曝光参数对X射线数字成像系统图像质量的影响

罗 杰，刘 顺，魏绍明，陈 衡，夏仲华

(中广核检测技术有限公司，苏州 215004)

曝光参数对X射线数字成像系统图像质量的影响

罗 杰，刘 顺，魏绍明，陈 衡，夏仲华

(中广核检测技术有限公司，苏州 215004)

通过设计正交试验，分析了X射线数字成像(DR)系统中曝光参数对图像对比度和分辨率的影响，讨论了曝光参数对DR检测系统图像质量的影响，为该DR检测系统曝光曲线的制作提供了数据支持。结果表明，选择较低能量的X射线可以提高衰减系数，从而提高图像对比度。

数字成像；曝光参数；图像质量；曝光曲线

从1922年算起,射线检测技术被应用于工业无损检测中已有90多年，随着计算机技术的快速发展，射线检测技术也开始了数字化道路[1]。目前，工业应用领域的数字射线检测包括X射线数字成像(Digital Radiography，以下简写为DR)系统、间接数字成像检测系统、后数字化系统等，而DR系统又因为具有检测速度快、灵敏度高、有较大的宽容度等特点，是应用在工业无损检测领域中最广泛的数字射线检测方法[2]。

DR采用探测器实现射线信号的探测与转换,并运用图像处理技术实现射线图像的数字化，这样就存在影响射线图像质量的因素：① 探测器空间分辨率和归一化信噪比对检测图像质量的影响；② 检验工艺(最重要的曝光参数)对检验质量的影响；③ DR数字射线检测曝光参数无法采用传统胶片的曝光曲线，曝光参数受多重因素影响[3]。笔者通过试验讨论DR系统曝光参数对最终图像质量的影响，论述了检验工艺对DR检测系统的重要性。

1 理论分析

射线检测原理为：射线在穿透物体的过程中，由于物体内部缺陷引起的射线强度变化被记录在底片上，在底片上产生可识别的对比度差异可由式(1)表示。

式中：I为射线强度；μ为射线衰减系数；n为散射比；ΔT为缺陷在射线透照方向上的尺寸；ΔI为由小厚度差引起的透射射线强度差。

射线检测理论中，图像质量主要由对比度灵敏度表征，而对比度灵敏度主要受到主因对比度ΔI/I和不清晰度的影响，主因对比度中的线衰减系数和散射比均受到射线能量、曝光量等曝光参数的影响。其中，管电压是X射线机的重要技术参数，管电压越高，发射的X射线的波长越短，穿透能力越强，线质越硬，线衰减系数μ越小，对比度降低，从而降低了图像质量；而降低管电压、提高管电流又可以减小射线检测图像的不清晰度，提高图像质量。因此，在射线检测过程中，根据试件厚度确定曝光参数，在保证图像灵敏度要求的情况下，尽量选择低的管电压。

数字射线检测理论中，图像质量与对比度、分辨率和信噪比有关，射线能量的增加、曝光量的增大一方面会降低图像对比度，另一方面又能提高图像信噪比，提升图像的质量。

2 试验过程

2.1试验对象与设备

试验选择15 mm厚的钢板作为被检对象，系统平板探测器为Varian 2520DX，该探测器像元尺寸(面积)为127 μm2，极限分辨率为3.94 Lp·mm-1,采用16位AD转换器采样，多种焦点尺寸，是应用在工业数字射线检测的平板探测器。

图像分析处理软件选择华科图像V6.2。该软件由烟台华科检测设备有限公司开发，是满足国内外X射线数字成像检测标准的数字成像软件，可以实现线性像质计的目测观察、双丝像质计的测量、信噪比与归一化信噪比计算等功能。以上功能均满足试验要求。

2.2试验布置与工艺要求

2.2.1 焦距与焦点尺寸

数字射线成像系统中，焦点尺寸对图像质量的影响非常显著，尺寸越小，图像质量越好，考虑到实际要求，该检测系统的焦点尺寸为0.5 mm。

根据标准NB/T 47013.11-2015《承压设备无损检测 X射线数字成像检测》，AB级射线数字成像检测技术要求：f≥10d·b1/2，f为焦距，d为焦点尺寸，b为公称厚度。固定试验焦距为750 mm。同时，考虑合适的图像分辨率和几何不清晰度，计算最佳放大倍数[4],得出最佳放大倍数下探测器到平板的距离为100 mm。

2.2.2 像质计布置

以图像对比度与图像分辨率来表征图像质量。图像对比度，也称对比度灵敏度，指的是能发现被检工件图像中最小细节的能力。在射线检测系统中，一般采用像质计灵敏度来表征数字图像的对比度，根据标准NB/T 47013.11-2015要求，单壁透照时，像质计布置在X射线机侧。图像分辨率指的是能分辨图像中单位长度上两个相邻细节间最小距离的能力。在射线检测系统中，一般采用双丝像质计测定图像的不清晰度，通过换算不清晰度与图像分辨率的关系得到图像分辨率的值，根据标准NB/T 47013.11-2015要求，双丝像质计应放置在探测器侧。试验布置现场如图1所示。

图1 试验布置现场

2.3试验方法与数据处理为了论述曝光参数对DR检测系统图像质量的影响，笔者通过设计正交试验，在不同管电压(100 kV190 kV)和管电流(2 mA8 mA)下测量图像灰度、信噪比、丝径等来讨论曝光参数对图像质量的影响。更进一步，为制作DR检测系统的曝光曲线提供试验依据。

3 试验结果

3.1曝光参数对图像灰度的影响

图像评定区内AB级图像的灰度值应控制在满量程的20%80%。试验所使用的探测器中满量程的灰度等级为216[5]。曝光参数对图像灰度的影响如图2所示。

图2 曝光参数对图像灰度的影响

从图2可以看出，当管电压为150 kV，电流为6 mA时，灰度值超过满量程灰度等级，此时，曝光量太大，数字探测器完成采样量化已经超过16位AD转换器的分辨率。数据分析表明，灰度随着管电压的增加而增大，随管电流的增加而增大，且灰度随管电压的变化比随管电流的变化更明显。在实际试验过程中，调试校准阶段需要满足一定的灰度要求，检验工艺上通过降低透照电压，提高管电流增加系统的曝光量。

3.2曝光参数对图像分辨率的影响

图像分辨率通过测定双丝像质计的丝径表征，使用图像处理软件的轮廓提取功能，第一组可识别率不大于20%的丝对，即为最小分辨率。软件通过提取检测图像中双丝像质计来计算其可识别率，曝光参数对图像分辨率的影响如表1所示。

表1 曝光参数对图像分辨率的影响(丝对值)

图4 管电压对图像对比度的影响(2 mA)

由表1可以看出，灰度出现饱和的区域，射线图像无法显示，不能测得丝对值。在管电压为100 kV，管电流为2 mA7 mA时，图像分辨率大小为D8，不能满足标准AB级底片对图像分辨率的要求；提高管电流至8 mA时，图像分辨率随即提高，达到标准要求。而且，管电压对图像分辨率的影响较小，管电流对图像分辨率的影响较大。

3.3曝光参数对图像信噪比的影响

图像信噪比指的是图像感兴趣区域(ROI)的信号平均值与信号标准差之比。在数字射线成像过程中，噪声是影响图像质量的重要因素，曝光参数对图像信噪比的影响如图3所示。

图3 曝光参数对图像信噪比的影响

如图3所示，信噪比随着管电压的增大而增大，随着管电流的增大也增大。归一化信噪比为

式中：SNRN为归一化信噪比；SNR为测量信噪比；SRb为探测器像素大小。

通过软件计算探测系统归一化信噪比，发现低管电压、管电流下的归一化信噪比不能满足标准NB/T 47013.11-2015中AB级的要求。低能量X射线虽然能穿透工件，且对比度较高，但是信噪比较低，整个图像的对比度灵敏度较差。

3.4曝光参数对图像对比度的影响

图像对比度采用单丝像质计丝径表征，曝光参数中，管电压对图像对比度的影响如图4所示，管电流对图像对比度的影响如图5所示。

图4中管电流2 mA不变，对比度随管电压的增大而增大；图5中电压值100 kV不变，对比度随管电流增大而增大。由图4中的结果均可以识别W16号丝，图4(b)～(d)较图4(a)的图像识别度更高，对比度有所增加；图5(a)的图像能识别W15丝，图5(b)的图像能识别W15号丝，图5(c)和图5(d)的图像能识别W16号丝，显然对比度增加。比较图4(a)与图5(a)，电压稍增加一点，对比度明显增强，而对比图5(a)与图5(b)发现，对比度随电流增加其变化较小。试验表明，管电压对图像对比度的影响较大，管电流的影响却不显著。所有试验图像的对比度灵敏度都处于非常高的水平，这也正是X射线数字成像系统的优势。

图5 管电流对图像对比度的影响(100 kV)

4 讨论

曝光参数同样是DR检测系统中的重要参数，射线能量越低，图像对比度越大，检出缺陷的能力越强。当然，如果大幅度地降低X射线能量，衰减系数的增大将导致射线无法穿透工件，就不能实施检测。同时，检测图像的对比度灵敏度与信噪比有关，其关系如式(3)所示[6]。

式中：CS为对比度灵敏度；GBV为识别像质计需要的对比度；T为板材的厚度。

从式(3)可以看出，信噪比直接影响获得的检测图像的对比度。射线检测理论中，射线能量增加将降低图像对比度，而试验结果显示，随着射线能量增加，图像对比度反而增加。这是因为射线能量增加使得信噪比增加，在线性区域内，信噪比增加引起的对比度增加补偿了线衰减系数减小引起的对比度降低。

因此，为了使检测图像达到一定的对比度灵敏度，需要选择在合适曝光量下的信噪比。

为了避免盲目地尝试曝光参数，根据试验获得的数据再引入工件厚度等因素对图像质量的影响，就可以尝试建立该系统的曝光优化曲线。

5 结语

在DR检测系统中，曝光参数对图像对比度和分辨率的影响较为显著，且相互影响制约。在保证穿透力的情况下，选择较低能量的X射线可以提高衰减系数，从而提高图像对比度；而较低的射线能量却由于信噪比降低使得图像质量不能满足分辨率要求。因此，在该系统曝光曲线的制作过程中，需要对像质计灵敏度的制约参数进行优化，建立合适的基于DR检测系统的曝光曲线。

[1] 曾祥照.无损检测文化概论[J].无损探伤,2002,26(2):34-37.

[2] 曾祥照.我国射线数字成像无损检测标准的制订与展望[C]. 2008 年全国射线数字成像与CT 新技术研讨会论文集. [S.l.]:[s.n],2008:301-304.

[3] 刘阳.工业X射线数字化系统研究[D].北京：北京工业大学,2010.

[4] 杨坤,朱建平.几何放大对DR成像质量的影响[J].无损检测,2014,36(5):27-30.

[5] ASTM E2736-2010 Standard guide for digital detector arrays radiology[S].

[6] NB/T 47013.11-2015 承压设备无损检测 第11部分：X射线数字成像检测[S].

欢迎网上投稿欢迎订阅欢迎刊登广告

TheInfluenceofExposureParametersontheImageQualityofX-rayDigitalRadiographySystem

LUO Jie, LIU Shun, WEI Shaoming, CHEN Heng, XIA Zhonghua

(CGN Inspection Technology Co., Ltd., Suzhou 215004, China)

In this paper, the influence of exposure parameters on image contrast and resolution is analyzed by orthogonal test. Furthermore, the influence of exposure parameters on the image quality of DR detection system is discussed, and data support is provided for the production of DR system exposure curve. The results show that the lower energy X-ray can improve the attenuation cofficient, thereby increasing the image contrast.

digital radiography; exposure parameter; image quality; exposure curve

TG115.28

： A

：1000-6656(2017)09-0035-04

2017-01-09

罗 杰(1989-)，男，助理工程师，硕士，主要从事核电站设备的无损检测应用与研究工作

罗 杰，Luo.Jie@cgnpc.com.cn

10.11973/wsjc201709008