專利名稱：一種利用多種能量輻射掃描物質(zhì)的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大型物體輻射透視的掃描方法及裝置，特別涉及利用多種能量的致電離輻射對(duì)海運(yùn)、航空集裝箱等大中型客體檢查中的物質(zhì)材料進(jìn)行識(shí)別、形成圖像的方法及裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有通用的采用輻射成像的貨物檢查系統(tǒng)一般都是讓單能射線與被檢物相互作用后，探測(cè)與被檢物作用后的射線得到圖像。這種系統(tǒng)能夠反應(yīng)出被檢物的形狀和質(zhì)量厚度的變化，但卻不能對(duì)物質(zhì)材料進(jìn)行識(shí)別。
眾所周知，不同能量的X射線與物體相互作用時(shí)，其產(chǎn)生的物理反應(yīng)與物質(zhì)屬性有關(guān)，X射線與相同物質(zhì)發(fā)生的相互作用隨X射線的能量變化。在不同的能量區(qū)域，光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)產(chǎn)生的幾率分別占主要地位。而這三種物理效應(yīng)又與物質(zhì)的原子序數(shù)相關(guān)。具體的作用關(guān)系式為μmtm=-ln(I′Io)]]>其中tm為質(zhì)量厚度，其中μm為這一能量區(qū)間質(zhì)量衰減系數(shù)，它與物質(zhì)的材料及輻射能量有關(guān)，I′為某種能量的射線與待測(cè)物相互作用后的強(qiáng)度值，Io為該能量射線未與物質(zhì)相互作用時(shí)的強(qiáng)度值。可見，利用一種能量不能同時(shí)區(qū)分物質(zhì)材料和質(zhì)量厚度的影響。但可以通過探測(cè)不同能量的X射線與物質(zhì)發(fā)生作用后的射線，得到它與物質(zhì)發(fā)生了相關(guān)物理反應(yīng)的概率，從而判斷物質(zhì)屬性。在小型行李物品檢查系統(tǒng)中通過兩種能量的X射線實(shí)現(xiàn)了對(duì)被檢物體材料的識(shí)別。但其使用的X射線能量根本不足以穿透質(zhì)量厚度較大的貨物，這在大中型的客體檢查中不適用，如集裝箱，航空箱等。
較早以前，專利U.S.Pat.No.5,524,133提出了利用兩束能量不同的高能X射線分辨大型客體內(nèi)物質(zhì)屬性的技術(shù)思路。該系統(tǒng)中使用兩套固定的X射線源及與其相對(duì)應(yīng)的兩組探測(cè)器陣列，兩個(gè)X射線發(fā)生器提供不同能量的兩束X射線，一個(gè)能量遠(yuǎn)高于第二個(gè)能量，例如，1Mev和5Mev，利用兩個(gè)探測(cè)結(jié)果的比值查表判斷物質(zhì)的平均原子序數(shù)。由于兩套X射線發(fā)射裝置和兩組探測(cè)器陣列帶來(lái)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本昂貴等問題，這種方法自93年提出后一直沒有得到廣泛的應(yīng)用。
為了解決上述兩套系統(tǒng)帶來(lái)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本昂貴的問題，專利PCT No.WO 00/437600及專利U.S.Pat.No.6,069,936使用濾波器在一臺(tái)加速器上獲得不同能譜的兩束X射線，二者技術(shù)思路均是要利用單加速器得到不同的X射線能量，但是采用濾波器獲得的兩束X射線的能譜差異有限，準(zhǔn)確的材料識(shí)別的范圍受到限制。俄羅斯Efremov研究所構(gòu)架了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，專利PCT No.WO 2004/030162 A2提出了基于行波LINAC獲得雙能X射線的方法，他們的工作表明了單加速器獲得不同能量的兩束X射線的可行性。
專利PCT No.WO 2005/084352 A2提出了利用高能雙能的方法來(lái)探測(cè)含有的高Z材料的物質(zhì)。給出了一個(gè)統(tǒng)計(jì)函數(shù)，根據(jù)所選擇的標(biāo)準(zhǔn)方差調(diào)整閾值，用以平衡靈敏度和精確度，進(jìn)而對(duì)原子序數(shù)高于預(yù)先設(shè)定值的高Z材料報(bào)警。
如上所述的方法均是使用兩種能量進(jìn)行物質(zhì)識(shí)別的方法，利用兩種能量的探測(cè)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算判斷是否為可疑物質(zhì)，計(jì)算方法使用例如US5,524,133和WO 2005/084352中提到的利用兩次探測(cè)結(jié)果的比值進(jìn)行查表的方法。但受所采用的兩種能量的限制，由于存在探測(cè)誤差，被檢物的混雜情況嚴(yán)重時(shí)，或是被檢物為薄材料時(shí)，這種方法的錯(cuò)判率非常高，根據(jù)兩次測(cè)量值比值判斷的方法，同一個(gè)函數(shù)形式無(wú)法區(qū)分不同物質(zhì)之間的測(cè)量值差別，同時(shí)存在不同材料比值相同的可能，這將造成檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確。而且兩種能量由于其靈敏的物質(zhì)區(qū)間有限，無(wú)法同時(shí)對(duì)低Z的物質(zhì)材料和高Z的物質(zhì)材料進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明公開了一種利用多種能量輻射掃描物質(zhì)的方法及其裝置，利用多種能量的射線束與物質(zhì)相互作用，利用相互作用的結(jié)果進(jìn)行曲線擬合計(jì)算分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)較大范圍內(nèi)不同物質(zhì)的識(shí)別，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的非侵入性查驗(yàn)。
(二)技術(shù)方案為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明利用多種能量輻射掃描物質(zhì)的方法的具體工作原理如下
首先，由加速器產(chǎn)生不少于3束不同能量的X射線，它們分別與同一物體作用，探測(cè)器探測(cè)穿透物體后射線，然后通過對(duì)探測(cè)結(jié)果的分析處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢物材料屬性的區(qū)分。本發(fā)明使用加速器，通過改變加速器的工作參數(shù)，可以產(chǎn)生多束不同能量比例占優(yōu)的X射線能譜。由于加速器產(chǎn)生的X射線能量其能譜范圍比較寬，其他能量的X射線所占的比例比較大，因此需要通過能譜調(diào)制的方法提高X射線譜中所需能量的X射線的比例。針對(duì)不同能量的X射線，利用不同的材料進(jìn)行調(diào)制，得到優(yōu)化后的X射線。當(dāng)然，利用不同的放射性元素作為不同能量的放射源不需要進(jìn)行能譜調(diào)制，但可選擇的能量范圍不是連續(xù)的。
如前所述，對(duì)于產(chǎn)生射線束的部分，由于直接由加速器產(chǎn)生的X射線是一連續(xù)譜，這將影響物質(zhì)材料的分辨的正確率。本發(fā)明將采用了能譜調(diào)制器對(duì)加速器產(chǎn)生的X射線進(jìn)行能譜調(diào)制。不同的能量，采用不同的材料進(jìn)行能譜調(diào)制，從而得到最適合物質(zhì)材料分辨的能譜。本發(fā)明中指出X射線能譜分布能量范圍不同，所適合的能譜調(diào)制材料也不同。例如當(dāng)某一束X射線能譜分布的主要能量范圍下限高于某一能量較高的閾值(如～3MeV)時(shí)，應(yīng)該選擇低Z材料作為該束X射線的能譜調(diào)制材料，如B、聚乙烯及其他富氫有機(jī)材料等；同時(shí)，為了吸收射線中能量較低的散射成分，最好同時(shí)在較厚的低Z材料進(jìn)行能譜調(diào)制后，再添加較薄的高Z材料進(jìn)行能譜調(diào)制；當(dāng)某一束X射線能譜分布的主要能量范圍下限高于某一能量較低的閾值(如～300keV)時(shí)，應(yīng)該選擇高Z材料作為該束X射線的能譜調(diào)Pb、W、U等；也可以選擇中Z材料如Cu；在探測(cè)部分，對(duì)于多束能量不同的X射線，本發(fā)明中將采用探測(cè)器模塊，來(lái)精確的得到各種能量的射線與物質(zhì)作用后的信號(hào)值，以便能準(zhǔn)確的區(qū)分各種能量的射線與物質(zhì)作用的區(qū)別。不同的探測(cè)晶體，對(duì)不同的能量的X射線敏感，表現(xiàn)出不同的響應(yīng)特性。讓不同能量的射線在不同的探測(cè)晶體里產(chǎn)生信號(hào)并采集，同時(shí)對(duì)各種能量的探測(cè)信號(hào)采用綜合處理的方法，進(jìn)一步的利用各種能量的信號(hào)。
在信號(hào)處理部分，由于不同的材料與射線作用的差別最明顯對(duì)應(yīng)射線的能量范圍不同。因此本發(fā)明中指出，對(duì)于不同的材料，要想能準(zhǔn)確的得到材料的物質(zhì)屬性，應(yīng)使用有利于區(qū)分物質(zhì)材料分辨的特定能量范圍，預(yù)先給出該能量范圍的最低閾值和最高能量閾值。如本發(fā)明中指出了，最適合區(qū)分有機(jī)物和無(wú)機(jī)物的能量區(qū)間為0.3MeV～3MeV和最適合區(qū)分重金屬的能量區(qū)間為1MeV～4MeV，相應(yīng)于不同的能量區(qū)間，所使用的處理函數(shù)也不相同。
利用不同能量的X射線實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)材料屬性的分辨，其關(guān)鍵之處是要能夠精確的探測(cè)到不同能量的X射線與物體相互作用時(shí)的區(qū)別。上述步驟中，同時(shí)對(duì)物質(zhì)是否為薄材料進(jìn)行分析。由于所選探測(cè)能量通常會(huì)高于某個(gè)值，決定了相應(yīng)的μm不可能太小，因此可以根據(jù)函數(shù)值所處坐標(biāo)系的區(qū)域判斷物質(zhì)是否為薄材料。當(dāng)被檢物的質(zhì)量厚度比較薄的時(shí)候，輻射物理中固有的統(tǒng)計(jì)性變得不可忽視。同時(shí)對(duì)于加速器產(chǎn)生的連續(xù)能譜的X射線，其占優(yōu)的能量段的射線與物質(zhì)作用的特性將不容易表現(xiàn)出來(lái)。這導(dǎo)致對(duì)探測(cè)精度的下降，對(duì)材料屬性的分與物質(zhì)作用的特性將不容易表現(xiàn)出來(lái)。這導(dǎo)致對(duì)探測(cè)精度的下降，對(duì)材料屬性的分辨正確率降低。本發(fā)明中，針對(duì)被檢物質(zhì)量厚度較薄的情況，選擇對(duì)物體作用最為敏感的能量區(qū)間，并利用針對(duì)高漲落情況設(shè)定的處理模型對(duì)探測(cè)值進(jìn)行相應(yīng)的處理，最終準(zhǔn)確的得到被檢物的材料屬性。
因此，本發(fā)明利用多種能量輻射掃描物質(zhì)的方法的一種技術(shù)方案為利用多種能量的輻射與待測(cè)物質(zhì)相互作用；探測(cè)并記錄所述不同能量的輻射與待測(cè)物質(zhì)相互作用后的探測(cè)值。
將其中幾種能量的探測(cè)值代入標(biāo)定函數(shù)中，初步判斷物質(zhì)的材料屬性或材料厚度信息，其中，所述的標(biāo)定函數(shù)為不同能量對(duì)已知材料探測(cè)后的探測(cè)值的擬合函數(shù)。用于擬合標(biāo)定函數(shù)的與已知材料相互作用的不同能量射線束，其數(shù)目不小于與待測(cè)物質(zhì)相互作用的不同能量射線束的數(shù)目。
根據(jù)初步判斷結(jié)果，利用更適合該物質(zhì)的能量區(qū)間和處理函數(shù)，進(jìn)一步判斷物質(zhì)屬性。
此處所述適合該物質(zhì)的能量區(qū)間，是指對(duì)應(yīng)某種物質(zhì)，存在一特定能量區(qū)間，使得此能量區(qū)間內(nèi)，輻射與該物質(zhì)相互作用后的探測(cè)值與其他物質(zhì)的探測(cè)值的差別更大。
此處所述的有助于提高材料分辨準(zhǔn)確率的函數(shù)關(guān)系，是指對(duì)應(yīng)某種物質(zhì)，在不同能量區(qū)間內(nèi)所使用的函數(shù)關(guān)系不同，使用的函數(shù)關(guān)系可放大不同物質(zhì)間細(xì)小差別，而對(duì)于兩種物質(zhì)探測(cè)值中沒有差別的部分，可盡量降低其權(quán)重，減小影響。
最后，對(duì)能量不同的X射線掃描物體后得到的多幅圖像進(jìn)行融合處理，得到質(zhì)量更佳的掃描圖像。根據(jù)射線的衰減情況，可判斷物質(zhì)質(zhì)量厚度的大致范圍，即當(dāng)衰減很嚴(yán)重時(shí)，認(rèn)為是高厚度材料，衰減很少時(shí)，認(rèn)為是低厚度材料。射線對(duì)不同質(zhì)量厚度的物體相互作用后，探測(cè)得到的圖像有著不同的圖像特性。高能射線對(duì)物體的穿透力強(qiáng)，對(duì)大質(zhì)量厚度的物體穿透后得到的探測(cè)數(shù)據(jù)精確度較高，所以對(duì)大質(zhì)量厚度的灰度圖像較清晰。但在分辨較薄質(zhì)量厚度時(shí)將得到比較模糊的灰度圖像，容易丟失細(xì)節(jié)信息。而這缺點(diǎn)剛好是低能量的射線穿透物質(zhì)后得到的灰度圖像能彌補(bǔ)的。所以本發(fā)明中把不同能量的X射線與物質(zhì)相互作用后得到探測(cè)值與其相對(duì)應(yīng)的預(yù)先確定好的閾值作比較，給高能量和低能量的數(shù)據(jù)分別賦予不同的權(quán)重因子，從而合成得到最終圖像的灰度信息，并轉(zhuǎn)換到彩色圖像中相對(duì)應(yīng)的色彩級(jí)別。這樣，對(duì)被檢物的質(zhì)量厚度相差比較大的物質(zhì)同樣可以得到很清晰的灰度圖像和色階較豐富的彩色圖像。
本發(fā)明中輻射源可以為放射性同位素、加速器或X光機(jī)。探測(cè)信號(hào)可以是射線穿過物體后的信號(hào)，也可以是散射信號(hào)。
相應(yīng)地，本發(fā)明公開了實(shí)施上述方法的裝置，該裝置包括一組可產(chǎn)生多種不同能量輻射的輻射源；一種適合同時(shí)探測(cè)多種不同能量射線的探測(cè)器陣列模塊；一個(gè)與探測(cè)器模塊相連的處理器，對(duì)不同能量與物質(zhì)相互作用后的探測(cè)值進(jìn)行處理，得到物質(zhì)屬性或產(chǎn)生物體的灰度圖象；一個(gè)控制系統(tǒng)，與所述的輻射源連接，該控制系統(tǒng)用于改變輻射源的工作參數(shù)。當(dāng)所述控制系統(tǒng)接收到觸發(fā)信號(hào)時(shí)，將立即給輻射源發(fā)送各種不同能量對(duì)應(yīng)的信號(hào)，讓輻射源工作在所需的工作狀態(tài)下。
所述的輻射源可以是放射性同位素、X光機(jī)或加速器，控制系統(tǒng)接收到觸發(fā)信號(hào)時(shí)，將立即給輻射源發(fā)送各種不同能量對(duì)應(yīng)的信號(hào)，讓輻射源工作在所需的工作狀態(tài)下。對(duì)于輻射源為同位素的情況，由一組不同元素同位素輻射不同能量的射線，由控制系統(tǒng)控制，按時(shí)序?qū)?zhǔn)準(zhǔn)直器；對(duì)于發(fā)射連續(xù)譜的加速器或X光機(jī)，單一的加速器或X光機(jī)可由控制系統(tǒng)控制，按時(shí)序發(fā)射不同能量占優(yōu)的射線，并在射線出口前端放置用于能譜調(diào)制的能譜調(diào)制器。
能譜調(diào)制器呈輪盤狀，由不同調(diào)制材料構(gòu)成葉片，葉片按與相應(yīng)能量射線束相對(duì)應(yīng)的時(shí)序圍繞軸旋轉(zhuǎn)；所述能譜調(diào)制器通過發(fā)射觸發(fā)信號(hào)到輻射源的控制系統(tǒng)以及發(fā)射采集信號(hào)到探測(cè)器的控制器使輻射源出束與探測(cè)器采集信號(hào)同步進(jìn)行。
所述的探測(cè)器陣列為多層多晶體探測(cè)器，由不同晶體復(fù)合而成，不同晶體之間有濾波片隔開。
(三)有益效果通過多種能量的X射線來(lái)識(shí)別物體，能夠?qū)崿F(xiàn)針對(duì)不同的物質(zhì)材料，采用不同最佳的區(qū)分能量區(qū)間。這樣可以很大程度地提高材料分辨的正確率。同時(shí)由于物質(zhì)屬性和材料厚度綜合影響，容易造成探測(cè)結(jié)果曲線的交叉，采用多種探測(cè)值能量擬和曲線的方法，有助于提高材料分辨的準(zhǔn)確率。并且根據(jù)已知材料的探測(cè)信號(hào)得到的分段擬合函數(shù)的函數(shù)作為比較閾值，讓整個(gè)判斷基于實(shí)際的測(cè)量值，通過二次判斷和針對(duì)厚度的特殊處理，減小了直接插值和查表帶來(lái)的誤差，提高材料的分辨準(zhǔn)確率。
把不同能量的X射線與物質(zhì)相互作用后得到探測(cè)值，給高能量和低能量的數(shù)據(jù)分別賦予不同的權(quán)重因子，對(duì)被檢物的質(zhì)量厚度相差比較大的物質(zhì)同樣可以得到很清晰的灰度圖像和色階較豐富的彩色圖像。
對(duì)加速器產(chǎn)生的X射線，根據(jù)不同材料分辨對(duì)象，不同的能量利用不同的材料進(jìn)行能譜調(diào)制。從而得到最佳能譜調(diào)制效果，得到最佳的材料分辨能譜。這樣降低了因?yàn)樯渚€能譜分散給最終分辨結(jié)果帶來(lái)的誤差。
多層的探測(cè)器能夠進(jìn)一部提高針對(duì)不同能量的射線的探測(cè)效果，提高了探測(cè)效果和探測(cè)精度。


圖1是利用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)集裝箱貨物檢測(cè)的一種系統(tǒng)的概況圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明，不同能量的射線實(shí)現(xiàn)不同能譜調(diào)制方法的裝置的俯視圖；圖3是能譜調(diào)制器給加速器控制系統(tǒng)發(fā)送的信號(hào)時(shí)序；圖4是系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)精確的多能射線探測(cè)采用的探測(cè)器示意圖；圖5是在整個(gè)能量區(qū)間內(nèi)，輻射能量與物質(zhì)屬性及物質(zhì)質(zhì)量厚度之間的一種給定的函數(shù)關(guān)系曲線；
圖6是在有利于區(qū)分高Z材料的能量區(qū)間內(nèi)，輻射能量與物質(zhì)屬性及物質(zhì)質(zhì)量厚度之間的一種與圖5不同的給定的函數(shù)關(guān)系曲線；圖7是利用多束不同能量射線的探測(cè)值實(shí)現(xiàn)材料分辨的總流程圖；圖8是利用不同質(zhì)量厚度信息調(diào)整最終圖像的方法流程圖；具體實(shí)施方式
按照本發(fā)明所述，在集裝箱貨物掃描時(shí)，需要由加速器產(chǎn)生較高能量的X射線，使得射線有足夠的能量和劑量在穿透集裝箱貨物后仍然能被探測(cè)器探測(cè)到有效信號(hào)。而要實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢物材料的分辨，關(guān)鍵之處是加速器產(chǎn)生多束不同能量的X射線，并且跟被檢物的同一位置發(fā)生相互作用，然后被探測(cè)器精確的探測(cè)。
圖1是一種通過加速器產(chǎn)生的多束不同能量的X射線來(lái)對(duì)集裝箱貨物進(jìn)行材料屬性分辨的系統(tǒng)。圖中，1是一臺(tái)新型加速器，通過改變工作參數(shù)，可以產(chǎn)生不同能量的X射線。加速器工作參數(shù)的改變通過系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)4來(lái)實(shí)現(xiàn)。加速器產(chǎn)生各種能量時(shí)相應(yīng)的工作狀態(tài)，在搭建系統(tǒng)前已經(jīng)被調(diào)試好?？刂葡到y(tǒng)4對(duì)各種穩(wěn)定的工作狀態(tài)進(jìn)行存儲(chǔ)。當(dāng)控制系統(tǒng)4接收到觸發(fā)信號(hào)3后，將立即給加速器發(fā)送各種不同能量對(duì)應(yīng)的信號(hào)，讓加速器工作在所需的工作狀態(tài)下。當(dāng)加速器完成4要求的工作狀態(tài)下的特定能量的X射線的產(chǎn)生后，將返回給控制系統(tǒng)4一完成指令。加速器產(chǎn)生的X射線經(jīng)過能譜調(diào)制裝置2，得到優(yōu)化后的X射線。多束不同能量的X射線分別與被檢物7中的同一位置發(fā)生相互作用。由控制器9控制探測(cè)器8探測(cè)穿透被檢物后的X射線。探測(cè)器的探測(cè)信號(hào)12通過網(wǎng)絡(luò)傳送到工作站13，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，最終得到被檢物的灰度圖像和材料屬性。系統(tǒng)的X射線是由加速器加速電子束打靶產(chǎn)生，經(jīng)過6A準(zhǔn)直系統(tǒng)，得到扇形的X射線面束。圖中的6B，6C準(zhǔn)直系統(tǒng)抑制了測(cè)量過程中的散射輻射。因?yàn)橄到y(tǒng)中對(duì)不同能量的射線利用不同的材料進(jìn)行能譜調(diào)制，所以通過能譜調(diào)制器2，發(fā)出信號(hào)3和信號(hào)10來(lái)實(shí)現(xiàn)加速器出束和探測(cè)器采集的同步。
根據(jù)系統(tǒng)中加速器產(chǎn)生的X射線，系統(tǒng)中的能譜調(diào)制裝置針對(duì)不同能量采用不同的能譜調(diào)制材料。如圖2中所示，圓形的調(diào)制裝置，調(diào)制裝置的軸心是網(wǎng)格狀的鏤空中軸。不同的調(diào)制材料構(gòu)成葉片，葉片圍繞軸旋轉(zhuǎn)，觸發(fā)信號(hào)給加速器的控制器。不同能量的X射線由不同的能譜調(diào)制材料構(gòu)成的葉片進(jìn)行能譜調(diào)制。根據(jù)射線跟物體的作用不僅跟射線的特性有關(guān)，同時(shí)跟物體的屬性相關(guān)。不同的調(diào)制方法與不同的能量的射線將得到完全不同的調(diào)制效果。例如，通過研究得到低Z材料對(duì)能譜中較高能量的射線吸收比較厲害，因此當(dāng)X射線能譜分布能量范圍下限高于某一能量較高的閾值(如～3MeV)時(shí)，應(yīng)該選擇低Z材料作為該束X射線的能譜調(diào)制材料，如硼、聚乙烯及其他富氫有機(jī)材料等；高Z材料對(duì)能量在幾百KeV的射線吸收厲害，所以當(dāng)X射線能譜分布能量范圍下限高于某一能量較低的閾值(如～300keV)時(shí)，應(yīng)該選擇高Z材料作為該束X射線的能譜調(diào)制材料，如Pb、W、U等。系統(tǒng)中具體的實(shí)施方法如圖2所示，對(duì)加速器產(chǎn)生的3～6MeV的X射線，采用的調(diào)制葉片由14，15組成。14可選用調(diào)制材料聚乙烯，15可選用調(diào)制材料Pb。其中14吸收較高能量的射線，15吸收能量較低的散射成分。針對(duì)能量為～9MeV的射線，采用的調(diào)制葉片16可選用由高分子材料組成。針對(duì)能量200KeV～1MeV的射線，調(diào)制葉片17可選用調(diào)制材料W。
能譜調(diào)制器的調(diào)制葉片圍繞中軸18勻速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)谝环N調(diào)制葉片旋轉(zhuǎn)到射線平面前的一固定位置時(shí)，觸發(fā)信號(hào)，時(shí)序如圖3。加速器連續(xù)產(chǎn)生不同能量的多束X射線，發(fā)射每束射線時(shí)間間隔為t1，在時(shí)間間隔t1的時(shí)間里，能譜調(diào)制器剛好轉(zhuǎn)到下一個(gè)調(diào)制葉片上。然后再經(jīng)過時(shí)間t2，第一種調(diào)制葉片旋轉(zhuǎn)到同一固定位置時(shí)，再次觸發(fā)信號(hào)，產(chǎn)生下一個(gè)連續(xù)脈沖射線束的發(fā)射周期。這觸發(fā)信號(hào)同時(shí)也發(fā)送給探測(cè)器的控制系統(tǒng)，經(jīng)過一定的延時(shí)，讓探測(cè)器開始采集信號(hào)。從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間同步。
系統(tǒng)中的探測(cè)器采用的是多層多晶體結(jié)構(gòu)的探測(cè)器。如圖4所示，根據(jù)不同物質(zhì)對(duì)不同能量信號(hào)的采集水平，41可選用CsI晶體構(gòu)成，用41來(lái)采集能量稍低的射線，輸出信號(hào)有42端引出；其它能量較高的射線將穿過41，42到43。43是一濾波片，用43實(shí)現(xiàn)對(duì)能量較低的射線如康普頓散射等進(jìn)行濾波。43的材料可選擇為Pb或W。44可選擇CWO晶體，絕大部分高能成分的射線在44中沉淀。44的信號(hào)通過45端引出。探測(cè)器得到的探測(cè)信號(hào)，通過ADC轉(zhuǎn)換為16位的二進(jìn)制數(shù)被傳送到處理工作站13。
得到探測(cè)值后利用圖像處理模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。首先根據(jù)已知物質(zhì)的探測(cè)結(jié)果，標(biāo)定出所有能量區(qū)間內(nèi)的一組函數(shù)關(guān)系曲線。如圖5所示，函數(shù)關(guān)系可任意選擇。例如橫坐標(biāo)取A＝μn×t＝α×|ln(In/I0n)|，縱坐標(biāo)取P＝|(βμm-γμn+ημk)t|或P＝|λ(μm×μn)t|，其中下角標(biāo)m、n、k分別代表不同能量所對(duì)應(yīng)的參數(shù)值或探測(cè)值。不同的函數(shù)關(guān)系在不同的能量區(qū)間分辨水平不同。根據(jù)函數(shù)關(guān)系的形式，將被檢物的幾種能量的探測(cè)值代入標(biāo)定的函數(shù)關(guān)系中，得到的函數(shù)值與標(biāo)定的已知物質(zhì)的函數(shù)值進(jìn)行比較，初步判斷物質(zhì)可能屬于的物質(zhì)范圍。
對(duì)于不同材料，其最佳能量分辨區(qū)間也不同。相應(yīng)各個(gè)能量區(qū)間所選用的函數(shù)模型也不相同。如圖6所示，圖中給出了適合區(qū)分重金屬的能量區(qū)間相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系曲線，可以看出，利用該能量區(qū)間的特定函數(shù)曲線，重金屬可以很好的被區(qū)分開。因此，根據(jù)第一次判斷的物質(zhì)所屬區(qū)域，進(jìn)一步利用合適的能量組合形式和相應(yīng)區(qū)段的函數(shù)關(guān)系，可以更準(zhǔn)確地判斷物質(zhì)屬性。
當(dāng)物質(zhì)為薄材料時(shí)，會(huì)影響對(duì)物質(zhì)材料的識(shí)別的準(zhǔn)確性，當(dāng)所選函數(shù)關(guān)系的函數(shù)值落在坐標(biāo)系的某一區(qū)域時(shí)，或衰減很小時(shí)，就可以認(rèn)為物質(zhì)為薄材料。針對(duì)輻射與薄材料相互作用的探測(cè)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)漲落較高的情況，系統(tǒng)采用對(duì)應(yīng)薄材料的函數(shù)關(guān)系，對(duì)探測(cè)值做進(jìn)一步的處理，以保證識(shí)別的準(zhǔn)確性。例如對(duì)于一般厚度材料可使用P=α×ln(ImIm0)-β×ln(InIn0)]]>，而對(duì)于薄材料，這樣的函數(shù)關(guān)系并不適合，此時(shí)選擇P=(α×ln(ImIm0)-β×ln(InIn0))×(ln(Im+In))×γ.]]>圖7給出了以6種能量為例，利用多種能量判斷物質(zhì)屬性時(shí)的方法流程圖。首先通過6種能量的X射線與已知物質(zhì)相互作用，給定其中任意三種(當(dāng)然，此處也可使用2種或4種等少于6種，不小于兩種的射線數(shù)目)能量的某種函數(shù)關(guān)系進(jìn)行函數(shù)擬和，用以標(biāo)定待測(cè)物質(zhì)。用6種能量探測(cè)未知物質(zhì)，將能量分為兩組，將每組的三種能量的探測(cè)值代入上述標(biāo)定函數(shù)中，以初步判斷物質(zhì)屬性。兩組能量判斷結(jié)果可能分別是Cu和W，分別選擇更適合Cu和W的能量區(qū)間的探測(cè)值，利用適合該能量區(qū)段的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)一步判斷物質(zhì)屬性。進(jìn)一步的判斷可以得到Cu和W中有一種是不符合相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系的判斷結(jié)果。顯然，繼續(xù)增多能量，可以使得區(qū)段分得更為細(xì)致，通過對(duì)比能夠看出，通過多能量進(jìn)行能量區(qū)段選擇方法可以很大程度的提高物質(zhì)屬性判斷的準(zhǔn)確性。
最后，對(duì)能量不同的X射線掃描物體后得到的多幅圖像進(jìn)行融合處理，得到質(zhì)量更佳的掃描圖像。相應(yīng)的流程圖如圖8所示，本發(fā)明中把不同能量的X射線與物質(zhì)相互作用后得到探測(cè)值與其相對(duì)應(yīng)的預(yù)先確定好的閾值作比較，給高能量和低能量的數(shù)據(jù)分別賦予不同的權(quán)重因子，從而合成得到最終圖像的灰度信息；并轉(zhuǎn)換到彩色圖像中相對(duì)應(yīng)的色彩級(jí)別。這樣對(duì)被檢物的質(zhì)量厚度相差比較大的同樣可以得到很清晰的灰度圖像和色階較豐富的彩色圖像。
權(quán)利要求
1.一種利用多種能量輻射掃描物質(zhì)的方法，包括利用多種能量的輻射與待測(cè)物質(zhì)相互作用；探測(cè)并記錄所述不同能量的輻射與待測(cè)物質(zhì)相互作用后的探測(cè)值；將其中幾種能量的探測(cè)值代入標(biāo)定函數(shù)中，初步判斷物質(zhì)的材料屬性或材料厚度信息；根據(jù)初步判斷結(jié)果，利用更適合該物質(zhì)的能量區(qū)間和函數(shù)關(guān)系，進(jìn)一步判斷物質(zhì)屬性。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的標(biāo)定函數(shù)為不同能量對(duì)已知材料探測(cè)后的探測(cè)值的擬合函數(shù)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述的用于擬合標(biāo)定函數(shù)的與已知材料相互作用的不同能量射線束，其數(shù)目不小于與待測(cè)物質(zhì)相互作用的不同能量射線束的數(shù)目。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的多種能量至少為3種不同的能量。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述的多種能量至少為3種不同的能量。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的與物質(zhì)相互作用后的探測(cè)值為輻射透視物體后的透射強(qiáng)度值。
7.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述的與物質(zhì)相互作用后的探測(cè)值為輻射透視物體后的透射強(qiáng)度值。
8.如權(quán)利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述的更適合該物質(zhì)的能量區(qū)間，是指對(duì)應(yīng)某種物質(zhì)，存在一特定能量區(qū)間，使得在此能量區(qū)間內(nèi)，輻射與該物質(zhì)相互作用后的探測(cè)值與其他物質(zhì)的探測(cè)值的差別更大。
9.如權(quán)利要求1、2、3、4、5、6或7所述的方法，其特征在于，所述的更適合該物質(zhì)的函數(shù)關(guān)系，是指對(duì)應(yīng)某種物質(zhì)，在不同能量區(qū)間內(nèi)所使用的函數(shù)關(guān)系不同，使用的函數(shù)關(guān)系可放大不同物質(zhì)間的細(xì)小差別，同時(shí)降低無(wú)差別部分的影響。
10.如權(quán)利要求1、2、3、4、5、6或7所述的方法，其特征在于，所述的更適合該物質(zhì)的函數(shù)關(guān)系，是指對(duì)應(yīng)厚度不同的物質(zhì)，使用不同的函數(shù)處理模型分段處理。
11.如權(quán)利要求1、2、3、4、5、6或7所述的方法，其特征在于，所述的輻射的輻射源為放射性同位素。
12.如權(quán)利要求1、2、3、4、5、6或7所述的方法，其特征在于，所述的輻射的輻射源為加速器。
13.如權(quán)利要求1、2、3、4、5、6或7所述的方法，其特征在于，所述的輻射的輻射源為X光機(jī)。
14.一種利用多種能量輻射掃描物質(zhì)的方法，包括利用多種能量的輻射與待測(cè)物質(zhì)相互作用；探測(cè)并記錄所述不同能量的輻射與待測(cè)物質(zhì)相互作用后的探測(cè)值，并形成圖像；將其中幾種能量的探測(cè)值代入標(biāo)定函數(shù)中，判斷物質(zhì)材料的厚度信息；根據(jù)材料厚度，選擇不同能量探測(cè)值的權(quán)重，對(duì)圖像進(jìn)行融合處理，得到更準(zhǔn)確的灰度圖像，并轉(zhuǎn)換到彩色圖像中相對(duì)應(yīng)的色彩級(jí)別。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述的多種能量至少為2種不同的能量。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述對(duì)物質(zhì)材料厚度的判斷，是根據(jù)射線的實(shí)際衰減情況進(jìn)行判斷的。
17.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述選擇不同能量探測(cè)值的權(quán)重，是指對(duì)于越薄的材料，高能射線探測(cè)值所占權(quán)重越小，低能射線探測(cè)值所占權(quán)重越大；對(duì)于越厚的材料，低能射線探測(cè)值所占權(quán)重越小，高能射線探測(cè)值所占權(quán)重越大。
18.一種用于實(shí)施權(quán)利要求1或14所述的利用多種能量輻射掃描物質(zhì)的方法的裝置，包括一組可產(chǎn)生多種不同能量輻射的輻射源；一種適合同時(shí)探測(cè)多種不同能量射線的探測(cè)器模塊陣列；一個(gè)與探測(cè)器模塊相連的處理器，對(duì)不同能量與物質(zhì)相互作用后的探測(cè)值進(jìn)行處理，得到物質(zhì)屬性或產(chǎn)生物體的灰度圖象；一個(gè)控制系統(tǒng)，與所述的輻射源連接，該控制系統(tǒng)用于改變輻射源的工作參數(shù)。
19.如權(quán)利要求18所述的裝置，其特征在于，所述的多種不同能量至少為3種不同的能量。
20.如權(quán)利要求18所述的裝置，其特征在于，所述的多種不同能量至少為2種不同的能量。
21.如權(quán)利要求18、19或20所述的裝置，其特征在于，所述探測(cè)器陣列為多層多晶體探測(cè)器，由不同晶體復(fù)合而成。
22.如權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于，所述探測(cè)器陣列中，不同晶體之間有濾波片隔開。
23.如權(quán)利要求18、19或20所述的裝置，其特征在于，所述輻射源為放射性同位素。
24.如權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于，所述的輻射源是一種不同元素的放射性同位素的組合，利用不同的放射性同位素按時(shí)序輪流通過準(zhǔn)直器的狹縫而發(fā)出不同能量的射線。
25.如權(quán)利要求18、19或20所述的裝置，其特征在于，所述輻射源是一種可發(fā)射出不同能量占優(yōu)的連續(xù)能譜射線的加速器。
26.如權(quán)利要求25所述的裝置，其特征在于，所述加速器包括一個(gè)置于射線出口前端的用于能譜調(diào)制的能譜調(diào)制器。
27.如權(quán)利要求18、19或20所述的裝置，其特征在于，所述輻射源為X光機(jī)。
28.如權(quán)利要求27所述的裝置，其特征在于，所述X光機(jī)包括一個(gè)置于射線出口前端的用于能譜調(diào)制的能譜調(diào)制器。
29.如權(quán)利要求26所述的裝置，其特征在于，所述能譜調(diào)制器呈輪盤狀，由不同調(diào)制材料構(gòu)成葉片，葉片按與相應(yīng)能量射線束相對(duì)應(yīng)的時(shí)序圍繞軸旋轉(zhuǎn)。
30.如權(quán)利要求28所述的裝置，其特征在于，所述能譜調(diào)制器呈輪盤狀，由不同調(diào)制材料構(gòu)成葉片，葉片按與相應(yīng)能量射線束相對(duì)應(yīng)的時(shí)序圍繞軸旋轉(zhuǎn)。
31.如權(quán)利要求26所述的裝置，其特征在于，所述能譜調(diào)制器通過發(fā)射觸發(fā)信號(hào)到輻射源的控制系統(tǒng)以及發(fā)射采集信號(hào)到探測(cè)器的控制器使輻射源出束與探測(cè)器采集信號(hào)同步進(jìn)行。
32.如權(quán)利要求28所述的裝置，其特征在于，所述能譜調(diào)制器呈輪盤狀，由不同調(diào)制材料構(gòu)成葉片，葉片按與相應(yīng)能量射線束相對(duì)應(yīng)的時(shí)序圍繞軸旋轉(zhuǎn)。
33.如權(quán)利要求18所述的裝置，其特征在于，所述控制系統(tǒng)接收到觸發(fā)信號(hào)時(shí)，將立即給輻射源發(fā)送各種不同能量對(duì)應(yīng)的信號(hào)，讓輻射源工作在所需的工作狀態(tài)下。
34.如權(quán)利要求18、19或20所述的裝置，其特征在于，所述的各種能量的探測(cè)值為輻射穿透物體后的透射強(qiáng)度值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用多種能量輻射掃描物質(zhì)的方法和裝置。該方法包括1)探測(cè)多種能量的射線穿透被測(cè)物質(zhì)后的探測(cè)值；2)初步判斷物質(zhì)屬性及厚度信息；3)根據(jù)初步判斷結(jié)果選擇處理該物質(zhì)的能量區(qū)間和處理函數(shù)；4)最終確定所含物質(zhì)，并根據(jù)厚度信息調(diào)整圖像。相應(yīng)的裝置包括1)產(chǎn)生多種能量的射線源；2)針對(duì)不同能量所使用的能譜調(diào)制裝置；3)對(duì)不同能量敏感的探測(cè)器陣列；4)相應(yīng)的圖像處理機(jī)構(gòu)。本發(fā)明可用在海關(guān)、港口、機(jī)場(chǎng)對(duì)大型集裝箱貨物進(jìn)行不開箱查驗(yàn)。
文檔編號(hào)G01N23/04GK1995993SQ200510136319
公開日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2005年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月31日
發(fā)明者康克軍, 胡海峰, 陳志強(qiáng), 李元景, 王學(xué)武, 唐傳祥, 王利明, 劉以農(nóng), 劉耀紅, 張麗, 李薦民, 鐘華強(qiáng), 程建平, 陳懷璧, 彭華, 謝亞麗, 李君利, 康寧, 李清華 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 清華同方威視技術(shù)股份有限公司