CN1244658A - 慢扫描ccd射线图像检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种射线检测领域的慢扫描CCD射线图像检测方法及装置。采用慢扫描(科学级)面阵CCD相机辅助以减小、屏蔽射线对相机的辐照及其散射对图像干扰的措施,对荧光屏上0.1—15MeV射线被检构件微光图像实现高动态、高信噪比增强和低噪声传输的方法及装置。它有效地解决了现有射线图像增强及传输技术存在的动态范围小、噪声大和不能同时兼顾高、低能射线检测的缺点,获取的图像经常规数字处理,其检测灵敏度、分辨力分别可达到0.5%、31p/mm的先进水平,而成本仅为同类水平技术的三分之一。

Description

慢扫描CCD射线图像检测方法及装置

本发明涉及一种慢扫描(科学级)CCD相机辅助以减小、屏蔽射线辐照及其散射干扰措施，实现荧光屏上被检构件0.1-15MeV射线微光图像高信噪比增强及低噪声传输的慢扫描CCD射线图像检测方法及装置。属于射线检测技术领域。

射线图像检测主要是指射线数字图像(DR)检测，它是以被检构件透视的数字图像对构件内部结构形态及其缺陷实施检测的技术，由于射线透视场是射线的强噪声场，所以如何得到高信噪比的被检对象透视图像一直是DR检测研究的核心技术传统的胶片照相检测，采用透视射线在感光胶片上长时间曝光，在增强被检构件图像的同时，使在时间、空间上随机分布的射线散射和量子噪声得到了有效地平均处理，从而可获得清晰的胶片图像。

现有线扫描DR检测(简称第一类DR检测技术)，采用了在被检构件前后射线光路中设置准直器的方法，控制射线散射对扫描图像的干扰。它以从前准直器狭缝发射出来的片状扇形射线扫描被检构件，控制射线在被检构件上照射的空间，减少散射线剂量；再以与前准直器同步移动的后准直器狭缝，限制散射射线到达狭缝末端，从而保障位于后准直器狭缝末端的线阵探测器可以扫描出构件的高信噪比图像。现已采用此技术实施高、低能射线的DR检测，其检测灵敏度可达到0.5-1.0％，分辨力为2lp/mm，它代表了现有DR检测的最高水平。美国BIR公司生产的工业射线CT设备，在做DR检测时，就是这种技术。由于它涉及复杂、精密的机电装置，技术成本高，使用场合受限制，加之采用线扫描检测，获取一幅图像时间较长，因此难以为工程广泛采用。

目前应用最多的是一种低能射线DR检测技术(简称第二类DR检测)，以目前处于市场垄断地位的PHILIPS、ANDREX公司为代表。它以近贴在图像增强器光电阴极上的荧光屏，完成被检构件射线微光图像转换，以高增益电真空器件图像增强器对屏上微光图像增强，通过电视摄像机完成增强图像的视频输出。这种以实时显示被检构件透视图像为特征的技术，没有抑制射线散射和量子起伏噪声造成图像污染的功能，且增强器本身动态范围不大于250，限制了增强图像的质量。图像的视频输出又增加了视频化噪声。加之它的图像增强器处于射线直接辐照之下，当射线能量超过400kV时，使用寿命已无法保障。此种技术做DR检测时，图像数字化后，以64-256幅图像叠加，进行数字降噪、增强处理，检测灵敏度可达1.5％，分辨力为2-3％lp/mm。由于技术简单、使用方便、成本低(售价约80万元/套)，在中、小型金属构件和非金属构件DR检测中获得了广泛地应用。

对于2-15MeV高能射线DR检测，现有技术(简称第三类DR检测技术)，它与上述第二类技术相似。为了适应高能射线检测，采用了分离的荧光屏，屏后光路加装反射镜，将承担图像增强和视频图像输出的低照度摄像机置于射线照射场之外，并加适当的射线辐照屏蔽，以防止高能射线的辐照。同第二类技术一样，检测系统对高能射线在被检构件及环境中产生的强散射及量子噪场干扰，没有抑制功能，并同样存在视频化噪声，摄像机图像动态范围仅在200左右。因此尽管数字化后，同样采用多幅图像叠加，做数字降噪、增强处理，图像检测灵敏度(2.0％)仍达不到胶片照相0.5-1.0％的水平。它的特点是可以对大型构件实施低技术成本的DR检测，美国Varian公司为它的2015MeV电子直线加速器配备的DR检测设备，即属于此类技术。

现有DR检测，从原理上，均可归纳为上述三类技术，其中第二、三类技术具有使用方便、技术成本低的突出特点，但由于不具备抑制图像噪场的功能，图像动态范围小，不可能获取高质量的图像。第三类技术，虽然可以获得高质量的图像，但昂贵造价和对使用场合的苛刻要求，难以广泛采用。

本发明的目的在于提供一种新型的DR检测技术，即：慢扫描CCD射线图像检测方法及装置，通过对荧光屏上微光图像进行高动态、低噪场增强与传输，辅助以减少、屏蔽射线辐照及散射线干扰的检测装置，使获取的图像质量达到上述第一类技术的先进水平，而技术成本仅为该类技术的三分之一，且可覆盖0.1-15MeV高、低能射线检测的需求。

本发明的目的是以下述方法实现的：

采用慢扫描面阵CCD相机，通过控制曝光时间、增益、偏置等工作参数，使荧光屏上被检构件微光图像和射线散射的光子，在小暗电流、低噪声、大容量的CCD势阱中进行充分地积累，使散射射线和量子噪声通过这种累积得到有效地平滑，而被检构件微光图像得到充分地增强，从而在面阵CCD中获得高信噪比的电子图像；再采用直接传输从CCD出读出的模拟电子图像，并数字化，实现电子图像低噪声传输，且使图像动态范围达到103以上。

本发明目的是以下述减少、屏蔽射线对相机照和散射线对图像干扰的装置实现的：

与CCD相机曝光动作同步控制射线发射的启动和停止，以装在射线源射线出口处的准直器，按被检构件检测要求，控制射线发射的最小束角，从而使射线辐照时间、空间减到最小，采用在高动态、高分辨力荧光屏之后加装反射镜的光路设计，使屏上光路偏移出射线照射场之后进入CCD相机，且将CCD相机连同它的大口径镜头置于加厚的铅质屏蔽箱之内，于是在对相机实施防环境射线辐照的同时，有效地控制了环境中散射射线对图像增强的干扰；封装荧光屏和反射镜的壳体，包括反光镜以射线弱散射材料制作，使透视被检构件和荧光屏的射线及产生的大部分散射线直接穿过反射镜和壳体，不参予图像光电转换，且使反射镜、壳体中产生的射线散射减到最小；为了减小包括环境在内的各种散射射线从相机屏蔽箱窗口进入相机，在相机屏蔽箱之前的光路中加装一种只允许可见光进入的散射射线屏蔽腔，可有效地抑制来自相机屏蔽箱窗口散射射线对图像增强的干扰。

下面结合附图和实施例，对本发明加以说明。

图1、慢扫描CCD射线图像检测方法及装置示意图；

1-射线源、2-准直器、3-被检构件、4-闪烁荧光屏、5-反射镜。

6-镜头、7、8-小反镜、9-散射射线屏蔽腔、10-镜头、11-慢扫描CCD相机、12-相机屏蔽箱、13-控制器、14-图像计算机、15-射线控制器、16-图像处理与控制软件包、

图2、便携式CCD射线图像检测方法及装置示意图；

17、21-X射线控制器、18-X射线内视仪及支架、19-控制箱、20-图像处理器、21-射线控制器、22-专用软件包、23-电视监视器

图3为工业检测CCD射线图像系统示意图；

25-被检工件、26-内视仪、27-检测台、28-图像处理系统、29-图像拷贝器、30-射线控制器、31-监视器、32-电子直线加速器

图4为高能射线CCD图像检测系统示意图

33-火箭发动机、34-内视仪、35-大型检测台、36-操作台、37-内视仪控制器、38-图像计算机、39-图像拷贝机、40-监视器、41-射线控制器。

图1为本发明方法及装置的描述，图2-图4是本发明的实施例。

在图1中，件(2)是件(1)射线源射线出口的准直器，根据件(3)的被检构件检测要求，控制射线束角。件(4)是闪烁晶体荧光屏，与现有荧光屏设计、选择不同，允许从高动态灵敏度、高分辨力，保证与CCD光谱匹配，兼顾射线光子转换效率(荧上图像亮度)进行设计、选择。件(5)是反射镜，它将屏的光路偏移出射线照射场。件(6)是封装荧光屏、反射镜的壳体，内壁发黑消光，它与反射镜采用工程塑料或其它弱散射材料制作，件(6)与件(4)、件(5)构成射线(微光)图像转换器。

件(9)是散射射线屏蔽腔，腔体材料为铅，内壁发黑消光，腔体上入射、出射窗与件(7)、件(8)小反射镜，使来自射线图像转换器的光路在腔内平移之后进入相机屏蔽箱的入射窗，用于遮挡腔外散射线从相机屏蔽箱入射窗口进入相机。件(11)为慢扫描面阵CCD相机，件(10)是高聚光力的大口径镜关，它使荧光屏微光图像成像在CCD芯片上。件(12)是相机屏蔽箱，既屏蔽环境中射线对相机的辐照，也屏蔽环境中射线进入相机造成图像增强的干扰，是一个加厚的铅箱。

件(13)是相机控制器，在件(14)图像计算机上通过它控制相机曝光时间、增益和偏置，使荧光屏上微光图像转化成高信噪比、高动态范围的CCD电子图像，并通过它直接检相机中出该种电子图像，不做诸如视频化等任何处理，或者就地完成图像数字化再传输，或者在传输电缆终端完成图像数字化，使图像实现低噪声传输。

件(14)为图像计算机，对单幅数字化图像作数字降噪、数字增强处理，同时完成相机的上述工作控制，并与相机曝光动作同步，通过件(15)射线控制器控制射线源射线发射的启、停。件(16)是实现上述处理、控制的专用软件包。

图1所描述的本发明装置可归纳为三部分：第一部分是由件(1)、(2)和(15)构成的带有准直器的可控射线源；第二部分是由件(4)-(13)构成的射线内视仪；第三部分是由件(15)、(16)构成的检测操作系统，它通过系统的图像计算机及其专用软件对第一、二部分实施检测控制，完成图像数字处理、缺陷识别及图像显示、拷贝。

下面以三个实施例，对本发明方法及装置再进一步加以说明。

图2是一种便携式CCD射线图像检测系统，它是为工程施工现场检测中、小型管道焊接质量和旧管道内部锈蚀、堵塞情况而设计的。图中件(17)是带准直器的200KV便携式X-射线机；件(18)是重量为8Kg、外形尺寸为150×180×350mm³的便携式射线内视仪，它的射线入射窗(荧光屏)尺寸为φ120，图像格式为1024×1024×12bit；件(19)是内式仪控制器，对慢扫描CCD相机实施控制，并将相机输出的模拟电子图像数字化，输送给件(20)的笔记本计算机；件(20)的笔记本计算机利用件(22)专用软件包，一方面通过件(19)控制内视仪、通过件(21)射线控制器控制件(17)射线机(射线机管电压、管电流及射线发射启、停)，另一方面完成图像数字处理、缺陷识别与显示；件(23)是配备摄像机的检测现场小型电视监视器。显然，该种DR检测系统以小型、轻便、高图像质量、低技术成本、操作简单等特点而优于现有的工程现场的各种DR检测技术。

图3是本发明的工业检测CCD射线数字图像系统示意图，它是为检测工业生产构件或技术单元内部结构形态(如装配关系)和制造缺乏而设计的。件(24)是为带准直器的450KV可控X-射线机，件(25)是被检构件或技术单元。件(26)是射线内视仪，它与相机控制器合为一体，输出数字图像，它的荧光屏有效尺寸为200×200mm²，图像格式为2048×2048×12bit。件(27)是专用的两平移自由度检测台。件(28)是图像计算机，除对射线机(通过机内控制卡和件(30)射线控制器)实施遥控之外，还完成图像处理、结构形态及缺陷的识别，并通过件(29)图像拷贝器对检测结果进行硬拷贝。件(31)是监视器，用以监视检测现场工作状态。这种DR检测系统能以0.5％检测灵敏度和3lp/mm分辨力的高质量图像和相同的技术成本取代现有第二类DR检测技术(检测灵敏度为1.5％，分辩力为2-3lp/mm)。

图4是本发明的高能射线DR检测实施例。它是为检测远程火箭发动机及其装填的推进剂缺陷而设计的。图中件(32)是带准直器的6MeV可控电子直线加速器，可提供2000lad/min·m的大剂量X-射线，件(33)是口径为500-100mm的远程火箭发动机；件(34)是射线内视仪，它的荧光屏窗口为400×400mm²，提供的图像格式为4096×4096×12bit，为避免高能、大剂量射线对件(37)内视仪(相机)控制器的辐照，内视仪控制器及图像数字化置于内视仪传输电缆的终端；件(35)是大型检测台，为保证有高的检测速度，该检测台和件(41)的加速器射线控制器由件(36)操作台及其(内部)工控机实施控制，控制加速器的工作，并赋予发动机绕轴线转动和平移，该操作台与件(38)图像计算机联网通信，实现对发动机全方位的连续检测。件(39)是图像拷贝机，件(40)是检测现场监视器。该套系统将以高达0.5-1.0％检测灵敏度和2lp/mm的图像质量，将大型火箭发动机的DR检测推向新的发展阶段。

本发明的上述方法及装置，已通过样机实验考核，与现有技术相比，它的技术效果表现在：

1、它可采用0.1-15MeV的X或γ射线、对10-300mm等效钢厚的各类大、中、小型构件实施多种DR检测，不像现有第一类技术那样仅使用于400KV以下射线，不能检测大型构件，也不像第一类技术那样涉及复杂、精密的机电装置，而使应用场合受到限制；

2、对于10-300mm等效钢厚各种构件或技术单元，它的图像检测灵敏度和分辨力分别高达0.5％和3lp/mm，为现有DR技术的最高水平，远高于现有第二、三类技术，而与第一类技术相当；

3、它的图像格式由慢扫描CCD像元数决定，要为：1024×1024×12bit-4096×4096×12bit，一次检测的单幅图像可达400×400mm²，与现有第二类技术最大检测面积相当，一次检测时间为秒级，比现有第一类技术检测时间短，为准实时检测，满足绝大多数DR检测的速度需求；

4、它具有现有第二、三类技术的简便、低成本的特点，远不像现有第一类技术那样复杂、昂贵，其技术成本仅为现有第一类技术的三分之一，是一种低成本技术；

5、它所构造的各种DR检测系统，均可方便地实现计算机遥控操作，比现有第一类技术易于开发、使用，比现有第二、三类技术具有更强的操作控制功能。

Claims (5)

1、一种慢扫描CCD射线图像检测方法，其特征是：对于0.1-15MeVx、y射线，利用慢扫描面阵CCD相机特有的低噪声光电积分特性，通过控制它的曝光时间等参数，使荧光屏上被检构件射线微光图像和散射射线等噪声的光子，在CCD势阱中充分地积累，使射线散射等噪声得到有效地平滑，而获得高动态范围、高信噪比的电子增强图像。

2、根据权利要求1所述的慢扫描CCD射线图像检测方法，其特征在于低噪声光电积分特性的传输方法是以视频电缆直接传输面阵CCD的模拟电子图像。

3、一种慢扫描CCD射线图像检测装置，包括：射线发射可控的射线源和源的射线准直器、装有荧光屏和反射镜的(微光)图像转换器：射线科像转换器光路之后的射线散射屏蔽腔图像计算机及专用处理、控制软件：其特征是采用慢扫描CCD相机组(含镜头、相机屏蔽箱、相机控制器及视频电缆等)，检测时，只有射线图像转换器处于射线场之内；射线发射的启动、停止与CCD曝光时间同步控制，由源的准直器、控制射线发射的最小角，射线图像转换器按射线弱散射体设计，以散射射线屏蔽腔遮挡屏蔽进入相机屏蔽箱光学窗口的散射线，以加厚铅质相机屏蔽箱屏蔽环境中散射线对相机辐照，并减小此种辐照对图像增强的干扰。

4、根据权利要求3所述的慢扫描CCD射线图像检测装置，其特征在于所述的荧光屏选择、设计允许优先考虑动态范围、分辨力和光特性，兼顾射线量子转换效率，封装荧光屏、反射镜的壳体内壁发黑消光，壳体与反射镜以工程兼或其它射线弱散射材料制作。

5、根据权利要求3所述的慢扫描CCD射线图像检测装置，其特征在于所述的为内壁发黑的铅质腔体，开有入射、出射窗口，内装反射镜，其光路设计保证荧光屏上微光图像能够无遮挡地进入CCD相机，而屏蔽腔外部的散射射线不能从相机屏蔽箱窗口进入相机。

Images