淺析X射線電力設備缺陷檢測中的射束硬化偽影

摘? 要：X射線無損檢測技術在電力設備的缺陷檢測中具有巨大的發展潛力，而電力設備作為電網架構的重要組成部分，其能否長時間的穩定運行以及在發生故障后能否及時恢復運行很大程度上決定了企業供電的可靠性、客戶滿意度等重要考核指標的好壞。該文針對X射線在電力設備缺陷檢測應用中出現的射束硬化偽影進行闡述，主要對該種偽影的形成原因、表現形式以及去除方法進行探討，最后對X射線成像技術在電力系統的應用前景及存在問題進行了探討。

關鍵詞：X射線;電力設備;缺陷檢測;硬化偽影

中國分類號：TG115.28? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 前言

X射線作為先進的無損檢測技術已被廣泛應用于醫療、工業、能源等領域。該種檢測方法無須拆卸被檢測設備即可了解到物體的內部結構，具有應用范圍廣、不影響被檢測設備運行狀態等優點，強大的技術優勢使其呈現出廣闊的發展廣度和深度。由于X射線能譜的連續性，成像后的影像中會呈現出射束硬化偽影，偽影的嚴重程度直接與影像的成像質量相關，給電力設備的缺陷檢測及故障分析帶來了很大的不利影響，很大程度上影響了專業人員對于缺陷的判斷。此外，嚴重的偽影會導致人員判斷錯誤，導致檢修失敗或者產品質檢結果出現偏差，從而造成一定的經濟損失及不好的社會影響。因此，對該種偽影展開研究具有重要意義及必要性。

1 射束硬化偽影形成原因

X射線束由不同能量的光子組成，當具有能量差異的光子微粒透傳被掃描物質時，能量低的光子優先被吸收或衰減，而能量高的光子較能量低的光子受影響較小，更易透傳物質，X射線與物質發生反應的特性導致射線束在透傳物體后出射射線的平均能量較入射射線的平均能量值有所提高。基于理想模型的圖像重建算法中，射線的投影值與物質透傳路徑距離是成比例系數關系的。然而，在實際情況中，射線投影值與透傳物質路徑距離關系復雜，不再是簡單的正比例數學關系。究其射束硬化偽影產生的本質原因，就是目前的圖像重建算法是基于理想模型構建的，即射線能譜由單一能量光子組成，而事實上，當下的科技水平是無法制造出僅發射單一能級的射線源，理論模型與實際工程的差異造就了最終的重建圖像中會有射束硬化偽影出現。此外，重建圖像中的射束硬化偽影嚴重程度與諸多因素有關，象掃描電壓等級、被掃描物質的組成成分以及掃描時被掃描物的擺位等。

2 射束硬化偽影表現形式

X射線在實際應用中，重建圖像中會有很多種類的偽影，射束硬化偽影是其中對圖像質量影響較大，危害程度較嚴重的偽影之一。在已報道的各種文獻中，射束硬化偽影被提及的具體表現形式有3種，分別為水杯偽影、帶狀偽影和退化的邊界偽影。

2.1 水杯偽影

在重建圖像中，均勻組成成分物質區域，區域邊緣的物質衰減系數高，區域中心的物質衰減系數低，呈現出邊緣圖像灰度值高，中間圖像灰度值低，即外邊亮、中間暗的現象。如對一裝滿水的圓柱體進行橫切面掃描，重建后圖像在不進行射束硬化校正時，則會有圖像中央暗，靠近圓形邊緣處發亮的情況發生，用圖像處理工具將重建后圖像的行中央像素繪制成曲線，曲線呈現凹形狀，因此該種偽影得名為水杯偽影。

2.2 帶狀偽影

或明亮或黑暗寬度不一的帶狀圖形，一般發生在2個高衰減物體之間，該種偽影會覆蓋象設備輕微裂縫等缺陷，它會在一定程度上模糊圖像、降低圖像內容可識別性，給設備缺陷排查帶來困難。條狀偽影在X射線成像中也可由其他原因引起，象由光子散射而導致的條狀偽影，多重因素導致的條狀偽影需逐個疊加不同的校正算法進行去除，只進行射束硬化校正達不到想要的圖像質量。

2.3 退化的邊界偽影

重建圖像中高衰減物質與低衰減物質之間的邊界模糊不清，影響特定場景下對設備部件邊緣的判斷及缺陷定位。

3 射束硬化偽影去除方法

目前，射束硬化偽影的去除方法有很多，大致可分為硬件法和軟件法。

3.1 硬件法

硬件法通過在射線源與被掃描物之間加裝濾波片，以此預濾過射線達到射線能量補償的效果，進而減輕射束硬化偽影的存在程度。不同材質的金屬對X射線的抵擋能力不同，因此在濾波片材質選取方面至關重要，需要在信號質量與硬化偽影消除效果上作折中考慮。硬件法具有純物理特性，它的優點為實現方式簡單、易操作，缺點為抑制偽影能力有限，會在一定程度上增加成像系統的制造成本。

3.2 軟件法

軟件法分為成像前校正方法及成像后校正方法。成像前校正方法通過重新計算射線投影數值，用校正好的投影數據進行圖像重建，進而重建后圖像的硬化偽影程度很輕。成像后校正方法利用數字圖像處理技術并結合最優化理論、人工智能等技術對成像后圖像進行處理，從而在一定程度上消除射束硬化偽影。成像后校正算法一般具有迭代性質，需要在圖像域和數據域之間反復操作，直至目標優化函數達到算法收斂條件，輸出最終校正后圖像。成像前校正方法具有算法執行速度快的優點，而成像后校正算法由于其迭代性質，一般情況下算法執行效率較低，校正耗時較長。在實際工程中，大多采用軟件法和硬件法相結合的方式進行硬化偽影消除，以此達到最好的校正效果。

4 X射線成像技術在電力系統的應用前景及存在問題

X射線無損檢測技術作為目前最主流的檢測技術之一。該種技術在不破壞檢測物內外部結構的情況下就能知曉被檢測物體的內部構成。在電力系統中，該技術可被應用于GIS、變電站各類電力設備、輸電設備及線路、配電設備以及電力設備生產線產品的缺陷檢測領域，同時也可被應用于電力設備生產廠商產品質量檢測等領域，具有廣泛的應用場景和前景。對于電力系統中一些無法通過運行維護人員肉眼直接觀察到的設備、線纜內部問題，X射線檢測技術的應用更是填補了該類故障缺陷巡查的運行維護空白點，具有重大意義。

即使在電力系統中廣泛應用X射線無損檢測技術，仍有諸多問題有待進一步解決，象對大型電力設備進行X射線在線缺陷檢測時，射線防護的問題。除此之外，電力設備結構復雜，組件空間分布及組成物質存在很大的不確定性，這就給重建圖像的校正帶來很大的技術挑戰。不過，隨著科技的發展，相信在不遠的將來，X射線成像技術能夠廣泛地應用在電力系統中，在造福電力產業的同時造福全人類。

5 結語

綜上所述，射束硬化偽影具有不同的表現形式，不同表現形式下的偽影需要不同的校正方法進行去除。在實際工程應用中，可根據電力系統的具體應用場景研發合適的硬化偽影校正算法并將其有機融合到成像系統的整套校正流程中，進而達到最佳的射束硬化偽影抑制效果。

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