無損檢測X射線數字成像檢測導則GB/T35389—2017 I 1 14符號 2 3 58圖像分辨率 9圖像信噪比 10圖像對比度 GB/T35389—2017本標準按照GB/T1.1—2009給出的規則起草。本標準由全國無損檢測標準化技術委員會(SAC/TC56)提出并歸口。IⅡGB/T35389—2017從在20世紀90年代初期起，X射線數字成像檢測技術就開始應用于承壓設備的焊縫、航空和航天測手段之一。隨著汽車工業的發展，X射線數字成像技術在汽車鋁鎂合金鑄件中有良好的應用前景。X射線數字成像檢測技術可用于有外保護層的管道檢測；纖維纏繞容器纏繞層密實性和瓶體內外數字成像技術的重要應用領域。以微焦點X射線數字成像系統為代表的設備在微電子行業也有廣泛的應用。等領域中有良好的應用前景。1GB/T35389—2017無損檢測X射線數字成像檢測導則下列文件對于本文件的應用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文GB/T12604.11無損檢測術語X射線數字成像檢測GB/T35394無損檢測X射線數字成像檢測系統特性GB/T35388無損檢測X射線數字成像檢測檢測方法GB/T12604.11界定的術語和定義適用于本文件。本標準使用的符號如表1所示。a探測器點擴散函數的半峰全寬，單位mmBW物體面上點擴散函數的半峰全寬，單位mmBW′成像面上點擴散函數的半峰全寬，單位mm對比度靈敏度CNR對比度噪聲比CNRN歸一化對比度噪聲比CNRN特定微小厚度差的歸一化對比度噪聲比d焦點尺寸，單位mmDDA數字探測器陣列F焦點到探測器成像面的距離，單位mmf焦點到被檢物體表面的距離，單位mm探測器每秒鐘輸出的圖像幀數2GB/T35389—2017表1(續)圖像灰度值用曲線擬合和插值法計算的基本空間分辨率LP/mm每毫米范圍內可識別的線對數，圖像分辨率的表示單位M幾何放大倍數Mr調制度Mopt最佳幾何放大倍數MTF調制傳遞函數OTF光學傳遞函數P像素尺寸PSF點擴散函數R圖像分辨率系統分辨率基本空間分辨率信噪比SNRN歸一化信噪比Uim圖像不清晰度U;固有不清晰度Vmax最大動態檢測速度特定細節的厚度差異σ測量區灰度值的標準偏差5技術特點X射線數字成像技術利用X射線的穿透特性和衰減特性，通過探測器來獲得可被顯示和記錄的數射線源被檢測物體探測器計算機3GB/T35389—20175.2.1X射線數字成像得到的檢測圖像為數字圖像，由按照行和列方式排列的一定像素5.2.2檢測圖像包含有被檢物體的密度和厚度變化信息，表現為像素的灰度值不同。相同透照條件5.2.4檢測圖像應保存原始圖像數據。在不改變原始圖像數據時，可保存為不同的位數和不同的文件5.2.5檢測圖像的位數取決于探測器模/數(A/D)轉換器的位數，決定了圖像的灰度等級。5.3.2可采用人工評定方法或(和)計算機自動評定方法對檢測圖像進行評定。6.1.2X射線數字成像系統具有多種設備配置方案，以滿足產品生產設定的技術條件和檢驗標準為基本選型依據。6.1.3按GB/T35394測定系統特性。6.2X射線源工作條件合理選擇。6.2.4X射線源的管電壓及調節范圍要與被檢測物體的材質和厚度范圍相適應，宜具有較大的管電流和較小的焦點尺寸。產品連續檢測時，宜具有100%的負載率。6.2.5使用線陣列探測器的場合，宜選用紋波系數較小的X射線源。6.3.1探測器按射線能量分為低能(≤1MeV)和高能探測器，按像素的排列方式分為線陣列探測器和面陣列探測器，按轉換屏材料分為直接轉換和間接轉換探測器，按其制造技術分為非晶硅薄膜晶體管4GB/T35389—20176.3.4線陣列探測器每次只能給出被檢物體的一維圖像信息，需通過物體與檢測系統的相對運動才能形成完整的檢測圖像。6.3.5線陣探測器檢測時的相對運動速度由探測器的輸出行頻、像素間距和幾何放大倍數決定，需要進行嚴格匹配和調校后才能保證檢測圖像無幾何畸變。線陣列探測器產生的檢測圖像經常會產生各向異性，應從不同方向來測定圖像質量。6.3.6線陣列探測器對X射線源輸出參數的穩定性要求較高，應控制管電壓或管電流的波動不在檢測圖像上產生干擾條紋。6.3.7面陣探測器給出的是一個視野范圍的檢測圖像，適合于物體靜態成像檢測和在較低運動速度下的動態成像檢測。6.3.8動態檢測時，宜選用幀速較高的探測器。要求的檢測速度越快，幀速要求也越高。對于特定的探測器，當相對運動速度超過其允許的最大速度時，運動引起的不清晰度將會造成圖像質量的明顯下降直至不能完成對工件的有效檢測。推薦的最大運動速度的計算方法見式(1):…………(1)Vmax——最大檢測運動速度，單位為毫米每秒(mm/s);k——為系數。線陣探測器檢測時k=1,面陣探測器檢測時k=1～5;P——探測器像素尺寸，單位為毫米(mm)。如果使用了像素合并，則為合并后的像素尺寸；fps——探測器幀速(對線陣探測器而言為行頻),表示為每秒輸出幀數；M——幾何放大倍數。6.3.9每一種探測器都對應一個最佳的能量范圍，在該范圍內圖像分辨率和信噪比俱佳。6.3.10在檢測圖像質量可滿足產品檢驗標準要求的前提下，宜優先選用像素尺寸相對較大的探測器，可獲得靈敏度更高、信噪比更好的檢測圖像。6.3.11當被檢物體的材料厚度范圍相差很大時，像素尺寸較大的探測器在檢測較薄工件時，會出現靈敏度達到或超過標準要求而圖像分辨率不能達到標準要求的情況。出現該情況后，宜優先使用補償原則；如補償后仍不能滿足要求，則需要更換成像素尺寸較小的高分辨率探測器。6.4機械裝置6.4.1機械裝置應能承載被檢物體并具有所需的自由度，可控制運動范圍、速度和透照角度。在某些應用中，用操控射線源和探測器的運動來代替操控被檢物體，或者是二者兼備。6.4.2機械裝置應運動平穩，啟動/停止時無沖擊。應充分保證被檢物體在檢測過程中不跌落、傾翻和發生碰撞，被檢物體和檢測機械之間應無滑動現象。6.4.3機械裝置宜具有復位功能，用來確定被檢物體的初始檢測位置和消除運動過程的累積誤差。6.4.4自動、半自動檢測系統要求機械裝置具有檢測過程的示教功能。每一類被檢物體對應一個示教文件，檢測時根據被檢物體種類自動調用示教過程記錄的運動和位置參數。6.4.5一般情況下，輪式運動機械的精度較低，較高的運動精度宜采用直線運動單元。6.4.6對運動精度要求較高的機械裝置多采用計算機閉環數字控制技術或工業機器人技術。6.5圖像處理裝置6.5.1圖像處理裝置從探測器讀取圖像數據，經過處理后在顯示單元上進行顯示。圖像處理裝置主要由計算機處理單元、顯示單元、圖像分析處理軟件、圖像拷貝和刻錄單元等構成。5GB/T35389—20176.5.2圖像顯示單元顯示的檢測圖像是射線檢測人員對被檢物體做出驗收/拒收判定的依據。6.5.3顯示單元的特性主要由顯卡和顯示器決定，宜采用高亮度、高對比度顯示器。顯示器性能應滿足GB/T35394的相關規定。6.5.7采用的任何圖像處理方法應不改變原始圖像文件數據。6.5.9在使用參考圖像評級的場合，應將參考圖像(如數字圖譜)調整為與當前檢測圖像具有相同的圖像分辨率來顯示和比對。6.6.1檢測系統應通過環境保護部門評估并獲得相應的許可后6.6.2根據實際情況確定防護方式。可采用曝光室、鉛房或距離等多種防護方法，但都必須符合國家相關的法規之規定。a)被檢物體自動上/下料裝置；b)被檢物體編碼讀取裝置；c)缺陷自動識別與評定模塊；d)缺陷位置自動打標裝置；e)被檢物體檢測狀態標記裝置；f)驗收/拒收物體自動分選裝置；g)檢測圖像歸檔服務器等。7特性分析7.1.1X射線數字成像系統以被檢物體作為輸入(激勵信號),以成像系統獲得的檢測圖像作為輸出(激勵信號的響應)。在成像過程中，輸出信號并不能完整反映出輸入信號的性質，檢測圖像會產生7.1.2X射線數字成像系統的幾種典型圖像退化現象見圖2,其中：a)表示探測器非線性響應造成的非線性退化；b)表示各種模糊造成的退化；c)表示動態檢測情況下的運動模糊退化；d)表示噪聲在圖像上的疊加。6GB/T35389—2017b)c)d)圖2X射線數字成像系統的圖像退化示意7.1.3使用空間域分析法和頻率域分析法確定檢測設備的系統特性。7.2.1X射線數字成像系統的成像特性由參與成像的每一個環節的特性綜合決定。成像系統的總擴散函數是成像過程各個組成部分的點擴散函數的卷積結果。7.2.2點擴散函數是具有正態分布的鐘形曲線，為便于分析，常將點擴散函數進行簡化。具體方法是用一個圓柱體來表示鐘形體，二者具有相同的體積；圓柱體的直徑等于鐘形體一半高度時對應的寬度，被稱之為點擴散函數的半峰全寬，見圖3。圖3點擴散函數的半峰全寬示意放置在成像空間進行成像，透照布置見圖4。幾何放大倍數M的計算見式(2):F——焦點到探測器感應面的距離；…………7GB/T35389—2017圖4質點的透照幾何示意7.2.4設d為焦點尺寸、幾何放大倍數為M,可將“源像”點擴散函數的有效寬度表示為：(M-1)·d;探測器點擴散函數的有效寬度表示為a。經過卷積運算，成像面上點擴散函數有效寬度BW'的計算，見式(3):BW′=√[d(M-1)]2+a2…………(3)BW′——成像面上點擴散函數的有效寬度；a——探測器點擴散函數的有效寬度。BW'的物理意義在于：成像空間中體積無限小的一個質點，經過X射線數字成像系統以后，質點在探測器成像面的影像將會產生有效直徑為BW'的擴散斑，從而降低了質點的清晰度。如果映射到質點所在的物面，可以改寫為式(4):…………7.2.5BW值最小時的幾何放大倍數，被稱之為最佳放大倍數，表示為Mpt,見式(5)。當質點處于最佳放大倍數的位置時，產生最清晰的成像效果。…………7.2.6任何物體成像時輸出圖像都會因為邊界擴散而使得影像變寬(影像都會產生一個BW值寬度的不清晰度),對比度降低的程度取決于BW值和細節的相對大小。當細節尺寸大于BW時，影像對比度降低不明顯；當細節尺寸小于BW時，對比度降低明顯，此時細節尺寸每縮小1倍，圖像對比度會降低7.2.7在X射線數字成像檢測技術中，探測器點擴散函數的有效寬度a被稱之為探測器固有不清晰度，表示為U,也被稱為系統分辨率；點擴散函數的BW被稱之為圖像不清晰度，表示為Um,也被稱為圖像分辨率。7.3頻率域分析7.3.1X射線數字成像系統獲得的檢測圖像是空間域里物體與系統點擴展函數卷積后疊加得到的結果，或者說就是在頻率域里物體經系統調制后得到的結果。將點擴散函數進行傅里葉變換后，則轉換到頻率域分析成像系統的特性。7.3.2光學成像系統被看做是一個空間頻率線性濾波器。它的成像特性和像質評價可以用物與像之間的頻譜之比來表示。成像系統的這個頻譜對比特性就是成像系統的傳遞函數(OTF)。傳遞函數是一個復函數，調制傳遞函數(MTF)是它的“模”,表示像與物之間調制度之比；位相傳遞函數(PTF)是其“幅角”,表示相位角的變化。即：OTF=MTF·ejPTF…………(6)8GB/T35389—2017式中：OTF傳遞函數；MTF——調制傳遞函數；PTF——位相傳遞函數。7.3.3一個空間頻率的正弦物經過成像系統后，仍為一正弦分布，只是對比度降低了，有時候還可能產生相位的移動，見圖5。對于數字化射線成像系統，相位移動可以忽略不計，因此，系統的傳遞函數實質上就是系統的調制傳遞函數。圖5正弦物的傳遞示意7.3.4調制度Mr的計算見式(7):…………(7)式中：I——信號強度；7.3.5調制度反映了物體細節在背景中的對比度。按照調制度的定義，用式(8)計算出給定頻率下的調制傳遞函數MTF:…………7.3.6調制傳遞函數實際反映的是成像系統傳遞對比度的能力。頻率域分析系統特性，實質上是研究成像系統輸出圖像對比度隨輸入的物體細節尺寸變化的關系，不同大小的物體細節尺寸可以表示為不同的空間頻率。圖6所示，是以物體細節尺寸(不同頻率)為橫坐標，圖像對比度為縱坐標獲得的成像系統調制傳遞函數曲線，稱之為MTF曲線。9GB/T35389—2017圖6MTF曲線示意7.3.7MTF的值域為[0,1],MTF值隨頻率f的增大而下降。當MTF=0時對應的頻率稱為截止頻率，高于該頻率的信號就不能被系統傳遞。MTF曲線反映了成像系統對不同大小的物體細節經過成7.3.8在理論上，對成像系統的點擴散函數進行傅里葉變換能得到系統的調制傳遞函數，然而由于點用測量的方法得到系統的MTF曲線。可使用模型法或邊界法測量X射線成像系統的MTF曲線。7.3.9模型法用成排圓孔模型、條形模型等來測量MTF曲線。模型幾何尺寸精度和人為判斷方法會7.3.10邊界法是另一種MTF曲線測量方法。邊界測量法的基本原理是：利用邊界成像獲得邊緣響應函數(ESF),對邊緣響應函數求一階導數來獲得線擴散函數(LSF),對線擴散函數進行快速傅里葉變換位置圖7邊界法計算MTF曲線示意7.3.11MTF曲線低頻域部分是圖像對比度的決定因素，高頻域部分是圖像分辨率的決定因素。通過GB/T35389—20177.4.2圖像不清晰度是決定MTF曲線形態的主要因素。7.4.3探測器基本空間分辨率、射線源焦點尺寸和透照幾何放大倍數共同決定了圖像不清晰度值。8圖像分辨率圖像分辨率是表示圖像清晰程度的一種方法，也可以用圖像不清晰度值來表示。8.2測量原理8.2.1圖像的清晰程度在厚度均勻的物體影像上難以辨別，只有通過其在物體邊界上引起的銳利度改變才能夠觀察到，但仍然不能進行準確的測量。8.2.2任何物體都可以看成是由一系列相鄰的點組成的，不同的點具有不同的強度分布。線性成像系統輸出的圖像是物體上各個點像的強度疊加之和。兩個相鄰的、距離不同的點成像，說明了成像的疊加效應，見圖8。b)圖8點像的疊加效應示意8.2.3當兩個等強度的像斑相互靠近前，像斑之間沒有相互影響，兩個像斑可以清楚地分辨出來；隨著像斑中心距離的減小，像斑之間在邊界處開始進行疊加，邊界越來越不明顯；隨著像斑中心距的進一度減小，兩個像斑疊加在一起，合成為一個像斑而變得不可分辨。8.2.4根據瑞利判據，當一個像斑的邊緣最暗處與另一個像斑的中心正好重合時，此時對應的兩個像斑剛好能被人眼或成像系統所分辨，見圖9。圖9瑞利判據的模型GB/T35389—20178.2.5對于兩等強度的孤立線像，如果中心馬鞍點(B點)的灰度小于峰值灰度(A點)的0.81時，則認為此二線可以區分；對于兩等強度的孤立點像，如果中心馬鞍點的灰度小于峰值灰度的0.735時，則認為此二點可以區分。8.3測量方法8.3.1將兩根細絲按照等間距排列(絲徑與間距相等),經過X射線透照成像后獲得的灰度分布曲線見圖10。圖10線對成像后的灰度分布示意8.3.2當線對的中心對比度下降為20%時，該組線對的中心間距(實體加間隙)就是圖像的不清晰度值，單位是毫米。8.3.3將多組不同絲徑和間距的線對加工在一個測試模型上，就能得到有限個測試結果。8.3.4對于有限組線對，測試結果可能并不包含對比度剛好為20%的線對，所以需要進行曲線擬合用插值法計算得到不清晰度的精確值。8.3.5圖像分辨率按照GB/T35394規定的方法進行測定。8.4換算關系8.4.1圖像分辨率與圖像不清晰度8.4.1.1用圖像分辨率來描述圖像清晰程度時，用每毫米范圍內的線對數表示，單位為：LP/mm;使用不清晰度值來表示圖像清晰程度時，單位為：mm。8.4.1.2圖像分辨率與圖像不清晰度在數值上互為倒數關系，見式(9)。 (9)式中：R——圖像分辨率；Um——圖像不清晰度。GB/T35389—20178.4.2系統分辨率與探測器基本空間分辨率8.4.2.1當幾何放大倍數為1時，測量的圖像分辨率稱為系統分辨率；對應的圖像不清晰度稱為固有不清晰度，用U;表示。8.4.2.2探測器基本空間分辨率與固有不清晰度的換算關系，見式(10)。U?=2SR,…………(10)U;——固有不清晰度；SRp——探測器基本空間分辨率。8.4.2.3系統分辨率與探測器基本空間分辨率互為倒數的二分之一，見式(11)。 (11)R,——系統分辨率。9圖像信噪比9.1圖像噪聲9.1.1X射線數字成像系統的噪聲主要源于隨機噪聲和結構噪聲。9.1.2隨機噪聲是一種與時間相關的噪聲，主要是與射線曝光量相關的量子噪聲，是由于射線發射、吸收、轉換過程中的量子漲落而引起的；結構噪聲源于探測器各像素單元性能的差異和暗電流。此外，工件表面粗糙度和纖維結構等也會引起部分噪聲。9.1.3圖像噪聲對細節缺陷的可識別性有很大影響，需要采取措施予以降低或消除。9.1.4積分降噪或幀平均降噪技術可以在很大程度上去除圖像上的隨機噪聲；消減結構噪聲采用的方法是對探測器進行本底(暗電流)校正和響應不一致性校正。9.2信噪比9.2.1信噪比是指在檢測圖像的規定區域內，平均灰度值與灰度值的標準偏差之比，標記為SNR,計算方法見式(12)。SNR——圖像信噪比；GVmen——灰度平均值；σ——灰度標準偏差。…………9.2.2信噪比是定量描述檢測圖像受噪聲干擾程度的重要指標，受探測器特性、曝光量、測量區域大小和位置、降噪方法等諸多因素影響。9.3信噪比測量使用圖像分析與處理軟件測量規定區域的信噪比。測定區域的設置按GB/T35388,測量方法按GB/T35394。9.4歸一化信噪比9.4.1探測器種類繁多，性能各異。探測器像素尺寸越大，信噪比也越高，容易檢出低對比度缺陷，但GB/T35389—2017由于圖像分辨率低不容易檢出幾何尺寸細小的缺陷；反之，探測器像素尺寸越小，圖像分辨率越高，容易檢出幾何尺寸細小的缺陷，但由于信噪比低不容易檢出低對比度缺陷。由于探測器系統各具優勢，也有劣勢，因此需要一個綜合參數對探測器進行等級劃分。9.4.2利用基本空間分辨率SRb對信噪比進行歸一化處理后的取值稱為歸一化信噪比，記為SNRN。計算方法見式(13),其中88.6是一個修正常數。SR,——基本空間分辨率。…………9.4.3使用將雙線型像質計放在探測器上測量的基本空間分辨率，計算得到的歸一化信噪比可用來劃分探測器系統的等級。9.4.4使用將雙線型像質計放在物體上測量的基本空間分辨率，計算得到的歸一化信噪比可用來規定檢測圖像的質量。9.4.5在測量區域內，當透照厚度不均勻時，信噪比的測量值將會低于實際值。9.4.6針對不同的檢測系統，如果圖像的歸一化信噪比值相同，則對特定細小缺陷的檢出能力也相同。10圖像對比度10.1.1對比度是指圖像相鄰區域的光學密度或灰度差。對于X射線數字成像技術，圖像對比度取決于物體對比度、探測器對比度、散射線和圖像顯示的窗寬/窗