日聯快訊:X射線實時成像檢測技術的技術分析及發

1、X射線實時成像系統
X射線實時成像檢測技術作為一種新興的無損檢測技術，已進入工業產品檢測的實際應用領域。與其他檢測技術一樣，X射線實時成像檢測技術需要一套設備(硬件與軟件)作為支撐，構成一個完整的檢測系統，簡稱X射線實時成像系統。
 
X射線實時成像系統使用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后衰減，由射線接收/轉換裝置接收并轉換成模擬信號或數字信號，利用半導體傳感技術、計算機圖像處理技術和信息處理技術，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，然后將圖像數據保存到儲存介質上。X射線實時成像系統可用金屬焊縫、金屬或非金屬器件的無損檢測。
 
2、X射線實時成像系統的基本配置及影響因素
X射線實時成像系統主要由X射線機、X射線接收轉換裝置、數字圖像處理單元、圖像顯示單元、圖像儲存單元及檢測工裝等組成。

2.1、X射線機
根據被檢測工件的材質和厚度范圍選擇X射線機的能量范圍，并應留有一定的的能量儲備。對于要求連續檢測的作業方式，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量有較大的影響，小焦點能夠提高系統分辨率，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，焦點尺寸≤0.4mm×0.4mm;225 kV恒壓式X射線系統，焦點尺寸≤0.8mm×0.8mm;320 kV恒壓式X射線系統，焦點尺寸≤1.2mm×1.2mm;450 kV恒壓式X射線系統，焦點尺寸≤1.8mm×1.8mm。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"。
 
2.2、X射線接收轉換裝置
X射線接收轉換裝置的作用是將不可見的X光轉換為可見光，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射線接收轉換裝置的分辨率應不小于3.0LP/mm。
 
X射線接收轉換裝置子系統又稱為圖像成像系統，按目前成像的技術水平可分為兩種。
 
一種是以圖像增強器為主的傳統成像器系統。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)，它能夠將不可光的X光圖像轉換為可見光圖像，再經過光電陰極板的作用將可見光圖像轉換為相應的電子束，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Φ225mm(9″)、Φ150mm(6″)、Φ100mm(4″) 三種;Φ225mm(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;Φ100mm(4″)圖像增強器直徑較小，重量較輕，便于攜帶式作業，
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Φ150mm(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-linear diode arrays 線陣探測器)的成像系統，LDA含有
大量的電子元件和成像點，主要由發光晶體、光電二極管陳列，前端數據采集系統等組成，X射線閃爍體材料(常用晶體有基于磷屏的釔、GdWO4和CsI)能夠將X射線轉換為可見光，晶體安裝在眾多的光電二極管表面并按一定規則排列成為光電二極管陣列(大規型集成電路)，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，目前多采用線陳列探測器。線陣掃描探測器LDA成像系統按照結合方式又分為兩種，一種是LDA成像系統直接與圖像采集要卡相結合，LDA成像系統采集的模擬圖像送到采集卡進行A/D 轉換，再經計算機圖像處理，其工作原理基本與圖像增強器相同，但LDA成像系統的分辨率比起圖像增強器成像系統的分辨率有較大的提高。另一種是LDA成像系統與CMOD(complementary metal -oxidesemiconductor (transistor)，互補金屬氧化物半導體(晶體管))傳感器相結合，一步完成射線光電轉換、數字采集的全過程， 這種成像系統稱為LDA-CMOS射線數字直接成像系統。LDA-CMOS射線數字直接成像系統目前在各種成像系統中處于先進水平。LDA-CMOS射線數字直接成像系統的轉換方式大大減少了信號長距離傳輸和轉換過程的信號干擾，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射線直接數字成像系統的造價比圖像增強器成像系統要高出許多，基于價格因素的考慮，對于普通產品的X射線實時成像系統多采用圖像增強器成像系統，而對于要求較高的產品可采用線陣探測器-CMOS射線直接數字成像系統。如采用線陣探測器-CMOS射線直接數字成像系統，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在國外有一種面陣列成像板，既可大大提高圖像的清晰和
又能提高檢測速度，但價格昂貴，現多用海關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據采集和處理功能。 圖像數據采集方式可以是圖像采集卡或其它數字圖像合成裝置。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轉換，將成像系統采集來的模擬信號轉換為能被計算機識別的數字信號成為數字圖像。常用圖像采集卡的采集分辨率多為768×576像素，動態范圍為8bit=256灰度級，隨著技術的發展，目前已有高分辨的圖像采集分辨率可達到1k×1K，動態范圍可達到12bit=4096灰度級。如選用高分辨率的圖像采集卡，能大大提高系統分辨系率，但價格較高。
 
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品所規定的技術標準，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≤2mm，單個缺陷的測量精度為±0.5mm。
 
圖像處理軟件基本上需要兩種，一種是控制軟件，其功能是通過數據總線發送命令來控制成像系統，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。根據視頻技術理論，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，按所檢測工件的質量標準進行缺陷等級評定，同時生成工件檢測數據庫文件，輸出評定報告，再將檢測圖像和數據庫文件同時保存到光盤等儲存介質中去。
 
如果檢測圖像的采集分辨率很高，采集的動態范圍很大，則圖像的數據容量很大，因此，成像軟件還應具有數據壓縮功能，由于檢測圖像是重要的技術資料，應采取無損壓縮，并應具有良好的解壓和回放再現功能。圖像處理軟件通常由X射線實時成像系統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0.26mm，顯示器應為逐行掃描，刷新頻率不小于85Hz，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字光盤等介質中，儲存的數字圖像和有效信息不可修改和刪除，保留的數字圖像還應包含有原始的采集數據。對于要求保存3~30年的重要檢測技術資料，應選擇CDR一次性光盤，(CD-R光盤的保存期可達50年)，不能選擇CD-RW可擦寫光盤。
 
2.7、對于獨立的X射線實時成像系統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內存，20G硬盤，并配軟驅、光驅、打印機和刻錄機;軟件環境要求在windows2000操作系統下運行。
 
2.8、檢測工裝或流水線
為實現工件的連續檢測，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。
 
2.9、X射線實時成像檢測系統的選擇實用的X射線實時成像檢測系統實際上是以上X射線實時成像系統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;使用單位可根據以上X射線實時成像系統的基本配置及影響因素，再結合本單位的產品特點和產品的技術質量檢驗標準以及自身的經濟條件來選擇適合本單位使用的X射線實時成像系統。
 
3、X射線實時成像系統的分辨率
3.1、系統分辨率
可以用多項技術性能指標來評價X射線實時成像系統的質量特性，例如系統分辨率、靈敏度、
最高承受電壓、系統的穩定性、系統的連續工作時間、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)、圖像的動態范圍、系統抗干擾性、系統的工作壽命、
系統的價格性能比等多項指標，其中系統分辨率是重要的指標，系統中的每一個子系統發生變化，都會引起系統分辨率綜合性能的變化，所以，抓住了系統分辨率這個綜合指標，就等于抓住了X射線實時成像系統的關鍵。系統分辨率指標是X射線實時成像整個系統性能的綜合反映，系統分辨率越高，表示系統的技術性能越好。系統分辨率是系統設備客觀性能的反映，僅與系統的構成及其性能有關，與檢測工藝方法無關，所以，系統分辨率也稱為固有分辨率。隨著系統設備的老化，系統分辨率也會衰退，因此，對系統分辨率應定期進行測試。系統分辨率可以用分辨率測試卡直接在系統中測試出來。
 
3.2、實時成像系統分辨率的測試方法
將分辨率測試卡緊貼在X射線接收轉換裝置(例如圖像增強)器輸入屏表面中心區域，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700mm;
(2) 管電壓不大于40kv;
(3) 管電流不大于2mA;
(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分辨率，系統分辨率的單位是"線對/毫米"(LP/mm)。
系統分辨率也可以用系統清晰度(單位是mm)來表述，它們之間的換算關系是"互為倒數的二
分之一"。
 
3.3、系統分辨率的作用
系統的設備配置確定之后，系統分辨率便是一個確定的參數。在實時成像檢測工藝中，通常是以系統分辨率作為已知參數來確定其他檢測參數，例如 ，實時成像檢測的圖像通常是放大的圖像，確定圖像放大倍數就需用到系統分辨系(或系統不清晰度)：Mopt表示實時成像檢測工藝中的最佳放大倍數，Ui為系統不清晰度，d為射線源的焦點尺寸，均為已知數，代入公式即可算出Mopt ，令Mopt =M，這樣很快就可以確定檢測放大倍數M。
 
3.4、系統分辨率指標
根據X射線實時成像檢測系統不同的配置，X射線實時成像檢測系統可分為A、AB、B三個級別來管理，A級的系統分辨率指標可定為≥1.4LP/mm ，用于普通產品的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級的系統分辨率指標可定為≥2.0LP/mm，用于較重要和產品的檢測，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級的系統分辨率定為≥3.0LP/mm，用于重要產品的檢測，例如核工業產品、航空航天器材的檢測。
 
4、圖像調制傳遞函數
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成檢測的信息，檢測圖像的質量(或信息)可以通過系統本身的傳遞特性反映出來。根據傅立葉級數和圖像信息理論，提出調制傳遞函數作為系統質量或圖像質量(信息)的評價依據。
 
4.1、調制度(MTF)
調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能力用調制度來表征，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：
MTF --- 調制度 (0≤MTF≤1)
I1 --- 最大灰度
I2 - -- 最小灰度
調制度與分辨率的關系可以用調制傳遞函數MTF曲線表示：
 
調制傳遞函數可用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8bit(28)即256級，試驗表明，正常人的眼睛能夠分辨的最低調制度為5%，通常以MTF為8%時對應的分辨率為圖像極限分辨率。
 
4.2、MTF函數的傳遞作用
 
調制傳遞函數的作用有三：其一，MTF曲線提供的信息是客觀的;其二，對比度和分辨率是能夠測量的;其三，MTF反映的信息是能夠傳遞的，即系統中各個階段的圖像質量有再現性，并且這種傳遞能夠用簡單摰訑方法來獲得。因此MTF函數是較客觀和全面評價圖像質量的一種方法。通常用MTF的函數來解釋系統的配置或圖像質量現象，用MTF函數為圖像處理提供理論基礎。
 
4.3、提高X射線實時成像系統分辨率的基本方法
 
為提高系統分辨率，系統設備的配置應盡可能選用高MTF的子系統，且各子系統MTF應盡可能互相匹配，如果有一個子系統MTF較低，則會影響整個系統的分辨率(可謂是"木桶效應");盡可能減少子系統的數量，盡可能選用集成器件。5 X射線實時成像技術展望我國經過十多年的努力，X射線實時成像檢測技術作為一種新興的無損檢測技術已日臻成熟，其檢測圖像質量可以與射線照相底片質量相媲美，且由于使用光盤作為儲存介質，檢測成本大大降低，受到使用單位的歡迎，有不少未使用的單位也躍躍欲試;但是X射線實時成像系統的設備一次性投資較大，特別是一些關鍵部件如工業用的圖像增強器、高清晰度的CCD攝像機、LDA線陣掃描探測器、CMOS傳感器基本上還不能國產化，因此整個系統的設備價格降不下來，成為制約X射線實時成像技術發展的撈烤睌。實時成像技術與數碼相機技術有許多相同之
處，如今數碼相機已進入尋常百姓家，數字技術已進入各行各業。在迎接數字化時代到來的時候，我們廣大使用單位對我國無損檢測研制單位寄以厚望，希望X射線實時成像檢測系統能夠早日實現國產化，把價格降下來，使數字化的X射線實時成像檢測技術能夠進入更廣泛的應用領域。