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X射線實時成像系統(tǒng)分辨率及其影響因素
發(fā)布時間：2017-09-01
1X射線實時成像系統(tǒng)
X射線實時成像檢測技術(shù)作為一種新興的無損檢測技術(shù),已進入工業(yè)產(chǎn)品檢測的實際應用領(lǐng)域。與其他檢測技術(shù)一樣,X射線實時成像檢測技術(shù)需要一套設備(硬件與軟件)作為支撐,構(gòu)成一個完整的檢測系統(tǒng),簡稱X射線實時成像系統(tǒng)。X射線實時成像系統(tǒng)使用X射線機或加速器等作為射線源,X射線透過后被檢測物體衰減,由射線接收/轉(zhuǎn)換裝置接收并轉(zhuǎn)換成模擬信號或數(shù)字信號,利用半導體傳感技術(shù)、計算機圖像處理技術(shù)和信息處理技術(shù),將檢測圖像直接顯示在顯示器屏幕上,應用計算機程序進行評定,然后將圖像數(shù)據(jù)保存在儲存介質(zhì)上。X射線實時成像系統(tǒng)可用于金屬焊縫、金屬或非金屬器件的無損檢測。
2X射線實時成像系統(tǒng)的基本配置及影響因素
X射線實時成像系統(tǒng)主要由X射線機、X射線接收轉(zhuǎn)換裝置、數(shù)字圖像處理單元、圖像顯示單元、圖像儲存單元及檢測工裝等組成。
2.1X射線機
根據(jù)被檢測工件的材質(zhì)和厚度范圍選擇X射線機的能量范圍,并應留有一定的能量儲備。對于要求連續(xù)檢測的作業(yè)方式,宜選擇直流恒壓強制冷卻X射線機。X射線管的焦點尺寸對檢測圖像質(zhì)量有較大的影響,小焦點能夠提高系統(tǒng)分辨率,因此,應盡可能選用小焦點X射線管。
目前探傷機廠能夠提供的小焦點X射線探傷機是:160 kV恒壓式X射線系統(tǒng),焦點尺寸≤0.4mm×0.4 mm;225 kV恒壓式X射線系統(tǒng),焦點尺寸≤0.8 mm×0.8 mm;320 kV恒壓式X射線系統(tǒng),焦點尺寸≤1.2 mm×1.2 mm;450 kV恒壓式X射線系統(tǒng),焦點尺寸≤1.8 mm×1.8 mm。對焦點的要求也不宜過小,如果焦點過小且冷卻不好,焦點容易“燒壞”。
2.2X射線接收轉(zhuǎn)換裝置
X射線接收轉(zhuǎn)換裝置的作用是將不可見的X光轉(zhuǎn)換為可見光,它可以是圖像增強器或成像面板或者線性掃描器等射線敏感器件。X射線接收轉(zhuǎn)換裝置的分辨率應不小于3.0 LP/mm。
X射線接收轉(zhuǎn)換裝置子系統(tǒng)又稱為圖像成像系統(tǒng),按目前成像的技術(shù)水平可分為兩種。一種是以圖像增強器為主的傳統(tǒng)成像器系統(tǒng)。圖像增強器為一種真空管,射線輸入屏由較薄的鋁或鈦材料制成,屏的基層涂有鈉(Na)――碘化銫(CsI)作為輸入閃爍體(CsI∶Na),它能夠?qū)⒉豢梢姽獾腦光圖像轉(zhuǎn)換為可見光圖像,再經(jīng)過光電陰極板的作用將可見光圖像轉(zhuǎn)換為相應的電子束,電子束在高電壓作用下加速并聚焦于熒光輸出屏(ZnCdS:Ag閃爍體材料),從而形成可視的檢測圖像。在輸出屏后端配有聚焦光學鏡頭和CCD(charge-coupled device電荷耦合器件)攝像機,將可視圖像的模擬信號采集輸入圖像采集卡進行A/D轉(zhuǎn)換,再輸入計算機進行圖像處理。當前可供選用的圖像增強器按輸入屏直徑有 225 mm(9″)、 150 mm(6″)、 100 mm(4″)3種;225 mm(9″)圖像增強器直徑較大,視野寬闊,一次檢測長度較大,但清晰度較低,價格較高; 100mm(4″)圖像增強器直徑較小,重量較輕,便于攜帶式作業(yè),且清晰度較高,但視野較狹小,一次檢測長度較小,工效較低;通常以選擇 150 mm(6″)圖像增強器為宜。常用的CCD攝像機有晶片為1/2″、分辨率為752×582線和晶片為1/3″、分辨率可達到1000×752線的CCD攝像機,目前更高清晰度的CCD攝像也已新近上市。
另一種是基于線陣掃描探測器(LDA―lineardiode arrays線陣探測器)的成像系統(tǒng),LDA含有大量的電子元件和成像點,主要由發(fā)光晶體、光電二極管陣列、前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成,X射線閃爍體材料(常用晶體有基于磷屏的釔、GdWO4和CsI)能夠?qū)射線轉(zhuǎn)換為可見光,晶體安裝在眾多的光電二極管表面并按一定規(guī)則排列成為光電二極管陣列(大規(guī)模集成電路),按掃描方式分為線掃描(線陣列)和面掃描(面陣列)。面陣探測器價格昂貴,目前多采用線陣列探測器。線陣掃描探測器LDA成像系統(tǒng)按照結(jié)合方式又分為兩種,一種是LDA成像系統(tǒng)直接與圖像采集卡相結(jié)合,LDA成像系統(tǒng)采集的模擬圖像送到采集卡進行A/D轉(zhuǎn)換,再經(jīng)計算機圖像處理,其工作原理基本與圖像增強器相同,但LDA成像系統(tǒng)的分辨率比起圖像增強器成像系統(tǒng)的分辨率有較大的提高。另一種是LDA成像系統(tǒng)與CMOS(complementary metal-oxide-semiconduc-tor(transistor),互補金屬氧化物半導體(晶體管)傳感器相結(jié)合,一步完成射線光電轉(zhuǎn)換―數(shù)字采集的全過程,這種成像系統(tǒng)稱為LDA―CMOS射線數(shù)字直接成像系統(tǒng)。LDA―CMOS射線數(shù)字直接成像系統(tǒng)目前在各種成像系統(tǒng)中處于先進水平。LDA―CMOS射線―數(shù)字直接成像系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換方式大大減少了信號長距離傳輸和轉(zhuǎn)換過程的信號干擾,且光電陣列像素尺寸很小,因此,空間分辨率得到很大的提高。
線陣探測器―CMOS射線直接數(shù)字成像系統(tǒng)的造價比圖像增強器成像系統(tǒng)要高出許多,基于價格因素的考慮,對于普通產(chǎn)品的X射線實時成像系統(tǒng)多采用圖像增強器成像系統(tǒng),而對于要求較高的產(chǎn)品可采用線陣探測器―CMOS射線直接數(shù)字成像系統(tǒng)。如采用線陣探測器―CMOS射線直接數(shù)字成像系統(tǒng),X射線機可不受小焦點的限制,X射線機的造價相對較低。因為是線掃描,像素是逐線掃描成像,幾乎不存在幾何不清晰度,因此,圖像清晰度大大提高;但是,由于逐線掃描,成像檢測速度較慢?，F(xiàn)在國外有一種面陣列成像板,既可大大提高圖像的清晰度,又能提高檢測速度,但價格昂貴,現(xiàn)多用于海關(guān)集裝箱高能射線檢測裝置。
2.3圖像處理單元
圖像處理單元應具有圖像數(shù)據(jù)采集和處理功能。圖像數(shù)據(jù)采集方式可以是圖像采集卡或其它數(shù)字圖像合成裝置。圖像采集分辨率應不低于768×576像素,且保證水平方向分辨率與垂直方向分辨率之比為4∶3;動態(tài)范圍即灰度等級應不小于256級。
圖像采集卡安裝在計算機中,主要作用是進行A/D轉(zhuǎn)換,將成像系統(tǒng)采集來的模擬信號轉(zhuǎn)換為能被計算機識別的數(shù)字信號成為數(shù)字圖像。常用圖像采集卡的采集分辨率多為768×576像素,動態(tài)范圍為8 bit=256灰度級,隨著技術(shù)的發(fā)展,目前已有高分辨的圖像采集分辨率可達到1 k×1 k,動態(tài)范圍可達到12 bit=4096灰度級。如選用高分辨率的圖像采集卡,能大大提高系統(tǒng)分辨率,但價格較高。通常隨卡提供成像軟件。
2.4圖像處理軟件
圖像處理軟件應具有降噪、亮度對比度增強、邊緣增強等基本功能。圖像處理軟件應能適應相應檢測產(chǎn)品所規(guī)定的技術(shù)標準,具有圖像幾何尺寸標定和測量以及缺陷定位功能;在檢測圖像中標定的缺陷位置與實際位置誤差應≤2 mm,單個缺陷的測量精度為±0.5 mm。
圖像處理軟件基本上需要兩種,一種是控制軟件,其功能是通過數(shù)據(jù)總線發(fā)送命令來控制成像系統(tǒng),這些命令包括工件動作指令、成像裝置的校準、從采集卡得到圖像、圖像平面尺寸校定、圖像實時采集、圖像的同步處理和圖像儲存等。根據(jù)視頻技術(shù)理論,圖像采集速度達到25幀/秒即視為實時成像。如果對工件只進行普查,則可不起用圖像采集等指令。另一種是成像軟件,其功能是在計算機上顯示圖像,按所檢測工件的質(zhì)量標準進行缺陷等級評定,同時生成工件檢測數(shù)據(jù)庫文件,輸出評定報告,再將檢測圖像和數(shù)據(jù)庫文件同時保存到光盤等儲存介質(zhì)中去。如果檢測圖像的采集分辨率很高,采集的動態(tài)范圍很大,則圖像的數(shù)據(jù)容量很大,因此,成像軟件還應具有數(shù)據(jù)壓縮功能,由于檢測圖像是重要的技術(shù)資料,應采取無損壓縮,并應具有良好的解壓和回放再現(xiàn)功能。圖像處理軟件通常由X射線實時成像系統(tǒng)研制單位提供給使用單位,有條件的使用單位也可以自行開發(fā)圖像處理軟件。
2.5圖像顯示單元
圖像顯示采取黑白方式顯示圖像,顯示器點距不大于0.26 mm,顯示器應為逐行掃描,刷新頻率不小于85 Hz,圖像評定可選用17″～19″顯示器,使觀察者的視野感到更舒適。
2.6圖像儲存單元
檢測圖像可儲存在數(shù)字光盤等介質(zhì)中,儲存的數(shù)字圖像和有效信息不可修改和刪除,保留的數(shù)字圖像還應包含有原始的采集數(shù)據(jù)。對于要求保存3～30 a的重要檢測技術(shù)資料,應選擇CD―R一次性光盤,(CD―R光盤的保存期可達50 a),不能選擇CD―RW可擦寫光盤。
2.7計算機的基本配置
對于獨立的X射線實時成像系統(tǒng)至少應配置兩臺計算機,一臺用于圖像采集和圖像處理,另一臺用于圖像的評定和打印報告等,兩臺計算機用纜線連接。計算機硬件的基本配置要求奔騰Ⅲ600以上,256M內(nèi)存,20G硬盤,并配軟驅(qū)、光驅(qū)、打印機和刻錄機;軟件環(huán)境要求在windows2000操作系統(tǒng)下運行。
2.8檢測工裝或流水線
為實現(xiàn)工件的連續(xù)檢測,應有必要的檢測工裝設備或流水線,且應具有較高的機械精度。
2.9X射線實時成像檢測系統(tǒng)的選擇
實用的X射線實時成像檢測系統(tǒng)實際上是以上X射線實時成像系統(tǒng)的基本配置及多個影響因素有選擇性的組合,不同的組合會有不同的造價和使用功能;使用單位可根據(jù)以上X射線實時成像系統(tǒng)的基本配置及影響因素,再結(jié)合本單位的產(chǎn)品特點和產(chǎn)品的技術(shù)質(zhì)量檢驗標準以及自身的經(jīng)濟條件來選擇適合本單位使用的X射線實時成像系統(tǒng)。
3X射線實時成像系統(tǒng)性能評價指標分辨率
3.1系統(tǒng)分辨率
可以用多項技術(shù)性能指標來評價X射線實時成像系統(tǒng)的質(zhì)量特性,例如系統(tǒng)分辨率、靈敏度、最高承受電壓、系統(tǒng)的穩(wěn)定性、系統(tǒng)的連續(xù)工作時間、圖像的采集和圖像處理速度、檢測效率、圖像一次性檢測范圍(長度×寬度)、圖像的動態(tài)范圍、系統(tǒng)抗干擾性、系統(tǒng)的工作壽命、系統(tǒng)的價格性能比等多項指標,其中系統(tǒng)分辨率是重要的指標,系統(tǒng)中的每一個子系統(tǒng)發(fā)生變化,都會引起系統(tǒng)分辨率綜合性能的變化,所以,抓住了系統(tǒng)分辨率這個綜合指標,就等于抓住了X射線實時成像系統(tǒng)的關(guān)鍵。系統(tǒng)分辨率指標是X射線實時成像整個系統(tǒng)性能的綜合反映,系統(tǒng)分辨率越高,表示系統(tǒng)的技術(shù)性能越好。系統(tǒng)分辨率是系統(tǒng)設備客觀性能的反映,僅與系統(tǒng)的構(gòu)成及其性能有關(guān),與檢測工藝方法無關(guān),所以,系統(tǒng)分辨率也稱為固有分辨率。隨著系統(tǒng)設備的老化,系統(tǒng)分辨率也會衰退,因此,對系統(tǒng)分辨率應定期進行測試。系統(tǒng)分辨率可以用分辨率測試卡直接在系統(tǒng)中測試出來。
3.2實時成像系統(tǒng)分辨率的測試方法
將分辨率測試卡緊貼在X射線接收轉(zhuǎn)換裝置(例如圖像增強)器輸入屏表面中心區(qū)域,線對柵條與水平位置垂直(或平行),按如下工藝條件進行透照,并在顯示屏上成像:
(1)X射線管焦點至圖像增強器輸入屏表面的距離不小于700 mm;
(2)管電壓不大于40 kV;
(3)管電流不大于2 mA;
(4)圖像對比度適中。
在顯示屏上觀察測試卡的影像,觀察到柵條剛好分離的一組線對,則該組線對所對應的分辨率即為系統(tǒng)分辨率,系統(tǒng)分辨率的單位是“線對/毫米”(LP/mm)。
系統(tǒng)分辨率也可以用系統(tǒng)清晰度(單位是mm)來表述,它們之間的換算關(guān)系是“互為倒數(shù)的二分之一”。
3.3系統(tǒng)分辨率的作用
系統(tǒng)的設備配置確定之后,系統(tǒng)分辨率便是一個確定的參數(shù)。在實時成像檢測工藝中,通常是以系統(tǒng)分辨率作為已知參數(shù)來確定其他檢測參數(shù),例如,實時成像檢測的圖像通常是放大的圖像,確定圖像放大倍數(shù)就需用到系統(tǒng)分辨率(或系統(tǒng)不清晰度):
3.3系統(tǒng)分辨率指標
根據(jù)X射線實時成像檢測系統(tǒng)不同的配置,X射線實時成像檢測系統(tǒng)可分為A、AB、B三個級別來管理,A級的系統(tǒng)分辨率指標可定為≥1.4 LP/mm,用于普通產(chǎn)品的X射線實時成像檢測,例如汽車鋁合金輪轂、煉鐵高爐爐襯耐火磚以及食品罐頭的檢驗;AB級的系統(tǒng)分辨率指標可定為≥2.0 LP/mm,用于較重要的產(chǎn)品的檢測,例如鍋爐壓力容器壓力管道對接焊縫的檢測,汽車零部件、電子元器件的檢測;B級的系統(tǒng)分辨率定為≥3.0 LP/mm,用于重要產(chǎn)品的檢測,例如核工業(yè)產(chǎn)品、航空航天器材的檢測。
4圖像調(diào)制傳遞函數(shù)
從信息論的觀點來看,圖像的像素是檢測圖像的信息載體,像素可以具有不同的灰度級別,像素的多少以及灰度分布的組合構(gòu)成檢測的信息,檢測圖像的質(zhì)量(或信息)可以通過系統(tǒng)本身的傳遞特性反映出來。根據(jù)傅立葉級數(shù)和圖像信息理論,提出調(diào)制傳遞函數(shù)作為系統(tǒng)質(zhì)量或圖像質(zhì)量(信息)的評價依據(jù)。
4.1調(diào)制度(MTF)
調(diào)制度原本是無線電學中的概念,引用到射線檢測中來它就是對比度。被檢測物體成像對比度的再現(xiàn)能力用調(diào)制度來表征,其定義是:圖像中最大灰度與最小灰度之差和最大灰度與最小灰度之和的比值,用MTF表示:
式中MTF―調(diào)制度(0≤MTF≤1)
I1―最大灰度
I2―最小灰度
調(diào)制度與分辨率的關(guān)系可以用調(diào)制傳遞函數(shù)MTF曲線表示,見圖1。
調(diào)制傳遞函數(shù)可用MTF曲線來表示,橫座標是分辨率,縱座標是對比度。分辨率越小,MTF越大;分辨率越大,MTF越小。當分辨率大到一定程度時,MTF趨近于零(表示圖像分辨率的線條間距小到幾乎分辨不清)。這種程度到達得越遲表示圖像分辨率越高。在X射線實時成像檢測中通常將灰度設定為8 bit(28)即256級,試驗表明,正常人的眼睛能夠分辨的最低調(diào)制度為5%,通常以MTF為8%時對應的分辨率為圖像極限分辨率。
4.2MTF函數(shù)的傳遞作用
調(diào)制傳遞函數(shù)的作用有3:1)MTF曲線提供的信息是客觀的;2)對比度和分辨率是能夠測量的;3)MTF反映的信息是能夠傳遞的,即傳統(tǒng)中各個階段的圖像質(zhì)量有再現(xiàn)性,并且這種傳遞能夠用簡單“疊加”方法來獲得。因此MTF函數(shù)是較客觀和全面評價圖像質(zhì)量的一種方法。通常用MTF的函數(shù)來解釋系統(tǒng)的配置或圖像質(zhì)量現(xiàn)象,用MTF函數(shù)為圖像處理提供理論基礎。
4.3提高X射線實時成像系統(tǒng)分辨率的基本方法
為提高系統(tǒng)分辨率,系統(tǒng)設備的配置應盡可能選用高MTF的子系統(tǒng),且各子系統(tǒng)MTF應盡可能互相匹配,如果有一個子系統(tǒng)MTF較低,則會影響整個系統(tǒng)的分辨率(可謂是“木桶效應”);盡可能減少子系統(tǒng)的數(shù)量,盡可能選用集成器件。
摘自：中國計量測控網(wǎng)
