李 衍

（無(wú)錫市鍋爐壓力容器學(xué)會(huì)無(wú)損檢測(cè)專(zhuān)委會(huì) 無(wú)錫 214026）

數(shù)字RT圖像質(zhì)量評(píng)析

李 衍

（無(wú)錫市鍋爐壓力容器學(xué)會(huì)無(wú)損檢測(cè)專(zhuān)委會(huì) 無(wú)錫 214026）

研討為滿(mǎn)足現(xiàn)行國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)用數(shù)字RT（射線(xiàn)檢測(cè)）取代膠片RT時(shí)必須達(dá)到的圖像質(zhì)量要求。為實(shí)現(xiàn)與膠片RT的等價(jià)性，作為數(shù)字RT主流的CR（計(jì)算機(jī)射線(xiàn)照相）和DR（直接數(shù)字射線(xiàn)照相），必須注意系統(tǒng)的適當(dāng)選用及其布置、校正和圖像質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)化要求。給出了數(shù)字RT與膠片RT圖像質(zhì)量的比較示例，并概述了歐美相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的主要特點(diǎn)。意在為承壓設(shè)備推行數(shù)字RT技術(shù)、滿(mǎn)足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)基本要求提供參考意見(jiàn)。

數(shù)字RT 膠片RT CR（計(jì)算機(jī)射線(xiàn)照相） DR（直接數(shù)字射線(xiàn)照相） 圖像質(zhì)量 歐美標(biāo)準(zhǔn)

ASME BPVC 2015 第Ⅴ卷中涉及數(shù)字RT一般要求的標(biāo)準(zhǔn)和附錄及案例共10個(gè)，見(jiàn)表1。數(shù)字RT（射線(xiàn)照相檢測(cè)）從系統(tǒng)配置、方法選擇到質(zhì)量評(píng)定整套系列標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化程序、具體細(xì)節(jié)還應(yīng)參閱ASTM（美國(guó)材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)）和EN（歐聯(lián)盟）相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表2。

表1 ASME BPVC 2015有關(guān)RT的數(shù)字成像標(biāo)準(zhǔn)或附錄匯總（Sec.Ⅴ）

表2 歐美工業(yè)數(shù)字RT系列標(biāo)準(zhǔn)一覽

國(guó)內(nèi)工業(yè)數(shù)字射線(xiàn)成像檢測(cè)行標(biāo)NB/T 47013.11—2015［1］已于去年下半年問(wèn)世。這為數(shù)字RT取代常規(guī)膠片RT提供了法定依據(jù)和技術(shù)支撐。數(shù)字RT的應(yīng)用前提是必須達(dá)到與膠片RT的等價(jià)性：即質(zhì)量指標(biāo)、技術(shù)等級(jí)、檢測(cè)能力，實(shí)現(xiàn)等價(jià)。無(wú)此前提，則應(yīng)免用。

有關(guān)數(shù)字新技術(shù)可得圖像質(zhì)量上限，一般探討較少。這對(duì)檢測(cè)涉及安全和高風(fēng)險(xiǎn)部件，如動(dòng)力、核工業(yè)、航空航天工業(yè)設(shè)備，甚為重要。為獲得用分立數(shù)字探測(cè)器（DDA，Digital Detector Array）可達(dá)到的DR（直接數(shù)字射線(xiàn)照相）最大信噪比，歐美早已推出有關(guān)DDA系統(tǒng)響應(yīng)校正和測(cè)評(píng)方法標(biāo)準(zhǔn)。此法所得對(duì)比靈敏度能識(shí)別的壁厚變化可為材料透照厚度的1/1000。用常規(guī)NDT膠片系統(tǒng)（加鉛箔增感屏）作標(biāo)準(zhǔn)膠片RT，即使用最好的膠片系統(tǒng)等級(jí)（按歐EN 584-1 C1級(jí)、按美ASTM E 1815特級(jí)，或按中NB/T 47013.2 C1級(jí)），所得壁厚對(duì)比度，也不會(huì)優(yōu)于1/100。用柔性熒光體成像板（IP，Imaging Plate）的計(jì)算機(jī)射線(xiàn)照相（CR）是取代膠片法的實(shí)用方法，但與NDT膠片法相比，要達(dá)到其高級(jí)圖像質(zhì)量，尚需注意金屬屏安放等工藝細(xì)節(jié)。

用數(shù)字檢測(cè)和處理系統(tǒng)取代經(jīng)典膠片法，有經(jīng)濟(jì)合算優(yōu)勢(shì)。處理、評(píng)定周期縮短，圖像質(zhì)量提高，就意味著比膠片法或其它NDT法，能在較短時(shí)間內(nèi)獲得較好產(chǎn)品質(zhì)量。數(shù)字RT免用化學(xué)消耗品，既節(jié)省，又環(huán)保。無(wú)疑，實(shí)施數(shù)字RT與超聲CI（Computed Imaging計(jì)算機(jī)成像）是當(dāng)今承壓設(shè)備體積NDT新常態(tài)。

1 數(shù)字RT方法

數(shù)字射線(xiàn)成像是指射線(xiàn)透照潛影記錄在電子可讀裝置上的成像方法，也就是用X射線(xiàn)穿透物體獲取透照投影圖像，用數(shù)字化方法顯示圖像，在計(jì)算機(jī)上觀察和存儲(chǔ)圖像，并歸檔在計(jì)算機(jī)中的全過(guò)程。典型數(shù)字射線(xiàn)成像系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 典型數(shù)字射線(xiàn)成像系統(tǒng)框圖

1.1 數(shù)字RT法分類(lèi)

一般數(shù)字RT技術(shù)分為三類(lèi)：直接數(shù)字化、間接數(shù)字化和后數(shù)字化，如圖2所示。但工業(yè)NDE，特別是承壓設(shè)備N(xiāo)DE，最典型的是用IP（成像板）的CR（計(jì)算機(jī)數(shù)字RT）法和DDA（分立輻射探測(cè)器）的DR（直接數(shù)字RT）法。

1.2 CR法概要

CR過(guò)程分兩步完成。透照時(shí)，射線(xiàn)潛影存儲(chǔ)在對(duì)射線(xiàn)敏感的光激熒光體層（由摻雜銪的鋇、溴和熒光劑微?；旌辖M成），經(jīng)CR掃描器中激光激勵(lì)，而后變換為數(shù)字影像。CR成像板結(jié)構(gòu)和掃描器作用原理，見(jiàn)圖3。

圖3 CR成像板結(jié)構(gòu)和掃描讀出過(guò)程

1.3 DR法概要

DR常用的平板探測(cè)器由閃爍屏或光電導(dǎo)體組成，能將X射線(xiàn)光子直接轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)，無(wú)需掃描儀讀出器。DR系統(tǒng)可分間接轉(zhuǎn)換和直接轉(zhuǎn)換兩種。

間接轉(zhuǎn)換：X射線(xiàn)能量先通過(guò)閃爍體（CsI）變成可見(jiàn)光，再由光電二極管將可見(jiàn)光變成電子信號(hào)?？拷怆姸O管層的薄膜晶體管（TFT），能讀出X射線(xiàn)圖像由此發(fā)出的電子信號(hào)送計(jì)算機(jī)處理和觀察。間接轉(zhuǎn)換探測(cè)器組成和作用原理示意，見(jiàn)圖4（a）。

另一種間接轉(zhuǎn)換探測(cè)器是電荷耦合器（CCD），無(wú)光電二極管，由CCD將閃爍體可見(jiàn)光變成電子信號(hào)。

直接轉(zhuǎn)換：X射線(xiàn)能量通過(guò)非晶硒探測(cè)器直接變成電子信號(hào)（無(wú)光轉(zhuǎn)換）。薄膜晶體管陣列也用來(lái)收集和存儲(chǔ)圖像供讀出。直接轉(zhuǎn)換平板探測(cè)器的結(jié)構(gòu)和作用原理示意見(jiàn)圖4（b）。

注意，平板探測(cè)器中的TFT（薄膜晶體管）陣列中，每個(gè)TFT單元就是采集信息的最小單元，稱(chēng)為像素。

TFT：薄膜晶體管陣列（存儲(chǔ)電荷）非晶硅平板探測(cè)器間接轉(zhuǎn)換探測(cè)過(guò)程：入射X射線(xiàn)→熒光→電信號(hào)→存儲(chǔ)電荷→數(shù)字圖像信號(hào)（a）DR間接轉(zhuǎn)換探測(cè)器

圖4 DR間接轉(zhuǎn)換和直接轉(zhuǎn)換平板探測(cè)器結(jié)構(gòu)和作用原理

2 圖像質(zhì)量基本參數(shù)

ASME（2015）第二章MA-Ⅲ《數(shù)字圖像的采集、顯示和存儲(chǔ)》強(qiáng)調(diào)數(shù)字RT結(jié)果應(yīng)與膠片RT等價(jià)（即具有同等缺陷檢驗(yàn)?zāi)芰Γ?。而要?shí)現(xiàn)兩者等價(jià)，圖像質(zhì)量是核心要素。

2.1 概要

任何數(shù)字輻射探測(cè)器，其圖像質(zhì)量參數(shù)之間的基本關(guān)系，如圖5所示［2］。工件內(nèi)部缺陷相關(guān)于小厚度變化ΔT的檢測(cè)靈敏度，也相關(guān)于對(duì)比度（信號(hào)強(qiáng)度變化ΔI）與圖像噪聲（信號(hào)I的標(biāo)準(zhǔn)偏差）之比（CNR）。對(duì)比度-噪聲比CNR與信噪比SNR（檢測(cè)圖像某區(qū)的平均信號(hào)S與該區(qū)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏差σ之比，即SNR=S/σ）的關(guān)系，可由下列數(shù)式導(dǎo)出［3］：

式中：

I —— 形成檢測(cè)圖像的射線(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度；

ΔI —— 與小厚度差ΔT相應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度變化；

σI—— 對(duì)應(yīng)的檢測(cè)圖像噪聲（信號(hào)I 的標(biāo)準(zhǔn)偏差）。

圖5 數(shù)字輻射探測(cè)器圖像質(zhì)量參數(shù)之間的關(guān)系

由式（4）可見(jiàn)，ΔT給定時(shí)，已知由曝光條件決定的衰減系數(shù)μ 和散射比n，對(duì)比度-噪聲比CNR即可由圖像信噪比SNR求出。

2.2 基本參數(shù)

通常，數(shù)字RT圖像主要用圖像質(zhì)量主參數(shù)——圖像不清晰度U和對(duì)比度-噪聲比CNR來(lái)表征［4］。前者表征檢測(cè)圖像在射線(xiàn)透照方向正交平面上的分辨能力，后者表征檢測(cè)圖像在射線(xiàn)透照方向上的分辨能力。而兩者組合，關(guān)系到檢測(cè)圖像中缺陷細(xì)節(jié)的分辨能力。

●2.2.1 圖像不清晰度U

1）檢測(cè)技術(shù)不清晰度U：由幾何不清晰度Ug和探測(cè)器不清晰度Ui組成，即：

這里，Ug相關(guān)于透照布置（見(jiàn)圖6）。

式中：

M——透照布置放大倍數(shù)；

F——射線(xiàn)源至探測(cè)器距離，mm；

f——射線(xiàn)源至工件表面距離，mm；

d——射線(xiàn)源焦點(diǎn)尺寸，mm。

故檢測(cè)技術(shù)不清晰度：

探測(cè)器（系統(tǒng)）固有不清晰度Ui與探測(cè)器（系統(tǒng)）基本空間分辨率SRb有如下關(guān)系：Ui=2SRb即SRb=Ui/2=Pe（Pe——有效像素尺寸）。

所以，相關(guān)于基本空間分辨率SRb的檢測(cè)不清晰度

2）檢測(cè)圖像不清晰度Uim：就是物體處不清晰度U0（見(jiàn)圖7），對(duì)直接數(shù)字化RT，即Uim=U0，而，故

●2.2.2 對(duì)比度-噪聲比CNR或?qū)Ρ褥`敏度CS（CS =1/CNR）

細(xì)節(jié)CNR取決于探測(cè)器SNR和材料有效衰減系數(shù)μeff。探測(cè)器用歸一化信噪比SNRN表征，SNRN測(cè)量值相關(guān)于曝光條件（曝光劑量的平方根）。為使檢測(cè)圖像達(dá)到一定對(duì)比靈敏度CS，應(yīng)選用具有一定信噪比SNR的探測(cè)器系統(tǒng)，即選用在適當(dāng)曝光量下可得一定SNR的探測(cè)器系統(tǒng)。按相應(yīng)美標(biāo)、歐標(biāo)，應(yīng)令其歸一化SNRN≮120。通常，DDA系統(tǒng)經(jīng)適當(dāng)響應(yīng)校正后，最大SNRN可達(dá)500以上；而IP板系統(tǒng)受結(jié)構(gòu)噪聲限制，其最大SNRN約為140，性能優(yōu)化的IP板系統(tǒng)，其最大SNRN也僅為250。

歸一化SNR由圖像探測(cè)器基本空間分辨率SRb測(cè)出，而基本空間分辨率一般用雙絲IQI測(cè)定（按EN 462-5），它等于測(cè)出的圖像不清晰度的半值，即SRb= Ui/2。

有關(guān)CR和DR圖像質(zhì)量測(cè)評(píng)方法細(xì)節(jié)及技術(shù)要求，詳見(jiàn)文獻(xiàn)［5-7］。

2.3 附加參數(shù)

考慮到RT應(yīng)用實(shí)際情況，透檢材料厚度范圍即基于同一圖像中可評(píng)材料厚度范圍的圖像動(dòng)態(tài)范圍，是數(shù)字RT附加參數(shù)。此值對(duì)膠片是固定的（受限于黑度范圍2～4.5和μeff），故一般教材和標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)膠片法RT均不考慮。而現(xiàn)代DDA曝光寬容度甚大，甚至可取代雙膠片法，故需作為數(shù)字RT附加參數(shù)表征。

圖6 相關(guān)于檢測(cè)技術(shù)不清晰度U的數(shù)字RT技術(shù)透照布置

圖7 數(shù)字成像檢測(cè)技術(shù)不清晰度與檢測(cè)圖像不清晰度

3 圖像質(zhì)量比照

3.1 膠片法圖像質(zhì)量

為對(duì)CR、DDA的數(shù)字成像質(zhì)量進(jìn)行比較，并評(píng)價(jià)與常規(guī)膠片RT照相質(zhì)量的等價(jià)性，有必要先明確膠片RT可得圖像質(zhì)量基準(zhǔn)，這就先要通過(guò)后數(shù)字化技術(shù)，把作為比較基準(zhǔn)的常規(guī)射線(xiàn)底片模擬圖像變成數(shù)字圖像。測(cè)定NDT膠片系統(tǒng)圖像質(zhì)量的基本要點(diǎn)、要素如圖8所示。圖中，膠片圖像噪聲作為膠片顆粒度，用光微密度計(jì)光孔測(cè)量（SRb=88.6μm）。膠片SNR可用梯度噪聲比算出，SNR=0.434G2.0/σD，按EN 584-1由膠片系統(tǒng)分類(lèi)限值給出。所有膠片系統(tǒng)分類(lèi)（與制造者無(wú)關(guān)）在G2.0/σD與劑量平方根關(guān)系圖中呈線(xiàn)性排列。

歸一化信噪比SNRN取決于膠片系統(tǒng)等級(jí)，最小值是43（膠片最低等級(jí)C6，D-D0=2，劑量2mGy），最大值是250（膠片最高等級(jí)C1， D-D0=4.5，劑量60mGy）。按EN 584-1，膠片系統(tǒng)達(dá)不到更高的SNRN，因大劑量產(chǎn)生的光學(xué)密度D＞5，人眼實(shí)際上無(wú)法從底片上讀出。膠片系統(tǒng)的基本空間分辨率取決于射線(xiàn)的質(zhì)和照射量，而這又決定了要用的鉛屏厚度（見(jiàn)EN 444）和鉛屏產(chǎn)生的電子發(fā)射對(duì)膠片的感光量。EN ISO 14096-2 為校正底片數(shù)字化（將射線(xiàn)照相底片模擬圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像數(shù)據(jù)）列出了類(lèi)似于SRb的數(shù)值。

用焊接試板（標(biāo)識(shí)：BAM5）驗(yàn)證了用不同數(shù)字探測(cè)器透照檢測(cè)所得圖像質(zhì)量。試板材質(zhì)為鋼，板厚8mm，焊縫余高2mm，焊縫中特意設(shè)置了多種焊接缺陷。透照時(shí)在適當(dāng)位置放置等比絲型IQI（像質(zhì)計(jì)）和雙絲型IQI（像質(zhì)計(jì)）作為圖像質(zhì)量測(cè)評(píng)工具。

圖8 膠片系統(tǒng)分類(lèi)圖像質(zhì)量參數(shù)的測(cè)定（按EN 584-1）

作為最優(yōu)膠片系統(tǒng)（C1級(jí)）對(duì)上述焊接試板攝得的參考照片及其曝光條件，見(jiàn)圖9。為在原始數(shù)據(jù)中，讓肉眼可在作為RT動(dòng)態(tài)范圍的壁厚范圍內(nèi)觀測(cè)無(wú)噪聲圖像，特使用了高通濾波器（2D-FFT），以抑制由壁厚變化引起的圖像強(qiáng)背景，改善圖像顯示，并進(jìn)行圖像比較（見(jiàn)圖12、圖14和圖15）。

圖9 以膠片法所得RT圖像質(zhì)量作為數(shù)字RT法的比較基準(zhǔn)片

3.2 CR法圖像質(zhì)量

膠片系統(tǒng)分類(lèi)是CR系統(tǒng)分類(lèi)和對(duì)所有數(shù)字探測(cè)器進(jìn)行比較的基礎(chǔ)。換言之，CR系統(tǒng)的圖像質(zhì)量是按NDT膠片系統(tǒng)分類(lèi)而分類(lèi)的。歐、美兩大標(biāo)準(zhǔn)體系有關(guān)膠片系統(tǒng)分類(lèi)的比照，包括作為分類(lèi)依據(jù)的參數(shù)SNRN和G2/σD，見(jiàn)表3。表中SNRN=ln（G2/σD）僅適用于線(xiàn)性探測(cè)器。歸一化信噪比SNRN限值對(duì)應(yīng)于類(lèi)似的膠片系統(tǒng)分類(lèi)限值。由表3可見(jiàn)，不同標(biāo)準(zhǔn)不同名稱(chēng)的分類(lèi)所用限值依然相同。

表3 NDT膠片系統(tǒng)和CR系統(tǒng)按SNRN的分類(lèi)

除膠片系統(tǒng)分類(lèi)外，進(jìn)行圖像質(zhì)量比較，還需提供CR系統(tǒng)的基本空間分辨率SRb（單位：μm，測(cè)量方法見(jiàn)EN 14784-1）。這是考慮到與膠片相比，CR系統(tǒng)空間分辨率有限的緣故。

10年前，高清晰度CR系統(tǒng)的引入，是用CR取代NDT膠片的重大進(jìn)展（見(jiàn)圖10）。高清晰HD-CR型IP板系統(tǒng)的推出，為焊縫和小鑄件用數(shù)字RT取代膠片RT開(kāi)創(chuàng)了有利條件。

有關(guān)CR系統(tǒng)工業(yè)RT要求，在EN 14784-2中有詳細(xì)規(guī)定。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了與檢測(cè)等級(jí)、射線(xiàn)能量和被檢工件厚度有關(guān)的最小空間分辨率。然而，EN 14784-2大多數(shù)內(nèi)容類(lèi)似于EN 444（NDT膠片法射線(xiàn)檢測(cè)一般原理），EN 14784-2添加了有關(guān)CR系統(tǒng)的基本空間分辨率限值。

（a）標(biāo)準(zhǔn)CR系統(tǒng)（富士GX-1），SRb=130μm IP厚，高速，像素尺寸100μm

圖10 工業(yè)CR系統(tǒng)與SRb測(cè)量示例

但對(duì)CR系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，圖像質(zhì)量中還有另一種限制效應(yīng)，如圖11所示。隨著照射劑量的增大，最大可得SNRN值受限制。這是由所用成像板的結(jié)構(gòu)噪聲造成的。掃描器還可能會(huì)引起附加噪聲，如波紋線(xiàn)等。IP板的結(jié)構(gòu)噪聲是熒光體層制作不均勻性的副作用。此效應(yīng)也可從熒光屏得知。照射劑量較高時(shí)，X射線(xiàn)的量子噪聲（射線(xiàn)源的射線(xiàn)發(fā)射、射線(xiàn)在工件和探測(cè)器中的吸收等引起），對(duì)IP板來(lái)說(shuō)，其作用要比那些圖像結(jié)構(gòu)低些，因此圖像質(zhì)量最終受結(jié)構(gòu)噪聲限制。

圖11 由CR結(jié)構(gòu)噪聲造成的SNRN飽和示例（富士XG-1掃描儀，ST-VⅠ成像板）

用標(biāo)準(zhǔn)IP板和高清晰IP板進(jìn)行焊縫射線(xiàn)透照可得圖像質(zhì)量與最優(yōu)膠片法RT所得圖像質(zhì)量作比較的示例，見(jiàn)圖12。當(dāng)曝光時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，圖像噪聲取決于CR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)噪聲。顯然，與最好的NDT膠片法相比，普通（標(biāo)準(zhǔn)）CR系統(tǒng)的圖像質(zhì)量（SRb和SNRN）最差，而高清晰HD-CR系統(tǒng)可達(dá)到稍高的SNRN值，但曝光時(shí)間約為膠片法的8倍。按EN 14784-2，高清晰HD-CR系統(tǒng)可達(dá)到B級(jí)檢測(cè)水平。此例中，普通（標(biāo)準(zhǔn)）CR法達(dá)不到A級(jí)檢測(cè)要求，故此法不適于壁厚12mm以下、X射線(xiàn)管電壓250kV以下（即對(duì)應(yīng)于EN 14784-2 表4要求）的檢測(cè)。

圖12 膠片法（C1等級(jí)）RT與標(biāo)準(zhǔn)IP板和高清晰IP板RT法所得裂紋檢測(cè)圖像的比較

3.3 DR法圖像質(zhì)量

這里給出的DDA圖像是用珀金·埃爾默公司的XRD 1620探測(cè)器（用YXLON公司的“圖像. 3500”軟件控制）獲得的（見(jiàn)圖13～圖15）。用了兩種透照設(shè)置：1）焊接試板直接靠在探測(cè)器前（放大倍數(shù)M≈1）；2）焊接試板置于X射線(xiàn)管和探測(cè)器之間（M=3.5）。第二種布置要求用小焦點(diǎn)X射線(xiàn)管，以使該布置在探測(cè)器上的幾何不清晰度Ug≤0.2 mm。

可將圖13的DDA-RT結(jié)果與圖9的膠片RT結(jié)果進(jìn)行比較。

用高通濾波和放大法可使小缺陷或缺陷圖像細(xì)節(jié)清晰顯示（見(jiàn)圖14、圖15）。即使不放大（M=1）、基本空間分辨率SRb=200μm，DDA技術(shù)的SNRN也明顯增大（在母材上測(cè)出），裂紋細(xì)節(jié)顯示特清晰（膠片法RT圖像盡管基本空間分辨率高得多，其SRb= 50μm，但裂紋細(xì)節(jié)還是被噪聲掩蓋了）。

當(dāng)放大倍數(shù)M=3.5時(shí)（圖15（c），投影SRb= 70 μm），DDA系統(tǒng)能識(shí)別的細(xì)節(jié)要比膠片多得多。此時(shí)，基于SNRN的提高，用DDA法所得圖像質(zhì)量遠(yuǎn)優(yōu)于膠片法射線(xiàn)照相。

圖13 焊接試板（BAM 5）DDA 透照結(jié)果

圖14 膠片法和DDA法對(duì)IQI金屬絲徑可見(jiàn)性的比較（板厚8mm）

圖15 膠片法與DDA法對(duì)裂紋檢出圖像質(zhì)量的比較

4 圖像質(zhì)量管控

數(shù)字RT圖像質(zhì)量主要從兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行管控：即對(duì)比靈敏度度CS和不清晰度U（空間分辨率SRb）；前者用絲型IQI測(cè)評(píng)，后者用雙絲IQI測(cè)評(píng)。具體補(bǔ)償法則有二，如下所述：

4.1 用DDA響應(yīng)校正提高SNR

圖16 在計(jì)算機(jī)中靠圖像累加提高歸一化信噪比SNRN

圖16中給出的高SNRN值，射線(xiàn)透照成像通常達(dá)不到。這里有實(shí)際局限性：DDA不同像素的靈敏度偏差限制了圖像中可得SNR。若X射線(xiàn)量子的泊松噪聲僅靠延長(zhǎng)累加曝光時(shí)間來(lái)降低，則歸一化信噪比SNRN也不會(huì)有多大提高。SNRN還受探測(cè)器結(jié)構(gòu)噪聲限制。對(duì)CR來(lái)說(shuō)，也有同樣的問(wèn)題（如前所述，即IP板熒光層敏感性差異產(chǎn)生的噪聲也會(huì)限制SNRN的提高）。

與膠片或CR相比，DDA的基本優(yōu)勢(shì)是：在整個(gè)曝光和讀出過(guò)程中，DDA像素呈矩陣排列，是固定的。這樣，各個(gè)像素間的小差異（如靈敏度或讀出通道中的偏差）是容許的，且可精確測(cè)出。因?yàn)樗鼈円话闶欠€(wěn)定的，不因時(shí)而變，故不同像素之間的偏差，可借助于軟件作補(bǔ)償修正。此程序稱(chēng)為探測(cè)器響應(yīng)校正。

DDA響應(yīng)校正是降低DDA結(jié)構(gòu)噪聲、改善對(duì)比靈敏度（高對(duì)比靈敏度模式）和提高信噪比的關(guān)鍵。圖17比較了用探測(cè)器不同校正方法和步驟所得SNRN與劑量平方根的關(guān)系：a）是用普通單點(diǎn)增益偏置響應(yīng)校正法所得數(shù)據(jù)；b）、c）是用多點(diǎn)增益偏置響應(yīng)校正法所得數(shù)據(jù)。顯然，c）的多點(diǎn)增益偏置響應(yīng)校正法，能補(bǔ)償探測(cè)器各像素偏差引起的結(jié)構(gòu)噪聲，獲得相當(dāng)高的SNR?？梢?jiàn)，膠片和CR在SNR上呈現(xiàn)的局限性，DDA系統(tǒng)完全可通過(guò)適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)校正法得以克服。

圖17 探測(cè)器不同響應(yīng)校正法所得SNRN

適當(dāng)?shù)亩帱c(diǎn)增益偏置響應(yīng)校正，其優(yōu)勢(shì)不僅顯示在提高了SNR，而且也節(jié)省了曝光時(shí)間。所要求的圖像質(zhì)量限定了所需要的累積時(shí)間。與單點(diǎn)增益偏置響應(yīng)校正的最佳曝光條件相比，用多點(diǎn)增益偏置響應(yīng)校正達(dá)到相同SNR時(shí)所需曝光時(shí)間，要短得多。例如，若檢測(cè)應(yīng)用要求SNR為500，則對(duì)單點(diǎn)增益偏置響應(yīng)校正，曝光時(shí)間需250s，而適當(dāng)?shù)亩帱c(diǎn)增益偏置響應(yīng)校正，曝光時(shí)間僅需15s。

與圖16相比，圖17的SNRN值均有限制，所有曲線(xiàn)SNRN均達(dá)到飽和值。此舉目的在于調(diào)研和發(fā)現(xiàn)，究竟是探測(cè)器響應(yīng)校正的結(jié)構(gòu)噪聲、還是工件材料的不均勻性，限制了采集圖像中的最大SNRN值？同樣的理由也限制了透照鋁、鋼時(shí)可見(jiàn)最小厚度差的%值（即對(duì)比靈敏度CS），如圖18、圖19所示。此對(duì)比靈敏度限值在0.1%，對(duì)應(yīng)于SNRN≈1000。曝光時(shí)間從60s增至600s，對(duì)其影響很小。DDA能使RT達(dá)到的對(duì)比靈敏度，比膠片法RT所要求的指標(biāo)，高得多（即%值小得多）。圖19即表示膠片法RT（按EN 462-3）要求與DDA法RT可達(dá)到的階梯孔（EN 462-2）對(duì)比靈敏度（CS/%）的比較。

圖18 DDA用不同曝光累加時(shí)間獲得的對(duì)比靈敏度（CS/%）比較

圖19 用DDA不同曝光累加時(shí)間攝片所得CS（%）與膠片法RT要求CS（%）的比照

4.2 用高SNR補(bǔ)償SRb的不足

用高SNR，即使對(duì)比度差值很小的細(xì)節(jié)（缺陷），也能被檢出。細(xì)節(jié)（缺陷）的可見(jiàn)性取決于對(duì)比度和SNR。圖20表示小徑管（φ38×5mm）用兩種不同的IP板（標(biāo)準(zhǔn)型和高分辨率型）所得RT照片與粒子最細(xì)膠片（C1級(jí)）所得RT照片的比較。由此可見(jiàn)，提高SNRN在一定程度上能補(bǔ)償SBb的不足，如圖20（c）所示。

圖20 小徑管（φ38×5mm）IP-RT照片與膠片RT照片的比較

圖21 密孔數(shù)字RT照片（上）與膠片RT照片（下）的比較

圖22 橫裂數(shù)字RT照片（上）與膠片RT照片（下）的比較

圖23 龜裂數(shù)字RT照片（上）與膠片RT照片（下）的比較

圖24 條孔、未熔合數(shù)字RT照片（上）與膠片RT照片（下）的比較

表4 數(shù)字RT法與膠片RT法對(duì)比試驗(yàn)示例（圖21～圖24）參數(shù)

5 數(shù)字RT標(biāo)準(zhǔn)化歷程

對(duì)NDT膠片數(shù)字化（EN ISO 14096-1，-2）和CR（EN 14784-1，-2）早就有系統(tǒng)表征、分類(lèi)和應(yīng)用方法方面的歐洲標(biāo)準(zhǔn)。而美材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)（ASTM）則推出ASTM E 1936 《膠RT片數(shù)字化系統(tǒng)特性評(píng)定》標(biāo)準(zhǔn)，CR有一系列ASTM標(biāo)準(zhǔn)（E 2446 《CR系統(tǒng)分類(lèi)》、E 2445《CR系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定性評(píng)定》、E 2007《CR技術(shù)導(dǎo)則》、E 2033《CR技術(shù)方法》）。

ASTM是制定數(shù)字探測(cè)器陣列即DDA標(biāo)準(zhǔn)草案的先導(dǎo)組織（由航空工業(yè)驅(qū)動(dòng)）。德國(guó)材料試驗(yàn)所（BAM）積極參與了四項(xiàng)有關(guān)DDA的標(biāo)準(zhǔn)草案：

1）DDA技術(shù)導(dǎo)則（不同探測(cè)器的不同技術(shù)）。

2）DDA制造特性（探測(cè)器評(píng)定和結(jié)果顯示，見(jiàn)圖25和表5）。

3）DDA特性評(píng)定（使用者驗(yàn)收試驗(yàn)和長(zhǎng)期穩(wěn)定性試驗(yàn)）。

4）DDA操作方法（特別是用DDA-RT取代膠片RT的有效方法）。

圖25 ASTM有關(guān)DDA制造特性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的要素顯示

表5 ASTM有關(guān)DDA制造特性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的圖像參數(shù)

在參與ASTM有關(guān)數(shù)字RT標(biāo)準(zhǔn)草案擬定后，德NDT學(xué)會(huì)RT專(zhuān)委會(huì)即著手起草了相應(yīng)的CEN標(biāo)準(zhǔn)。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織于2013年1月發(fā)布的ISO 17636-2《焊縫射線(xiàn)數(shù)字探測(cè)器成像檢測(cè)》，是目前世界上使用數(shù)字射線(xiàn)成像兩種主流技術(shù)CR和DR進(jìn)行焊接接頭無(wú)損檢測(cè)的一份綜合性的主體標(biāo)準(zhǔn)，也是國(guó)內(nèi)行標(biāo)NB/T 47013.11—2015的主要參照標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)字RT如何以膠片RT等價(jià)性為前提，取代膠片RT，在該標(biāo)準(zhǔn)中有具體程序和相應(yīng)要求。表6 列出了ISO 17636-2有關(guān)焊縫數(shù)字RT的基本要素。針對(duì)ISO 17636-2這份標(biāo)準(zhǔn)的解讀和評(píng)析，詳見(jiàn)筆者另文。

該主體標(biāo)準(zhǔn)反復(fù)強(qiáng)調(diào)：所規(guī)定的方法是數(shù)字射線(xiàn)透檢操作的最低要求，目的是使射線(xiàn)曝光和數(shù)字射線(xiàn)照相的獲取，要與膠片射線(xiàn)照相具有等價(jià)探傷靈敏度（即與常規(guī)膠片法RT的ISO 17636-1規(guī)定同）。

表6 用數(shù)字射線(xiàn)成像法透檢鋼、銅、鎳基合金時(shí)，CR和DDA的最小SNRN值和只用于CR的金屬前屏

6 結(jié)論

1）與NDT要求匹配的新數(shù)字系統(tǒng)適用于取代NDT膠片。由于NDT應(yīng)用與醫(yī)用膠片RT要求不同，對(duì)NDT必須用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化算法來(lái)測(cè)評(píng)圖像質(zhì)量。

2）NDT膠片系統(tǒng)特性已列入好多標(biāo)準(zhǔn)。歸一化信噪比SNRN和基本空間分辨率SRb，是數(shù)字輻射探測(cè)器和膠片后數(shù)字化的基本參數(shù)。有關(guān)系統(tǒng)分類(lèi)的SNRN限值，歐美標(biāo)準(zhǔn)均有相同規(guī)定。

3）NDT膠片系統(tǒng)可得圖像質(zhì)量有一定限值，因可用觀片燈讀片的光學(xué)密度有其上限（約D=5）。這就限制了曝光的最大劑量。CR可用來(lái)取代膠片。其最大可得SNRN主要受所用IP板結(jié)構(gòu)噪聲的限制。

4）與膠片和CR系統(tǒng)相比，DDA系統(tǒng)的圖像質(zhì)量可通過(guò)最佳探測(cè)器響應(yīng)校正法（即多點(diǎn)偏置增益校正）獲得明顯改善。DDA的對(duì)比靈敏度CS和歸一化信噪比SNRN，比起膠片系統(tǒng)來(lái)，可高出10倍以上。很高的SNR能給出特優(yōu)對(duì)比靈敏度（特別是用放大法時(shí)）。視曝光條件和適當(dāng)校正，DDA系統(tǒng)達(dá)到的對(duì)比靈敏度約為壁厚的1/1000。

5）目前，圖像質(zhì)量的上限是取決于被檢工件材料的不均勻性，而不再是檢測(cè)技術(shù)。高對(duì)比靈敏度可補(bǔ)償SRb的不足。只要使用高對(duì)比靈敏度模式，就是對(duì)小于探測(cè)器像素尺寸的小細(xì)節(jié)，也能提供足夠的對(duì)比度噪聲比CNR，使其可見(jiàn)。

6）適當(dāng)?shù)母咄V波，甚至還能提高不均勻性的可見(jiàn)度。IQI宜用于驗(yàn)證預(yù)期的材料對(duì)比靈敏度。DDA最適于室內(nèi)檢測(cè)，因它需要適當(dāng)?shù)臏囟群蜐穸葪l件、以及仔細(xì)操作、管控。

7）DDA也是系列零件檢測(cè)和計(jì)算機(jī)層析照相檢測(cè)、以及實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)的好工具。因圖像質(zhì)量高、動(dòng)態(tài)范圍大、速度快，DDA在數(shù)字檢測(cè)中已獨(dú)占鰲頭，加速了取代膠片的進(jìn)程。

8）迄今為止，IP板和DDA系統(tǒng)多用于承壓設(shè)備管道和薄壁小徑管焊接接頭的在制、在用無(wú)損檢測(cè)。

承壓設(shè)備N(xiāo)DE要有新發(fā)展，也得靠發(fā)展“雙引擎”：一是推行新標(biāo)準(zhǔn)、新技術(shù)、新工藝，激發(fā)新動(dòng)能、新活力，二是完善和提升傳統(tǒng)技術(shù)、既定工藝。行業(yè)要求新發(fā)展，離不開(kāi)新標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用這把“金鑰匙”。

［1］ NB/T 47013.11—2015 X射線(xiàn)數(shù)字成像檢測(cè) ［S］.

［2］ Zscherpel U， Ewert U， Bavendiek K. Posibilities and Limits of Digital Industrial Radiology［R］. Lyon France：International Symposium on Digital Industrial Radiology and Computed Tomography， 2007.

［3］ 鄭世才. 數(shù)字射線(xiàn)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)［M］. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：82-87+90-91.

［4］ Uwe Ewert， Uwe Zscherpel， Mirko Jechow. Essential Parameters and Conditions for Optimum Image Quality in Digital Radiology［A］. 18th World Conference on Nondestructive Testing［C］. Durban， South Africa， 2012.

［5］ ASTM E 2007-00 Guide for Computed Radiography

［S］.

［6］ ASTM E 2736-10 Guide for Digital Detector Array Radiology［S］.

［7］ ASTM E 2597-07 Practice for Manufacturing Characterization of Digital Detector Arrays［S］.

Evaluation and Analysis of Image Quality for Digital RT

Li Yan
（NDT Subcommittee of Wuxi Boiler and Pressure Vessel Society Wuxi 214026）

The requirements of image quality for digital RT （Radiographic testing） in lieu of film RT，conforming to the current international standards， are discussed. To achieve the equivalent sensitivity for detection of imperfections as film RT， proper selection， setup and correction of the detector systems， and the standardized requirements of image quality must be noticed in use of CR （Computed radiography） and DR （Direct digital radiography） as the current essential digital RT technologies. Here are given some examples for comparison between digital RT and flm RT. The main characteristics of related standards in Europe and US are also outlined. The intention is to provide

for use of digital RT for inspection of pressure equipment in accordance with the basic requirements in international standards.

Digital RT Film RT CR （Computed radiography） DR （Direct digital radiography） Image quality Standards in Europe and America

X924

B

1673-257X（2016）10-0010-11

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.10.003

李衍（1940～），男，高級(jí)工程師，NDE責(zé)任工程師，從事無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究工作。

2016-05-28）