數(shù)字射線檢測技術（五）——補償規(guī)則說明

鄭世才

（新立機器廠，北京 100039）

在ISO 17636—2：2013《焊接件無損檢測—射線檢驗—第2部分：數(shù)字探測器X 射線和γ射線檢驗技術》標準中，補償規(guī)則作為重要規(guī)定出現(xiàn)，給出了補償規(guī)則理論基礎、補償方法和檢測圖像質(zhì)量的具體補償規(guī)則。在其他一些數(shù)字射線檢測技術標準中，有的也存在涉及檢測圖像質(zhì)量補償規(guī)則的規(guī)定。例如，在EN 14784—2：2005《金屬材料CR 檢測技術通則》標準的第6.6條中指出，絲型IQI更適宜操作人員通過增大對比度補償不清晰度限制。補償可通過降低透照電壓或增加曝光時間增大圖像信噪比實現(xiàn)。在ASTM E2736—10《數(shù)字探測器陣列放射學導則》標準的第10.2.3條中指出，提高信噪比可補償處于邊界的空間分辨力，這時，更高的對比度噪聲比可補償較低的空間分辨力。

為了正確理解和應用補償規(guī)則，筆者將比較全面地介紹有關補償規(guī)則的內(nèi)容。

1 ISO 17636－2：2013標準關于補償規(guī)則規(guī)定概括

ISO 17636—2：2013標準的第5.2條和第7.3.2條，作出了“補償規(guī)則”規(guī)定，這是目前數(shù)字射線檢測技術標準關于補償規(guī)則作出的具體規(guī)定。對該規(guī)定進行概括，可以看到主要內(nèi)容包括以下幾方面。

1.1 補償規(guī)則目的

補償規(guī)則用于保證達到充分的對比度靈敏度。

1.2 三種補償情況

當所要求的可檢驗的材料厚度差的規(guī)格化對比度噪聲比未達到時，對下列三種情況，可通過提高信噪比進行補償。三種補償情況分別稱為：CPⅠ、CPⅡ、CPⅢ。

CPⅠ：對比度不足（如由管電壓增高造成），可通過提高信噪比補償。

CPⅡ：探測器不清晰度大（基本空間分辨力大于規(guī)定值），可通過提高信噪比補償。

CPⅢ：局部不清晰度大（壞像素修正引起的不清晰度增加），可通過提高信噪比補償。

1.3 檢測圖像質(zhì)量的具體補償規(guī)則

對于CPⅡ，即檢測圖像質(zhì)量的具體補償規(guī)則，標準作出了具體規(guī)定。簡單概括是：如果對于使用的探測器系統(tǒng)和曝光條件，雙絲型像質(zhì)計值未達到規(guī)定值，可通過增加常規(guī)單絲型像質(zhì)計值（或階梯孔型像質(zhì)計值），補償不清晰度引起的對比度損失。具體規(guī)定內(nèi)容可寫成三條：

1級補償：提高單絲型像質(zhì)計值1 級補償雙絲型像質(zhì)計值降低1級。

2級補償：補償限制在最多提高單絲型像質(zhì)計值2級補償雙絲型像質(zhì)計值降低2級。

3級補償：對特定檢驗，在保證缺陷靈敏度下，經(jīng)過合同各方同意，可放松到提高單絲型像質(zhì)計值3級補償雙絲型像質(zhì)計值降低3級。

1.4 補償規(guī)則的理論基礎

補償規(guī)則基于的是小尺寸缺陷的近似理論公式。

式中：ΔW為小缺陷尺寸，其遠小于透照工件厚度；SRb為基本基本空間分辨力；SNR為數(shù)字圖像的信噪比；μeff為透照材料的有效衰減系數(shù)；CNRN為規(guī)格化對比度噪聲比，即按基本空間分辨力規(guī)格化（為88.6μm 的）對比度噪聲比；C為一常數(shù)。

2 補償規(guī)則的理論基礎公式說明

式（1）可由以下過程推導出來。

對于輻射探測器，按一般理論可認為，在其性能使用范圍，射線到探測信號的轉換、探測信號到圖像灰度值的轉換，都是按線性規(guī)律轉換。因此，按照標準規(guī)定的各符號意義有：

式中：GV表示灰度信號；I表示射線強度信號；σ為噪聲（信號標準差）。

按規(guī)格化的規(guī)定，則有

這樣，有

式中：μ為線衰減系數(shù)；n為散射比。

則可寫出

這就是標準給出的公式?？梢?，上面理論公式本質(zhì)上是射線檢測物體對比度基本公式。

3 補償規(guī)則具體規(guī)定說明

標準在第7.3.2條對補償規(guī)則作出了三種情況的具體規(guī)則規(guī)定。其本質(zhì)上是通過增加信噪比提高常規(guī)單絲型像質(zhì)計值或階梯孔型像質(zhì)計值，補償超出的不清晰度值引起的對比度損失。對此具體規(guī)定可如下理解。

3.1 補償依據(jù)——信噪比與對比度靈敏度的關系

上面寫出的對比度噪聲比與信噪比關系，不考慮規(guī)格化時，可簡化為

對于某一缺陷檢驗，它簡單地顯示了對比度噪聲比與信噪比關系。由于對比度靈敏度與對比度噪聲比間存在下面關系（參見ASTM E2737－10）：

式中：GBV為像質(zhì)計識別判定所需要的對比度噪聲比（例如，對平板孔像質(zhì)計，識別孔需要的值，對于航空航天應用為2.5，見ASTM E2737－10），代入對比度噪聲比與信噪比關系，則可得到

可見，對某一檢驗問題，像質(zhì)計對比度靈敏度隨信噪比增加而提高（值減?。?。

3.2 三種情況補償規(guī)則的說明

按照射線檢測技術的一般理論，檢測圖像的不清晰度與對比度雖然是二個獨立的質(zhì)量指標，但不清晰度對對比度存在影響。一般，檢測圖像的不清晰度對對比度的影響關系如下：

式中：W為細節(jié)圖像寬度（小于不清晰度）；U為檢測圖像不清晰度；C0是不清晰度為0時細節(jié)圖像的對比度；C是獲得的細節(jié)檢測圖像對比度。從此基本關系，細節(jié)原要求的對比度與不清晰度關系可寫為

當不清晰度增大為U2時，細節(jié)圖像對比度將變?yōu)?/p>

為使C2＝C1，就必須提高此時的C0值。如果U2＝kU1，則應要求此時的C0值也提高k倍。即

由于單絲型像質(zhì)計（或階梯孔型像質(zhì)計）和雙絲型像質(zhì)計的金屬絲（或階梯孔型像質(zhì)計的孔徑）設計采用的是同樣的等比數(shù)列，這樣就有了ISO 17636－2：2013標準中的三個級別補償規(guī)則，理論上它們可補償超出的不清晰度值引起的對比度降低，從此保證細節(jié)（缺陷）的可識別性。

4 補償規(guī)則應用

理解補償規(guī)則是正確應用補償規(guī)則的前提。

必須理解的是，標準關于補償規(guī)則規(guī)定的核心是，通過提高信噪比補償檢測圖像不清晰度超過標準規(guī)定引起的對比度靈敏度損失。

標準在補償規(guī)則規(guī)定開始的第5.2.1條（總則）中就規(guī)定，“在采用數(shù)字探測器進行射線檢測的ISO 17636本部分中，應用的三條規(guī)則（見5.2.2至5.2.4）是為了達到充分的對比度靈敏度。”。補償規(guī)則是對檢測圖像質(zhì)量的補償規(guī)則，是通過增加信噪比提高對比度值，補償不清晰度值未達到要求造成的對比度損失。

提高信噪比后，對比度靈敏度獲得補償，但檢測圖像不清晰度不會發(fā)生改進（對此，嚴格地說明需要采用射線檢測技術系統(tǒng)的線擴展函數(shù)，通過卷積計算，可參考文獻［1－5］）。能夠補償?shù)膬H僅是對比度靈敏度，也就是說，通過提高信噪比補償后，并不是全面達到了原規(guī)定的檢測圖像質(zhì)量。否則，標準完全可以作出同等檢測圖像質(zhì)量的另外規(guī)定，而不必以“補償規(guī)則”條目作出規(guī)定。

對于標準，實際需要的僅是第7.3.2條關于補償規(guī)則的具體規(guī)定，標準第5.2條的規(guī)定內(nèi)容，是解釋、說明性內(nèi)容，在以前的ISO 標準中是不會出現(xiàn)的內(nèi)容。

由于補償后并不是全面達到了規(guī)定的檢測圖像質(zhì)量，因此，就存在如何正確應用補償規(guī)則的問題。即，如何判定是否可應用補償規(guī)則，如何確定可應用的補償規(guī)則級數(shù)。處理的基本原則，應是要確保能給出正確的缺陷檢驗結論。即，依據(jù)給出的缺陷檢驗結果，按工件技術條件可對工件作出正確的質(zhì)量級別結論。

缺陷檢驗，至少應包括三方面：①顯示存在的缺陷，即顯示出技術條件限定的不允許存在尺寸的缺陷。②正確顯示缺陷形貌，以正確判斷缺陷性質(zhì)與評定質(zhì)量級別。③正確顯示缺陷尺寸：顯示的缺陷尺寸，可達到技術條件限定的誤差。

缺陷檢驗的這些要求，既與檢測圖像質(zhì)量的對比度相關，也與檢測圖像質(zhì)量的不清晰度相關；也就是檢測圖像質(zhì)量應同時達到規(guī)定的對比度和不清晰度要求。圖1顯示的是圖像不清晰度（U）對檢測圖像分辨力的影響（圖中D為細節(jié)寬度與間距）；可見對較小細節(jié)，檢測圖像不清晰度較大時不能正確顯示細節(jié)真實情況。圖2是一實際裂紋缺陷采用中顆粒膠片（AA400）射線檢測（RT）和像素尺寸為200μm 的分立輻射探測器陣列（簡稱DDA）獲得的檢測圖像；從圖中可見，二者的裂紋長度顯示無明顯差異，但二者的裂紋寬度（開裂寬度）顯示存在明顯不同。圖3 是鑄造針孔缺陷采用中顆粒膠片（AA400）射線檢測（RT）和像素尺寸為200μm 探測器DDA 獲得的檢測圖像；從圖中可見，探測器獲得的檢測圖像已經(jīng)明顯改變了針孔形貌。它們都說明，檢測圖像不清晰度影響缺陷形貌和尺寸的顯示。

圖1 不清晰度對細節(jié)識別的影響（參見ASTM E1441）

圖2 裂紋缺陷顯示比較

美國材料試驗學會ASTM E1441－00《CT 成像導則》標準第8.5.3條指出，缺陷僅是可檢驗經(jīng)常是不充分的，必須同時可檢驗、可分辨（features must be discriminated（detected and resolved））。ASTM E2698—10《使用數(shù)字探測器陣列的射線檢測方法》標準第10.19.2.3條規(guī)定，如果數(shù)字探測器陣列檢測系統(tǒng)獲得的檢測圖像不清晰度達不到要求，則該系統(tǒng)不適宜用于檢測工作。ISO 17636—2：2013標準的第7.7條也明確規(guī)定，為解決數(shù)字探測器（系統(tǒng)）像素尺寸較大問題，可采用性能好的DDA 探測器增加信噪比和／或采用幾何（透照）放大。如果這兩種措施仍不能使像質(zhì)計靈敏度（包括常規(guī)像質(zhì)計和雙絲像質(zhì)計）達到標準規(guī)定，則數(shù)字檢測技術系統(tǒng)不能用于檢測工作。標準的這些規(guī)定，都是在明確必須保證檢測圖像質(zhì)量的不清晰度。因此，在應用補償規(guī)則時，必須考慮對缺陷檢驗的影響，必須考慮對質(zhì)量級別評定的影響，避免因此可能出現(xiàn)的錯誤判斷。

圖3 鑄造針孔缺陷顯示比較

為此，在確定應用補償規(guī)則前，應注意分析工件材料、加工工藝、結構特點決定的缺陷特點，分析工件技術條件規(guī)定檢驗缺陷特點。如果需要檢驗的缺陷，與不清晰度無緊密關系，則可按情況采用1級補償或2級補償。如果質(zhì)量級別評定與缺陷形貌特點密切相關，則應慎重采用補償規(guī)則，特別是放松到2級補償時。從標準規(guī)定可以認為，采用3級補償應是特殊情況的處理，一般都應經(jīng)過實際缺陷檢驗的驗證試驗。補償規(guī)則應用還需要積累經(jīng)驗。

［1］王之江，伍樹東.成像光學［M］.北京：科學出版社，1991.

［2］J.D.加斯基爾.線性系統(tǒng)· 傅里葉變換·光學［M］.封開印，譯.北京：人民教育出版社，1981.

［3］麥偉麟.光學傳遞函數(shù)及其數(shù)理基礎［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1979.

［4］母國光，戰(zhàn)元齡.光學［M］.北 京：高等 教育出版社，2009.

［5］鄭世才.數(shù)字射線無損檢測技術［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2012

（未完待續(xù)）