中子外部CT检测升级,成像去伪影更清晰


 

封面文章| 《光学学报》第22期封面故事:林强;杨民;张晓敏;唐彬;刘斌;霍合勇; 一种改进的中子外部CT图像伪影抑制方法[J]. 光学学报, 2020, 40(22): 2210001.

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1、引言

中子成像在检测含较轻元素(氢、锂、硼等)的材料、原子序数相近元素、同位素、放射性材料等方面有着X射线无法具备的优势。

当进行传统中子CT扫描时(图1(a)),中子束与探测器构造的透照场需要完全包络样品的横向截面。对于筒状样品内部填充物与筒壁粘接状态、管道焊缝及腐蚀等的检测,关注部位为筒壁区域的裂纹、腐蚀、分层、脱粘等缺陷。当样品尺寸较大时,受探测器成像面积、射线能量等因素的限制,传统CT不能保证中子束在每个旋转视角下都能包络被检样品,导致重建图像质量无法满足精准判读的要求。


图1 中子CT扫描原理图。(a)传统CT;(b)外部CT

外部CT(图1(b))利用现有的成像系统,在每个旋转视角下仅采集穿过被检对象外部区域的投影数据,实现该外部区域的断层重构,成为大尺寸筒状构件层析检测的重要方法。相较于传统CT扫描,外部CT扫描投影数据缺失严重将导致重建图像呈现出明显的径向边缘伪影,影响样品质量状态及结构信息准确判读。

现有的加权方向全变差(WDTV)最小化重建模型通过计算待重建点沿径向(图2(a)中Radical direction)和切向(图2(a)中Angular direction)的局部方向差分,并对其加权求和,最后以WDTV最小化为目标函数实现外部CT重建,有效抑制了投影数据缺失导致的径向边缘伪影。

2、中子外部CT检测

北京航空航天大学杨民教授课题组针对低信噪比、投影数据不完备极端条件下的中子外部CT检测,提出在待重建点径向和切向邻域内,分别施加不同的TV最小化约束,即在计算径向和切向局部方向差分的基础上,额外增加系列方向组合下的局部方向差分,如图2(b)中 与 方向组合等。改进的WDTV模型在重建时均衡了多个不同方向邻域像素的灰度信息,TV最小化的作用得以加强,具有更明显的降噪与抑制径向边缘伪影的性能。


图2 改进模型局部方向差分计算方法。(a)局部方向差分坐标系;(b)局部方向差分示意

基于中国工程物理研究院的CMRR (China Mianyang Research Reactor)反应堆,获得了钢材质齿轮样件的冷中子外部CT扫描数据。齿轮样品外扫描正弦图如图3(a)所示,投影数据量仅为完整数据的1/3。基于图3(a)投影数据,采用改进模型获得的重建图像如图3(b)所示。图3(c)、图3(d)为两种方法局部区域的重建结果。理想图像(完整投影数据的重建结果)如图3(e)所示。观察箭头标记的齿根部位,可以发现改进模型重建结果更加清晰,与理想情况更为接近,重建图像质量更优。


图3 不同方法重建图像。(a)正弦图;(b)改进的WDTV模型;(c)WDTV模型;(d)改进的WDTV模型;(e)理想图像

3、总结和展望

外部CT利用与传统CT类似的扫描方式,结合先进的成像装置与重建算法可以实现极少投影数据下的筒状构件外壁层析,为国防、民用领域中装备、器件、材料的检测提供更为强大的技术手段。下一步工作课题组主要致力于重建参数自适应调整、重建效率提升等方面的研究。

 

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