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工业CT设备分析与扫描定位方法毕业论文目录第一章绪论11.1 从“盒子里装的是什么”说起11.2 选题背景和意义11.3 主要研究内容11.4 本章小结2第二章 CT基础知识32.1 CT历史简介32.2 CT应用及发展现状42.3 CT的基本原理62.4 CT物理知识82.4.1 X射线产生机理82.4.2 X射线物理性质82.4.3 X射线与物质相互作用92.5 本章小结11第三章 工业CT的基本组成123.1 工业CT的基本结构123.2 射线源123.3 机械扫描系统133.4探测器系统143.4.1分立探测器153.4.2面探测器153.5数据采集系统163.6 准直器163.7计算机系统173.8 本章小结17第四章 工业CT图像质量的影响因素分析194.1 图像质量的含义194.2 空间分辨率194.3 密度分辨率204.4改善图像质量的措施214.5 本章小结21第五章 X射线扫描定位新方法225.1 目前扫描定位方法的不足225.2 扫描定位新方法介绍225.3 扫描定位新方法的优点245.4 本章小结24第六章 基于Pro/E5.0的验证模型建立256.1 关于建模的介绍256.2 旋转坐标系的建立256.3工作台、工件和标志架的建立266.4 射线源和标志点的建立266.5 像片和像片坐标系的建立276.6 射线建立和投影点尺寸标注286.7 本章小结29第七章 基于MATLAB的数值计算307.1 MATLAB简介307.2 运用MATLAB进行数值计算307.3 本章小结32总结33参考文献35致谢36II第一章 绪论1.1 从“盒子里装的是什么”说起在1895年伦琴发现X射线以前，想要在不打开盒子的情况下看清盒子 里放的是什么，除非盒子是透明的，否则几乎是不可能的。如今，在机场或者车站，不打开旅客的行李进行安全检查，已经司空见惯了。 在人类的科学研究、生产活动乃至医疗诊断中，类似“不打开盒子看清盒子的东西”的问题可谓是数不胜数，随时可以碰到。这种技术用一个科学术语来概括，就是“无损检测”。 所谓的“无损检测”是相对于“有损检测”来说的。例如，检测一块铸铁毛坯，要检测内部是否有气孔，将其一片片切开无疑是一种办法。然而，这样不仅费工费时，材料也会因此被破坏而无法使用。而对于一批铸铁毛坯，进行抽样切开检查从统计学来说，不失为一种好方法。虽然无法全面反映该批毛坯，但保证了剩下毛坯的完好。对于普通的零部件或产品，用抽样检查的方法进行检测，结果不完全准确，但是可以接受的。然而，对于非常重要的零件或材料，致命的缺陷可能意味着致命的后果。例如，飞机上一个小小零件的缺陷可能带来机毁人亡的重大事故，这样，抽样检测的方法就显得可靠性不够了。20世纪以来，从开始的射线照相技术，到超声波检测再到工业CT技术，无损检测得到了快速发展。现今，工业CT成了解决“盒子里装的是什么”问题的最佳方法。1.2 选题背景和意义上世纪80 年22代以来，工业CT技术得到快速的发展，成为公认的最佳无损检测手段1。然而，扫描定位方法一直没有大的变化，主要是采用旋转编码器或者光栅尺来对X射线定位2，这种扫描定位方式制约了CT结构的紧凑，并有以下缺点：扫描机械制造成本高，X射线剂量大，数据采集速度慢，投影数据误差大，重建图像质量低等。因此，改善工业CT扫描定位方式对其发展起着重要作用。 1.3 主要研究内容进行相关资料的查找及研究，明确工业CT的背景知识，熟悉Pro/E和MATLAB两个软件的使用方法，并完成以下内容：（一）了解工业CT的结构组成，认识各部件的工作原理，掌握CT成像原理，清楚从射线照射到CT图像重建的流程（二）总结当今世界上提高工业CT精度的方法（三）采用X射线容积摄影实现图像重建的新方法，根据数字摄影测量和机器人学等的定位原理，将扫描定位的方法，由现今工业CT的仪器测量得到转变为计算得到（四）运用Pro/E建立简单的模型进行仿真，得出投影点的坐标（五）运用MATLAB编程，根据已知数据，确定X射线和射线源的位置，并与预置的位置进行比较1.4 本章小结本节首先以“盒子里装的是什么”为例子，说明有损检测手段的不足，进而引出了无损检测的概念，而最佳的无损检测手段工业CT被顺理成章地引了出来。接着，主要讲了工业CT目前在扫描定位方面存在的问题，而本课题正是在这样的背景下提出的。最后，明确了本次毕业设计的内容，说明了要学习的新知识和要完成的任务。第二章 CT基础知识2.1 CT历史简介1826年5月，挪威物理学家阿贝尔展开了对轴对称物体截面的研究，提出了利用截面信息来恢复物体横截面的断层成像概念，为后来CT的诞生和发展提供了理论依据。1985年11月，德国物理学家伦琴在进行阴极射线实验时，发现在离试验台2米远处的荧光屏在闪烁，经过进一步的研究，他断定这种射线不可能是阴极射线（电子束），因为阴极射线绝对不可能穿过那么长距离的空气，而且他认为这与当时已经发现的紫外线、红外线完全不同，并给它起了一个有点神秘的名字X射线。第二年，法国科家贝勒尔在进行磷光实验时，发现了一种与X射线性质相似的不可见光射线。这两种射线的发现，成为射线检测技术的物质基础。很快，以射线照相技术为代表的各种射线检测技术得到了发展和推广。直至今天，射线照相技术依然随处可见，发挥着不可替代的作用。然而，由于射线照相技术应用的原理，其存在固有的缺点。首先，最主要的是本来是三维的实际物体经过射线照相之后，只能得到二维的图像，射线经过路径上的所有材料都重叠在一起，使得密度分辨率得到严重限制；其次，由于照相的胶片要经过显影、定影和晾干等过程，实时性差。 1917年，在阿贝尔提出的断层成像概念基础上，奥地利数学家Radon在一篇国家级研究报告中，提出了著名的Rodon变换。该变换指出，物体任一个截面可以用若干个投影数据来表示；相反，由某截面的若干个投影数据可以重建该截面图像。尽管这个理论最初图2.1 传统断层图像的成像原理是应用在无线电天文学中，但也不妨碍其成为CT产生的数学基础的事实。1921年，物理学家Bocage针对X射线照相技术存在的前后图像重叠的缺点，提出了断层成像技术的雏形。根据他的方法，检测设备由X射线管。探测器和保证管子与探测器同步运动的机构组成。如图2.1所示，该方法能使得感兴趣的平面a成像清楚，而平面a的上下平面成像模糊。在图2.1中，X射线管自左向右运动，胶片则从右到左相反方向运动。调整好两者的运动速度，就可以选定焦平面上的点A和点B在胶片上的成像位置保持不变；另外，当X射线管左右移动时，不在成像平面上的点a或者点b就要不断移动。这样就在焦平面上得到了清晰的图像，而焦平面之外的结构就变得模糊。无可置疑，这种断层成像技术在一定程度上取得了成功，它使得可以产生感兴趣部分的清楚图像，这在当时的检测界引起了不小的轰动。然而，成像平面的密度分辨率仍然较低，变模糊的图像依然要叠加在断层图像上，明显影响了图像质量。1963年，美国物理学家Cormack首次，将Rondon变换理论付诸实践并取得成功。他用射线在180范围内以7.5为增量，扫描25次扫描铝塑料模型，计算出模型的对射线的吸收系数。但遗憾的是，当时几乎没有人注意到他的工作。1972年，英国的Hounsfield研制出了第一台医学CT。当时，由于射线强度低，需要9天才能完成图像数据采集；由于计算机计算速度慢，需要2.5个小时才能重建出一幅图像。尽管如此，这依然是无损检测发展史上一个的里程碑，Hounsfield也因此获得了诺贝尔医学奖。20世纪80年代初，CT从医学延伸到了工业上。从70年代到90年代，根据扫描方式分，经过了5代的发展，其特点均是逐一对每个截面用二维的射线进行扫描再重建图像。20世纪90年代以后，出于降低扫描时间和三维成像的考虑，螺旋CT和锥束CT应运而生。螺旋CT可以一次性扫描多个断层，大大缩短了扫描时间，对于实时成像有着重要影响，而平板探测器的出现对其发展有举足轻重的作用。然而，螺旋锥束CT目前只是应用在医用CT上，在工业CT中的应用尚处于实验阶段。随着对精度和检测效率要求的提高，螺旋锥束工业CT在未来将会得到越来越广泛的应用。2.2 CT应用及发展现状2.2.1 CT的应用从第一台CT被发明以来，已经经过了5代的发展，对社会经济的发展起到了巨大的推动作用。其被广泛应用于医学、工业、航空、军事、考古、海关等众多领域，检测的对图2.2 用工业CT检测弹药 图2.3一种工业CT外形象包括航空发动机、导弹、精密零部件、化石、毒品等。由于其具有密度分辨率高，实时性好等优点，被公认为最佳的无损检测手段，也被评为20世纪后半期最伟大的十大科技成果之一3。其中，应用最为广泛、技术最为成熟当属在医学领域。医用CT门类齐全，包括心脏CT、肺CT、脑CT、全身CT等。由于其扫描时间短，可以很好地对心脏、肺部等进行断层成像，避免了由于生理运动原因造成的伪影4。同时，使用的X射线源一般低于150kv，降低了病人的辐射伤害。工业CT是CT另外一方面运用。在上世纪80年代，美国就开始花巨资研发工业CT，以检测军用的航空发动机的缺陷。而如今，工业CT在检测美国的三叉戟潜射导弹等国防武器方面发挥着极为重要的作用。工业CT可以使得各种工业产品投放市场或者服役前得到最为严格的检测，使得飞机、汽车、导弹等一系列工业产品的质量得到极大的提升5。2.2.2 CT的发展现状自20世纪80年代以来，工业CT经过30多年的发展，已经到达了一个全新的阶段。现在，尽管工业CT发展已经比较成熟，但仍存在不少不可忽视的问题有待解决：图像重建时要求射线的能量是单一的，这样才使得其对同样的物质有相同的衰减系数，而通常情况下X射线的能量是连续谱，能量不同的X射线在扫描时便会产生投影误差，进而影响图像重建；扫描平台或者射线源探测器的微小扰动都会造成投影误差；各种类型的噪声和探测器各单元响应不统一会对图像质量产生严重影响；在重建图像时，选取的算法也会对图像产生一定的影响等6。总之，如何减小CT系统的误差并提高CT的检测速度将是今后专家学者们努力的方向，表2.1是国内外典型工业CT的性能参数。表2.1 国内外典型工业CT的性能参数研制单位清华大学重庆大学美国BIR公司俄罗斯探伤公司主 要 性 能 参 数检测工件直径1200mm1000mm6000mm3000mm射线源X射线，射线X射线，射线X射线，射线X射线射线能量100kV12MeV100kV15MeV100 kV 80MeV100 kV60MeV探测器数2048204820481024空间分辨率0.5mm0.5mm0.1mm0.3mm密度分辨率0.4%0.5%0.4%0.5%重建图像像素2562565125121024102425625651251210241024204820484096409620482048典型扫描时间38min38min25min35min目前，当今世界上工业CT研究水平比较高的国家有美国、俄罗斯、德国、日本澳大利亚、中国等，美国作为当今世界上工业CT研制水平最高的国家，在1996年成功研发第一套中能工业CT系统之后，2000年新的锥束工业CT研制成功并投入市场， 2008年研发出了当今世界最高能的60MeV工业CT系统，能对直径8米的设备进行检测7。此外，俄罗斯探伤公司，德国西门子公司，日本东芝公司等在研制工业CT方面走在了世界的前列。我国从20世纪90年代初开始进行工业CT的研制。1990年，清华大学研制出中国第一台工业CT实验系统。2000年，清华大学开始高能工业CT的研究，经过数年的发展，其在高能工业CT方面达到了国内领先国际一流的水平。重庆大学在2004年研制出了中国第一台大型工业CT，其研制的工业CT在检测国家的军事武器等方面有着举足轻重的作用，也是“神六”“神七”零部件检测的工业CT供应商8。此外，中物院、首都师范大学、上海交大、兵器工业总公司二0四所等高校或单位在工业CT的研制方面都取得了一定的成就。20多年来，我国在工业CT上从无到有，从弱到强，已经取得了可喜的成绩。但从表2.1可以看出，我国在在高能X射线工业CT，检测工件的直径，重建图像的质量等方面我国与发达国家仍存在相当大的差距。2.3 CT的基本原理CT的基本原理是基于射线跟工件物质的相互作用，射线经过工件后强度发生衰减进而得到投影数据，将投影数据重建，得到工件的断层图像。CT的射线可以为X射线或者射线，两者工作原理相同，因X射线应用更为广泛，下面以X射线工业CT来说明CT的工作原理。X射线从工件中穿过时，便会发生散射，进而衰减。如图2.4所示射线衰减的能量主要跟工件的密度有关（说明一下，本文的密度指的都是辐射密度，与材料密度不完全相同），也受到X射线能量的影响。在X射线能量一定的情况下，工件的密度越大，对X射线的衰减作用越大。图2.4 X射线的衰减当一束单色X射线束通过密度均匀的工件时，发生如图2.4所示的衰减，衰减量由以下式子（即Beer 定律）决定 I=I0e-L （2.1）式中，I为X射线入射前的强度I0为X射线入射后的强度为线性衰减系数L为X射线经过的路径长度式（1.1）可改为以下形式 =-ln(II0)/L （2.2）通常，沿X射线路径上的物质密度是不均匀的。假设，沿X射线上的物质被分成很多单元，每个单元的长度为，足够小，那么每个单元内的密度就可以认为是均匀的，每个单元内的衰减系数也是一定的，如图2.5 所示图2.5 射线衰减示意图由穿入第一个单元的X射线强度为I0，穿出第一个单元的X射线强度为I1， I1=I0e-1 （2.3）式中，1为第一个单元的衰减系数 I1既为第一个单元的X射线透射强度，也为第二个单元的入射强度。假设，第二个单元的透射强度为I2，衰减系数为2，则 I2=I1e-2=I0e-1e-2=I0e-（1+2） (2.4)以此类推，可以得到 In，即最后一个单元的透射强度 In=I0e-（1+2+n） (2.5)式(1.5)可转化为1+2+n=-ln(I0In)/ （2.6）式中 n为第n个单元的衰减系数In为第n个单元透射后的强度式（2.6）表明，在某一X射线路径上，假如知道了I0、In、，那么该路径上物质衰减系数的总和（1+2+n）可以求出来因为一条X射线束扫描，只能得到一条方程。而该方程的未知数往往远远大于一，因此要围绕着工件，在不同的方向对其进行扫描，得到足够多个方程，进而求出每个单元的衰减系数，重建出工件截面的CT图像。在此，有必要对CT图像作出说明，CT图像的本质是衰减系数图像。通过计算机对获取的投影值进行一定的算法处理，可求解出各个单元（即体素）的衰减系数值，获得衰减系数值的二维分布（衰减系数矩阵）。再按CT值的定义，把各个单元的衰减系数值转换为对应像素的CT值，得到CT值的二维分布（CT值矩阵）。然后，图像面上各像素的CT值转换为灰度，就得到图像面上的灰度分布，此灰度分布就是CT图像。2.4 CT物理知识2.4.1 X射线产生机理X射线是高速电子束轰击金属靶产生的，它由两部分构成，一部分是的波长是连续的，称为连续谱；另一部分的波长是分立的，称为标识谱，也叫特征谱。一般来说标识谱叠加在连续谱之上。X射线由两部分组成，一部分为连续谱，另一部分的是标识谱，两者的产生机理不同，下面分别介绍：（1）连续谱的产生机理：高速的电子束轰击靶材料后，电子与靶材料的原子发生碰撞，电子的速度骤降，能量急剧减小，其能量向外辐射，即产生轫致辐射9，对连续谱的定量分析如下：设v0为电子入射的时速度， E剩为电子被碰撞后的能量， E为前后相差的能量，则E=1/2mv02-E剩其中，E是以光子的形式向外辐射，因为当射线源的加速电压一定的时候，v0是一定的，初始能量1/2mv02是一定的，而E剩也是连续的，则E也是连续的，即产生了连续谱。轫致辐射的强度与靶材料的原子序数成正比，与带电粒子的电荷成反比，所以一般采用电子与原子序数大的钨相撞，产生X射线。（2）标识谱的产生机理：标识谱是高速电子进入靶金属原子内部，将内部电子撞出，图2.6 标识谱的产生使之发生电离，产生空穴，根据能量最低原理，在外层的电子将向内层跃迁，电子在跃迁过程中发出X射线光子，由于电子跃迁产生的能量是量子化的，因此X射线的能量也是量子化的，或者说X射线的谱线是线状分立的，示意图如图2.6所示2.4.2 X射线物理性质X射线之所以在检测行业能得到比一般的电磁波更为广泛地应用，得益于它有着与其它电磁波不一样的性质。X射线主要有以下物理性质：（1）X射线具有很强的穿透性。X射线能穿透很多肉眼看起来并不透明的物体，如人体、木材甚至是钢板等，这是它用来检测的基础。（2）X射线具有荧光作用。X射线照射到某些化合物，如磷、钨酸钙等时，便会发出荧光，荧光的强弱跟射线的强度成正比关系。（3）X射线具有粒子性和波动性。粒子性主要表现为穿过物体过程中，能对物质发生作用传递能量；波动性主要表现在空中传播时，能够发生干涉和衍射等现象 （4）X射线波长短，能量大。X射线有着比可见光更短的波长，更高的能量，使得生物体暴露在X射线的环境中会受到辐射损伤。（5）X射线具有热作用。吸收射线会使物体温度升高。2.4.3 X射线与物质相互作用X射线穿过物体时，会和内部原子发生一系列相互作用。而这些作用与X射线的能量范围有关。在工业CT系统中，200kV10MV的范围应用最为广泛10，对应的，康普顿效应、光电效应、电子对效应是三种主要作用形式。从相互作用的观点来看，X射线的线衰减系数与上述三种相互作用的截面（发生该种相互作用的概率）成正比，可以表示为（ph+c+p）式中，横截面的下标ph、c和p分别对应了光电效应、康普顿效应和电子对效应三种相互作用。光电效应也称光电吸收，指的是入射X射线光子穿透物质时与该物质的原子的整体发生的作用。我们知道，轨道电子和原子核之间存在着一种成为结合能的能量，而如果入射图2.7 光电效应示意图光子的能量比这结合能大，入射光子便将其能量转移给与之相对应的轨道电子，入射光子湮灭，轨道电子在得到入射光子转移过来的能量之后，便冲破原子核的约束变成自由电子，该电子称为光电子。光电效应的示意图如图2.4所示光电效应的公式为Ee=hv-W式中，Ee为光电子的能量， hv为入射光子的能量，W轨道电子的结合能光电效应发生时，电子壳层上便有了一个空缺的位置，这使得原子整体并不稳定，也就是处于激发态。使原子变回稳定的方式有2种：一种是发射X射线标识谱光子；另一种是发射俄歇电子。但这两种方式的能量较低（不超过10keV），对工业CT的影响可以忽略不计11。康普顿效应也称康普顿散射，指的是入射光子穿透物质时与该原子的外层电子发生碰撞，使得外层电子从原子轨道中飞出，而光子则失去一部分能量成为散射光子射出，其方向与之前的方向有偏移。一般来说，入射光子的能量越大，飞出电子和入射光子原方向的角度越小，散射光子与入射光子的角度也越小，向前散射的光子越多。康普顿效应如图2.8所示图2.8 康普顿效应示意图电子对效应指的是：如果入射光子的能量达到一定值，它从原子核旁边飞时，就会变成一正一负两个电子。在光子能量较高，且材料原子序数较大时，电子对效应将成为三种相互作用中最重要的一种。电子对效应如图2.9所示。图2.9 电子对效应示意图由能量守恒定律可知，入射光子能量应该满足h2m0c21.02MeV式中，m0是电子质量图2.10 X射线三种作用的优势区域示意图X射线的光电效应、康普顿效应、电子对效应与物质的原子序数、X射线的能量的关系如图2.10所示考虑到工业CT的能量范围，在以上三种作用中，对X射线影响最大的是康普顿效应。经过康普顿效应，入射光子并没有被吸收，而是变成了能量更低的，改变了方向的另一个光子而已。值得注意的是，有用的射线由射线源方向“直接”射入探测器的光子只占一小部分，而散射光子占了大部分，尽管它们的方向是杂乱无章的。当检测大型工件时，“有用射线”将会变得很弱，射入探测器的散射线完全可能超出这部分射线，造成对检测数据的严重干扰。所以，康普顿散射是在设计和应用工业CT过程中始终应该格外注意的问题2.5 本章小结本章在第一章的基础上，通过介绍CT的历史、应用及发展、基本原理、扫描方式，让人在感官上对CT有了基本的了解，进一步明确了本文研究的对象及研究意义。同时，在最后一节，还介绍了CT的物理知识，X射线是CT得以广泛应用的物理基础，它为后面的设备在减小误差方面提供了理论依据。第三章 工业CT的基本组成3.1 工业CT的基本结构工业CT系统包括射线源、机械扫描系统、探测器系统、数据采集系统、准直器和计算机系统等，如图3.1所示图3.1 工业CT系统的组成 工业CT检测的工作流程为：首先射线源发出射线，前准直器将其调整为特定形状（如扇形），然后射线穿过工件，后准直器过滤掉穿过工件后的散射线，同时机械扫描系统控制转台转动以获得足够多的投影数据，探测器系统收集射线并转化为电信号，数据采集系统将信号放大，并通过A/D转换为数字信号传送给计算机，计算机根据投影数据应用特定的算法重建出工件截面的断层图像3.2 射线源在射线源方面，工业CT应用的主要是X射线源，也有少部分是射线源。射线管和直线加速器是主要的X射线源，它们产生X射线的原理没有太大的差异，都是利用高速电子束轰击阳极靶产生，只有小部分（一般最高不超过10%）转化为X射线，其它都是以热能的形式散发出去了。因为大部分能量转化为热能，所以阳极必须为高熔点的物质制成，常为金属钨，同时如何散热成了一个关键问题。事实上，X射管能够输出的最大功率不是由高压发生器方面决定的，而是由阳极靶的散热能力决定的。X射线管和直线加速器的能量范围有所不同。X射线管的最大能量是可以根据实际需要进行调整的，一般为3keV到450keV，这主要在医学CT上使用；而直线加速器的最大能量一般是固定不变的，一般为100keV16MeV，而尽管发射比这能量更高的X射线在技术上本身也不成问题，但目前几乎都仅仅在科研试验中运用。工业CT上常用的射线源有60Co、137Cs。前者的峰值有两个，后者仅有一个。由于射线具有单一的能量，因此不会产生像X射线那样的射束硬化现象，这是其优点。但在焦点尺寸与X射线源相同时，射线强度小，会因此延长扫描时间，降低密度分辨率，这是其缺点。射线源性能参数主要有四个：强度、能量、稳定性及焦点尺寸。射线的强度会影响CT系统的整体噪声水平；射线的能量决定了能穿透工件的厚度，同时也影响重建图像的分辨率；射线的稳定性很大程度上影响扫描数据的精确度。射线的焦点尺寸与图像质量有关。3.3 机械扫描系统工业CT的机械扫描系统并不是简单的一个载物工作台，而是一种专门设计的数控工作台，它为了达到射线探测器与工件之间的相对转动，并在不同的方位测量X射线投影数据的目的。从本质上看，机械扫描系统实际是一个位置数据采集系统。从对最后重建图像质量的影响程度上看，机械扫描系统测得的位置数据与探测器测得的射线强度数据具有同等重要的位置。实现对扫描系统的精确控制，除了加工本身的要求外，机械系统的刚度也是不可忽视的因素，特别是在被检测工件非常庞大笨重的情况下,同时也需要足够的机械力来驱动工件转动。运动的驱动部件常用步进电机或者伺服电机，其中步进电机更适合廉价轻便的系统。此外，扫描系统需要精确地位置测量系统，常用的测量元件是光栅尺和旋转编码器。仅从最后的检测效果考虑，机械系统的精度当然是越高越好。但是精度到了一定程度后，精度的提高往往带来成本的指数增长。合理的要求是在成本没有达到快速增长时，尽可能地提高精度，使得机械精度相对于其他因素，其对图像质量的影响可以忽略不计。在经验上，有个参照标准，就是由于机械精度的影响，是采集到的投影数据对应的体素距离理想的位置的最大偏差不到像素尺寸的1/3，被认为是可接受的系统；距离不到1/5时，被认为是很好地系统。对于扫描模式，从CT诞生之日开始，提高扫描速度一直是CT扫描的主旋律，究其方法，基本都是改变射线源的运动轨迹，增加探测器的数量或者改变探测器的布置方式等。根据这些结构的变化，逐渐形成了CT扫描模式中“代”的概念。但后来随着CT的发展，“代”的概念已经不能反映技术先进与落后，加上很多新的扫描方式已经难以归入“代”的范畴，至今人们使用“代”的概念往往仅是简单表示系统结构上的特点。因此，个人认为，按照下面这种方式来划分CT的扫描模式更有意义：按照扫描方式，分为平移旋转（TR）扫描方式、平移旋转（TR）扫描方式、螺旋扫描方式；按照图像重建算法，分为扇形束重建、平行束重建、锥形束重建。而目前工业CT中，最普及的是TR和RO两种扫描模式，并用平行束重建图像。两种扫描如图3.2，图3.3图3.2 TR扫描方式 图3.3 RO扫描方式TR扫描方式的优点是探测器数量少，在一定程度上避免了RO扫描方式的固有缺点，如年轮状伪像，可以检测大型工件，同时探测器数量少降低了设备成本；缺点是机械结构相对复杂，扫描时间长。RO扫描方式的优点是有更高的射线利用效率，扫描速度更快；缺点是所检测的工件的储存受限。3.4探测器系统作为工业CT的核心部件，探测器是整个CT系统中技术含量最高的组件之一，它定量地记录X射线的强度，对重建图像的质量有着至关重要的影响。探测器系统将X射线强度转化为电信号，经过放大后再从模拟信号转化为数字信号，进入计算机进行处理。探测器的性能对工业CT的性能有着重要的影响，探测器系统的主要性能参数有:尺寸、稳定性、效率、响应时间、动态范围等。探测器的尺寸指的是它的长度、宽度、高度。长度对X射线的转换效率有重要影响，宽度主要影响最终图像的空间分辨率，而高度决定了X射线束切片的厚度，进而影响图像质量。探测器的稳定性是指随着系统工作时间的延长，依然可以得到一致响应的能力，尤其在工业CT系统经常要长时间扫描的情况下更显得重要，其对投影数据的精度有一定的影响。探测器的效率是指X射线的光子进入探测器后转化为有效测量信号的比例。效率越高，则信噪比越高，扫描时间也可以相应缩短。探测器响应时间对采样速率和投影数据质量产生着十分重要的影响。探测器的动态范围越大，则在工件厚度变化大的情况下仍然有良好的密度分辨率。探测器响应时间指的是探测器从接收到X射线光子到将其转化为稳定的探测信号所需的时间，其对采样速率和投影数据质量产生着十分重要的影响。探测器的动态范围指的是其能使其产生响应的射线强度的波动范围.动态范围越大，则在工件厚度变化大的情况下仍然有良好的密度分辨率。3.4.1分立探测器工业CT中的探测器可分为两种：分立探测器、面探测器。分立探测器有闪烁体光电二极管、气体探测器、闪烁体光电倍增管, 探测器的性能参数如表3.1,下面简单介绍一下三种分立探测器：（1）闪烁体光电二极管的优点：探测器的宽度小，探测效率高，环境适应性强，用这种探测器设计的工业CT系统具有极高的性能；缺点是附加噪声大，输出信号小。这是目前工业CT中使用得最多的探测器工业CT探测器系统的要求容许值动态范围高105106量子吸收率高90%几何效率高80%90%时间响应快衰减常数10s余辉低0.01%,照射后100ms辐射漂移低0.5%，在扫描时间最长的情况下探测器之间相互干扰小99.99%探测单元响应时间差异小相差0.1%探测器材料的机械加工方法简单，精度高公差10m多排探测器的可行性D4排化学稳定性如耐潮湿，耐酸碱热膨胀系数小热膨胀系数10-5/C降低散射射线的可行性散射线占比3%费用低且易维护表3.1 工业CT探测器系统的性能参数（2）闪烁体光电倍增管的优点是附加噪声小，信噪比高，输出信号大；缺点是受光电倍管的尺寸大，进而造成组装精度低，使得图像质量较低气体探测器是射线进入电离室形成电流，再通过电流电压转换装置，转换为电压信号。它的优点是排列紧密，一致性好，设备简单，成本低廉，使用方便；缺点是气体难以充分吸收射线，使得探测效率不高。3.4.2面探测器面探测器的射线利用效率比分立探测器高得多，可以进行实时动态成像，也适合进行三维直接成像，主要有三种类型：、高分辨率率半导体芯片、图像增强器和平板探测器。（1）高分辨率率半导体芯片指的是集成在同一基片上的电荷耦合器件图像传感器（CCD）或光电二极管阵列。此类探测器的优点是探测器尺寸小，固有的空间分辨率高价格低廉；缺点是难以有效抑制散射线的干扰，无法控制相邻探测器单元之间的光学和辐射的串扰，总体性能无法与分立探测器相比（2）图像增强器是一种采用真空器件的传统面探测器，也需要专门的闪烁体将光子转化为可见光。这是读出速度最快的探测器，通常可达1530帧/秒。但其图像质量差，而且器件易碎，有图像扭曲。（3）平板探测器是一种新型的面探测器，由非晶硅或者非晶硒加薄磨晶体管阵列构成，主要应用在医学领域，优点是使用简单，没有图像扭曲，图像质量好；缺点是动态范围小，难以解决散射和窜扰的问题。一般来说在150kV以下的低能应用较好，多用于医学CT系统。3.5数据采集系统数据采集系统指的是从探测器输出到计算机读入之间的电子电路，包括探测器输出信号的放大、信号的AD变换和数字信号的输出等电路。由于探测器一般有成千上万个通道，而AD变换电路结构复杂且价格相对昂贵，从经济性和系统维护两个方面考虑，一般不可能为每个探测器都配备独立的AD转换电路，因此会对探测器的通道适当的分组，共用AD变换电路，在放大电路和变换电路之间要设置多路选择开关。数据采集系统的主要指标大致应该有通道总数、AD变换位数和数据处理速度等，但这些指标都是表面的。对于CT性能有决定性影响的是信噪比，尽管信噪比不是仅由数据采集系统一个部分决定，但如前所说，一个良好的数据采集系统的噪声对于整个CT系统的噪声应当可以忽略不计。AD变换位数AD变换电路本身最重要的，位数过少会影响射线强度测量点额精度，但是位数的增加也往往意味着变换速度的降低和价格的增长，所以要折中选取。以往市售的快速AD变换器的最大位数是16位，对于有些系统来说这个范围还不够大。采用“浮点技术”和AD变换两部分组装在一起做成模块，可达到20位以上的范围，在工业CT领域有足部取代传统AD变换器的趋势。3.6 准直器按照布置方式与用途分，准直器有前准直器和后准直器两种，通常制作材料是铅和钨等原子序数较大的金属，其基本作用是即仅局限于某空间区域的射线进入探测器，其他部分的射线则被屏蔽不能进入探测器。前准直器安装在射线源和工件之间。对于二维CT，射线源发出的射线是立体的，将其从锥形过滤成扇形束便是前准直器的作用。理论上说，前准直器的缝越细，则扇形束越薄，但会降低到达探测器射线的强度，所以有一定的限度。前准直器从源头减少了进入工作区域的无用射线，也从源头减少了散射线的总量。后准直器的作用是使得探测器只接受垂直射来的X射线，而将散射线挡住或者直接吸收。后准直器的孔径影响重建图像的空间分辨率，也会在影响噪声水平的基础上影响密度分辨率。而实际上，同一CT系统常配有不同的几个后准直器，可以根据需要选择。对于工业CT和医用CT来说，前后准直器在尺寸上的配合是有所不同的。医用CT更多地考虑降低病人的射线照射剂量，所以从限制射线束有效宽度的张角来看，前准直器更狭窄一些，后准直器仅仅是为了减少经过人体后的散射线。工业CT则不同，工业CT的后准直器一般要比前准直器要狭窄一些，射线束的有效尺寸是由后准直器决定的。相对于辐射剂量来说，工业CT的探测器有效孔径的控制的重要性要更高一些。3.7计算机系统计算机系统要完成的基本工作是采集过程的扫描控制、CT图像的重建、CT图像的观测和分析，由硬件和软件组成。采集数据过程的扫描控制的主要任务是按照预定的扫描模式对个运动分系统的电机驱动器发出指令、同步控制探测器系统读出它投影数据，并控制其分时，分批送到主计算机供重建图像用。通常把完成CT图像的计算机成为主计算机。医用CT为了及时得到CT图像，常用专用的阵列处理机来完成大量的重建工作。目前CT算法中最大量的还是乘加运算，同时需要处理的数据量非常大，所以对个人计算机的要求是运算速度快和存储容量大。优质显卡中的GPU可以并行地完成浮点运算，计算速度可以明显比直接使用个人计算机中的GPU明显提高，近年来越来越多使用GPU来提高CT图像的重建和处理速度。计算机软件无疑是CT的核心技术，对于CT的性能有着重要的影响，计算机软件，尤其是图像重建和图像处理技术包含十分广泛的内容。需要指出的是，数据采集完成后，软件的“活动舞台”已经确定，不良的计算机软件只会降低CT本来可以达到的图像质量，而良好的计算机软件的作用仅仅是尽可能利用已有信息，尽可能得到好的结果。CT图像的观测和分析成为图像后处理。由于人眼的分辨能力所限，显示器的亮度仅仅分为256级，而CT图像多半是采用16位二进制，窗宽窗位是最常用也是最有效的观测方法。对于图像处理的方法，除了窗位窗宽，还有平滑、增强、锐化等。三维可视化技术是近年来越来越广泛地运用到工业CT中。3.8 本章小结本章是本文的一个重点之一，全面系统地介绍了工业CT设备的组成，包括了射线源、机械扫描系统、探测器系统、数据采集系统、准直器和计算机系统，这几大系统使得工业CT从移动工件进行数据扫描到最后的重建图像有条不紊地进行。本章介绍了各个设备结构的工作原理，对比了各种探测器的优缺点，也阐述了发展的现状和趋势。当今的CT朝着检测时间短、检测范围大、重建图像质量高的方向发展，尽管目前出现了螺旋CT使得CT构成出现了较大变化，但由于成本等诸多原因，使得上述的CT结构在很长时间内仍是主流，是设备供应商研发的主方向。第四章 工业CT图像质量的影响因素分析4.1 图像质量的含义简而言之，工业CT的作用就是用来检测工件的缺陷，而检测效果如何，最终体现在得到的CT图像上。对于CT图像的质量，最重要的两方面是：空间分辨率与密度分辨率。其中，空间分辨率与密度分辨率显得更为重要些，两者也存在一定的联系，从频谱分析的观点来看，空间分辨率侧重的是在高频段（也就是高对比度）的分辨率，而密度分辨率侧重的是在低频段（也就是低对比度）的分辨率。工业CT设备和外界因素正是通过影响这两方面性能指标来影响工业CT图像质量的，所以分析下面就分析这两方面性能指标。4.2 空间分辨率空间分辨率，也叫高对比度分辨率，定性地表示CT成像系统显示微小细节的能力。定量地表示为单位长度上能显示的线对数（lp/mm）或者为单位面积内能显示的像素数（pp/inch），前者应用更为广泛。同时，应当注意的是，空间分辨率包括了两个方向的数据，截面平面（即xy平面）和垂直截面平面的方向（即z轴方向）。后者主要与扫描的断层厚度有关，根据先进的发展水平，z轴方向的空间分辨率往往比xy平面的低很多。通过上一章关于工业CT设备组成的介绍，我们知道，工业CT的空间分辨率主要图像重建算法，机械扫描系统的精度等的影响，前者决定了CT图像孔径分辨率能达到的极限值，两者共同决定了工业CT空间分辨率的实际值。从物理角度出发，不考虑机械扫描等带来的系统误差时，工业CT图像的极限空间分辨率归根到底是由于射线等效束宽K决定的,K值越小，则空间分辨率越高，下面从K值得影响因素来分析空间分辨率。 K=d2+aT-12T （4-1） 上式中，T为系统的几何放大倍数，T=L/S，S为工作台中心和X射线球管之间的距离，L为探测器和X射线球管之间的距离；d为探测器的孔径；a为X射线球管的直径。上式也可以写成： K=(aDL)2+(dSL)2 4-2 上式中，D=L-S,为探测器和工作台旋转中心之间的距离由式（4-1）可以看出，仅从独立的因素考虑，减小探测器孔径或者X射线球管尺寸都可以减小K值，也就是提高了空间分辨率。由式（4-2）可以看出：在X射线球管到探测器之间的距离L一定时，单独减小X射线球管到工作台中心之间的距离或者是工作台中心到探测器之间大的距离，对K值得影响并不大D/S的值较大，也就是工作台中心到探测器的距离比其到X射线源的距离大很多时，减小X射线球管的尺寸d，K值减小不明显S/L的值较大，也就是工作台中心到X射线球管的距离比其到探测器的距离大很多时，减小X射线球管的直径d，K值减小并不明显。综上，要想提高CT图像的空间分辨率，可以在工作台中心离探测器较远时，较小射线源尺寸；也可以在射线源离工作台中心较远时，减小探测器孔径。4.3 密度分辨率密度分辨率，又称对比度分辨率，定性地反映分辨被检测对象上密度（严格地说是射线衰减系数）差别的能力，定量地表示为在给定面积上能够分辨的细节与基本材料之间的最小对比度。前面已经提高，工业CT的作用是为了检测到工件内部的缺陷，而发现缺陷正是由工件内部的密度的变化引起的。因此，密度分辨率这一性能指标对工业CT有基础性的作用，首先是要能发现工件内部缺陷，然后再提看得清不清楚才有意义，后者涉及的也就是空间分辨率。密度分辨率的大小取决于微小细节相对于噪声的幅度，也就是说系统的密度分辨率取决于系统的信噪比（有用信息与干扰信息的比）。工业CT系统的噪声主要分为4个方面：射线源不稳定等导致的射线强度统计涨落机械系统扫描定位造成的误差射线强度数据采集系统的各种噪声(如探测器响应的不一致性引起的噪声) 由于采用了近似处理而使得重建算法带来的误差。理论上讲，好的CT系统应该能使以上各种噪声尽可能地小，使其相对于射线强度信息处于微不足道的地位。下面从射线从发出到被探测的过程出发，着重讲下如何减少噪声，提高工业CT系统的密度分辨率。X射线从工件穿过时，由于前述的三种作用，将会衰减。而X射线在穿透密度较大或者是体积较大的工件时，会衰减得更为厉害，当衰减达到一定程度时将会较大降低密度分辨率，进而给重建图像质量造成不良影响。而对于同一工件，射线的能量越高，衰减得越少，所以在检测大型工件时，高能CT系统更能显示出其优势。X射线进入探测器，在射线初始强度一定的情况下，探测器检测到的射线强度与探测器的孔径成正比。由上节可知，为了提高空间分辨率可以减小探测器孔径，但必定会使得进入探测器的光子数减少，进而密度分辨率下降，为了弥补这缺陷就要使得扫描时间延长。现在工业CT的扫描时间较长，正是这个原因造成的。此外，探测器接收到的射线强度与探测器到射线源之间距离的平方成反比，基于这条理由，把工业CT系统做得越紧凑越好。此外，对于原子序数较大的材料，如前所述，康普顿散射将是对X射线衰减起主要作用。被散射的X射线光子越多，会使得被探测到的“有用光子”相对减少，进而造成系统的信噪比下降，也会造成密度分辨率降低。4.4改善图像质量的措施综上所述,要使得整个工业CT系统处于最佳性能状态,要考虑各方面的因素,而这些因素之间往往是相互牵制的。最后，值得一提的是，影响工业CT图像质量的两个指标（空间分辨率和密度分辨率）的各种技术方法中，可以分为两类：一类是提高图像质量的一方面指标，便会导致另一个指标的下降；第二类是可以同时导致两方面指标的提高或者降低。而又以第一类技术方法居多。对于第一类，比如在检测各部分密度相近的工件时，为了提高密度分辨率，可以增大探测器孔径，但孔径的增大会使得进入探测器的“无用光子”增多，从而导致空间分辨率降低，这就是以降低空间分辨率为代价来提高密度分辨率，这种方法对技术水平要求不高。而对于第二类，比如在交点尺寸不变时，增大射线源的功率，便可以使得射线强度增大，进而使得散射和衰减都减小，图像更清晰，也就是同时改善了空间分辨率和时间分辨率；又比如机械扫描