數(shù)字射線檢測影像評價參數(shù)與透照參數(shù)的關(guān)系研究

謝縉云 ，張 尤 ，高鴻波 ,*，王樹鵬 ，杜本莉 ，鄔冠華 ，滿 龍

（1.無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室（南昌航空大學(xué)），南昌 330063；2.中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司，沈陽 110043；3.天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462）

0 引言

射線檢測作為五大常規(guī)無損檢測方法之一，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。數(shù)字射線（Digital Radiography，DR）檢測技術(shù)不僅較好地繼承了傳統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)點，還因其輻射劑量小，具有大動態(tài)范圍，可以實時數(shù)字化成像彌補(bǔ)了傳統(tǒng)膠片照相技術(shù)的缺點，正成為射線檢測技術(shù)發(fā)展應(yīng)用的主流方向[1-2]。

目前，DR 檢測仍存在對缺陷的長度測量誤差偏大、焊縫成像一致性受機(jī)械工裝的穩(wěn)定性影響、缺陷檢出率不穩(wěn)定等問題。數(shù)字射線檢測缺陷的量化方法還有待進(jìn)一步完善，其與傳統(tǒng)膠片照相技術(shù)在檢測結(jié)果的等價性評價方面還未形成行業(yè)共識，因此限制了數(shù)字射線技術(shù)在航空航天等對檢測靈敏度有較高要求的工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。當(dāng)前急需研究完善檢測圖像融合技術(shù)、缺陷圖像智能處理和識別分析技術(shù)，進(jìn)而提升DR 缺陷評判的效率和準(zhǔn)確性。

國內(nèi)外研究者對此進(jìn)行了廣泛的研究。雷錚強(qiáng)等[3-4]結(jié)合中俄東線輸氣管道建設(shè)，開展了傳統(tǒng)膠片照相檢測與DR 檢測工程應(yīng)用效果的對比試驗，以膠片檢測結(jié)果為基準(zhǔn)，DR 檢測的缺陷評判符合率為68%～98%，DR 檢測圖像通過對比度調(diào)節(jié)等圖像處理方法，呈現(xiàn)更多的缺陷細(xì)節(jié)信息和較高的對比度，但由于平板探測器尺寸限制，單個環(huán)焊縫的DR 檢測結(jié)果要進(jìn)行多次透照，DR 檢測效果不穩(wěn)定，需要進(jìn)一步完善發(fā)展DR 設(shè)備校驗等方面的技術(shù)管理體系。當(dāng)檢測對象結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成分多樣時，會造成在X 射線透照方向上等效厚度差異過大，因而單幅的圖像無法展現(xiàn)構(gòu)件完整結(jié)構(gòu)信息的情況。祁艷杰等[5]利用低動態(tài)范圍的X 射線成像系統(tǒng)，對在不同透照電壓下得到的大厚度比復(fù)雜構(gòu)件的X 射線序列圖像進(jìn)行自適應(yīng)融合，得到能完整展現(xiàn)該構(gòu)件結(jié)構(gòu)信息的融合結(jié)果，實現(xiàn)大厚度比復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的X 射線檢測。李金霞等[6]通過研究不同材料的平板探測器性能，比較了不同類型探測器量子探測效率（DQE）和調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）對DR 圖像空間分辨率和密度分辨率的影響，DQE 和MTF 值高則表明平板探測器產(chǎn)生的圖像質(zhì)量能夠達(dá)到較好的空間分辨率和密度分辨率。圖像的空間分辨率與信噪比是表征數(shù)字射線檢測能力的基本技術(shù)指標(biāo)并受各項透照參數(shù)影響[7-8]。

本研究以TC4 鈦合金板材為對象，對數(shù)字射線檢測透照參數(shù)（曝光量、放大倍數(shù)、焦距）與DR 圖像信噪比及空間分辨率的相關(guān)性進(jìn)行研究，分析透照參數(shù)對最終數(shù)字射線圖像質(zhì)量的影響，為數(shù)字射線成像檢測技術(shù)應(yīng)用于更廣泛的檢測領(lǐng)域提供相關(guān)依據(jù)。

1 圖像空間分辨率與信噪比的計算

在DR 檢測中，圖像空間分辨率是指系統(tǒng)所能分辨出的2 個相鄰細(xì)節(jié)間的最小距離，單位為Lp/mm。在實際測量中，常使用雙絲像質(zhì)計對圖像分辨率進(jìn)行計算：

式中，d為圖像中可辨別的最小絲徑尺寸，若該尺寸增大，計算所得的空間分辨率則會減小[9-11]。在使用雙絲像質(zhì)計來測量圖像的空間分辨率時，應(yīng)將雙絲像質(zhì)計緊貼工件擺放，其擺放位置與檢測所用的DR 成像板陣列方向成2°～5°傾斜角。

利用圖像處理軟件對圖像進(jìn)行處理，如圖1所示。計算出雙絲像質(zhì)計每一線對2 根絲之間的灰度下降值與2 根絲灰度值的比值大小，從所有灰度下降幅度比（調(diào)制度）小于20%的線對中，選取最大的絲徑尺寸進(jìn)行計算即可得到圖像空間分辨率。

圖1 雙絲像質(zhì)計影像及線灰度曲線圖Fig.1 Image of duplex wire image quality indicator and curve of gray value

在圖像空間分辨率的實際測量中，可通過運(yùn)用程序自動識別線灰度曲線圖并計算其調(diào)制度，對調(diào)制度大于0 的數(shù)據(jù)點進(jìn)行線性擬合，再以調(diào)制度為20%對應(yīng)的絲徑大小作為圖像空間分辨率的計算基準(zhǔn)，此方法有利于提高數(shù)據(jù)處理效率與圖像空間分辨率的精確度。由MATLAB 識別、擬合的調(diào)制度曲線圖如圖2 所示。

圖2 線灰度曲線圖及雙絲像質(zhì)計調(diào)制度與絲徑的擬合曲線Fig.2 Curve of gray value and fitting curve of measured degree of modulation (dipdepths) with respect to wire diameter from profile plot of wire pairs

信噪比（SNR）被定義為信號強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度的比值。SNR 越大，圖像質(zhì)量越好。SNR 的實際測量是利用圖像處理軟件在數(shù)字圖像有效評定區(qū)內(nèi)測量所得的平均灰度值和灰度標(biāo)準(zhǔn)差之比來作為圖像信噪比數(shù)值。

2 DR 系統(tǒng)及其組成

DR 成像檢測系統(tǒng)主要由射線機(jī)、射線接收轉(zhuǎn)換裝置（探測器）、計算機(jī)系統(tǒng)（圖像采集單元、圖像處理單元、圖像顯示單元以及圖像存儲單元）、機(jī)械傳動裝置等組成[12-15]。

實驗DR 系統(tǒng)采用ISOVOLT320 Titan E X 射線機(jī)，最高管電壓為320 kV，焦點尺寸為0.4 mm；平板探測器型號為XRD 0822 型（圖3），其中閃爍體材料為CsI，單元大小為200 μm×200 μm，成像矩陣為1024×1024，A/D 位數(shù)為16 位。實驗透照工件為厚度6 mm 且無缺陷TC4 鈦合金板。

圖3 XRD 0822 平板探測器Fig.3 XRD 0822 flat panel detector

3 實驗及結(jié)果分析

3.1 曝光量對圖像空間分辨率與信噪比影響

對厚度為6 mm 的鈦合金材料進(jìn)行DR 透照實驗，改變透照的曝光量，依次調(diào)節(jié)管電流為2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5 mA，保持其他透照參數(shù)不變，其中，管電壓設(shè)為90 kV，積分時間設(shè)為1.5 s，放大倍數(shù)為2。

圖4 為管電流改變時對應(yīng)的可識別最小絲徑尺寸曲線圖。曝光量是管電流與積分時間的乘積，積分時間1.5 s 保持不變，故管電流的大小可表征曝光量的增減?？勺R別的最小絲徑尺寸越小則代表對應(yīng)的圖像空間分辨率越高；因此，圖4 實際表征了圖像空間分辨率隨曝光量變化的關(guān)系。

圖4 可識別最小絲徑尺寸隨管電流變化曲線Fig.4 Recognizable minimum wire diameters changing with increased tube current

由圖4 可知，可識別的最小絲徑尺寸隨著管電流的增加變化并不明顯，由此可知，在測量范圍內(nèi)，分辨率與曝光量無明顯相關(guān)關(guān)系。圖像的空間分辨率限定了圖像所能分辨的、處于與射線束垂直平面內(nèi)的細(xì)節(jié)的最小尺寸，它受圖像不清晰度決定，在射線檢測系統(tǒng)成像過程主要有2 方面因素對不清晰度產(chǎn)生影響：一是射線管焦點非理想點光源，因焦點尺寸的存在，使物平面上的點在像平面上投影為一個擴(kuò)散斑；二是因探測器閃爍體對光擴(kuò)散作用以及采樣函數(shù)的影響，所成的像也產(chǎn)生邊緣模糊。曝光量改變時影響空間分辨率的射線源焦點尺寸與探測器像素尺寸均沒有變化，所以圖像空間分辨率不受影響。

圖像信噪比實驗結(jié)果如圖5 所示，DR 圖像信噪比隨管電流的升高而增大，即隨曝光量的增加而增大。這是由于曝光量增加，到達(dá)探測器每一成像單元的X 射線光子數(shù)也大大增加，像素單元中光電二極管（或電極）向電荷存儲電容輸送的電荷也越多，灰度值將增加，故像素的有效因子增加，在提高信號的強(qiáng)度同時壓制了影響數(shù)字圖像質(zhì)量的電子噪聲，因此在測量范圍內(nèi)，曝光量與圖像信噪比呈正相關(guān)。

圖5 圖像信噪比隨管電流變化曲線Fig.5 SNRs changing with increased tube current

3.2 放大倍數(shù)對圖像空間分辨率與信噪比影響

對鈦合金板進(jìn)行DR 透照實驗，改變其透照的放大倍數(shù)（即改變被測工件到射線源距離，20～100 cm，每隔10 cm 進(jìn)行一次拍攝），保持其他透照參數(shù)不變，其中，管電壓設(shè)為90 kV，積分時間設(shè)為1.5 s，管電流為7 mA。圖6 為可識別最小絲徑尺寸隨放大倍數(shù)改變時的對應(yīng)關(guān)系曲線。

由圖6 可知，隨放大倍數(shù)的增加，可識別最小絲徑尺寸越小，即圖像空間分辨率整體呈增加的變化趨勢。對于一個具體的輻射探測器，采用焦點尺寸較小的射線源，選用較大的放大倍數(shù)可以提高圖像分辨率。本研究的射線源焦點尺寸為0.4 mm，屬于小焦點，因此，圖像空間分辨率隨放大倍數(shù)增加而呈現(xiàn)正相關(guān)。

圖6 可識別最小絲徑尺寸隨放大倍數(shù)變化曲線Fig.6 Recognizable minimum wire diameters changing with enlarged magnification

保持其他透照參數(shù)不變，計算其圖像同一區(qū)域的信噪比，繪制圖像信噪比隨放大倍數(shù)變化的曲線，如圖7 所示。由圖7 可知，當(dāng)放大倍數(shù)在1.0～1.25 范圍內(nèi)時，圖像信噪比急劇增加；當(dāng)放大倍數(shù)大于1.25 倍后，信噪比緩慢增大，直至放大倍數(shù)大于3.5 倍之后，信噪比幾乎不再變化。

圖7 圖像信噪比隨放大倍數(shù)變化曲線Fig.7 SNRs changing with enlarged magnification

這種情況的產(chǎn)生原因比較復(fù)雜，可能與非均勻輻射場所造成的結(jié)構(gòu)噪聲和工件散射線引起的量子噪聲相互競爭有關(guān)。射線源產(chǎn)生的是錐束輻射，當(dāng)放大倍數(shù)較小時，輻射場不均勻性較小，所以結(jié)構(gòu)噪聲小，但是工件與探測器距離短，工件產(chǎn)生的散射線所造成的量子噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這時的結(jié)構(gòu)噪聲而占主導(dǎo)地位，因此信噪比較低，隨放大倍數(shù)提高，工件與探測器距離增大，落在探測器上的散射線劑量減小，量子噪聲下降，所以在放大倍數(shù)從1～1.25 的過程中圖像信噪比急劇增加。放大倍數(shù)繼續(xù)增加，工件與探測器間距離也進(jìn)一步增大，由散射引起的量子噪聲進(jìn)一步減小，而錐束場不均勻引起的結(jié)構(gòu)噪聲又居于主導(dǎo)地位，所以圖像信噪比隨放大倍數(shù)增加而緩慢增加到峰值。隨后，當(dāng)放大倍數(shù)繼續(xù)增加，工件與探測器距離不斷增大，結(jié)構(gòu)噪聲與量子噪聲基本趨于達(dá)到穩(wěn)定值信噪比不再繼續(xù)變化。

3.3 射線源到探測器距離對圖像空間分辨率與信噪比的影響

改變射線源到平板探測器距離（焦距）進(jìn)行透照實驗。焦距從100 cm 增加至180 cm，每隔20 cm進(jìn)行一次拍攝，保持其他透照參數(shù)不變，管電壓設(shè)為90 kV，積分時間設(shè)為1.5 s，放大倍數(shù)為2?？勺R別最小絲徑尺寸隨射線源到平板探測器距離變化曲線如圖8 所示。

圖8 可識別最小絲徑尺寸隨源與探測器距離變化曲線Fig.8 Recognizable minimum wire diameters changing with variable distances from the X-ray source to the panel detector

可識別最小絲徑尺寸隨焦距的增大而減小，即圖像空間分辨率隨焦距的增大呈增加的趨勢。這種情況的原因是由于在其他條件不變的情況下，焦距增加，圖像幾何不清晰度減小，從而提高了小細(xì)節(jié)的分辨力，因而空間分辨率隨焦距增加而呈現(xiàn)正相關(guān)，這與常規(guī)射線檢測原理相一致。

保持其他透照參數(shù)不變，對得到的數(shù)字圖像進(jìn)行測量計算每張圖像同一區(qū)域的信噪比，實驗結(jié)果如圖9 所示。

圖9 圖像信噪比隨源與探測器距離變化圖Fig.9 Changing SNRs with respect to distance from the X-ray source to the panel detector

由圖9 可知，信噪比隨焦距的增加呈現(xiàn)遞增變化的趨勢，在測量范圍內(nèi)，焦距越大，其對應(yīng)的圖像信噪比越高。這種情況在于保持放大倍數(shù)不變焦距增加，工件與探測器距離增加，散射造成的量子噪聲和輻射場不均勻帶來的結(jié)構(gòu)噪聲均大幅度減小從而提高了圖像信噪比。

4 結(jié)論

1）積分時間保持不變的情況下，管電流的增加即為曝光量的增加?？勺R別最小絲徑越小，其圖像分辨率越高。鈦合金DR 檢測時，當(dāng)管電流為2.0～8.5 mA 時，圖像空間分辨率隨著曝光量的增加無明顯關(guān)系，DR 圖像信噪比隨曝光量的增加而增大。

2）管電壓90 kV，管電流為7.0 mA 不變，放大倍數(shù)在1.0～5.0 范圍內(nèi)，鈦合金DR 檢測圖像分辨率隨放大倍數(shù)的增加整體呈遞增趨勢；且隨放大倍數(shù)的增加，圖像信噪比在放大倍數(shù)1.0～3.5 之間增加速度先急后緩達(dá)到峰值，放大倍數(shù)3.5 倍之后，信噪比幾乎不再變化。

3）保持放大倍數(shù)為2，焦距為100～180 cm 時，鈦合金DR 檢測圖像空間分辨率和圖像信噪比與焦距呈正相關(guān)。