工业射线照相技术的未来—数字化检测

综 述
工业射线照相技术的未来—数字化检测
张宏亮　周育宇
(盘锦北方无损检测公司,辽宁盘锦　124000)
摘　要:介绍几种目前还应用在医用领域或刚刚开始应用到工业领域的数字化射线照相方法,展望了将来可能广泛应用到工业领域中的数字化射线照相检测新技术;并探讨了实现过程中的一些需要解决的问题。

关键词:工业射线照相;数字化;检测
中图分类号:T G115.28　文献标识码:A　文章编号:167124423(2003)06201204
纵观科学发展,各种发明创造首先被应用于军事、医疗领域,然后经过发展,降低成本,逐步被应用到工业与民用,如最开始应用射线照相的医疗领域——人体透照,后来被应用到工业当中,发展出了R T检测方法;军用相控阵技术被应用于工业领域发展出相控阵超声波检测方法。

而这种转化应用的速度在加快,时差在缩短,现在医疗领域里使用的CT、CR、DR技术,经过一段磨合也很有可能广泛进入工业探伤领域,从而发展出新的检测方法。

本文就是在这种思想指导下,根据目前新成果、新技术对未来的工业探伤可能的发展方向做的一个预测。

相信不久的将来,本文预测的许多内容将成为现实。

1　前言
从理论上说,数字化图像是由像素来组成图像,它的空间分辨率不如传统胶片模拟图像的高。

但是由于人体肉眼对空间分辨率的感知有一定的限度,超过这个限度即不可分辨。

以X射线CT为例,它的高密度分辨率是胶片无法比拟的,从图像的对比度、宽容度和所具备的灰阶指数都优于胶片,因此,图像质量和所得到的信息远远超过胶片的模拟图像。

虽然目前工业射线照相还主要依靠胶片方式,但是,在可以预见的未来,随着X射线数字化采集、计算机海量存储、宽带互联网的发展,未来的工业射线检测(R T)将具备下述特点:图像数字化、计算机存储与网络传送、远程评定。

那时,由于不使用传统的胶片和冲洗设备,传统胶片检测经常遇到的一些问题将迎刃而解,不再存在划伤、黑度超标,由于采集系统的宽容度的提高和图像处理技术的应用,曝光不足或过量都可通过计算机处理进行修正,达到很好的表现焊缝图像的程度,将极少需要补拍;对于具有延迟性缺陷,还可以通过对图像进行数学计算,使变化的部分得以突出显示;将不再需要庞大的底片库,底片的保管问题可以很容易得到解决;由于宽带网络传输的方便快速,完全能实现远程集中评片,更有效地杜绝人为因素的影响,防止舞弊行为的发生;此外消除了工业重金属污染,有利于环境保护;要推广上述技术,还需要做很大的努力,做好对比,得到专家们的一致认可。

还涉及到需要修改现行标准中不适合的部分等等,下面分别加以介绍。

2　图像数字化—无胶片化
实现此技术的最关键所在是X射线数字化的问题,目前医学领域有以下几种方式也可供工业应用借鉴。

2.1　X光胶片数字化扫描仪
是对已有的传统X射线胶片扫描使之数字化的方法。

利用光电转换的原理,使用氦氖激光,通过多面体旋转式反光镜对已有X射线胶片进行扫描。

同时由快速多路自动跟踪接收器将接收到的光信号转变为电信号,再经过模 数转换器转换计算,将图像资料转变成数字信号资料从而可以存储并再利用。

这种方法由于先有照相胶片后再进行二次扫描转换,相对速度较慢,费用高且扫描仪结构复杂,这种技术没有实质上的进步,只是增加了一个复杂的手续,实现了胶片数字化,不适宜做大工作量的数字化转换。

2.2　计算机X射线摄影术(Com p u ted R adi ogra2
第27卷第6期2003年12月 无损探伤
N D T
V o l.27N o.6
D ece m ber.2003
p hy CR)
CR与传统X射线摄影不同,它是将透过物体的X射线影像信息记录在由辉尽性荧光物质、厚约300Λm——含微量元素铕的钡氟溴化物结晶制成的存储荧光板(sto rage p ho sp ho r p late,简称SPP)上,存储荧光板取代传统X射线胶片接受X射线照射,存储荧光板感光后在荧光物质中形成潜影,将带有潜影的存储荧光板置入读出器中用激光束进行精细扫描,用激光束以2510×2510的像素矩阵(像素约011mm大小)对SPP进行扫描读取,存储荧光板经过强光照射消除潜影后可以再用5000次。

CR的装置包括影像采集部分即存储荧光板,影像扫描部分即读出器及影像后处理和记录部分即计算机、打印机和其他存储介质。

存储荧光板与普通胶片一样分成各种不同大小规格。

读出器分为多槽自动排列读出处理式和单槽读出处理式,前者可在相同时间内处理更多存储荧光板。

凡是符合国际通用影像传输标准D I COM3.0格式的图像均可以经过网络传输、归档及打印。

CR除了具备所有数字化影像的共同优点外,其最大优势在于可以充分利用原有的传统X射线设备,使用方便,适用于各种检查,特别是野外移动作业。

缺点是操作较复杂,与DR相比工作效率较低。

CR与普通X射线照片的不同在于采用其信号经光电转换最终得到数字化图像,可以在荧光屏上观看或进行不同的后处理,这是目前最具有技术保障的、有实现前途的技术,作业过程基本与现在胶片照相相同,适合于射线机和野外恶劣环境施工。

2.3　数字化X射线摄影术(D igital R adi ograp hy DR)
广义的DR包括所有数字化的X射线照相,而狭义的DR则是指直接采用电子成像板技术。

电子成像板由大量微小的带有薄膜晶体管(T FT)的探测器排列而成。

由于电子转换模式不同又分为间接DR板和直接DR板,前者使用碘化铯闪烁屏,将X 射线先转变成可见光,通过光电转化方式再被探测器接收:后者则使用非晶硒直接释放电子被探测器接收。

从物理上说,直接DR板的量子转换效率应比间接DR板更高。

但在目前,间接DR板的稳定性好。

与CR相比,DR的图像分辨率和工作效率更高, X射线量更低。

随着成像速度的提高,DR正在由静态向动态方向发展,将使数字化透视成为可能,但DR装置目前还很昂贵,原有的X射线机必须经过大的改造和升级连接。

此技术可以实现自动化检测,现场检测出结果,但就象相控阵超声波一样,需要施工车辆和设备必须到达现场,在恶劣的野外环境中这往往是最难以解决的问题,限制了DR技术的野外大量应用。

2.4　线阵探测器数字化X射线机
我国航天部中兴医疗公司利用航天物理中高灵敏度的线阵探测器,采用线扫描技术直接接收X射线光子,生产出低剂量直接数字化X射线机。

该机为动态线扫描,目前扫描时间为4s,在实验室已成功达到2s。

这种机器的低X射线剂量,宽动态范围和较低的价格,具有良好的发展前景。

此技术可以通过类似相控阵自动超声波(AU T)的导轨、现场扫描,线性阵列沿管道焊缝外部均匀运动一周即可将结果读入扫描进入计算机。

　
3　图像增强技术等得以应用—减少补片量、节约资源
图像后处理技术是数字化影像提高图像质量的精髓。

经计算机计算处理,通过边缘增强或平滑技术,改善影像的细节、图像降噪、灰阶对比度调整、影像放大、数字减影、伪彩色处理等,将未经处理的影像中所看不到的特征信息在荧屏上显示图像,从而使图像更为清晰。

X射线摄影需要的曝光剂量相对较大,且X射线摄影一旦完成,影像质量再不能改善,当质量达不到要求时往往需要重摄,带来负担。

而包括CR、DR在内的数字化摄影技术,摄影条件的宽容范围都很宽,线性好,如CR的核心部件SPP 能使照射的X射线能和发光量有1∶1000以上的直线相关,可提供的数据量大、分辨率高、数据获取速度快,即使X射线曝光技术参数有错误也可避免重复拍照,并潜在地降低可能射线辐射,可免除辐射不足或过度造成的影像不清晰,SPP可反复多次使用。

该系统自动操作,成像参数可预调,影像处理过程约需115m in。

在数字X射线照片的情况下,能从当前的X射线照片减去先前的X射线照片产生即时减影图像以增强间隔性改变的区域。

经研究即时减影图像对延迟性缺陷提高判断精确度具有显著改善,通过应用于医学领域的数字化图像处理的结果,对于一个普通观察者说,用即时减影改善后其诊断灵敏度从
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84%提高到97%;且在判读时间上平均减少1913%。

据此,对工业数字化照相检测也具有现实的指导意义。

通过后处理提高了图像质量,尤其是对于照相难度大的部位、特殊条件如沟下照相等,原来这些部位照相困难,一旦出现曝光或洗片条件误差造成黑度错误或划伤,就要重新拍照,而经过计算机图像处理上述问题都迎刃而解,降低了废片率,减少了重拍。

4　数字化计算机存储、传送—降低存储成本
数字化图像可存储在硬盘、磁带机等存储器中,或者刻录在CD或DVD盘片内,为电子存档与通讯系统的应用创造了条件,为远程评定奠定了坚实的基础。

在一块硬盘或一片光盘上可以存储大量的图像,每一幅图像的存储成本就很低,随着数字存储技术的不断发展,存储成本还可以进一步降低。

在需要硬拷贝的地方,还可以使用激光打印机打印输出。

数字化照相的应用提高了无损检测的管理水平和效率,可方便、迅速、可靠地归档,长时间存储其信噪比也不会变坏,且任意调用不会丢失信息,从而将从根本上改变传统的对胶片的手工管理方式,防止丢片和片损情况的发生。

数字化存储不但节约了大量胶片,还节约了大量用于底片的存储空间和管理人员,也可以使资料的存储时间得以延长,从而降低底片的存档成本。

5　射线机低剂量化—更环保更经济图像的质量取决于它的信噪比,而这又与X射线的有效利用率有直接关系。

量子检测效率有机结合了图像的对比度、噪声、空间分辨率和X射线的剂量等因素。

由于数字化成像板感光介质的感光曲线与普通X光胶片不同,在对比度和宽容度上有较大的动态范围,再加上特别是DR检测器的高灵敏度,使得数字化成像的量子检测效率可以从传统胶片的20～30%提高到60～70%。

从而使X射线剂量可以大大降低,CR摄影条件为传统X射线摄影的1 2～2 3;DR与CR相比更为明显,可以降低2 3以上的剂量。

由于照相需要的曝光时间仅仅为一般胶片的1 2～2 3,可使操作人员接受的照射剂量下降一个数量级,且降低了X射线机的负荷,相对地延长了机器的使用寿命,故障率降低,维修费用也相应降低。

因不需要洗片过程,没有显影、定影液等化学药品的消耗,节省了环保投资。

6　远程评片—利于科学公正,减少评片人员
随着宽带互联网的快速发展,海量资料的远距离传送(即使是国际传送)已经不是遥不可及的事情,数字格式的图像通过宽带网络的传输,使检测公司可以实现集中技术水平最高的底片评定人员进行评定,结果更公正,更合理,甚至还可以考虑建立由专家组成的远程评定中心,遇到疑难问题还能够用会诊的办法解决。

同时也可以传送或者网络共享底片图像数据给其他人员,如:待培训人员、专家顾问、监理、飞行检查、政府质量监督、业主等部门,都可以及时看到焊缝的图像,做到了资料共享,极大地提高了影像信息的利用率,也避免了带有惩罚性的马后炮式的检查。

7　提高图像分辨率的重要途径
7.1　系统固有分辨率对图像分辨率有决定性的作用,因此配置高性能的系统设备对提高图像分辨率具有重要意义。

7.2　运用成像技术可以大大提高图像分辨率,成像技术包括:选择适合的射线能量;选用小焦点或微焦点的X射线源;选择最佳图像放大倍数;屏蔽无用射线和散射线;选用密度数高的材料过滤软射线,减少低能射线的散射作用;用铅质窗口限制主射线束的面积,减少散射线的作用;对工件被检测区域以外的表面实行有效的屏蔽,尽量减少散射线的影响和干扰信号的影响。

7.3　在图像采集过程中,不可避免地伴随有随机的噪声信号干扰图像质量,运用计算机图像处理技术对采集的图像进行连续帧叠加,能够有效地降低噪声信号,另外运用图像处理技术增强图像灰度、锐化图像边界、平滑对比强度,对提高图像分辨率有明显的效果。

7.4　赋予图像的像素更大的灰度等级,可提高图像分辨率。

通常在编制图像灰度软件时,对黑白图像的每个像素的灰度设定为8b it(28)256灰度等级,如果对每个像素赋予更大的灰度等级,例如10b it 1024灰度等级或12b it4096灰度等级,则图像的层
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第6期 张宏亮:工业射线照相技术的未来——数字化检测
次将会变得更加丰富,图像的细节表现力将会更加细腻,图像会变得更加清晰。

当然,这种图像质量的改善是以增大图像的储存空间为前提的。

随着计算机技术日新月异的发展,如今大容量的计算机已价廉物美,使用单位完全有能力承受,加上图像压缩技术的采用,增大图像储存空间已不再是困难的事。

8　需要解决的问题
数字化带来了巨大好处的同时也有一些需要解决的问题:
8.1　如何保证图像的真实性,防止恶意修改,通用图像存储格式是很容易被一些通用的图像处理软件如PHO TO SHO P修改的,好的办法是设计特殊格式的图像,但涉及问题很多,技术也十分复杂,压缩效果还不容易达到现在的通用图像水平。

比较容易实现的办法是,使用通用图像格式,但在制度上进行完善,完善的管理机制可以从客观上、制度上杜绝此事的发生,比如采用集中多人评片,会更能反映真实情况。

同时进行不可更改的数据备份,把每天的图像数据传送给监理备案等机制都是可以探讨的。

上述问题是能够解决的。

8.2　标准认可的问题。

由于不可能将现在所有的胶片探伤方式全部改成数字化探伤,而一些现行标准中有部分条款并不适宜数字化检测,要达到现行胶片标准,对数字化检测来说过于简单,可以在现行标准基础上制订一个针对数字化检测的补充条款,对如黑度、清晰度、灵敏度、对比度、灰雾度等要求可以进一步提高,而这些对于数字化检测来说是很容易达到更严格的合格水平的。

8.3　设备问题。

上述几种数字化检测方法中,CR 技术就目前来看是比较容易实现的,最为难能可贵之处在于:CR不需要淘汰现有的传统X射线机,定向射线机、爬行器都可以继续使用,这也是有别于其他数字化检测的卓越之处。

8.4　人员培训。

数字化检测系统是否成功,最关键的工作是人员培训。

传统的射线检测人员没有用过计算机的大有人在,一下子让它们操作计算机利用数字化检测工作,改变多年来形成的工作习惯,也是比较困难的。

总之,数字化进程是不可阻挡的,它的应用将射线检测的技术水平提高了一个新的层次,不但能节约大量胶片、药水、洗片机、存储等的费用,还能比较好地进行质量的控制。

任何事物都是一个矛盾的统一体,一个新生事物带来好处的同时也可能带来一些新的问题,我们需要判断和选择,不能因噎废食,相关的标准、甚至监理程序都将发生变化。

相信,一旦数字化检测被全面引进到无损检测行业之中,必将造成一次重大的变革。

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4　结论
(1)利用主成分分析的方法对实验样本的回波信号进行识别,可达到97%的识别率。

(2)实验对象的聚类分析可达到80%(24 30)的识别效果。

(3)多指标综合评价方法的提出为缺陷的智能化识别奠定基础。

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