复杂薄壁铸件射线成像及层析技术研究

As complex thin-wall castings in aerospace and other fields have complex internal structures, the effective thickness varies greatly in the X-ray transmission direction when X-ray is used for nondestructive testing of such castings. Limited by the dynamic range of detector, a regular DR/CT imaging system is unable to obtain complete information of such castings, which will have bad impacts on DR images and CT images. Therefore, this project will investigate multi-energy DR imaging and multi-energy CT imaging to achieve the high-quality and high-dynamic DR imaging and CT imaging of complex thin-wall castings, thus laying a good imaging foundation for subsequent defect detection. Main content is shown: firstly, the selection method of multi-energy X-ray is studied, and on this basis the multi-energy DR scanning and multi-energy CT scanning are performed. Then on one hand the multi-energy DR imaging algorithm based on noise suppression is studied since the DR image is sensitive to noise. On the other hand, a multi-energy CT reconstruction algorithm which is easy to be implemented is studied to solve the problems of radiation hardening and metal artifacts occurred in conventional CT. At last, research result of this project will promote and support methods for industrial applications of X-ray nondestructive detection.

利用X射线对航空航天等领域中的复杂薄壁铸件进行无损检测时，由于该类铸件内部结构复杂，X射线透射方向上有效透照厚度差异大，受探测器动态范围的限制，使用常规的DR/CT成像系统无法获取铸件的完整信息，影响DR图像和CT重建图像的质量。为此，本项目拟开展多能DR成像和多能CT成像算法研究，实现复杂薄壁铸件的高质量、高动态的DR成像和CT成像，为后续的缺陷检测奠定良好的成像基础。主要内容包括：研究X射线的多能量选择方法，在此基础上实现多能DR和多能CT扫描；针对射线图像对噪声敏感的问题，研究基于噪声抑制的多能DR成像方法；针对常规CT重建算法的噪声和伪影问题，研究易于实现的多能CT重建算法。本项目的研究将为实现复杂构件的定性、定量检测奠定基础，推进X射线无损的工业应用并提供手段。

由于复杂薄壁铸件的厚度范围大，当使用常规固定能量的X射线进行透照时，受探测器动态范围的限制，无法实现对整个结构件进行同时曝光成像，易出现在有效厚度较厚的地方呈现曝光不足，在有效厚度薄的地方出现曝光过度的现象。复杂薄壁铸件的X射线成像技术，一直是相关领域的研究热点和难题。本项目研究了复杂铸件多能X射线DR成像及三维CT重建方法，具体研究内容如下：（1）根据被检复杂铸件的各部分的厚薄程度，将构件划分为多个区域，通过调节管电压、管电流参数，使每个区域在DR图像上具有较高的熵值和NRSS值，以作为能量选择方法。（2）研究在射线能量较低（无过曝光情况）时，单能DR图像的动态范围扩展方法，在单能X射线照射下完整显示复杂铸件的内部结构。（3）用图像融合技术将多幅DR图像形成一幅高动态DR图像，完整、清晰地再现被测铸件的结构信息。（d）利用在多个电压/电流值组合下采集的多能投影数据，对复杂铸件进行三维CT重构。通过利用先验重建图像、图像稀疏性、数据噪声等因素来优化约束项，考虑算法收敛性和计算效率等问题，获得具有清晰结构的断层重建图像。本项目取得了多项研究成果，发表了5篇SCI检索论文，1篇EI检索论文和5篇中文核心论文，授权专利2项。单能DR图像的动态范围扩展方法也在相关无损检测企业中得到了应用。本项目的研究不仅可用于复杂铸件的检测，也可用于多材料构件的无损检测，有助于提高我国X射线检测水平和国际竞争力，推进X射线检测技术工业应用。