一种实用的板状构件层析扫描装置射束倾角标定方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种实用的板状构件层析扫描装置射束倾角标定方法。本方法基于层析扫描装置扫描台上的一点旋转360度时，其在探测器成像面的投影轨迹为一椭圆的原理，获取一目标体360度旋转范围内的投影序列，利用图像处理与最小二乘拟合法得到目标体椭圆投影轨迹的短半轴与长半轴之比，从而得到射束倾角的值。本发明专利技术标定方法具有结果唯一、抗噪性强、精度高的优点，从而有效保证了板状结构层析的扫描成像装置对输出层析图像的精度，减少重建伪影的产生。

【技术实现步骤摘要】
一种实用的板状构件层析扫描装置射束倾角标定方法
本专利技术涉及一种适用于板状构件层析扫描装置射束倾角的标定，可用于医学和工业领域射线数字成像（DR-DigitalRadiography）、常规锥束射线层析扫描及非常规锥束射线层析扫描成像过程中的相关标定。
技术介绍
近些年来，随着材料科学的飞速发展，多种性能优异的板状复合材料结构大量地用于航空、航天、船舶工业中，如蜂窝胶接板、太阳能帆板等；另外，在电子工业中大量使用的电子器件，如多层印刷电路板（PrintingCircuitBoard，PCB）、球栅阵列器（BallGridArray，BGA），其结构亦为板状结构。苛刻的可靠性要求和昂贵的造价，使得这种构件的缺陷、结构形态检测（如蜂窝板胶结质量、内芯形变检测；PCB和BGA的焊点质量检测）必须诉诸于一种有效的无损检测手段。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，DR（DigitalRadiography）检测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而无法对结构缺陷进行定位。传统的锥束扫描三维层析成像方法，如圆轨迹扫描、正交扫描（包括正交圆扫描、圆＋弧扫描、圆＋直线扫描等）、螺旋扫描以及修正螺旋扫描等，由于被检构件长宽尺寸与厚度尺寸相差太大，存在以下问题：(1)扫描装置的设计难度大，甚至在工程上难以实现；(2)射线穿过物体的最长路径为构件的最大几何尺寸，因此需要足够能量的射线来穿透物体；(3)由于射线穿过长（宽）方向的路径较长，使得透度灵敏度降低，在投影信息上难以体现出扫描断层介质密度的细微变化，也不可能重构出满意的断层图像。基于上述问题，出现了一种专用于板状结构层析的扫描成像装置。该扫描装置的原理如图1所示。射线源1的焦点P发出锥形射线束3，该锥形射线束3的中心射线记为PO（O点是平板探测器的成像平面7中心点），且中心射线标识号为2。板状构件5（被检测对象）放置在扫描平台6上，并随扫描平台6运动，以及绕扫描平台6的旋转轴4转动；中心射线2与旋转轴4的夹角称为射束倾角，记为α；平板探测器8安装在扫描台6下方的弧形导轨9上，中心射线PO垂直于平板探测器的成像平面7；平板探测器8沿弧形导轨移动可以调节射束倾角α的大小。层析扫描成像开始时，被检测板状构件5在扫描平台6的拖动下绕旋转轴4在360度范围内旋转，平板探测器8采集板状构件5在不同旋转位置的投影图像；基于360度旋转范围内的所有投影图像，通过板状构件层析扫描装置的图像重建与图像处理单元反演出被检测板状构件5的断层图像。然而，对于实际的层析扫描装置，中心射线2和旋转轴4虚拟不可见，从而导致射束倾角α无法直接测量得到，而后期的图像重建与图像处理单元中需要输入射束倾角α的精确值。实践证明，若α出现误差会导致层析图像出像伪影，从而影响被检测对象内部结构与质量状态信息的准确输出，对产品的质量评判与结构逆求造成不利。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种实用的板状构件层析扫描装置射束倾角标定方法。该标定方法基于位于层析扫描装置扫描台上的一点旋转360度时，其在探测器成像面的投影轨迹为一椭圆的原理。首先在扫描平台上固定一球形目标体，然后采集该目标体360度旋转范围内的投影序列；利用图像处理方法获取目标体的投影质心坐标，并基于所有投影质心坐标，利用最小二乘拟合法得到目标体的椭圆投影轨迹方程，通过椭圆的短半轴与长半轴之比换算出射束倾角的值。一种实用的板状构件层析扫描装置射束倾角标定方法，所述板状构件层析扫描装置包括有射线源（1）、扫描平台（6）、平板探测器（8）、弧形导轨（9）；其特征在于该标定方法包括有下列实施步骤：步骤一：选取扫描平台（6）与射线源（1）之间的间距D1-D2尽可能大；步骤二：将一球形目标体固定在扫描平台（6）上，且所述球形目标体与扫描平台（6）的旋转中心点O6的距离为10～100mm；步骤三：启动射线源（1）和扫描平台（6），并使扫描平台（6）绕旋转轴（4）在360度范围内旋转，在每间隔1度～5度的旋转角度下，平板探测器（8）采集得到球状目标体的DR投影图像；步骤四：对每幅DR投影进行对数变换得到变换投影pj(x,y)：步骤五：在图像重建与图像处理单元中对第四步对数变换后的每幅DR图像进行图像分割，分割后的图像背景灰度值为0，球状目标体投影的灰度值保持原来的值；步骤六：在图像重建与图像处理单元中求取第五步中图像分割后的每幅DR图像中球状目标体投影的质心坐标值(xj,yj)：步骤七：在图像重建与图像处理单元中对第六步中得到的所有质心坐标进行最小二乘拟合，拟合曲线为一椭圆，椭圆方程可表示为：Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F＝0步骤八：建立误差函数f(A,B,C,D,E,F)：在本专利技术中，对误差函数f(A,B,C,D,E,F)进行求偏导，并令可得到一线性方程组，求解该方程组，即可得到椭圆方程的系数A、B、C、D、E、F的值，利用这些值，得出椭圆的长半轴与短半轴的计算表达式：步骤九：求取椭圆短半轴与长半轴之比该比值的反余弦即为板状构件层析扫描装置的射束倾角α。本专利技术标定方法的优点在于：①从工程应用的角度出发，利用椭圆投影轨迹短轴与长轴之比求解射束倾角，计算过程简单，容易操作，且满足工程检测精度要求。②以球形目标体的投影质心为特征点，利用最小二乘拟合法对投影图像的投影轨迹进行拟合以得到投影图像椭圆方程Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F＝0，能够满足误差最小原则，从而保证了标定结果的精度。③该专利技术标定方法内嵌在板状构件层析扫描装置的图像重建与图像处理单元中，能够自动获取射束倾角α的变化。本专利技术标定方法容易实现，原理简单，只需要将球状目标体固定在扫描平台上，然后将球状目标体旋转360度即可。附图说明图1是传统板状构件层析扫描装置示意图。图2是本专利技术板状构件层析扫描几何关系图。图3A是R=50mm时的叠加椭圆投影。图3B是R=60mm时的叠加椭圆投影。图3C是R=70mm时的叠加椭圆投影。图4是被扫描有机玻璃模体。图5A是经本专利技术方法处理后的有机玻璃模体在位置一的层析图像。图5B是经本专利技术方法处理后的有机玻璃模体在位置二的层析图像。图5C是经本专利技术方法处理后的有机玻璃模体在位置三的层析图像。1.射线源2.中心射线3.锥形射线束4.旋转轴5.被扫描物体6.扫描平台7.成像平面8.平板探测器9.弧形导轨具体实施方式下面将结合附图和实施例对本专利技术做进一步的详细说明。为了提高板状结构层析的扫描成像装置对输出层析图像的清晰度，同时方便对射束倾角α的获取，本专利技术依照层析扫描装置的成像原理，将锥形射束3、扫描平台6及平板探测器8的几何位置按照图2所示的关系进行配置。扫描平台6相对于平板探测器的成像平面7为倾斜放置，扫描平台6的中心点记为O6（简称为扫描中心点），扫描中心点O6到探测器成像平面7的垂直距离记为D2（简称为第二距离），射线源1的焦点P到探测器成像平面7的垂直距离记为D1（简称为第一距离）。扫描平台6的上面板平面记为Q平面，Q平面绕扫描平台6的法线n旋转，法线n与中心射线PO的夹角则为射束倾角α。很显然，在本专利技术中法线n即相当于图1中的旋转轴4，图2中的射束倾角α即为图1中的射束倾角α。如图2所示，第一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种实用的板状构件层析扫描装置射束倾角标定方法，所述板状构件层析扫描装置包括有射线源（1）、扫描平台（6）、平板探测器（8）、弧形导轨（9）；其特征在于该标定方法包括有下列实施步骤：步骤一：选取扫描平台（6）与射线源（1）之间的间距D1‑D2尽可能大；D1表示第一距离，D2表示第二距离；步骤二：将一球形目标体固定在扫描平台（6）上，且所述球形目标体与扫描平台（6）的旋转中心点O6的距离为10～100mm；步骤三：启动射线源（1）和扫描平台（6），并使扫描平台（6）绕旋转轴（4）在360度范围内旋转，在每间隔1度～5度的旋转角度下，平板探测器（8）采集得到球状目标体的DR投影图像；步骤四：对每幅DR投影进行对数变换得到变换投影pj(x,y)：pj(x,j)=lnmax(pj0(x,y))pj0(x,y)j=1,2,3...T]]>x表示成像坐标系XOY下X轴上的坐标变量；y表示成像坐标系XOY下Y轴上的坐标变量；表示第j幅原始DR投影；表示第j幅原始投影的最大值；pj(x,y)表示第j幅对数变换后的变换投影；T表示第三步采集到的球形目标体的总投影幅数；步骤五：在图像重建与图像处理单元中对第四步对数变换后的每幅DR图像进行图像分割，分割后的图像背景灰度值为0，球状目标体投影的灰度值保持原来的值；步骤六：在图像重建与图像处理单元中求取第五步中图像分割后的每幅DR图像中球状目标体投影的质心坐标值(xj,yj)：xj=Σx=1mΣy=1nx×fj(x,y)ΣxΣyfj(x,y)yj=Σx=1mΣy=1ny×fi(x,y)ΣxΣyfj(x,y)]]>m表示DR投影的长度；n表示DR投影的高度；fj(x,y)表示DR图像的二维函数，其中，x表示成像坐标系XOY下X轴上的坐标变量，y表示成像坐标系XOY下Y轴上的坐标变量。xj表示第j幅DR图像中球状目标体投影质心在X轴上的坐标；yj表示第j幅DR图像中球状目标体投影质心在Y轴上的坐标。步骤七：在图像重建与图像处理单元中对第六步中得到的所有质心坐标进行最小二乘拟合，拟合曲线为一椭圆，椭圆方程可表示为：Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F＝0x表示成像坐标系XOY下X轴上的坐标变量；y表示成像坐标系XOY下Y轴上的坐标变量；A表示椭圆方程中变量x的二次项系数；B表示椭圆方程中变量xy的二次项系数；C表示椭圆方程中变量y的二次项系数；D表示椭圆方程中变量x的一次项系数；E表示椭圆方程中变量y的一次项系数；F表示椭圆方程的常数项。步骤八：建立误差函数f(A,B,C,D,E,F)：f(A,B,C,D,E,F)=Σj=1n(Axj2+Bxjyj+Cyj2+Dxj+Eyj+F)2]]>n表示球状目标体DR投影质心的数目；f(A,B,C,D,E,F)代表误差函数；xj表示第j幅DR图像中球状目标体投影质心在X轴上的坐标；yj表示第j幅DR图像中球状目标体投影质心在Y轴上的坐标。在本专利技术中，对误差函数f(A,B,C,D,E,F)进行求偏导，并令可得到一线性方程组，求解该方程组，即可得到椭圆方程的系数A、B、C、D、E、F的值，利用这些值，得出椭圆的长半轴与短半轴的计算表达式：Ra=-2FA+C-B2+(A-CF)2Rb=-2FA+C+B2+(A-CF)2]]>步骤九：求取椭圆短半轴与长半轴之比该比值的反余弦即为板状构件层析扫描装置的射束倾角α。...

【技术特征摘要】
1.一种实用的板状构件层析扫描装置射束倾角标定方法，所述板状构件层析扫描装置包括有射线源(1)、扫描平台(6)、平板探测器(8)、弧形导轨(9)；其特征在于该标定方法包括有下列实施步骤：步骤一：选取扫描平台(6)与射线源(1)之间的间距D1-D2大于球形目标体与扫描平台的旋转中心点的距离的4倍；D1表示第一距离，D2表示第二距离；步骤二：将一球形目标体固定在扫描平台(6)上，且所述球形目标体与扫描平台(6)的旋转中心点O6的距离为10～100mm；步骤三：启动射线源(1)和扫描平台(6)，并使扫描平台(6)绕旋转轴(4)在360度范围内旋转，在每间隔1度～5度的旋转角度下，平板探测器(8)采集得到球状目标体的DR投影图像；步骤四：对每幅DR投影进行对数变换得到变换投影pj(x,y)：j＝1,2,3…Tx表示成像坐标系XOY下X轴上的坐标变量；y表示成像坐标系XOY下Y轴上的坐标变量；表示第j幅原始DR投影；表示第j幅原始投影的最大值；pj(x,y)表示第j幅对数变换后的变换投影；T表示第三步采集到的球形目标体的总投影幅数；步骤五：在图像重建与图像处理单元中对第四步对数变换后的每幅DR图像进行图像分割，分割后的图像背景灰度值为0，球状目标体投影的灰度值保持原来的值；步骤六：在图像重建与图像处理单元中求取第五步中图像分割后的每幅DR图像中球状目标体投影的质心坐标值(xj,yj)：m表示DR投影的长度；n表示DR投影的高度；fj(x,y)表示DR图像的二维函数，其中，x表示成像坐标系XOY下X轴上的坐标变量，y表示成像坐标系XOY下Y轴上的坐标变量；xj表示第j幅DR图像中球状目标体投影质心在X轴上的坐标；yj表示第j幅DR图像中球状目标体投影质心在Y轴上的坐标；步骤七：在图像重建...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨民，梁丽红，朱建华，段盛凌，刘奇，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11