数字射线检测技术专题（一）——概述

郑世才

（新立机器厂，北京 100039）

1 数字射线检测技术

数字射线检测技术（digital imaging in radiology；digital imaging；digital radiography）是可获得数字化图像的射线检测技术。

在最初，比较强调直接获得数字化图像的射线检测技术，但现在，已演变成可获得数字化图像的全部射线检测技术。目前数字射线检测技术可分成三个部分：直接数字化射线检测技术、间接数字化射线检测技术、后数字化射线检测技术。直接数字化射线检测技术是采用分立辐射探测器（DDA）完成的射线检测技术；间接数字化射线检测技术是指，图像的数字化过程需要采用独立单元以单独技术环节完成的数字射线检测技术；后数字化射线检测技术是采用图像数字化扫描装置将射线照相底片图像转换为数字图像的技术。

数字射线检测技术可以方便地运用数字图像处理技术改善图像质量。运用数字射线检测技术，可以建立射线检测技术工作站，可方便地实现信息交换等。

比较胶片射线照相检测技术系统与数字射线检测技术系统，可以看到数字射线检测技术与常规胶片射线照相检测技术的基本不同有两个方面：①采用辐射探测器代替胶片完成射线信号的探测和转换。②采用图像数字化技术，获得数字检测图像。

数字射线检测技术的这些改变，导致为了正确应用数字射线检测技术，必须建立数字射线检测技术的基本理论，深入研究辐射探测器的性能，给出数字射线检测技术控制要求和数字检测图像质量的控制指标。这些改变，也产生了一个必须解决的基本问题：数字射线检测技术与常规胶片射线照相检测技术的等价性问题，即同等缺陷检验能力的问题。

从20世纪90年代后，不断进行了数字射线检测技术工业无损检测应用的研究，已经取得了重要成果，一些有关数字射线检测技术的标准相继制定，为工业无损检测应用提供了基础。数字射线检测技术还在发展中，已经出现了适应数字射线检测技术的新型X 射线管。可以期待，数字射线检测技术在无损检测领域获得更广泛的应用。

2 数字射线检测技术基本理论［1］

数字射线检测技术的物理基础没有改变，它仍是以射线吸收规律为基本原理的射线检测技术。对数字射线检测技术，初始检测信号与常规胶片射线照相检验技术相同，仍然是物体对比度

式中：I为射线强度；μ为射线的线衰减系数；n为散射比；ΔT为小厚度差。

不同的是，对于探测器，一般都工作在线性区，图1显示了分立辐射探测器的这种特性［2］。即可认为图像亮度（L）信号与射线检测信号间近似为线性转换关系

式中：k为常数。

因此对检测图像有：

必须注意的是，获得的检测图像是数字图像。因此，除了原有的透照技术控制理论，图像数字化理论成为应引入的新的技术基本理论部分。图像数字化理论，主要是关于数字图像概念、图像数字化过程、采样定理的有关理论。延伸后是给出的检测图像不清晰度关系式（ISO 标准、欧洲标准，总的不清晰度采用二次方关系）［3］

或（美国标准，总的不清晰度采用三次方关系）

式中：φ为焦点尺寸；M为透照布置的放大倍数；UD为探测器（系统）的固有不清晰度。

式中：SRb为探测器（系统）的基本空间分辨力；Pe为探测器（系统）的有效像素尺寸。

美国材料试验学会标准ASTM E2698－10标准给出的关系式为：

图1 分立辐射探测器的光电转换特性

这些关系，构成了数字射线检测技术控制基础。如果希望深入理解数字射线检测技术，特别是从理论上深入讨论“等价性问题”，则需要成像过程基本理论［1］。

3 数字射线检测技术系统

对于日常工业应用的直接数字化射线检测技术和间接数字化射线检测技术，概括检测技术的检测过程，则它们都可分为透照、信号探测与转换、图像显示与评定三个基本阶段。对于完成一项检测工作，为实现数字射线检测技术标准设定的技术级别（检测图像质量要求），或者为保证检测满足工件技术条件或验收标准设定的缺陷检验要求，上述的数字射线检测技术过程所包含的主要技术可划分为：①探测器系统选择（也可简单说成数字射线检测技术系统选择）。②透照技术。③图像数字化技术。④图像评定技术。

为保证检测处于稳定可靠状态，还应考虑技术稳定性控制方面。这几个方面，可认为共同构成了一个完成检测工作的检测技术系统，各方面的相互关系如图2。

即实现数字射线检测技术标准的技术级别或完成一项具体检测工作，需要按照图2考虑构成一个数字射线检测技术系统。类似于胶片射线照相检验技术，其中的探测器系统选择对于构成数字射线检测技术系统仍处于基础地位。即探测器系统性能对构成的数字射线检测技术系统性能起决定性影响。

图2 数字射线检测技术系统组成

4 数字射线检测技术控制概述

数字射线检测技术控制的目的，简单说就是获得要求的检测图像质量，即达到要求的检测图像质量的对比度和不清晰度（空间分辨力）指标。

技术控制的基础是前面所叙述的数字射线检测技术基本理论。概括起来应控制的方面主要是：探测器系统、透照技术、图像数字化技术、图像显示评定技术、技术稳定性控制。关于探测器系统选择将在第2专题介绍。

4.1 透照技术控制

透照技术主要是透照布置、透照参数、辅助技术（散射防护、增感、滤波）。按照基本理论给出的关系式，对于透照布置的透照方式选取、透照方向确定、一次透照区确定，对于透照参数（射线能量、曝光量、焦距）确定，辅助技术考虑，应与胶片射线照相检验技术作出基本相同的处理。仅是在一些具体方面应考虑探测器特点而作出特殊处理。突出的是，透照布置存在最佳放大倍数、曝光量的确定应以探测器系统的信噪比为基础。

最佳放大倍数是对某个数字射线检测技术系统，可使检测图像获得最高空间分辨力（最小不清晰度）的放大倍数。理论上可给出，当不清晰度采用三次方关系时，最佳放大倍数为：

当不清晰度采用二次方关系时，其为

两式差别不大，试验证实了这些关系式的正确性。曝光量以探测器系统的信噪比为基础选取，类似于胶片射线照相检验技术关于底片黑度限制对曝光量的要求。

4.2 图像数字化技术控制

数字射线检测技术通过图像数字化技术获得数字检测图像。按照图像数字化过程，图像数字化技术控制包括两方面。一是图像数字化的采样间隔，二是图像数字化的量化位数。图3清楚显示了图像数字化的采样间隔对检测图像细节分辨的影响（图中D为图像细节宽度，U为图像不清晰度）。

图3 不清晰度（空间分辨力）对图像细节的影响

关于采样间隔控制，理论上按采样定理处理。实际中可按检测工作要求的检测图像不清晰度处理。

量化位数由图像数字化的A／D 转换位数决定。对它的基本要求是，它必须保证量化分辨力小于最小输入信号、量化最大值大于最大输入信号，量化的动态范围不小于输入信号的动态范围（分贝值）。一个简单的关系是［4］检测输入信号的动态范围（分贝）不大于6B，其中B为A／D 转换位数（bit）。

4.3 图像显示与观察条件控制

图像显示评定技术客观上主要是图像显示与观察条件控制，它的基础是人眼睛的视觉特性。因此，基础方面与胶片射线照相检验技术相同，需要增加的是关于显示器的要求，这在相关标准中都作出了具体规定。

4.4 技术稳定性控制

为保证数字射线检测结果稳定、可靠，必须保证检验技术系统处于稳定受控状态。为此，需要采取的主要措施是，编制检验工艺文件、进行系统性能长期稳定性试验。

由于探测器系统长期使用，其在使用寿命期间性能可能发生的变化，将成为影响技术稳定性的重要因素（其改变可能超出检验应用性能的限制）。因此，必须进行系统性能长期稳定性试验控制。包括：定期性能核查试验；系统修理、更换、更新软件后（系统改变）的特定性能测定试验。通过这些性能测定试验，决定系统是否可继续完成检验工作。编制的检验工艺文件、系统性能长期稳定性试验文件，应成为检验机构质量保证程序的一部分。

（未完待续）

［1］郑世才.数字射线无损检测技术［M］.北京：机械工业出版社，2012.

［2］汪贵华.光电子器件［M］.北京：国防工业出版社，2009.

［3］ISO 17636－2：Non－destructive testing of welds－Radiographic testing－Part2：X－and gamma－ray techniques with digital detector［S］.［s.l］，2013.

［4］江志红.深入浅出数字信号处理［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2012.