浅谈CR检测中的分辨力与分辨率

陈小明，石爱玲，张军辉，吴志波，谭云华

(东方电气集团东方锅炉股份有限公司，自贡 643000)

随着特种设备行业射线数字成像标准发布和人员取证的实施，数字射线检测技术得到了大力的推广应用。由于各标准的发布时间、起草人员不同，标准中的术语也就略存在差异，易引起混淆。特别是X射线计算机辅助成像检测(简称CR检测)标准，存在多个有关分辨力和分辨率的术语，给数字射线从业人员在学习、理解和应用标准上带来很大的困难。

笔者通过对标准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》、NB/T 47013.14-2016 《承压设备无损检测 第14部分：X射线计算机辅助图像检测》 和ISO 17636-2：2013Non-destructivetestingofwelds-Radiographictesting-Part2:X-andγ-raytechniqueswithdigitaldetectors中易于混淆的术语和定义进行理论对比分析和试验，以帮助从业人员更好地理解标准，推动CR检测技术在特种设备行业中的更好应用。

1 标准对分辨力和分辨率的定义

术语和定义取自NB/T 47013.11和NB/T 47013.14现行标准中。

1.1 分辨力

两个相邻细节间最小距离的分辨能力，用mm表示。

1.2 分辨率

分辨率定义为单位长度上可分辨两个相邻细节间最小距离的能力，用lp/mm表示。分辨率分为系统分辨率和图像分辨率,用双线型像质计或分辨率测试卡测试。

数字图像的分辨率(力)，限定了图像所能分辨的、处于与射线束垂直平面内的相邻细节(缺陷)间的最小尺寸，即图像可以分辨的细节最小间距。

分辨率和分辨力的主要区别在于分辨率是相对值，分辨力是绝对值，分辨率等于2倍分辨力的倒数。

1.2.1 系统基本空间分辨率(简称系统分辨率)

在无被检工件的情况下，按照标准测试条件获得的，单位长度上CR系统数字图像所能显示的最小细节的能力，用SRb表示。

1.2.2 图像空间分辨率(简称图像分辨率)

系统分辨率与检测系统有关，与被检对象无关，反应检测系统本身特性，主要取决于使用的射线机、CR扫描仪和IP板类型。射线机焦点尺寸小，激光扫描仪扫描步进小，IP晶体体积小可获得较高的图像分辨率。例如晶体体积小的IP分辨率比较高，可达25 μm 甚至更小。晶体体积较大的，空间分辨率也较低，最多只能达到50 μm[1]。

图像分辨率是检测系统针对特定检测对象在特定检测条件时，得到的检测图像分辨率，主要考核图像的不清晰度。对于特定的检测系统，系统分辨率为一定值，图像分辨率随检测对象和透照工艺的变化而不同，且数值低于系统分辨率。

1.3 扫描分辨率

由扫描决定的数字图像的像素几何尺寸，取决于激光扫描仪扫描IP板的行间距，以及激光点扫描行走速度与转换器工作频率之比。

扫描分辨率(扫描精度或扫描步进)主要受激光斑点尺寸，步进电机的运动精度和激光头摆动精度的影响。扫描分辨率是控制CR系统图像质量和IP扫描速度的关键因素，扫描分辨率高，相应的扫描速度就慢，获得的图像分辨率就高。实际系统分辨率低于理想状态的系统分辨率[2]。

2 标准中分辨力和分辨率的指标规定

2.1 图像分辨率的表述

在实际应用中，各个射线数字成像检测标准并未严格区分双线型像质计读数值、图像不清晰度,其分辨率和分辨力的关系如表1～3所示。

在NB/T 47013.11-2015标准中图像分辨率单位用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，单位为mm。

在实际应用中并未严格区分分辨力和分辨率间的关系，常用分辨力表示分辨率。例如：某图像分辨率为5 lp·mm-1，对应分辨力为0.1 mm,图像不清晰度为0.2 mm，双线型像质计测定值为D10，则该图像分辨率为D10或0.1 mm。

表1 NB/T 47013.11-2015标准的表5中B级像质应达到的图像分辨率

表2 NB/T 47013.14-2016标准的表9中B级像质应达到的图像分辨率

表3 ISO 17636-2:2013标准的表B.14中B级像质应达到的图像分辨率

2.2 归一化信噪比计算时的分辨率选择

在归一化信噪比计算时，同样采用分辨力的值代入公式进行计算，但不同的标准对分辨率的规定又不相同。

ISO 17636-2:2013标准中归一化信噪比SNRN的定义为：利用从数字图像中直接测量的基本空间分辨率SRb和SNR值(即SNRmeasured)经式(1)归一化得到。

(1)

式中：88.6为归一化系数，单位为μm。

在进行归一化信噪比计算时，SRb为系统分辨率或图像分辨率对应的分辨力值，即双线型像质计丝径或丝径距离的值。

NB/T 47013.14-2016标准定义归一化信噪比SNRN为基于CR系统分辨率SRb，经归一化处理后的信噪比，可用式(2)表示。

(2)

式中：C为归一化系数，等于88.6 μm;SNRm为测量信噪比。

同时该标准条款C.3规定 “进行归一化信噪比测量所需的CR系统分辨率的值按照附录B测定。”从术语定义和归一化信噪比计算公式可看出，SRb为CR系统分辨率。

通过分析，不同标准对归一化信噪比计算公式是相同的，但分辨率取值不同，ISO 17636-2:2013规定为图像分辨率，NB/T 47013.14-2016为系统分辨率。对同一图像而言，NB/T 47013.14-2016测量的图像归一化信噪比数值高于ISO 17636-2:2013的，即按照NB/T 47013.14-2016标准采集的图像质量可能不满足ISO 17636-2:2013标准的要求。

例如某CR检测系统的分辨率为D11(0.08 mm)，采用此CR系统按照AB级对60 mm平板对接焊缝进行检测，当管电压为350～450 kV时，图像归一化信噪比要求≥98。如果图像测量信噪比为100，图像分辨率为D6(0.25 mm)。分别将系统分辨率和图像分辨率代入式(2)进行计算得到：系统分辨率为0.08 m时，SNRN=110.8>98满足标准要求；图像分辨率为0.25 mm时,SNRN=35.4<98不满足标准要求。

可见对同一图像，在测量信噪比相同的情况下,采用不同的分辨率代入公式计算得到的归一化信噪比数值相差超过3倍。

在实际CR检测应用中，为获得高质量的CR检测图像，图像归一化信噪比计算时并未采用系统分辨率，而是采用图像分辨率。

3 分辨率试验

采用型号HPX-1Plus的激光扫描仪，HR型成像板，HSXY-320HP型射线机(焦点尺寸为1.0 mm)，厚度为6 mm的低碳钢钢板进行试验。

3.1 扫描分辨率和系统分辨率

按照NB/T 47013.14-2017附录B要求，将两个双线型像质计同时放在IP板上分别与像素行或列成2°～5°的倾角，扫描参数和透照条件如表4所示。

表4 CR系统测试扫描参数和透照条件

按照上述条件进行曝光和IP板扫描后，得到系统分辨率如图1所示。

图1 CR检测系统分辨率测试

对图像进行分析，可得出以下结论： ① 按照采样定理， CR扫描仪的扫描分辨率P为25 μm，理想状态系统分辨率R=2P=50 μm；② 当激光束与双线型像质计丝径垂直时系统分辨率为88.8 μm，激光束与双线型像质计丝径平行时系统分辨率为82.1 μm，两个方向略有差异，系统分辨率为D11，即SRb=80 μm；③ 系统实测分辨率低于理想分辨率，系统分辨率不仅与扫描分辨率相关，还与IP板类型有关。

3.2 扫描分辨率和图像分辨率

采用相同的透照工艺(管电压150 kV，曝光量5 mA·min，焦距700 mm)对6 mm厚的钢板进行透照。透照时，只改变扫描分辨率，而激光功率和PMT增益值保持不变，测试数据如表5所示。

由表5可得出以下结论：① 在特定的CR检测系统中，激光扫描仪扫描分辨率越高，图像分辨率越高；② 在满足产品检测要求下，扫描分辨率变化对图像分辨率不会产生明显影响，适当降低扫描分辨率可提高扫描速度；③ 激光扫描仪的分辨率应可以调节以适应各种检测需要，图像采集时扫描分辨率要高于标准要求的图像分辨率。

表5 扫描分辨率对图像分辨率的影响

3.3 系统分辨率和图像分辨率

射线数字图像检测技术中，图像不清晰度包括几何不清晰Ug和图像固有不清晰度Uc，可用图像分辨率表示，其等于2倍图像分辨率(力)[1]。

(3)

(4)

固有不清晰度Uc可用式(5)表示。

Uc=2SRb

(5)

几何不清晰度Ug可用式(6)表示。

Ug=df×L2/(F-L2)=df×L2/L1

(6)

式中：F为焦点至IP板的距离;df为焦点尺寸;L1为焦点至工件表面的距离；L2为工件表面至IP板的距离。

由式(6)可知：几何不清晰度与焦点尺寸和工件厚度成正比，与焦点至工件表面的距离成反比。在焦点尺寸和工件厚度一定的情况下，焦距越大，Ug值越小，图像分辨率越好。

通过3.1中的试验测得该CR检测系统分辨率SRb为88.8 μm，固有不清晰度Uc为0.177 6 mm。扫描参数和透照电压保持不变，曝光量按平方反比定律计算，通过改变焦距，测得的图像分辨率变化如表6所示。

表6 焦距对图像分辨率的影响

表6进行分析，可得以下结论：① 图像不清晰度计算值小于图像不清晰度测定值，即实际图像分辨率低于理论计算结果；② 焦距从200 mm变化到1 000 mm时，图像分辨率未发生明显变化，图像分辨率增大，几何不清晰度降低，图像分辨率逐渐提高；③ 虽然图像分辨率未发生明显变化(未超过一个丝号)，但对应的分辨率数值下降的百分比不同(图像分辨率80～100 μm都属于D11)；图2(a)中图像分辨率实测值为88.8 μm，第一对不能识别的双线型像质计丝径百分比为15.8%，图2(b)中图像分辨率实测值为92.2 μm，第一对不能识别的双线型像质计丝径百分比为12.7%；④ 因CR检测的图像分辨率和系统分辨率高，图像分辨率主要取决于系统分辨率，当焦距满足标准相关等级最小焦距情况下，焦距和射线机焦点尺寸产生的几何不清晰度Ug对图像不清晰度U的影响很小，即对图像分辨率的影响较小。

图2 CR图像分辨率测试

4 结语

分辨率(或分辨力)是射线数字成像图像质量评价的重要参数之一，决定了缺陷细节的分辨能力。分辨率是相对值，分辨力是绝对值，对于特定的系统，可用分辨力表示系统的检测能力，但在对不同系统或被检工件之间进行对比时，分辨率则较为客观。通过对射线数字成像各标准术语中分辨率和分辨力的理论计算对比，分析了各标准中分辨率和分辨力的差异，并通过试验验证了扫描分辨率对系统分辨率和图像分辨率的影响，为CR检测工艺的制定提供了依据，以推动CR检测技术的更好应用。