扫描电压及散射线校正对叶片工业CT三维成像边界提取的影响

左 欣，乔日东，倪培君，付 康，徐向群，齐子诚

(中国兵器科学研究院宁波分院，宁波 315103)

在高温高压环境下工作的航空发动机空心叶片对强度有很高的要求，因此叶片壁厚是航空发动机叶片的一个重要指标，需要对其进行准确地测量[1]。目前，叶片壁厚的测量方法主要有超声测厚法、涡流扫描测量法、电磁霍尔效应法等。叶片的复杂外形导致以上测量方法在实际应用中均存在一定的局限性[2]。工业CT(电子计算机断层扫描)为叶片壁厚的精确测量提供了一种很好的方法。线阵CT通过获取叶片的截面，然后通过半高宽或半自动测量法进行测量，但一次只能实现对一个截面的测量，测量效率较低[3-4]。叶片的三维面阵CT检测已有开展，可以多方位表征叶片内部的裂纹、残芯等缺陷[5-6]，但应用三维面阵CT对叶片壁厚进行快速准确测量的案例则较少。

对某叶片在不同电压下进行三维锥束扫描，接着对获取的叶片三维体数据采用VG软件提取边界，研究了不同电压对叶片三维成像后数据边界提取的影响，并获取了散射线校正前后的叶片边界。找到了可提取清晰完整叶片边界的合适工艺参数和方法，为叶片壁厚的自动化测量创造了条件。

图2 不同扫描电压下的叶片截面成像(散射线未校正)

1 试验装置

对某叶片的叶身部位进行截断，加入校准过的量块，量块尺寸(厚度)分别为1.0，1.2，1.8 mm，然后重新黏合叶片，量块加入位置如图1所示。试验采用GE公司的小焦点、最大电压为450 kV的Phoenix v|tome|x c型设备，对黏合后的叶片进行CT检测，考虑到较低的电压无法穿透叶片，因此设置最低扫描电压为300 kV，同时受到设备功率的限制，将电流设置为1 400 μA。扫描张数越多，图像质量越精细，为保证图像的精细度，排除因扫描张数过少而造成图像质量下降的情况，将扫描张数设置为1 600。此外，三维面阵CT的整个面板都能接收到来自被照射物体及其周边产生的大量散射线，这样会极大地降低图像质量，整个背景噪声会被提高很多，过多的散射线使重建的图像偏离实际，导致叶片壁厚较薄部位与空气背景的边界识别出现较大偏差，因此，文章将散射线校正作为重要因素予以考虑。具体扫描参数如下：扫描电压分别设置为300 kV,350 kV,400 kV,430 kV;扫描电流为1 400 μA;曝光时间为500 ms;平均次数为2次;图像像素尺寸为86.3 μm;扫描张数为1 600张，检测参数见表1。选取电压为400 kV和430 kV的2组数据进行了散射线校正。通过2次扫描，其中一次正常扫描，另一次将铅球挡板放置在探测器前进行扫描，然后通过软件计算各个铅球位置的散射值，再把2次数据相减得到校正值，最后生成散射线校正后的数据。对获取的图像数据，采用软件VGStudio MAX2.2提取其边界，首先识别灰度直方图中的空气背景和材料的灰度峰值，然后取两者的平均值作为等值面，确定边界。

图1 量块加入位置示意

表1 叶片检测参数

2 结果与分析

2.1 电压对边界提取的影响

对于复杂形状的叶片，提高CT检测电压，可以抑制成像过程中的噪声以及校正射线束的硬化，提高成像信噪比，进而获得高质量的图像[7-8]。不同扫描电压下的叶片截面成像(散射线未校正)如图2所示，不同扫描电压下的叶片边界提取结果(散射线未校正)如图3所示。

对比图2和图3可知，4种不同电压下均有部分边界无法完全识别，但随着电压的升高，提取边界与叶片实际边界的一致性逐渐提高。在较低电压下，提取的边界弯曲，不光滑，存在畸变，与叶片实际边界存在较大的偏差；提高电压后，提取的边界与实际边界的一致性也得到提高。

图3 不同扫描电压下的叶片边界提取结果(散射线未校正)

2.2 散射线校正对边界提取的影响

三维锥束成像中散射线对图像的质量影响很大，散射线不仅与周围的环境有关，还与被检物体的形状结构有关[9-15]，散射线对复杂形状的叶片成像影响特别严重。康普顿效应和光电效应均会造成X射线的散射，散射线使探测器探测到的信号值偏离射线强度的真实值，从而导致图像的对比度降低，严重的散射会在图像上产生阴影，影响图像边界的识别。为了验证散射线对叶片扫描图像的影响，进行了散射线校正前后的图像对比试验。

400 kV扫描电压下散射线校正前后的边界提取图像如图4所示。与散射线校正后的边界提取图像对比，未经散射线校正的图像，边界提取不完整，叶盆较薄部位的边界无法识别，边界发生中断；而经过散射线校正后的图像，其背景清晰，可以识别完整清晰的边界，图像质量较校正前得到明显提高。

图4 400 kV扫描电压下散射线校正前后的边界提取图像

图5 430 kV扫描电压下散射线校正前后的边界提取图像

430 kV扫描电压下散射线校正前后的边界提取图像如图5所示，与400 kV的扫描电压图像对比，未经散射线校正的提取边界仍存在断续，但断续部分有所减少，提高电压对边界提取情况有所改善，但改善较小;经过校正后的图像提取的边界完整清晰，即相对于电压而言，散射线对图像质量的影响更大，在保证电压能够穿透物体的情况下，校正散射线更为重要。经过散射线校正的图像质量明显变好，可以一次提取完整的边界，满足自动测量的条件。

2.3 边界提取尺寸测量结果验证

在经过散射线校正，可以完整地提取叶片边界后，对叶片中加入的3种尺寸的量块提取边界后进行多次测量，验证依据边界测量的数据与实际尺寸的一致性，扫描电压为400 kV与430 kV的测量数据分别如表2，3所示，量块尺寸测量方法如图6所示。

表2 400 kV扫描电压下量块的测量数据 mm

表3 430 kV扫描电压下量块的测量数据 mm

图6 2组电压下量块尺寸测量方法示意

观察测量结果可以发现，多次重复测量的数据呈现很好的稳定性，其中400 kV下1.2 mm量块3次测量结果的最大偏差为0.02 mm，可能是选点的偏差造成的。3种量块的测量结果显示，其中1.0 mm量块与实际校正值最为接近，1.8 mm量块与实际校正值偏差0.08 mm，1.2 mm量块与实际校正值偏差较其他两个量块的偏差值稍大，最大偏差为0.14 mm。

由表3可知，1.0 mm量块与实际校正值偏差0.02 mm；1.2 mm量块与实际校正值偏差0.13 mm，1.8 mm量块与实际校正值偏差0.07 mm，1.2 mm量块与实际校正值偏差较其他两个量块的偏差值稍大。比较400 kV和430 kV的测量结果，2组不同实验参数下的3个不同量块的测量值均很接近。偏差值较大的为1.2 mm量块，可能因为叶片形状导致不同位置的射线衰减不同，最终影响测量结果。试验中选择将3个量块放置在叶盆与叶背的不同部位，模拟了实际检测中叶片各部位的衰减情况，验证了不同位置的衰减不同，可能会导致测量结果出现偏差的结论。

3 结论

(1) 在300 kV，350 kV，400 kV，430 kV等4组不同电压下对叶片进行扫描，较低电压下叶片提取的边界有少量变形，与实际边界不符，随着电压的逐步提高，叶片的边缘清晰度逐渐提高，与实际边界的吻合度也得到提高。

(2) 对比了400 kV和430 kV扫描电压下散射线校正前后的图像，发现经过散射线校正的图像质量大为提高，可以提取完整清晰的边界，可以为叶片壁厚的自动测量创造条件。

(3) 对经过散射线校正后可以提取完整清晰边界的叶片中的量块进行测量，测量结果与实际校准值能较好吻合。