淺析X射線電力設(shè)備缺陷檢測中的射束硬化偽影

摘? 要：X射線無損檢測技術(shù)在電力設(shè)備的缺陷檢測中具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ娏υO(shè)備作為電網(wǎng)架構(gòu)的重要組成部分，其能否長時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行以及在發(fā)生故障后能否及時(shí)恢復(fù)運(yùn)行很大程度上決定了企業(yè)供電的可靠性、客戶滿意度等重要考核指標(biāo)的好壞。該文針對X射線在電力設(shè)備缺陷檢測應(yīng)用中出現(xiàn)的射束硬化偽影進(jìn)行闡述，主要對該種偽影的形成原因、表現(xiàn)形式以及去除方法進(jìn)行探討，最后對X射線成像技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用前景及存在問題進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：X射線;電力設(shè)備;缺陷檢測;硬化偽影

中國分類號：TG115.28? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

X射線作為先進(jìn)的無損檢測技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)、能源等領(lǐng)域。該種檢測方法無須拆卸被檢測設(shè)備即可了解到物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，具有應(yīng)用范圍廣、不影響被檢測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等優(yōu)點(diǎn)，強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢使其呈現(xiàn)出廣闊的發(fā)展廣度和深度。由于X射線能譜的連續(xù)性，成像后的影像中會(huì)呈現(xiàn)出射束硬化偽影，偽影的嚴(yán)重程度直接與影像的成像質(zhì)量相關(guān)，給電力設(shè)備的缺陷檢測及故障分析帶來了很大的不利影響，很大程度上影響了專業(yè)人員對于缺陷的判斷。此外，嚴(yán)重的偽影會(huì)導(dǎo)致人員判斷錯(cuò)誤，導(dǎo)致檢修失敗或者產(chǎn)品質(zhì)檢結(jié)果出現(xiàn)偏差，從而造成一定的經(jīng)濟(jì)損失及不好的社會(huì)影響。因此，對該種偽影展開研究具有重要意義及必要性。

1 射束硬化偽影形成原因

X射線束由不同能量的光子組成，當(dāng)具有能量差異的光子微粒透傳被掃描物質(zhì)時(shí)，能量低的光子優(yōu)先被吸收或衰減，而能量高的光子較能量低的光子受影響較小，更易透傳物質(zhì)，X射線與物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的特性導(dǎo)致射線束在透傳物體后出射射線的平均能量較入射射線的平均能量值有所提高。基于理想模型的圖像重建算法中，射線的投影值與物質(zhì)透傳路徑距離是成比例系數(shù)關(guān)系的。然而，在實(shí)際情況中，射線投影值與透傳物質(zhì)路徑距離關(guān)系復(fù)雜，不再是簡單的正比例數(shù)學(xué)關(guān)系。究其射束硬化偽影產(chǎn)生的本質(zhì)原因，就是目前的圖像重建算法是基于理想模型構(gòu)建的，即射線能譜由單一能量光子組成，而事實(shí)上，當(dāng)下的科技水平是無法制造出僅發(fā)射單一能級的射線源，理論模型與實(shí)際工程的差異造就了最終的重建圖像中會(huì)有射束硬化偽影出現(xiàn)。此外，重建圖像中的射束硬化偽影嚴(yán)重程度與諸多因素有關(guān)，象掃描電壓等級、被掃描物質(zhì)的組成成分以及掃描時(shí)被掃描物的擺位等。

2 射束硬化偽影表現(xiàn)形式

X射線在實(shí)際應(yīng)用中，重建圖像中會(huì)有很多種類的偽影，射束硬化偽影是其中對圖像質(zhì)量影響較大，危害程度較嚴(yán)重的偽影之一。在已報(bào)道的各種文獻(xiàn)中，射束硬化偽影被提及的具體表現(xiàn)形式有3種，分別為水杯偽影、帶狀偽影和退化的邊界偽影。

2.1 水杯偽影

在重建圖像中，均勻組成成分物質(zhì)區(qū)域，區(qū)域邊緣的物質(zhì)衰減系數(shù)高，區(qū)域中心的物質(zhì)衰減系數(shù)低，呈現(xiàn)出邊緣圖像灰度值高，中間圖像灰度值低，即外邊亮、中間暗的現(xiàn)象。如對一裝滿水的圓柱體進(jìn)行橫切面掃描，重建后圖像在不進(jìn)行射束硬化校正時(shí)，則會(huì)有圖像中央暗，靠近圓形邊緣處發(fā)亮的情況發(fā)生，用圖像處理工具將重建后圖像的行中央像素繪制成曲線，曲線呈現(xiàn)凹形狀，因此該種偽影得名為水杯偽影。

2.2 帶狀偽影

或明亮或黑暗寬度不一的帶狀圖形，一般發(fā)生在2個(gè)高衰減物體之間，該種偽影會(huì)覆蓋象設(shè)備輕微裂縫等缺陷，它會(huì)在一定程度上模糊圖像、降低圖像內(nèi)容可識(shí)別性，給設(shè)備缺陷排查帶來困難。條狀偽影在X射線成像中也可由其他原因引起，象由光子散射而導(dǎo)致的條狀偽影，多重因素導(dǎo)致的條狀偽影需逐個(gè)疊加不同的校正算法進(jìn)行去除，只進(jìn)行射束硬化校正達(dá)不到想要的圖像質(zhì)量。

2.3 退化的邊界偽影

重建圖像中高衰減物質(zhì)與低衰減物質(zhì)之間的邊界模糊不清，影響特定場景下對設(shè)備部件邊緣的判斷及缺陷定位。

3 射束硬化偽影去除方法

目前，射束硬化偽影的去除方法有很多，大致可分為硬件法和軟件法。

3.1 硬件法

硬件法通過在射線源與被掃描物之間加裝濾波片，以此預(yù)濾過射線達(dá)到射線能量補(bǔ)償?shù)男ЧM(jìn)而減輕射束硬化偽影的存在程度。不同材質(zhì)的金屬對X射線的抵擋能力不同，因此在濾波片材質(zhì)選取方面至關(guān)重要，需要在信號質(zhì)量與硬化偽影消除效果上作折中考慮。硬件法具有純物理特性，它的優(yōu)點(diǎn)為實(shí)現(xiàn)方式簡單、易操作，缺點(diǎn)為抑制偽影能力有限，會(huì)在一定程度上增加成像系統(tǒng)的制造成本。

3.2 軟件法

軟件法分為成像前校正方法及成像后校正方法。成像前校正方法通過重新計(jì)算射線投影數(shù)值，用校正好的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建，進(jìn)而重建后圖像的硬化偽影程度很輕。成像后校正方法利用數(shù)字圖像處理技術(shù)并結(jié)合最優(yōu)化理論、人工智能等技術(shù)對成像后圖像進(jìn)行處理，從而在一定程度上消除射束硬化偽影。成像后校正算法一般具有迭代性質(zhì)，需要在圖像域和數(shù)據(jù)域之間反復(fù)操作，直至目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)達(dá)到算法收斂條件，輸出最終校正后圖像。成像前校正方法具有算法執(zhí)行速度快的優(yōu)點(diǎn)，而成像后校正算法由于其迭代性質(zhì)，一般情況下算法執(zhí)行效率較低，校正耗時(shí)較長。在實(shí)際工程中，大多采用軟件法和硬件法相結(jié)合的方式進(jìn)行硬化偽影消除，以此達(dá)到最好的校正效果。

4 X射線成像技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用前景及存在問題

X射線無損檢測技術(shù)作為目前最主流的檢測技術(shù)之一。該種技術(shù)在不破壞檢測物內(nèi)外部結(jié)構(gòu)的情況下就能知曉被檢測物體的內(nèi)部構(gòu)成。在電力系統(tǒng)中，該技術(shù)可被應(yīng)用于GIS、變電站各類電力設(shè)備、輸電設(shè)備及線路、配電設(shè)備以及電力設(shè)備生產(chǎn)線產(chǎn)品的缺陷檢測領(lǐng)域，同時(shí)也可被應(yīng)用于電力設(shè)備生產(chǎn)廠商產(chǎn)品質(zhì)量檢測等領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用場景和前景。對于電力系統(tǒng)中一些無法通過運(yùn)行維護(hù)人員肉眼直接觀察到的設(shè)備、線纜內(nèi)部問題，X射線檢測技術(shù)的應(yīng)用更是填補(bǔ)了該類故障缺陷巡查的運(yùn)行維護(hù)空白點(diǎn)，具有重大意義。

即使在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用X射線無損檢測技術(shù)，仍有諸多問題有待進(jìn)一步解決，象對大型電力設(shè)備進(jìn)行X射線在線缺陷檢測時(shí)，射線防護(hù)的問題。除此之外，電力設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，組件空間分布及組成物質(zhì)存在很大的不確定性，這就給重建圖像的校正帶來很大的技術(shù)挑戰(zhàn)。不過，隨著科技的發(fā)展，相信在不遠(yuǎn)的將來，X射線成像技術(shù)能夠廣泛地應(yīng)用在電力系統(tǒng)中，在造福電力產(chǎn)業(yè)的同時(shí)造福全人類。

5 結(jié)語

綜上所述，射束硬化偽影具有不同的表現(xiàn)形式，不同表現(xiàn)形式下的偽影需要不同的校正方法進(jìn)行去除。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可根據(jù)電力系統(tǒng)的具體應(yīng)用場景研發(fā)合適的硬化偽影校正算法并將其有機(jī)融合到成像系統(tǒng)的整套校正流程中，進(jìn)而達(dá)到最佳的射束硬化偽影抑制效果。

參考文獻(xiàn)

[1]張俊，李磊，張峰，等.X射線CT射束硬化校正方法綜述[J].CT理論與應(yīng)用研究，2013，22（1）：195-204.

[2]張學(xué)松，趙柏山.基于Radon變換的CT圖像杯狀偽影校正[J].CT理論與應(yīng)用研究，2016，25（5）：539-546.

[3]張學(xué)松，趙柏山，劉曉曉.射束硬化對CT系統(tǒng)平面內(nèi)空間分辨率的影響[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2016，16（31）：36-40.

[4]任立新，陳飛宇，路遙，等.基于X射線數(shù)字成像技術(shù)的配電設(shè)備無損檢測[J].農(nóng)村電氣化，2018（5）：12-13.

[5]王達(dá)達(dá)，魏杰，于虹，等.基于X射線數(shù)字成像的GIS設(shè)備缺陷可視化無損檢測方法[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2011，05（a02）：42-46.

[6]祝曉輝.基于圖像處理的電力設(shè)備識(shí)別方法研究[D].河北：華北電力大學(xué)（保定），2007.

[7]呂占杰.X射線數(shù)字成像技術(shù)在電力金具及導(dǎo)線檢測中的應(yīng)用研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2015.