平板探测器X射线数字成像质量

∑k n
i
i
且 n Q ∞ s. 式中 , ni 为第 i 层每个像元吸收的
线性 、 位置不变性系统[ 4 ] ,也就是说图像中任一点的 响应只取决于在该点的输入值 , 而与该点的位置无 关 . 在不考虑其它因素影响的情况下 ,X 射线透射图 像可由下式表示 :
f ( x , y) =
光子数均值 ; k i 为第 i 层每个光子产生的信号 . 2) 电子噪声 电子噪 声 主 要 由 三 种 噪 声 组 成 : 模 数 转 换 ( ADC) 噪声 nADC 、 行噪声 nL 、 像元噪声 nP ,即系统的 整个电子噪声为 :
X 2ray digital imaging quality of flat panel detector
MA Yue2zho u1 ,2 , A I Wei2ping1 , ZHAN G Chang2qing2
(1. College of Material Science and Engineering , Lanzhou Univ. of Tech. , Lanzhou 730050 , China ; 2. State Key Lab. of Gansu Advanced Non2Ferrous Metal Materials , Lanzhou Univ. of Tech. , Lanzhou 730050 , China)
1. 2 平板探测器成像系统组成 X 射线平板探测器成像检测系统由 X 射线源 、
被检测工件 、 平板探测器成像系统和计算机系统等 组成 ,如图 2 所示 . 各部分功能具体如下 :1 ) X 射线 源 : 用于产生一定能量的 X 射线穿透工件 , X 射线 在工件内部被吸收而产生强度上的差异 , 从而传递 工件内部的缺陷 、 形状等信息到达平板探测器 .
收稿日期 : 2006207220 作者简介 : 马跃洲 (19632) ,男 ,陕西汉中人 ,博士 ,教授 .
对性措施来改善图像质量是有必要的 . 本文从平板探测器数字成像系统入手 , 分别介 绍了系统各个组成部分的功能 , 着重分析了图像降 质的原因 ,建立了图像降质的数学模型 ,并利用该模 型对含有噪声的图像进行了滤波复原 . 仿真结果表 明 ,复原后的图像质量得到了较大改善 .
图 3 X 射线透射检测原理示意图
Fig. 3 Schematic diagram of X 2ray transmission inspection
根据射线直线传播原理 : 当 X 射线透射一定厚 度的物体时 ,所成图像总要有一定的半影区 ,即几何 不清晰度为 U g ,因为 M = 1 +
L2 , 则 U g = ( M - 1) ・ L1
・ 22 ・ 兰 州 理 工 大 学 学 报 第 33 卷
df , 由平板探测器 、 图像采集卡和显示器等设备引起
nE
[ 5～Байду номын сангаас6 ]
.
的图像固有不清晰度为 U f , 所以系统总不清晰度
2 图像质量下降的原因
在 X 射线平板探测器成像检测系统中 ,从 X 射 线源到数字图像生成的整个过程中 ,图像获取 、 传输 及存储每一环节都会引起图像信息的失真和引入噪 声 ,从而使图像降质 , 即图像退化[ 2 ] . 退化后图像对 比度降低且边缘模糊 ,最终导致检测灵敏度降低 . 引 起图像退化的因素主要有 : 几何结构引起的退化和 成像过程中平板探测器噪声引起的退化 [ 3 ] . 2. 1 几何因素对成像质量的影响 在 X 射线成像检测系统中 , X 射线源的焦点尺 寸对成像的清晰度有很大影响 . 设 X 射线源焦点尺 寸为 df , X 射线源焦点至被检工件表面的距离为 L 1 ,被检工件表面至平板探测器的距离为 L 2 , 几何 放大倍数为 M ,如图 3 所示 .
U T = (U + U )
3 f 3 g 1/ 3
1) 光量子噪声
, 通常在实际检测中采用相对不清
3 3 3 1/ 3
晰度 U T′ 来描述图像的清晰程度 , 即
U T′ = U f [ ( M - 1) ・df + U f ] = M M
可见 ,X 射线源焦点尺寸越小 ,则得到的图像清 晰度就越高 . 鉴于上述原因 ,为了得到质量较高的图 像 ,在 X 射线检测中应尽量选用焦点尺寸较小的 X 射线源 . 但在实际的工业探伤中 ,由于工件的厚度较 大 ,就要求 X 射线有一定的功率以穿透被测工件 , 因而目前工业所用的 X 射线源焦点直径通常在 1. 0
Abstract : In order to enhance t he image qualit y , t he factor s t hat affect t he imaging qualit y were discussed
by analyzing co mp rehensively t he digital imaging system of flat panel detector. It was believed t hat t he ge2 o met rical st ruct ure and noises of t he imaging system were main factor s which affect t he imaging qualit y , and t he correspo nding mat hematical model was built up . On t he basis of t he model , qualit y2lowered image was recovered wit h t he least squared co nst raint filter . The simulatio n result s showed t hat t he model was effective and t he recovered image qualit y was well imp roved to so me extent .
2) DXR250R T 成像系统 : 用于接收带有工件
内部信号的 X 射线 ,并按一定的方式处理为数字信 号 ,经过校正 ,降噪等处理 , 最后发送到计算机供用 户使用 . 3) 计算机系统 : 用于接收来自命令处理器的信 号并实现图像的显示 、 处理 、 保存等功能 , 同时用于 监控 DXR250R T 图像采集系统的工作状态 . 4) 同步及光隔电路 : 因图像采集系统分为曝光 和读出两个阶段 ,从而要求图像采集系统和 X 射线 源的工作在时序上要有一定的配合关系 , 即要求同 步 ; 同步电路根据图像采集系统的工作状态来使加 速器产生或停止产生 X 射线 ; 图像采集系统内部均 为弱电数字信号 ,而 X 射线源内部则产生强电和高 频信号 ,为了防止二者之间的干扰而引起的误操作 , 采用光电隔离电路 , 可对图像采集系统起到一定的 保护作用 .
第 33 卷 第 2 期 2007 年 4 月
兰 州 理 工 大 学 学 报 Journal of Lanzho u University of Technology
Vol. 33 No . 2 Ap r. 2007
文章编号 : 167325196 (2007) 0220020205
nE = nL = nP = nADC + nL + nP nJ + nA nkTC + nT + nS
2 2 2 2 2 2 2 2
其中行噪声 nL 和像元噪声 nP 分别为 :
平板探测器 X 射线数字成像质量
马跃洲1 ,2 , 艾维平1 , 张昌青2
(1. 兰州理工大学 材料科学与工程学院 , 甘肃 兰州 730050 ; 2. 兰州理工大学 甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室 , 甘肃 兰州 730050)
摘要 : 以提高图像质量为目的 ,对平板探测器数字成像系统进行全面分析 ,探讨其成像质量的影响因素 ,认为几何 结构和噪声是影响成像质量的主要因素 ,并建立相应的数学模型 . 以此为基础 ,采用约束最小二乘方滤波器对降质 后的图像进行滤波复原 . 仿真结果表明 ,所建立的数学模型是有效的 ,复原后图像的质量一定程度上得到了改善 . 关键词 : 平板探测器 ; X 射线 ; 数字成像 ; 噪声 ; 图像质量 中图分类号 : T G115. 28 文献标识码 : A
Key words : flat panel detector ; X2ray ; digital imaging ; noise ; image qualit y
平板探测器 ( FPD ,flat panel detector ) 数字成 像是 20 世纪 90 年代后期发展起来的新型射线无损 检测技术 . 作为目前最先进的数字化成像技术 , FPD 有许多优点 ,例如无边缘几何畸变 、 存储方便可靠 , 量子检测效率高 、 系统噪声小 、 灵敏度和分辨率高 、 动态范围及成像面积较大 、 有可编程控制特性 、 应用 灵活和实时成像等 . 它是目前唯一可以取代传统胶 片照相的技术 ,近年来逐步在工业无损探伤领域中 得到应用 [ 1 ] . 在 X 射线平板探测器数字成像检测系统中 , 因 受各种硬件设备的制约 , 其图像存在噪声大 、 反差 低、 背景起伏大 、 图像模糊以及细节信息被噪声所淹 没等特点 ,图像质量通常难以达到规定的质量指标 , 为了提高图像质量 , 深入研究成像系统的原理及结 构 ,并探讨成像质量相关的影响因素 , 进而采取针
・2 1 ・ 第 2 期 马跃洲等 : 平板探测器 X 射线数字成像质量
列 ,串行选择输出 . 三极管的多少决定了像素的数 量 , 高 集 成 度 保 证 了 像 素 尺 寸. 图 1 中 右 边 为 DXR250R T 工作原理示意图 . X 射线穿过反射层到 达闪烁体后激发出可见光子 , 可见光传递到下面光 电二极管 ,光电二极管触发场效应三极管产生输出 电信号 . 生成的电子图像数据经读出电路和放大电 路后 , 即以 14 bit 或 16 bit 转换成数字信号输出 . DXR250R T 的像元尺寸为 200 μm , 图像传输率可 达 30 fp s ,空间分辨率为 2. 5 lp/ mm.
mm 以上 . 平板探测器成像系统可近似地看成一个
光子噪声依赖于像元点在整个曝光时间内吸收 的光子数的多少 , 它是由 X 射线光子的统计分布引 起的 , 平板探测器中光量子噪声是服从泊松分布的 , 分布的标准差正比于其均值的平方根 , 而且大于电 子噪声 , 是平板探测器中的主要噪声源 . 对于多层的 平板探测器结构 , 每个像元所产生的信号为 :s =
图 1 FPD 的内部结构及工作原理示意图
Fig. 1 Sketch of interior structure and principle of FPD
图 2 X 射线平板探测器成像检测系统示意图
Fig. 2 Sketch of imaging inspection system of X 2ray FPD
1 平板探测器成像系统
1. 1 D XR250 RT 非晶硅平板探测器 DXR250R T FPD 是美国 GE 公司生产的一种
基于大规模集成技术的 X 射线光电二极管阵列平 板探测器 , 图 1 中左边为该种 FPD 内部结构示意 图 . FPD 核心器件是一块大规模集成非晶硅光电二 极管面板 , 它与一种对 X 射线光子具有高吸收率的 碘化铯 CsI ( Tl ) 闪烁体薄屏紧贴耦合 , 有效地保证 了光电二极管将 X 射线光子转换成电荷的效率 . 光 电二极 管 和 光 电 场 效 应 三 极 管 都 是 由 薄 膜 电 路 ( TF T ,t hin film t ransistor ) 构成 , 三极管成矩阵排