x射线管电压递变高动态成像方法

x射线管电压递变高动态成像方法

数字x射线检测的最佳工艺参数确定数字x辐射成像技术是一种传统的现场测量方法，用于构建工艺的内部结构、密度和分布。当X光穿过待检测工件时,由于工件材料及结构对X光子的衰减作用,出射X光强度分布将携带工件的内部结构及材料信息。工件对X光的衰减规律符合比尔衰减定律,表明材料成分和射线穿过的有效长度决定了出射X光强度。传统的X射线检测方法在透射过程中保持固定的X光机参数,对于结构、材料复杂的工件,透照方向的有效透照厚度差异非常大,而固定的X光机参数会导致有效透照厚度较小区域的出射光强度远远高于有效透照厚度较大的区域,受光电成像器件对光电子的存贮能力和动态范围的限制,得到的数字X射线图像中会出现局部区域过度曝光,而另外的局部区域无信息。目前,人们通常采用厚度、密度补偿套,准直局部透照,大存贮容量、高动态范围的光电成像器件来解决透射光强度差异较大的问题为此,本工作提出一种高动态范围X射线成像检测方法,区别于数字X射线检测的传统应用,在检测过程中依次增加X光机管电压,从而获取一组X射线图像序列,序列中任意一幅子图中包含一定透照厚度范围内的有效信息,通过对子图中有效信息提取和融合,最终获得具有完整信息的高动态范围X射线图像。1x-ct-ls-q/dX射线在穿透物体过程中会与物质发生相互作用,因吸收和散射使其强度减弱,强度衰减程度取决于物质的衰减系数和射线在物质中的穿越厚度。单能假设条件下,若X光机出射光强度为J透射X光强度的最大与最小值间的比值为其中μ另-方面,光电器件通常存在一线性工作区,工作区内由光照引起的输出电荷△Q正比于曝光量。但是当曝光量到达一定数值H对于单能X射线,透射X光强度的最大与最小值造成光电探测器曝光量的差值为式中α是与光电探测器参数相关的常数,为有效的对物质进行全面探测,要满足△H当物质为单组分材料时,μ由式(6)可以看出,当单组分材料在一定强度的单能X射线的透照下,仅能对一定厚度范围△d内的材料进行有效探测,△d的数值与材料的衰减系数和探测器参数有关。式(6)为单能假设条件下得到的结果,而X光机发出的是具有连续能谱的X光,随着X光机管电压的不断升高,出射X光子的最高能量和高能段X射线光子的成分不断增加,即增加了X射线的穿透能力,这样△d的取值将更复杂,此处不再赘述。由上述分析可知,固定电压参数情况下的X光机发出的X射线对物质的有效检测厚度范围受物质和探测器相关参数的影响,当物质局部区域厚度超出该范围,会出现照不透和过度曝光的现象,造成图像中包含无用信息。2x光机管电压递转如第1节中所述,当X光机管电压增加时,出射X光统计能量增加,对物质的穿透厚度的最大值和有效检测厚度范围随之变化透照成像过程中,X光机管电压为一递变序列{U3管电压变化时的试验监测由X射线透照检测原理可知,增加X光机管电压,出射X射线对工件的有效透照厚度增加,但是散射也随之加剧,影响图像的透照灵敏度。针对有效透照厚度变化较大工件,要想通过递变电压的方法得到高动态、高灵敏度的X射线图像,必须保证管电压的变化范围能够对工件厚度变化范围内的任意厚度区域进行有效成像,并且有效透照厚度范围对应的图像区域达到最佳透照灵敏度。为分析特定材料厚度-电压-透度灵敏度的关系,设计试验对1～20mm度的钢块进行透照。试验采用GE公司ISOVOLT-450X光机,最大管电压为450kV,小焦点工作模式下管电流最大5mA;成像器件采用VARIAN公司paxscan2520数字平板,光源距离探测器1000mm。试验过程中固定X光机管电流为2mA,利用像质计监测不同厚度试块随电伍变化时的透度灵敏度变化情况。图1中列出不同厚度试块随管电压变化时的部分测试图像。对X射线图像序列进行分析,可以得到不同厚度工件情况下,透射图像达到最佳透度灵敏度的电压变化范围及其变化趋势,如图2所示。当试块厚度较小时,在较宽的KV值范围内透射图像均能够达到最佳的灵敏度,差别主要表现在区域的平均灰度值和噪声水平的变化。当厚度增加,能够使图像达到最佳灵敏度的KV值范围明显减小。本试验中确定厚度变化步长为2mm情况下,较小厚度时相邻厚度试块的KV值上下之间存在较大的重叠区域,随着厚度的增加,重叠区域逐渐减小并且消失。设一定厚度试块在达到最佳灵敏度的情况下对应的管电压值上、下限分别为U由图3可以看出,在试件的厚度变化范围内,管电压随试件厚度的增加而增加,并且随着有效透照厚度的增加管电压调节步长减小。为保证试件所有厚度区域均能够高灵敏度成像,要求管电压递变序列中相邻两数值(如图3中所示U4图像序列的预处理管电压递变成像过程中,首先确定工件厚度变化范围为D当管电压递变序列确定后,图像灰度是对透照图像进行有效区域提取的最直观的判据。图4为试验获取的管电压-厚度-灰度关系曲线,在该关系曲线的基础上,可以获得同种材料任意厚度试件透照图像灰度随管电压变化的规律。当管电压为U5管电压序列的融合根据本文第3节所述的管电压控制方法,对某复杂结构工件进行递变电压高动态成像。该工件厚度变化范围为0～20mm,材料与测试用试块相同。取区间内的厚度差最大值为1mm,则可以得到21个具有微差厚度的区域,根据X光管电压与试件厚度的关系曲线得到管电压序列如表1所示。按照表1所示的管电压序列逐步调节X光机管电压,对待检测工件进行照射得到不同管电压对应的透照图像。如图6所示,(a)—(d)分别为46,64,270和275kV管电压下的透照图像,(e)—(h)为对应管电压下的有效子图。可以看出,当管电压较小时,厚度较小区域能够有效成像,厚度较大区域无可用信息;当管电压较大时,厚度较大区域能够有效成像,而厚度较小区域均已达到饱和状态。利用第4节所述的有效灰度确定方法确定不同管电压对应图像中有效区域对应的灰度范围,对图像中该灰度范围内的像素进行提取得到有效子图,有效区域为保持原灰度,其余区域赋值为0。最终对KV1—KV21对应的有效子图进行加权融合,得到融合图像如图6(i)所示。融合图像包含工件厚度范围内的所有人工缺陷信息,实现了图像动态范围的扩展。6递变管电压高动态成像技术数字X射线成像系统中,厚度变化较大工件在固定X光机参数的情况下出现探测器不同区域电荷量差值偏大,当该偏差值超出光电器件电荷容量的限制时,将导致薄厚区域无法同时有效成像。针对传统数字X射线成像方法的局限性,提出递变管电压高动态成像技术,以实现大透照厚度