X射線數(shù)字射線成像(Digital Radiograph, DR)和工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層掃描（Industrial Comp

uted Tomography, ICT）是工業(yè)無損檢測領(lǐng)域中的兩個(gè)重要技術(shù)分支,。DR檢測技術(shù)，是

20世紀(jì)90年代末出現(xiàn)的一種實(shí)時(shí)的X射線數(shù)字成像技術(shù),。相對于現(xiàn)今仍然普遍應(yīng)用的射線

膠片照相,，DR檢測的優(yōu)點(diǎn)就是實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可以在線實(shí)時(shí)地對生產(chǎn)工件結(jié)構(gòu)介質(zhì)不連

續(xù)性,、結(jié)構(gòu)形態(tài)以及介質(zhì)物理密度等質(zhì)量缺陷進(jìn)行無損檢測,，因此在快速無損檢測領(lǐng)域里

有廣闊的發(fā)展前景。

ICT技術(shù)是一種融合了射線光電子學(xué),、信息科學(xué),、微電子學(xué)、精密機(jī)械和計(jì)算機(jī)科學(xué)等領(lǐng)

域知識的*,。它以X射線掃描,、探測器采集的數(shù)字投影序列為基礎(chǔ)，重建掃描區(qū)域

內(nèi)被檢試件橫截面的射線衰減系數(shù)分布映射圖像。據(jù)此圖像,，可對被檢試件的結(jié)構(gòu),、密度

、特征尺寸,、成分變化等物理,、化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行判讀和計(jì)量。其作為一種無損的非接觸式測

試技術(shù),，廣泛應(yīng)用于航空,、航天、核能,、兵器,、汽車等領(lǐng)域產(chǎn)品和關(guān)鍵零部件的無損檢

測、無損評價(jià)以及逆向工程中,。

1 X射線數(shù)字成像技術(shù)

相對于現(xiàn)今仍然普遍應(yīng)用的射線膠片照相,，DR技術(shù)在很大程度上避免了圖像信息丟失的

不利因素。DR成像技術(shù)檢測速度快,、探測效率高,，X射線輻射劑量小，曝光條件易于掌

握,。DR系統(tǒng)也可以方便地對圖像進(jìn)行存儲和后處理,。因此DR技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于無損

檢測領(lǐng)域中。

1.1 X射線DR成像原理

DR系統(tǒng)一般由射線源,、待測物,、探測器、圖像工作站等幾部分構(gòu)成,。對于DR檢測技術(shù)而

言,，其核心部件是探測器。目前在工程實(shí)際中應(yīng)用的探測器主要分為兩種：圖像增強(qiáng)器和

非晶硅平板探測器,。圖像增強(qiáng)器首先通過射線轉(zhuǎn)化屏將X射線光子轉(zhuǎn)換為可見光,，然后通

過CCD（Charge Coupled Device）相機(jī)將可見光轉(zhuǎn)化為視頻信號,，可在監(jiān)視器上實(shí)時(shí)

顯示,，也可通過A/D采集卡轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸入到計(jì)算機(jī)顯示和處理。非晶硅平板探測器

采用大規(guī)模集成技術(shù),，集成了一個(gè)大面積非晶硅傳感器陣列和碘化銫閃爍體,，可以直接將

X光子轉(zhuǎn)化為電子，并最終通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)變成為數(shù)字信號,。平板探測器具有

動態(tài)范圍大和空間分辨率高的特性,，可實(shí)現(xiàn)高速的DR檢測，已成為工業(yè)DR檢測技術(shù)發(fā)展

的主流,。

射線源產(chǎn)生的X射線構(gòu)成入射場強(qiáng),，經(jīng)試件后發(fā)生衰減得到透射場強(qiáng),，之后透射場強(qiáng)作用

在探測器上最終輸出圖像。當(dāng)入射場強(qiáng)的射線照射到待測試件上時(shí),，X射線光子與試件物

質(zhì)原子發(fā)生相互作用,，其中包括光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和相干散射等,。這些相互作用最

終的結(jié)果是導(dǎo)致部分X射線光子被吸收或散射,，即X射線光子穿過物質(zhì)時(shí)被衰減。實(shí)際的

衰

減過程是與射線能量,、物質(zhì)密度和原子系數(shù)相關(guān)的,。

假設(shè)對于單一入射能量的X射線束照射到一種密度、原子序數(shù)均勻的材料發(fā)生衰減,，則

衰

減公式表示為：

分別表示當(dāng)前能量下材料的光電效應(yīng),、康普頓效應(yīng)以及相干散射的衰減系數(shù)。

是材料的線性衰減系數(shù),。該式也稱為朗伯比爾定理,。

以上表明射線穿透物質(zhì)后，其強(qiáng)度以指數(shù)方式衰減,，式中材料的線性衰減系數(shù)隨射

線能量和照射物質(zhì)的原子序數(shù)以及物質(zhì)的密度變化而變化,。

一般情況下衰減系數(shù)

與射線能量成反比，與原子序數(shù),、物質(zhì)密度等成正比,。即隨著射線能量的升高穿透能力

增強(qiáng)，隨著物質(zhì)密度增大射線越難穿透,。

實(shí)際上,，物質(zhì)對射線的衰減能力都基于單色光（單一頻率）定義的，對于連續(xù)光譜的X射

線,，在實(shí)際衰減中會存在多個(gè)衰減系數(shù),。但是隨著物質(zhì)的厚度增加，射線會發(fā)生硬化以至

于最后的射線近似于單色光,。

1.2 DR檢測技術(shù)的應(yīng)用

X射線數(shù)字成像技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空,、航天、兵器,、核能,、汽車等領(lǐng)域產(chǎn)品和系統(tǒng)的無損

檢測、無損評估以及逆求,，檢測對象包括,、火箭發(fā)動機(jī)、核廢料、電路板,、發(fā)動機(jī)

葉片,、汽車發(fā)動機(jī)氣缸、輪胎輪轂等,，在工程質(zhì)量監(jiān)督和產(chǎn)品質(zhì)量保證方面發(fā)揮著極其

重要的作用,，正逐漸成為發(fā)展現(xiàn)代化國防科技和眾多高科技產(chǎn)業(yè)的一種基礎(chǔ)技術(shù)。

2.1 CT的發(fā)展歷程

1895年德國的物理學(xué)家Wilhelm Roentgen(倫琴)發(fā)現(xiàn)X射線,，CT產(chǎn)生于20世紀(jì)70年

代,，但是其思想要追溯到1917年奧地利數(shù)學(xué)家Radon的貢獻(xiàn)，他論證了如何根據(jù)某些線

形的積分（即投影）來確定被積函數(shù)（即要重建的圖像）,，成功地解決了由投影重建圖

像的數(shù)學(xué)問題,，為CT技術(shù)的形成和發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。但是在當(dāng)時(shí)由于缺少有效的計(jì)

算工具,，一直被束之高閣,，沒有得到具體的應(yīng)用。1956年,，美國斯坦福大學(xué)的教授R.N.

Bracewell將這項(xiàng)技術(shù)引入到射電天文學(xué)領(lǐng)域,，針對無線電天文學(xué)中確定產(chǎn)生微波輻射

的太陽區(qū)域問題，重建出太陽的活動圖,。而最初把斷層成像術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的當(dāng)推Old

endorf,，他在1961年研制了用γ射線進(jìn)行透射型成像的初級裝置。Kuhl和Edwards在19

63年獨(dú)立研制了發(fā)射型成像裝置,，這些裝置均用類似于反投影的算法進(jìn)行圖像重建,，所得

圖像不很清晰。而投影圖像精確重建的數(shù)學(xué)方法是由美國物理學(xué)家Cormack確立的,。

臨床用的計(jì)算機(jī)斷層成像掃描裝置（CT）于1967年至1970年間由英國EMI公司的工程師

Hounsfield研制成功,。

隨著Godfrey Hounsfield于1967年研制成功一臺臨床CT機(jī)系統(tǒng)，使人們領(lǐng)略到了CT技

術(shù)給人類帶來的巨大收獲,。ICT技術(shù)來自于醫(yī)學(xué)CT,，出現(xiàn)于二十世紀(jì)七十年代末，美國首

先利用研制的透射式ICT設(shè)備對產(chǎn)品的關(guān)鍵部件進(jìn)行無損檢測,，正是由于軍事需求的

推動,，使之得到大力發(fā)展。工業(yè)CT是一個(gè)技術(shù)含量高,、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,、檢測效果非常好

的技術(shù)手段,。CT裝置的更新?lián)Q代,，主要是為了縮短獲得圖像的時(shí)間和提高檢測的精度。

掃描時(shí)間并不作為ICT最主要的技術(shù)指標(biāo)，其發(fā)展方向主要致力于提高空間分辨率和密度

分辨率,，以達(dá)到檢測各種類型工業(yè)產(chǎn)品缺陷的精度要求,。按掃描方式的變化來劃分，CT技

術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了五個(gè)重要?dú)v史階段,。

2.2 CT研究現(xiàn)狀與應(yīng)用進(jìn)展

CT基礎(chǔ)研究包括：CT成像原理,，CT數(shù)據(jù)探測原理，CT數(shù)據(jù)掃描模式,，CT圖像重建方法,，

數(shù)據(jù)和圖像處理方法等。

X射線CT是國內(nèi)研究廣泛的CT成像方法之一,，目前的研究包括：X射線單能成像,、

多能或多能譜成像、相位成像等,。目前廣泛使用的醫(yī)學(xué)和工業(yè)CT設(shè)備均基于單能成像原

理,，即利用物質(zhì)對于單能X射線的吸收差異進(jìn)行成像。為了改善CT圖像對物質(zhì)的區(qū)分能

力,，采用兩組或多組能量或能譜的數(shù)據(jù),，通過特殊的重建方法獲取比傳統(tǒng)CT圖像更豐富

的物質(zhì)信息。相位CT是近十年發(fā)展起來的新成像方法,，通過X射線與物質(zhì)作用時(shí)相位變

化的信息進(jìn)行成像,，以改善弱吸收物質(zhì)CT成像的對比度。除X射線CT外,，我國學(xué)者還在

電學(xué)CT方面,，其中包括電容CT、電阻CT,、電磁CT等,，開展了卓有成效的研究。在成像原

理方面,，電學(xué)CT與X射線CT有一定的相似性,，但也存在不少差異。

CT圖像重建方法是CT基礎(chǔ)研究的核心,。CT圖像重建的任務(wù)是由CT數(shù)據(jù)重建被測物體的CT

圖像,。CT圖像重建方法可以分為兩類：解析重建方法和達(dá)代優(yōu)化重建方法。解析重建方

法優(yōu)點(diǎn)是重建速度快,，但算法往往依賴于CT掃描軌道和射線束,，圖像質(zhì)量對數(shù)據(jù)噪聲敏

感。迭代優(yōu)化類算法本質(zhì)上不依賴CT掃描軌道和射線束,，但突出的問題是計(jì)算量大,。近

年來隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)尤其是通用顯卡技術(shù)的發(fā)展,，使得迭代優(yōu)化類重建算法的研究快

速升溫，特別是基于建模和條件設(shè)計(jì)的目標(biāo)優(yōu)化的迭代重建方法成為研究熱點(diǎn)之一,。此外

,，壓縮感知技術(shù)給予人們關(guān)于數(shù)據(jù)采樣與圖像重構(gòu)的新思路，激發(fā)了新的研究熱點(diǎn),。下文

著重綜述CT圖像重建方法的熱點(diǎn)研究問題和國內(nèi)在此方面的研究進(jìn)展,。

2.2.1 錐束CT

錐束CT是指基于面陣列探測器的CT成像方法，其中錐束指X射線源焦點(diǎn)與面陣列探測器

所形成惟形射線束,。與傳統(tǒng)基于維線陣列探測器的扇束CT相比,，錐束CT每次可以獲得一

幅二維圖像，具有射線利用率高和各向分辨率相同等優(yōu)點(diǎn),。錐束CT依掃描時(shí)射線源焦點(diǎn)

相對于被掃描物體形成的軌跡,，分成圓軌跡、螺旋軌跡,、鞍形軌跡,、直線軌跡和非標(biāo)準(zhǔn)軌

跡等。