一種適用于中子層析成像系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸線偏擺角的誤差補(bǔ)償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種中子層析成像旋轉(zhuǎn)軸線偏擺角的誤差補(bǔ)償方法，可用于中子照相 領(lǐng)域中的無(wú)損檢測(cè)及工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層掃描。
【背景技術(shù)】
[0002] 中子照相技術(shù)在檢測(cè)含氫材料、重金屬組件結(jié)構(gòu)、原子序數(shù)相近的不同元素、放射 性材料等方面有著X射線無(wú)法具備的優(yōu)勢(shì)，因而在軍事、航空、航天、考古等領(lǐng)域有著重要 的應(yīng)用。作為中子照相的一個(gè)重要分支--中子CT(Computed Tomography，計(jì)算機(jī)斷層成 像術(shù)）也日益得到重視和快速的發(fā)展，并在檢測(cè)樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)及質(zhì)量狀態(tài)方面發(fā)揮了重要 的作用。
[0003] 圖1為傳統(tǒng)中子層析成像系統(tǒng)的層析掃描原理圖，中子射束1為一組平行線，被檢 測(cè)樣品3在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)2的帶動(dòng)下繞旋轉(zhuǎn)軸線4旋轉(zhuǎn)360度，探測(cè)器5采集被檢測(cè)樣品3在不 同旋轉(zhuǎn)位置的投影圖像，然后利用成像系統(tǒng)中的圖像重建模塊反演出樣品的斷層圖像。由 圖1可知，圖像重建模塊所采用的圖像重建方法是基于樣品旋轉(zhuǎn)軸投影線41要嚴(yán)格平行于 探測(cè)器坐標(biāo)系1軸。在進(jìn)行圖像重建時(shí)，各個(gè)斷層的反投影點(diǎn)僅是探測(cè)器坐標(biāo)系X d軸上的 變量，且該反投影點(diǎn)的計(jì)算是以樣品旋轉(zhuǎn)軸投影線41為基準(zhǔn)。由此可知，當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸投影線 41平行于探測(cè)器坐標(biāo)系Y d軸時(shí)，該投影線在X d軸上的坐標(biāo)為一常數(shù)，因此各個(gè)斷層的反投 影地址的基準(zhǔn)也均等于一個(gè)常數(shù)，此種情形下進(jìn)行斷層圖像重建時(shí)，采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)重建 算法，即可確保重建出的各斷層圖像清晰度保持一致。
[0004] 但是，在中子層析成像系統(tǒng)的實(shí)際搭建中，由于機(jī)械部件的制造和安裝誤差，導(dǎo)致 樣品旋轉(zhuǎn)軸投影線41不平行于探測(cè)器坐標(biāo)系Y d軸，即樣品旋轉(zhuǎn)軸投影線41相對(duì)于探測(cè)器 坐標(biāo)系Yd軸產(chǎn)生了一定的偏角，如圖2所示。此時(shí)樣品旋轉(zhuǎn)軸投影線41在X d軸上的坐標(biāo) 就不等于常數(shù)，從而導(dǎo)致各個(gè)斷層的反投影點(diǎn)的基準(zhǔn)也不為常數(shù)。在圖像重建時(shí)如果仍按 照常數(shù)進(jìn)行計(jì)算，就會(huì)導(dǎo)致Y d軸方向上所重建斷層的清晰度分布不均，影響三維重構(gòu)模型 的精度和特征信息測(cè)量的可信度。
[0005] 該問(wèn)題解決的關(guān)鍵就是精確標(biāo)定出樣品旋轉(zhuǎn)軸投影線41與探測(cè)器坐標(biāo)系Xd軸的 夾角，本發(fā)明中將該角度稱(chēng)為旋轉(zhuǎn)軸線偏擺角α。為此，本發(fā)明設(shè)計(jì)出了一種針對(duì)中子層析 成像系統(tǒng)樣品旋轉(zhuǎn)軸線偏擺角的自動(dòng)測(cè)量方法。將測(cè)量所得的偏擺角作為修正參數(shù)引入到 重建算法中，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)軸線偏擺角的誤差補(bǔ)償，從而保證樣品各重建斷層清晰度的 一致，達(dá)到提高三維重構(gòu)分辨率的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明方法是基于平行束中子射線的投影幾何對(duì)稱(chēng)性原理，將樣品360度旋轉(zhuǎn)范 圍內(nèi)的投影數(shù)據(jù)^進(jìn)行閾值分割以消除背景信息的干擾，然后將分割后的所有投影圖像 思進(jìn)行疊加獲得具有唯一對(duì)稱(chēng)軸的合成投影圖像P are。根據(jù)平行束投影的幾何屬性可得合 成投影圖像Pare的對(duì)稱(chēng)軸即為樣品旋轉(zhuǎn)軸投影線，該投影線與探測(cè)器坐標(biāo)系Xd軸的夾角即 為旋轉(zhuǎn)軸線偏擺角Ct ;進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)出合成投影圖像Pare的像素梯度角直方圖，該直方圖分 布為一偶函數(shù)F(P);求取函數(shù)F(P)的對(duì)稱(chēng)中心位置對(duì)應(yīng)的梯度角β。，β。即為旋轉(zhuǎn)軸線 的偏擺角α。將測(cè)量所得的偏擺角α作為修正參數(shù)引入到重建算法中，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)軸 線偏擺角的誤差補(bǔ)償，從而保證樣品各重建斷層清晰度的一致，達(dá)到提高三維重構(gòu)分辨率 的目的。
[0007] 本發(fā)明是一種適用于中子層析成像系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸線偏擺角的誤差補(bǔ)償方法，其特 征在于包括有下列步驟：
[0008] 步驟一、樣品投影信息的獲?。?br>[0009] 將投影圖^分割后的投影圖記為分割投影圖巧〗，分割投影圖與投影圖^的寬 度和高度是相等的，第η個(gè)分割投影圖內(nèi)任意一點(diǎn)的投影數(shù)據(jù)記為/^(Λ·~V/)，那么Ostu 閾值分割可表示為：
[0011] 表示第η個(gè)分割投影圖il的第i行第j列的采樣點(diǎn)投影值；
[0012] pn(Xl，y])表示探測(cè)器采集到的第η個(gè)投影圖Pn的第i行第j列的采樣點(diǎn)投影值；
[0013] TValue為基于類(lèi)間方差最小準(zhǔn)則獲取的最優(yōu)分割閾值；
[0015] 步驟二、合成投影圖的獲?。?br>[0016] 將所有分割投影圖植:疊加，則獲得另一幅二維投影圖像，該二維投影圖像即為上 述的合成投影圖像P av% Pare內(nèi)的任意一個(gè)投影值P (X u y])的計(jì)算式為：
[0018] 其中η = 1，2, 3......M，M表示樣品在360度旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)的投影總數(shù)目。
[0020] 步驟三、獲取梯度角及梯度角直方圖；
[0021] 求取合成投影Pave的所有像素點(diǎn)的梯度角，Pave內(nèi)任意投影值p( Xl，y])梯度角 β (Xi，y_j)的計(jì)算公式如下：
[0025] 其中，
表示任意投影值P (Xi, y_j)在Xd軸方向的梯度值，
表示 任意投影值P (Xl，y])在Yd軸方向的梯度值。β表示任意像素的梯度角，X 1為探測(cè)器坐標(biāo) 系Xd軸上的變量，y .,為探測(cè)器坐標(biāo)系Y d軸上的變量。
[0026] 統(tǒng)計(jì)所有像素點(diǎn)的梯度角的直方圖，梯度角直方圖的計(jì)算式如下：
[0028] 其中F(P)表示直方圖函數(shù)，該函數(shù)自變量為像素點(diǎn)的梯度角β，w表示合成投影 圖像P are的寬度，h表示合成投影圖像Pare的高度，η(β)表示梯度角等于β的像素點(diǎn)的個(gè) 數(shù)。
[0029] 步驟四、獲取旋轉(zhuǎn)軸線偏擺角；
[0030] 求取梯度角直方圖函數(shù)F(P)的中心點(diǎn)坐標(biāo)β。，該坐標(biāo)即為旋轉(zhuǎn)軸投影線41與 Xd軸的夾角α，計(jì)算公式如下：
[0032] 步驟五、旋轉(zhuǎn)軸線偏擺角誤差補(bǔ)償；
[0033] 將計(jì)算出的旋轉(zhuǎn)軸投影線41與XjiJ的夾角α作為修正參數(shù)引入到中子層析成 像系統(tǒng)的重建算法中，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)軸線偏擺角的誤差補(bǔ)償。
[0034] 本發(fā)明標(biāo)定方法的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0035] ①本發(fā)明解決了由于機(jī)械部件的制造和安裝誤差造成的樣品轉(zhuǎn)軸偏擺的問(wèn)題，在 保證樣品各重建斷層清晰度一致的同時(shí)，降低了重建圖像像質(zhì)對(duì)掃描平臺(tái)制造和安裝精度 的要求，降低了生產(chǎn)和裝配成本。
[0036] ②本方法基于平行束中子射線的投影幾何對(duì)稱(chēng)性原理，直接利用樣品的原始投影 信息即可反求出旋轉(zhuǎn)軸線的偏擺角，不需要制作專(zhuān)門(mén)的校準(zhǔn)模體和進(jìn)行單獨(dú)的掃描來(lái)實(shí)現(xiàn) 誤差補(bǔ)償。
[0037] ③本發(fā)明將旋轉(zhuǎn)軸線偏擺角的測(cè)量轉(zhuǎn)換為求取合成投影圖像對(duì)稱(chēng)軸線傾角的問(wèn) 題。由于對(duì)稱(chēng)軸線的唯一性，從而保證了測(cè)量結(jié)果的唯一性，因此在實(shí)際實(shí)施中不易出現(xiàn)假 解。
[0038] ④本發(fā)明方法適用于平行束掃描模式下任何具有旋轉(zhuǎn)掃描功能的CT系統(tǒng)，且實(shí) 現(xiàn)中無(wú)需對(duì)CT掃描系統(tǒng)進(jìn)行任何改動(dòng)，即可嵌入現(xiàn)有CT重建軟件中作為輔助升級(jí)模塊，有 效提高了 CT系統(tǒng)的適應(yīng)能力。
【附圖說(shuō)明】
[0039] 圖1是標(biāo)準(zhǔn)中子層析成像原理圖。
[0040] 圖2是樣品旋轉(zhuǎn)軸線發(fā)生偏擺時(shí)的中子層析成像原理圖。
[0041] 圖3是合成投影圖像示意圖。
[0042] 圖4是實(shí)際的合成投影圖像。
[0043] 圖5是本發(fā)明合成投影圖像的梯度角直方圖。
[0044] 圖6是旋轉(zhuǎn)軸線偏擺角誤差未補(bǔ)償時(shí)的重建斷層圖像。
[0045] 圖7是采用本發(fā)明方法后的旋轉(zhuǎn)軸線偏擺角誤差補(bǔ)償后的重建斷層圖像。

【具體實(shí)施方式】
[0047] 下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0048] 如圖1所示，樣品旋轉(zhuǎn)軸線4虛擬不可見(jiàn)，其在探測(cè)器平面的投影41亦不可見(jiàn)。當(dāng) 旋轉(zhuǎn)軸線投影41平行于探測(cè)器坐標(biāo)系Y d軸時(shí)，所述旋轉(zhuǎn)軸線投影41與X d軸的夾角為90 度，且在探測(cè)器坐標(biāo)系XdOdYd中的方程為X = X c，X為探測(cè)器坐標(biāo)系Xd軸上的變量，X c為旋 轉(zhuǎn)軸投影線41與探測(cè)器坐標(biāo)系Xd軸的交點(diǎn)坐標(biāo)。在中子層析成像系統(tǒng)的實(shí)際搭建中，由 于機(jī)械部件的制造和安裝誤差，導(dǎo)致樣品旋轉(zhuǎn)軸投影線41不平行于探測(cè)器坐標(biāo)系1軸，即 樣品旋轉(zhuǎn)軸投影線41相對(duì)于探測(cè)器坐標(biāo)系Y d軸產(chǎn)生了一定的偏角。此時(shí)，旋轉(zhuǎn)軸