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        淺談CR檢測(cè)中的分辨力與分辨率

        2020-12-18 08:05:16陳小明石愛(ài)玲張軍輝吳志波譚云華
        無(wú)損檢測(cè) 2020年2期
        關(guān)鍵詞:分辨力雙線(xiàn)清晰度

        陳小明,石愛(ài)玲,張軍輝,吳志波,譚云華

        (東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司,自貢 643000)

        隨著特種設(shè)備行業(yè)射線(xiàn)數(shù)字成像標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布和人員取證的實(shí)施,數(shù)字射線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)得到了大力的推廣應(yīng)用。由于各標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布時(shí)間、起草人員不同,標(biāo)準(zhǔn)中的術(shù)語(yǔ)也就略存在差異,易引起混淆。特別是X射線(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助成像檢測(cè)(簡(jiǎn)稱(chēng)CR檢測(cè))標(biāo)準(zhǔn),存在多個(gè)有關(guān)分辨力和分辨率的術(shù)語(yǔ),給數(shù)字射線(xiàn)從業(yè)人員在學(xué)習(xí)、理解和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)上帶來(lái)很大的困難。

        筆者通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.11-2015 《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第11部分:X射線(xiàn)數(shù)字成像檢測(cè)》、NB/T 47013.14-2016 《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第14部分:X射線(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助圖像檢測(cè)》 和ISO 17636-2:2013Non-destructivetestingofwelds-Radiographictesting-Part2:X-andγ-raytechniqueswithdigitaldetectors中易于混淆的術(shù)語(yǔ)和定義進(jìn)行理論對(duì)比分析和試驗(yàn),以幫助從業(yè)人員更好地理解標(biāo)準(zhǔn),推動(dòng)CR檢測(cè)技術(shù)在特種設(shè)備行業(yè)中的更好應(yīng)用。

        1 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)分辨力和分辨率的定義

        術(shù)語(yǔ)和定義取自NB/T 47013.11和NB/T 47013.14現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中。

        1.1 分辨力

        兩個(gè)相鄰細(xì)節(jié)間最小距離的分辨能力,用mm表示。

        1.2 分辨率

        分辨率定義為單位長(zhǎng)度上可分辨兩個(gè)相鄰細(xì)節(jié)間最小距離的能力,用lp/mm表示。分辨率分為系統(tǒng)分辨率和圖像分辨率,用雙線(xiàn)型像質(zhì)計(jì)或分辨率測(cè)試卡測(cè)試。

        數(shù)字圖像的分辨率(力),限定了圖像所能分辨的、處于與射線(xiàn)束垂直平面內(nèi)的相鄰細(xì)節(jié)(缺陷)間的最小尺寸,即圖像可以分辨的細(xì)節(jié)最小間距。

        分辨率和分辨力的主要區(qū)別在于分辨率是相對(duì)值,分辨力是絕對(duì)值,分辨率等于2倍分辨力的倒數(shù)。

        1.2.1 系統(tǒng)基本空間分辨率(簡(jiǎn)稱(chēng)系統(tǒng)分辨率)

        在無(wú)被檢工件的情況下,按照標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件獲得的,單位長(zhǎng)度上CR系統(tǒng)數(shù)字圖像所能顯示的最小細(xì)節(jié)的能力,用SRb表示。

        1.2.2 圖像空間分辨率(簡(jiǎn)稱(chēng)圖像分辨率)

        系統(tǒng)分辨率與檢測(cè)系統(tǒng)有關(guān),與被檢對(duì)象無(wú)關(guān),反應(yīng)檢測(cè)系統(tǒng)本身特性,主要取決于使用的射線(xiàn)機(jī)、CR掃描儀和IP板類(lèi)型。射線(xiàn)機(jī)焦點(diǎn)尺寸小,激光掃描儀掃描步進(jìn)小,IP晶體體積小可獲得較高的圖像分辨率。例如晶體體積小的IP分辨率比較高,可達(dá)25 μm 甚至更小。晶體體積較大的,空間分辨率也較低,最多只能達(dá)到50 μm[1]。

        圖像分辨率是檢測(cè)系統(tǒng)針對(duì)特定檢測(cè)對(duì)象在特定檢測(cè)條件時(shí),得到的檢測(cè)圖像分辨率,主要考核圖像的不清晰度。對(duì)于特定的檢測(cè)系統(tǒng),系統(tǒng)分辨率為一定值,圖像分辨率隨檢測(cè)對(duì)象和透照工藝的變化而不同,且數(shù)值低于系統(tǒng)分辨率。

        1.3 掃描分辨率

        由掃描決定的數(shù)字圖像的像素幾何尺寸,取決于激光掃描儀掃描IP板的行間距,以及激光點(diǎn)掃描行走速度與轉(zhuǎn)換器工作頻率之比。

        掃描分辨率(掃描精度或掃描步進(jìn))主要受激光斑點(diǎn)尺寸,步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)精度和激光頭擺動(dòng)精度的影響。掃描分辨率是控制CR系統(tǒng)圖像質(zhì)量和IP掃描速度的關(guān)鍵因素,掃描分辨率高,相應(yīng)的掃描速度就慢,獲得的圖像分辨率就高。實(shí)際系統(tǒng)分辨率低于理想狀態(tài)的系統(tǒng)分辨率[2]。

        2 標(biāo)準(zhǔn)中分辨力和分辨率的指標(biāo)規(guī)定

        2.1 圖像分辨率的表述

        在實(shí)際應(yīng)用中,各個(gè)射線(xiàn)數(shù)字成像檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)并未嚴(yán)格區(qū)分雙線(xiàn)型像質(zhì)計(jì)讀數(shù)值、圖像不清晰度,其分辨率和分辨力的關(guān)系如表1~3所示。

        在NB/T 47013.11-2015標(biāo)準(zhǔn)中圖像分辨率單位用lp·mm-1表示,在NB/T 47013.14-2016和ISO 17636-2:2013中用分辨力表示分辨率,單位為mm。

        在實(shí)際應(yīng)用中并未嚴(yán)格區(qū)分分辨力和分辨率間的關(guān)系,常用分辨力表示分辨率。例如:某圖像分辨率為5 lp·mm-1,對(duì)應(yīng)分辨力為0.1 mm,圖像不清晰度為0.2 mm,雙線(xiàn)型像質(zhì)計(jì)測(cè)定值為D10,則該圖像分辨率為D10或0.1 mm。

        表1 NB/T 47013.11-2015標(biāo)準(zhǔn)的表5中B級(jí)像質(zhì)應(yīng)達(dá)到的圖像分辨率

        表2 NB/T 47013.14-2016標(biāo)準(zhǔn)的表9中B級(jí)像質(zhì)應(yīng)達(dá)到的圖像分辨率

        表3 ISO 17636-2:2013標(biāo)準(zhǔn)的表B.14中B級(jí)像質(zhì)應(yīng)達(dá)到的圖像分辨率

        2.2 歸一化信噪比計(jì)算時(shí)的分辨率選擇

        在歸一化信噪比計(jì)算時(shí),同樣采用分辨力的值代入公式進(jìn)行計(jì)算,但不同的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)分辨率的規(guī)定又不相同。

        ISO 17636-2:2013標(biāo)準(zhǔn)中歸一化信噪比SNRN的定義為:利用從數(shù)字圖像中直接測(cè)量的基本空間分辨率SRb和SNR值(即SNRmeasured)經(jīng)式(1)歸一化得到。

        (1)

        式中:88.6為歸一化系數(shù),單位為μm。

        在進(jìn)行歸一化信噪比計(jì)算時(shí),SRb為系統(tǒng)分辨率或圖像分辨率對(duì)應(yīng)的分辨力值,即雙線(xiàn)型像質(zhì)計(jì)絲徑或絲徑距離的值。

        NB/T 47013.14-2016標(biāo)準(zhǔn)定義歸一化信噪比SNRN為基于CR系統(tǒng)分辨率SRb,經(jīng)歸一化處理后的信噪比,可用式(2)表示。

        (2)

        式中:C為歸一化系數(shù),等于88.6 μm;SNRm為測(cè)量信噪比。

        同時(shí)該標(biāo)準(zhǔn)條款C.3規(guī)定 “進(jìn)行歸一化信噪比測(cè)量所需的CR系統(tǒng)分辨率的值按照附錄B測(cè)定?!睆男g(shù)語(yǔ)定義和歸一化信噪比計(jì)算公式可看出,SRb為CR系統(tǒng)分辨率。

        通過(guò)分析,不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)歸一化信噪比計(jì)算公式是相同的,但分辨率取值不同,ISO 17636-2:2013規(guī)定為圖像分辨率,NB/T 47013.14-2016為系統(tǒng)分辨率。對(duì)同一圖像而言,NB/T 47013.14-2016測(cè)量的圖像歸一化信噪比數(shù)值高于ISO 17636-2:2013的,即按照NB/T 47013.14-2016標(biāo)準(zhǔn)采集的圖像質(zhì)量可能不滿(mǎn)足ISO 17636-2:2013標(biāo)準(zhǔn)的要求。

        例如某CR檢測(cè)系統(tǒng)的分辨率為D11(0.08 mm),采用此CR系統(tǒng)按照AB級(jí)對(duì)60 mm平板對(duì)接焊縫進(jìn)行檢測(cè),當(dāng)管電壓為350~450 kV時(shí),圖像歸一化信噪比要求≥98。如果圖像測(cè)量信噪比為100,圖像分辨率為D6(0.25 mm)。分別將系統(tǒng)分辨率和圖像分辨率代入式(2)進(jìn)行計(jì)算得到:系統(tǒng)分辨率為0.08 m時(shí),SNRN=110.8>98滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求;圖像分辨率為0.25 mm時(shí),SNRN=35.4<98不滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

        可見(jiàn)對(duì)同一圖像,在測(cè)量信噪比相同的情況下,采用不同的分辨率代入公式計(jì)算得到的歸一化信噪比數(shù)值相差超過(guò)3倍。

        在實(shí)際CR檢測(cè)應(yīng)用中,為獲得高質(zhì)量的CR檢測(cè)圖像,圖像歸一化信噪比計(jì)算時(shí)并未采用系統(tǒng)分辨率,而是采用圖像分辨率。

        3 分辨率試驗(yàn)

        采用型號(hào)HPX-1Plus的激光掃描儀,HR型成像板,HSXY-320HP型射線(xiàn)機(jī)(焦點(diǎn)尺寸為1.0 mm),厚度為6 mm的低碳鋼鋼板進(jìn)行試驗(yàn)。

        3.1 掃描分辨率和系統(tǒng)分辨率

        按照NB/T 47013.14-2017附錄B要求,將兩個(gè)雙線(xiàn)型像質(zhì)計(jì)同時(shí)放在IP板上分別與像素行或列成2°~5°的傾角,掃描參數(shù)和透照條件如表4所示。

        表4 CR系統(tǒng)測(cè)試掃描參數(shù)和透照條件

        按照上述條件進(jìn)行曝光和IP板掃描后,得到系統(tǒng)分辨率如圖1所示。

        圖1 CR檢測(cè)系統(tǒng)分辨率測(cè)試

        對(duì)圖像進(jìn)行分析,可得出以下結(jié)論: ① 按照采樣定理, CR掃描儀的掃描分辨率P為25 μm,理想狀態(tài)系統(tǒng)分辨率R=2P=50 μm;② 當(dāng)激光束與雙線(xiàn)型像質(zhì)計(jì)絲徑垂直時(shí)系統(tǒng)分辨率為88.8 μm,激光束與雙線(xiàn)型像質(zhì)計(jì)絲徑平行時(shí)系統(tǒng)分辨率為82.1 μm,兩個(gè)方向略有差異,系統(tǒng)分辨率為D11,即SRb=80 μm;③ 系統(tǒng)實(shí)測(cè)分辨率低于理想分辨率,系統(tǒng)分辨率不僅與掃描分辨率相關(guān),還與IP板類(lèi)型有關(guān)。

        3.2 掃描分辨率和圖像分辨率

        采用相同的透照工藝(管電壓150 kV,曝光量5 mA·min,焦距700 mm)對(duì)6 mm厚的鋼板進(jìn)行透照。透照時(shí),只改變掃描分辨率,而激光功率和PMT增益值保持不變,測(cè)試數(shù)據(jù)如表5所示。

        由表5可得出以下結(jié)論:① 在特定的CR檢測(cè)系統(tǒng)中,激光掃描儀掃描分辨率越高,圖像分辨率越高;② 在滿(mǎn)足產(chǎn)品檢測(cè)要求下,掃描分辨率變化對(duì)圖像分辨率不會(huì)產(chǎn)生明顯影響,適當(dāng)降低掃描分辨率可提高掃描速度;③ 激光掃描儀的分辨率應(yīng)可以調(diào)節(jié)以適應(yīng)各種檢測(cè)需要,圖像采集時(shí)掃描分辨率要高于標(biāo)準(zhǔn)要求的圖像分辨率。

        表5 掃描分辨率對(duì)圖像分辨率的影響

        3.3 系統(tǒng)分辨率和圖像分辨率

        射線(xiàn)數(shù)字圖像檢測(cè)技術(shù)中,圖像不清晰度包括幾何不清晰Ug和圖像固有不清晰度Uc,可用圖像分辨率表示,其等于2倍圖像分辨率(力)[1]。

        (3)

        (4)

        固有不清晰度Uc可用式(5)表示。

        Uc=2SRb

        (5)

        幾何不清晰度Ug可用式(6)表示。

        Ug=df×L2/(F-L2)=df×L2/L1

        (6)

        式中:F為焦點(diǎn)至IP板的距離;df為焦點(diǎn)尺寸;L1為焦點(diǎn)至工件表面的距離;L2為工件表面至IP板的距離。

        由式(6)可知:幾何不清晰度與焦點(diǎn)尺寸和工件厚度成正比,與焦點(diǎn)至工件表面的距離成反比。在焦點(diǎn)尺寸和工件厚度一定的情況下,焦距越大,Ug值越小,圖像分辨率越好。

        通過(guò)3.1中的試驗(yàn)測(cè)得該CR檢測(cè)系統(tǒng)分辨率SRb為88.8 μm,固有不清晰度Uc為0.177 6 mm。掃描參數(shù)和透照電壓保持不變,曝光量按平方反比定律計(jì)算,通過(guò)改變焦距,測(cè)得的圖像分辨率變化如表6所示。

        表6 焦距對(duì)圖像分辨率的影響

        表6進(jìn)行分析,可得以下結(jié)論:① 圖像不清晰度計(jì)算值小于圖像不清晰度測(cè)定值,即實(shí)際圖像分辨率低于理論計(jì)算結(jié)果;② 焦距從200 mm變化到1 000 mm時(shí),圖像分辨率未發(fā)生明顯變化,圖像分辨率增大,幾何不清晰度降低,圖像分辨率逐漸提高;③ 雖然圖像分辨率未發(fā)生明顯變化(未超過(guò)一個(gè)絲號(hào)),但對(duì)應(yīng)的分辨率數(shù)值下降的百分比不同(圖像分辨率80~100 μm都屬于D11);圖2(a)中圖像分辨率實(shí)測(cè)值為88.8 μm,第一對(duì)不能識(shí)別的雙線(xiàn)型像質(zhì)計(jì)絲徑百分比為15.8%,圖2(b)中圖像分辨率實(shí)測(cè)值為92.2 μm,第一對(duì)不能識(shí)別的雙線(xiàn)型像質(zhì)計(jì)絲徑百分比為12.7%;④ 因CR檢測(cè)的圖像分辨率和系統(tǒng)分辨率高,圖像分辨率主要取決于系統(tǒng)分辨率,當(dāng)焦距滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)等級(jí)最小焦距情況下,焦距和射線(xiàn)機(jī)焦點(diǎn)尺寸產(chǎn)生的幾何不清晰度Ug對(duì)圖像不清晰度U的影響很小,即對(duì)圖像分辨率的影響較小。

        圖2 CR圖像分辨率測(cè)試

        4 結(jié)語(yǔ)

        分辨率(或分辨力)是射線(xiàn)數(shù)字成像圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要參數(shù)之一,決定了缺陷細(xì)節(jié)的分辨能力。分辨率是相對(duì)值,分辨力是絕對(duì)值,對(duì)于特定的系統(tǒng),可用分辨力表示系統(tǒng)的檢測(cè)能力,但在對(duì)不同系統(tǒng)或被檢工件之間進(jìn)行對(duì)比時(shí),分辨率則較為客觀(guān)。通過(guò)對(duì)射線(xiàn)數(shù)字成像各標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語(yǔ)中分辨率和分辨力的理論計(jì)算對(duì)比,分析了各標(biāo)準(zhǔn)中分辨率和分辨力的差異,并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了掃描分辨率對(duì)系統(tǒng)分辨率和圖像分辨率的影響,為CR檢測(cè)工藝的制定提供了依據(jù),以推動(dòng)CR檢測(cè)技術(shù)的更好應(yīng)用。

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