X光工业用CT成像二代扫描运动控制系统设计

　　1　引　言

　　X光也称X射线,其本质和光一样,也是一种光子,且是一种频率极高的电磁波,波长介于紫外线和γ射线之间,约为m[1]。X光医学诊断用CT(Computerized Tomograpgy)成像,即医用X-CT,已是家喻户晓的一种医疗临床诊断手段。X光工业用CT成像,即工业X-CT,其原理与医用X-CT相似,只是二者的检测对象不同,故所用的X光能量及强度也不尽相同。工业X-CT是以不损伤被检测对象的性能为前提的一种无损检测技术,且被誉为最佳的无损检测手段之一,在航空、航天、国防、机械、电子、石油及电力等领域有着广阔的应用前景[1-5]。

　　在工业X-CT系统中,当探测器(或传感器)数量为有限的情况下,为获得CT成像用所需的足够多的投影数据(如256×256或512×512),则一般通过运动扫描方法来实现。国外工业X-CT系统的运动扫描方式主要采用二代(Ⅱ代)扫描方式,即“平移+旋转”运动。在国内因研发的主要为工业γ-CT系统,故较多采用三代(Ⅲ代)扫描,即仅“旋转”运动,一则控制较为简单,二则γ射线源射线出束角度可任意确定;对工业X-CT系统,则较多采用二代扫描运动控制,即“平移+旋转”运动,这缘于X射线出束角度有限制,一般小于20°。目前,国内对此项研究工作尚处于起步研究阶段。本文将介绍二代扫描的实现方案、提高扫描效率的方案以及运动控制系统总体方案的设计。

　　2　工业X-CT二代扫描的特点

　　工业X-CT二代(Ⅱ代)扫描是在一代(Ⅰ代)扫描基础上发展起来的,如图1所示。使用单个X光源多探测器阵列,X光源为一小角度的扇形射线束。由于射线出束角小、探测器数目少,因此扇形束不能全包容被检断层,其扫描运动除被检物需作M个分度旋转外,射线束与探测器阵列架一起相对于被检物还需作平移运动,直至全部覆盖被检物,获得所需的成像数据为止。当需要得到被检物的三维图像时,再加一个分层运动即可。

　　3　二代扫描方案的设计

　　二代扫描必须进行“平移”和“旋转”(分度)两种运动才能得到一个断层的CT图像。由于分层运动与平移及分度运动是基本独立的,所以二代扫描方案的设计主要是针对平移和分度运动。这二者的协调运动至关重要。根据二代扫描的特点,设计了下面两种方案来实现二代扫描,如图2所示。

　　图2(a)所示为“步进”式二代扫描方案。之所以说是“步进”式,是因为X光源—探测器相对于工作台作“步进”式平行移动,每平移一次,探测器采集一次数据,得到与探测器数目相同数量的数据。系统运动从图中所示的最上端的位置开始进行扫描,到最下端所示的位置结束扫描。假设需要得到M×N个像素的图像,探测器数目是A(一般为2的幂),这样就需作M次分度,并且每一次分度后,X光源—探测器也需要平行移动(N/A+1)次才能得到N个数据[5]。