1、GB ICS 19. 100 J 04 中华人民共和国国家标准GB/T 29034-2012 工业计算机层析成像(CT)指南无损检测Non-destrudive testing-Guide for industrial computed tomogl呻hy(CT) imaging 2013-10-01实施2012-12-31发布发布中华人民共和国国家质量监督检验检班总局中国国家标准化管理委员会飞吨俨俨盯叫川川陆时jerh叩ez川中华人民共和国国家标准无损槛测工业计算机层挤成像(cr)指南GB/T 29034-2012 中国标准出版社出版发行北京市朝阳区和平里西街甲2号(100013)北京市西城
2、区三里河北街16号(100045)网址总编室:(010)64275323发行中心:(010)51780235读者服务部:(010)68523946中国标准出版社秦皇岛印刷厂印刷各地新华书店经销 开本880X 1230 1/16 印张2字数54千字2013年6月第一版2013年6月第一次印刷 书号:155066.1-46470定价30.00元如有印装差错由本社发行中心调换版权专有侵权必究举报电话:(010)68510107G/T 29034-2012 目次vwn1111112333444444577778999999口口uuuu像uuuuu图川huu川川建uuuu重法法力力-uuu组算算辨辨声像
3、换程建建描描描描描描件uu势限.分分噪u图变方重重扫扫扫扫扫扫统理优局能述间度计影础础础T当解代析式述代代代代柬旋成系用义原的的性概空密统伪基基基C雷求迭解方概一二三四锥螺组源制服附口口口就JJJJJ桥附阴阳户UUUMJ捕JJJJJJJ耕机械围范语述J5555JJJJJJ44范规术概JJJ4J4444At口123丘555545555555系JJ七日吉日44444555566前引123456GB/T 29034-2012 6.3 探测系统.13 6.4 机械扫描系统.6.5 数据采集传输系统.13 6.6 控制系统.14 6.7 图像处理系统.14 6.8 辐射安全防护系统.14 7 性能指标.
4、14 7.1 概述.147.2 对比度.147.2.1 对比度的定义.14 7.2.2 对比度差147.3 分辨力.四7.3.1 概述157.3.2 PSF的简单近似. 15 7.3.3 采样对PSF的影响.16 7.3.4 MTF曲线.17 7.3.5 CT系统MTF的理论描述187.3.6 MTF曲线绘制.18 7.4 噪声.二.四7.4.1 概述.197.4.2 噪声对重建的影响7.4.3 噪声的估计.19 7.4.4 噪声对对比度的影响.20 7.5 CDD曲线.21 7.6 性能预测与检验.22 7.6.1 系统探测能力.22 7.6.2 性能预测227.6.3 性能检验.23 8
5、精度和偏差.24 图1CT图像与传统射线照相的比较.2 图2CT的工作原理图.3 图3射线与物质的相互作用.5 图4射线与物质的三种相互作用的比较.5 图5射线与物质的三种相互作用的示意图.6 图6Lambert定律示意图.6 图7射线扫描示意图.8 图8一代扫描.10 图9二代扫描.10 图10三代扫描.10 图11四代扫描图12锥束扫描E GB/T 29034-2012 图13螺旋扫描.12 图14工业CT系统组成示意图.图15细节在背景材料上的理想CT扫描结果15图16CT系统射线柬几何描述.15 图17定性表示对比度差为A的细节通过CT检测后的图像.16图18细节在背景材料上的实际CT
6、扫描结果.17 图19宽度为BW的PSF与宽度为D、间距为2D的周期性细节的卷积结果.17 图20由圆柱体CT图像获得MTF的过程.19 图21含噪声情况下细节在背景材料上的实际CT扫描结果.20 图22探测能力和CDD曲线的实例.23 图23实际CT系统的理论和实验CDD曲线(常数c为8.5).24 m G/T 29034-2012 前言本标准按照GB/T1.12009给出的规则起草。本标准由全国元损检测标准化技术委员会(SACjTC56)提出并归口。本标准起草单位z重庆大学ICT研究中心、中国兵器科学研究院宁波分院、上海泰司检测科技有限公司、重庆真测科技股份有限公司、南昌航空大学、中国人民
7、解放军重庆通信学院、北京航空综合技术研究所。本标准主要起草人z程森林、王廷、倪培君、邬冠华、曾理、刘荣、张样春、段晓礁、沈宽、安康。V GB/T 29034-2012 51 工业计算机层析成像(CT)作为一种先进的无损检测技术，已广泛地应用于航天、航空、军工、铁路、铸造、机械、船舶、石油、化工、核工业等领域。本标准对工业CT系统的基本组成和性能参数评价方法的建立，具有指导意义。VI GB/T 29034-2012 无损检测工业计算机层析成像(CT)指南1 范围本标准给出了与工业计算机层析成像(CT)检测相关的物理基础、数学基础和扫描方式，讨论了工业CT系统的基本组成部分，规定了CT的基本性能参
8、数，阐述了表述和预测系统性能的方法。本标准是关于工业CT成像理论和应用的人门指南。本标准适用于工业CT技术与系统的研究、开发、设计、生产和使用。2 规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注目期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单适用于本文件。GB/T 12604. 11元损检测术语工业计算机层析成像(CT)检测3 术语和定义GB/T 12604. 11界定的术语和定义适用于本文件。4 概述4. 1 目的本标准介绍了工业CT成像的基本原理和CT系统性能参数的定义以及系统性能参数与系统性能指标之间的关系。用户在判断CT系统的
9、适用性、预测系统性能或开发新的扫描方法时可以参考本标准。由于CT技术在不断发展，应用范围在不断扩大，应用情况十分复杂，因此，本标准不讨论具体的检测技术，如扫描参数的选择，扫描过程的实现和数据分析方法等。4.2 CT原理CT是一种射线检测方法，所得到的图像是物体的线性衰减系数的分布图。线性衰减系数描述了射线衰减的瞬时变化率。射线衰减是由于射线与被测物体的相互作用造成的。射线峰值能量低于1. 02 MeV的CT系统中，主要的相互作用是光电效应和康普顿散射。光电效应主要依赖于吸收介质的原子序数和密度，在低能时起主要作用，康普顿散射主要依赖于材料的电子密度，在高能时起主要作用。线性衰减系数与材料密度的
10、比例关系是CT图像能反映物体密度分布的物理基础。但是线性衰减系数还与射线能量有关，这种特性有时会掩盖CT图像中的密度差异，但有时也会增强具有相似密度的不同材料的对比度。图1显示了CT图像与传统的射线照相的区别。从图1可以看出，传统的射线照相检测对象特性时存在影像叠加，元法确定被测物体的空间位置。CT图像从不同的角度对物体进行检测，可以得到更精确的位置信息。传统的射线照相中，切片平面P上的信息投影成一条直线A一A，而CT图像可GB/T 29034-2012 以获得切片平面的空间信息。CT信息来源于从不同视角得到的大量的测量值，然后在计算机中对图像进行重建。CT图像是由一系列离散的像素构成的，典型
11、的CT图像为1024 X 1 024或2048X2048的矩阵。CT成像相当于切开被测物体检查它的内部特性，通过连续CT切片能得到物体内部的三维图像。运鼓楼梦CT切片视图(平面的圄1Cf圈像与传统射线照相的比较X射线源图2描述了CT的工作原理图。图2a)中函数Jil(x)表示在某个角度下测量得到的一组投影数据，其中i表示每次测量的投影位置。图2b)表示从其他角度测量得到的fi，(x)。将投影数据数字化后储存在计算机中，并在计算机中进行处理。图像处理的下一步是对投影数据进行反投影。反投影是在投影路径的每个像素上迭加该路径下的投影值的过程。当采集到足够的投影数据时，就能对被测物体进行可靠的重建。在
12、图2的例子中只使用四个方向的投影数据就能通过反投影初步显示出被测物体的相对尺寸和位置。4.3 CT的优势CT的最大优势是能元损伤地得到物体切片的密度分布图像。CT图像比一般的投影射线照相法产生的图像更接近于人脑中三维结构的概念，因此CT图像很容易理解。由于CT图像是数字图像，可以对它进行增强、分析、压缩、存档处理，也可以作为数据输入进行计算，与其他无损检测方法得到的数据进行比较，还可以传输到其他地方进行远距离观测。通过采用适当的校准方法，CT能准确地测量被测物体的几何尺寸和密度。双能CT扫描能帮助识别材料成分，可以提供精确的电子密度和原子序数图像。2 GB/T 29034-2012 J年俨)k
13、ix) x k3(x) EEBEBEE -BE-EE-1 EEEEEE- 且且EEBEBIA-EBEBEE -EEEEEE AEEllt 入射X射线a) k.R.( 3 ) 式中=R 重建区域半径。c) 任意点(x，y)处的函数值!(x，y)正比于物体在该点的线性衰减系数。CT图像就是图像!(x，川在三维空间坐标和亮度上都已离散化了的图像，因此可以把一幅数字图像等价为一个矩阵，其行和列标出了图像各个点在三维空间的位置，而矩阵元素的值标出这些点的灰度等级，这样的数字阵列的元素叫做图像元素或像素。图像一般包含NXN个像素，CT中常见的像素规模有128X128，256X256，512X512，102
14、4X1 024 , 2 048X2 048等。5.3.2 雷当变换雷当变换是由J.Randon在1917年建立的数学变换。如果一个函数在某个特定区域内的值是有限的而在其他区域内值为零，并且已知该函数在通过这个区域的所有路径上的积分，那么这个函数在这个区域的值就能被唯一确定。一个函数和与它相关的线积分组成一个变换对，线积分的集合称为该函数的雷当变换。由函数的雷当变换推导函数的过程称为雷当反变换。雷当反变换的存在为CT图像重建提供了重要的存在定理。5.3.3 求解方程组重建固像由投影数据p(l)集合计算线性衰减系数分布(x，y)最直接的做法是求解方程组。如图7，假定有一个3X3单元构成的切片，各单
15、元的线性衰减系数分别为的，三条平行射线由三个视角穿过该切片，测得沿各条射线路径上的线性衰减系数和分别为凡，由此可以建立一个由9个独立方程构成的方程组，见式(4)。解方程组求得线性衰减系数的，把求得的线性衰减系数分布用计算机图像的形式显示出来，就得到该切片的重建图像。7 GB/T 29034-2012 P3 P21 V:盟4P:固图7射线扫描示意图f1门十12十t-u=. Pll 21 +如2+=P1231斗32+33二PI3严11+21十31二PZ112 +22十严32二P213十严23十到二P231131 = P:u 1111十22+严33P32 u二1BW)。细节的成像是下底为(LW十BW
16、)，上底为(LW-BW)，对比度差为A的圆台。可以看出，点扩展函数PSF对直径大于PSF的细节影响不大，细节中心的对比度没有变化。HW-SWI司恒|已士王三IN1- BW -l f2W+SW -l 4 在S几H-a) 已已豆三互|咽RW-l1- BW .J 2BW b) 已豆-1 LW 叶LW+BW 斗c) 图17定性表示对比度差为M的细节通过CT检测后的图像7.3.3 采样对PSF的影晌CT数据采集过程不是连续的，投影数据是以一定的采样间隔s在离散空间的采样，采样定理决定了5最大为BW/20重建图像的表示也是离散的，采样定理要求重建图像的像素尺寸小于或等于S，这样才能保证空间分辨力。在图17
17、所示的卷枫条件下，最小的细节至少占据4个像素。细节在背景材料上的实际CT扫描结果见图180图18a)所示的是图15a)中的理想工件与PSF卷积并进行离散采样的结果，细节CT值轮廓曲线的边界处呈阶梯变化。图18b)所示的是新的PDF，细节和背景材料的PDF都小于1，背景材料的PDF多出了大于A的成分，而细节的PDF多出了小于阳的成分。16 产-r-f b GB/T 29034-2012 PDF 1. 0 Hbf a) b) 圄18细节在背景材料上的实际CT扫描结果7.3.4 MTF曲线有效对比度和实际对比度的比f自称为阔制度，将调制度和空间频率的关系画成曲线称为系统的调制传递函数(MTF)曲线，
18、曲线反映了系统对周期性细节响应的能力，也就是系统的空间分辨力。图19所示的是宽度为BW的PSF与宽度为D、恫距为2D的周期性细节的卷积结果。当D二三BW时，有效对比度等于实际对比度，当DHWJJ 1 I L- _J I t 2IJ a) 1) H叫!Y=W)八17斗斗iI 2BW I H一一叫b) 叫入八八王c) 圄19宽度为BW的PSF与宽度为D、间距为2D的周期性细节的卷积结果17 GB/T 29034-2012 问且J1J1Jl1 。:BW: H叶d) 圄19(续7.3.5 cr系统MTF的理论描述系统的MTF可以表示威各组成部分MTF的乘积。MTF近似等于圆形对称PSF的一维傅立叶变换
19、(FT)，对于平行束的CT系统，MTF可近似表示为式(8): Fc(f飞MTF(f) = w卜川)川FI川叩).( 8 ) 哑呐，n-: rllJ气llt一-fJ二点ur肌7式具一( Ramachandran滤波函数)(Shepp&Logan滤波函数)一in(血/M)sinja(M-l)/MFBW(f)一fd/Mfa(M-l)/M in(js) FMOV(f)=一写万in2 (旷UF lNT (f) =一一一一( 1(fs) , .(fFplX (f)= fp 其中，f表示空间频率变量，FCON(f)表示卷积函数的傅立叶变换，假定采用卷积反投影的平行束重建，则参数FCON(f)/f为卷积滤波器
20、的系数，当侧重空间分辨力，对比度高，噪声小时，采用Ramachandran滤波函数;当侧重密度分辨力，对比度低，噪声大时，采用Shepp&. Logan滤波函数。FBW(f)表示等效射束宽度的傅立叶变换。如果射线源是移动的，那么采集离散信号就相当于与一个宽度为采样间隔5的方披函数的卷积，其傅立叶变换为FMOV(f)。因为数据值是以离散的形式计算的，并且重建过程需要中间位置的值，所以需要采用插值，FINT(f)表示图像重建过程中的线性内插函数的傅立叶变换。插值得到的数据以宽度为A户的网格显示，这实际上等同于一个卷积，FplX(f)表示显示函数的傅立叶变换。7.3.6 MTF曲线绘制理想情况下可以
21、用式(8)描述的PSF与MTF的关系来测量系统的MTF。然而，实际应用中不存在理想的点状物，因此一般使用圆柱体图像来测量系统的MTF。其基本原理是对边缘响应画数(ERF)求一阶导数来获得线扩展函数(LSF)，用LSF来近似PSF，对LSF进行傅立叶变换得到系统的MTF.图20描述了由一个简单的圆柱体图像获取MTF的过程。采用圆柱体是因为一旦确定了它的质心，通过质心的轮廓线就与圆柱体边缘垂直。可以对多条轮廓线取平均来减少ERF的系统噪声和量子噪声。通过圆柱体图像中心的不同直线的轮廓线见图20a)，对多条轮廓线的边缘响应取平均得出E盯，见图20胁，对ERF求导得出LSF，见图20c)，计算LSF的
22、离散傅立叶变换获得MTF，见图20d)。18 GB/T 29034-2012 300 250 成像圃柱体边缘响应函数(ERF) 100 50 E80 100 a) b) 20 1.0 SheppjLogan滤波器的MTF、15 0.8 飞飞主|毡10线扩展函数飞(LSF) 非6.6飞1 5 0.4 自0.2 -实验-5 o 20 40 60 80 100 120 0.00 0.1 c) d) 图20由圆柱体CT圄像获得MTF的过程7.4 噪声7.4. 1 概述CT系统的噪声是不可避免的，即使电子噪声和散射噪声能降低到最小.X射线本身的量子统计噪声也是元法避免的量子统计噪声服从泊松分布，性-得测
23、量到的光子数是一个随机数。假定光子的平均值为n，给定采样周期内测量到光子数在n士而范围内的概率大约为68.3归。7.4.2 曝声对重建的影响经历图像重建的过程后，噪声对CT图像的影响更加复杂。对于平行束扫描，经平均能量为E的射柬照射后，半径为凡的圆柱体CT图像中心前噪声可分别周式(9)和式(10)表示z式中zV 投影视角数量;R地排队叫E叫披函数( 9 ) S&.L岛生主dShepp&. Logan撞披函数. . .( 10 ) s,JV s 投影数据的采样间隔p内CT图像数据噪声的标准差。7.4.3 曝声的估计实际上，计算图像数据噪声的内是很复杂的，因为CT数据是未衰减的射线强度与检测到的信
24、号比值的自然对数。同样，探测器电子仪器和散射的射线也会带来额外的噪声。当X射线的统计噪声占统治地位时，ad可以近似用式。1)表示z19 GB/T 29034-2012 d句nexp -2o (E叫+石( 11 ) 式中zn 光子数z。(E)圆柱体在平均能量为E的射束照射下的线性衰减系数pRo -圆柱体的半径。可以看出，噪声随着n的增大而降低，随着Ro或者陆的增大而增加。实际测量时，首先选定图像中一定大小的均匀区域，测量上面的m个像素对应的线性衰减系数酌，先计算出平均值，见式(12): 豆=去三t. ( 12 ) 然后计算，见式(13): zr ./. . ( 13 ) 重建图像的噪声与所选区域
25、的位置有关，越靠近物体的边界，噪声变化越大，因此，不建议选用太大的区域。7.4.4 噪声对对比度的影晌采样过程中，光子噪声服从泊松分布，但多次独立采样的组合更接近正态分布，见式(14): PDF(1 exp一但1主l. . . . . . ( 14 ) = ,J2X/xP L - 2a2 J 式中z 分布的均值E 标准差。图21显示了含噪声情况下，细节在背景材料上的实际CT扫描结果。在噪声影响的情况下，受到非理想PSF的影响，细节图像将由图18a)进一步变化为图21a);图21b)显示了图21a)的PDF，可以看出细节和背景材料的线性衰减系数进一步向两边扩散且相互重叠p图21c)以光滑曲线重绘
26、PDF，图中分别给出了细节和背景的像素平均值、标准偏差以及它们之间的对比度，该图显示出由于噪声影响，实际对比度将会下降。在细节和背景材料线性衰减系数分布的重叠区域，细节和背景材料很难区分。r b x a) 固21含噪声情况下细节在背景材料上的实际CT扫描结果20 7.5 CDD曲线PDF 1. 0 PDF Pb Pf b) I I A1 1.0t i 严斗忏才Pb f c) 固21(续)GB/T 29034-2012 细节能否被识别，最终取决于肉眼的观察。在50%的检测概率下，有效对比度().可以用式(15)表示z式中zc -2c5之间的一个常数E一一图像噪声zA户一一一像素尺寸zD一一细节的
27、直径。C(1 p (p.).虫:-rs-. ( 15 ) 从图17可以看出，当细节大于等效射柬宽度BW时，有效对比度不受卷棋的影响。因此，对于大尺寸细节，其有效对比度用式(16)表示:帆=p.句字DBW式(16)除以向并乘以100%，得到百分比对比度，见式(17): 业已坠1x 100%虫出手主x100% D BW b 1.).b 细节小于BW时，有效直径为BW，对比度减小了D2/(BW)2，见式(18): . ( 16 ) ( 17 ) 21 GB/T 29034-2012 .pIY 0.P , n/ (.JL). =土坐巳一一x 100% 飞100%. . ( 21 ) Pb MTF( :
28、)D、飞2DJr。比较式(19)和式(21)可以发现，区分宽度为D、间距为2D的两个相邻细节所需的对比度要大于检测出宽度为D的单一细节所需的对比度。细节越临近，空间颇率越高，MTF值也越小，两者之间的差距就越大。从式(21)还可以看出空间分辨力和材料间的线性衰减系数差异的关系，材料间的线性衰减系数差异越小，空间分辨力越低。7.6 性能预测与检验7.6. 1 系统探测能力式(17)和式(19)可以用来预测任意CT系统的探测能力。对比度是向的函数，而向取决于射线的平均能量E、像素尺寸.p、细节相对于等效射柬宽度BW的大小以及噪声.等。对于平行束CT系统，由公式(9)和公式(10)根据采样间隔s、投
29、影数V、圆柱体半径R。以及光子数n确定。根据这些参数可以作出系统探测能力曲线，预测CT系统的性能。7.6.2 性能预测图22是系统探测能力和CDD曲线的实例，数据是根据0.8MeV的射线源照射半径为2.54cm的铁圆柱获得的。图22采用对数坐标，纵坐标为对比度，横坐标为检测对象的直径，其中实线表示直径DBW的物体的探测能力曲线，短划线表示直径DBW一-探泌能力，UBWCDD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 、 、 、 、飞飞、飞、飞飞、飞飞、飞、飞、飞、飞、飞、100 AU H四川骂灰送来阳100 10 直径/像素0.1 探测能力和D
30、曲线的实倒圄22性能检验对于一个指定材料和尺寸的圆柱体，同样可以根据式。7)、式(19)和式(21)画出探测能力曲线和CDD曲线。通过式(12)和式(13)可以计算出困柱体中心位置处噪声与信号的比值/Pb0使用如图20所示的小圆柱体，可以用实验方式计算出系统的MTF(1/2D)。图23显示了一个半径为2.54cm的铁圆柱，平均能量为0.8MeV的CT系统的CDD曲线的理论值和实验值。理论和实测的MTF曲线如图20 d)所示，图中理论值与实验值是比较吻合的。因为圆柱体相对较小，散射引起的噪声影响不大。对于较大的圆柱体，散射引起的噪声增大，曲线将上移。7.6.3 NFONigoNH阁。GB/T 2
31、9034-2012 CDD幽线一一一理论值*忡*实验值铁，R=2.54cm 100 10 Hmnz茨坦尔阳* O. 1 100 10 直径/像京实际CT系统的理论和实验CDD曲线(常数c为8.5)圄23精度和偏差8.1 CT图像可用于定量测量。可以从CT图像得到工件细节尺寸和形状、细节对比度、壁厚、涂层厚度、材料的绝对密度以及平均原子序数等。8.2 CT的使用需要了解相关的精度。偏差的性质和大小主要取决于扫描设备、扫描参数、工件及感兴趣区域的细节。8.3 在实际中，通过对同一细节进行重复扫描，可以确保影响结果的所有因素都被考虑到，例如z光子的统计涨落、探测器的漂移、线状伪影、点扩展函数的区域差
32、异、物体摆放的位置等，从而获得最佳的测量精度。8.4 不同图像之间的测量值存在差异的原因之一是存在未校准的系统响应，例如在不同的图像间的增益变化和位置偏移。这类差异可以通过在图像中引人校准材料来去除，即将校准材料对应的测量值作为标准值。通常将与被测物体材质类似的校准材料放置于物体旁，与被测物体同时扫描成像。8.5 除了随机误差外，任何细节的测量都可能产生固定的偏差。这可能是由于图像中的伪影，或是测量算法中使用了错误的假定导致的。当已知被测物体的实际参数后，就可以在运算中消除偏差。8.6 确定CT测量精度和偏差的最佳方法就是对具有已知细节的对象进行重复扫描并进行测量，然后对测量结果的分布进行分析，这和其他元损检测方法是类似的。一旦限定了检测系统、检测对象和扫描条件，只要图像中没有引人特殊伪影，就可以估计被测物体的尺寸、组成和结构的精度和偏差，8 究m一元必Mm-mw权r-u侵-3赞一有印一专臼一础au一批周书一定打印H期:2013年6月26日F002A
