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中北大学学位论文 复合材料x 射线数字成像检测技术研究 摘要 复合材料具有重量轻、强度高、耐腐蚀、抗疲劳性能好和膨胀系数低等特点，已广 泛应用于航空航天、国防、电子电气、建筑等领域。但复合材料制品在生产和使用过程 中可能产生缺陷，引起质量问题，造成重大经济损失和人员伤亡，因此对其进行无损检 测非常必要。目前，x 射线检测仍然是复合材料无损检测最常用的检测方法之一。但是 复合材料x 射线检测图像存在灰度一致性差、对比度低、缺陷边缘模糊等特点，给复合 材料内部缺陷的检测与识别带来了一定的困难。 基于以上背景，本课题重点研究了复合材料内部微弱缺陷的x 射线检测技术及射线 图像处理算法。具体内容包括：( 1 ) 以中心四轴d r c ，i 检测系统为实验平台，对复合材 料的x 射线衰减规律进行了研究，为正确选择实验参数和提高系统检测灵敏度提供了重 要依据；( 2 ) 针对复合材料的结构特性与x 射线检测本身的特点，对x 射线检测图像进 行特征分析，重点研究了材料特性对复合材料检测图像的影响；( 3 ) 在图像预处理方面， 主要对散射噪声抑制方法进行了研究，针对传统处理方法的不足，提出了基于构造函数 的散射噪声抑制方法；( 4 ) 在缺陷检测方面，本文提出了基于经验模式分解( e m p i r i c a l m o d ed e c o m p o s i t i o n ，简称e 肋) 和迭代阈值分割的缺陷检测算法，成功地实现了复合 材料内部微弱缺陷的提取和分割。 实验结果表明，采用上述方法不仅能从根本上改善复合材料x 射线检测图像的质量， 而且能显著增强图像缺陷特征，并能成功提取和分割缺陷区域，为今后复合材料缺陷的 自动检测和识别，提供了重要的理论依据。 关键词：复合材料，x 射线检测，缺陷提取，阈值分割 中北大学学位论文 r e s e a r c ho i lx r a yd i g i t a lr a d i o g r a p h i ct e c h n o l o g y f o rc o m p o s i t em a t e r i a l s i o ro m p o s l t em a t e n a l s a b s t r a c t c o m p o s i t em a t e r i a l sa r ew i l d l ya p p l i e di nm a n yf i e l d ss u c ha ss p a c ei n d u s t r y , n a t i o n a l d e f e n s ea n dc o n s t r u c t i o n , f o rc o m p o s i t em a t e r i a l sh a v ec h a r a c t e r i s t i c so fl i g h t n e s s ，h i g h i n t e n s i t y , b e i n ge a s yt ob em o d e l e d , 9 0 0 da n t i c o r r o s i v ep r o p e r t i e s ，f a t i g u er e s i s t a n ta n dl o w e x p a n s i o nc o e f f i c i e n t b u tt h ep r o d u c t i o na n da p p l i c a t i o no ft h ep r o d u c t sm a d eo fc o m p o s i t e m a t e r i a l sm a yc a u s ed e f e c t st h a tc o u l dm a k ee c o n o m i c a ll o s sa n dp e r s o l l a li n j u r i e s c o n s e q u e n t l yt h en o n d e s t r u c t i v et e s t i n gf o rc o m p o s i t em a t e r i a l si sr e q u i r e d a tp r e s e n t , x - r a y t e s t i n gi ss t i l lo n e o ft h en o n d e s t r u c t i v et e s t i n gm e t h o d so fc o m p o s i t em a t e r i a l s b u tt h ex - r a y i m a g e so fc o m p o s i t em a t e r i a l sh a v ec h a r a c t e r i s t i c so fp o o rc o n s i s t e n c yo f 铲a y ，l o wc o n t r a s t ， f u z z yd e f e c t se d g e w h i c hm a k et h et e s t i n ga n di d e n t i f i c a t i o no fi n n e rd e f e c t so fc o m p o s i m m a t e d a l si sd i 伍c u l t b a s e do nt h i sb a c k g r o u n d , t h i sp a p e rs t u d i e dt h ex - r a yd i 西t a lr a d i o g r a p h i ct e c h n o l o g ) ， f o rc o m p o s i t em 删a l sa n dt h ea l g o r i t h mo fx r a yi m a g ep r o c e s s i n g t h es p e c i f i cw o r kd o n e i nt h i sp a p e ri sa sf o l l o w i n g ：( 1 ) t h ex - r a ya t t e n u a t i o nr u l eo fc o m p o s i t em a t e r i a l sw a ss t u d i e d 而廿lt a k i n gt h e4 - a x e sc e n t r ed r c td e t e c t i o ns y s t e ma st e s t i n gp l a t f o r mi nt h i sp a p e r , w h i c h p r o v i d e di m p o r t a n tb a s i sf o ra c c u r a t ep a r a m e t e r ss e l e c t i n ga n di m p r o v i n gs e n s i t i v i t yo ft h e s y s t e m ( 2 ) a i m i n ga tt h es t r u c t u r ep r o p e r t i e so fc o m p o s i t em a t e r i a l sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f x r a yd e t e c t i o n , t h ef e a t u r e so fx - r a yi m a g e sw a sa n a l y z e da n dt h ei m p a c to ni m a g e sc a u s e d b yt h em a t e r i a lp r o p e r t i e sw a sm a i n l ys t u d i e si nt h ep a p e r ( 3 ) i nt h ei m a g ep r e p r o e e s s i n g , t h e e m p h a s i si sp l a c e do nt h ea l g o r i t h mr e s e a r c ho fr e s t r i c t i n gt h es c a t t e r i n gn o i s ea n da c c o r d i n g t ot h ed e f i c i e n c yo ft h et r a d i t i o n a la p p r o a c h , t h es c a t t e r i n gn o i s er e d u c t i o nm e t h o db a s e do n t h ec o n s t r u c t o ri sp u tf o r w a r d ( 4 ) o nt h ea s p e c to fd e f e c ti n s p e c t i o n , t h ed e f e c t i o na l g o r i t h m b a s e do ne m d ( e m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n ) a n di t e r a t i o nt h r e s h o l ds e g m e n t a t i o nw a s 中北大学学位论文 p r o p o s e di nt h ep a p e r , a n dt h ee x t r a c t i o na n ds e g m e n t a t i o no ft h ei n t e r n a lf a i n td e f e c t so f c o m p o s i t em a t e r i a l sw a s r e a l i z e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea b o v em e t h o d sc a nn o to n l yi m p r o v et h ei m a g e q u a l i t yf u n d a m e n t a l l y , b u ta l s oe n h a n c et h ei m a g ed e f e c tf e a t u r e ss i g n i f i c a n t l ya n de x t r a c ta n d d i v i d et h ed e f e c ta l e as u c c e s s f u l l y , w h i c hp r o v i d e da ni m p o r t a n tt h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h e a u t o m a t i cd e t e c t i o na n di d e n t i f i c a t i o no f d e f e c t so fc o m p o s i t em a t e r i a l si nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：c o m p o s i t em a t e r i a l s ，x - r a yd e t e c t i o n , d e f e c t se x t r a c t i o n , t h r e s h o l d s e g m e n t a t i o n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：专 爱垄e t 期：论文作者签名：堡! 墼期： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包 括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件； 学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复 制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容 ( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名： 导师签名： 日期： e l 期：2 丝墨：茎! ! j 中北大学学位论文 1 1 研究目的及意义 第一章绪论 复合材料在使用前及使用过程中可能产生缺陷，引起质量问题，甚至导致整个制品 的报废，造成重大经济损失和人员伤亡。为了保证复合材料制品的安全使用，通过必要 的无损检测手段控制复合材料制品的质量是非常必要的。本课题就是针对复合材料制品 的无损检测问题而提出来的，重点研究复合材料内部微弱缺陷的x 射线检测技术及射线 图像处理算法。 在复合材料制造过程中，由于难以对各种工艺参数进行精确控制，导致复合材料结 构质量不稳定，具有一定的随机性，缺陷的存在不可避免；另外，使用过程中的静载荷、 机械损伤、疲劳、蠕变、过热等原因也会引起复合材料中损伤的产生n 1 ，而损伤的产生、 扩展与积累将会加剧材料的环境与应力腐蚀，加速材料的老化，造成材料湿热性能严重 下降，强度与刚度急剧损失，大大降低结构的使用寿命，有时还可能会造成灾难性的后 果乜1 。因此，在复合材料结构使用前以及使用过程中对其进行无损检测( n d t ) 就显得极 为重要。 适用于复合材料结构的无损检测技术很多，不同的检测技术对不同类型缺陷的敏感 性差别很大，同时还与结构的材料类型、制造工艺、材料结合方式、壁厚等因素密切相 关口1 。本文采用x 射线对复合材料进行无损检测研究。由于复合材料自身存在晶粒粗大， 排列不规则，各项异性强等特殊的结构，导致x 射线检测图像具有灰度一致性差、对比 度低、缺陷边缘模糊，甚至一些微弱缺陷被淹没的特点，从而给复合材料内部缺陷的检 测与识别带来了一定的困难。因此，对复合材料内部微弱缺陷进行x 射线数字成像检测 技术研究具有重要意义。 1 2 国内外研究现状 l 中北大学学位论文 1 2 1 复合材料无损检测研究现状 复合材料之所以能够成为2 0 世纪迅速地在工业部门推广应用的新材料、新结构， 在航空航天工业、汽车工业、海洋工程、甚至超导工程中得到了广泛应用，无损检测技 术发挥了十分重要的推动作用。由于复合材料的先进性与其质量的离散性和高成本性并 存，在实际应用中，即使是经过研究和实验制定的合理工艺，在结构件的制造过程中还 可能会产生缺陷，引起质量问题，严重时还会导致整个结构件的报废，造成重大经济损 失。因此，国外自7 0 年代以来，就针对复合材料的研究、应用开展了全方位的无损检 测技术研究。早期主要是沿用金属材料所采取的一些检测方法，进行复合材料的无损检 测技术探索，随着研究工作的深入，人们对复合材料的内部规律和缺陷特征有了更深的 认识，发现完全采用常规金属材料无损检测的方法不能解决复合材料的无损检测问题， 因此进入8 0 年代后，才真正走向复合材料的无损检测，研究出了许多适合复合材料特 点的无损检测新技术、新方法，从而为解决复合材料的无损检测，促进复合材料的推广 应用发挥了重要作用h 1 。 目前，可应用于复合材料无损检测的方法有超声波、x 射线、计算机层析照相( c 1 ) 、 红外热成像、声一超声法、声发射法、微波、目视法、渗透法及敲击法等。 ( 1 ) 超声检测 超声检测技术，特别是超声c 扫描，由于显示直观、检测速度快，已经成为大型先进 复合材料构件普遍采用的检测技术。i c if i b e r i t e 公司采用9 轴式c 扫描，对蜂窝泡沫 夹芯等复杂结构的复合材料构件进行了无损检测；麦道公司专门为复合材料曲面构件设 计了第五代自动超声扫描系统，利用该系统可确定大型复合材料构件内的缺陷尺寸； d w o s 公司的先进复合材料研究室，还用超声波确定了各种损伤参数( 深度、形状、面积、 直径以及分层频率等) 与有机纤维复合材料压缩强度的关系；波音公司研究小组的研究 结果表明，超声检测技术不仅可以检测损伤，而且还可以确定损伤对复合材料构件承载 能力的影响陌1 。超声检测技术不仅能有效检测出先进复合材料中的分层、脱粘、孔隙、 裂纹和夹杂等缺陷，而且在判断材料的疏密、密度、纤维取向、屈曲、弹性模量、厚度 等特性和几何形状等方法也有一定的作用嗍，超声检测技术对于分层类缺陷的检测灵敏 度最小值为2 0 m 2 0 咖，对于其它类型缺陷的灵敏度为2 咖2 5 衄，超声检测技术的缺点 2 中北大学学位论文 是检测效率低、对不同类型的缺陷要使用不同规格的探头，而且在检测过程中需要使用 耦合剂。 ( 2 ) x 射线检测 x 射线无损探伤是检测复合材料损伤的常用方法。目前常用的是胶片照相法，它是 检查复合材料中孔隙和夹杂物等体积型缺陷的优良方法耵1 ，对增强剂分布不匀也有一定 的检出能力，因此是一种不可缺少的检测手段。该方法检测分层缺陷很困难，裂纹一般 只有当其平面与射线束大致平行时方能检出，所以该法通常只能检测与试样表面垂直的 裂纹，可与超声反射法互补。 随着计算机技术的飞速发展，一种新型的无损检测方法“x 射线实时成像检测技术 己应运而生，开始应用于结构的无损探伤。x 射线实时成像无论在检测效率、经济、表 现力、远程传送、方便实用等方面都比照相底片更胜一筹，因而具有良好的发展前景。 ( 3 ) 计算机层析成像检测 计算机层析照相( c t ) 应用于复合材料研究已有十多年历史。这项工作的开展首先利 用的是医用c 1 扫描装置，由于复合材料和非金属材料元素组成与人体相近，医用c t 非 常适于检测其内部非微观( 相对于电子显微镜及金相分析) 缺陷以及测量密度分布，但医 用c t 不适合检测大尺寸、高密度( 如金属) 物体。因此，2 0 世纪8 0 年代初，美国a r a c o r 公司率先研制出用于检测大型固体火箭发动机和小型精密铸件的工业c t 。其特点是：高 空间分辨力和密度分辨力( 通常 0 5 ) 、检测动态范围大阳1 、成像的尺寸精度高、可实现 直观的三维图像，在足够的穿透能量下试件几何结构不受限制。其局限性表现为检测效 率低、检测成本高、双侧透射成像( 相对于反射式c t ) ，不适于平面薄板构件以及大型构 件的现场检测。c t 主要用于：1 ) 检测非微观缺陷( 裂纹、夹杂物、气孔和分层等) ；2 ) 测量密度分布( 材料均匀性、复合材料微气孔含量) ；3 ) 精确测量内部结构尺寸( 如发动 机叶片壁厚) ；4 ) 检测装配结构和多余物；5 ) 三维成像与c a d c a m 等制造技术结合而形 成的所谓反馈工程( r e ) m 。， ( 4 ) 红外热成像检测 红外热成像检测方法特别适合于检测复合材料薄板与金属粘接结构中的脱粘类缺 陷，尤其是当零件或组件不能浸入水中进行超声c 一扫描检测以及零件表面形状使得超声 检测实施比较困难时也可使用红外热成像检测方法n 们。红外热成像方法对于复合材料中 3 中北大学学位论文 的分层也具有很大的探测潜力，能够准确确定出复合材料中分层的深度n ，而且该方法 具有非接触、实时、高效、直观的特点。美国n a s a 兰利研究中心的w i l l i a mp w i n f r e e 等人采用红外热成像方法对复合材料薄板中不同深度处的分层缺陷进行了检测；我国航 空材料及工艺研究所的陈桂才、清华大学的黄松林等人也曾用红外热成像方法对碳环 氧蒙皮铝蜂窝夹芯结构复合材料和泡沫加夹结构复合材料中的脱粘类人工缺陷进行了 检测。结果显示，采用有源红外热成像无损探伤方法检测复合材料中的分层以及复合材 料薄板与金属粘接结构中的脱粘缺陷是完全可行的，检测效果清晰直观，缺陷评判准确 可靠，而且检测速度快、效率高、检测结果可保存在计算机磁盘中，便于以后的分析与处 理。国外研究结果同时也表明，有三种条件限制了红外热波检测方法的灵敏度且因此影 响了它在孔检测方面的应用；( 1 ) 表面发射率；( 2 ) 面板或薄板的热传导系数；( 3 ) 面板 或薄板的厚度m 1 。 ( 5 ) 声一超声检测 声一超声( a u ) 技术又称应力波因子( s w f ) 技术。与通常的无损检测技术不同，a u 技术 主要用于检测和研究材料中分布的细微缺陷群及其对结构力学性能( 强度或刚度等) 的 整体影响，属于材料的完整性评估技术n 引引。采用声一超声振幅c 扫描技术也能够对复合 材料与金属材料间的粘接界面进行有效检测，而且克服了超声反射技术信号清晰度不 高、超声透射技术传感器可达( 及) 性差的缺点。a u 技术在石墨一环氧单向板的冲击损伤 测试中曾有很好的s w f 与冲击次数的关联关系n 引。宁志威和孙良新n 钉采用普通压电陶瓷 传感器和数字式示波器替代商用声发射仪器，对具有预冲击脱层损伤的碳一碳复合材料 薄板作了a u 测试。 ( 6 ) 声发射检测 声发射( a e ) 又称应力波发射，是指物体在受力作用下产生变形、断裂或内部应力超 过屈服强度而进入不可逆的塑性变形，以瞬态弹性波形式释放应变能的现象。随着声发 射研究领域的扩大，声发射的含义也已广义化，如泄漏、轴承的滑动、钻井过程和木材干 燥时发出的声音等也被称为a e n 帕。 声发射技术作为一种检测技术起步于5 0 年代初的德国n 。6 0 年代，该技术在美国 原子能和宇航技术中迅速兴起，并在玻璃钢固体发动机的检测方面出现工业应用的首 例n 8 1 。7 0 年代，在日、欧及我国相继得到发展，但因当时的技术和经验所限，仅只获得 4 中北大学学位论文 有限的成功。8 0 年代，声发射技术开始获得较为正确的评价，并获得迅速发展，已在金 属和玻璃钢压力容器、储罐、管道等重要领域进入工业应用和标准化阶段。随着计算机 技术和信号处理技术的迅猛发展，以美国物理声学公司( p a c ) 为代表的国际先进声发射 设备研制公司在声发射技术软硬件方面的一些重大突破，以及新的数字化声发射系统 和相应的商业化实用软件包的推出，已能获得复合材料缺陷与损伤，在其萌生和发展中， 甚为丰富的和极其活跃的信息，使声发射技术成为在复合材料等先进的、新型材料研究 和生产中不可替代的动态无损检测技术。它的缺点是损伤产生的信号与噪声较难区分。 ( 7 ) 微波检测 微波在复合材料中穿透能力强、衰减小，适合于复合材料的无损检测。它可以克服 常规检测方法的不足( 如超声波在复合材料中衰减大、难以检测内部较深部位缺陷，射线 检测对平面型缺陷灵敏度低等) ，对复合材料结构中的孔隙、疏松、基体开裂、分层和脱 粘等缺陷具有较高的灵敏性。据报道，美国在2 0 世纪6 0 年代就采用微波技术对大型导 弹固体发动机玻璃钢壳体中的缺陷和内部质量进行检测；我国的陆荣林n 胡等人也采用微 波反射技术对不同复合材料中的空洞型缺陷进行了检测。结果证明了微波检测技术对复 合材料中缺陷检测的有效性。 除上述检测技术外，还有目视法、渗透法、敲击法等其它技术也可用于复合材料的 无损检测。 1 2 2x 射线实时成像检测技术研究现状嘲 射线实时成像检测技术是实时地将射线照相的强度分布转换为可见光图像，然后对 检验结果做出评定的技术。这种技术几乎与胶片射线照相检验技术同时产生，但由于各 方面的技术限制，没有像射线照相技术发展的那样完全，真正的发展是随着光电材料、 增强技术、接收器件及计算机技术的发展而发展起来的。早期的射线实时成像检测系统 主要是荧光屏实时成像检验系统，目前应用的射线实时成像检验系统有多种，主要是图 像增强器、面阵歹j 和线阵列射线实时成像检验系统等。面阵列和线阵列射线实时成像检 验系统是近年发展起来的数字实时成像检验系统，它们使用基于非晶硅的闪烁检测器和 t f t s 制成的面阵列或线阵列获取信号。这种实时成像检验系统的主要特点是：具有很高 的分辨力和很大的动态范围，可检验厚度或密度差很大的物体。 5 中北大学学位论文 7 0 年代开始，我国一些工业部门开始引入图像增强器射线实时成像检验系统，目前 主要应用于复合材料、轮胎、铸造汽车轮毅、蒸汽锅炉过热器、省煤器及水冷壁系统等 的对接焊缝检验。广东粤海钢瓶厂等对液化气钢瓶对接焊缝的图像增强器射线实时成像 检验与胶片射线照相检验作了大量对比和总结，形成了气瓶对接焊缝的图像增强器射线 实时成像检验技术，并制订了相应的国家标准。 近年来，我国电子工业部门引入了多台微焦点射线实时成像检验系统，主要是图像 增强器射线实时成像系统，用于检验电子元器件和印制板的锡焊点。兰州三磊电子公司 开发了线阵列射线实时成像检验系统，该系统已在我国航空航天工业应用于实际产品的 检验。该公司还研制了适用于管道焊缝检验的线阵列射线实时成像系统，对于改进管道 焊缝的射线检验具有重要意义。清华大学核研院研制了c o 印数字式集装箱检验系统，发 明的高灵敏度阵列探测器、低噪声前端电路和图像处理技术使系统的检测性能可与加速 器集装箱检查系统相比，样机已于1 9 9 7 年问世，现己装备部分海关。中北大学无损检 测中心研制的复杂产品内部结构装配正确性x 射线在线自动检测系统已成功应用于兵器 工业第2 1 2 研究所和长安汽车( 集团) 有限责任公司的检测工作当中，用户反映使用情况 良好。 1 2 3 散射校正研究现状 散射是影响射线成像系统空间分辨率的主要因素之一。散射导致边缘信息较大的损 失和图像对比度降低。散射影响图像中每一像素的灰度，是引起射线数字图像退化的主 要原因之一。对于散射问题，许多学者做了大量的研究，s t e v e nws 和r o b e r tak 运用 信号处理的方法建立了散射模型，利用蒙特卡罗( m o n t ec a r l o ) 法和x 射线衰减的规律归 纳了点扩展函数，并用在此散射模型的基础之上建立的非线性滤波器对图像进行了二维 处理口u 。f r e d r i c kcw 等人从频率域研究了只在空气隙作用下的散射分布的点扩展函数， 并讨论了利用该函数进行反卷积剔除散射的技术幽1 。v i c e n t efg 等人就卷积核作了详 细的研究，他们认为高斯卷积核是最为有效的、与实验最为吻合的形式嘲。但是这些方 法受射线发生器的能量级别、检测方法等实验条件和被检测物体本身结构复杂度以及环 境的影响较大，准确获取点扩展函数较为困难。常常是对于一定条件下的理论模型和方 法并不适合其它条件下的实验处理要求。故使得理论模型的普适性较弱，造成建模的重 6 中北大学学位论文 复操作，不利于实时检测和处理。 1 2 4 经验模式分解研究现状 经验模式分解( e m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n ，简称e 佃) 方法是由美国n a s a 的 黄锷博士提出的一种信号分析方法乜钔。它依据数据自身的时间尺度特征来进行信号分 解，无须预先设定任何基函数。这一点与建立在先验性的谐波基函数和小波基函数上的 傅里叶分解与小波分解方法具有本质性的差别。正是由于这样的特点，e m d 方法在理论 上可以应用于任何类型的信号的分解，因而在处理非平稳及非线性数据上，具有非常明 显的优势。 h u a n g 等人主要建立了e m d 的基本框架，分析了e m d 的基本依据，引入了固有模态 的概念，提出了经验模态分解和连续均值筛法，定义了h i l b e r t 谱和边际谱概念，讨论 了e 肋的完备性和正交性问题，比较了e m d 算法和小波及其它信号分析方法的区别，研 究了e m d 算法在非线性系统分析、水波分析、风速分析、潮汐和海啸分析、海洋环流分 析和地震信号分析等中的应用啮1 ，针对e m d 过程中出现的模态混叠问题，给出了基于周 期尺度的解决措施。后来h u a n g 又把它应用到其他领域，如生物医药和经济领域，用来 研究肺部血压在缺氧状态下的响应和股票波动规律等现象嘲阁瑚1 ；其它的学者也在这方 面作了一些尝试，如h l i a n g 就是用此方法来分析心、肺和胃部信号，在病理研究上取 得了良好的效果泅1 。 j c n u n e s 首次把e m d 算法推广到二维图像处理领域，提出了相应的二维e m d 算法 ( b i d i m e n s i o ne m p i r i c a lm o d ed e c 伽p o s i t i o n ，b 啪) ，并且分析了该算法在图像纹 理分析中的独特性质刚；同时，瑞典学者l i n d e r h e d a 还另辟蹊径，在比较小波和e m d 算法特点的基础上，提出了用e m d 算法进行数据压缩的新方法，为信号传输技术领域开 创了新的前景1 。 1 2 5 边缘检测与图像分割研究现状 边缘检测埘3 是图像处理的关键技术之一，目的是在有噪声背景的图像中确定出目 标边界的位置，它在图像匹配、边缘提取等方面占有举足轻重的地位。经典边缘检测算 7 中北大学学位论文 法是梯度法，最常用的有r o b e r t 算子、p r e w i t 算子、s o b e l 算子、l o g 算子、c a n n y 算 子等。梯度算子是早期的边缘提取方法，它能增强图像边缘，但也增强噪声，因此，不 能用在有噪声污染的图像中。 图像分割就是把图像中具有特殊涵义的不同区域分开来，它是图像处理与图像分析 中的一个经典问题。目前针对各种具体问题已经提出了许多不同的图像分割算法，图像 分割方法主要可分为基于区域的分割方法和基于边界的分割方法。基于区域的分割方法 依赖于图像的空间局部特征，如灰度、纹理及其它像素统计特性的均匀性等。基于边界 的分割方法主要是利用梯度信息确定目标的边界，这些方法不依赖于已处理像素的结 果，适于并行化，缺点是对噪声敏感，而且当边缘像素值变化不明显时容易产生假边界 或不连续的边界，在实际应用中往往需要把这两类方法结合起来。由于图像分割问题所 面向领域的特殊性，至今尚未得到圆满的、具有普遍性的解决方法。 1 3 课题来源 本课题源于中北大学无损检测中心预研课题“复合材料的内部疵病无损检测技术研 究”的一部分，受到了国家自然基金“基于特征重建的3 d c 1 算法研究( 代号：6 0 6 0 2 0 4 1 ) 和晋西机器工业集团有限责任公司的资助。 1 4 论文主要研究内容 本文针对复合材料的x 射线检测图像具有灰度一致性差、对比度低、缺陷边缘模糊， 甚至一些微弱缺陷被淹没的特点，重点研究复合材料内部微弱缺陷的x 射线检测技术及 射线图像处理算法。主要工作如下： ( 1 ) 以中心四轴d r c t 检测系统为实验平台，在固定透照焦距的情况下，通过分析 实验数据研究复合材料的衰减规律，从而为正确选择实验参数和提高系统检测灵敏度提 供了重要依据； ( 2 ) 针对复合材料结构特性和x 射线检测本身的特点，本文对材料特性对检测图像 的影响进行了分析； ( 3 ) 针对散射对图像质量的影响，在研究散射理论的基础上，对传统散射校正方法 8 中北大学学位论文 进行研究和探讨，并提出基于构造函数的散射噪声抑制算法。 ( 4 ) 针对复合材料内部微弱缺陷检测的难点，提出了基于迭代阈值分割和e m d 的微 弱缺陷检测算法，成功地实现了复合材料内部微弱缺陷的提取和分割。 1 5 本章小节 本章首先介绍了复合材料x 射线数字成像检测的研究目的、意义以及与本课题相关 内容的国内外研究现状，论述了x 射线检测的必要性。在此基础上，介绍了本论文的主 要研究内容：以四轴d r c t 检测系统为实验平台，研究复合材料x 射线衰减规律，分析 复合材料的材料特性对x 射线检测图像的影响，对图像进行了散射校正的预处理，为后 续缺陷提取奠定基础；提出了基于经验模式分解和迭代阈值分割相结合的微弱缺陷检测 算法。 、 9 中北大学学位论文 第二章复合材料x 射线检测系统及其成像特征分析 x 射线检测技术是利用射线穿透物体后的衰减特性获取物体影像的非接触性检测。 当x 射线透射被检物体时，由于物体内部不同位置的构件总体厚度及密度存在差异，对 入射射线强度产生的衰减不同，记录衰减后的射线在成像平面上的分布即可获得物体的 透射图像，从而对物体进行内部缺陷检测，确定缺陷位置，测定缺陷大小，分析判断缺 陷性质汹1 。本章在介绍中心四轴d r c t 检测系统的基础上，重点研究复合材料x 射线衰 减规律，为正确选择检测参数及提高系统检测灵敏度等提供重要依据：并针对复合材料 检测图像的特点，分析了材料特性对检测图像的影响。 2 1x 射线检测系统 目前已经应用的x 射线实时成像检测系统有多种类型，如x 射线荧光检测系统，图 像增强器射线实时成像检测系统，平板探测器射线实时成像检测系统和线阵列射线实时 成像检测系统等。各种射线实时成像检测系统的基本构成部分是：射线源、射线转换器、 检测工作台、图像处理工作站及控制部分啪1 。 四轴d r c t 检测系统为数字平板探测器x 射线检测系统，由x 射线源、平板探测器、 检测工作台、图像处理工作站及控制等部分组成。系统结构如图2 1 所示。接下来对本 系统采用的主要硬件和系统性能作一简单介绍。 射线源卜- 堡堕+ 厂匿面王石 塑塑塑一平菘鬲预磊 旋转 高精度检台 探测嚣 参数设 置及采 集控制 图像处理单元 及机械控制 图2 1四轴d i v c f r 检测系统示意图 1 0 中北大学学位论文 2 1 1 射线源 本系统选用德国g e 公司的i s o v o l tt i t a n4 5 0 双焦点恒压式x 射线源，管电压最 高为4 5 0 k v 。该系统由x 射线管、高压发生器、冷却系统、连接电缆以及控制器组成。 射线源的主要组成如图2 2 所示，图2 3 为该射线源的曝光曲线图。拍摄条件为焦点一 底片距离9 0 0 m m ，铅屏0 0 2 m m ，底片g 3 ，密度2 0 。 1 8 a v a t 翮 黧怒2 害器凹器篙留能艮。 图2 2 射线源主要部件组成图图2 3 射线源曝光曲线图 基本特性如下： ( 1 ) 可控制的双焦点射线源，焦点尺寸为口3 0 m m 和d 6 3 咖，焦点尺寸为口6 3 m m 时，管电流最大4 5 m a 。管电流大小受最大输出功率限制。 ( 2 ) 射线源最大输出功率为3 k w 。 ( 3 ) 波束宽度( 发散角) ：4 0 度。 ( 4 ) 内置滤波片：5 nb e + 3 ma 1 。 ( 5 ) 射线管工作时间大于2 0 0 0 小时，管电压可以0 1 k v 步细调，管电流可以0 1 m a 步细调。 ( 6 ) 重复性：管电压常温下最高k v 数的0 0 1 ，管电流2 | la 。 2 1 2 平板探测器 探测器的像素是影响成像系统的空间分辨率主要因素之一，因此在平板探测器的选 取上，首先考虑探测器像素的大小，其次考虑价格。目前国际上用于工业检测的平板探 测器成熟产品主要有美国v a f i a a 公司的p a x s c a n 系列和德国y x l o n 公司的r i d 5 1 2 等。 1l 中北大学学位论文 r i d 5 1 2 探测器的像素大小为0 4 m m ，较难完成对0 3 r a m 的切片，同时y x l o n 公司的 高端产品像素虽然能够达到o 0 5 m m ，但价格太过于昂贵。因此像素大小为o 1 2 7 r a m 的 p a x s c a n 系列就成为首选。p a x s c a n 系列主要有两种产品p a x s c a n 2 5 2 0 及p a x s c a n 4 0 3 0 r ， 由于p a x s c a n 2 5 2 0 具有p a x s c a n 4 0 3 0 r 不具备的数据实时采集功能，因此系统选用 p a x s c a n 2 5 2 0 作为成像设备。 p a x s c a n 2 5 2 0 是实时x 射线照相和数字x 射线成像器件，可提供硫氧化钆( g d 2 0 2 s ) 和碘化铯( c s d 两种闪烁体。由于g d 2 0 2 s 闪烁体的光输出能力强、余辉低、光谱响应同 薄膜晶体管( t h i n - f i l m - t r a n s i s t o r ，简称t f t s ) 相近、光阻能力非常高，l m m 厚的闪烁体， 对1 2 0 k e vx 射线的透射率约为6 。p a x s c a n 2 5 2 0 成像过程如图2 4 所示。 接收嚣 图2 4p a x s c a n 成像器成像过程 在通常的c c d 系统中，x 射线转换屏通过反射镜或棱镜和相机连接。对于这类系 统，它的缺点是在光线采集时由于存在光转换过程导致信号的损失。成像的区域越大， 损失越大。而v a r i a n 公司的非晶体硅平板将x 射线转换屏和光探测器进行了最佳的结 合，尽可能小的避免了信号的损失。接收器的内部结构如图2 5 所示。 事品体硅阵争 基片、 数字电路扳 6 嘲簧 、驱动。+r-。 电路噍 图2 5 接收器的内部结构示意图 1 2 量百 合黻 量i 中北大学学位论文 该数字平板探测器的核心是非晶体硅光敏二极管阵列和薄膜晶体管( t f t s ) 阵列， 结构排列如图2 6 。非晶体硅阵列工作时每次只读取一行数据，逐行读取。通过使用t f t s 门电路一行的正电压，来对选取图像行数据的门驱动电路进行访问。当t f t s 工作时， 在被选取的行上，由独立光敏二极管收集的电荷放电到相对应的数据行。每一个数据行 都通过电荷积分放大器保持在一个恒定的电压下。 图2 6 传感器结构图 p a x s c a n 2 5 2 0 成像器件信号转换的过程如下： ( 1 ) x 射线通过闪烁体转换为可见光子； ( 2 ) 可见光子被光敏二极管吸收并被转换为电子空穴对； ( 3 ) 当t f t s 工作时，光敏二极管开始放电，电荷经积分放大器转变为电压； ( 4 ) 经可编程的增益放大得到信号电压； ( 5 ) 输出电压由1 2 b i t s 模数转换器转变为数字数据。 非晶体硅器件具有很强的射线硬化能力，这个特性使的非晶体硅技术无论是在低能 的医学诊断成像领域还是在百万兆电压的放射治疗和高能无损检测( n d t ) 成像领域都 得到广泛的关注。 2 1 3 系统性能测试 射线图像受到设备、待检工件材质和图像处理算法等多方面因素的影响。为了得到 高质量的射线检测图像，需要对相关知识有全面的了解。通常描述数字x 射线检测系统 的指标有：空间分辨率、密度分辨率3 。 1 3 中北大学学位论文 空间分辨率s p r ( s p a t i a lr e s o l u t i o n ) 是检测系统鉴别和区分微小缺陷能力的度量，它 定量的表示能分辨两个细节特征的最小间隔，单位是l p m m ( 线对毫米) 。密度分辨率 d s r ( d e n s i t yr e s o l u t i o n ) 是表征射线图像再现实际物体内部材料密度变化的能力。通常用 图像上可以识别的最小物体对比度来定义： 脚：丝：! 竺 丝!( 2 1 ) 芦bp b 其中，表示细节特征的衰减系数，鸽表示背景材料的衰减系数，舢表示两者的实际 对比度。 在辐射剂量一定的情况下，要提高空间分辨率，减小探测器准直孔径、增大扫描矩 阵( 像素数目) 是有效的，但是此时探测器接收到的射线剂量减小，从而影响了密度分辨 率，反之亦然。理论和实验均表明，在一定辐射剂量的情况下，空间分辨率和密度分辨 率成反比例关系，如图2 7 所示。 图2 7 空间分辨率和密度分辨率的关系 因此，所有射线检测系统的最高空间分辨率和最高密度分辨率均是分别测得的，不 可能在同一测试条件下两者都达到最佳值，在一定条件下，确保空间分辨率的同时要提 高密度分辨率，只有延长扫描时间。因此只可能在同一测试条件下达到最优组合的空间 分辨率和密度分辨率。 通过对四轴d r c t 检测系统测试，该系统在同一测试条件下能够达到最优组合时 空间分辨率为4 l p m m ，密度分辨率为0 8 。图2 8 为在该系统上获取的技术指标。 1 4 中北大学学位论文 3 03 23 43 6 4 0 黼鬻纂 蒸骥鬻蒸寨淤慧 g b l 2 1 8 6 9 0l p i c m ( a ) 空间分辨率4 1 p m m 2 2 复合材料衰减特性分析 图2 8 系统主要技术指标 ( b ) 透度灵敏度0 8 9 6 由射线源辐射的射线，在其传播过程中强度逐渐减弱。射线强度的减弱包括由传播 几何因素所致减弱以及穿透物质时由于与物质发生相互作用导致的减弱的两个方面。由 射线源焦点辐射的射线，以一定的辐射角度在空间沿直线传播，随着传播距离的增加， 在以焦点为中心而半径不同的各球面上，x 射线的强度与距离( 即半径) 的平方成反比， 此即平方反比定律。当射线穿透物质时，由于射线和构成物质的原子发生相互作用而产 生光电效应、康普顿散射、电子对效应及瑞利散射等等，在此过程中由于吸收和散射而 引起射线强度的衰减称为由物质引起的衰减。 由传播几何因素引起的衰减与由物质引起的衰减具有不同的衰减规律，在射线检测 技术中是分别处理的。本文将专门研究当射线穿透复合材料时，由于与材料发生相互作 用而引起强度减弱的射线衰减规律。 实验证明，射线穿透材料时，其强度的衰减与材料种类、厚度、射线能量有关。对 一定能量的射线，在均匀介质中，穿透厚度为 c 的物质时，强度的衰减量与入射射线 的强度和穿透物质的厚度成正比。如以数学关系表达则可写成： a = 一z 心 ( 2 2 ) 当缸一0 ，为无穷小量时，可以写成： d i = 一融 ( 2 3 ) 式中为比例系数，负号“一表示刃为衰减量。对上式积分，并利用边界条件：当x = 0 1 5 中北大学学位论文 时，i = i o ，z o 为入射射线强度。可以得到 i = i o p 一芦 ( 2 4 ) 上式即为单能、窄束射线穿透物质时的衰减定律。这是射线衰减的基本规律。上式指出 单能窄束射线的强度随穿透物质厚度的增加按指数规律衰减。 在导出单能窄束射线的衰减定律时，是在单能射线穿透一定材