在讨论如何提高图像质量前,我们应该了解常用的图像质量评价指标与影响成像质量的因素。

图像灵敏度

  检测系统所能发现的被检工件图像中最小细节的能力。可以使用线型像质计测定图像灵敏度。

线型(单丝)像质计
NB/T 47013.11-2015单丝像质计放置规定
  • 单壁单影或双壁双影透照时,单丝像质计放置在X射线源侧;

  • 双壁单影透照时放在探测器侧。

缺陷对比度对图像灵敏度影响

  下图中四个圆尺寸相同,背景噪声相同,灰度值不同。

缺陷面积对图像灵敏度影响

  下图中六个圆尺不同,背景噪声相同,灰度值相同。

信噪比对图像灵敏度影响

  下图中四个圆尺寸相同,背景噪声不同,灰度值相同。

图像分辨率

  图像中所能分辨的两个相邻细节间最小距离的度量,用每毫米范围内可识别的线对数来表示,单位LP/mm。

双线型(双丝)像质计
NB/T 47013.11-2015双丝像质计放置规定
  • 放置在探测器侧,被检测区域长度的1/4位置的母材上;

  • 与探测器阵列的行或列呈较小夹角(如2°~5°),细丝置于外侧。

GB/T 35388-2015双丝像质计放置规定
  • 像质计放置在工件靠近射线源侧表面的均匀厚度区域内,当工件表面靠近射线源侧无法或不便放置双丝像质计时,可以放置在靠近探测器侧的工件表面上均匀厚度的区域内但需在检测报告中注明;

  • 像质计与探测器阵列的行或列呈2°~5°夹角;

  • 像质计靠近影像检测区域中心但不得影响评定区的图像识别;

  • 当工件检测区域内厚度不均匀或工件表面不便于放置双丝像质计时,不宜在工件上放置双丝像质计测量图像分辨率。此时可以在同透照条件下测量与其具有同材质和同等效厚度的试块来进行图像分辨率验证,但需在报告中注明。

不同分辨率图像的差异

  图中为液晶bind线,上图图像分辨率较高。

信噪比

  信号平均值与噪声(信号均方差)之比,是数字图像质量评价的重要参数。

  标准中我们把信号的波动定义为噪声,显然应该在厚度均匀区域内测量图像信噪比,若材料本身不均匀则不适合使用标准中的方法进行信噪比测量。

缺陷可检出条件

  缺陷能否被检出大致由下图中的关系式决定,PTconst=d/SRb*CNR, PTconst≥10。

  d:缺陷尺寸

  SRb:基本空间分辨率(有效像素尺寸)

  CNR:缺陷图像对比度与噪声的比值

归一化

  为评价不同基本空间分辨率(有效像素尺寸)探测器的缺陷检出能力,我们可以将其与基本空间分辨率为88.6um的设备进行比较,也就是所谓的归一化。

  SNRn=SNR*88.6/SRb。SNR与CNR为正比关系,所以若两台设备具有相同的归一化信噪比,则可认为二者具有相同的缺陷检出能力。

不同信噪比圆

从左到右图像信号强度不变但噪声逐渐增加。

缺陷检出能力

  •   从关系式PTconst=d/SRb*CNR可知,为提高系统的缺陷检出能力主要从以下三个方面考虑。

    • 提高图像对比度;

    • 提高图像分辨率;

    • 降低噪声。

提高图像对比度

  图像邻近区域的灰度相对变化程度。

不同对比度的圆
  •   图像对比度主要与以下因素(不考虑工件结构、探测器结构等固定因素)有关。

    • 透照管电压

        低电压时X射线衰减快,容易获得更高的主因对比度,但同时也需要更长的mA.S以达到信噪比要求。低管电压曝光时,也更容易受散射线干扰,因此对于结构简单、厚度差比较小的检测工件倾向于使用较低电压曝光,而对于结构复杂、厚度差大的工件使用较高电压曝光更合适。

    • 散射线

        散射线会严重降低图像对比图,在工件结构的边界处表现尤为明显,如管道的内外壁附近。为降低散射线干扰可以考虑采取以下措施:

      • 在射线机窗口前安装滤波板;
      • 在射线机窗口前安装限束装置;
      • 屏蔽工件的非检测区域。

提高图像分辨率

  图像分辨率主要受限于探测器有效像素尺寸和射线源焦点尺寸,可以参考标准中最佳放大比公式来布置设备。对于常规1mm-5mm焦点的射线源而言,最佳放大比很小且多数工件存在一定厚度,当使用最佳放大比布置时部分检测区域反而会模糊,所以一般不去考虑这个问题。

图像噪声

  图像噪声主要有以下来源:

  • 量子噪声

      光子在探测器上的分布是随机的,服从泊松分布。噪声水平与光子数量有关δ=c.√n,信噪比s=k.√n(c、k为常数,n为光子数,δ为噪声)量子噪声是图像最主要的噪声源,从上式可知,光子数越多、量子噪越高,但由于信号强度提升更快,所以信噪比是增加的。这也是使用多帧积分拍摄的原因。

  • 电子噪声

      在无射线照射时,探测器依然能输出具有一定灰度值的图像,这即由有电子噪声引起的。电子噪声主要来自于探测器读出噪声和暗电流。电子噪声与探测器温度、接收窗口时间有关,所以若校准文件对应的环境温度与当前环境温度相差较大或校准文件对应的接收窗口时间与当前所采用的时间不一致时建议重做暗场校准。

  • 探测器响应不一致

      均匀曝光条件下,探测器各像素点输出的灰度值并不完全一致,随曝光剂量的提高,由响应不一致特性带来的噪声也会随之增加,一般通过亮场(增益)校准来降低。

      探测器的响应特性与光子能量、总曝光剂量有关,所以当校准所用kV与时间相差较大时建议重做亮场校准。由于探测器线性度高,为简化操作通常选择单一的剂量点进行亮场校准,对于16bit探测器而言,校准剂量点可设置在灰度值值20000~30000之间。

      实际中,射线不会均匀分布在探测器上,射线机与探测器的相对位置会影响射线的分布,校准时与实际使用时设备相对位置尽量一致或者校准时射线机与探测器保持较远距离(1.5米以上)。

背散射

  高剂量拍摄时,射线可能从探测器前面板透过到达探测器背后的障碍物,此时会有部分散射线再穿过探测器背后到达闪烁体形成一幅包含探测器背部结构、电路板元器件的影像。

  背散影像的形成主要与探测器背后的障碍物、探测器本身设计和曝光剂量有关,为避免背散可以在探测器背后贴一块1mm左右的铅皮。

残影

  当前获取的图像中存在之前拍摄工件的影像,我们称此为残影。通常情况下残影并不明显,不影响正常使用,但有些情况下残影会很命明显,持续时间也会很长。

  探测器在接受高X线照射后,闪烁体增益会发生变化,之后缓慢恢复正常。若探测器各像素接受到的剂量相同则整个闪烁体增益同步变化,之后拍摄会存在残影但用户观察不到,仅会轻微降低图像质量。曝光kV越高、曝光持续时间越长这种增益变化持续时间会越长。

  正常拍摄工件时,探测器上有/无工件区域和工件不同位置所对应的像素点接收到的辐射剂量差异会非常明显,闪烁体增益变化也会存在差异,因此后续拍摄可以观察到残影。工件密度越高、不同区域厚度差异越大残影会越明显。

  为降低残影影响可以考虑以下措施:

  • 提高射线利用率,避免在探测器传输数据期间开启射线,使用无线静态探测器进行多帧采集时,数据传输会占据相当长时间,合理使用NDT模式可以有效解决此问题。

  • 避免为提高图像质量而无限延长采集帧数,假设单帧时图像噪声为k,则理想状态下采集n帧图像噪声会降为k/√n,可以看出当帧数增加到一定程度后对噪声的降低作用会越来越小。通过多帧积分降低的噪声主要为电子噪声、量子噪声分量,因此不应该单纯通过增加采集帧数提高图像质量。

  • 使用合适的滤波板,降低平板各区域接收到剂量的差异,同时可以降低散射线。

  • 使用过饱和的剂量直接照射探测器一段时间或重复多次执行增益校准。

  • 选择不同闪烁体类型的探测器,Gos残影会比CsI弱很多,但图像分辨率、灵敏度会比CsI差,一般便携场合由于射线机剂量较小,所以我们公司选型会以CsI型闪烁体为主。


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