无损检测工业计算机层析成像（CT）指南

无损检测工业计算机层析成像（CT）指南

国家标准 GB/T29034一2012 无损检测工业计算机层析成像(CT)指南 Non-destruetivetesting一Guideforindustrialcomputedtomography(CT)imaging 2012-12-31发布 2013-10-01实施 国家质量监督检验检疫总局 发布 国家标准化管理委员会国家标准
GB/T29034一2012 目 次 前言 引言 范围 规范性引用文件 术语和定义 概述 目的 4.2CT原理 4.3CT的优势 4！cT的局眼性 4.5系统性能 4.5.1概述 4.5.2空间分辨力 4.5.3密度分辨力 4.5.4统计噪声 4.5.5伪影 CT技术基础 5.1概述 5.2物理基础 5.3数学基础 5.3.1CT图像 5.3.2雷当变换 5.3.3求解方程组重建图像 5.3.4迭代重建算法 5.3.5解析重建算法 5.4扫描方式 概述 5.4.l 5 -代扫描 4.2 4.3二代扫描 5 5.4.4三代扫描 5.4.5四代扫描 5.4.6锥束扫描" 5.4.7螺旋扫描 系统基本组成 + 12 概述 13 6.2射线源系统
GB/T29034一2012 13 6.3探测系统 13 6.4机械扫描系统 13 6.5数据采集传输系统 6.6控制系统 6.7图像处理系统 6 辐射安全防护系统 性能指标 7.1概述 7.2对比度 7.2.1对比度的定义" 7.2.2对比度差 l4 7.3分辨力 15 7.3.1概述 15 7.3.2PSF的简单近似 15 7.3.3采样对PSF的影响 16 7.3.4MTF曲线 7.3.5cT系统MTF的理论描述 18 7.3.6MT曲线绘制 18 7.4噪声 19 7.4.1概述 19 7.4.2噪声对重建的影响 7.4.3噪声的估计 19 噪声对对比度的影响 7 4.4 20 7.5CDD曲线 21 性能预测与检验 7.6 22 系统探测能力 7.6.1 22 7.6.2性能预测 22 7.6.3性能检验 23 精度和偏差 2 图1cT图像与传统射线照相的比较 图2cT的工作原理图 图3射线与物质的相互作用 图4射线与物质的三种相互作用的比较 图5射线与物质的三种相互作用的示意图 图 Lambert定律示意图 图7射线扫描示意图 图8 -代扫描 图9二代扫描 图10三代扫描 图11四代扫描 图12锥束扫描
GB/T29034一2012 12 图13螺旋扫描 图14工业CT系统组成示意图 13 15 图15细节在背景材料上的理想CT扫描结果 15 图16CT系统射线束几何描述 16 图17定性表示对比度差为4,的细节通过CT检测后的图像 图18细节在背景材料上的实际CT扫描结果 图19宽度为Bw的PSF与宽度为D,间距为2D的周期性细节的卷积结果 19 图20由圆柱体CT图像获得MTF的过程 图21！含嗓声情况下细节在背景材料上的实际cT扫描结果 20 图22探测能力和cDD曲线的实例 23 图23实际CT系统的理论和实验CDD曲线常数c为8.5 2 m
GB/T29034一2012 前 言 本标准按照GB/T1.1一2009给出的规则起草 本标准由全国无损检测标准化技术委员会(SAC/TC56)提出并归口 本标准起草单位;重庆大学ICT研究中心,兵器科学研究院宁波分院、上海泰司检测科技有限 公司,重庆真测科技股份有限公司、南昌航空大学、人民解放军重庆通信学院、北京航空综合技术研 究所 本标准主要起草人:程森林、王坯、倪培君、郭冠华、曾理,刘荣、张祥春、段晓礁、沈宽、安康
GB/T29034一2012 引 言 工业计算机层析成像(CT)作为一种先进的无损检测技术,已广泛地应用于航天,航空、军工、铁路 铸造、机械、船舶、石油化工、核工业等领域 本标准对工业CT系统的基本组成和性能参数评价方法 的建立,具有指导意义
GB/T29034一2012 无损检测工业计算机层析成像(CI)指南 范围 本标准给出了与工业计算机层析成像(CT)检测相关的物理基础、数学基础和扫描方式,讨论了工 业CT系统的基本组成部分,规定了CT的基本性能参数,阐述了表述和预测系统性能的方法 本标准是关于工业CT成像理论和应用的人门指南 本标准适用于工业C'T技术与系统的研究、开发,设计、生产和使用 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的 凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文 凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 件 GB/T12604.11无损检测术语工业计算机层析成像(cT)检测 术语和定义 GB/T12604.11界定的术语和定义适用于本文件 概述 目的 4.1 本标准介绍了工业cT成像的基本原理和cT系统性能参数的定义以及系统性能参数与系统性能 指标之间的关系 用户在判断cT系统的适用性、预测系统性能或开发新的扫描方法时可以参考本 标准 由于cT技术在不断发展,应用范围在不断扩大,应用情况十分复杂,因此.本标准不讨论具体的检 测技术,如扫描参数的选择,扫描过程的实现和数据分析方法等 4.2c原理 CT是一种射线检测方法,所得到的图像是物体的线性衰减系数的分布图 线性衰减系数描述了 射线衰减的瞬时变化率 射线衰减是由于射线与被测物体的相互作用造成的 射线峰值能量低于 1.02MeV的CT系统中,主要的相互作用是光电效应和康普顿散射 光电效应主要依赖于吸收介质 的原子序数和密度,在低能时起主要作用,康普顿散射主要依赖于材料的电子密度,在高能时起主要 作用 线性衰减系数与材料密度的比例关系是CT图像能反映物体密度分布的物理基础 但是线性衰减 系数还与射线能量有关,这种特性有时会掩盖CT图像中的密度差异,但有时也会增强具有相似密度的 不同材料的对比度 图1显示了cT图像与传统的射线照相的区别 从图1可以看出,传统的射线照相检测对象特性 时存在影像叠加,无法确定被测物体的空间位置 CT图像从不同的角度对物体进行检测,可以得到更 精确的位置信息 传统的射线照相中,切片平面“P”上的信息投影成一条直线“A一A'”,而CT图像可
GB/T29034一2012 ' '吵 4(r' 6r'" a' 入射x射级 a 图2CT的工作原理图 4.4CT的局限性 cT也有它的局展性 首先被测物体需要满足cT系统的工装条件,并且能被射线穿透 其次.cT 图像的重建算法要求扫描系统至少采集180度的数据,但在工程实践中由于射线源和探测器尺寸、射线 束形状等因素的影响,使得穿过物体的某一路径在正、反方向获得的投影数据存在差异,因此需要采集 360度的数据才能获得高质量图像 在有些情况下被测物的尺寸和透射率限制了数据的采集,虽然数 据不完整时可以采用一些补偿手段,但是会降低图像质量 根据动态范围被测物体最大等效钢厚度和 射线能量可以估计检测被测物体的可行性 CT图像的另一个缺点是可能会出现伪影 伪影是CT图像上出现的与试件的结构及物理特性无 关的图像特征 由于伪影是不真实的,因此它不利于用户从图像中定量地提取密度、尺寸或其他数据 因此,需要用户学会识别并能凭经验消除常见伪影对图像的影响 一些伪影可以通过一定的工程措施 通过改进CT系统性能来减弱或消除,例如散射和电子噪声引起的伪影;一些伪影从理论上是不可避免 的,但是可以通过工程手段减弱,例如边界条纹和部分容积伪影;还有一些伪影具有以上两种特点,例如 杯状伪影,它主要是由于射线的多色性和射线散射造成的 用线阵CT进行完整的三维扫描是很耗时的,以1024×1024的图像为例,单幅图像的典型扫描时 间一般需要几分钟,部分高速CT系统的扫描时间可缩短到1min内 因此并不是所有的CT检测都需 要进行三维扫描,可以通过数字射线成像(DR)检测进行补充 也可以通过加大切片厚度来减少扫描时 间,但是会降低轴向分辨力,还可能产生部分容积伪影 原则上,这个缺点可以通过全三维扫描如锥束 扫描来消除 4.5 系统性能 4.5.1概述 CT系统性能主要包括空间分辨力、密度分辨力、统计噪声和伪影等
GB/T29034一2012 4.5.2空间分辨力 空间分辨力定量地表示为能分辨的两个点的最小间距,表征CT系统在足够信噪比条件下辨别物 体空间几何细节特征的能力 空间分辨力的极限值取决于系统的设计,结构、数据量和采样方法 机械扫描系统的精度决定了投 影路径的精确性,x射线光学决定了可分辨的最小细节,投影数量和每个投影中探测器的数目决定了重 建矩阵的大小 减小像素尺寸能改进图像的空间分辨力,但当空间分辨力超过系统的极限分辨力时,继 续减小像素尺寸不但不能增加空间分辨力,反而会产生伪影 CT图像上能检测到的最小细节和能分辨的最小细节是不同的 小于一个像素的细节会影响到与 它相关的像素,使这个像素与相邻像素产生明显的对比度,这种现象称为部分容积效应 细节特征的可 分辨能力和可探测能力的不同是cT的一个重要问题 4.5.3密度分辨力 密度分辨力又称对比度灵敏度,表征CT系统在足够信噪比条件下辨别物体中指定大小区域与周 边区域密度差异的能力,定量地表示为给定面积上能分辨的细节与背景材料之间的最小对比度 密度 分辨力取决于CT图像噪声水平 空间分辨力反映的是分辨紧密相邻物体的能力,密度分辨力反映的是cT图像上能检测到的物质 对射线衰贼最小差异的能力与给定面积大小有笑 能青发现材料中的缺陷取决于常座分辨力,发现以 后是否看得清楚取决于空间分辨力 4.5.4统计噪声 统计噪声限制了CT图像的对比度分辨力 CT图像上的统计噪声表现为加在CT图像上的随机 变量,主要来源于两个方面 a)光子的固有统计涨落; b 使用的特殊设备和工序 通过增加有用信号可以降低统计噪声,如增加扫描时间、射线源强度或射线源焦点和探测器的尺 寸 但是增加射线源焦点和探测器的尺寸会降低空间分辨力,这就需要在统计噪声和空间分辨力之间 权衡 4.5.5 伪影 所有的成像系统都存在伪影 cT伪影有不同的表现形式 射束硬化会在图像上形成杯状伪影 表现为均匀材质物体的cT图像中cT密度从中心向边缘逐渐增大 不同密度材料的分界面上产生的 伪影很难确定,在密度曲线上通常表现为尖峰或者低谷 用户在检测前需要理解伪影的分类并确定其 影响因素 某些伪影是cT的物理特性和数学特性所固有的,不能被消除,其他的来源于硬件或软件的 设计缺陷,在工程上是可以消除的 在其他参数相同的条件下,伪影的种类和严重性是比较不同cT系统性能指标的两个重要因素 用户需要理解各种伪影的差异和对测量的影响,例如未校正的杯状伪影会对绝对密度的测量产生严重 影响,条状伪影会对尺寸测量精度产生严重影响 CT技术基础 5.1概述 CT技术基础包括物理基础、数学基础、扫描方式和成像原理
GB/T29034一2012 5.2物理基础 5.2.1X射线和伽马射线是根据它们的来源来分类的,X射线是由于带电粒子的加速或减速产生的 伽马射线是由于原子核的跃迁产生并由原子核发射出来 光子与物质之间的相互作用与它们的产生方 式无关而只与它们的能量有关 指南中的射线指的是能量范围在keV到MeV的光子 5.2.2射线与物质的相互作用有四种方式:与原子中的电子发生作用、与核子发生作用、与原子中的电 子或原子核产生的电场发生作用、与原子核周围的介子场发生作用 射线与物质发生相互作用后可能 有以下三种结果:完全吸收、发生弹性散射或发生非弹性散射 因此,原则上射线与物质之间的相互作 用有十二种不同的现象,见图3 其中一些还没有从物理上观测到 原子中的电子 核子 原子中的电场 原子核的介子场 完全吸收 光电效应 光致分裂 电子对效应 介子的产生 弹性散射 瑞利散射 汤姆生散射 德尔布鲁克散射 无现象 非弹性散射 康普顿放射 核共报散射 无现象 无现象 图3射线与物质的相互作用 5.2.3射线照相技术中最重要的相互作用是光电效应、康普顿散射和电子对效应 它们的作用范围与 光子能量和材料原子序数的关系如图4所示 当射线能量低于1MeV时,不可能产生电子对,与原子 中的电子的相互作用是射线与物质的主要作用 其他可能的作用中,瑞利散射很小但不能忽略 当射 线能量高于1MeV时,电子对效应和康普顿散射进行竟争 当射线能量高于8MeV时会产生一定量 的中子,能量高于10MeV时应考虑中子防护 120 10ol 0 光电效应占优势 电子对效应占优势 0l 40 康普顿散射 占优势 20 100 10 0.05 0. 0.5 ho/AMeV 图4射线与物质的三种相互作用的比较
GB/T29034一2012 5.2.4图5给出了三种主要的相互作用的示意图 发生光电效应时,原子作为整体与人射射线发生作 用,人射射线被完全吸收 由于能量和动量守恒,原子被反冲并发射出一个电子,随后的衰减过程会导 致特征X射线和次级电子的产生 从图4可以看出,光电效应在低能部分起主要作用 5.2.5发生康普顿散射时,人射射线与电子相互作用,发生非弹性散射,这个过程中射线损失了能量， 这种散射也称为非相干散射 由于能量和动量守恒,电子发生反冲并且射线以更低的能量被散射到不 同的方向 虽然射线没有被吸收,但是已经偏离了初始方向 在射线照相设备中大部分散射线都来源 于康普顿散射 从图4可以看出,康普顿散射在中能部分起主要作用 5.2.6发生电子对效应时,人射射线与原子核周围的电场发生相互作用并被完全吸收在这个过程中 产生正负电子对 电子对的产生保证了能量和动量守恒 正电子最终与电子相互作用产生灌设辐射 从图4可以看出,电子对效应在高能部分起主要作用 康普顿电子 原子 入射光子原子中的电子 入射光子 4ee 电子对 入刺光子 光电子 康普顿射光子 光电效应 康普顿散射 电子对效应 图5射线与物质的三种相互作用的示意图 5.2.7射线穿过物体时受到射线路径上物体的吸收或散射而导致强度衰减,衰减规律由L.ambert定 律确定,见式(1) 即射线穿过物体所受到的衰减是沿该射线路径线性衰减系数的线积分值的卷积函 数,见图6 lry)u I=lexp 式中: 人射射线强度; 透射射线强度 路径l的线性衰减系数分布 4(.r,y (x,y 图6Lambert定律示意图
GB/T29034一2012 在CT检测中,I是空气测量时探测器的测量值,是射线经被测物体衰减后探测器的测量值 式(1)可得 =一ln(I/I A)-lG)w 线性衰减系数的线积分值o()称为投影数据 当射线从不同方向和位置穿过该物体时,对应路径 上的投影数据p()均可照此求出,从而得到一个投影数据集合 由于物体的线性衰减系数与射线穿过 的物体密度直接相关,密度大的物体对射线的衰减大,探测器所能接收的射线就少,反之则多,故线性哀 减系数的二维分布也可视为密度的二维分布,所以切片图像能反映物体切片的结构关系和物质组成 由式(2)可以看出cT的图像重建问题归结为由投影数据()的集合来计算(r,y)的反演问题 5.3数学基础 5.3.1CT图像 -般而言,CT图像包含了扫描工件的描述信息,它近似于工件线性衰减系数的分布 二维cT图 像通常具有以下儿个性质 a 图像区域是一个正方形 b)设函数f(.r,)表示C图像,其中心为坐标原点,则其值在重建区域外为0,见式(3) >0,当/干y .r,y sR (3 (r.y)=0,当、> R 式中 R 重建区域半径 c)任意点(.r,)处的函数值f(.r,y)正比于物体在该点的线性衰减系数 cT图像就是图像(r)在二推空间坐标和亮度上都已离散化了的图像,因此可以把一枞数字图 像等价为一个矩阵,其行和列标出了图像各个点在二维空间的位置,而矩阵元素的值标出这些点的灰度 等级.这样的数字阵列的元素叫做图像元素或像素 图像一般包含N×N个像素.CT中常见的像素规 模有128×128,256×256,512×512,1024×1024,2048×2048等 5.3.2雷当变换 雷当变换是由J.Randon在1917年建立的数学变换 如果一个函数在某个特定区域内的值是有 限的而在其他区域内值为零,并且已知该丽数在通过这个区域的所有路径上的积分,那么这个函数在这 个区域的值就能被唯一确定 一个函数和与它相关的线积分组成一个变换对,线积分的集合称为该函 数的雷当变换 由丽数的雷当变换推导丽数的过程称为雷当反变换 雷当反变换的存在为cT图像重 建提供了重要的存在定理 5.3.3求解方程组重建图像 由投影数据p()集合计算线性衰减系数分布(r,y)最直接的做法是求解方程组 如图7,假定有 一个3×3单元构成的切片,各单元的线性衰碱系数分别为梅,三条平行射线由三个视角穿过该切片 测得沿各条射线路径上的线性衰减系数和分别为P,由此可以建立一个由9个独立方程构成的方程 组,见式(4) 解方程组求得线性衰减系数A,把求得的线性衰减系数分布用计算机图像的形式显示出 来,就得到该切片的重建图像
GB/T29034一2012 P1 72 ha 充 E a1 s Ag A 方 图7 射线扫描示意图 11十412十13 -22十=P 21 s2十M.s3=P8 31 Pa 1'21十' P /'22十2 =P 十23十s3 吃 十22十M33=Pa2 =Ps8 为了获得一个由NXN个像素构成的图像,可以通过构建一个由N×N个方程组成的方程组,解 此联立方程组即可求得N×N个线性衰减系数的二维分布 实际应用中N值较大,直接求解方程组很 困难,所以这种算法不实用,需采用其他方法来解决这个问题 5.3.4迭代重建算法 迭代重建算法是利用投影值,通过迭代逼近被测物体线性衰减系数分布图像的算法 与解析重建 算法相比,迭代重建算法的优点是抗噪性好、伪影抑制能力强、易于处理投影数据截断,可引人物体先验 信息,缺点是重建速度慢 随着计算机运算能力的快速发展,迭代重建算法越来越受到关注 目前,常 用的迭代重建算法有两类;代数迭代(ART)和期望最大化(EM)迭代 代数迭代重建算法一般包括以下过程;模拟投影、投影误差校正、反投影更新图像数据 根据迭代 过程中更新一次图像数据所涉及的射线路径数,可以将代数迭代算法分为以下三类 a)顺序迭代,每次迭代只使用一条射线路径 有序子集,先将所有的射线路径按照一定的规则划分成几个有序子集,每次迭代只使用其中 b 的一个子集; c 同时迭代一次迭代包含所有的射线路径 为了与“一次迭代”相区分,当所有的射线路径都被使用一次时,可称为完成了“一轮迭代” 对于有
GB/T29034一2012 序子集或者同时迭代算法,一次迭代涉及多条射线甚至多个视角,而沿不同的射线的投影或反投影是可 以同时计算的,因此可以使用并行计算技术对其进行加速 5.3.5解析重建算法 解析重建算法是利用投影值,通过数学变换计算被测物体线性衰减系数分布图像的算法 最常用 的是滤波反投影重建算法(FBP),它采用核函数对投影数据进行卷积滤波,再对卷积后的投影数据进行 反投影计算得到图像上每个像素值 由于该算法在反投影前需要对投影数据进行卷积滤波,所以也称 为卷积反投影重建算法 滤波反投影重建算法采用的核函数为斜坡滤波器或其改进形式,具有加强高频抑制低频的作用,可 有效抑制cT投影的低颜扩散效应 ,加强投影数据中高频细节信号 而反投影是在投影路径的每个像 各个视角下的投影数据进行反投影,可重建出物体的断面图 素上迭加该路径下的投影值的过程,通过对各个 像 二维滤波反投影重建算法又分为平行束滤波反投影重建算法和扇束滤波反投影重建算法 利用平行束或扇束投影数据可重建出物体的断面图像,再利用序列cT断面图像可重构三维体数 据,也可利用锥束投影数据直接重建三维体数据 锥束CT重建算法分为近似重建算法和精确重建算 法两类 FDK算法及其改进形式是最常用的近似重建算法,主要用于圆周扫描轨迹的锥束cT重建， 也被推广到螺旋扫描轨迹的锥束cT重建 精确重建算法仍在发展之中,代表性的算法有Grangeat算 法、Katsevich算法、BPF(先反投影再滤波)重建算法等,主要用于螺旋扫描轨迹的锥束CT重建 和迭代重建法相比,解析重建算法重建速度快,但重建图像的质量依赖于投影数据的质量和完整性 5.4扫描方式 概述 CT扫描是沿着多个视角依次对物体特定区域的射线透射率进行测量的过程,射线源和探测器与 被测物体间做相对运动,该过程由精确控制的机械扫描系统实现 按照扫描方式,可以分为一代扫描、 二代扫描、三代扫描,四代扫描、锥束扫描和螺旋扫描 工业cT目前最常用的是二代扫描和三代扫描 5.4.2 一代扫描 -代扫描也称平行束扫描,见图8 扫描方式是;在每个视角上,笔束射线经过相对于物体的平移 形成平行射线组.从而获得该视角下的投影值 采集完一个视角的数据后,物体与射线源和探测器相对 旋转一个小角度,如图8中旋转1",进行该视角的扫描 完成全部数据采集至少要旋转180" 一代扫描 的特点是设计简单,扫描参数选择灵活,能容纳的被测物体的尺寸范围大,但是扫描时间很长 5.4.3二代扫描 二代扫描也称旋转平移扫描,见图9 扫描方式类似于一代扫描,区别在于使用扇束射线并且使用 多个探测器,每次平移能得到多个方向的平行投影数据,相应地缩短了扫描时间 和一代扫描一样,二 代扫描容纳的被测物体的尺寸范围也大,但是无用扫描数据多,扫描速度慢 55 .4.4三代扫描 三代扫描也称只旋转扫描,见图10 扫描方式是;在一个视角下射线束能包容整个被测物体断面 范围,在有足够密的探测器的情况下,一次采样就能得到该视角下的完整投影 采样完成后经过物体与 射线源和探测器的相对旋转,得到其他视角下的投影 三代扫描比二代扫描速度快,但是是以增加探测 器数量为代价的,同时由于三代扫描时探测器阵列的所有探测器对每组投影数据都起作用,因此对探测 器的性能提出了更高的要求
GB/T29034一2012 ”的增量 第60次扫描 X射线源 探测器 图8 -代扫描 多角度增量 x射线源 多个探测器 图9二代扫描 360连续扫描 X射线源 图10三代扫描 10o
GB/T29034一2012 5.4.5四代扫描 四代扫描也只使用旋转扫描,见图11 与三代扫描的区别在于探测器排列成环形阵列且静止不 动,只移动射线源 四代扫描具有二代扫描抗伪影的特点和三代扫描速度快的特点,但是它结构更复 杂,成本更高,并且更容易受到散射的影响 D 人 回 DD X射线源 晨 E C el g aC 图11 四代扫描 5.4.6锥束扫描 惟束扫描多用于全三维扫描,见图12 扫捕方式类似于三代扫捕,区别在于使用排束射线并且做 用面阵探测器 锥束扫描的扫描范围与射线源到被测物体旋转轴的距离,射线源与探测器的距离和探 测器的尺寸等扫描参数有关 与基于线阵探测器的扇束扫描相比,基于面阵探测器的锥束扫描可以提 高射线的利用效率,同时可以显著提高重建图像的轴向分辨力 锥束扫描速度快,但是射线散射影响 较大 面阵探测器 x射线源 12锥束扫描 11
GB/T29034一2012 5.4.7 螺旋扫描 螺旋扫描多用于全三维扫描,见图13 扫描方式是;物体相对于射线源和探测器同时进行旋转和 平移运动,扫描轨迹呈螺旋线 目前的扫描分为单层螺旋扫描、多层螺旋扫描和螺旋锥束扫描 面阵探测器 运动 射线源 运动 单层螺旋扫描 a 机架 多层螺旋扫描 螺旋锥束扫描 b 图13螺旋扫描 6 系统基本组成 6 概述 CT系统通常由射线源系统、探测系统、机械扫描系统、数据采集传输系统、控制系统、图像处理系 统和辐射安全防护系统等子系统组成,见图14 12
GB/T29034一2012 数据采集 被 射线源系统 探测系统 物体 传输系统 机械扫描 系统 辐射安全 防护系统 控制系统 图像处理 系纷 图14工业CT系统组成示意图 6.2射线源系统 射线源系统提供照射被测物体的射线束，经准直后可形成需要的各种形状,如笔束,扇束、锥束等 工业cT最常用的射线源是X射线机和电子直线加速器,有时也使用放射性同位素源和同步辐射源 射线源系统的主要性能指标有射线能量焦点尺寸、最大剂量率,剂量率稳定性等 6.3探测系统 探测系统用于测量到达探测器的射线强度,将人射射线强度转换为电信号 工业CT所用的探测 器按照物理结构形态可以分为线阵探测器和面阵探测器 线阵探测器是线状排列的探测器阵列,常用 的探测单元有气体和闪烁体两大类 面阵探测器主要有三种类型:高分辨力半导体芯片、图像增强器和 平板探测器 4 6. 机械扫描系统 机械扫描系统是CT的基础结构,提供射线源系统、探测系统及被测物体的安装载体,并为CT系 统提供所需扫描检测的多自由度高精度的运动功能 根据机械结构的布局,常见的工业CT系统分为 立式和卧式布局 6.5数据采集传输系统 数据采集传输系统用于获取和收集信号,它将探测器获得的信号转换、收集,处理和存贮后,供图像 重建用 数据采集传输系统主要包括信号调理与转换单元、数据采集控制单元和数据传输控制单元 信号调理与转换单元对探测器输出的信号进行放大,滤波、AD转换等处理,获得大动态范围、高信嗓 比的数字信号;数据采集控制单元负责控制信号调理与转换单元进行数据采集,并进行数据缓存;数据 13
GB/T29034一2012 传输控制单元将各通道数据信号收集处理后传送到图像重建处理计算机 数据采集传输系统的主要性 能指标有;信噪比、稳定性、动态范围,采集速度及一致性等 控制系统 控制系统实现对扫描检测过程中机械运动的精确定位控制、系统的逻辑控制、时序控制及检测工作 流程的顺序控制和系统各部分协调,并负责系统的安全防护控制 图像处理系统 图像处理系统主要实现由投影数据重建生成图像,对图像进行处理、分析和测量,并可根据实际应 系统通常由图像处理工作站、 用开发专业的后处理软件,例如缺陷自动识别软件,逆向cAD软件等 图像处理软件、图像显示设备、图像输出设备以及其他相关部件构成 辐射安全防护系统 辐射安全防护系统包括辐射防护与报警系统,现场监视系统,也可根据情况选配语音通讯装置 辐 射防护与报警系统是指门联锁装置、急停按钮、专用钥匙及声光报警等,必要时可以配备红外和微波双 鉴探测装置 现场监视系统包括摄像机.监视器,应尽量保证检测室内无监控盲区 语音通讯装置是指 对讲通讯设备,实现检测室操作人员与控制室操作人员的双向语音通讯 辐射安全防护系统的指标要 求可参考相应的国家标准和法律法规 性能指标 7.1概述 工业cT系统性能指标主要包括对比度、分辨力、噪声,对比度一细节定量曲线(CDD曲线)等 7.2对比度 7.2.1对比度的定义 CT中对比度定义为细节与背景材料线性衰减系数之差占背景材料线性衰减系数的百分比,见式 (5): l二s 对比度 ×100% 5) A 式中 -细节的线性衰减系数; A 背景材料的线性衰减系数 46 式(5)关于对比度的定义假定细节厚度大于CT切片厚度,如果细节厚度h小于切片厚度1,则对比 度需要乘以比例因子h/ 7.2.2对比度差 细节在背景材料上的理想cT扫描结果见图15 线性衰减系数为纠的细节在线性衰诚系数为 /A 的背景材料上的CT图像见图15a),图15a)中的CT值轮廓曲线见图15b),识别细节和背景材料的概 率分布函数见图15c) 对比度差4,定义为式(6) =|4一A 分辨力和噪声会对图15b)中的轮廓曲线和图15c)中的概率分布丽数产生影响 14
GB/T29034一2012 PDF l.0- 4 距离 b 图15细节在背景材料上的理想cT扫描结果 7.3分辨力 7.3.1概述 cT图像等价于物体函数与点扩展函数(PSF)的卷积,PSF是系统对理想点模型的响应函数 由于 点扩展函数的影响,小细节对应的图像尺寸可能变大,使得边界模糊不清,同时会降低实际图像的对比 度,使得细节的辨别变得困难 7.3.2PSF的简单近似 PSF可以近似为直径为Bw的圆柱,BW称为等效射束宽度,见式(7) sa 1 BW M 式中: M=L/g 探测器宽度; 射线源焦点尺寸; 射线源到物体旋转中心的距离 -射线源到探测器的距离; 其几何关系见图16 图16cT系统射线束几何描述 15
GB/T29034一2012 图17定性地表示了对比度差为A的细节通过点扩展函数为PSF的CT系统后得到的CT图像 图17a)显示的是直径为Bw的PSF和直径为SW的较小细节的卷积结果(SWBw) 细节的成像是下底为(LwBw),上底为 Lw一Bw,对比度差为,的圆台 可以看出,点扩展丽数PSF对直径大于PSF的细节影响不大,细 节中心的对比度没有变化 BW一SW 出AM 斗-十 买 里 B 2 L一BM 习 8I r L 图17定性表示对比度差为A的细节通过CT检测后的图像 7.3.3采样对sr的影响 cT数据采集过程不是连续的.投影数据是以一定的采样间隔s在离散空间的采样,采样定理决定 了s最大为Bw/2 重建图像的表示也是离散的,采样定理要求重建图像的像素尺寸小于或等于s,这 样才能保证空间分辨力 在图17所示的卷积条件下,最小的细节至少占据4个像素 细节在背景材料上的实际CT扫描结果见图18 图18a)所示的是图15a)中的理想工件与PSF卷 积并进行离散采样的结果,细节cT值轮廓曲线的边界处呈阶梯变化 图18b)所示的是新的PDF,细 节和背景材料的PDF都小于1,背景材料的PDF多出了大于丛的成分,而细节的PDF多出了小于从的 成分 16
GB/T29034一2012 pDT 川 1.0- "- 图18细节在背景材料上的实际cT扫描结果 7.3.4M曲线 有效对比度和实际对比度的比值称为调制度,将调制度和空间频率的关系画成曲线称为系统的调 制传递函数(MTF)曲线,曲线反映了系统对周期性细节响应的能力,也就是系统的空间分辨力 图19所示的是宽度为Bw的PSF与宽度为D,间距为2D的周期性细节的卷积结果 当D>Bw 时,有效对比度等于实际对比度,当DBO 1 2 Bw/2GB/T29034一2012 -(DBW2) Bw" d 图19(续 7.3.5C系统MI的理论描述 系统的MTF可以表示成各组成部分MTF的乘积 MTF近似等于圆形对称PSF的一维傅立叶 变换(FT),对于平行束的cT系统,MTF可近似表示为式(8) Feo MTF()一 Fw()Fwo()Fr()Fmx() 8 式中: Ramachandran滤波函数) FcoN sinr/ Shepp&.L.ogan滤波函数 xf sinxMsn[xa/M Fw()- 大aMIM xM sin(s Fww()= T sin'/s) Fr)-= x)" sinTAp Fx()= xA 其中，/表示空间频率变量,Fww()表示卷积丽数的傅立叶变换,假定采用卷积反投影的平行束重 建,则参数Fwn(//为卷积谴被器的系数,当侧重空间分辨力,对比度高,嗓声小时,采用Ramachan dran滤被丽数当侧重密度分辨力,对比度低,噪声大时,采用shep&.Login滤波丽数 Fw()表示 等效射束宽度的傅立叶变换 如果射线源是移动的,那么采集离散信号就相当于与一个宽度为采样间 隔s的方波函数的卷积,其傅立叶变换为Fw() 因为数据值是以离散的形式计算的,并且重建过程 需要中间位置的值,所以需要采用插值,F(f)表示图像重建过程中的线性内插函数的傅立叶变换 插值得到的数据以宽度为的网格显示,这实际上等同于一个卷积,F()表示显示丽数的傅立 叶变换 7.3.6MI曲线绘制 理想情况下可以用式(8)描述的PsF与MTF的关系来测量系统的MTF 然而,实际应用中不存 在理想的点状物,因此一般使用圆柱体图像来测量系统的MTF 其基本原理是对边缘响应函数(ERF) 求一阶导数来获得线扩展函数(LSF),用I.SF来近似PSF,对I.SF进行傅立叶变换得到系统的MTF 图20描述了由一个简单的圆柱体图像获取MTF的过程 采用圆柱体是因为一旦确定了它的质 心,通过质心的轮廓线就与圆柱体边缘垂直 可以对多条轮廓线取平均来减少ERF的系统噪声和量子 噪声 通过圆柱体图像中心的不同直线的轮廓线见图20a),对多条轮廓线的边缘响应取平均得出ERF， 见图20b),对ERF求导得出I.SF,见图20c),计算LSF的离散傅立叶变换获得MTF,见图20d) 18
GB/T29034一2012 300 250 边缘响应函数 成像圆柱体 200 ERF S150 100 边缘轮廓 5O 24080O0 b Shepp/L.oga滤波器的T 1.0 5 0.8 线扩展函数 10 0.6 非 (亿sF 0.4 理论 实验 0.2 有D 0.000.1 图20由圆柱体C图像获得MIF的过程 7.4噪声 概述 CT系统的噪声是不可避免的,即使电子噪声和散射噪声能降低到最小,X射线本身的量子统计噪 声也是无法避免的 量子统计噪声服从泊松分布,使得测量到的光子数是一个随机数 假定光子的平 均值为n,给定采样周期内测量到光子数在n士、/斤范围内的概率大约为68.3% 7.4.2噪声对重建的影响 经历图像重建的过程后,噪声对CT图像的影响更加复杂 对于平行束扫描，经平均能量为E的射 束照射后,半径为R,的圆柱体CT图像中心的噪声可分别用式(9)和式(10)表示 0.9l o[Ramachandaran滤波丽数 oR 0.71 o[Sshepp&.L.ogan滤波函数 10 os8.1 s、 式中: 投影视角数量 投影数据的采样间隔 CT图像数据噪声的标准差 7.4.3噪声的估计 实际上,计算图像数据噪声的a是很复杂的,因为CT数据是未衰减的射线强度与检测到的信号比 值的自然对数 同样,探测器电子仪器和散射的射线也会带来额外的噪声 当x射线的统计噪声占统 治地位时,可以近似用式(11)表示: 19
GB/T29034一2012 (11 G Lnexp[一24(E)R] 式中 光子数; 4,(E -圆柱体在平均能量为E的射束照射下的线性衰减系数 圆柱体的半径 R0 可以看出,噪声随着n的增大而降低,随着R或者4的增大而增加 实际测量时,首先选定图像中一定大小的均匀区域,测量上面的朋个像素对应的线性衰减系数然 先计算出平均值,见式(12): 12 一 2l m 然后计算 ,见式(13). 三 (13 重建图像的噪声与所选区域的位置有关,越靠近物体的边界,噪声变化越大,因此,不建议选用太大 的区域 7.4.4噪声对对比度的影响 采样过程中,光子噪声服从泊松分布,但多次独立采样的组合更接近正态分布,见式(14): 二3 PDF(m) 14) -exp 2a V2开a 式中: 分布的均值; 标准差 图21显示了含噪声情况下,细节在背景材料上的实际cT扫描结果 在噪声影响的情况下,受到 非理想PSF的影响,细节图像将由图18a)进一步变化为图21a);图21b)显示了图21a)的PDF,可以看 出细节和背景材料的线性衰减系数进一步向两边扩散且相互重叠;图21e)以光滑曲线重绘PDF,图中 分别给出了细节和背景的像素平均值、标准偏差以及它们之间的对比度,该图显示出由于噪声影响,实 际对比度将会下降 在细节和背景材料线性衰减系数分布的重叠区域，细节和背景材料很难区分 ? 图21含噪声情况下细节在背景材料上的实际cT扫描结果 20
GB/T29034一2012 PDF 1.0- PDF 1.0 图21(续 7.5CDD曲线 细节能否被识别,最终取决于肉眼的观察 在50%的检测概率下,有效对比度(Au).可以用式(15) 表示: co声 4) (15 D 式中: 2nm (16 4,p) =y~！ 式(16)除以A并乘以100%,得到百分比对比度,见式(17): 4二丛l×100%之gPx×100% [D>BW门 (17 Ds 细节小于Bw时,有效直径为Bw,对比度减小了D/(Bw,见式(18): 21
GB/T29034一2012 鸟uO o (18 ×100% [DBw的物体的探测能力曲线,短划线表示直径DGB/T29034一2012 100 探测能力与CD曲线 10 探测能力,D>B9p 探测能力,D家月w CDD 0.1 100 10 直径/像素 图22探测能力和CDD曲线的实例 7.6.3性能检验 对于一个指定材料和尺寸的圆柱体,同样可以根据式(17,式(19)和式(21)画出探测能力曲线和 cDD曲线 通过式(12)和式(13)可以计算出圆柱体中心位置处嗓声与信号的比值 /A 使用如图20 所示的小圆柱体,可以用实验方式计算出系统的MTF(1/2D) 图23显示了一个半径为2.54em的铁 圆柱,平均能量为0.8MeV的CT系统的CDD曲线的理论值和实验值 理论和实测的MTF曲线如图 20d)所示,图中理论值与实验值是比较吻合的 因为圆柱体相对较小,散射引起的噪声影响不大 对 于较大的圆柱体,散射引起的噪声增大,曲线将上移
GB/T29034一2012 100 cD曲线 10 理论值 本水来来实验值 铁,R=2.54cm 0. 10 100 直径/像素 图23实际cCT系统的理论和实验CDD曲线(常数e为8.5) 精度和偏差 8.1CT图像可用于定量测量 可以从CT图像得到工件细节尺寸和形状、细节对比度、壁厚,涂层厚 度,材料的绝对密度以及平均原子序数等 8.2cT的使用需要了解相关的精度 偏差的性质和大小主要取决于扫描设备、扫描参数、工件及感 兴趣区域的细节 在实际中,通过对同一细节进行重复扫描,可以确保影响结果的所有因素都被考虑到,例如;光子 的统计涨落,探测器的漂移、线状伪影、点扩展函数的区域差异、物体摆放的位置等,从而获得最佳的测 量精度 8.4不同图像之间的测量值存在差异的原因之一是存在未校准的系统响应,例如在不同的图像间的增 益变化和位置偏移 这类差异可以通过在图像中引人校准材料来去除,即将校准材料对应的测量值作 为标准值 通常将与被测物体材质类似的校准材料放置于物体旁,与被测物体同时扫描成像 除了随机误差外,任何细节的测量都可能产生固定的偏差 这可能是由于图像中的伪影,或是测 量算法中使用了错误的假定导致的 当已知被测物体的实际参数后,就可以在运算中消除偏差 8.6确定CT测量精度和偏差的最佳方法就是对具有已知细节的对象进行重复扫描并进行测量,然后 对测量结果的分布进行分析,这和其他无损检测方法是类似的 一旦限定了检测系统、检测对象和扫描 条件,只要图像中没有引人特殊伪影,就可以估计被测物体的尺寸,组成和结构的精度和偏差

无损检测工业计算机层析成像（CT）指南GB/T29034-2012

工业计算机层析成像（CT）是一种无损检测技术，可以通过对物体进行X射线照射和探测，获取物体内部的三维信息。CT技术在航空、汽车、电子、医疗等领域都得到了广泛应用，成为工业领域中最重要的无损检测技术之一。

GB/T29034-2012标准规定了工业计算机层析成像的指南。该标准要求在进行CT检测前需要对被检测物体进行充分的准备工作，包括选择适当的放射源和探测器，确定检测参数，制定安全措施等。同时，该标准还要求对检测数据进行质量控制、影像重建和评价等。

CT的基本原理是通过X射线对物体进行照射，随后探测器会接受物体背后传递过来的X射线，并将信号转化为数字信号。这些数字信号在经过计算机处理和分析后，就可以得到一个三维的物体模型。

GB/T29034-2012标准中要求CT检测需要先对被检测物体进行分类。根据不同物体的形态、材料等特性，需要选择不同的检测方法和参数，以达到最佳的检测效果。例如钢铁类物体需要用高能量的X射线照射，而塑料类物体则需要用低能量的X射线进行照射。

在CT检测过程中，还需要考虑安全问题和对环境的影响。GB/T29034-2012标准中规定了CT检测应该在专门的检测室内进行，防止辐射泄漏，并保证工作人员的安全。同时，还需要对检测数据进行质量控制，包括对探测器的校准、对图像的切片厚度、重建算法等进行评估。

总之，无损检测工业计算机层析成像（CT）是一种非常重要的检测技术，可以广泛应用于各个领域。GB/T29034-2012标准提供了详细的指南和规范，可帮助我们更好地开展CT检测工作，并保证检测结果的准确性和可靠性。

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