶片的制造通常采用精密铸造成型工艺。然而，叶片无论是在制造阶段还是服役的过程中，都可能在其内部形成诸如孔洞、裂纹、缩松、夹杂等形式的缺陷，将严重影响燃气轮机整机的工作性能、使用寿命以及运行的安全可靠性。因此，研究叶片缺陷的检测技术，对提高我国燃气轮机制造水平、突破发达国家的技术封锁具有重大而深远的战略意义。
由于叶片属于复杂自由曲面类零件，且通常由具有较大密度的镍基高温合金材料构成。故对其的无损检测通常采用基于数字射线的方法，即采用工业x射线对叶片进行透照，借助平板探测器成像来实现对其缺陷的检测。该方法的成像分辨率高、灵敏度高、直观可靠，且在实际应用中具有效率高和成本低的优点。然而，作为一种采用强衰减材料(如镍基或钴基高温合金)的复杂曲面变厚度零件，叶片各部位对射线的衰减特性差异很大。如果在保证整体穿透的前提下采用统一的曝光参数，理论上可以获取具有较大对比度的检测图像。但实际应用中，穿透叶片较厚和较薄区域的衰减射线强度会超出平板探测器的线性响应范围，使得所成图像的质量急剧变差而难以保证对应区域缺陷的准确识别以及量化表征。此外，由于平板探测器的成像区域尺寸有限，往往无法对叶片实现完全覆盖。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种燃气轮机叶片探测区域自适应分割及曝光参数优化方法，将叶片直立放置于转台上，选择使叶片在平板探测器成像平面上具有最大投影面积的方向作为透照方向，分别沿叶高以及叶宽方向对叶片的探测区域进行自适应分割，并对分割的探测区域对应的曝光参数进行优化。
本发明采用以下技术方案：
一种燃气轮机叶片探测区域自适应分割及曝光参数优化方法，首先，根据叶片的结构特点确定叶片透照的方向，在数字射线无损检测系统上对叶片进行透照定位；然后，由平板探测器成像区域的实际尺寸确定沿叶高方向的分割尺寸，沿叶高方向对叶片进行初步分区；最后，结合叶片沿透照方向的厚度分布及其对x射线谱的衰减特性对叶片的探测区域做进一步自适应分割，并优化对应的曝光参数。
具体的，叶片透照方向确定具体如下：
s1011、控制叶片的cad模型以步距角度绕其积叠轴旋转，并在垂直于叶根底面的平面内，计算叶片的投影面积；
s102、确定当叶片具有最大投影面积时，叶根端面与投影平面的夹角α。
具体的，在数字射线无损检测系统上对叶片进行透照定位具体包括以下步骤：
s201、将叶片放置于转台上，在叶根端面固接一个参考试件，参考试件上设置两个球形结构，参考试件上两球形结构球心间的距离为l；
s202、控制转台旋转一个步距角度并对参考试件进行透照，通过平板探测器采集图像；
s203、由参考试件的图像提取两球形结构的中心，计算两球形结构中心的距离；
s204、如果步骤s203得到的距离等于l·sinα，此位置即为叶片在平板探测器成像平面上具有最大投影的位置；否则，重复s202～s204直至找到该透照位置。
具体的，由平板探测器成像区域的实际尺寸确定沿叶高方向的分割尺寸，沿叶高方向对叶片进行初步分区具体如下：
s301、根据平板探测器成像区域的尺寸，以去除成像区域边缘为原则，确定叶高方向的初步分割尺寸s'h；
s302、比较叶片叶高方向尺寸h与初步分割尺寸s'h，确定是否需对叶片沿叶高方向进行分区：
如果叶高尺寸h小于等于初步分割尺寸s'h，不需对叶片进行分区；
如果叶高尺寸h大于初步分割尺寸s'h，则需对叶片进行分区，并由叶高尺寸和初步分割尺寸的关系确定沿叶高方向的分区数量nh；
s303、根据分区数量nh，沿叶高方向对叶片叶身均匀分区，并确定沿叶高方向的最终分割尺寸sh。
进一步的，沿叶高方向的最终分割尺寸sh具体为：
其中，h为叶高方向尺寸，nh为沿叶高方向的分区数量，a为平板探测器成像区域尺寸，s'h为沿叶高方向的初步分割尺寸，int为向下取整函数。
具体的，针对于每一个沿叶高方向的分区，结合叶片在该透照方向上的厚度分布、叶片材料对x射线谱的衰减特性以及平板探测器的响应特性，沿叶宽方向对叶片的探测区域做进一步自适应分割，并优化对应的曝光参数，具体如下：
s401、以平板探测器的像素尺寸对一个指定叶高方向分割区域进行有限元网格划分，基于cad模型获取每个网格处叶片沿透照方向的厚度，进而得到该分区在指定透照方向上的厚度分布范围[tmin,tmax]；
s402、针对于某一沿叶高方向的分割区域，根据其在指定透照方向上的厚度分布范围[tmin,tmax]，对其沿叶宽方向做进一步的自适应分割，并优化对应的曝光参数；
s403、对叶片探测区域进行分割。
具体的，步骤s402曝光参数优化具体如下：
s4021、设定沿叶宽方向分割区域的最大数量n，并初始化该分割区域数量为n＝1；
s4022、判断如果n＞n，则分割区域数量超限；
s4023、根据分割区域的数量确定各分割区域的厚度范围如下：
s4024、对每一个分割区域的曝光参数进行优化；
s4025、判断每一个分割区域是否都存在落在平板探测器线性响应范围中心2/3区域内的曝光参数，如存在，分别对每一个分割区域选择衰减强度的中值与探测器线性范围强度的中值最接近的曝光参数作为该分割区域的优化曝光参数，分割区域及曝光参数优化结束；如不存在，沿叶宽方向对叶片做进一步分割，即令分区数量n＝n+1，并重复步骤s4022～s4025。
进一步的，步骤s4024具体如下：
(a)设定管电压由x射线管负载曲线确定的最小管电压umin开始，逐步增加直至达到x射线管最大管电压umax；
(b)对于每一个管电压，设定管电流从由x射线管负载曲线确定的最小管电流imin开始，逐步增加直至达到该管电压对应的最大管电流imax；
(c)设定曝光时间为定值；
(d)根据设定的管电压、管电流及曝光时间，由montecarlo仿真获取对应的x射线能量谱；
(e)根据x射线能量谱由lambert-beer定律，计算被指定分区厚度范围
(f)如果衰减后x射线辐射强度的分布范围[i1,i2]落在平板探测器的线性响应范围的中心2/3区域内，则记录该组曝光参数。
进一步的，镍基高温合金材料衰减后的x射线辐射强度的分布范围[i1,i2]具体为：
其中，i∈[0,n)，i0(λ)为x射线能量谱分布函数，μ(λ)为能量谱的线性衰减系数，
具体的，步骤s403具体如下：
s4031、如果对沿叶宽方向的自适应区域分割以及曝光参数优化成功，则得到探测区域自适应分割及曝光参数优化结果；
s4032、针对于指定叶高方向的分割区域[tmin,tmax]，以探测器像素尺寸为间隔对叶片cad模型进行切片获取叶片截面；
s4033、根据叶片截面吸力边曲线函数和压力边曲线函数，获取其在指定透照方向上的厚度分布函数g(x)如下：
t＝f1(x)-f2(x)＝g(x)
其中，x为叶片沿叶宽方向的位置，t为叶片截面在透照方向上的厚度，f1(x)为叶片截面吸力边曲线函数，f2(x)为叶片截面压力边曲线函数；
s4034、根据叶片截面在指定透照方向上的厚度分布函数，根据
s4035、将所有特征截面对应的叶宽位置
s4036、至此探测区域沿叶宽方向的自适应分割与对应曝光参数的优化完成。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明公开了一种燃气轮机叶片探测区域自适应分割及曝光参数优化方法：首先根据叶片的结构特点，以投影最大化为原则确定叶片透照的方向；然后根据平板探测器成像区域的尺寸，沿叶高方向对叶片的探测区域进行初步分割；最后，结合叶片沿透照方向的厚度分布及其对x射线谱的衰减特性，以平板探测器的线性响应范围为约束对每一个沿叶高方向的分区沿叶宽方向做进一步的自适应分割并优化对应的曝光参数，在实际应用中借助cad模型，通过数值计算即可获得某一型号叶片的整体透照方案，应用本发明公开的方法规划叶片的透照方案，可大幅提高数字检测图像的质量，为后续实现对缺陷的精确量化表征提供重要保障。
进一步的，以投影最大化为原则确定叶片透照的方向，可有效减小特征重叠带来的影响，便于后续对缺陷特征的提取和分析。由于叶片在数字射线无损检测系统的转台上直立放置，垂直于叶根底面的假想平面可有效模拟实际平板探测器的成像平面。而cad模型绕积叠轴的旋转，可通过相应的几何变换予以实现。
进一步的，通过在叶根端面固接一个含有两个球形结构的参考试件，结合两球形结构在平板探测器上成像特征的位置关系(球心距离)，获取叶片实际摆放位置与平板探测器成像平面间的位置关系。由于叶片叶根的端面为简单的平面特征，且球形结构的成像特征便于提取，故在实际应用中很容易实现。
进一步的，由于叶片沿叶高方向的尺寸较大，平板探测器有限尺寸的成像区域往往无法对其完全覆盖。因此需结合平板探测器成像区域的实际尺寸，对叶片沿叶高方向进行初步分区。本方法以去除成像区域的边缘为原则确定叶高方向的初步分割尺寸，可有效避免平板探测器成像区域边缘部分性能退化的影响。通过将此初步分割尺寸与叶高尺寸进行比较，确定沿叶高方向的分区数量和最终分割尺寸，在实际应用中很容易实现。
进一步的，由于叶片沿叶宽方向的厚度变化以及由其导致的衰减特性差异较大，本发明公开方法通过以不同的厚度分布区间沿叶宽方向分割探测区域，并结合平板探测器的响应特性分别对其曝光参数进行优化，可有效获取高质量的数字检测图像并确保后续对缺陷特征的精确识别、分析和量化表征。
进一步的，根据设定的分区数量确定各分区的厚度分布范围，并以此为准则沿叶宽方向对探测区域进行自适应分割。再针对各厚度分布范围，以本方法所述的标准优化对应的曝光参数。
进一步的，根据x射线管的负载曲线，以某一步距分别设定管电压及管电流参数，可充分涵盖所有曝光参数组合。针对不同厚度分布范围，采用本方法所述优化标准，得到数字射线无损检测系统可设定的最佳曝光参数。
进一步的，根据沿叶宽方向对探测区域的自适应分割结果，以平板探测器像素尺寸为间隔对叶片的cad模型沿叶高方向进行切片。通过获取各截面的厚度分布函数，得到各厚度分割点对应的叶宽位置，再由最小二乘拟合获取沿叶宽方向的实际分割位置，充分考虑了所分割探测区域整体沿叶宽方向的厚度分布规律。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明数字射线无损检测系统示意图；
图2为本发明叶身沿透照方向在假想成像平面投影示意图；
图3为本发明参考试件放置示意图；
图4为本发明参考试件尺寸示意图；
图5为本发明叶身投影示意图；
图6为本发明成像区域及尺寸示意图；
图7为本发明沿叶高方向分区的有限元网格划分示意图；
图8为本发明x射线能量谱示意图；
图9为本发明平板探测器线性响应范围示意图；
图10为本发明叶片截面沿透照方向厚度分布示意图；
图11为本发明沿叶宽方向实际分割位置示意图。
具体实施方式
请参阅图1，本发明提供了一种燃气轮机叶片用数字射线无损检测系统，包括系统成像装置(平板探测器)、转台、x射线源和计算机，系统成像装置、转台和x射线源均与计算机连接，由计算机对x射线源进行发射控制，在转台上放置有叶片，由计算机对转台进行运动控制，计算机对叶片在系统成像装置上所成图像进行数据采集。
本发明一种燃气轮机叶片探测区域自适应分割及曝光参数优化方法，首先，根据叶片的结构特点确定透照的方向；然后，结合平板探测器成像区域的尺寸沿叶高方向对叶片的探测区域进行初步分割；最后，结合叶片沿透照方向的厚度分布及其对x射线谱的衰减特性，对每一个沿叶高方向的分区沿叶宽方向做进一步自适应分割并优化对应的曝光参数，具体步骤如下：
s1、叶片透照方向确定；
s2、在数字射线无损检测系统上对叶片进行透照定位；
s3、沿叶高方向的分割；
由于平板探测器成像区域尺寸有限，在叶高方向往往无法覆盖整支叶片。考虑到叶片沿叶高方向的厚度尺寸变化不大，由探测器的成像区域的实际尺寸确定沿叶高方向的分割尺寸，具体如下：
s301、根据平板探测器成像区域的尺寸，以适当去除成像区域边缘为原则，确定叶高方向的初步分割尺寸；
s302、比较叶片叶高方向尺寸与初步分割尺寸，确定是否需对叶片沿叶高方向进行分区：
如果叶高尺寸小于等于初步分割尺寸，不需对叶片进行分区；
如果叶高尺寸大于初步分割尺寸，则需对叶片进行分区，并由叶高尺寸和初步分割尺寸的关系确定分区的数量；
s303、根据分区的数量，沿叶高方向对叶片的探测区域做均匀分割，并确定最终分割的尺寸。
s4、沿叶宽方向的自适应分割及曝光参数优化
如前所述，叶片的厚度分布不均。且该问题主要存在于垂直叶高的方向，即叶宽方向。鉴于此，本方法针对于每一个沿叶高方向的分区，结合叶片在该透照方向上的厚度分布、对叶片材料对x射线谱的衰减特性以及平板探测器的响应特性，沿叶宽方向对叶片的探测区域做进一步的自适应分割，并优化对应的曝光参数。具体如下：
s401、厚度分布范围确定
针对于一个指定的叶高方向分割区域，由cad模型获取在透照方向上的厚度分布范围。
s402、探测区域自适应分割及曝光参数优化
s4021、设定最大分割区域数量n，初始化沿叶宽方向的分割区域数量n；
s4022、判断如果n＞n，则分割区域数量超限；
s4023、根据被分割区域的厚度分布范围，结合分区数量以均匀划分为原则，确定沿叶宽方向各个分割区域的厚度分布范围；
s4024、对每一个分割区域的曝光参数(管电压、管电流)进行优化，具体如下：
(a)管电压从某一较低值开始，以某一步距变化直至达到x射线管的最大管电压；
(b)对于每一个管电压，根据x射线管的负载曲线，让管电流从某一较低值开始，以某一步距变化直至达到该管电压对应的最大管电流；
(c)选定曝光时间为一定值；
(d)根据选定的管电压、管电流及曝光时间，由montecarlo仿真获取对应的x射线能量谱，
(e)由montecarlo仿真x射线能量谱计算被指定分区厚度范围的镍基高温合金材料衰减后的射线辐射强度；
(f)如果衰减射线辐射强度落在探测器线性响应范围(中心2/3区域)内，则记录该组曝光参数；
s4025、判断每一个分割区域是否都存在落在探测器线性响应范围(中心2/3区域)内的曝光参数：
如存在，分别对每一个分割区域选择衰减强度的中值与探测器线性响应范围强度的中值最接近的曝光参数作为该分割区域的优化曝光参数，分割区域及曝光参数优化结束；
如不存在，则沿叶宽方向对叶片做进一步(均匀)分割，并重复步骤s4022～s4025直至获取每一分割区域的优化曝光参数。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
s1、叶片透照方向确定,具体如下：
s1011、控制叶片的cad模型以一定的步距角度绕其积叠轴旋转，并在(任一)垂直于叶根底面的平面(假想的平板探测器成像平面)内，计算叶片的投影面积，如图2所示；
s102、确定当叶片具有最大投影面积时，叶根端面与投影平面的夹角α；
s2、在数字射线检测系统上对叶片进行透照定位，具体如下：
s201、将叶片放置于转台，在叶根端面固接一参考试件(如图3)，参考试件两球心距离为l(如图4所示)；
s202、控制转台旋转一个步距角度并对参考试件进行透照，通过平板探测器采集图像；
s203、由参考试件的图像提取两球形特征的中心，计算中心之间的距离l；
s204、如果该距离等于l·sinα，此位置即为叶片在平板探测器成像平面上具有最大投影的位置；否则，重复s202～s204直至找到该透照位置。
接下来在该透照方向上，对叶片的探测区域分别沿叶高以及叶宽方向进行分割并优化对应的曝光参数。这里以一支燃气轮机透平叶片为例，阐述探测区域分割以及曝光参数优化方法的具体实施过程，具体如下：
s3、沿叶高方向的分割
叶片的叶身部分沿透照方向在平板探测器成像平面上的投影如图5所示，叶高方向的尺寸为h；平板探测器的成像平面如图6所示，其成像区域(虚线部分)的尺寸为：a×a。
s301、由式(1)确定沿叶高方向的初步分割尺寸为：
其中：s'h为沿叶高方向的初步分割尺寸，a为探测器成像区域尺寸，int为向下取整函数。
s302、比较叶高方向尺寸h与初步分割尺寸s'h，确定是否需对叶片沿叶高方向进行分区：如果h≤s'h，不需分区；如果h＞s'h，需分区，由式(2)确定分区方案：
其中：nh为沿叶高方向的分区数量。
s303、根据分区数量，对叶片叶身沿叶高方向均匀分区，分区尺寸为：
其中，sh为沿叶高方向的最终分割尺寸。
s4、沿叶宽方向的自适应分割及曝光参数优化
s401、分布范围确定
以平板探测器的像素尺寸对一个指定叶高方向分割区域进行有限元网格划分(如图7所示)，基于cad模型获取每个网格处叶片沿透照方向的(平均)厚度，进而得到该分区在指定透照方向上的厚度分布范围：[tmin,tmax]
s402、曝光参数优化
针对于某一沿叶高方向的分区，根据其在指定透照方向上的厚度分布范围[tmin,tmax]，对其沿叶宽方向做进一步的自适应分区，并优化对应的曝光参数，具体如下：
s4021、设定最大分割区域数量n，并初始化沿叶宽方向的分割区域数量为n＝1；
s4022、判断如果n＞n，则分割区域数量超限；
s4023、根据分割区域的数量确定各分割区域厚度范围：
s4024、对每一个分割区域的曝光参数(管电压、管电流)进行优化，具体如下：
(a)设定管电压从某一较低值u0(可为由x射线管负载曲线确定的最小管电压umin)开始，以某一步距增加直至达到x射线管最大管电压umax；
(b)对于每一个管电压，设定管电流从某一较低值i0(可为由x射线管负载曲线确定的最小管电流imin)开始，以某一步距增加直至达到该管电压对应的最大管电流imax；
(c)设定曝光时间为一定值；
(d)根据设定的管电压、管电流及曝光时间，由montecarlo仿真获取对应的x射线能量谱，如图8所示；
(e)根据x射线能谱由lambert-beer定律，有式(4)和式(5)计算被指定分区厚度范围
其中，i0(λ)为x射线能量谱分布函数，μ(λ)为能量谱的线性衰减系数，λmin由式(6)确定
其中，h为普朗克常量，c为光速，e为电子电荷，u为管电压。
(f)如果衰减后x射线辐射强度的分布范围[i1,i2]落在平板探测器的线性响应范围(如图9中所示的[imin,imax])的中心2/3区域内，则记录该组曝光参数；
s4025、判断每一个分割区域是否都存在落在平板探测器线性响应范围中心2/3区域内的曝光参数：
(a)如存在，分别对每一个分割区域选择衰减强度的中值与探测器线性范围强度的中值最接近的曝光参数作为该分割区域的优化曝光参数，分割区域及曝光参数优化结束；
(b)如不存在，沿叶宽方向对叶片做进一步(均匀)分割，即令分区数量n＝n+1，并重复s4022～s4025。
s403、叶片探测区域分割：
s4031、如果对沿叶宽方向的自适应区域分割以及曝光参数优化成功，会得到如下结果如表1(这里以n个分区为例)：
表1探测区域自适应分割及曝光参数优化结果
s4032、针对于该指定叶高方向的分割区域(厚度分布范围：[tmin,tmax])，以探测器像素尺寸为间隔对叶片cad模型进行切片获取叶片截面；
s4033、根据叶片截面吸力边曲线函数和压力边曲线函数(如图10)，由式(7)获取其在指定透照方向上的厚度分布函数：
t＝f1(x)-f2(x)＝g(x)(7)
其中，x为叶片沿叶宽方向的位置，t为叶片截面在透照方向上的厚度，f1(x)为叶片截面吸力边曲线函数，f2(x)为叶片截面压力边曲线函数。
s4034、根据式(7)所描述的叶片截面在指定透照方向上的厚度分布函数，由式(8)确定每一个特征截面在厚度分割点
其中，k∈[1,ns]，ns为切片(截面)数量。
s4035、将所有特征截面对应的叶宽位置
s4036、至此探测区域沿叶宽方向的自适应分割与对应曝光参数的优化完成。
本方法是在充分考虑叶片厚度分布以及平板探测器响应特性的条件下，以不同的曝光参数对叶片进行分区域透照，可大幅提高叶片数字检测图像的质量并为后续实现对缺陷的精确量化表征提供重要保障。此外，在实际应用中借助叶片的cad模型，通过数值计算即可获得某一型号叶片的透照方案，有效提高检测的效率。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。