蜂窝复合材料，采用平面计算机断层扫描技术的高分辨率X射线CT检查

蜂窝复合材料，采用平面计算机断层扫描技术的高分辨率X射线CT检查

1。介绍

冲击，破坏的缺陷（如disbond）的常见原因，分层，破碎的蜂窝与蜂窝复合材料结构和内部裂纹。这些缺陷检测放射摄影术，X射线计算机体层摄影术，剪切散斑，红外热成像技术，如电子散斑干涉（ESPI），超声[1-2]。每种技术都有其自身的优势和局限性，并评论说，一项技术是优于其他人没有考虑到特定的学习环境和要求，一般是不容易的。例如，X射线计算机断层扫描可能不便捷，高效的超声波和热的服务缺陷检测中的应用，但在研究一个复杂的结构，如蜂窝复合材料的内部结构破坏，这将是一个不错的选择在实验室环境。明确和独特的3D细节的现代微型CT系统的检查结果可以在许多情况下，其他技术无法比拟的。

在这项研究中，我们提出了使用X射线计算机断层扫描研究的蜂窝复合体样品的冲击损伤。我们的目标是评估的损害图案内的样品在不同的深度。图。图1示出的对象的顶视图和侧视图的透视图像，从中我们可以发现，该样品具有的平面，但弯曲的形状，并且冲击损伤的位置是在样品的中央区域。我们扫描样品与现代微型CT系统的标准程序。然而，而不是进行常规CT重建扫描的数据，然后与现有的强大，但昂贵的可视化软件可视化的结果，我们证明了，通过使用我们的新型平面CT重建算法（修改基于流行的锥形束滤波反投影重建算法[3]），不使用功能强大，但昂贵的可视化软件的情况下，我们可以方便地得到的变化的的蜂窝复合物结构的沿深度方向的冲击损伤，虽然结构具有弯曲的形状。

（一）首图（b）侧图像

图1的俯视图（a）和侧视图（B）的对象。

2。方法

由于弯曲的形状的样品，样品的CT系统的旋转系统安装时，它通常具有的旋转轴线（Z）和检测器（XZ平面）表示，如在图所示的关系的。 2。在此图中，阴影区域是区域ofinterest，即样品中的冲击损伤位置。 α是的主要尺寸的物体的横截面和检测器的一维（通常用作默认的重建基准角度，被设定为“0”）之间的角度，β是ROI和轴的轴线之间的倾斜角旋转（这里我们忽略的小地方的坡度变化中的投资回报率）。为了使这些定义更加清晰，我们会告诉他们，分别在图3。

的对象（阴影区域是其中的内部冲击损害发生的扫描开始方向的图2的插图）

由于α和β是一般不为零时，与传统的CT重建方法，重建的物体的ROI将倾斜面向相对于重建体积，作为示于图。图4（a​​）。为了获得沿厚度尺寸在这一地区的影响破坏模式，使用可视化软件，如I-View或音量图形。他们是强大的，但价格昂贵。然而，即使采用这些可视化软件，在为了获得沿样品的深度变化的冲击损伤，人们仍然需要一个繁琐和耗时的过程，要仔细定义的剪取平面是平行于局部平面的ROI。

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图。 3定义的角度α和β的

如果我们能够重建对象与图中所示的取向。图4（b），即，在本地的ROI以及面向相对于重建卷，我们可以直接看到沿深度的ROI的对冲击损坏模式的不同，通过简单地显示结果切片的切片沿厚度（垂直）的重建体积尺寸。这里以及导向装置，重建的对象的主平面是平行的一个平面上的重建体积。现在这个想法成为现实，开发新型平面CT在SIMTECH。可能更好的解决方案，该应用程序使用平面CT的信心来自两个观测：第一对象是基本上是一个平面物体和第二局部斜率的变化是比较小的，不应该有有意义的推断的检验结果和分析，如果处理作为平坦区域。

（A）（B）

图4的一般的重建结果（a）的情况，与α= 0和β= 0为ROI，当传统的重建方法被施加

的新颖的平面CT重建技术的细节的参考文献[4，5]中可以找到。在这里，我们只是强调这项技术涉及的三个关键步骤。

2.1自动确定的旋转中心的扫描。

中心旋转（也称为中央线）之前，必须确定启动重建进程。其准确度有显着影响的重建质量。几年前的普遍做法是扫描到被扫描的对象的相同位置处的导线的幻像。这显然​​是乏味和浪费的资源，包括人力和机器。为了解决这个问题，作者开发了两项专利技术，它允许直接测定的旋转中心与中央束的窦腔X线照相图形的扫描数据的对象。所说出版1 [6]，使该系统的几何关系，并使用两个最长的边缘点的对象或明显的高对比度的功能来计算的中心旋转。这种方法一般运作良好，但患有边界对比度低或高倍率扫描（这意味着检测器在扫描过程中，不一定适用于整个对象）。后来发布的解决方案[7]以前的方法克服了这些弱点。其基本思想是基于，对象的中心交叉的部分上而被定义的光束垂直于检测器平面上，任何行该截面上具有和只具有2倍到被对齐与源在整个扫描。给予任何像素（即1射线从该源或一行对象的中央交叉的部分上）的中心的横截面的窦腔X线照相图形，它的第二个对准像素和的相关联的旋转角度上可以被计算的假设中心-，-旋转值。假设检测器是一个连续的传感器，那么只有一个真正的中心口粮值，在这两个像素的graylevels将是相同的。当然，这种说法是损害一个独立的检测器的色谱柱。然而，通过计算的像素数，例如，1/3或一半的窦腔X线照相图形的中心光束从0度到180度，360度的扫描上的所有像素中，这个问题可以被消除。这种新方法已被证明是可靠和准确的通过我们日常的CT扫描，只需不到1秒与一般的双核核PC上的C + +软件。

图5是中央束的窦腔X线照相的蜂窝的复合物结构与一个确定的中心的旋转上标明。

图5自动旋转中心确定图自动确定的最窄的投影角

2.2自动测定的四个参数的平面CT重建。

第二个重要的步骤是，以确定所需的平面CT重建，即扫描开始角度，轴向倾斜角，对象的投影厚度和厚度的中心位置的四个关键参数。

第一转换中央束的窦腔X线照相图形从风扇束平行光束，然后嵌合的窦腔X线照相图形的边缘点估计最窄在窦腔X线照相图形的位置的两侧，由曲线的交点确定的扫描启动角实际上是两个拟合线的投影角度，让我们的最窄的投影阴影（图6），从中我们可以很容易地计算出扫描起始角，即2所示。

然后，我们执行一个简单的边缘检测用的具有最窄的阴影上的投影图像，并使用该的边缘数据来确定的轴线的倾斜角（即图2中的β）。我们也可以决定突起厚度t的目标和它的中心位置，如示于图。 7。这两个参数的准确性并不重要，因为他们什么都没有做的重建质量。它只会稍微影响的平面CT重建矩阵的大小。

图7的自动确定的轴向的倾斜角度，根据设定倍率的样品厚度，和对象的厚度的中心位置

2.3定义的平面CT重建矩阵。

随着参数的确定，我们现在可以定义平面CT重建矩阵。然而，不像传统的CT重建，我们定义了重构矩阵沿对象的方向，而不是旋转轴线。图8示出一个会议重构矩阵定义（甲（i，j）条）和平面CT重建矩阵定义（B（M，N））之间的主要区别的轴向倾斜角为零的一个情况是，从其中一个为什么可以很容易地看到一个较小的平面CT重建的平面物体

图8的一个会议重构矩阵定义的平面的CT重建矩阵定义之间的差异的矢量图像

3。结果与讨论

我们的X射线CT机是彗星/ FEINFOCUS狐160.25。它有一个开放的管带斑点的大小为700nm的小，和一个200毫米x197毫米直接数字检测器（瓦里安Paxscan 2520）。该检测器具有1408行和1888列，并且每个像素具有一个大小为127μm。与列方向上的旋转轴线对齐。扫描进行的管电压110KV，管电流12μA（根据系统规格，相应的光点尺寸估计为1或2微米，此设置）。源toimage距离（SID）和源到对象的距离的超氧化物歧化酶（SOD）分别是693毫米和286毫米。 A 360°扫描进行步长为1°的角。

中央束的窦腔X线照相图形使用，以确定的旋转中心和扫描开始的扫描角。然后最窄投影的图像被用来确定其余的三个参数，即轴向的倾斜角，该对象的投影厚度和厚度的中心位置的。正如前面所讨论的，在一般情况下，如果该对象是平坦的，要么整个图像或它的一部分可以用于轴向倾斜角决定。然而，在这项研究中，由于对象的弯曲性质，我们使用的ROI用于此目的，作为示于图。 7。所有所确定的参数总结于表1。

表1中确定的参数为平面CT重建

使用Matlab软件编写的平面CT算法重建的对象。此方法可以治疗作为流行的滤波反投影锥束重构算法的修改版本。重建的体积是（154×512）×600，用2次，在横向方向的厚度尺寸中的分辨率。

图9显示在一个图中的三个典型的正交视图和3D视图以及图形VG卷Studio 2.0的。人们可以看到，与平面CT重建，重建体积远小于与传统的重建方法。这样做的好处将显着增加的平面物体变得更薄。

图。 3D和9所示的三个正交视图图10与损坏的区域的一个轴向视图

的直接的重建结果被习惯地称为轴位片，从中也可以很容易地生成其他两组正交视图称为矢状面的意见和正面的意见。然而，通常这些意见具有有限的意义，如果一个复杂的平面物体，如层叠IC检查和重建体积的倾斜方向相对于与此对象重建。其实这是一个可视化软件在许多情况下，可以发挥重要的作用。现在平面CT重建，即使不使用可视化软件得到的结果，我们可以得到不同的冲击损伤的样本沿深度的信息。这是因为重建ROI的对象是现在以及面向重建卷中，每个前视图表示的图案大致垂直于主平面的ROI。

图示出了一个轴向切片，其中冲击损伤区域在虚线方框表示。通过分析的前视图一片一片地，人们可以观察沿对象的深度的变化的冲击损伤。有限公司的纸，图的大小。 11只显示12张图像，2个像素的一步。

4。结论

我们提出在本文中使用的改性的锥形束重构算法的蜂窝的复合结构，它具有弯曲的形状的冲击损伤的CT检查的方法和结果。我们证明，通过重建的局部区域​​的感兴趣的是良好的取向相对于重建卷，可以很容易地获得沿对象的深度的损伤模式的变化的影响，而无需使用昂贵的可视化软件。我们认为，该方法也可以被应用到其他一些类似的应用，例如，作为研究对象，该对象是在弯曲的结构中的平面多层。

图11片显示改变深度的冲击损伤

参考

[1]。康Kisoo，Manyong财，Koungsuk金，Yonghun茶，Youngjune康，Dongpyo香港，和Seongmo杨，“检查ESPI，超声波探伤蜂窝复合板冲击损伤，与热”，第12 - A-PCNDT的亚太会议2006年，新西兰的奥克兰，在无损检测，

[2]。马阿布 - Khousa1，A. Ryley1，S. Kharkovsky1，R. Zoughi1，D. Daniels2，N. Kreitinger2和G. Steffes，“x射线的比较，毫米波，剪切散斑，并通过传输的超声波的方法的蜂窝进行检查复合材料“，2007年美国物理研究所，

[3]。江谢。电脑断层扫描。华盛顿州Bellingham：，2003年SPIEPRESS。

[4]。刘彤，许剑，“微分重建的平面对象的计算机断层扫描，X射线科学与技术杂志，17，101-113，2009

[5]。刘彤，莱月辛和许剑，“有针对性的重建与差分平面计算机断层扫描”，NDT＆E国际，43，116-122（2010）

[6]。刘彤和安德鲁·马尔科姆，“比较四种方法为中央线幻影射线测定，微计算机断层扫描系统”，光学工程，45（6），066402，2006年

[7]。刘彤，“直接计算的显微层析”中央射线测定，光学工程48（4），046501，2009年