用于复合材料的可变变焦X射线计算机断层成像方法技术

本发明专利技术提供一种可变变焦X射线CT方法，其可以显著提高具有大平面维度的结构的分辨率，例如用来检测大型薄复合材料层压板中的低速冲击造成的复杂结构损伤。可变变焦方法包括从X射线源发射X射线束，以将视野(FOV)内样本的目标区域(ROI)投影到检测器上。在围绕样本台的旋转轴线旋转所述样本并且沿着所述X射线源与所述检测器之间的采集轨迹平移所述样本台的同时，用所述检测器扫描所述ROI的投影。所述采集轨迹是指在所述样本台的每个旋转角度处，所述X射线源与所述样本台的旋转轴线之间的源到物体距离(SOD)。重建计算机从所述检测器扫描的所述投影重建所述样本的三维体积。描的所述投影重建所述样本的三维体积。描的所述投影重建所述样本的三维体积。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于复合材料的可变变焦X射线计算机断层成像方法
[0001]关于联邦政府赞助研究的声明
[0002]本专利技术得到了陆军研究实验室的W911NF
‑
17
‑2‑
0195号资助，在政府支持下完成。政府对本专利技术享有某些权利。

技术介绍

[0003]聚合物复合材料中关键制造缺陷和结构损伤模式的复杂性要求进行高分辨率无损评估，所述评估能够在三个维度上准确测量此类缺陷的位置和形状，并具有足够的客观性进行解释，避免了人为错误。X射线计算机断层成像(CT)，已经证明其对聚合物复合结构的无损检测具有前所未有的客观性。然而，对具有大平面内维度的复合结构中的小关键缺陷进行高分辨率无损评估一直是CT技术面临的基本挑战。
[0004]随着波音787和空客350的生产以及对传统系统的预期升级，复合材料飞机开始主导商用飞机市场。在美国国防部应用方面，洛克希德
·
马丁公司已受命生产3,000多架F
‑
35飞机。类似地，美国陆军和旋翼飞机工业正面临替换6,300多架军用垂直升降飞机的未来垂直升降航空挑战[1]。先进的纤维增强聚合物基体复合材料在设计高性能和轻型飞机结构方面发挥着重要作用。然而，由于损伤和失效机制的复杂性，复合转子和机身结构的使用寿命仍然存在不确定性。此外，复合结构对制造不规则性的敏感性(可能是结构损伤的前兆)引发的风险需要准确的结构诊断来减轻风险[1
‑
3]。
[0005]为了推进复合材料鉴定和飞机结构认证，相关分析必须捕获飞行关键部件和结构的制造复杂性和可变性。值得注意的是，量化会影响结构性能的最小缺陷所需的无损检测(NDI)的保真度是复合材料零件结构诊断的关键[1]。然而，表征生产复合材料零件中此类缺陷所需的NDI保真度还不够。关键位置处存在的单个小缺陷会显著影响复合结构的强度和耐久性[2
‑
3]。对层界面处纤维波纹和空隙形式的制造不规则性的敏感性，降低剩余强度和疲劳行为；以及结构损伤模式和失效机制的复杂性，这些都是复合材料方面的挑战[4
‑
6]。复合元件结构完整性的评估取决于对层界面处的结构缺陷位置和空隙的准确检测，降低尺寸以估计疲劳行为后的剩余强度；以及结构或冲击损伤的复杂性。另一个挑战是评定复合元件的结构完整性，这取决于对结构缺陷位置和尺寸的准确检测，从而估计疲劳或冲击损伤后的剩余强度[7
‑
8]。由于关键缺陷和损伤模式的三维(3D)性质，需要能够捕获影响结构性能的单个缺陷的位置和几何形状/形状的高分辨率无损方法。
[0006]已经证明了X射线计算机断层成像(CT)对聚合物复合材料的NDI具有前所未有的客观性[9
‑
11]。然而，复合材料飞机中典型的相对于厚度具有较大平面内维度的结构对于实现准确评定关键缺陷和损伤模式所需的足够分辨率具有挑战性。现代工业微焦点X射线CT断层成像系统基于锥形束几何结构，它使用定向X射线源发射准直锥形X射线束(例如，30度宽)并且将物体投影到平板检测器上，通常尺寸为8到16英寸(20
‑
40cm)。这种设置允许CT系统根据物体与源的靠近程度使用物体的几何放大率[12]。
[0007]由于X射线CT方法在损伤拓扑的3D成像方面的优势，冲击损伤已经成为许多研究的目标。参考文献[13]使用了所有截面中X射线CT数据的客观性来重建弯曲层压板界面中
的每层损伤。提出了多种X射线CT方法，包括双能CT、同步辐射源和计算机层析成像，以减轻受影响面板的大纵横比问题，例如由于主要地平面物体尺寸导致的与不完整数据采集相关的伪影和噪声[14
‑
15]。
[0008]尽管CT取得了进步，但是对具有大平面内维度的物体中的小缺陷进行高分辨率3D重建仍然是基于X射线CT的NDI的基本挑战。当前的微焦点CT技术基于全扫描(目前围绕物体360
°
，或至少180
°
加上锥形束角[12])，这限制了所述技术对小横截面的适用性。此外，即使是可以在现有微型CT设施中扫描的物体，如果分辨率要求使得过于靠近X射线管放置被检查物体而使得无法完成全面扫描，则可能无法充分放大复合结构。
[0009]图1A
‑
1B说明了物体尺寸限制。例如，图1A示出了具有相对于厚度大的平面内维度的测试制品102。以虚线示出的测试制品102的旋转导致测试制品102与检测器104之间的碰撞。因此，测试制品102只能旋转通过有限投影角度范围。在当今可用的工业系统中，使用低于180
°
的有限投影角度范围进行重建很快就会失去客观性，并且在单侧检查期间经常会出错，并且通常导致与部分接近引起的丢失投影相关的不一致3D重建。在另一个实例中，图1B示出了太靠近X射线管108放置的测试制品106。以虚线示出的测试制品106的旋转导致测试制品106与X射线管108之间的碰撞。因此，可能无法以期望的放大率扫描测试制品106。

技术实现思路

[0010]本公开的第一方面提供了一种X射线计算机断层成像(CT)扫描仪的可变变焦方法。所述方法包括从X射线源发射X射线束，以将视野(FOV)内样本的目标区域(ROI)投影到检测器上。所述方法包括在围绕样本台的旋转轴线旋转所述样本并且沿着所述X射线源与所述检测器之间的采集轨迹平移所述样本台的同时，用所述检测器扫描所述样本的ROI的投影。所述方法包括由重建计算机从所述检测器扫描的所述投影重建所述样本的三维体积。
[0011]在本公开的第一方面的一些实施方式中，在旋转和平移所述样本时，所述X射线源和所述检测器是静止的。
[0012]在本公开的第一方面的一些实施方式中，所述ROI被投影到所述检测器的中心区域上。
[0013]在本公开的第一方面的一些实施方式中，所述采集轨迹是指在所述样本台的每个旋转角度处，所述X射线源与所述样本台的旋转轴线之间的源到物体距离(SOD)。
[0014]在本公开的第一方面的一些实施方式中，所述采集轨迹沿着所述FOV的中心平移所述样本台的旋转轴线。
[0015]在本公开的第一方面的一些实施方式中，沿着所述采集轨迹的初始SOD为SOD
ROI
，其中所述SOD
ROI
为所述ROI完全位于所述FOV内的最近SOD。
[0016]在本公开的第一方面的一些实施方式中，当所述样本台的旋转角度小于阈值角度时，所述SOD
ROI
为所述ROI保持在所述FOV内的最近SOD。
[0017]在本公开的第一方面的一些实施方式中，所述样本台的每个旋转角度处的SOD为：
[0018][0019]其中θ为所述样本台的旋转角度，SOD(θ)为所述样本台的每个旋转角度处的所述
SOD，SOD
ROI
为初始SOD，S0为安全性偏移，S
P
为样本宽度，并且T
P
为样本厚度。
[0020]在本公开本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种X射线计算机断层成像(CT)扫描仪的可变变焦方法，所述方法包括：从X射线源发射X射线束，以将视野(FOV)内样本的目标区域(ROI)投影到检测器上；在围绕样本台的旋转轴线旋转所述样本并且沿着所述X射线源与所述检测器之间的采集轨迹平移所述样本台的同时，用所述检测器获得所述样本的ROI的投影；以及由重建计算机从所述检测器扫描的所述投影重建所述样本的三维体积。2.根据权利要求1所述的方法，其中在旋转和平移所述样本时，所述X射线源和所述检测器是静止的。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述ROI被投影到所述检测器的中心区域上。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述采集轨迹是指在所述样本台的每个旋转角度处，所述X射线源与所述样本台的旋转轴线之间的源到物体距离(SOD)。5.根据权利要求4所述的方法，其中所述采集轨迹沿着所述FOV的中心平移所述样本台的旋转轴线。6.根据权利要求4所述的方法，其中沿着所述采集轨迹的初始SOD为SOD
ROI
，其中所述SOD
ROI
为所述ROI完全位于所述FOV内的最近SOD。7.根据权利要求6所述的方法，其中当所述样本台的旋转角度小于阈值角度时，所述SOD
ROI
为所述ROI保持在所述FOV内的最近SOD。8.根据权利要求7所述的方法，其中在所述样本台的每个旋转角度处的所述SOD为：其中θ为所述样本台的旋转角度，SOD(θ)为所述样本台的每个旋转角度处的所述SOD，SOD
ROI
为初始SOD，S0为安全性偏移，S
P
为样本宽度，并且T
P
为样本厚度。9.根据权利要求8所述的方法，其中当所述样本台的旋转角度小于阈值角度时，SOD(θ)＝SOD
ROI
。10.根据权利要求4所述的方法，其中重建所述三维体积包括：将一组经过滤的射线照片的反向投影加权，其中加权因子基于所述样本台的每个旋转角度处的所述SOD。11.根据权利要求10所述的方法，其中所述加权因子包括：其中w
vz
为加权因子，SOD(θ)为所述样本台的每个旋转角度处的所述SOD，并且SDD为源到检测器距离。12.根据权利要求10所述的方法，其中重建所述三维体积进一步包括：计算所述SOD和每个投影角度的投影到体积变换，以产生所述一组经过滤的射线照片的反向投影；以及基于内插法将加权反向投影像素值添加到所述三维体积中的体素，以产生所述三维体积的重建。13.根据权利要求12所述的方法，其中重建所述三维体积进一步包括：在频域中计算斜坡滤波器；基于所述斜坡滤波器计算加权和经过滤的射线照片，并且应用周...

【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：得克萨斯系统大学评议会，
类型：发明
国别省市：