數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)專題（一）——概述

鄭世才

（新立機(jī)器廠，北京 100039）

1 數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)

數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)（digital imaging in radiology；digital imaging；digital radiography）是可獲得數(shù)字化圖像的射線檢測(cè)技術(shù)。

在最初，比較強(qiáng)調(diào)直接獲得數(shù)字化圖像的射線檢測(cè)技術(shù)，但現(xiàn)在，已演變成可獲得數(shù)字化圖像的全部射線檢測(cè)技術(shù)。目前數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)可分成三個(gè)部分：直接數(shù)字化射線檢測(cè)技術(shù)、間接數(shù)字化射線檢測(cè)技術(shù)、后數(shù)字化射線檢測(cè)技術(shù)。直接數(shù)字化射線檢測(cè)技術(shù)是采用分立輻射探測(cè)器（DDA）完成的射線檢測(cè)技術(shù)；間接數(shù)字化射線檢測(cè)技術(shù)是指，圖像的數(shù)字化過程需要采用獨(dú)立單元以單獨(dú)技術(shù)環(huán)節(jié)完成的數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)；后數(shù)字化射線檢測(cè)技術(shù)是采用圖像數(shù)字化掃描裝置將射線照相底片圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像的技術(shù)。

數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)可以方便地運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)改善圖像質(zhì)量。運(yùn)用數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)，可以建立射線檢測(cè)技術(shù)工作站，可方便地實(shí)現(xiàn)信息交換等。

比較膠片射線照相檢測(cè)技術(shù)系統(tǒng)與數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)系統(tǒng)，可以看到數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)與常規(guī)膠片射線照相檢測(cè)技術(shù)的基本不同有兩個(gè)方面：①采用輻射探測(cè)器代替膠片完成射線信號(hào)的探測(cè)和轉(zhuǎn)換。②采用圖像數(shù)字化技術(shù)，獲得數(shù)字檢測(cè)圖像。

數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)的這些改變，導(dǎo)致為了正確應(yīng)用數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)，必須建立數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)的基本理論，深入研究輻射探測(cè)器的性能，給出數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)控制要求和數(shù)字檢測(cè)圖像質(zhì)量的控制指標(biāo)。這些改變，也產(chǎn)生了一個(gè)必須解決的基本問題：數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)與常規(guī)膠片射線照相檢測(cè)技術(shù)的等價(jià)性問題，即同等缺陷檢驗(yàn)?zāi)芰Φ膯栴}。

從20世紀(jì)90年代后，不斷進(jìn)行了數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)工業(yè)無損檢測(cè)應(yīng)用的研究，已經(jīng)取得了重要成果，一些有關(guān)數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)相繼制定，為工業(yè)無損檢測(cè)應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)還在發(fā)展中，已經(jīng)出現(xiàn)了適應(yīng)數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)的新型X 射線管?？梢云诖?，數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)在無損檢測(cè)領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用。

2 數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)基本理論［1］

數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)的物理基礎(chǔ)沒有改變，它仍是以射線吸收規(guī)律為基本原理的射線檢測(cè)技術(shù)。對(duì)數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)，初始檢測(cè)信號(hào)與常規(guī)膠片射線照相檢驗(yàn)技術(shù)相同，仍然是物體對(duì)比度

式中：I為射線強(qiáng)度；μ為射線的線衰減系數(shù)；n為散射比；ΔT為小厚度差。

不同的是，對(duì)于探測(cè)器，一般都工作在線性區(qū)，圖1顯示了分立輻射探測(cè)器的這種特性［2］。即可認(rèn)為圖像亮度（L）信號(hào)與射線檢測(cè)信號(hào)間近似為線性轉(zhuǎn)換關(guān)系

式中：k為常數(shù)。

因此對(duì)檢測(cè)圖像有：

必須注意的是，獲得的檢測(cè)圖像是數(shù)字圖像。因此，除了原有的透照技術(shù)控制理論，圖像數(shù)字化理論成為應(yīng)引入的新的技術(shù)基本理論部分。圖像數(shù)字化理論，主要是關(guān)于數(shù)字圖像概念、圖像數(shù)字化過程、采樣定理的有關(guān)理論。延伸后是給出的檢測(cè)圖像不清晰度關(guān)系式（ISO 標(biāo)準(zhǔn)、歐洲標(biāo)準(zhǔn)，總的不清晰度采用二次方關(guān)系）［3］

或（美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，總的不清晰度采用三次方關(guān)系）

式中：φ為焦點(diǎn)尺寸；M為透照布置的放大倍數(shù)；UD為探測(cè)器（系統(tǒng)）的固有不清晰度。

式中：SRb為探測(cè)器（系統(tǒng)）的基本空間分辨力；Pe為探測(cè)器（系統(tǒng)）的有效像素尺寸。

美國(guó)材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E2698－10標(biāo)準(zhǔn)給出的關(guān)系式為：

圖1 分立輻射探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換特性

這些關(guān)系，構(gòu)成了數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)控制基礎(chǔ)。如果希望深入理解數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)，特別是從理論上深入討論“等價(jià)性問題”，則需要成像過程基本理論［1］。

3 數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)系統(tǒng)

對(duì)于日常工業(yè)應(yīng)用的直接數(shù)字化射線檢測(cè)技術(shù)和間接數(shù)字化射線檢測(cè)技術(shù)，概括檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)過程，則它們都可分為透照、信號(hào)探測(cè)與轉(zhuǎn)換、圖像顯示與評(píng)定三個(gè)基本階段。對(duì)于完成一項(xiàng)檢測(cè)工作，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的技術(shù)級(jí)別（檢測(cè)圖像質(zhì)量要求），或者為保證檢測(cè)滿足工件技術(shù)條件或驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的缺陷檢驗(yàn)要求，上述的數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)過程所包含的主要技術(shù)可劃分為：①探測(cè)器系統(tǒng)選擇（也可簡(jiǎn)單說成數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)系統(tǒng)選擇）。②透照技術(shù)。③圖像數(shù)字化技術(shù)。④圖像評(píng)定技術(shù)。

為保證檢測(cè)處于穩(wěn)定可靠狀態(tài)，還應(yīng)考慮技術(shù)穩(wěn)定性控制方面。這幾個(gè)方面，可認(rèn)為共同構(gòu)成了一個(gè)完成檢測(cè)工作的檢測(cè)技術(shù)系統(tǒng)，各方面的相互關(guān)系如圖2。

即實(shí)現(xiàn)數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)級(jí)別或完成一項(xiàng)具體檢測(cè)工作，需要按照?qǐng)D2考慮構(gòu)成一個(gè)數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)系統(tǒng)。類似于膠片射線照相檢驗(yàn)技術(shù)，其中的探測(cè)器系統(tǒng)選擇對(duì)于構(gòu)成數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)系統(tǒng)仍處于基礎(chǔ)地位。即探測(cè)器系統(tǒng)性能對(duì)構(gòu)成的數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)系統(tǒng)性能起決定性影響。

圖2 數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)系統(tǒng)組成

4 數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)控制概述

數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)控制的目的，簡(jiǎn)單說就是獲得要求的檢測(cè)圖像質(zhì)量，即達(dá)到要求的檢測(cè)圖像質(zhì)量的對(duì)比度和不清晰度（空間分辨力）指標(biāo)。

技術(shù)控制的基礎(chǔ)是前面所敘述的數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)基本理論。概括起來應(yīng)控制的方面主要是：探測(cè)器系統(tǒng)、透照技術(shù)、圖像數(shù)字化技術(shù)、圖像顯示評(píng)定技術(shù)、技術(shù)穩(wěn)定性控制。關(guān)于探測(cè)器系統(tǒng)選擇將在第2專題介紹。

4.1 透照技術(shù)控制

透照技術(shù)主要是透照布置、透照參數(shù)、輔助技術(shù)（散射防護(hù)、增感、濾波）。按照基本理論給出的關(guān)系式，對(duì)于透照布置的透照方式選取、透照方向確定、一次透照區(qū)確定，對(duì)于透照參數(shù)（射線能量、曝光量、焦距）確定，輔助技術(shù)考慮，應(yīng)與膠片射線照相檢驗(yàn)技術(shù)作出基本相同的處理。僅是在一些具體方面應(yīng)考慮探測(cè)器特點(diǎn)而作出特殊處理。突出的是，透照布置存在最佳放大倍數(shù)、曝光量的確定應(yīng)以探測(cè)器系統(tǒng)的信噪比為基礎(chǔ)。

最佳放大倍數(shù)是對(duì)某個(gè)數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)系統(tǒng)，可使檢測(cè)圖像獲得最高空間分辨力（最小不清晰度）的放大倍數(shù)。理論上可給出，當(dāng)不清晰度采用三次方關(guān)系時(shí)，最佳放大倍數(shù)為：

當(dāng)不清晰度采用二次方關(guān)系時(shí)，其為

兩式差別不大，試驗(yàn)證實(shí)了這些關(guān)系式的正確性。曝光量以探測(cè)器系統(tǒng)的信噪比為基礎(chǔ)選取，類似于膠片射線照相檢驗(yàn)技術(shù)關(guān)于底片黑度限制對(duì)曝光量的要求。

4.2 圖像數(shù)字化技術(shù)控制

數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)通過圖像數(shù)字化技術(shù)獲得數(shù)字檢測(cè)圖像。按照?qǐng)D像數(shù)字化過程，圖像數(shù)字化技術(shù)控制包括兩方面。一是圖像數(shù)字化的采樣間隔，二是圖像數(shù)字化的量化位數(shù)。圖3清楚顯示了圖像數(shù)字化的采樣間隔對(duì)檢測(cè)圖像細(xì)節(jié)分辨的影響（圖中D為圖像細(xì)節(jié)寬度，U為圖像不清晰度）。

圖3 不清晰度（空間分辨力）對(duì)圖像細(xì)節(jié)的影響

關(guān)于采樣間隔控制，理論上按采樣定理處理。實(shí)際中可按檢測(cè)工作要求的檢測(cè)圖像不清晰度處理。

量化位數(shù)由圖像數(shù)字化的A／D 轉(zhuǎn)換位數(shù)決定。對(duì)它的基本要求是，它必須保證量化分辨力小于最小輸入信號(hào)、量化最大值大于最大輸入信號(hào)，量化的動(dòng)態(tài)范圍不小于輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍（分貝值）。一個(gè)簡(jiǎn)單的關(guān)系是［4］檢測(cè)輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍（分貝）不大于6B，其中B為A／D 轉(zhuǎn)換位數(shù)（bit）。

4.3 圖像顯示與觀察條件控制

圖像顯示評(píng)定技術(shù)客觀上主要是圖像顯示與觀察條件控制，它的基礎(chǔ)是人眼睛的視覺特性。因此，基礎(chǔ)方面與膠片射線照相檢驗(yàn)技術(shù)相同，需要增加的是關(guān)于顯示器的要求，這在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中都作出了具體規(guī)定。

4.4 技術(shù)穩(wěn)定性控制

為保證數(shù)字射線檢測(cè)結(jié)果穩(wěn)定、可靠，必須保證檢驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)處于穩(wěn)定受控狀態(tài)。為此，需要采取的主要措施是，編制檢驗(yàn)工藝文件、進(jìn)行系統(tǒng)性能長(zhǎng)期穩(wěn)定性試驗(yàn)。

由于探測(cè)器系統(tǒng)長(zhǎng)期使用，其在使用壽命期間性能可能發(fā)生的變化，將成為影響技術(shù)穩(wěn)定性的重要因素（其改變可能超出檢驗(yàn)應(yīng)用性能的限制）。因此，必須進(jìn)行系統(tǒng)性能長(zhǎng)期穩(wěn)定性試驗(yàn)控制。包括：定期性能核查試驗(yàn)；系統(tǒng)修理、更換、更新軟件后（系統(tǒng)改變）的特定性能測(cè)定試驗(yàn)。通過這些性能測(cè)定試驗(yàn)，決定系統(tǒng)是否可繼續(xù)完成檢驗(yàn)工作。編制的檢驗(yàn)工藝文件、系統(tǒng)性能長(zhǎng)期穩(wěn)定性試驗(yàn)文件，應(yīng)成為檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)質(zhì)量保證程序的一部分。

（未完待續(xù)）

［1］鄭世才.數(shù)字射線無損檢測(cè)技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［2］汪貴華.光電子器件［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009.

［3］ISO 17636－2：Non－destructive testing of welds－Radiographic testing－Part2：X－and gamma－ray techniques with digital detector［S］.［s.l］，2013.

［4］江志紅.深入淺出數(shù)字信號(hào)處理［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.