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摘要:在管道环焊缝检测技术领域中,X射线检测技术与超声波检测技术是并存关系，之间能够取长补短。随着数字化X射线成像技术的应用推广,管道环焊缝X射线检测正在朝着数字射线成像技术方向发展。射线探测器图像的质量及所包含的信息大大超过普通成像技术,数字射线技术代表着管道环焊缝检测的发展方向。
关键词：数字射线 面阵的成像 长输的管道 管道环焊缝
中图分类号：TU81 文献标识码：A 文章编号：
0 引言
1 数字射线成像技术具有的特点
从古至今,长输管道环焊缝的X射线检测最主要的是对胶片成像的运用，传统的X射线胶片成像技术没办法存储电子文档,对数字化的管道建设是不利的。数字射线成像技术已经应用推广到了医疗及异型件的无损检测等行业当中,国外也已经能够自动检验、存储图像及部分缺陷的自动识别,提供了这个设备应用于管道环焊缝检测的一个技术条件。对比传统的X射线检测技术,管道环焊缝的数字X射线检测技术有下面几个优点:
(1)应用了图像处理的技术,补片量减少。图像后处理技术使数字化的成像质量大大提高,经过计算机的分析和处理,运用边缘增强或者平滑技术,把没有经过处理的影像当中看不到的一些特征信息显示到荧屏上,进而能够让图像显得更加清晰。
(2)应用了计算机的存储,使存储的成本降低。数字化的图像能够存储到计算机的硬盘上,面阵探测器的寿命可以高至10年,能够节约大量射线胶片,使无损检测的管理水平及效率提高了。
(3)无胶片化及射线机的量低了。数字射线检测不使用胶片,使重金属的污染消除了。面阵探测器有很高灵敏度,需射线机的量大约是普通胶片的1/10～1/3,污染环境的程度也降低了。
(4)能够远程评片。宽带的网络传输即方便又快速,完全可以远程集中评片,能够有效杜绝人为因素带来的影响,评片结果显得更为公正和客观。
2 管道环焊缝数字射线检测设备简介
2.1 设备性能
适用于管径≥500 mm;其灵敏度优于2.0%，而探测器的空间分辨率是0.127 mm;探测器的成像分辨率是1024×1024;系统的分辨率≥3 Lp/mm;同时沿焊缝的最大动态扫查速度是2 m/min;X射线管电压是40～225 kV;图像的灰度等级是4 096。
2.2 系统结构
将可以开合的爬行轨道由焊缝的一侧把它固定于管道上,射线探测器在电机驱动之下沿着焊缝进行扫查,同步工作恒电位的X射线机在管内,射线探测器把接收到的射线变成了电信号,通过电子扫描，数据采集及分析软件的处理后得到和焊缝射线所扫查一样的图像,用在焊接的质量评判以及电子档案的存储当中。
2.2.1 X射线机
实时成像射线机和普通的X射线机相比,所要求的稳定性能高,电池的容量大,其具有的特点如下:
(1)小焦点。检测图像是放大的图像，起到决定作用,若射线机焦点比较大,随放大的倍数增大,几何不清晰度将增大,影响着图像质量,为提高系统的检测的分辨率,选用小焦点金属陶瓷管射线源[1]。
(2)恒电位。因为计算机的处理需稳定图像、重复性好,射线源稳定性能是很关键的。运用恒电位的X射线机,管的电压峰差≤1%。
2.2.2 面阵探测器[2]
面阵探测器空间分辨率能够直接对成像质量造成影响,所选用的VALIAN1313面阵的探测器,至使空间的分辨率到达了0.1127 mm。面阵探测器特性表现：偏置、增益特性。
2.2.3 电子图像的高速采集和图像显示处理软件[3-4]
经由成像的面板及计算机的硬件接口,将面阵探测器所接收到的射线变成可测量电信号,完成采集射线图像信号。电子图像的扫查和数据的采集速度对检测的效率有决定作用,是这项检测的技术是否用在实时的检测关键的因素。随面阵探测器的性能提高, GE、Varian等的公司也推出15帧/s以上的采集速率面阵的探测器,速度足够让某一空间的分辨率之下的动态扫查，避免了图像模糊情况出现,接着经由射线的接收、数据的读出、复位的控制及扫查速度等多方面的技术配合,使電子图像动态扫查实现了。接着再经由软件编程,利用简洁操作在界面显示出X射线的扫查结果、分析和处理、电子存档。用数字图像处理技术来改善X射线图像是很重要和不可少的。X射线的影像处理最主要是应用了增强技术和感兴趣区来定量和估值,完成了在线处理及图像的后处理,包含边缘增强、滤波平滑、对比度增强等。经由数字处理技术,把图像的对比度与清晰度增强,获得良好图像质量。
发射和采集是同步工作的,计算机的控制系统与管内的爬行器间通讯连接是运用了磁感应的方式。
3 影响数字射线检测系统成像质量的主要因素是因为平板探测器的自身复杂性,好多因素导致图像的质量下降,使图像质量往往都很难达到预期指标。在X射线平板探测器的数字成像系统当中,所引起图像质量下降主要的因素有：几何因素及探测器噪声。为使图像质量提高,使用有针对性措施改善图像质量很有必要。通过实验研究分析,在面阵探测器的空间分辨率及射线源的焦点尺寸一定前提下,为使数字射线检测系统成像质量提高,一定要保持好面阵探测器的工作是在规定温度的范围之内,进而使系统信噪比提高,同时采用图像合理优化处理及叠加技术,得到理想动态的扫查电子图像。
3.1 面阵成像的器件的放大作用影响成像的质量[1]在X射线的面阵成像当中,因为探测器和被测的管件间有一定的距离,对成像来说具有放大作用,图1所示。采用了图像的放大技术,使图像变得易识别,同时图像的分辨率提高,利于图像的质量改善。但是因为面阵探测器是平面结构,管道环焊缝是在弧面上,面阵的探测器的像素和射线源距离是不同的,为保证图像的放大是一致性的,需建立起非均匀性的校正模型,不但要保证模型不会传递噪声,也充分的考虑到成像器件的中心及边缘的增益特性不一致的特点。
图1 面阵成像器件对图像的放大作用
3.2 系统噪声对成像质量的影响[5]
数字射线的成像系统当中具有的噪声主要两类:光量子噪声、电噪声。
3.2.1 光量子噪声
光量子的噪声是依赖像元点于整个曝光时间内所吸收光子数多少,它由X射线光子的分布所引起。平板探测器内,光量子的噪声服从于泊松的分布,这个是平板探测器内主要噪声源之一。选用高密度的材料使软射线过滤,运用铅质的窗口来限制好主射线束的面积,对工件的被检测区域外表面的实行具有效屏蔽作用,选用恒压的射线源,使曝光时间内避免射线辐射的波动,能够有效的减少散射线影响,使光量子的噪声降低。
3.2.2 电噪声
图像在采集过程中,存在随机噪声干扰图像质量,包含电阻、电容噪声及放大器的噪声、漏电流、势阱噪声等所引起散粒噪声。运用大容量的硬件图像采集卡来加速信号处理辅助软件的处理技术,可使电噪声降低,同时也使图像速度及质量提高。计算机的图像处理技术可以分成时域法、频域法。时域法是直接处理好图像当中的像素,比如对比度的增强、锐化图像的边界、增强图像的灰度等,明显提高了图像的分辨率;频域法是在图像变换基础上,不用直接处理像素,而用高通、低通的滤波和图像的连续叠加技术作为主要的处理方法。
4 结束语
面阵探测器(FPD)的数字成像是20世纪90年代后期发展起来的新型无损检测技术,是当前最为先进的数字成像技术,同时也逐步的应用推广到航空航天及医疗等的无损检测领域当中,相关标准也逐渐完善,为这项技术应用于长输管道环焊缝射线检测当中提供了条件。这项技术代表管道焊缝检测发展的方向,长输管道的建设当中有很好应用前景,随数字化的管道建设,管道环焊缝的射线检测将朝着数字X射线的检测方向发展。
参考文献：
[1] 任大海,尤政,孙长库,等.射线成像检测中射线源焦点的影响及修正.光学技术, 1999(6): 48-49.
[2] 艾维平. DXR250RT平板探测器X射线实时成像检测系统的研究: [学位论文].兰州:兰州理工大学, 2007.
[3] 程耀瑜,胡郾,韩焱,等.高质量X射线检测的数字化成像及快速采集.光学精密工程, 2002, 187(4): 359-364.
[4] 任大海,尤政,孙长库,等.焊缝X射线实时成像自动分析系统.焊接学报, 2000, 21(1): 61-63.
[5] 马跃洲,艾维平,张昌青.平板探测器射线数字成像质量的研究.兰州理工大学学报, 2007, 33(2): 20-24.
关键词：数字射线 面阵的成像 长输的管道 管道环焊缝
中图分类号：TU81 文献标识码：A 文章编号：
0 引言
1 数字射线成像技术具有的特点
从古至今,长输管道环焊缝的X射线检测最主要的是对胶片成像的运用，传统的X射线胶片成像技术没办法存储电子文档,对数字化的管道建设是不利的。数字射线成像技术已经应用推广到了医疗及异型件的无损检测等行业当中,国外也已经能够自动检验、存储图像及部分缺陷的自动识别,提供了这个设备应用于管道环焊缝检测的一个技术条件。对比传统的X射线检测技术,管道环焊缝的数字X射线检测技术有下面几个优点:
(1)应用了图像处理的技术,补片量减少。图像后处理技术使数字化的成像质量大大提高,经过计算机的分析和处理,运用边缘增强或者平滑技术,把没有经过处理的影像当中看不到的一些特征信息显示到荧屏上,进而能够让图像显得更加清晰。
(2)应用了计算机的存储,使存储的成本降低。数字化的图像能够存储到计算机的硬盘上,面阵探测器的寿命可以高至10年,能够节约大量射线胶片,使无损检测的管理水平及效率提高了。
(3)无胶片化及射线机的量低了。数字射线检测不使用胶片,使重金属的污染消除了。面阵探测器有很高灵敏度,需射线机的量大约是普通胶片的1/10～1/3,污染环境的程度也降低了。
(4)能够远程评片。宽带的网络传输即方便又快速,完全可以远程集中评片,能够有效杜绝人为因素带来的影响,评片结果显得更为公正和客观。
2 管道环焊缝数字射线检测设备简介
2.1 设备性能
适用于管径≥500 mm;其灵敏度优于2.0%，而探测器的空间分辨率是0.127 mm;探测器的成像分辨率是1024×1024;系统的分辨率≥3 Lp/mm;同时沿焊缝的最大动态扫查速度是2 m/min;X射线管电压是40～225 kV;图像的灰度等级是4 096。
2.2 系统结构
将可以开合的爬行轨道由焊缝的一侧把它固定于管道上,射线探测器在电机驱动之下沿着焊缝进行扫查,同步工作恒电位的X射线机在管内,射线探测器把接收到的射线变成了电信号,通过电子扫描，数据采集及分析软件的处理后得到和焊缝射线所扫查一样的图像,用在焊接的质量评判以及电子档案的存储当中。
2.2.1 X射线机
实时成像射线机和普通的X射线机相比,所要求的稳定性能高,电池的容量大,其具有的特点如下:
(1)小焦点。检测图像是放大的图像，起到决定作用,若射线机焦点比较大,随放大的倍数增大,几何不清晰度将增大,影响着图像质量,为提高系统的检测的分辨率,选用小焦点金属陶瓷管射线源[1]。
(2)恒电位。因为计算机的处理需稳定图像、重复性好,射线源稳定性能是很关键的。运用恒电位的X射线机,管的电压峰差≤1%。
2.2.2 面阵探测器[2]
面阵探测器空间分辨率能够直接对成像质量造成影响,所选用的VALIAN1313面阵的探测器,至使空间的分辨率到达了0.1127 mm。面阵探测器特性表现：偏置、增益特性。
2.2.3 电子图像的高速采集和图像显示处理软件[3-4]
经由成像的面板及计算机的硬件接口,将面阵探测器所接收到的射线变成可测量电信号,完成采集射线图像信号。电子图像的扫查和数据的采集速度对检测的效率有决定作用,是这项检测的技术是否用在实时的检测关键的因素。随面阵探测器的性能提高, GE、Varian等的公司也推出15帧/s以上的采集速率面阵的探测器,速度足够让某一空间的分辨率之下的动态扫查，避免了图像模糊情况出现,接着经由射线的接收、数据的读出、复位的控制及扫查速度等多方面的技术配合,使電子图像动态扫查实现了。接着再经由软件编程,利用简洁操作在界面显示出X射线的扫查结果、分析和处理、电子存档。用数字图像处理技术来改善X射线图像是很重要和不可少的。X射线的影像处理最主要是应用了增强技术和感兴趣区来定量和估值,完成了在线处理及图像的后处理,包含边缘增强、滤波平滑、对比度增强等。经由数字处理技术,把图像的对比度与清晰度增强,获得良好图像质量。
发射和采集是同步工作的,计算机的控制系统与管内的爬行器间通讯连接是运用了磁感应的方式。
3 影响数字射线检测系统成像质量的主要因素是因为平板探测器的自身复杂性,好多因素导致图像的质量下降,使图像质量往往都很难达到预期指标。在X射线平板探测器的数字成像系统当中,所引起图像质量下降主要的因素有：几何因素及探测器噪声。为使图像质量提高,使用有针对性措施改善图像质量很有必要。通过实验研究分析,在面阵探测器的空间分辨率及射线源的焦点尺寸一定前提下,为使数字射线检测系统成像质量提高,一定要保持好面阵探测器的工作是在规定温度的范围之内,进而使系统信噪比提高,同时采用图像合理优化处理及叠加技术,得到理想动态的扫查电子图像。
3.1 面阵成像的器件的放大作用影响成像的质量[1]在X射线的面阵成像当中,因为探测器和被测的管件间有一定的距离,对成像来说具有放大作用,图1所示。采用了图像的放大技术,使图像变得易识别,同时图像的分辨率提高,利于图像的质量改善。但是因为面阵探测器是平面结构,管道环焊缝是在弧面上,面阵的探测器的像素和射线源距离是不同的,为保证图像的放大是一致性的,需建立起非均匀性的校正模型,不但要保证模型不会传递噪声,也充分的考虑到成像器件的中心及边缘的增益特性不一致的特点。
图1 面阵成像器件对图像的放大作用
3.2 系统噪声对成像质量的影响[5]
数字射线的成像系统当中具有的噪声主要两类:光量子噪声、电噪声。
3.2.1 光量子噪声
光量子的噪声是依赖像元点于整个曝光时间内所吸收光子数多少,它由X射线光子的分布所引起。平板探测器内,光量子的噪声服从于泊松的分布,这个是平板探测器内主要噪声源之一。选用高密度的材料使软射线过滤,运用铅质的窗口来限制好主射线束的面积,对工件的被检测区域外表面的实行具有效屏蔽作用,选用恒压的射线源,使曝光时间内避免射线辐射的波动,能够有效的减少散射线影响,使光量子的噪声降低。
3.2.2 电噪声
图像在采集过程中,存在随机噪声干扰图像质量,包含电阻、电容噪声及放大器的噪声、漏电流、势阱噪声等所引起散粒噪声。运用大容量的硬件图像采集卡来加速信号处理辅助软件的处理技术,可使电噪声降低,同时也使图像速度及质量提高。计算机的图像处理技术可以分成时域法、频域法。时域法是直接处理好图像当中的像素,比如对比度的增强、锐化图像的边界、增强图像的灰度等,明显提高了图像的分辨率;频域法是在图像变换基础上,不用直接处理像素,而用高通、低通的滤波和图像的连续叠加技术作为主要的处理方法。
4 结束语
面阵探测器(FPD)的数字成像是20世纪90年代后期发展起来的新型无损检测技术,是当前最为先进的数字成像技术,同时也逐步的应用推广到航空航天及医疗等的无损检测领域当中,相关标准也逐渐完善,为这项技术应用于长输管道环焊缝射线检测当中提供了条件。这项技术代表管道焊缝检测发展的方向,长输管道的建设当中有很好应用前景,随数字化的管道建设,管道环焊缝的射线检测将朝着数字X射线的检测方向发展。
参考文献：
[1] 任大海,尤政,孙长库,等.射线成像检测中射线源焦点的影响及修正.光学技术, 1999(6): 48-49.
[2] 艾维平. DXR250RT平板探测器X射线实时成像检测系统的研究: [学位论文].兰州:兰州理工大学, 2007.
[3] 程耀瑜,胡郾,韩焱,等.高质量X射线检测的数字化成像及快速采集.光学精密工程, 2002, 187(4): 359-364.
[4] 任大海,尤政,孙长库,等.焊缝X射线实时成像自动分析系统.焊接学报, 2000, 21(1): 61-63.
[5] 马跃洲,艾维平,张昌青.平板探测器射线数字成像质量的研究.兰州理工大学学报, 2007, 33(2): 20-24.