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X射线实时成像系统分辨率及其影响因素

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1 X射线实时成像系统

X射线实时成像检测技术作为一种新兴的无损检测技术,已进入工业产品检测的实际应用领域。与其他检测技术一样,X射线实时成像检测技术需要一套设备(硬件与软件)作为支撑,构成一个完整的检测系统,简称X射线实时成像系统。X射线实时成像系统使用X射线机或加速器等作为射线源,X射线透过后被检测物体后衰减,由射线接收/转换装置接收并转换成模拟信号或数字信号,利用半导体传感技术、计算机图像处理技术和信息处理技术,将检测图像直接显示在显示器屏幕上,应用计算机程序进行评定,然后将图像数据保存到储存介质上。X射线实时成像系统可用金属焊缝、金属或非金属器件的无损检测。

2 X射线实时成像系统的基本配置及影响因素

X射线实时成像系统主要由X射线机、X射线接收转换装置、数字图像处理单元、图像显示单元、图像储存单元及检测工装等组成。

  2.1 X射线机

根据被检测工件的材质和厚度范围选择X射线机的能量范围,并应留有一定的的能量储备。对于要求连续检测的作业方式,宜选择直流恒压强制冷却X射线机。X射线管的焦点尺寸对检测图像质量有较大的影响,小焦点能够提高系统分辨率,因此,应尽可能选用小焦点X射线管。

目前探伤机厂能够提供的小焦点X射线探伤机是:160kV恒压式X射线系统,焦点尺寸≤0.4mm×0.4mm225kV恒压式X射线系统,焦点尺寸≤0.8mm×0.8mm320kV恒压式X射线系统,焦点尺寸≤1.2mm×1.2mm450kV恒压式X射线系统,焦点尺寸≤1.8mm×1.8mm。对焦点的要求也不宜过小,如果焦点过小且冷却不好,焦点容易"烧坏"

  2.2 X射线接收转换装置

X射线接收转换装置的作用是将不可见的X光转换为可见光,它可以是图像增强器或成像面板或者线性扫描器等射线敏感器件。

X射线接收转换装置子系统又称为图像成像系统,按目前成像的技术水平可分为两种。一种是以图像增强器为主的传统成像器系统。图像增强器为一种真空管,射线输入屏由较薄的铝或钛材料制成,屏的基层涂有钠(Na)碘化铯(CsI)作为输入闪烁体(CsINa),它能够将不可光的X光图像转换为可见光图像,再经过光电阴极板的作用将可见光图像转换为相应的电子束,电子束在高电压作用下加速并聚焦于荧光输出屏(ZnCdSAg闪烁体材料),从而形成可视的检测图像。在输出屏后端配有聚焦光学镜头和CCDcharge-coupled device电荷耦合器件)摄像机,将可视图像的模拟信号采集输入图像采集卡进行A/D转换,再输入计算机进行图像处理。当前可供选用的图像增强器按输入屏直径有Φ225mm(9)、Φ150mm(6)、Φ100mm(4) 三种;Φ225mm(9)图像增强器直径较大,视野宽阔,一次检测长度较大,但清晰度较低,价格较高;Φ100mm(4)图像增强器直径较小,重量较轻,便于携带式作业,且清晰度较高,但视野较狭小,一次检测长度较小,工效较低;通常以选择Φ150mm(6)图像增强器为宜。常用的CCD摄像机有晶片为1/2″、分辨率为752×582线和晶片为1/3″、分辨率可达到1000×752线的CCD摄像机,目前更高清晰度的CCD摄像也已新近上市。

另一种是基于线阵扫描探测器(LDA-linear diode arrays       线阵探测器)的成像系统,LDA含有大量的电子元件和成像点,主要由发光晶体、光电二极管陈列,前端数据采集系统等组成,X射线闪烁体材料(常用晶体有基于磷屏的钇、GdWO4CsI)能够将X射线转换为可见光,晶体安装在众多的光电二极管表面并按一定规则排列成为光电二极管阵列(大规型集成电路),按扫描方式分为线扫描(线阵列)和面扫描(面阵列)。面阵探测器价格昂贵,目前多采用线陈列探测器。线阵扫描探测器LDA成像系统按照结合方式又分为两种,一种是LDA成像系统直接与图像采集要卡相结合,LDA成像系统采集的模拟图像送到采集卡进行A/D转换,再经计算机图像处理,其工作原理基本与图像增强器相同,但LDA成像系统的分辨率比起图像增强器成像系统的分辨率有较大的提高。另一种是LDA成像系统与  CMOD(complementary metal-oxide-semiconductor       (transistor),互补金属氧化物半导体(晶体管))传感器相结合,一步完成射线光电转换、数字采集的全过程, 这种成像系统称为LDACMOS射线数字直接成像系统。LDACMOS射线数字直接成像系统目前在各种成像系统中处于先进水平。LDACMOS射线数字直接成像系统的转换方式大大减少了信号长距离传输和转换过程的信号干扰,且光电阵列像素尺寸很小,因此,空间分辨率得到很大的提高。

线阵探测器-     CMOS射线直接数字成像系统的造价比图像增强器成像系统要高出许多,基于价格因素的考虑,对于普通产品的X射线实时成像系统多采用图像增强器成像系统,而对于要求较高的产品可采用线阵探测器-CMOS射线直接数字成像系统。如采用线阵探测器CMOS射线直接数字成像系统,X射线机可不受小焦点的限制,X射线机的造价相对较低。因为是线扫描,像素是逐线扫描成像,几乎不存在几何不清晰度,因此,图像清晰度大大提高;但是,由于逐线扫描,成像检测速度较慢。现在国外有一种面阵列成像板,既可大大提高图像的清晰和又能提高检测速度,但价格昂贵,现多用海关集装箱高能射线检测装置。

  2.3 图像处理单元

图像处理单元应具有图像数据采集和处理功能。图像数据采集方式可以是图像采集卡或其它数字图像合成装置。图像采集分辨率应不低于768×576像素,且保证水平方向分辨率与垂直方向分辨率之比为43;动态范围即灰度等级应不小于256 级。

图像采集卡安装在计算机中,主要作用是进行A/D转换,将成像系统采集来的模拟信号转换为能被计算机识别的数字信号成为数字图像。常用图像采集卡的采集分辨率多为768×576像素,动态范围为8bit=256灰度级,随着技术的发展,目前已有高分辨的图像采集分辨率可达到1k×1K,动态范围可达到12bit=4096灰度级。如选用高分辨率的图像采集卡,能大大提高系统分辨系率,但价格较高。通常随卡提供成像软件。

  2.4 图像处理软件

图像处理软件应具有降噪、亮度对比度增强、边缘增强等基本功能。图像处理软件应能适应相应检测产品所规定的技术标准,具有图像几何尺寸标定和测量以及缺陷定位功能;在检测图像中标定的缺陷位置与实际位置误差应≤2mm,单个缺陷的测量精度为±0.5mm

图像处理软件基本上需要两种,一种是控制软件,其功能是通过数据总线发送命令来控制成像系统,这些命令包括工件动作指令、成像装置的校准、从采集卡得到图像、图像平面尺寸校定、图像实时采集、图像的同步处理和图像储存等。根据视频技术理论,图像采集速度达到25/秒即视为实时成像。如果对工件只进行普查,则可不起用图像采集等指令。另一种是成像软件,其功能是在计算机上显示图像,按所检测工件的质量标准进行缺陷等级评定,同时生成工件检测数据库文件,输出评定报告,再将检测图像和数据库文件同时保存到光盘等储存介质中去。    

如果检测图像的采集分辨率很高,采集的动态范围很大,则图像的数据容量很大,因此,成像软件还应具有数据压缩功能,由于检测图像是重要的技术资料,应采取无损压缩,并应具有良好的解压和回放再现功能。图像处理软件通常由X射线实时成像系统研制单位提供给使用单位,有条件的使用单位也可以自行开发图像处理软件。

  2.5 图像显示单元

图像显示采取黑白方式显示图像,显示器点距不大于0.26mm,显示器应为逐行扫描,刷新频率不小于85Hz,图像评定可选用17~19″显示器,使观察者的视野感到更舒适。

  2.6 图像储存单元

检测图像可储存在数字光盘等介质中,储存的数字图像和有效信息不可修改和删除,保留的数字图像还应包含有原始的采集数据。对于要求保存3~30年的重要检测技术资料,应选择CD-R一次性光盘,(CD-R光盘的保存期可达50年),不能选择CD-RW可擦写光盘。

  2.7 计算机的基本配置

对于独立的X射线实时成像系统至少应配置两台计算机,一台用于图像采集和图像处理,另一台用于图像的评定和打印报告等,两台计算机用缆线连接。计算机硬件的基本配置要求奔腾Ⅲ600以上,256M内存,20G硬盘,并配软驱、光驱、打印机和刻录机;软件环境要求在windows2000操作系统下运行。

  2.8 检测工装或流水线

  为实现工件的连续检测,应有必要的检测工装设备或流水线,且应具有较高的机械精度。

  2.9 X射线实时成像检测系统的选择

实用的X射线实时成像检测系统实际上是以上X射线实时成像系统的基本配置及多个影响因素有选择性的组合,不同的组合会有不同的造价和使用功能;使用单位可根据以上X射线实时成像系统的基本配置及影响因素,再结合本单位的产品特点和产品的技术质量检验标准以及自身的经济条件来选择适合本单位使用的X射线实时成像系统。

3 X射线实时成像系统的分辨率

3.1 系统分辨率

可以用多项技术性能指标来评价X射线实时成像系统的质量特性,例如系统分辨率、灵敏度、最高承受电压、系统的稳定性、系统的连续工作时间、图像的采集和图像处理速度、检测效率、图像一次性检测范围(长度×宽度)、图像的动态范围、系统抗干扰性、系统的工作寿命、系统的价格性能比等多项指标,其中系统分辨率是重要的指标,系统中的每一个子系统发生变化,都会引起系统分辨率综合性能的变化,所以,抓住了系统分辨率这个综合指标,就等于抓住了X射线实时成像系统的关键。系统分辨率指标是X射线实时成像整个系统性能的综合反映,系统分辨率越高,表示系统的技术性能越好。系统分辨率是系统设备客观性能的反映,仅与系统的构成及其性能有关,与检测工艺方法无关,所以,系统分辨率也称为固有分辨率。随着系统设备的老化,系统分辨率也会衰退,因此,对系统分辨率应定期进行测试。系统分辨率可以用分辨率测试卡直接在系统中测试出来。

  3.2 实时成像系统分辨率的测试方法

将分辨率测试卡紧贴在X射线接收转换装置(例如图像增强)器输入屏表面中心区域,线对栅条与水平位置垂直(或平行),按如下工艺条件进行透照,并在显示屏上成像:

  (1) X射线管焦点至图像增强器输入屏表面的距离不小于700mm

  (2) 管电压不大于40kv

  (3) 管电流不大于2mA

  (4) 图像对比度适中。

在显示屏上观察测试卡的影像,观察到栅条刚好分离的一组线对,则该组线对所对应的分辨率即为系统分辨率,系统分辨率的单位是"线对/毫米"LP/mm)。

  系统分辨率也可以用系统清晰度(单位是mm)来表述,它们之间的换算关系是"互为倒数的二分之一"

  3.3 系统分辨率的作用

系统的设备配置确定之后,系统分辨率便是一个确定的参数。在实时成像检测工艺中,通常是以系统分辨率作为已知参数来确定其他检测参数,例如,实时成像检测的图像通常是放大的图像,确定图像放大倍数就需用到系统分辨系(或系统不清晰度):

Mopt表示实时成像检测工艺中的最佳放大倍数,Ui为系统不清晰度,d为射线源的焦点尺寸,均为已知数,代入公式即可算出Mopt ,令Mopt =M,这样很快就可以确定检测放大倍数M

  3.4 系统分辨率指标

根据X射线实时成像检测系统不同的配置,X射线实时成像检测系统可分为AABB三个级别来管理,A级的系统分辨率指标可定为≥1.4LP/mm,用于普通产品的X射线实时成像检测,例如汽车铝合金轮毂、炼铁高炉炉衬耐火砖以及食品罐头的检验;AB级的系统分辨率指标可定为≥2.0LP/mm,用于较重要和产品的检测,例如锅炉压力容器压力管道对接焊缝的检测,汽车零部件、电子元器件的检测;B级的系统分辨率定为≥3.0LP/mm,用于重要产品的检测,例如核工业产品、航空航天器材的检测。

4 图像调制传递函数

从信息论的观点来看,图像的像素是检测图像的信息载体,像素可以具有不同的灰度级别,像素的多少以及灰度分布的组合构成检测的信息,检测图像的质量(或信息)可以通过系统本身的传递特性反映出来。根据傅立叶级数和图像信息理论,提出调制传递函数作为系统质量或图像质量(信息)的评价依据。

  4.1 调制度(MTF

调制度原本是无线电学中的概念,引用到射线检测中来它就是对比度。被检测物体成像对比度的再现能力用调制度来表征,其定义是:图像中最大灰度与最小灰度之差和最大灰度与最小灰度之和的比值,用MTF表示: 式中:

  MTF --- 调制度 0MTF1;   I1 --- 最大灰度;    I2 - -- 最小灰度

  调制度与分辨率的关系可以用调制传递函数MTF曲线表示:

  图1 调制传递函数MTF曲线

调制传递函数可用MTF曲线来表示,横座标是分辨率,纵座标是对比度。分辨率越小,MTF越大;分辨率越大,MTF越小。当分辨率大到一定程度时,MTF趋近于零(表示图像分辨率的线条间距小到几乎分辨不清)。这种程度到达得越迟表示图像分辨率越高。在X射线实时成像检测中通常将灰度设定为8bit28)即256级,试验表明,正常人的眼睛能够分辨的最低调制度为5% ,通常以MTF8%时对应的分辨率为图像极限分辨率。

4.2 MTF函数的传递作用

调制传递函数的作用有三:其一,MTF曲线提供的信息是客观的;其二,对比度和分辨率是能够测量的;其三,MTF反映的信息是能够传递的,即系统中各个阶段的图像质量有再现性,并且这种传递能够用简单摰訑方法来获得。因此MTF函数是较客观和全面评价图像质量的一种方法。通常用MTF的函数来解释系统的配置或图像质量现象,用MTF函数为图像处理提供理论基础。

  4.3 提高X射线实时成像系统分辨率的基本方法

为提高系统分辨率,系统设备的配置应尽可能选用高MTF的子系统,且各子系统MTF应尽可能互相匹配,如果有一个子系统MTF较低,则会影响整个系统的分辨率(可谓是"木桶效应");尽可能减少子系统的数量,尽可能选用集成器件。

5 X射线实时成像技术展望

我国经过十多年的努力,X射线实时成像检测技术作为一种新兴的无损检测技术已日臻成熟,其检测图像质量可以与射线照相底片质量相媲美,且由于使用光盘作为储存介质,检测成本大大降低,受到使用单位的欢迎,有不少未使用的单位也跃跃欲试;但是X射线实时成像系统的设备一次性投资较大,特别是一些关键部件如工业用的图像增强器、高清晰度的CCD摄像机、LDA线阵扫描探测器、CMOS传感器基本上还不能国产化,因此整个系统的设备价格降不下来,成为制约X射线实时成像技术发展的撈烤睌。实时成像技术与数码相机技术有许多相同之处,如今数码相机已进入寻常百姓家,数字技术已进入各行各业。在迎接数字化时代到来的时候,我们广大使用单位对我国无损检测研制单位寄以厚望,希望X射线实时成像检测系统能够早日实现国产化,把价格降下来,使数字化的X射线实时成像检测技术能够进入更广泛的应用领域。

  参考文献:

  [1] J.柯斯克能,蔺春涛,高 . 线阵探测(LDA)的现状及发展趋势[J]. CT理论与应用研究,2002312~15