掃描電壓及散射線校正對葉片工業CT三維成像邊界提取的影響

左 欣，喬日東，倪培君，付 康，徐向群，齊子誠

(中國兵器科學研究院寧波分院，寧波 315103)

在高溫高壓環境下工作的航空發動機空心葉片對強度有很高的要求，因此葉片壁厚是航空發動機葉片的一個重要指標，需要對其進行準確地測量[1]。目前，葉片壁厚的測量方法主要有超聲測厚法、渦流掃描測量法、電磁霍爾效應法等。葉片的復雜外形導致以上測量方法在實際應用中均存在一定的局限性[2]。工業CT(電子計算機斷層掃描)為葉片壁厚的精確測量提供了一種很好的方法。線陣CT通過獲取葉片的截面，然后通過半高寬或半自動測量法進行測量，但一次只能實現對一個截面的測量，測量效率較低[3-4]。葉片的三維面陣CT檢測已有開展，可以多方位表征葉片內部的裂紋、殘芯等缺陷[5-6]，但應用三維面陣CT對葉片壁厚進行快速準確測量的案例則較少。

對某葉片在不同電壓下進行三維錐束掃描，接著對獲取的葉片三維體數據采用VG軟件提取邊界，研究了不同電壓對葉片三維成像后數據邊界提取的影響，并獲取了散射線校正前后的葉片邊界。找到了可提取清晰完整葉片邊界的合適工藝參數和方法，為葉片壁厚的自動化測量創造了條件。

圖2 不同掃描電壓下的葉片截面成像(散射線未校正)

1 試驗裝置

對某葉片的葉身部位進行截斷，加入校準過的量塊，量塊尺寸(厚度)分別為1.0，1.2，1.8 mm，然后重新黏合葉片，量塊加入位置如圖1所示。試驗采用GE公司的小焦點、最大電壓為450 kV的Phoenix v|tome|x c型設備，對黏合后的葉片進行CT檢測，考慮到較低的電壓無法穿透葉片，因此設置最低掃描電壓為300 kV，同時受到設備功率的限制，將電流設置為1 400 μA。掃描張數越多，圖像質量越精細，為保證圖像的精細度，排除因掃描張數過少而造成圖像質量下降的情況，將掃描張數設置為1 600。此外，三維面陣CT的整個面板都能接收到來自被照射物體及其周邊產生的大量散射線，這樣會極大地降低圖像質量，整個背景噪聲會被提高很多，過多的散射線使重建的圖像偏離實際，導致葉片壁厚較薄部位與空氣背景的邊界識別出現較大偏差，因此，文章將散射線校正作為重要因素予以考慮。具體掃描參數如下：掃描電壓分別設置為300 kV,350 kV,400 kV,430 kV;掃描電流為1 400 μA;曝光時間為500 ms;平均次數為2次;圖像像素尺寸為86.3 μm;掃描張數為1 600張，檢測參數見表1。選取電壓為400 kV和430 kV的2組數據進行了散射線校正。通過2次掃描，其中一次正常掃描，另一次將鉛球擋板放置在探測器前進行掃描，然后通過軟件計算各個鉛球位置的散射值，再把2次數據相減得到校正值，最后生成散射線校正后的數據。對獲取的圖像數據，采用軟件VGStudio MAX2.2提取其邊界，首先識別灰度直方圖中的空氣背景和材料的灰度峰值，然后取兩者的平均值作為等值面，確定邊界。

圖1 量塊加入位置示意

表1 葉片檢測參數

2 結果與分析

2.1 電壓對邊界提取的影響

對于復雜形狀的葉片，提高CT檢測電壓，可以抑制成像過程中的噪聲以及校正射線束的硬化，提高成像信噪比，進而獲得高質量的圖像[7-8]。不同掃描電壓下的葉片截面成像(散射線未校正)如圖2所示，不同掃描電壓下的葉片邊界提取結果(散射線未校正)如圖3所示。

對比圖2和圖3可知，4種不同電壓下均有部分邊界無法完全識別，但隨著電壓的升高，提取邊界與葉片實際邊界的一致性逐漸提高。在較低電壓下，提取的邊界彎曲，不光滑，存在畸變，與葉片實際邊界存在較大的偏差；提高電壓后，提取的邊界與實際邊界的一致性也得到提高。

圖3 不同掃描電壓下的葉片邊界提取結果(散射線未校正)

2.2 散射線校正對邊界提取的影響

三維錐束成像中散射線對圖像的質量影響很大，散射線不僅與周圍的環境有關，還與被檢物體的形狀結構有關[9-15]，散射線對復雜形狀的葉片成像影響特別嚴重。康普頓效應和光電效應均會造成X射線的散射，散射線使探測器探測到的信號值偏離射線強度的真實值，從而導致圖像的對比度降低，嚴重的散射會在圖像上產生陰影，影響圖像邊界的識別。為了驗證散射線對葉片掃描圖像的影響，進行了散射線校正前后的圖像對比試驗。

400 kV掃描電壓下散射線校正前后的邊界提取圖像如圖4所示。與散射線校正后的邊界提取圖像對比，未經散射線校正的圖像，邊界提取不完整，葉盆較薄部位的邊界無法識別，邊界發生中斷；而經過散射線校正后的圖像，其背景清晰，可以識別完整清晰的邊界，圖像質量較校正前得到明顯提高。

圖4 400 kV掃描電壓下散射線校正前后的邊界提取圖像

圖5 430 kV掃描電壓下散射線校正前后的邊界提取圖像

430 kV掃描電壓下散射線校正前后的邊界提取圖像如圖5所示，與400 kV的掃描電壓圖像對比，未經散射線校正的提取邊界仍存在斷續，但斷續部分有所減少，提高電壓對邊界提取情況有所改善，但改善較小;經過校正后的圖像提取的邊界完整清晰，即相對于電壓而言，散射線對圖像質量的影響更大，在保證電壓能夠穿透物體的情況下，校正散射線更為重要。經過散射線校正的圖像質量明顯變好，可以一次提取完整的邊界，滿足自動測量的條件。

2.3 邊界提取尺寸測量結果驗證

在經過散射線校正，可以完整地提取葉片邊界后，對葉片中加入的3種尺寸的量塊提取邊界后進行多次測量，驗證依據邊界測量的數據與實際尺寸的一致性，掃描電壓為400 kV與430 kV的測量數據分別如表2，3所示，量塊尺寸測量方法如圖6所示。

表2 400 kV掃描電壓下量塊的測量數據 mm

表3 430 kV掃描電壓下量塊的測量數據 mm

圖6 2組電壓下量塊尺寸測量方法示意

觀察測量結果可以發現，多次重復測量的數據呈現很好的穩定性，其中400 kV下1.2 mm量塊3次測量結果的最大偏差為0.02 mm，可能是選點的偏差造成的。3種量塊的測量結果顯示，其中1.0 mm量塊與實際校正值最為接近，1.8 mm量塊與實際校正值偏差0.08 mm，1.2 mm量塊與實際校正值偏差較其他兩個量塊的偏差值稍大，最大偏差為0.14 mm。

由表3可知，1.0 mm量塊與實際校正值偏差0.02 mm；1.2 mm量塊與實際校正值偏差0.13 mm，1.8 mm量塊與實際校正值偏差0.07 mm，1.2 mm量塊與實際校正值偏差較其他兩個量塊的偏差值稍大。比較400 kV和430 kV的測量結果，2組不同實驗參數下的3個不同量塊的測量值均很接近。偏差值較大的為1.2 mm量塊，可能因為葉片形狀導致不同位置的射線衰減不同，最終影響測量結果。試驗中選擇將3個量塊放置在葉盆與葉背的不同部位，模擬了實際檢測中葉片各部位的衰減情況，驗證了不同位置的衰減不同，可能會導致測量結果出現偏差的結論。

3 結論

(1) 在300 kV，350 kV，400 kV，430 kV等4組不同電壓下對葉片進行掃描，較低電壓下葉片提取的邊界有少量變形，與實際邊界不符，隨著電壓的逐步提高，葉片的邊緣清晰度逐漸提高，與實際邊界的吻合度也得到提高。

(2) 對比了400 kV和430 kV掃描電壓下散射線校正前后的圖像，發現經過散射線校正的圖像質量大為提高，可以提取完整清晰的邊界，可以為葉片壁厚的自動測量創造條件。

(3) 對經過散射線校正后可以提取完整清晰邊界的葉片中的量塊進行測量，測量結果與實際校準值能較好吻合。