摘要:以射线实时成像检测系统为研究对像,从透视成像的角度对射线实时成像检测系统的各个组成部分进行了较为详细的分析。将系统划分为射线透射环节、增强器成像环节、摄像系统变换环节和采集量化环节。从摄像机出发组建统一的坐标系,以此为基础,较为完整地建立了各成像环节的透视变换模型,为进一步进行缺陷的精确定位及定量分析打下了良好的基础。同时对其它相关应用场合也有实际意义。

　　1　引　言

　　射线检测是目前在缺陷无损探伤中应用最为广泛的方法之一,实时成像检测技术的采用使这一方法得到了巨大的发展[1]。在传统的拍片法检测中,系统主要由射线源、被检物体、胶片三者构成,其成像模型较为简单。而在实时成像检测系统中,其组成包括透视成像环节、图像增强环节、摄像机成像环节、数字量化环节等,系统成像质量由这些环节综合确定。作为一个完整的系统,建立其成像模型无疑具有重要意义。在下面的讨论中,我们暂不考虑射线源焦点、增强器固有不清晰度、工件内部散射及量子涨落等影响,仅从纯透视成像角度作一分析。

　　2　实时成像系统的变换模型

　　在实时成像系统中,由于最终的观察是通过摄像机进行的,故我们的坐标系统建立也从摄像机出发。如图1所示,我们以摄像机光学透视中心为原点o,x、y轴方向分别沿与像面平行的水平和垂直方向,z轴与像面垂直,并设z轴与摄像系统光轴重合,o与像面的距离为f(有效焦距)。如此建立统一的坐标系如图1所示。

　　由图1可见,对于空间内被测物上任一点(x0,y0,z0),经射线源透射后在增强器输入面上的像为(xi,yi,zi);经电子光学系统增强后,在增强器输出面上的像点位置为(xp,yp,zp);最后,通过光学系统耦合,落在像面上的位置为(xc,yc,zc)。

　　下面,我们分别讨论各成像环节的坐标转换关系。

　　2·1　X射线透射变换

　　对如图1所示的空间直角坐标系来说,(xi,yi,zi)与(x0,y0,z0)间的关系可由如下仿射变换表达:

　　经过数学分析,我们发现,当被测物相对z轴发生倾斜时,它造成的误差为二次误差,影响较小。由于这里我们主要讨论的是二维成像,且对后续成像环节而言,在正常情况下各特征面的位置相对固定,因此下面主要对二维情况进行分析。

　　当已知射线源射线出口中心坐标(xs,ys,zs)及系统放大倍数M时,对二维情形来说,经推导,上式可简化为

　　2·2　增强器内部转换

　　在增强器内部对X射线光子进行可见光转换、光电子转换、光电子加速与倍增、可见光转换等,其图像增强过程实质上只在二维平面内进行。设放大倍数为ke,则

　　式中η为电子荷质比,η=e/m=1·75880×1011C/kg, ρ0为物点矢径,系数k由εz(轴向初电位)、V(z)(轴上电位分布)等决定,可由有关公式求出[2]。

　　2·3　摄像系统变换

　　根据摄像系统产生透视投影图的成像关系,有

　　2·4　采集过程

　　这部分与前面各环节有所不同。同样,由于它对图像的分辨力及后续处理等均有很大影响,因此有必要进行分析。

　　设CCD在水平方向和垂直方向的像元间距分别为λx、λy,按前述坐标系建立的假设,有

　　3　结　论

　　在射线实时成像检测技术中,缺陷的定位与测量是非常关键的问题。本文对射线实时成像检测系统的各组成部分进行了详细的分析,讨论了各环节的透视变换模型,这对于我们在实际检测中进行缺陷的定量分析具有指导意义。以此为基础,我们可以得到系统被检测表面与像面间的对应关系,从而实现对缺陷的精确定位与测量,这对其它类似的场合也具有重要的应用意义。目前,我们已将上述方法用于实际检测系统的定量分析,并取得了良好的效果。

　　参考文献:

　　[1] R Halmshaw, J N Ridyard. A review of digital radiological meth-ods, British Journal of NDT, 1990,32(1):16-26.

　　[2] [加]W·比尤迪著,缪家鼎译·光辐射实用探测器[M].北京:机械工业出版社,1988.

　　[3]邹定海·三维视觉检测研究及其ADC应用[D]·天津:天津大学博士论文,1992.

　　作者简介:任大海(1971-),男,河北省人,清华大学精密仪器与机械学系博士后,博士,主要从事光电测试技术与控制、微米纳米技术的研究。