陳小明,石愛玲,張軍輝,吳志波,譚云華
(東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司,自貢 643000)
隨著特種設備行業(yè)射線數字成像標準發(fā)布和人員取證的實施,數字射線檢測技術得到了大力的推廣應用。由于各標準的發(fā)布時間、起草人員不同,標準中的術語也就略存在差異,易引起混淆。特別是X射線計算機輔助成像檢測(簡稱CR檢測)標準,存在多個有關分辨力和分辨率的術語,給數字射線從業(yè)人員在學習、理解和應用標準上帶來很大的困難。
筆者通過對標準NB/T 47013.11-2015 《承壓設備無損檢測 第11部分:X射線數字成像檢測》、NB/T 47013.14-2016 《承壓設備無損檢測 第14部分:X射線計算機輔助圖像檢測》 和ISO 17636-2:2013Non-destructivetestingofwelds-Radiographictesting-Part2:X-andγ-raytechniqueswithdigitaldetectors中易于混淆的術語和定義進行理論對比分析和試驗,以幫助從業(yè)人員更好地理解標準,推動CR檢測技術在特種設備行業(yè)中的更好應用。
術語和定義取自NB/T 47013.11和NB/T 47013.14現(xiàn)行標準中。
兩個相鄰細節(jié)間最小距離的分辨能力,用mm表示。
分辨率定義為單位長度上可分辨兩個相鄰細節(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,用雙線型像質計或分辨率測試卡測試。
數字圖像的分辨率(力),限定了圖像所能分辨的、處于與射線束垂直平面內的相鄰細節(jié)(缺陷)間的最小尺寸,即圖像可以分辨的細節(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值,分辨力是絕對值,分辨率等于2倍分辨力的倒數。
1.2.1 系統(tǒng)基本空間分辨率(簡稱系統(tǒng)分辨率)
在無被檢工件的情況下,按照標準測試條件獲得的,單位長度上CR系統(tǒng)數字圖像所能顯示的最小細節(jié)的能力,用SRb表示。
1.2.2 圖像空間分辨率(簡稱圖像分辨率)
系統(tǒng)分辨率與檢測系統(tǒng)有關,與被檢對象無關,反應檢測系統(tǒng)本身特性,主要取決于使用的射線機、CR掃描儀和IP板類型。射線機焦點尺寸小,激光掃描儀掃描步進小,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,最多只能達到50 μm[1]。
圖像分辨率是檢測系統(tǒng)針對特定檢測對象在特定檢測條件時,得到的檢測圖像分辨率,主要考核圖像的不清晰度。對于特定的檢測系統(tǒng),系統(tǒng)分辨率為一定值,圖像分辨率隨檢測對象和透照工藝的變化而不同,且數值低于系統(tǒng)分辨率。
由掃描決定的數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,以及激光點掃描行走速度與轉換器工作頻率之比。
掃描分辨率(掃描精度或掃描步進)主要受激光斑點尺寸,步進電機的運動精度和激光頭擺動精度的影響。掃描分辨率是控制CR系統(tǒng)圖像質量和IP掃描速度的關鍵因素,掃描分辨率高,相應的掃描速度就慢,獲得的圖像分辨率就高。實際系統(tǒng)分辨率低于理想狀態(tài)的系統(tǒng)分辨率[2]。
在實際應用中,各個射線數字成像檢測標準并未嚴格區(qū)分雙線型像質計讀數值、圖像不清晰度,其分辨率和分辨力的關系如表1~3所示。
在NB/T 47013.11-2015標準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。
在實際應用中并未嚴格區(qū)分分辨力和分辨率間的關系,常用分辨力表示分辨率。例如:某圖像分辨率為5 lp·mm-1,對應分辨力為0.1 mm,圖像不清晰度為0.2 mm,雙線型像質計測定值為D10,則該圖像分辨率為D10或0.1 mm。
表1 NB/T 47013.11-2015標準的表5中B級像質應達到的圖像分辨率
表2 NB/T 47013.14-2016標準的表9中B級像質應達到的圖像分辨率
表3 ISO 17636-2:2013標準的表B.14中B級像質應達到的圖像分辨率
在歸一化信噪比計算時,同樣采用分辨力的值代入公式進行計算,但不同的標準對分辨率的規(guī)定又不相同。
ISO 17636-2:2013標準中歸一化信噪比SNRN的定義為:利用從數字圖像中直接測量的基本空間分辨率SRb和SNR值(即SNRmeasured)經式(1)歸一化得到。
(1)
式中:88.6為歸一化系數,單位為μm。
在進行歸一化信噪比計算時,SRb為系統(tǒng)分辨率或圖像分辨率對應的分辨力值,即雙線型像質計絲徑或絲徑距離的值。
NB/T 47013.14-2016標準定義歸一化信噪比SNRN為基于CR系統(tǒng)分辨率SRb,經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,等于88.6 μm;SNRm為測量信噪比。
同時該標準條款C.3規(guī)定 “進行歸一化信噪比測量所需的CR系統(tǒng)分辨率的值按照附錄B測定?!睆男g語定義和歸一化信噪比計算公式可看出,SRb為CR系統(tǒng)分辨率。
通過分析,不同標準對歸一化信噪比計算公式是相同的,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。對同一圖像而言,NB/T 47013.14-2016測量的圖像歸一化信噪比數值高于ISO 17636-2:2013的,即按照NB/T 47013.14-2016標準采集的圖像質量可能不滿足ISO 17636-2:2013標準的要求。
例如某CR檢測系統(tǒng)的分辨率為D11(0.08 mm),采用此CR系統(tǒng)按照AB級對60 mm平板對接焊縫進行檢測,當管電壓為350~450 kV時,圖像歸一化信噪比要求≥98。如果圖像測量信噪比為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)進行計算得到:系統(tǒng)分辨率為0.08 m時,SNRN=110.8>98滿足標準要求;圖像分辨率為0.25 mm時,SNRN=35.4<98不滿足標準要求。
可見對同一圖像,在測量信噪比相同的情況下,采用不同的分辨率代入公式計算得到的歸一化信噪比數值相差超過3倍。
在實際CR檢測應用中,為獲得高質量的CR檢測圖像,圖像歸一化信噪比計算時并未采用系統(tǒng)分辨率,而是采用圖像分辨率。
采用型號HPX-1Plus的激光掃描儀,HR型成像板,HSXY-320HP型射線機(焦點尺寸為1.0 mm),厚度為6 mm的低碳鋼鋼板進行試驗。
按照NB/T 47013.14-2017附錄B要求,將兩個雙線型像質計同時放在IP板上分別與像素行或列成2°~5°的傾角,掃描參數和透照條件如表4所示。
表4 CR系統(tǒng)測試掃描參數和透照條件
按照上述條件進行曝光和IP板掃描后,得到系統(tǒng)分辨率如圖1所示。
圖1 CR檢測系統(tǒng)分辨率測試
對圖像進行分析,可得出以下結論: 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 當激光束與雙線型像質計絲徑垂直時系統(tǒng)分辨率為88.8 μm,激光束與雙線型像質計絲徑平行時系統(tǒng)分辨率為82.1 μm,兩個方向略有差異,系統(tǒng)分辨率為D11,即SRb=80 μm;③ 系統(tǒng)實測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,還與IP板類型有關。
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6 mm厚的鋼板進行透照。透照時,只改變掃描分辨率,而激光功率和PMT增益值保持不變,測試數據如表5所示。
由表5可得出以下結論:① 在特定的CR檢測系統(tǒng)中,激光掃描儀掃描分辨率越高,圖像分辨率越高;② 在滿足產品檢測要求下,掃描分辨率變化對圖像分辨率不會產生明顯影響,適當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可以調節(jié)以適應各種檢測需要,圖像采集時掃描分辨率要高于標準要求的圖像分辨率。
表5 掃描分辨率對圖像分辨率的影響
射線數字圖像檢測技術中,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為焦點至IP板的距離;df為焦點尺寸;L1為焦點至工件表面的距離;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尺寸和工件厚度成正比,與焦點至工件表面的距離成反比。在焦點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3.1中的試驗測得該CR檢測系統(tǒng)分辨率SRb為88.8 μm,固有不清晰度Uc為0.177 6 mm。掃描參數和透照電壓保持不變,曝光量按平方反比定律計算,通過改變焦距,測得的圖像分辨率變化如表6所示。
表6 焦距對圖像分辨率的影響
表6進行分析,可得以下結論:① 圖像不清晰度計算值小于圖像不清晰度測定值,即實際圖像分辨率低于理論計算結果;② 焦距從200 mm變化到1 000 mm時,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(未超過一個絲號),但對應的分辨率數值下降的百分比不同(圖像分辨率80~100 μm都屬于D11);圖2(a)中圖像分辨率實測值為88.8 μm,第一對不能識別的雙線型像質計絲徑百分比為15.8%,圖2(b)中圖像分辨率實測值為92.2 μm,第一對不能識別的雙線型像質計絲徑百分比為12.7%;④ 因CR檢測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,當焦距滿足標準相關等級最小焦距情況下,焦距和射線機焦點尺寸產生的幾何不清晰度Ug對圖像不清晰度U的影響很小,即對圖像分辨率的影響較小。
圖2 CR圖像分辨率測試
分辨率(或分辨力)是射線數字成像圖像質量評價的重要參數之一,決定了缺陷細節(jié)的分辨能力。分辨率是相對值,分辨力是絕對值,對于特定的系統(tǒng),可用分辨力表示系統(tǒng)的檢測能力,但在對不同系統(tǒng)或被檢工件之間進行對比時,分辨率則較為客觀。通過對射線數字成像各標準術語中分辨率和分辨力的理論計算對比,分析了各標準中分辨率和分辨力的差異,并通過試驗驗證了掃描分辨率對系統(tǒng)分辨率和圖像分辨率的影響,為CR檢測工藝的制定提供了依據,以推動CR檢測技術的更好應用。