羅 杰，劉 順，魏紹明，陳 衡，夏仲華

(中廣核檢測技術(shù)有限公司，蘇州 215004)

曝光參數(shù)對X射線數(shù)字成像系統(tǒng)圖像質(zhì)量的影響

羅 杰，劉 順，魏紹明，陳 衡，夏仲華

(中廣核檢測技術(shù)有限公司，蘇州 215004)

通過設(shè)計正交試驗，分析了X射線數(shù)字成像(DR)系統(tǒng)中曝光參數(shù)對圖像對比度和分辨率的影響，討論了曝光參數(shù)對DR檢測系統(tǒng)圖像質(zhì)量的影響，為該DR檢測系統(tǒng)曝光曲線的制作提供了數(shù)據(jù)支持。結(jié)果表明，選擇較低能量的X射線可以提高衰減系數(shù)，從而提高圖像對比度。

數(shù)字成像；曝光參數(shù)；圖像質(zhì)量；曝光曲線

從1922年算起,射線檢測技術(shù)被應(yīng)用于工業(yè)無損檢測中已有90多年，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，射線檢測技術(shù)也開始了數(shù)字化道路[1]。目前，工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的數(shù)字射線檢測包括X射線數(shù)字成像(Digital Radiography，以下簡寫為DR)系統(tǒng)、間接數(shù)字成像檢測系統(tǒng)、后數(shù)字化系統(tǒng)等，而DR系統(tǒng)又因為具有檢測速度快、靈敏度高、有較大的寬容度等特點，是應(yīng)用在工業(yè)無損檢測領(lǐng)域中最廣泛的數(shù)字射線檢測方法[2]。

DR采用探測器實現(xiàn)射線信號的探測與轉(zhuǎn)換,并運用圖像處理技術(shù)實現(xiàn)射線圖像的數(shù)字化，這樣就存在影響射線圖像質(zhì)量的因素：① 探測器空間分辨率和歸一化信噪比對檢測圖像質(zhì)量的影響；② 檢驗工藝(最重要的曝光參數(shù))對檢驗質(zhì)量的影響；③ DR數(shù)字射線檢測曝光參數(shù)無法采用傳統(tǒng)膠片的曝光曲線，曝光參數(shù)受多重因素影響[3]。筆者通過試驗討論DR系統(tǒng)曝光參數(shù)對最終圖像質(zhì)量的影響，論述了檢驗工藝對DR檢測系統(tǒng)的重要性。

1 理論分析

射線檢測原理為：射線在穿透物體的過程中，由于物體內(nèi)部缺陷引起的射線強度變化被記錄在底片上，在底片上產(chǎn)生可識別的對比度差異可由式(1)表示。

式中：I為射線強度；μ為射線衰減系數(shù)；n為散射比；ΔT為缺陷在射線透照方向上的尺寸；ΔI為由小厚度差引起的透射射線強度差。

射線檢測理論中，圖像質(zhì)量主要由對比度靈敏度表征，而對比度靈敏度主要受到主因?qū)Ρ榷圈/I和不清晰度的影響，主因?qū)Ρ榷戎械木€衰減系數(shù)和散射比均受到射線能量、曝光量等曝光參數(shù)的影響。其中，管電壓是X射線機的重要技術(shù)參數(shù)，管電壓越高，發(fā)射的X射線的波長越短，穿透能力越強，線質(zhì)越硬，線衰減系數(shù)μ越小，對比度降低，從而降低了圖像質(zhì)量；而降低管電壓、提高管電流又可以減小射線檢測圖像的不清晰度，提高圖像質(zhì)量。因此，在射線檢測過程中，根據(jù)試件厚度確定曝光參數(shù)，在保證圖像靈敏度要求的情況下，盡量選擇低的管電壓。

數(shù)字射線檢測理論中，圖像質(zhì)量與對比度、分辨率和信噪比有關(guān)，射線能量的增加、曝光量的增大一方面會降低圖像對比度，另一方面又能提高圖像信噪比，提升圖像的質(zhì)量。

2 試驗過程

2.1試驗對象與設(shè)備

試驗選擇15 mm厚的鋼板作為被檢對象，系統(tǒng)平板探測器為Varian 2520DX，該探測器像元尺寸(面積)為127 μm2，極限分辨率為3.94 Lp·mm-1,采用16位AD轉(zhuǎn)換器采樣，多種焦點尺寸，是應(yīng)用在工業(yè)數(shù)字射線檢測的平板探測器。

圖像分析處理軟件選擇華科圖像V6.2。該軟件由煙臺華科檢測設(shè)備有限公司開發(fā)，是滿足國內(nèi)外X射線數(shù)字成像檢測標準的數(shù)字成像軟件，可以實現(xiàn)線性像質(zhì)計的目測觀察、雙絲像質(zhì)計的測量、信噪比與歸一化信噪比計算等功能。以上功能均滿足試驗要求。

2.2試驗布置與工藝要求

2.2.1 焦距與焦點尺寸

數(shù)字射線成像系統(tǒng)中，焦點尺寸對圖像質(zhì)量的影響非常顯著，尺寸越小，圖像質(zhì)量越好，考慮到實際要求，該檢測系統(tǒng)的焦點尺寸為0.5 mm。

根據(jù)標準NB/T 47013.11-2015《承壓設(shè)備無損檢測 X射線數(shù)字成像檢測》，AB級射線數(shù)字成像檢測技術(shù)要求：f≥10d·b1/2，f為焦距，d為焦點尺寸，b為公稱厚度。固定試驗焦距為750 mm。同時，考慮合適的圖像分辨率和幾何不清晰度，計算最佳放大倍數(shù)[4],得出最佳放大倍數(shù)下探測器到平板的距離為100 mm。

2.2.2 像質(zhì)計布置

以圖像對比度與圖像分辨率來表征圖像質(zhì)量。圖像對比度，也稱對比度靈敏度，指的是能發(fā)現(xiàn)被檢工件圖像中最小細節(jié)的能力。在射線檢測系統(tǒng)中，一般采用像質(zhì)計靈敏度來表征數(shù)字圖像的對比度，根據(jù)標準NB/T 47013.11-2015要求，單壁透照時，像質(zhì)計布置在X射線機側(cè)。圖像分辨率指的是能分辨圖像中單位長度上兩個相鄰細節(jié)間最小距離的能力。在射線檢測系統(tǒng)中，一般采用雙絲像質(zhì)計測定圖像的不清晰度，通過換算不清晰度與圖像分辨率的關(guān)系得到圖像分辨率的值，根據(jù)標準NB/T 47013.11-2015要求，雙絲像質(zhì)計應(yīng)放置在探測器側(cè)。試驗布置現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 試驗布置現(xiàn)場

2.3試驗方法與數(shù)據(jù)處理為了論述曝光參數(shù)對DR檢測系統(tǒng)圖像質(zhì)量的影響，筆者通過設(shè)計正交試驗，在不同管電壓(100 kV190 kV)和管電流(2 mA8 mA)下測量圖像灰度、信噪比、絲徑等來討論曝光參數(shù)對圖像質(zhì)量的影響。更進一步，為制作DR檢測系統(tǒng)的曝光曲線提供試驗依據(jù)。

3 試驗結(jié)果

3.1曝光參數(shù)對圖像灰度的影響

圖像評定區(qū)內(nèi)AB級圖像的灰度值應(yīng)控制在滿量程的20%80%。試驗所使用的探測器中滿量程的灰度等級為216[5]。曝光參數(shù)對圖像灰度的影響如圖2所示。

圖2 曝光參數(shù)對圖像灰度的影響

從圖2可以看出，當管電壓為150 kV，電流為6 mA時，灰度值超過滿量程灰度等級，此時，曝光量太大，數(shù)字探測器完成采樣量化已經(jīng)超過16位AD轉(zhuǎn)換器的分辨率。數(shù)據(jù)分析表明，灰度隨著管電壓的增加而增大，隨管電流的增加而增大，且灰度隨管電壓的變化比隨管電流的變化更明顯。在實際試驗過程中，調(diào)試校準階段需要滿足一定的灰度要求，檢驗工藝上通過降低透照電壓，提高管電流增加系統(tǒng)的曝光量。

3.2曝光參數(shù)對圖像分辨率的影響

圖像分辨率通過測定雙絲像質(zhì)計的絲徑表征，使用圖像處理軟件的輪廓提取功能，第一組可識別率不大于20%的絲對，即為最小分辨率。軟件通過提取檢測圖像中雙絲像質(zhì)計來計算其可識別率，曝光參數(shù)對圖像分辨率的影響如表1所示。

表1 曝光參數(shù)對圖像分辨率的影響(絲對值)

圖4 管電壓對圖像對比度的影響(2 mA)

由表1可以看出，灰度出現(xiàn)飽和的區(qū)域，射線圖像無法顯示，不能測得絲對值。在管電壓為100 kV，管電流為2 mA7 mA時，圖像分辨率大小為D8，不能滿足標準AB級底片對圖像分辨率的要求；提高管電流至8 mA時，圖像分辨率隨即提高，達到標準要求。而且，管電壓對圖像分辨率的影響較小，管電流對圖像分辨率的影響較大。

3.3曝光參數(shù)對圖像信噪比的影響

圖像信噪比指的是圖像感興趣區(qū)域(ROI)的信號平均值與信號標準差之比。在數(shù)字射線成像過程中，噪聲是影響圖像質(zhì)量的重要因素，曝光參數(shù)對圖像信噪比的影響如圖3所示。

圖3 曝光參數(shù)對圖像信噪比的影響

如圖3所示，信噪比隨著管電壓的增大而增大，隨著管電流的增大也增大。歸一化信噪比為

式中：SNRN為歸一化信噪比；SNR為測量信噪比；SRb為探測器像素大小。

通過軟件計算探測系統(tǒng)歸一化信噪比，發(fā)現(xiàn)低管電壓、管電流下的歸一化信噪比不能滿足標準NB/T 47013.11-2015中AB級的要求。低能量X射線雖然能穿透工件，且對比度較高，但是信噪比較低，整個圖像的對比度靈敏度較差。

3.4曝光參數(shù)對圖像對比度的影響

圖像對比度采用單絲像質(zhì)計絲徑表征，曝光參數(shù)中，管電壓對圖像對比度的影響如圖4所示，管電流對圖像對比度的影響如圖5所示。

圖4中管電流2 mA不變，對比度隨管電壓的增大而增大；圖5中電壓值100 kV不變，對比度隨管電流增大而增大。由圖4中的結(jié)果均可以識別W16號絲，圖4(b)～(d)較圖4(a)的圖像識別度更高，對比度有所增加；圖5(a)的圖像能識別W15絲，圖5(b)的圖像能識別W15號絲，圖5(c)和圖5(d)的圖像能識別W16號絲，顯然對比度增加。比較圖4(a)與圖5(a)，電壓稍增加一點，對比度明顯增強，而對比圖5(a)與圖5(b)發(fā)現(xiàn)，對比度隨電流增加其變化較小。試驗表明，管電壓對圖像對比度的影響較大，管電流的影響卻不顯著。所有試驗圖像的對比度靈敏度都處于非常高的水平，這也正是X射線數(shù)字成像系統(tǒng)的優(yōu)勢。

圖5 管電流對圖像對比度的影響(100 kV)

4 討論

曝光參數(shù)同樣是DR檢測系統(tǒng)中的重要參數(shù)，射線能量越低，圖像對比度越大，檢出缺陷的能力越強。當然，如果大幅度地降低X射線能量，衰減系數(shù)的增大將導致射線無法穿透工件，就不能實施檢測。同時，檢測圖像的對比度靈敏度與信噪比有關(guān)，其關(guān)系如式(3)所示[6]。

式中：CS為對比度靈敏度；GBV為識別像質(zhì)計需要的對比度；T為板材的厚度。

從式(3)可以看出，信噪比直接影響獲得的檢測圖像的對比度。射線檢測理論中，射線能量增加將降低圖像對比度，而試驗結(jié)果顯示，隨著射線能量增加，圖像對比度反而增加。這是因為射線能量增加使得信噪比增加，在線性區(qū)域內(nèi)，信噪比增加引起的對比度增加補償了線衰減系數(shù)減小引起的對比度降低。

因此，為了使檢測圖像達到一定的對比度靈敏度，需要選擇在合適曝光量下的信噪比。

為了避免盲目地嘗試曝光參數(shù)，根據(jù)試驗獲得的數(shù)據(jù)再引入工件厚度等因素對圖像質(zhì)量的影響，就可以嘗試建立該系統(tǒng)的曝光優(yōu)化曲線。

5 結(jié)語

在DR檢測系統(tǒng)中，曝光參數(shù)對圖像對比度和分辨率的影響較為顯著，且相互影響制約。在保證穿透力的情況下，選擇較低能量的X射線可以提高衰減系數(shù)，從而提高圖像對比度；而較低的射線能量卻由于信噪比降低使得圖像質(zhì)量不能滿足分辨率要求。因此，在該系統(tǒng)曝光曲線的制作過程中，需要對像質(zhì)計靈敏度的制約參數(shù)進行優(yōu)化，建立合適的基于DR檢測系統(tǒng)的曝光曲線。

[1] 曾祥照.無損檢測文化概論[J].無損探傷,2002,26(2):34-37.

[2] 曾祥照.我國射線數(shù)字成像無損檢測標準的制訂與展望[C]. 2008 年全國射線數(shù)字成像與CT 新技術(shù)研討會論文集. [S.l.]:[s.n],2008:301-304.

[3] 劉陽.工業(yè)X射線數(shù)字化系統(tǒng)研究[D].北京：北京工業(yè)大學,2010.

[4] 楊坤,朱建平.幾何放大對DR成像質(zhì)量的影響[J].無損檢測,2014,36(5):27-30.

[5] ASTM E2736-2010 Standard guide for digital detector arrays radiology[S].

[6] 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[S].

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TheInfluenceofExposureParametersontheImageQualityofX-rayDigitalRadiographySystem

LUO Jie, LIU Shun, WEI Shaoming, CHEN Heng, XIA Zhonghua

(CGN Inspection Technology Co., Ltd., Suzhou 215004, China)

In this paper, the influence of exposure parameters on image contrast and resolution is analyzed by orthogonal test. Furthermore, the influence of exposure parameters on the image quality of DR detection system is discussed, and data support is provided for the production of DR system exposure curve. The results show that the lower energy X-ray can improve the attenuation cofficient, thereby increasing the image contrast.

digital radiography; exposure parameter; image quality; exposure curve

TG115.28

： A

：1000-6656(2017)09-0035-04

2017-01-09

羅 杰(1989-)，男，助理工程師，碩士，主要從事核電站設(shè)備的無損檢測應(yīng)用與研究工作

羅 杰，Luo.Jie@cgnpc.com.cn

10.11973/wsjc201709008