管電壓對射線數(shù)字成像檢測成像質(zhì)量的影響

陳 樂，強(qiáng)天鵬，盛佩軍，胥 楊

(1.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院, 上海 200062；2.江蘇中特創(chuàng)業(yè)設(shè)備檢測有限公司, 南京 225003；3.查特深冷工程系統(tǒng)(常州)有限公司, 常州 213125)

隨著無損檢測新技術(shù)的不斷應(yīng)用和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的完善，使用射線數(shù)字成像檢測技術(shù)替代膠片檢測是當(dāng)前焊縫無損檢測的發(fā)展方向。其中以數(shù)字探測器陣列檢測(DDA)和計(jì)算機(jī)輔助成像檢測(CR)技術(shù)為主的射線數(shù)字成像檢測逐漸在工業(yè)檢測領(lǐng)域中嶄露頭角。采用DDA和CR檢測所需曝光時(shí)間短，省去了暗室處理工序，可以大幅提高檢測效率，同時(shí)射線數(shù)字成像檢測無需使用膠片，檢測成本可以大幅度降低[1]。由于相關(guān)元器件制造工藝的不斷改進(jìn)，傳統(tǒng)X射線數(shù)字成像檢測技術(shù)噪聲大、分辨力和檢測靈敏度低的缺點(diǎn)已經(jīng)得到了有效改進(jìn)，雖然平板探測器和IP板熒光顆粒尺寸仍不及膠片鹵化銀顆粒，但在適當(dāng)?shù)墓に嚄l件下，配合相應(yīng)的圖像處理技術(shù)，成像質(zhì)量完全可以與膠片相媲美，甚至優(yōu)于膠片技術(shù)。采用數(shù)字圖像替代膠片，不僅節(jié)省存儲空間和費(fèi)用，而且通過計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)快速、高效、高性能管理。

然而，有了強(qiáng)大的硬件設(shè)施和配套軟件，并不能保證缺陷檢測的可靠性，檢測工藝必須經(jīng)過反復(fù)的試驗(yàn)來進(jìn)行優(yōu)化，以期提高檢測質(zhì)量和檢測效率。與傳統(tǒng)膠片照相相同，X射線數(shù)字成像檢測最重要的工藝參數(shù)便是曝光參數(shù)，這其中最為關(guān)鍵的指標(biāo)之一便是X射線管電壓。筆者就DDA和CR檢測中X射線管電壓的選取開展相關(guān)研究，對比不同管電壓下圖像質(zhì)量與試板裂紋識別度，提出在合理范圍內(nèi)選用較高的管電壓，可以提高數(shù)字圖像歸一化信噪比，補(bǔ)償由于管電壓提高引起的圖像對比靈敏度的下降，從而提高人眼缺陷識別度。

1 管電壓選取推薦值

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對管電壓的選取均作了明確規(guī)定。

1.1 NB/T 47013.2-2015標(biāo)準(zhǔn)

NB/T 47013.2-2015 《承壓設(shè)備無損檢測 第2部分：射線檢測》 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：在保證穿透力的前提下，X射線照相應(yīng)選用較低的管電壓；在采用較高管電壓時(shí)，應(yīng)保證適當(dāng)?shù)钠毓饬?。圖1規(guī)定了不同材料、不同透照厚度允許采用的最高X射線管電壓[2]。

圖1 不同透照厚度允許的最高X射線管電壓

1.2 NB/T 47013.11-2015標(biāo)準(zhǔn)

NB/T 47013.11-2015 《承壓設(shè)備無損檢測 第11部分：X射線數(shù)字成像檢測》 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：應(yīng)盡量選用較低的管電壓；在采用較高管電壓時(shí)，應(yīng)保證適當(dāng)?shù)钠毓饬?。圖1中規(guī)定了不同材料、不同透照厚度允許采用的最高管電壓[3]。

1.3 NB/T 47013.14-2016標(biāo)準(zhǔn)

NB/T 47013.14-2016 《承壓設(shè)備無損檢測 第14部分：X射線計(jì)算機(jī)輔助成像檢測》 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：在保證穿透力的前提下，CR檢測宜選用較低的管電壓；在采用較高管電壓時(shí)，應(yīng)保證適當(dāng)?shù)钠毓饬俊?/p>

按照B級檢測技術(shù)檢測時(shí)，宜選用結(jié)構(gòu)噪聲較低的IP板。如選用結(jié)構(gòu)噪聲較高的IP板，采用的最高X射線管電壓宜比圖1所示值低20%[4]。

1.4 ISO 17636.2-2013標(biāo)準(zhǔn)

ISO 17636.2-2013標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：為獲得良好的缺陷靈敏度，X射線管電壓應(yīng)當(dāng)盡可能低，數(shù)字圖像的SNRN(歸一化信噪比)應(yīng)當(dāng)盡可能高。推薦的基于透照厚度的X射線管電壓上限值見圖1。這些最大值是膠片照相的最佳實(shí)踐值。精確校準(zhǔn)后，DDAs(陣列探測器)可以在明顯高于圖1所示的管電壓下獲得足夠好的圖像質(zhì)量。

B級技術(shù)中，對于感光層具有較高結(jié)構(gòu)噪聲的成像板，X射線管電壓應(yīng)低于圖1所示值的20%。對于曝光特性與X射線膠片相似、具有低結(jié)構(gòu)噪聲的高清晰度成像板，可按照圖1所示上限管電壓進(jìn)行曝光，或者在SNRN顯著提高的情況下使用明顯高于圖1的管電壓[5]。

1.5 管電壓選取值的理論分析

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均對管電壓上限值進(jìn)行了明確規(guī)定。隨著X射線管電壓的升高，衰減系數(shù)減小，對比度降低，固有不清晰度增大，其結(jié)果是檢測靈敏度下降[6]。在膠片照相中，靈敏度降低會(huì)明顯降低缺陷識別率，且圖1中的管電壓上限值是經(jīng)大量工藝試驗(yàn)得出的，具有一定的合理性和適用性。

在DDA和CR檢測中，過高的管電壓也會(huì)降低圖像對比靈敏度，一定程度上降低了圖像質(zhì)量。另一方面，過高的管電壓會(huì)提高X射線光子動(dòng)能，使得單位時(shí)間內(nèi)穿透工件到達(dá)接收器的X射線光子數(shù)增加且圖像信噪比增加，這會(huì)在一定程度上提高圖像質(zhì)量。射線數(shù)字成像檢測中，圖像噪聲直接影響到圖像細(xì)節(jié)的識別，如圖2所示，當(dāng)因缺陷產(chǎn)生的信號差(對比度)小于噪聲時(shí)，該缺陷的信號將不能被識別。為討論噪聲與缺陷檢出能力的關(guān)系，引入對比度信噪比的概念。

圖2 噪聲對圖像細(xì)節(jié)識別的影響

對比度噪聲比定義為成像系統(tǒng)輸出的平均信號差值與信號的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差之比，記為CNR。

CNR=Δ/s

(1)

信噪比SNR可由式(2)表示。

SNR=/σ

(2)

CNR表征了成像系統(tǒng)對信號間差異即被檢工件內(nèi)部缺陷的檢出能力，由式(1)和式(2)，可得式(3)。

(3)

式中:μ為衰減系數(shù)；n為散射比。

由式(3)可知： ①CNR與SNR成正比關(guān)系，一定的圖像信噪比是形成圖像細(xì)節(jié)對比度的基礎(chǔ)； ② 當(dāng)X射線管電壓提高時(shí)，衰減系數(shù)μ降低，但在DDA和CR技術(shù)中，射線能量的提高又會(huì)提高信噪比，只有當(dāng)μ×SNR提高時(shí)，CNR才會(huì)提高；③ 散射線會(huì)降低CNR，透照時(shí)應(yīng)采取措施屏蔽和控制散射線。

基于上述理論推導(dǎo)可以得出，為了達(dá)到最佳的缺陷識別率，需選擇合適的管電壓，以得到衰減系數(shù)μ與信噪比SNR乘積的最大值，所以相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均要求在保證穿透力的前提下選擇較低的管電壓，以足夠的曝光量來保證圖像的SNR。接下來,對該規(guī)定的合理性，以及沿用膠片照相管電壓上限值是否適用于DDA和CR檢測，進(jìn)行試驗(yàn)分析。

2 試驗(yàn)過程

實(shí)施無損檢測的目的是保證細(xì)小缺陷不漏檢，衡量檢測工藝是否合適的關(guān)鍵指標(biāo)便是缺陷識別度。試驗(yàn)制作一道含人工缺陷的不銹鋼環(huán)焊縫，厚度為5.5 mm，分別采用DDA和CR技術(shù)檢測該環(huán)焊縫。其中，DDA采用雙壁單影透照，透照厚度為11 mm；CR采用源在外單壁透照，透照厚度為5.5 mm。為了分析管電壓的變化對檢測結(jié)果的影響，在相對合理的范圍內(nèi)僅改變管電壓數(shù)值，其他工藝參數(shù)保持不變，獲得不同的數(shù)字圖像后對比圖像質(zhì)量。

試驗(yàn)采用的設(shè)備與軟件如下：Yxlon MG-325射線機(jī),PE XRD0822平板探測器,Image 3500D圖像處理軟件,CareStream HR IP板和HPX-1 CR掃描儀,INDUSTREX圖像掃描處理軟件。為保證對比數(shù)據(jù)的可靠性，每次透照均使用同一張IP板和平板探測器，選取數(shù)字圖像上的同一區(qū)域進(jìn)行灰度值、空間分辨率和SNR測量并進(jìn)行對比，同時(shí)利用軟件灰度輪廓圖功能測量工藝改變時(shí)某一區(qū)域缺陷的識別程度。試驗(yàn)結(jié)果如表1，2所示。

表1 DDA檢測時(shí)不同管電壓下的圖像質(zhì)量對比

3 試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)分析

根據(jù)表1,2制作DDA和CR得到的圖像SNR與管電壓的關(guān)系曲線，如圖3，4所示。根據(jù)曲線圖可以很直觀地看出，隨著管電壓的提高，DDA和CR圖像的SNR呈近似對數(shù)關(guān)系提高，且試驗(yàn)所取管電壓上限數(shù)值已遠(yuǎn)超圖1所規(guī)定的管電壓上限值。由于管電壓的提高對圖像分辨率的影響很小，所以即提高了圖像歸一化信噪比。

另一方面，提高管電壓會(huì)降低圖像對比靈敏度。如圖5所示，CR檢測中，管電壓由80 kV上升至160 kV,220 kV后，數(shù)字圖像裂紋區(qū)域的灰度起伏數(shù)值有所上升，但相對背景灰度而言，灰度起伏比例下降，一定程度上反應(yīng)出管電壓的升高，會(huì)使得X射線衰減系數(shù)降低以及圖像對比靈敏度降低。由表1，2可見,DDA和CR檢測中，管電壓升高后缺陷區(qū)域灰度起伏數(shù)值增加，但比例逐漸降低。圖6，7分別給出了DDA和CR檢測時(shí)，缺陷區(qū)域灰度起伏比例與X射線管電壓的關(guān)系曲線。

表2 CR檢測時(shí)不同管電壓下的圖像質(zhì)量對比

圖3 DDA成像圖像SNR與管電壓關(guān)系圖

圖4 CR成像圖像SNR與管電壓關(guān)系圖

圖5 管電壓升高對缺陷區(qū)域灰度起伏的影響

圖6 DDA檢測時(shí)，缺陷區(qū)域灰度起伏比例與X射線管電壓的關(guān)系曲線

圖7 CR檢測時(shí)，缺陷區(qū)域灰度起伏比例與X射線管電壓的關(guān)系曲線

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以驗(yàn)證，DDA和CR檢測中，提高X射線管電壓會(huì)增加圖像信噪比，降低圖像對比靈敏度。所以，為了獲得合適的圖像對比靈敏度，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均沿用膠片照相的要求限制了DDA和CR檢測時(shí)的最高管電壓，且推薦采用較低管電壓。但該限制條件忽略了膠片照相與射線數(shù)字成像檢測的一個(gè)重要區(qū)別：射線數(shù)字成像檢測結(jié)果的載體是數(shù)字圖像，其最大的優(yōu)勢就是可以通過圖像處理技術(shù)提高圖像人眼識別度。其中灰度拉伸(又稱對比度拉伸)是一種重要的圖像處理方式，一種最基本的灰度變換，使用的是最簡單的分段線性變換函數(shù)，主要用于提高圖像處理時(shí)灰度級的動(dòng)態(tài)范圍。

由圖8可以簡單了解灰度拉伸的功能，圖中左半為(CR檢測)管電壓100 kV時(shí)的數(shù)字圖像，右半為220 kV時(shí)的數(shù)字圖像。在同一顯示器上為了達(dá)到各自的最優(yōu)顯示效果，利用軟件調(diào)節(jié)圖像對比度和亮度，俗稱調(diào)節(jié)窗寬和窗位，即將顯示器顯示范圍集中到感興趣的區(qū)域。圖8中左右兩側(cè)為各自的窗寬窗位調(diào)節(jié)圖。其通過調(diào)節(jié)窗寬(圖中兩條粉線之間距離)來調(diào)節(jié)合適的圖像對比度，調(diào)節(jié)窗位(圖中兩粉線在灰度直方圖中的位置)來調(diào)節(jié)合適的圖像亮度。其上粉線以上的所有灰度區(qū)域，賦值為65 535(16位)；下粉線以下的所有灰度區(qū)域，賦值為0。這樣，就可將兩粉線之間的關(guān)注區(qū)域的灰度范圍映射在較寬的范圍內(nèi)，起到增強(qiáng)對比度的作用。

圖8 100 kV與220 kV管電壓時(shí),窗寬和窗位(對比度和亮度)調(diào)節(jié)對比

對圖8的左右兩半圖進(jìn)行對比，可以看出，最優(yōu)的顯示效果下兩者對比度近似，左圖中窗寬較右圖更寬，即右圖采用了更強(qiáng)的灰度拉伸功能。但是左圖采用更強(qiáng)的灰度拉伸，并不能進(jìn)一步提高圖像質(zhì)量，這是因?yàn)樽髨D管電壓較低，感興趣區(qū)域中的缺陷與背景灰度值差異較低(見表1和表2)，所以過度的灰度拉伸反而會(huì)導(dǎo)致缺陷灰度與背景灰度混淆而難以區(qū)分，如圖9所示。

圖9 過度灰度拉伸引起的缺陷與背景混淆

3.2 試驗(yàn)小結(jié)

(1) 管電壓在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)提高，數(shù)字圖像SNR和SNRN隨之呈近似對數(shù)關(guān)系提高；

(2) 管電壓提高后，主因?qū)Ρ榷葧?huì)降低，成像后數(shù)字圖像對比度降低，缺陷灰度相對背景灰度起伏比例降低但差值提高；

(3) 通過對比度拉伸處理可以大幅提高數(shù)字圖像對比度，以此來補(bǔ)償管電壓升高所帶來的圖像對比度損失；

(4) 依據(jù)ISO 17636.2-2013補(bǔ)償原則Ⅰ，可以通過提高管電壓提高圖像信噪比以補(bǔ)償對比度的降低，最終提高數(shù)字圖像質(zhì)量；

(5) 管電壓不能無限制地提高，過高時(shí)圖像信噪比提升幅度會(huì)下降，以致無法補(bǔ)償對比度損失，故需通過工藝試驗(yàn)確定管電壓上限值，該上限值高于膠片照相規(guī)定的上限值。

4 結(jié)語

如今在焊縫射線檢測中,射線數(shù)字成像檢測的普及率越來越高，其關(guān)鍵優(yōu)勢便是可以通過圖像處理技術(shù)來提高成像質(zhì)量，而膠片照相中規(guī)定的管電壓上限值在射線數(shù)字成像檢測中并不完全適用。X射線管電壓在較寬的范圍內(nèi)提高，仍能獲得更高信噪比的數(shù)字圖像，加上灰度拉伸的圖像處理技術(shù)，可以補(bǔ)償管電壓提高所帶來的圖像對比靈敏度損失。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對于射線數(shù)字成像檢測時(shí)的管電壓上限值的規(guī)定沿用了傳統(tǒng)膠片照相的經(jīng)驗(yàn)值，但在實(shí)際檢測中并不適用，有必要根據(jù)所選用的檢測系統(tǒng)開展工藝試驗(yàn)，研究與特定檢測系統(tǒng)相匹配的管電壓推薦范圍或優(yōu)化目前的管電壓推薦曲線，以獲得更高的檢測圖像質(zhì)量。