数字射线检测技术（DDA）因成像速度快,信噪比与灵敏度高,图片存储及调用容易等优点,近十几年来广泛应用于工业射线检测领域。随着DDA技术的推广,人们对该技术的成像质量有了更高的要求,在有关标准中也对平板探测器的性能指标和长期稳定性提出了要求,在NB/T 47013.11—2015 《承压设备无损检测 第11部分：X射线数字成像检测》 中对系统各项性能指标作出了规定,以此保证整个检测系统的性能,获得达到标准的图像质量。

评价数字射线检测图像质量的3个基本指标是灵敏度、分辨率和信噪比,此3个指标存在一定的关系^[1]：分辨率满足要求的前提是灵敏度达到一定值；灵敏度满足要求的前提是信噪比达到一定值。射线数字成像中的信噪比是指图像选定区域(无缺陷处)的灰度平均值与灰度标准差之比,信噪比高的系统,缺陷检测的灵敏度会提高,信噪比低的系统,即使透照参数达到最优,其缺陷检测的灵敏度也无法与信噪比高的系统相比。因此,信噪比是保证图像质量和体现检测系统性能的关键指标。

文章通过试验,找出检测工艺参数对图像信噪比的影响及规律,为数字射线检测工艺参数的制定提供参考。

1.   试验工件

试验工件为含裂纹缺陷的SUS304不锈钢对接焊板,尺寸（长×宽×高）均为200 mm×200 mm×10 mm。

2.   DDA系统及其组成

DDA成像检测系统主要由射线机、射线接收转换装置（探测器）、计算机系统（图像采集与处理软件、图像显示单元以及图像存储单元）、机械固定（定位）装置等组成,其实物如图1所示。

图  1  DDA成像检测系统实物

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试验DDA系统采用的射线机型号为GULMAY CF320,其最高管电压为320 kV,焦点尺寸有1.0,0.4 mm,测试时选取1.0 mm；平板探测器型号为XRD 0822 AP14,其中闪烁体材料为GOS,单元尺寸(边长)为200 μm×200 μm,成像矩阵为1 024×1 024,A/D转换位数为16位。

3.   试验及结果分析

3.1   管电流对信噪比的影响

对厚度为10 mm的不锈钢对接焊板进行DDA透照试验,改变透照的管电流,依次调节管电流为 1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,3.5,4.0,4.5,5.0 mA,保持其他透照参数不变,其中,管电压设为200 kV,积分次数为15,增益参数为1,单帧曝光时间为200 ms,焦距为760 mm。

测得的数据如表1所示,依据表1,绘制实际管电流与平均信噪比的变化曲线如图2所示。

Table  1.  10 mm厚不锈钢对接焊板的管电流透照试验数据

积分次数	增益参数	管电压/kV	单帧曝光时间 /ms	管电流/mA	测量信噪比1	测量信噪比2	测量信噪比3	测量信噪比4	平均信噪比
15	1	200	200	1.0	247.3	229.5	259.0	236.9	243.1
15	1	200	200	1.5	279.1	236.9	306.6	245.2	266.9
15	1	200	200	2.0	294.0	254.7	329.5	267.3	286.3
15	1	200	200	2.5	318.0	271.7	334.4	296.9	305.2
15	1	200	200	3.0	314.1	278.5	383.0	300.3	318.9
15	1	200	200	3.5	339.8	265.9	393.3	312.2	327.8
15	1	200	200	4.0	345.7	278.8	392.8	324.9	335.5
15	1	200	200	4.5	343.8	273.6	404.3	306.4	332.0
15	1	200	200	5.0	345.1	277.0	400.9	318.4	335.3

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图  2  图像信噪比随管电流的变化曲线

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由图2可知,DDA图像的信噪比随管电流的增大而增大,即随曝光量的增加而增大。这是由于曝光量增加,到达探测器每一成像单元的X射线光子数也大大增加,像素单元中光电二极管（或电极）向电荷存储电容输送的电荷也越多^[2],灰度值将增加,在提高信号强度的同时抑制了影响数字图像质量的电子噪声,因此在一定范围内电流与图像信噪比呈正相关,在电流较大时,图像的灰度值接近饱和,此时信噪比趋于稳定。

3.2   管电压对信噪比的影响

对厚度为10 mm的不锈钢对接焊板进行透照试验,改变透照的管电压,依次调节管电压为150,160,170,180,190,200,210,220 kV,保持其他透照参数不变,其中,管电流设为5 mA,积分次数为15,增益参数为1,单帧曝光时间为200 ms,焦距为760 mm。测得的数据如表2所示,依据表2,绘制实际电压改变与平均性噪比的变化曲线如图3所示。

Table  2.  10 mm厚不锈钢对接焊板的管电压透照试验数据

积分次数	增益参数	管电压/kV	单帧曝光时间 /ms	管电流/mA	测量信噪比1	测量信噪比2	测量信噪比3	测量信噪比4	平均信噪比
15	1	150	200	5	275.7	293.8	154.1	248.2	242.9
15	1	160	200	5	279.5	333.4	170.4	270.0	263.3
15	1	170	200	5	290.2	367.0	181.5	290.2	282.2
15	1	180	200	5	306.6	372.8	197.5	315.7	298.1
15	1	190	200	5	327.1	410.2	204.2	320.6	315.5
15	1	200	200	5	367.6	430.2	210.4	352.4	340.1
15	1	210	200	5	370.6	444.4	215.6	365.0	348.9
15	1	220	200	5	395.0	443.5	224.7	373.5	359.1

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图  3  图像信噪比随管电压的变化曲线

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由图3可知,管电压增加,图像的信噪比在一定范围内增加,相比于射线能量提高导致的图像对比度降低(线衰减系数μ减小),更高能量的光子提高了穿过工件后的射线强度,从而增加了图像的信噪比。因此DDA技术中,适当提高管电压,可以提高信噪比。

3.3   单帧曝光时间对信噪比的影响

对厚度为10 mm 的不锈钢对接焊板进行透照试验,改变透照的单帧曝光时间,依次调节单帧曝光时间为 40,50,100,200 ms,保持其他透照参数不变,其中,管电压为220 kV,管电流设为5 mA,积分次数为15,增益参数为1,焦距为760 mm。测得的数据如表3所示,依据表3,绘制实际单帧曝光时间与平均性噪比的变化曲线如图4所示。

Table  3.  10 mm厚不锈钢对接焊板的单帧曝光时间透照试验数据

积分次数	增益参数	管电压/kV	单帧曝光时间/ms	管电流/mA	测量信噪比1	测量信噪比2	测量信噪比3	测量信噪比4	平均信噪比
15	1	220	40	5	255.3	277.0	202.4	300.2	258.7
15	1	220	50	5	254.5	294.0	214.3	330.7	273.3
15	1	220	100	5	323.6	374.0	268.9	418.4	346.2
15	1	220	200	5	402.2	490.8	293.5	488.5	418.7

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图  4  图像信噪比随单帧曝光时间的变化曲线

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图像传感器的曝光时间实际上就是像元中光电二极管(或电极)持续向电荷存储电容充电的时间。曝光时间越长,电容存储电荷越多,图像灰度越高,但过度曝光会使电荷溢出^[3]；反之,曝光时间越短,电容存储电荷越少,图像灰度越低。因此,增加单帧曝光时间与提高管电流都会增加曝光量,提高图像信噪比。

3.4   积分次数对信噪比的影响

对厚度为10 mm 的不锈钢对接焊板进行透照试验,改变透照的积分次数,依次调节积分次数为5,10,15,20,30,40,保持其他透照参数不变,其中,管电压设为230 kV,管电流为5 mA,增益参数为1,焦距为760 mm。测得的数据如表4所示,依据表4,绘制实际积分次数与平均性噪比的变化曲线如图5所示。

Table  4.  10 mm厚不锈钢对接焊板的积分次数透照试验数据

积分次数	增益参数	管电压/kV	单帧曝光时间 /ms	管电流/mA	测量信噪比1	测量信噪比2	测量信噪比3	测量信噪比4	平均信噪比
5	1	230	200	5	280.2	188.6	290.3	280.9	260.0
10	1	230	200	5	339.5	202.0	327.7	343.4	303.1
15	1	230	200	5	353.5	212.3	341.1	372.2	319.7
20	1	230	200	5	365.2	208.4	358.9	374.9	326.8
30	1	230	200	5	367.7	214.3	363.3	391.6	334.2
40	1	230	200	5	376.9	216.9	373.9	411.9	344.9

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图  5  图像信噪比随积分次数的变化曲线

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积分次数即是对同一检测对象不同时刻的图像进行采样叠加。在检测过程中,大量光子照射在DDA探测器上被转换层吸收和转换,最后采集得到数字图像。由于光子照射是随机的,探测器的转换层吸收也是随机的,因此叠加平均可以降低随机噪声的幅度,以达到提高信噪比的目的。由图5可见,N帧图像叠加后得到的图像信噪比符合提高了N倍的规律,并且随着叠加图像帧数的增多,信噪比也随之提高。

3.5   增益参数对信噪比的影响

对厚度为10 mm的不锈钢对接焊板进行透照试验,改变透照的增益参数,依次调节增益参数为0.25,0.5,1,2,保持其他透照参数不变,其中,管电压设为150 kV,管电流为5 mA,单帧曝光时间为200 ms,焦距为760 mm。测得的数据如表5所示,依据表5,绘制实际增益与平均信噪比的变化曲线如图6所示。

Table  5.  10 mm厚不锈钢对接焊板的增益透照试验数据

积分次数	增益参数	管电压/kV	单帧曝光时间/ms	管电流/mA	测量信噪比1	测量信噪比2	测量信噪比3	平均信噪比
15	0.25	150	200	5	286.1	241.3	234.7	190.5
15	0.5	150	200	5	272.5	239.2	240.2	187.9
15	1	150	200	5	276.5	241.7	231.3	187.3
15	2	150	200	5	271.3	223.3	241.4	184.0

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图  6  图像信噪比随增益参数的变化曲线

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增益参数是系统输入信号与输出信号之比,其作用是将输入的信号进行线性放大,输入信号包含图像信号及噪声,因此,增益对图像信号及噪声同时进行放大。如图6可知,随着增益参数的增大,信噪比有小幅降低的趋势。其原因为：当通过提高增益参数来使图像灰度值达到某一特定数值时,所需要的曝光量或管电压相对较小,这必然引起信噪比降低；另外,信号与噪声经过同样的放大倍数,信噪比公式中,作为信号的灰度平均值（分子）基本不变,而作为噪声的灰度值均方根（分母）实际上有所放大,也在一定程度上降低了信噪比。

4.   结论

（1）在其他参数保持不变的情况下,管电流的增大与单帧曝光时间的增加即为曝光量的增加,DDA图像在一定范围内的信噪比随曝光量的增加而增大,当曝光量达到饱和时,信噪比几乎不再变化。

（2）在一定的范围内,射线信噪比随着管电压的增大而增大,几乎呈线性关系。

（3）积分次数通过对采集到的图像进行叠加降噪,与信噪比大致呈的关系。

（4）增益增大会使信噪比小幅降低。