楊 坤，朱建平

（查特深冷工程系統(tǒng)常州有限公司，常州 213032）

數(shù)字探測器陣列（Digital Detector Array，簡稱DDA）射線檢測技術(shù)是數(shù)字射線照相技術(shù)（Digital Radiography，簡稱DR）的一種，該技術(shù)應(yīng)用于容器筒體焊縫檢測時，由于探測器平板不能像膠片一樣緊貼焊縫，焊縫與探測器之間不可避免地存在距離b0和b（圖1），其中b0是防止DDA被碰撞或磨損而保留的安全距離；b是由于探測器為剛性板，無法按照焊縫形狀彎曲而產(chǎn)生的距離。b0和b導(dǎo)致檢測圖像出現(xiàn)幾何放大，不清晰度也隨之增大。幾何放大究竟對射線檢測圖像質(zhì)量有益還是有害，以往文獻(xiàn)的表述并不清楚。筆者通過試驗(yàn)探討了DR檢測過程中幾何放大對圖像分辨率和對比靈敏度的影響，并提出實(shí)際檢測中應(yīng)控制幾何放大倍數(shù)的建議。

圖1 探測器平板與焊縫間距離產(chǎn)生的示意圖

1 試驗(yàn)設(shè)備器材

（1）射線源：德國YXLON公司雙焦點(diǎn)高頻恒電位射線機(jī)，型號為 MG325，射線機(jī)焦點(diǎn)尺寸1.0mm，最高管電壓320kV，最高管電流22.5mA。

（2）DDA：美國PerkinElmer公司非晶硅平板，型號為XRD 0822AP，像素尺寸200μm，DDA灰度等級16bit，DDA成像最大區(qū)域204.8mm×204.8mm。

（3）系統(tǒng)軟件為德國YXLON公司Y.Image3500－D?專業(yè)版射線數(shù)字成像信息管理系統(tǒng)，具有運(yùn)動控制、圖像采集、處理、存儲和文件管理等功能。

（4）雙絲像質(zhì)計：按 GB／T 23901.5—2009《無損檢測 射線照相底片像質(zhì) 第5部分：雙線型像質(zhì)計 圖像不清晰度的測定》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

（5）單絲像質(zhì)計：按JB／T 7902—2006《無損檢測 射線照相檢測用線型像質(zhì)計》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

（6）不同厚度的鋼板。

2 幾何放大倍數(shù)的計算和取值

為方便試驗(yàn)和簡化計算，采用平板工件代替曲面工件進(jìn)行試驗(yàn)和計算幾何放大倍數(shù)。

如圖2所示，幾何放大倍數(shù)的理論計算式為：

式中：M為幾何放大倍數(shù)；f為射線源焦點(diǎn)到工件表面的距離；b為焊縫至平板探測器的距離。圖中F為射線源焦點(diǎn)到平板探測器的距離，T為工件厚度。

圖2 幾何放大倍數(shù)的計算示意圖

通過改變焊縫到平板探測器之間的距離b，即可以實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)的改變。

試驗(yàn)選擇的放大倍數(shù)見表1。放大倍數(shù)的取值按以下考慮：由于平板不能緊貼焊縫，因此放大倍數(shù)無法取1；為了保證安全，平板與工件之間必須有一定的距離，故而取最小放大倍數(shù)為1.02；最大放大倍數(shù)取至2.5，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過焊縫射線檢測實(shí)際透照可能發(fā)生的放大情況。

表1 試驗(yàn)選擇的放大倍數(shù)

3 幾何放大對圖像空間分辨率的影響

3.1 數(shù)字圖像空間分辨率的定義與測量

空間分辨率是數(shù)字圖像的重要指標(biāo)，在數(shù)字射線檢測技術(shù)中，其定義是：圖像中能夠分辨或指示的最小幾何細(xì)節(jié)，相當(dāng)于有效像素大小?？臻g分辨率與不清晰度μ的關(guān)系是：空間分辨率相當(dāng)于不清晰度的一半。如果用線對每毫米表示空間分辨率，則空間分辨率的值為不清晰度的倒數(shù)。

圖像空間分辨率可以用雙絲像質(zhì)計測量。用肉眼觀察雙絲像質(zhì)計的線對影像，以不能分辨的第一個線對的線徑作為不清晰度值。但靠肉眼識別是不夠精確的，因此又提出采用灰度下沉法測定不清晰度。有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：線對影像雙峰間的灰度下沉幅度小于20%的線對即為不能分辨的第一個線對（圖3）。圖中100表示背景灰度，20表示可分辨的一個線對灰度差。線對影像雙峰間的灰度下沉幅度越小，幾何不清晰度就越大，分辨率也就越差。

圖3 灰度下沉法測量不清晰度的示意圖

3.2 幾何放大對圖像分辨率影響的試驗(yàn)

試驗(yàn)采用單壁單影透照布置，透照厚度分別為5，10，20，30mm，在鋼板上擺放雙絲像質(zhì)計，保持焦距不變，通過改變b值實(shí)現(xiàn)表1規(guī)定的放大倍數(shù)。用肉眼觀察所獲得的數(shù)字圖像，有關(guān)數(shù)據(jù)及繪制的曲線見圖4。采用下沉法測定不清晰度的結(jié)果為：放大倍數(shù) M 分別為1.02，1.05，1.1，1.2，1.3，1.4時，D7（雙絲像質(zhì)計線對號）的下沉率分別為37.5%，31.4%，28.2%，23.6%，22.5%，21%，部分測量下沉率圖像見圖5。

對測量結(jié)果進(jìn)行如下分析：

圖4 幾何放大對不清晰度影響的數(shù)據(jù)及曲線

圖5 不同放大倍數(shù)時，D7下沉率的測量圖像

（1）采用肉眼觀察，當(dāng)幾何放大倍數(shù)M從1.02變化到1.4時分辨率看不出變化，第一個不能清晰分辨的線對均為第8個線對。

（2）當(dāng)幾何放大倍數(shù)M大于1.4以后，分辨率明顯下降。例如幾何放大倍數(shù)為1.5時，第一個不能清晰分辨的線對為第7個線對；幾何放大倍數(shù)為2時，第一個不能清晰分辨的線對為第6個線對。

（3）放大倍數(shù)M 在1.02～1.4間時，雖然人眼觀察不出分辨率變化，但用下沉法測量可以發(fā)現(xiàn)D7的灰度下沉值隨放大倍數(shù)增大而持續(xù)減少，即隨著放大倍數(shù)的增大，空間分辨率在持續(xù)下降，當(dāng)然，這個下降是比較緩慢的。

（4）在任何區(qū)間，圖像分辨率都是隨幾何放大倍數(shù)增加而下降的，幾何放大不可能使分辨率提高，而只能導(dǎo)致分辨率降低。

4 幾何放大對圖像對比靈敏度的影響

4.1 數(shù)字圖像的對比靈敏度特性

對比靈敏度是數(shù)字射線圖像的另一個重要指標(biāo)。在ISO 17636［1］標(biāo)準(zhǔn)中，線性或孔型像質(zhì)計顯示的影像指數(shù)稱為對比靈敏度（Contrast Sensitivity），以強(qiáng)調(diào)該影像指數(shù)主要取決于對比度而不是清晰度。

由于數(shù)字圖像可以采用軟件處理的方法來降低噪聲和提高對比度，所以對比靈敏度值不僅與透照參數(shù)和硬件系統(tǒng)有關(guān)，還與軟件功能有關(guān)。為保證放大倍數(shù)與圖像對比靈敏度間對應(yīng)變化的唯一性，試驗(yàn)規(guī)定觀察數(shù)字圖像時，不使用降低噪聲和提高對比度的圖像軟件處理功能。

4.2 幾何放大對圖像對比靈敏度的影響

試驗(yàn)采用單壁單影透照布置，透照厚度分別為5，10，20，30mm，在鋼板上擺放絲型像質(zhì)計，保持焦距不變，通過改變b值實(shí)現(xiàn)表1規(guī)定的放大倍數(shù)。對所獲得的數(shù)字圖像用肉眼觀察的結(jié)果見表2。

由表2可以看到，隨著透照厚度的增大，可識別像質(zhì)計絲號變小。但隨著放大倍數(shù)的增大，對比靈敏度卻沒有變化，幾何放大倍數(shù)M從1.02變化到2.5時，肉眼可識別的像質(zhì)計絲號是一樣的。但觀察圖像可以發(fā)現(xiàn)，像質(zhì)計鋼絲影像隨放大倍數(shù)增大是有改變的：放大倍數(shù)增大后鋼絲影像變寬，對比度下降；只是對比度下降沒有達(dá)到導(dǎo)致鋼絲影像不可見的程度。

表2 不同厚度，不同幾何放大倍數(shù)與對比靈敏度的變化關(guān)系

為定量分析幾何放大對圖像對比靈敏度的影響，通過測量像質(zhì)計鋼絲影像灰度變化來評價幾何放大與對比度的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而分析幾何放大對圖像靈敏度的影響。

選擇透照厚度10mm的數(shù)字圖像，從中測量像質(zhì)計鋼絲影像的灰度，結(jié)果見圖6。其中的兩幅圖像及其灰度變化見圖7。測量結(jié)果表明，幾何放大倍數(shù)與影像對比度存在以下關(guān)系：放大倍數(shù)增大，鋼絲影像對比度降低；放大倍數(shù)分別為1.05，1.1，1.25，1.4，1.5時，下降率分別為8.1%，15%，25%，28%，30%。

圖6 15號金屬絲影像在不同幾何放大倍數(shù)條件下的灰度峰值變化（透照厚度10mm）

5 問題討論

5.1 為什么放大倍數(shù)增大，肉眼觀察的對比靈敏度沒有變化

在試驗(yàn)中，幾何放大倍數(shù)M 從1.02變化到2.5，肉眼觀察到的像質(zhì)計絲號全是一樣的，沒有變化。這一現(xiàn)象在膠片照相中是不可能出現(xiàn)的。因?yàn)榘凑漳z片照相的有關(guān)理論，隨著f值減小，b值增大，鋼絲影像的本影消失，對比度下降，影像變寬，邊界變模糊，以至于無法識別。

對這一問題的解釋是：DR檢測技術(shù)具有高信噪比特點(diǎn)，其信噪比大大高于膠片照相，按照文獻(xiàn)［2］提供的數(shù)據(jù)，使用最好的膠片（C1型）照相，圖像信噪比只能達(dá)到265左右，而使用DDA進(jìn)行照相，圖像信噪比可以很容易地達(dá)到1 500；所以即使幾何放大倍數(shù)很大，對比度下降很多，在DDA數(shù)字圖像中鋼絲影像始終可見。

5.2 關(guān)于最佳放大倍數(shù)的討論

文獻(xiàn)［2－3］給出數(shù)字射線檢測系統(tǒng)的最佳放大倍數(shù)公式：

圖7 不同放大倍數(shù)下數(shù)字圖像的靈敏度變化情況（透照厚度10mm）

如果將試驗(yàn)的參數(shù)（射線源焦點(diǎn)尺寸df＝1.0mm，探測器不清晰度Us＝0.4mm）代入式（2），得到的最佳放大倍數(shù)是M＝1.25。

試驗(yàn)結(jié)果表明，圖像空間分辨率和對比靈敏度均在M大于1.4時才明顯劣化，綜合兩者考慮，可以認(rèn)為M在小于1.25的范圍內(nèi)，圖像質(zhì)量不會產(chǎn)生明顯劣化，因此用式（2）計算并選擇M是可行的。只是“最佳放大倍數(shù)”這個名詞不太準(zhǔn)確，容易產(chǎn)生誤導(dǎo)，從放大對成像質(zhì)量的影響來看，使用“圖像未劣化放大倍數(shù)”或“可用放大倍數(shù)”可能更準(zhǔn)確一些。

6 結(jié)論

（1）幾何放大不能提高圖像的空間分辨率，隨著放大倍數(shù)增大，空間分辨率降低。

（2）幾何放大不能提高圖像的對比靈敏度，隨著放大倍數(shù)的增加，像質(zhì)計鋼絲影像變寬，邊界變模糊，對比靈敏度下降。

（3）選擇檢測工藝參數(shù)時，宜采用較小的放大倍數(shù)，不宜采用過大的放大倍數(shù)；在保證設(shè)備安全的前提下，b0宜盡可能小，一般情況下應(yīng)控制該處的放大倍數(shù)M不大于1.05；b的大小與工件形狀尺寸有關(guān)，其取值應(yīng)保證DDA距工件最遠(yuǎn)處的M不大于1.25。

［1］ ISO 17636－2 Non－destructive testing of welds.Radiographic testing.Part 2：X－and gamma－ray techniques with digital detectors［S］.

［2］ 強(qiáng)天鵬.射線檢測［M］.北京：中國勞動社會保障出版社，2007.

［3］ 鄭世才.數(shù)字成像檢測技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.