x射線管電壓遞變高動(dòng)態(tài)成像方法

數(shù)字x射線檢測(cè)的最佳工藝參數(shù)確定數(shù)字x輻射成像技術(shù)是一種傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方法，用于構(gòu)建工藝的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、密度和分布。當(dāng)X光穿過(guò)待檢測(cè)工件時(shí),由于工件材料及結(jié)構(gòu)對(duì)X光子的衰減作用,出射X光強(qiáng)度分布將攜帶工件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及材料信息。工件對(duì)X光的衰減規(guī)律符合比爾衰減定律,表明材料成分和射線穿過(guò)的有效長(zhǎng)度決定了出射X光強(qiáng)度。傳統(tǒng)的X射線檢測(cè)方法在透射過(guò)程中保持固定的X光機(jī)參數(shù),對(duì)于結(jié)構(gòu)、材料復(fù)雜的工件,透照方向的有效透照厚度差異非常大,而固定的X光機(jī)參數(shù)會(huì)導(dǎo)致有效透照厚度較小區(qū)域的出射光強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于有效透照厚度較大的區(qū)域,受光電成像器件對(duì)光電子的存貯能力和動(dòng)態(tài)范圍的限制,得到的數(shù)字X射線圖像中會(huì)出現(xiàn)局部區(qū)域過(guò)度曝光,而另外的局部區(qū)域無(wú)信息。目前,人們通常采用厚度、密度補(bǔ)償套,準(zhǔn)直局部透照,大存貯容量、高動(dòng)態(tài)范圍的光電成像器件來(lái)解決透射光強(qiáng)度差異較大的問(wèn)題為此,本工作提出一種高動(dòng)態(tài)范圍X射線成像檢測(cè)方法,區(qū)別于數(shù)字X射線檢測(cè)的傳統(tǒng)應(yīng)用,在檢測(cè)過(guò)程中依次增加X(jué)光機(jī)管電壓,從而獲取一組X射線圖像序列,序列中任意一幅子圖中包含一定透照厚度范圍內(nèi)的有效信息,通過(guò)對(duì)子圖中有效信息提取和融合,最終獲得具有完整信息的高動(dòng)態(tài)范圍X射線圖像。1x-ct-ls-q/dX射線在穿透物體過(guò)程中會(huì)與物質(zhì)發(fā)生相互作用,因吸收和散射使其強(qiáng)度減弱,強(qiáng)度衰減程度取決于物質(zhì)的衰減系數(shù)和射線在物質(zhì)中的穿越厚度。單能假設(shè)條件下,若X光機(jī)出射光強(qiáng)度為J透射X光強(qiáng)度的最大與最小值間的比值為其中μ另-方面,光電器件通常存在一線性工作區(qū),工作區(qū)內(nèi)由光照引起的輸出電荷△Q正比于曝光量。但是當(dāng)曝光量到達(dá)一定數(shù)值H對(duì)于單能X射線,透射X光強(qiáng)度的最大與最小值造成光電探測(cè)器曝光量的差值為式中α是與光電探測(cè)器參數(shù)相關(guān)的常數(shù),為有效的對(duì)物質(zhì)進(jìn)行全面探測(cè),要滿足△H當(dāng)物質(zhì)為單組分材料時(shí),μ由式(6)可以看出,當(dāng)單組分材料在一定強(qiáng)度的單能X射線的透照下,僅能對(duì)一定厚度范圍△d內(nèi)的材料進(jìn)行有效探測(cè),△d的數(shù)值與材料的衰減系數(shù)和探測(cè)器參數(shù)有關(guān)。式(6)為單能假設(shè)條件下得到的結(jié)果,而X光機(jī)發(fā)出的是具有連續(xù)能譜的X光,隨著X光機(jī)管電壓的不斷升高,出射X光子的最高能量和高能段X射線光子的成分不斷增加,即增加了X射線的穿透能力,這樣△d的取值將更復(fù)雜,此處不再贅述。由上述分析可知,固定電壓參數(shù)情況下的X光機(jī)發(fā)出的X射線對(duì)物質(zhì)的有效檢測(cè)厚度范圍受物質(zhì)和探測(cè)器相關(guān)參數(shù)的影響,當(dāng)物質(zhì)局部區(qū)域厚度超出該范圍,會(huì)出現(xiàn)照不透和過(guò)度曝光的現(xiàn)象,造成圖像中包含無(wú)用信息。2x光機(jī)管電壓遞轉(zhuǎn)如第1節(jié)中所述,當(dāng)X光機(jī)管電壓增加時(shí),出射X光統(tǒng)計(jì)能量增加,對(duì)物質(zhì)的穿透厚度的最大值和有效檢測(cè)厚度范圍隨之變化透照成像過(guò)程中,X光機(jī)管電壓為一遞變序列{U3管電壓變化時(shí)的試驗(yàn)監(jiān)測(cè)由X射線透照檢測(cè)原理可知,增加X(jué)光機(jī)管電壓,出射X射線對(duì)工件的有效透照厚度增加,但是散射也隨之加劇,影響圖像的透照靈敏度。針對(duì)有效透照厚度變化較大工件,要想通過(guò)遞變電壓的方法得到高動(dòng)態(tài)、高靈敏度的X射線圖像,必須保證管電壓的變化范圍能夠?qū)ぜ穸茸兓秶鷥?nèi)的任意厚度區(qū)域進(jìn)行有效成像,并且有效透照厚度范圍對(duì)應(yīng)的圖像區(qū)域達(dá)到最佳透照靈敏度。為分析特定材料厚度-電壓-透度靈敏度的關(guān)系,設(shè)計(jì)試驗(yàn)對(duì)1～20mm度的鋼塊進(jìn)行透照。試驗(yàn)采用GE公司ISOVOLT-450X光機(jī),最大管電壓為450kV,小焦點(diǎn)工作模式下管電流最大5mA;成像器件采用VARIAN公司paxscan2520數(shù)字平板,光源距離探測(cè)器1000mm。試驗(yàn)過(guò)程中固定X光機(jī)管電流為2mA,利用像質(zhì)計(jì)監(jiān)測(cè)不同厚度試塊隨電伍變化時(shí)的透度靈敏度變化情況。圖1中列出不同厚度試塊隨管電壓變化時(shí)的部分測(cè)試圖像。對(duì)X射線圖像序列進(jìn)行分析,可以得到不同厚度工件情況下,透射圖像達(dá)到最佳透度靈敏度的電壓變化范圍及其變化趨勢(shì),如圖2所示。當(dāng)試塊厚度較小時(shí),在較寬的KV值范圍內(nèi)透射圖像均能夠達(dá)到最佳的靈敏度,差別主要表現(xiàn)在區(qū)域的平均灰度值和噪聲水平的變化。當(dāng)厚度增加,能夠使圖像達(dá)到最佳靈敏度的KV值范圍明顯減小。本試驗(yàn)中確定厚度變化步長(zhǎng)為2mm情況下,較小厚度時(shí)相鄰厚度試塊的KV值上下之間存在較大的重疊區(qū)域,隨著厚度的增加,重疊區(qū)域逐漸減小并且消失。設(shè)一定厚度試塊在達(dá)到最佳靈敏度的情況下對(duì)應(yīng)的管電壓值上、下限分別為U由圖3可以看出,在試件的厚度變化范圍內(nèi),管電壓隨試件厚度的增加而增加,并且隨著有效透照厚度的增加管電壓調(diào)節(jié)步長(zhǎng)減小。為保證試件所有厚度區(qū)域均能夠高靈敏度成像,要求管電壓遞變序列中相鄰兩數(shù)值(如圖3中所示U4圖像序列的預(yù)處理管電壓遞變成像過(guò)程中,首先確定工件厚度變化范圍為D當(dāng)管電壓遞變序列確定后,圖像灰度是對(duì)透照?qǐng)D像進(jìn)行有效區(qū)域提取的最直觀的判據(jù)。圖4為試驗(yàn)獲取的管電壓-厚度-灰度關(guān)系曲線,在該關(guān)系曲線的基礎(chǔ)上,可以獲得同種材料任意厚度試件透照?qǐng)D像灰度隨管電壓變化的規(guī)律。當(dāng)管電壓為U5管電壓序列的融合根據(jù)本文第3節(jié)所述的管電壓控制方法,對(duì)某復(fù)雜結(jié)構(gòu)工件進(jìn)行遞變電壓高動(dòng)態(tài)成像。該工件厚度變化范圍為0～20mm,材料與測(cè)試用試塊相同。取區(qū)間內(nèi)的厚度差最大值為1mm,則可以得到21個(gè)具有微差厚度的區(qū)域,根據(jù)X光管電壓與試件厚度的關(guān)系曲線得到管電壓序列如表1所示。按照表1所示的管電壓序列逐步調(diào)節(jié)X光機(jī)管電壓,對(duì)待檢測(cè)工件進(jìn)行照射得到不同管電壓對(duì)應(yīng)的透照?qǐng)D像。如圖6所示,(a)—(d)分別為46,64,270和275kV管電壓下的透照?qǐng)D像,(e)—(h)為對(duì)應(yīng)管電壓下的有效子圖?？梢钥闯?當(dāng)管電壓較小時(shí),厚度較小區(qū)域能夠有效成像,厚度較大區(qū)域無(wú)可用信息;當(dāng)管電壓較大時(shí),厚度較大區(qū)域能夠有效成像,而厚度較小區(qū)域均已達(dá)到飽和狀態(tài)。利用第4節(jié)所述的有效灰度確定方法確定不同管電壓對(duì)應(yīng)圖像中有效區(qū)域?qū)?yīng)的灰度范圍,對(duì)圖像中該灰度范圍內(nèi)的像素進(jìn)行提取得到有效子圖,有效區(qū)域?yàn)楸３衷叶?其余區(qū)域賦值為0。最終對(duì)KV1—KV21對(duì)應(yīng)的有效子圖進(jìn)行加權(quán)融合,得到融合圖像如圖6(i)所示。融合圖像包含工件厚度范圍內(nèi)的所有人工缺陷信息,實(shí)現(xiàn)了圖像動(dòng)態(tài)范圍的擴(kuò)展。6遞變管電壓高動(dòng)態(tài)成像技術(shù)數(shù)字X射線成像系統(tǒng)中,厚度變化較大工件在固定X光機(jī)參數(shù)的情況下出現(xiàn)探測(cè)器不同區(qū)域電荷量差值偏大,當(dāng)該偏差值超出光電器件電荷容量的限制時(shí),將導(dǎo)致薄厚區(qū)域無(wú)法同時(shí)有效成像。針對(duì)傳統(tǒng)數(shù)字X射線成像方法的局限性,提出遞變管電壓高動(dòng)態(tài)成像技術(shù),以實(shí)現(xiàn)大透照厚度