閔吉磊，危 荃，敖 波，*，曾亞斌

(1.無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室(南昌航空大學(xué))，南昌 330063;2.上海航天精密機械研究所，上海 201600)

0 引言

基于平板探測器的射線DR 技術(shù)是數(shù)字射線成像的發(fā)展趨勢之一，且非晶硅平板探測器是目前工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的類型。非晶硅平板探測器的硬件性能對DR 成像質(zhì)量有著決定性的作用，而由于生產(chǎn)工藝復(fù)雜，平板探測器不可難免地存在隨機噪聲、暗場偏移、像元響應(yīng)不一致和壞點等不利因素的影響，導(dǎo)致DR 圖像質(zhì)量大大降低。為了提高平板探測器的成像質(zhì)量，國內(nèi)外針對平板探測器的校正開展了大量研究［1-2］，其中張定華等提出了基于統(tǒng)計模型的體積CT 系統(tǒng)平板探測器校正方法，有效減少了圖像中的偽影［3］。王慶根詳細(xì)介紹了Varian 公司的PaxScan2520 成像系統(tǒng)工作模式與方法［4］，而郭彥斌等專門針對PaxScan2520 探測器開展了增益校正研究［5］，艾維平針對美國GE 公司DXR250RT 平板探測器開發(fā)了集圖像采集、顯示、圖像處理和運動控制功能于一體的系統(tǒng)軟件［6］。由于平板探測器分非晶硅(間接轉(zhuǎn)換型)和非晶硒(直接轉(zhuǎn)換型)平板探測器，Tsutomu 對非晶硅和非晶硒平板探測器開展了兩種探測器的性能指標(biāo)對比實驗研究［7］。ASTM E2597—2007 規(guī)定了數(shù)字探測器的性能技術(shù)參數(shù)，并通過蜘蛛圖劃分探測器的質(zhì)量等級［8］。國內(nèi)張朝宗、余建明等系統(tǒng)介紹了平板探測器的結(jié)構(gòu)、分類與成像原理［9-10］。

由于平板探測器成像影響因素多，而平板探測器的校正是獲取高質(zhì)量DR 圖像的前提。本研究針對PerkinElmer 公司的XRD 0822 非晶硅平板探測器，研究其暗場校正、增益校正和壞像素校正方法，并從軟件實現(xiàn)校正功能。

1 非晶硅平板探測器結(jié)構(gòu)和成像原理

非晶硅平板探測器主要由閃爍體層、非晶硅光電二極管、薄膜晶體管陣列(TFT)和讀出電路組成。閃爍體層的主要功能是把入射射線轉(zhuǎn)變?yōu)闊晒?，材料一般為碘化銫(CsI)或硫氧化釓(Gd2O2S)，其中碘化銫晶體具有針狀結(jié)構(gòu)，而硫氧化釓一般呈顆粒狀結(jié)構(gòu)。相對而言，碘化銫對X 射線的轉(zhuǎn)換效率高，且分辨率好，而顆粒狀結(jié)構(gòu)的硫氧化釓散射影響嚴(yán)重。非晶硅光電二極管的主要功能是把熒光轉(zhuǎn)化為電子，薄膜晶體管陣列用于存儲電荷，讀出電路將TFT 存儲的電荷順序讀出，并進行處理、放大、A/D 轉(zhuǎn)換，形成數(shù)字圖像。

DR 成像原理為入射X 射線撞擊閃爍體層，閃爍體吸收射線，并激發(fā)原子和分子，這些激發(fā)態(tài)的原子和分子在退激過程中產(chǎn)生可見光;非晶硅光電二極管將可見光信號轉(zhuǎn)換成電荷;這些電荷隨后被TFT 陣列中的存儲電容所收集，存儲電荷數(shù)量與入射射線的強度成正比;通過讀出電路，按一定規(guī)律掃描讀出各像素的存儲電荷，并經(jīng)過信號放大、A/D 轉(zhuǎn)換等獲得數(shù)字信號形成DR 圖像。

由于入射光子在轉(zhuǎn)化為電信號的過程中，必須先轉(zhuǎn)化為可見光再轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾?，因此稱為間接轉(zhuǎn)換型。由于存在可見光的轉(zhuǎn)換，可見光在閃爍體內(nèi)的散射和漫射造成了圖像分辨率的下降，這種圖像質(zhì)量的下降不利于微小缺陷細(xì)節(jié)的檢測。雖然針狀碘化銫可以提高對X 射線的利用及降低散射，但散射光對空間分辨率的影響不能完全消除。

圖1 為PekinElmer 公司的XRD0822 非晶硅平板探測器，其中閃爍體材料為碘化銫，成像矩陣為1 024 ×1 024，探測器單元尺寸為200 μm ×200 μm，A/D 位數(shù)為16 bit。

圖1 XRD0822 平板探測器Fig.1 Flat panel detector of XRD0822

2 平板探測器輸出圖像的校正

平板探測器成像時會受到暗場漂移、響應(yīng)不一致性和壞點等因素的影響，因此，必須對平板探測器進行暗場校正、增益校正和壞像素校正。

2.1 暗場校正

不開射線源的情況下對平板探測器進行數(shù)據(jù)采集仍有一定大小的信號輸出，此時采集到的圖像稱為暗場圖像，類似于膠片的本底灰霧度。暗場圖像主要與暗電流有關(guān)，暗電流受溫度影響［7］。為了研究溫度對暗場圖像的影響，在24 ℃室溫環(huán)境下，不開射線源的情況下，通電后立即采集一幅經(jīng)過50 幀疊加平均后的暗場圖像，隨后每隔5 min 采集一次暗場圖像，分別計算暗場圖像平均值。隨著平板探測器預(yù)熱時間的推移，探測器內(nèi)部溫度升高，暗場圖像平均灰度值的變化趨勢如圖2。由圖2 可見探測器的暗場圖像平均灰度隨著預(yù)熱時間的推移而逐步降低，特別是探測器預(yù)熱30 min 之前的灰度下降趨勢明顯。待預(yù)熱30 min 左右后，暗場圖像灰度開始趨于穩(wěn)定。因此日常使用時，建議先預(yù)熱探測器至少30 min。

開啟射線源進行檢測工作時，實際得到的圖像灰度是疊加在暗場圖像之上的值，為了正確反映出透照工件內(nèi)部結(jié)構(gòu)與圖像灰度值之間的對應(yīng)關(guān)系，應(yīng)該設(shè)法去除疊加在實際輸出響應(yīng)上的暗場圖像值，即進行暗場校正。暗場校正公式為

其中，P(x，y)為暗場校正后圖像中點(x，y)的灰度值，P0(x，y)為暗場校正前圖像中點(x，y)的灰度值，offset(x，y)為探測器預(yù)熱30 min 后，采集一定幀數(shù)(如50 幀)圖像平均后的暗場圖像中點(x，y)的灰度值。圖3 為平板探測器在暗場校正前后的輸出圖像，圖像大小均為1 024 ×1 024，從圖3a 可以看出，圖像中存在豎條狀結(jié)構(gòu)噪聲，暗場校正后基本得到去除，但暗場校正后的輸出圖像灰度值并不是全為0，其分布位于0 附近，另外，還存在壞像素影響。

圖2 暗場圖像平均灰度與預(yù)熱時間的關(guān)系Fig.2 Relation between average gray of dark image and warm-up time

2.2 增益校正

雖然在線性曝光劑量范圍內(nèi)平板探測器每個探測器單元對X 射線響應(yīng)是線性的，但不同探測器單元的X 射線響應(yīng)系數(shù)并不完全一致，即探測器單元存在響應(yīng)不一致性。響應(yīng)不一致性帶來的后果是相同的入射射線強度但輸出不同。因此，必須對平板探測器的輸出圖像進行增益校正。非晶硅平板探測器增益校正的一般程序為:

1)探測器初始化。

2)獲取暗場圖像。設(shè)置參數(shù)，采集50 幀或更多幀圖像得到一幅平均后的暗場圖像offset(x，y)。

3)獲取亮場圖像。不放置工件的情況下開啟射線，采集一張50 幀平均后獲得的亮場圖像Ibright(x，y)。由于實際響應(yīng)曲線中像元對曝光量是非線性的，為了使用下列線性校正公式進行增益校正，應(yīng)當(dāng)選取合適的參數(shù)，以免亮場圖像中像元響應(yīng)飽和。亮場圖像實驗參數(shù)管電壓為100 kV，管電流為2 mA，積分時間為200 ms。

4)增益校正。增益校正公式為:

其中，Iorigin(x，y)為原始曝光圖像中某點(x，y)的灰度值，Ibright(x，y)為該點在亮場圖像中的灰度值，offset(x，y)為暗場圖像中該點的灰度值，(Ibright-offset)為經(jīng)過暗場校正后的亮場圖像，(Ibright-offset)mean為經(jīng)過暗場校正后的亮場圖像平均值。由上式可以計算得到增益校正后的點(x，y)的實際灰度值。

圖4 為增益校正前后的輸出圖像對比，圖4a為只經(jīng)過暗場校正的空拍圖像，仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)圖像水平方向的灰度分布有很大起伏，呈明顯的分段特性。圖4b 為經(jīng)過暗場/增益校正后采集的DR 圖像，從圖4b 可以看出灰度起伏明顯降低，除壞點和壞線位置外，其它區(qū)域灰度比較均勻。

圖3 暗場校正Fig.3 Offset corrected image

圖4 增益校正Fig.4 Gain corrected image

雖然由探測器單元響應(yīng)不一致引入的結(jié)構(gòu)噪聲得以大量消除，但增益校正之后的圖像中仍然存在2 根明顯的黑線。壞點和壞線是壞像素校正處理的重點對象之一。

2.3 壞像素校正

完成暗場校正和增益校正后，為了進一步消除壞像素對成像質(zhì)量的影響，還要做壞像素校正處理。壞像素即壞點，是指對X 射線強度不響應(yīng)或響應(yīng)不良的探測器單元。由于平板探測器的制造工藝復(fù)雜，制造過程中難免存在一些不合格像素點，同時某些偏差較大的增益不一致像素，因其普通增益校正方法處理效果不佳，也將其歸為壞點。壞點可能是由于閃爍體層缺陷、光電二極管單元損壞、行列驅(qū)動線及放大器損壞引起，也可能由于平板探測器采用了多板拼接工藝產(chǎn)生拼接工藝線，該拼接工藝線也可納入壞線范疇。從成本考慮，允許探測器存在一定數(shù)量的壞點，制造商均制定了不同的接收規(guī)范，規(guī)定了每種壞點的數(shù)量、分布及位置作為探測器合格與否的判斷依據(jù)。按照對射線強度響應(yīng)靈敏度的差異又可將壞點定義為以下幾類［9］:

1)死像素:像素沒有響應(yīng)，或者是響應(yīng)一個與探測器的射線劑量無關(guān)的常量。

2)響應(yīng)過度像素:像素的灰度值大于最小21 ×21 個像素區(qū)域的中等灰度值1.3 倍，那么該像素被判定為響應(yīng)過度壞像素。

3)響應(yīng)不足像素:若像素的灰度值小于最小21 ×21 個像素區(qū)域的中等灰度值0.6 倍，那么該像素被判定為響應(yīng)不足壞像素。

4)嘈雜壞像素:在沒有射線的情況下，30 到100 幀的圖像系列中的像素標(biāo)準(zhǔn)偏差，大于整個DDA 的像素的標(biāo)準(zhǔn)偏差的中間值6 倍，這些像素稱為嘈雜像素。

5)壞的鄰域像素:相鄰的8 個像素是壞像素，該像素也要看作為壞像素。

根據(jù)壞像素的分布類型可分為孤立壞點、壞像素簇、壞線。圖5 為本平板探測器實驗測得的按不同分布劃分的壞像素類型。

在平板探測器的使用過程中元器件老化、輻射和碰撞損傷都會產(chǎn)生新的壞點，所以定期更新壞點位置圖是十分重要的。管電壓為100 kV，數(shù)據(jù)采集總積分時間為120 s，預(yù)置的Cu 濾波片厚度為0.5 mm 的條件下，調(diào)節(jié)管電流以滿足各壞點類型的辨識。壞點圖的生成步驟如下:

1)探測器初始化。

2)嘈雜壞像素辨認(rèn)。獲取總積分時間約為120 s 的暗場圖像序列(100 幀×1 200 ms/每幀)，存儲該序列以便根據(jù)其定義識別嘈雜壞像素。

3)響應(yīng)異常類壞像素辨認(rèn)。暗場和增益校正后，調(diào)節(jié)管電流獲得100 幀圖像平均后的單幅圖像。并確保該幅圖像平均灰度值為飽和灰度值的50%左右，使得像元對劑量的響應(yīng)為線性，尋找響應(yīng)過度和響應(yīng)不足像素。

4)壞點圖的生成。根據(jù)壞像素的定義及分類，通過圖像編程完成各類壞像素的測量，將各壞像素統(tǒng)計后(不計入重復(fù)數(shù)據(jù))生成一張二值化的壞點位置映射圖，其中正常像元位置的灰度取0，壞點處取65 535。

圖5 壞像素分布類型Fig.5 Different types of bad pixel groups

表1 為識別出的各類壞點統(tǒng)計結(jié)果，識別出的壞點數(shù)為3 121，而制造商提供的壞點圖中壞點數(shù)為3 102。

表1 壞像素識別Table 1 Identification of bad pixels

通過與探測器制造商提供的壞點圖相比較，發(fā)現(xiàn)壞點位置吻合的數(shù)目為3 091 個，吻合度較高。因此該測試方法可以用于檢測平板探測器的新的壞像素。對于這些壞像素，有效的校正方法是“鄰域平均法”，即選擇一個固定大小(3 ×3 或5 ×5)的模板，將壞點周圍正常像元灰度值求和取平均，結(jié)果作為該壞點的校正輸出值。如果一個像素的3 ×3 鄰域正常點不低于5 個，該像素可校正，反之如果一個像素的3 ×3 鄰域壞點不低于5 個，該像素不可校正，必須采用更大的模板。

根據(jù)壞點圖，選用圖6 所示的3 ×3 校正模板對圖4b 中的壞點進行校正處理，圖7 為壞像素校正后的輸出圖像。對比校正前后的DR 圖像，壞點和壞線位置得到了很好的校正處理。然而放大觀察，發(fā)現(xiàn)第一行位置處的壞線仍存在。一些鄰域正常點小于5 的壞像素，也不適用此模板校正，否則圖像會引入較大誤差而失真。一旦遇到這些情況，因邊緣處壞線對圖像質(zhì)量影響有限，可以使用相鄰正常點直接填充該壞像素。而選擇更大的模板或插值運算可以處理非邊緣區(qū)未被較小模板成功校正的像素。

圖6 壞像素校正模版Fig.6 Bad pixel correction mask of 3 ×3

圖7 壞像素校正Fig.7 Bad pixel corrected image

3 實驗結(jié)果與分析

為了驗證3 種校正對DR 成像結(jié)果的影響，選取某高壓I 級渦輪葉片，觀察葉片葉身部位3種校正處理前后的圖像質(zhì)量。利用XRD0822 非晶硅平板探測器對該葉片進行DR 成像，成像參數(shù)為:射線源到探測器的距離為1 385 mm，射線源到葉片的距離為610 mm，射線源焦點尺寸為0.4 mm，管電壓為110 kV，管電流為4 mA，積分時間為2 900 ms，連續(xù)采集20 幀圖像平均處理，實驗時采用HB 7684—2000 標(biāo)準(zhǔn)要求的鎳絲型像質(zhì)計來評價影像靈敏度。圖8 為渦輪葉片葉身校正前后的輸出圖像，其中圖8a 為未做暗場校正、增益校正與壞像素校正，直接采集到的DR 圖像(負(fù)片顯示)，葉身部位的灰度達到33 000 以上，葉片后緣部分區(qū)域已達到64 000 以上，灰度值偏高(表現(xiàn)為圖像偏暗)，容易造成缺陷漏檢，DR 圖像上像質(zhì)計在后緣可識別15 號絲，但前緣只能識別14號絲，并且其結(jié)果受暗場漂移、響應(yīng)不一致、壞點和壞線的影響，特別是受到2 條壞線的影響(表現(xiàn)為亮線)，缺陷評定時干擾缺陷的檢測，易評定出虛假缺陷。圖8b 為暗場校正、增益校正與壞像素校正后的輸出圖像(負(fù)片顯示)，圖像質(zhì)量明顯提高，葉身部位的灰度達到了32 000 以上，葉片后緣部分區(qū)域達到了52 000 以上，從圖像灰度上已達到了要求，膠片照相時葉身部位檢測工藝要求最低識別15 號絲，而DR 圖像上像質(zhì)計都可識別15 號絲，達到了檢測靈敏度要求。

圖8 葉片DR 圖像校正前后對比Fig.8 DR images of blade before and after offset/gain/bad pixel correction

4 結(jié)論

1)針對PE0822 非晶硅平板探測器，實現(xiàn)了平板探測器輸出圖像的暗場校正、增益校正和壞像素校正。

2)根據(jù)壞像素的分類標(biāo)準(zhǔn)，實驗測試得到了3 121 個壞點，而制造商提供的壞點圖中壞點數(shù)為3 102，由此制定了新的壞點位置圖。

3)選用某型高壓I 級渦輪葉片進行DR 成像實驗，經(jīng)過暗場校正、增益校正和壞像素校正，圖像灰度和像質(zhì)計靈敏度都滿足檢測工藝要求，提高了DR 輸出圖像質(zhì)量，像質(zhì)計靈敏度達到了膠片照相的工藝要求。

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