CMOS探測器在射線檢測中的設(shè)計應(yīng)用

1 CMOS探測器簡介
????射線檢測技術(shù)利用X射線探測材料內(nèi)部的不連續(xù)性，并在記錄介質(zhì)上顯示出圖像。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，射線檢測從傳統(tǒng)的以膠片為記錄介質(zhì)的照相方法不斷擴(kuò)展，形成了多種數(shù)字化射線檢測手段，如底片的數(shù)字化處理技術(shù)(Film Digitisation)、射線實時成像技術(shù)(Radioscopy)、計算機(jī)射線成像系統(tǒng)(Computed Radiography)和射線數(shù)字直接成像檢測技術(shù)(Direct Radiography)等[1]。實際應(yīng)用中需要根據(jù)檢測要求的分辨率和相對靈敏度選用合適的方法。相對于其它射線記錄介質(zhì)(如CCD、多晶硅等)，CMOS(互補(bǔ)的金屬氧化硅)技術(shù)更具有性能優(yōu)勢。目前，CMOS探測器的最小像素尺寸可達(dá)39μm，檢測精度較高，溫度適應(yīng)性好，結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)。
????較之龐大的增強(qiáng)器成像系統(tǒng)，CMOS射線掃描探測器(圖1)結(jié)構(gòu)小巧，內(nèi)部芯片集成度高。較之CCD成像方式，CMOS的每個探測點都有自己的放大器進(jìn)行單獨配置。CMOS在其內(nèi)部通過轉(zhuǎn)換屏將接收到的射線轉(zhuǎn)換為光線，直接與轉(zhuǎn)換屏接觸的探測點單元將光線轉(zhuǎn)換為電子，每個探測點單元有自己的放大器將電信號放大，最后在探測器內(nèi)對信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，形成二進(jìn)制編碼傳送到計算機(jī)。CMOS主要適用于20～320 kV射線能量，80/μm的空間分辨率，無幾何放大情況下檢測分辨率為6 lp/mm，檢測圖像達(dá)到4096級灰度。

圖1 CMOS射線掃描探測器

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2 CMOS探測器的檢測應(yīng)用

????2.1 檢測流程
????由于CMOS射線探測單元排成線陣列，靜止?fàn)顟B(tài)下只能得到射線透過被檢物體而形成的投影圖像中的一條線。為獲取被檢測物體的圖像，需要進(jìn)行相對掃描運(yùn)動，逐線采集并拼成完整的投影圖像。獲取檢測圖像時要求射線能量波動盡可能小且可長時間連續(xù)工作，因此筆者采用恒壓式射線源(YX—LON MG325，最大電壓320 kV，大焦點3.0 mm，小焦點2.O mm)。采用CMOS線性X射線掃描探測器進(jìn)行射線檢測的流程為：探測器配置及校準(zhǔn)一確定透照方式，調(diào)節(jié)位置參數(shù)一相對運(yùn)動，獲取掃描圖像一圖像處理，缺陷分析。

??? 2.2 檢測工裝設(shè)計
??? 探測器的成像單元(線陣列)需要與射線束中心線良好匹配，不能出現(xiàn)相對位置傾斜和偏移等現(xiàn)象。因此，需設(shè)計合適的成像工裝，以完成探測器的固定、位置調(diào)節(jié)及實現(xiàn)與檢測工件的相對運(yùn)動。工裝要能方便地移入移出(筒形工件)，應(yīng)具有一定的靈活性和較大的適應(yīng)性(檢測不同類型工件)。
????本著簡便、實用的原則，在已有射線實時成像系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行檢測工裝設(shè)計，即檢測時將檢測工件放在載物臺上，可實現(xiàn)左右平移、繞垂直軸旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動；探測器通過工裝固定于射線實時成像系統(tǒng)增強(qiáng)器運(yùn)動軸上，可實現(xiàn)垂直升降和前后平動。另外，探測器還可實現(xiàn)一定角度的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)。通過與實時成像檢測系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，可實現(xiàn)多種類型工件的射線檢測。此外，應(yīng)用時對于工件還要設(shè)計固定定位工裝。

????2.3 探測器配置與校準(zhǔn)
????首次使用探測器時需指定成像器類型參數(shù)(長度和可承受電壓等)，以便確定出可用的最小積分時間。在探測器正常工作前，必須對其進(jìn)行配置與校準(zhǔn)，以便在一定的成像條件下，使所有探測單元的偏置輸出及增益輸出達(dá)到一致。
????對于新的檢測對象，首先配置好采集圖像相關(guān)的參數(shù)(積分時間、掃描精度以及是否迭加平均)，然后開始進(jìn)行探測器校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時還要考慮焦距及物距的影響。一般校準(zhǔn)時需進(jìn)行三個步驟：①關(guān)閉射線源，探測器進(jìn)行偏置校準(zhǔn)。②開啟射線源，調(diào)節(jié)到檢測需使用的電流電壓值，使探測器的線陣列輸出信號達(dá)到最大但未出現(xiàn)飽和為止。③調(diào)節(jié)射線能量，使線陣列輸出信號降低為最大信號的一半。校準(zhǔn)的結(jié)果以文件形式存儲，可供以后的檢測調(diào)用。但調(diào)用后若再更改其中的校準(zhǔn)參數(shù)，則需重新校準(zhǔn)后才能進(jìn)行檢測。
????對于大多數(shù)檢測對象，在實際檢測時應(yīng)用的電流、電壓值較高，在進(jìn)行探測器校準(zhǔn)時輸出信號早已飽和。為解決這一問題，根據(jù)不同厚度的檢測情況，設(shè)計了相應(yīng)的校準(zhǔn)用檢測試板。試板厚度均勻，在校準(zhǔn)第一步完成后將試板放在射線源窗口，然后開啟射線進(jìn)行下一步校準(zhǔn)操作。

????2.4 透照方式選取
??? (1)平動方式適用于平板焊縫類工件的射線檢測，檢測時保持探測器與射線源位置相對固定，將工件放在載物臺上，以合適的速度沿X軸平行移動。對于管、筒上的環(huán)形焊縫，如果采用平動方式成像，采集的將是橢圓形透視圖像，只有中心區(qū)域的圖像才可用于檢測結(jié)果評定，并且需要旋轉(zhuǎn)多個角度才能完成全部檢測，降低了檢測靈敏度(圖2a)，某些情況下由于厚度太大而不能實現(xiàn)透照檢測。
????(2)旋轉(zhuǎn)方式要求調(diào)節(jié)相對位置使工件放在載物臺回轉(zhuǎn)中心，且與射線束中心、探測器中心處于一條直線上。對于筒形件，通過工裝將探測器置于工件內(nèi)部，盡可能貼近檢測部位，采用單壁單影的方式透照；對于內(nèi)徑較小的管狀與筒形工件，采用雙壁透照的方式；旋轉(zhuǎn)一定角度即可將透照區(qū)展開成像，可有效提高檢測效率(圖2b)。對于回轉(zhuǎn)類工件，采用旋轉(zhuǎn)方式成像具有突出的優(yōu)點，可提高圖像質(zhì)量，縮短檢測時問。

????2.5 運(yùn)動速度控制
????由于探測器必須有相對運(yùn)動才能成像，因此需要將運(yùn)動速度控制在合理的范圍。如果速度不合適，則得到的圖像就存在拉伸或壓縮現(xiàn)象。另外，分辨率越高、圖像噪聲越低，運(yùn)動速度需越低。

???????? 圖2 不同透照方式獲取的檢測圖像

????平動成像中的移動速度V與探測器的曝光時間T、成像精度P、透照放大倍數(shù)M和重復(fù)掃描次數(shù)N有關(guān)：

???????? 對于旋轉(zhuǎn)方式，還需要考慮工件內(nèi)徑進(jìn)行計算。

?????2.6 檢測參數(shù)優(yōu)化
?????最佳放大倍數(shù)Mopt與探測器的固有不清晰度Us、射線焦點尺寸d有關(guān)[2]:?

????經(jīng)計算，最佳放大倍數(shù)Mopt=1，即成像時探測器盡量貼近被檢測工件。此外，成像質(zhì)量還與選用的透照電壓、電流、焦距和焦點等參數(shù)有關(guān)。
????掃描圖像的清晰度與重復(fù)掃描次數(shù)有關(guān)，圖像掃描時采用Double Graylevel選項，類似于實時成像檢測中的4幀圖像疊加(N=4)。進(jìn)行檢測的速度降低了4倍，但圖像卻有比較大的改善，噪聲明顯降低，更有利于缺陷的檢出與識別。檢測圖像能夠滿足GB 3323—1987標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的AB級要求。

????2.7 缺陷定量分析
????在進(jìn)行圖像尺寸測量時，需要將經(jīng)過計量或已知精確尺寸的試件緊貼在被檢焊縫的一側(cè)與焊縫同時成像。每次評定前，應(yīng)作一次標(biāo)定，缺陷測量時進(jìn)行對比或通過公式將圖像尺寸轉(zhuǎn)化為真實尺寸。為此，設(shè)計了專用的測量評片用試片(圖3)，試片也可用于檢測相對運(yùn)動速度是否匹配。
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圖3 缺陷定量分析用試片

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????尺寸標(biāo)定完成后，通過圖像處理方法實現(xiàn)缺陷定量分析。選用Canny邊緣檢測算法進(jìn)行缺陷邊緣定位。接著對檢測出的邊緣進(jìn)行細(xì)線化處理。然后通過搜索每條邊緣線端點為中心的5×5或更大的鄰域，找出其它端點并進(jìn)行填充，完成邊緣點連接，去除邊緣檢測圖像中的間隙。再應(yīng)用像素標(biāo)記的方法，檢查每一目標(biāo)像素相鄰點的連通性，進(jìn)行閉合曲線內(nèi)的目標(biāo)標(biāo)記。通過上述操作即可將不同缺陷標(biāo)記出來以供測量用，最后完成缺陷參數(shù)計算[3]。

????2.8 圖像存檔管理
????檢測結(jié)果以數(shù)字圖像形式存放在計算機(jī)上，為便于對檢測圖像進(jìn)行統(tǒng)一管理，筆者自行設(shè)計了圖像文件的管理數(shù)據(jù)庫，記錄檢測信息(工件名、檢測日期等)、成像參數(shù)和檢測評定結(jié)果等。
3應(yīng)用結(jié)論及問題分析
????CMOS射線探測器具有較高的空間分辨率(61p/mm，固有不清晰度<0.2 mm)，檢測靈敏度高(4096灰度級)。成像質(zhì)量優(yōu)于采用增強(qiáng)器的實時成像系統(tǒng)，接近或達(dá)到膠片照相的水平；在圖像的對比度方面優(yōu)于膠片照相方法和實時成像系統(tǒng)。
????通過試驗優(yōu)化等方法，成功地將探測器應(yīng)用于平板焊縫、環(huán)焊縫和縱焊縫等大多數(shù)產(chǎn)品零部件的射線檢測，提高了檢測效率，降低了檢測成本。為更好地促進(jìn)數(shù)字化射線檢測技術(shù)的應(yīng)用，有必要在下列方面開展研究工作：
????(1)復(fù)雜工件的最優(yōu)化檢測及仿真[4]，為檢測結(jié)果的解釋提供理論支撐。
????(2)大容量圖像文件的快速讀取、處理及分析，缺陷定量分析的自動化、半自動化方法的研究。
????(3)圖像文件的管理、傳輸(引入PACS模式)[5]。
????(4)建立新的數(shù)字化射線檢測標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)：
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