图像增强器式线阵列X射线数字成像系统

1、试验研究图像增强器式线阵列X射线数字成像系统孙忠诚,靳树永,孙茂林(兰州瑞奇戈德测控技术有限公司,兰州 730010)摘 要:针对现有线阵列X射线数字成像技术的设计原理和存在的不足,利用图像增强器和图像传感器的最新技术成果,研制成功新型线扫描成像系统。该系统在检测速度为6m/min的条件下,最高分辨率可达10.0Lp/mm,IQI灵敏度1.251.60%,图像质量满足JB/T4730 2005标准AB级要求。系统可广泛应用于锅炉压力容器和压力管道焊缝及铸造零件的内部缺陷检测。关键词:X射线;图像增强器;线扫描相机;数字成像0269 04 中图分类号:TG115.28 文献标志码:A 文章编号:

2、1000 6656(2009)04LineScanDigitalRadioscopySystemBasedonImageIntensifierSUNZhong Cheng,JINShu Yong,SUNMao Lin(LanzhouRichGoldenTest&ControlTechnologyCoLtd,Lanzhou730010,China)Abstract:AfteranalyzingthedesignprincipleandtheexistedinsufficiencyoflineararraydigitalX rayimagingtechnology,anewdigitali

3、magingsystemwhichutilizesthelatesttechnologicalachievementsofimageintensifierandimagesensorshasbeendeveloped.Atthespeedof10m/min,theresolutionreachesupto10.0Lp/mm,theIQIsensitivityisbetween1.251.60%,imagequalitymeetsJB/T4730 2005ABrequirement.Thesystemcanbeextensivelyusedinthefieldofdefectsinspectio

4、ntowardspressurevessels,boiler,pressurepipeweldingaswellascastingparts.Keywords:X ray;Imageintensifier;Linescancamera;Digitalradioscopy1 成像器件对探测器性能的影响现有的线阵列X射线探测器都是由荧光闪烁材料、线性图像传感器、信号调理和图像采集电路以及图像处理软件四大部分构成,各部分的特性对探测器的总体性能都有非常大的影响1。1.1 荧光闪烁材料有数十种荧光闪烁材料可用于线阵列X射线探测器,常用的有碘化铯、钨酸镉和硫氧化钆等。不同材料的光谱特性和发光亮度各不相同

5、。由于闪烁体材料的发光亮度较低,需要加大图像传感器的像素尺寸和采用较大的系统增益来提高灵敏度,前者会降低系统分辨率,后者使得图像信噪比降低。收稿日期:2008 05 05作者简介:孙忠诚(1963-),男,长期从事射线数字影像技术研究和设备开发。1.2 图像传感器图像传感器的长度决定了线阵列X射线探测器的成像区域大小。受集成电路晶片尺寸的限制,制造长达数百毫米的探测器需要使用多段图像传感器进行拼接。由于每段的性能不同,所以需用软件来校正。目前主要采用线性CMOS和光电二极管图像传感器,图像传感器的行扫描频率决定了探测器的检测速度,闪烁体材料的发光特性和图像传感器的光谱特性要相对应。1.3 电子

6、电路包括图像传感器输出信号调理电路和模数转换电路。其中A/D转换器的位数(bit)对探测器的动态范围有较大影响,由于受荧光材料的放光特性和图像传感器的动态范围限制,太高的位数并不会增加探测器的总体动态范围。1.4 图像采集与处理软件按照设置的采样参数和行频,从探测器获取图2009年第卷4期孙忠诚等:图像增强器式线阵列X射线数字成像系统像数据。其中,数据校正是一个最核心的功能,它可以消除射线场、闪烁体材料、图像传感器和电子电路各部分的不均匀性差异。从现有的线阵列X射线探测器制造原理可以发现:由于图像传感器直接接收的是闪烁体材料发出的低亮度荧光,需要采用较大的像素尺寸来提高感光的灵敏性,使得系统分

7、辨率降低;当像素尺寸较小时,则需要较长时间的曝光,从而使得检测速度变慢。也就是说,系统分辨率与检测速度之间形成了一对矛盾,因而极大地限制了线阵列X射线探测器的应用范围。2 图像增强器采用的新技术图像增强器是在荧光板成像基础上发展起来的一种将X射线转换为高亮度可见光的装置。由于荧光板在射线照射后发出的荧光强度低,所以利用光电增强的方法可在输出屏上得到明亮的可见光图像。早期的图像增强器分辨率较低、对比度不高、信噪比低且使用寿命较短。当前图像增强器在输入窗、输出窗的荧光材料和结构等方面作了较大改进,正向高性能方向发展。2.1 采用超细针状结构碘化铯荧光屏的输入窗输入荧光屏一般采用碘化铯晶体,早期的碘

8、化铯晶体密度疏松、组织不规则,晶体密度低,大多数X射线直接穿过而不能被晶体吸收产生光电效应,使得荧光屏吸收系数降低。分辨率最高只能达到45Lp/mm,且图像噪声大。近年来,高密度、超细针状结构的碘化铯晶体的应用大幅度提升了图像增强器的分辨率和信噪比,图1即为这种晶体的显微结构,针状体的直径约为2 m。2转换效率;同时,不规则的晶粒存在多个方向的晶界,引起的光散射还会降低图像增强器的分辨率和对比度。图2b所示的超细针状结构,组织细密,提高了晶体的密度,晶体生长方向与射线透照方向一致,不仅使光电转换效率提高,也将散射线的影响减到了最小,有效提高了图像增强器的信噪比、分辨率和图像对比度。2.2 输出

9、窗的结构改进图3所示为输出窗结构变化示意图。传统图像增强器的输出屏是一个双层玻璃结构,其中包括一个荧光玻璃板和一块空心玻璃腔,这种双层玻璃结构存在多个反射面,引起的光散射是图像对比度退化的一个主要因素(图3a)。改良后的结构将荧光图1 碘化铯磷光输入屏的显微结构图2所示是传统的碘化铯晶体与新型针状精细结构碘化铯晶体结构的光电效应示意图。从图2a可以看出:普通碘化铯晶体的晶粒粗大,组织疏松。一部分X射线直接穿过了晶体而没有在荧光屏内产生光电效应,降低了荧光屏的光电4 (a)传统的输出窗(b)改进后的输出窗图3 输出窗结构孙忠诚等:图像增强器式线阵列X射线数字成像系统物质直接镀膜在空心玻璃腔上,并

10、在反射面镀上抗反射涂层膜,使得光线散射非常小,图像对比度大幅度提高(图3b)。另外一个方面的改进是抗老化玻璃的采用,可将图像增强器的老化周期提高一倍以上。综上所述,图像增强器的输入窗和输出窗在经过技术改进后,分辨率和对比度明显提高,最高分辨率可以达到10Lp/mm以上,而平板探测器和传统线阵列探测器采用的GbOS和CdWO4材料极限分辨率不超过6.0Lp/mm。笔者利用此改进的图像增强器,开发了新一代高分辨率且高速线扫描X射线实时数字成像系统。率1行/s。系统采用12bit的A/D转换器,可输出1024或4096灰度等级的图像数据。图像数据通过CameraLink接口与PCI采集卡连接。3.3

11、 系统校正线阵列X射线探测器在使用之前必须在特定的检测工艺条件下进行校正,消除系统存在的非一致性。引起X射线探测器系统像素特性差异的原因主要有: X射线辐射场的不均匀。!图像增强器的发光亮度不均匀和像素的固定噪声。各像素的光学响应不一致性。#光学镜头引起的不一致性。校正有多种方法,笔者设计了一种分区线性校正法,并配合使用一组具有不同材质和不同厚度的专门试块来完成。通过测试图像传感器系统黑电平、白电平和若干个中间电平的值,即可建立相应的校正文件。实际检测时,将采样值通过校正文件校正以后作为检测的原始数据进行显示和存储。3.4 系统软件安装在PC计算机内的系统软件有参数设置、系统校准、图像采集、滚

12、屏显示、图像处理与存储等主要功能。其中,参数设置是通过采集卡设置线阵列图像传感器的行采样频率、曝光时间和采样积分次数;系统校准是用软件的办法消除像素之间的非一致性;图像采集与滚屏显示是按照设置的参数将行采样数据处理成为一幅在计算机屏幕上滚动显示的动态图像,便于操作人员对图像识别;图像处理和存储是通过对比度亮度增强、浮雕算法、高通滤波和边缘检测等算子对图像进行数字变换,将检测图像的细节更加清楚地表现出来,检测图像可以存储在计算机硬盘和光盘内,也可利用网络进行远程通讯。软件系统通过延时积分和行平均技术相结合来消除动态检测过程中的图像噪声,同时利用先进的软件技术对检测图像进行实时处理,以获得最佳的视

13、觉效果,并将上述处理结果作为原始数据保存。2009年第卷4期图4 图像传感器信号处理流程3 基于图像增强器的线扫描X射线数字成像系统设计系统主要由高分辨率图像增强器、CCD线扫描图像传感器、数据采集卡和系统软件等部分组成。3.1 图像增强器的选择和散射线处理图像增强器的直径和分辨率是最重要的选型依据。直径大小决定了线扫描探测器的最大检测范围,分辨率高低是选择图像传感器像素点数的依据。目前,商用图像增强器的直径主要有102,152,178,228,305和406mm(4,6,7,9,12和16in)等主要规格可供选择,分辨率从4.011Lp/mm。根据检测范围选择相应直径的增强器。图像增强器原本

14、是作为一种面探测器来使用的。而在作为线阵列探测器使用时,只需要使用输入和输出屏上的很小区域,通过在图像增强器的输入屏和输出屏上安装光栅的方法,消除输入屏X射线散射和输出屏的可见光散射,可有效提高图像分辨率和对比度。3.2 CCD线扫描图像传感器线扫描图像传感器的像素按照一行排列,分辨率在18k(10248192)像素,像素尺寸为710 m,行扫描最高频率80kHz/s。为了获得最快的探测速度和最佳的图像质量,分别对CCD输出的模拟信号和A/D转换后的数字信号进行了亮度、增益、校正和去本底等多种处理,图4所示为信号处理流程示意图。CCD输出模拟信号的处理采用了可编程的OFFST和GAIN调节方式

15、,将有效信号范围调制到A/D转换器的采样范围之内,获得最佳的动态范围。通过时间延迟积分(TDI)技术控制行采样频率和检测速度。最高采样频率80k行/s,最低采样频孙忠诚等:图像增强器式线阵列X射线数字成像系统表2 不同厚度钢板透照的像质指数透照厚度/mm10152532动态图像像质指数141211109IQI灵敏度/%1.601.671.281.251.25JB/T4730 2005AB级要求13(0.20mm)12(0.25mm)11(0.32mm)10(0.40mm)9(0.50mm)4 系统整体技术特性4.1 系统分辨率线扫描成像系统的分辨率在理论上是由图像增强器检测范围(直径大小)和图

16、像传感器的像素数目决定的,如表1所示。表1 不同图像增强器与图像传感器组合的系统分辨率1024像素图像增强器直径/mm(吋)102(4)152(6)228(9)像素尺寸/mm0.100.150.23分辨率/Lpm-15.03.32.2像素尺寸/mm0.0500.0750.110分辨率/Lpm-110.06.74.52048像素404.3 系统应用结果采用320kV射线机系统, 152mm(6in)图像增强器和1024分辨率图像传感器组成的线阵列X射线探测器,分别检测了铝铸件、钢质零件、平板对接焊缝和小径管对接焊缝,检测结果如图6所示。表1可见,采用不同直径的图像增强器和不同像素数目的图像传感器

17、配合,可以得到不同的探测器分辨率。但是由于受图像增强器本身的分辨率限制,探测器的系统分辨率不会高于图像增强器的分辨率。由于图像增强器与线扫描图像传感器是采用光学镜头来连接的,所以通过改变镜头焦距,使得成像区域发生变化,就可以对系统分辨率进行调节。图5为 152mm(6吋)图像增强器与1024分辨率图像传感器配合组成的线扫描X射线探测器,理论分辨率设计为3.3Lp/mm,实际分辨率测试结果为3.0Lp/mm,实际值与设计值基本吻合。检测结果表明,基于图像增强器的线扫描X射线数字成像系统的像质指数和分辨率满足国内外相关标准的要求,而检测速度比传统线阵列探测器系统提高1020倍,所需要的管电压降低1

18、0%图5 系统分辨率测试结果20%,检测过程的总放射剂量降低20倍以上。因此,系统具有检测速度高、图像质量高和放射剂量低的特点。系统设计的相关技术和方法已经获得国家专利授权,专利号为200720147926.9。4.2 像质指数采用320kV直流恒电位X射线源,焦点尺寸0.8mm%0.8mm,像素尺寸0.1mm。在几何放大倍数为1.2,采用单壁单影透照法,像质计置于源侧,检测速度6m/min的条件下,分别测定了不同厚度钢板的像质指数,结果如表2所示。表2的结果表明,系统检测的图像质量达到了JB/T4730 2005标准AB级要求,IQI对比灵敏度在1.25%1.6%范围之内。45 结论(1)图

19、像增强器与线阵列图像传感器可构成高速线阵列X射线数字探测器系统。(2)系统分辨率可以调节,最高达10Lp/mm。(下转第276页)高 宏等:基于不同材料的动态摩擦声发射特征参数研究发射信号之能量)有关。幅度是信号波形的最大振幅值,通常用dB表示(传感器输出1 V为0dB),与事件大小直接相关,不受门槛电压和持续时间的影响,直接决定事件的可测性,反映波源强弱且与波源的材料有关6-7。根据摩擦凸凹学原理,不论表面多么光滑,从微观的角度看都存在微凸峰和凹谷。当两个金属表面接触时,表面上的微凸峰和凹谷相互作用形成凸凹交错。当两个表面发生相对滑动时,那些交错部分的凸峰会发生折断或塑性变形,发出一系列弹性

20、波 声发射现象。不同的变形发出的声发射信号的幅度大小是不一样的;具体发生什么样的变形,与载荷和相对运动速度有关。例如载荷不大的时候,微凸峰可能是刚刚接触,当发生相对运动时,只发生弹性变形;当增大载荷的时候,上下两个表面的微凸峰交错的部分增大,就可能发生折断或塑性变形(当材料比较软的情况);当相对运动速度不大时,微凸峰之间的冲击力不大,两凸峰之间可能发生弹性变形,当速度增大时可能发生折断和断裂的现象。摩擦声发射现象不但与载荷、相对运动速度有关,更与材料本身性质有关。因为不同材料表面的组织、成分、晶格类型和硬度是不一样的,特别是硬度影响更大。钢的硬度远远大于铝的硬度,即硬度差很大,所以当45号钢滑

21、块与铝板发生相对滑动时,45钢表面上的凸峰深深镶入铝板,在铝板上产生很大的摩擦学中的&犁沟效应8。而钢与钢或钢与铜的硬度相近,发生相对滑动时,45号钢表面上的凸峰在钢板上或在铜板上镶入很浅,产生&犁沟效应很小。相同速度下,镶入深的消耗能量大,镶入浅的消耗能量小。硬度差大,消耗的能量差大,硬度差小,消耗的能量差小。由于钢与铜的硬度差小,所以,钢与钢和钢与铜摩擦消耗的能量相近,而声发射能量、振铃计数反映的是能量,所以它们产生的声发射能量、振铃也非常接近,难以区别。声发射幅度参数反映摩擦中的撞击强度,与能量有关,但不受持续时间的影响,所以受材料硬度影响较小,对于摩擦中微凸峰撞击产生的

22、突发性信号较为敏感,而对镶入(上接第272页)(3)系统检测速度快,尤其适合于要求高速检测的场合。(4)系统成像质量优异,较传统的X射线线阵列成像系统性价比更高。448产生的&犁沟效应所释放的连续型信号不敏感。所以利用声发射参数(能量、振铃计数)检测研究硬度差别大的材料间的摩擦较为合适;利用声发射幅度检测研究硬度差别小的材料间的摩擦较为合适。3 结论(1)在不同材料的摩擦中,钢与铝板摩擦产生的声发射信号的能量、振铃计数远大于钢与钢或钢与铜,而钢与钢或钢与铜摩擦产生的声发射信号的能量和振铃计数极为接近,难以区别。(2)在不同材料的摩擦中,45号钢与铝板的摩擦声发射幅度最大,与铜板的摩擦声发射幅度次之,与45钢的