浅析X射线电力设备缺陷检测中的射束硬化伪影
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摘 要：X射线无损检测技术在电力设备的缺陷检测中具有巨大的发展潜力，而电力设备作为电网架构的重要组成部分，其能否长时间的稳定运行以及在发生故障后能否及时恢复运行很大程度上决定了企业供电的可靠性、客户满意度等重要考核指标的好坏。该文针对X射线在电力设备缺陷检测应用中出现的射束硬化伪影进行阐述，主要对该种伪影的形成原因、表现形式以及去除方法进行探讨，最后对X射线成像技术在电力系统的应用前景及存在问题进行了探讨。
关键词：X射线;电力设备;缺陷检测;硬化伪影
中国分类号：TG115.28 文献标志码：A
0 前言
X射线作为先进的无损检测技术已被广泛应用于医疗、工业、能源等领域。该种检测方法无须拆卸被检测设备即可了解到物体的内部结构，具有应用范围广、不影响被检测设备运行状态等优点，强大的技术优势使其呈现出广阔的发展广度和深度。由于X射线能谱的连续性，成像后的影像中会呈现出射束硬化伪影，伪影的严重程度直接与影像的成像质量相关，给电力设备的缺陷检测及故障分析带来了很大的不利影响，很大程度上影响了专业人员对于缺陷的判断。此外，严重的伪影会导致人员判断错误，导致检修失败或者产品质检结果出现偏差，从而造成一定的经济损失及不好的社会影响。因此，对该种伪影展开研究具有重要意义及必要性。
1 射束硬化伪影形成原因
X射线束由不同能量的光子组成，当具有能量差异的光子微粒透传被扫描物质时，能量低的光子优先被吸收或衰减，而能量高的光子较能量低的光子受影响较小，更易透传物质，X射线与物质发生反应的特性导致射线束在透传物体后出射射线的平均能量较入射射线的平均能量值有所提高。基于理想模型的图像重建算法中，射线的投影值与物质透传路径距离是成比例系数关系的。然而，在实际情况中，射线投影值与透传物质路径距离关系复杂，不再是简单的正比例数学关系。究其射束硬化伪影产生的本质原因，就是目前的图像重建算法是基于理想模型构建的，即射线能谱由单一能量光子组成，而事实上，当下的科技水平是无法制造出仅发射单一能级的射线源，理论模型与实际工程的差异造就了最终的重建图像中会有射束硬化伪影出现。此外，重建图像中的射束硬化伪影严重程度与诸多因素有关，象扫描电压等级、被扫描物质的组成成分以及扫描时被扫描物的摆位等。
2 射束硬化伪影表现形式
X射线在实际应用中，重建图像中会有很多种类的伪影，射束硬化伪影是其中对图像质量影响较大，危害程度较严重的伪影之一。在已报道的各种文献中，射束硬化伪影被提及的具体表现形式有3种，分别为水杯伪影、带状伪影和退化的边界伪影。
2.1 水杯伪影
在重建图像中，均匀组成成分物质区域，区域边缘的物质衰减系数高，区域中心的物质衰减系数低，呈现出边缘图像灰度值高，中间图像灰度值低，即外边亮、中间暗的现象。如对一装满水的圆柱体进行横切面扫描，重建后图像在不进行射束硬化校正时，则会有图像中央暗，靠近圆形边缘处发亮的情况发生，用图像处理工具将重建后图像的行中央像素绘制成曲线，曲线呈现凹形状，因此该种伪影得名为水杯伪影。
2.2 带状伪影
或明亮或黑暗宽度不一的带状图形，一般发生在2个高衰减物体之间，该种伪影会覆盖象设备轻微裂缝等缺陷，它会在一定程度上模糊图像、降低图像内容可识别性，给设备缺陷排查带来困难。条状伪影在X射线成像中也可由其他原因引起，象由光子散射而导致的条状伪影，多重因素导致的条状伪影需逐个叠加不同的校正算法进行去除，只进行射束硬化校正达不到想要的图像质量。
2.3 退化的边界伪影
重建图像中高衰减物质与低衰减物质之间的边界模糊不清，影响特定场景下对设备部件边缘的判断及缺陷定位。
3 射束硬化伪影去除方法
目前，射束硬化伪影的去除方法有很多，大致可分为硬件法和软件法。
3.1 硬件法
硬件法通过在射线源与被扫描物之间加装滤波片，以此预滤过射线达到射线能量补偿的效果，进而减轻射束硬化伪影的存在程度。不同材质的金属对X射线的抵挡能力不同，因此在滤波片材质选取方面至关重要，需要在信号质量与硬化伪影消除效果上作折中考虑。硬件法具有纯物理特性，它的优点为实现方式简单、易操作，缺点为抑制伪影能力有限，会在一定程度上增加成像系统的制造成本。
3.2 软件法
软件法分为成像前校正方法及成像后校正方法。成像前校正方法通过重新计算射线投影数值，用校正好的投影数据进行图像重建，进而重建后图像的硬化伪影程度很轻。成像后校正方法利用数字图像处理技术并结合最优化理论、人工智能等技术对成像后图像进行处理，从而在一定程度上消除射束硬化伪影。成像后校正算法一般具有迭代性质，需要在圖像域和数据域之间反复操作，直至目标优化函数达到算法收敛条件，输出最终校正后图像。成像前校正方法具有算法执行速度快的优点，而成像后校正算法由于其迭代性质，一般情况下算法执行效率较低，校正耗时较长。在实际工程中，大多采用软件法和硬件法相结合的方式进行硬化伪影消除，以此达到最好的校正效果。
4 X射线成像技术在电力系统的应用前景及存在问题
X射线无损检测技术作为目前最主流的检测技术之一。该种技术在不破坏检测物内外部结构的情况下就能知晓被检测物体的内部构成。在电力系统中，该技术可被应用于GIS、变电站各类电力设备、输电设备及线路、配电设备以及电力设备生产线产品的缺陷检测领域，同时也可被应用于电力设备生产厂商产品质量检测等领域，具有广泛的应用场景和前景。对于电力系统中一些无法通过运行维护人员肉眼直接观察到的设备、线缆内部问题，X射线检测技术的应用更是填补了该类故障缺陷巡查的运行维护空白点，具有重大意义。
即使在电力系统中广泛应用X射线无损检测技术，仍有诸多问题有待进一步解决，象对大型电力设备进行X射线在线缺陷检测时，射线防护的问题。除此之外，电力设备结构复杂，组件空间分布及组成物质存在很大的不确定性，这就给重建图像的校正带来很大的技术挑战。不过，随着科技的发展，相信在不远的将来，X射线成像技术能够广泛地应用在电力系统中，在造福电力产业的同时造福全人类。
5 结语
综上所述，射束硬化伪影具有不同的表现形式，不同表现形式下的伪影需要不同的校正方法进行去除。在实际工程应用中，可根据电力系统的具体应用场景研发合适的硬化伪影校正算法并将其有机融合到成像系统的整套校正流程中，进而达到最佳的射束硬化伪影抑制效果。
参考文献
[1]张俊，李磊，张峰，等.X射线CT射束硬化校正方法综述[J].CT理论与应用研究，2013，22（1）：195-204.
[2]张学松，赵柏山.基于Radon变换的CT图像杯状伪影校正[J].CT理论与应用研究，2016，25（5）：539-546.
[3]张学松，赵柏山，刘晓晓.射束硬化对CT系统平面内空间分辨率的影响[J].科学技术与工程，2016，16（31）：36-40.
[4]任立新，陈飞宇，路遥，等.基于X射线数字成像技术的配电设备无损检测[J].农村电气化，2018（5）：12-13.
[5]王达达，魏杰，于虹，等.基于X射线数字成像的GIS设备缺陷可视化无损检测方法[J].南方电网技术，2011，05（a02）：42-46.
[6]祝晓辉.基于图像处理的电力设备识别方法研究[D].河北：华北电力大学（保定），2007.
[7]吕占杰.X射线数字成像技术在电力金具及导线检测中的应用研究[D].北京：华北电力大学，2015.
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