射线实时成像检测系统透视变换模型

　　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。