分层层析成像中典型构件数字投影计算机仿真

　　在工程检测中,针对大尺寸的板壳结构,如航空、航天器上的蜂窝胶结板,卫星上的太阳能帆板等,其长、宽尺寸均为米级或近米级,而厚度仅为几毫米到几十毫米,苛刻的可靠性要求和昂贵的造价,使得其缺陷、结构形态检测必须借助于一种有效的检测技术。传统的超声检测方法由于受分辨力、穿透能力以及液体耦合等条件的限制而无能为力;射线数字成像(Digital Radiography)尽管可以提供高清晰度的透视图像,但由于深度方向上的信息重叠无法对结构缺陷进行定位;并且由于该种结构长、宽尺寸大而厚度小,传统的工业计算机断层成像(ICT),采用扇束旋转扫描或平移加旋转扫描检测,显然难以解决该结构的层析检测。于是基于该种结构的层析检测问题,发展了工业计算机层析成像(ICL)技术。

　　1　扫描方式介绍

　　针对板壳构件的层析检测,本文采用一种ICL层析方法,其扫描方式为X-射线相对于构件长宽表面沿一定的角度倾斜入射并绕该表面法线回转,如图1·1(1 X射线头;2锥束射线;3被层析断层;4被检测板、壳;5探测器;6扫描台)所示。图中探测器如此放置是为了尽可能使射线垂直照射探测器以提高探元的转换效率,防止探元通道间的光子串扰。

　　关于该种扫描方式下的层析技术,1993年日本Hiroshi Matsuo采用基于逆滤波的数字综合层析(Digital Tomo-Synthesis)方法对整个人体进行了断层重建[1]。1997年德国Gondrom S等人也采用了类似的方法检测出了铝壳焊接缺陷以及印刷电路板不同断层的线路分布[2]。另外俄罗斯托姆斯克工业大学Baranov V A等人也对此有过研究,他们采用非线性滤波层析成像的方法对典型构件进行了检测[3]。以上的研究方法,均是基于Laminography的理念。

　　2　典型构件投影数据仿真算法

　　在图1.1中,射线源距离被检测物体的距离较远,而且被扫描区域可以控制得较小,这样射线束可以近似为平行束,有利于算法的简化。扫描过程为射线束以一定角度倾斜入射并保持不动,物体绕轴线等角步长旋转。以下仿真算法均视射线束为平行束,射线与探测平面严格垂直。射线束、被检测物体以及探测平面坐标关系如图2.1(a),(b)所示。物理探测器平面位于图1.1中5所在位置,将其沿射线方向平移可得图2·1(a)中的探测平面,这样有利于坐标系的统一。

　　由图2.1(a)得原始坐标系xoy与物体旋转后的坐标系x″oy″之间的变换关系为

　　由图2.1(b)得原始坐标系xoy与探测平面坐标系x′oy′之间变换关系为

　　图中α为探测平面相对于xoy面的倾斜角度,θ为物体的旋转角度,探测器平面经过坐标原点,(xi,yi,zi)为探测平面上的点(x′i,y′i,z′i)在xoy坐标系中的对应坐标。