CN101074937A - 能谱调制装置、识别材料的方法和设备及图像处理方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种能谱调制装置、材料识别方法和设备及图像处理方法，能利用不同能量的X射线识别海运、航空集装箱等大中型客体中物质的材料。该能谱调制装置包括：第一能谱调制部件，用于对具有第一能谱的第一射线进行能谱调制；第二能谱调制部件，与所述第一能谱调制部件耦合，用于对具有与所述第一能谱不同的第二能谱的第二射线进行能谱调制。本发明可用在海关、港口、机场等场所对大型集装箱货物进行不开箱查验。
Description
技术领域
本发明涉及对大型物体的辐射透视成像检查，特别涉及一种能谱调制装置、材料识别方法和设备及图像处理方法，其可以利用不同能量的辐射识别海运、航空集装箱等大中型客体中物质的材料。
技术背景
现有的采用辐射成像的货物检查系统一般都是让单能射线与被检物体相互作用后，探测穿透被检物体的射线得到图像。这种系统能够反应出被检物体的形状和质量厚度的变化，但却不能识别物质材料。
双能检测法实现对物体材料属性的区分在很早以前就被提出，如美国专利US5,044,002，而且在低能段也已经被广泛应用于各个领域，如骨质疏松检查、地质油层探测和小型物品的物质材料识别。但是，一直以来都认为在高能段(＞1MeV)时，电子对效应带来的微小差别不足以实现材料识别的作用，所以实用性不是很强。
在九十年代，美国专利US5,524,133提出了利用康普敦散射的角分布特性和电子对产生的各向同性的特征来分析与物体作用后的X射线中各自效应引起的散射成分，从而识别与X射线的相互作用的物质的原子序数。在US5,524,133中，让高能的X射线与物体相互作用后再与由原子序数较高的靶相互作用，然后在靶的不同角度放置探测器，从而探测康普敦散射和电子对效应。但是，探测穿透物质后的X射线与靶作用后的散射是非常困难的，所以通常要求X射线的入射剂量很高。此外，探测信号的信噪比很低，因为按这样角度排列的同一水平面的探测器阵列易受邻道的干扰，这些缺点严重影响对物质原子序数的判定，并且图像质量不佳。所以，这种方法自1993年被提出来以后，一直都没有得到实际应用。
后来，在美国专利US6,069,936和国际申请WO00/43760中采用了由高能射线源产生X射线，通过特定的材料对X射线进行滤波，从而得到另一个有更高能量的射线能谱。这两个能谱的X射线与物质相互作用后，探测两个穿透后的X射线，通过求两个探测值之比，来确定物质的原子序数及材料种类。
这种方法在两个能谱的X射线与被检物体相互作用时，随着被检物体厚度逐渐增加，穿透被检物体的两个能谱差异将会越来越小，迅速趋同，此时将不能识别被检物体材料。
发明内容
鉴于现有技术中的问题，完成了本发明。本发明的目的是在高能段(＞1MeV)产生两束能谱的主要能量水平有明显差别的X射线，探测两束射线与物质的同一位置作用后的穿透辐射，根据两探测值确定该物质的有效原子序数范围，进而实现对物品的非侵入性检查。
在本发明的一个方面，提出了一种能谱调制装置，包括：第一能谱调制部件，用于对具有第一能谱的第一射线进行能谱调制；以及第二能谱调制部件，与所述第一能谱调制部件耦合，用于对具有与所述第一能谱不同的第二能谱的第二射线进行能谱调制。
根据本发明的一个实施例，所述第一能谱调制部件和所述第二能谱调制部件的至少之一耦合在转轴上。
根据本发明的一个实施例，所述第一能谱调制部件包括至少一个第一叶片，以及第二能谱调制部件包括至少一个第二叶片。
根据本发明的一个实施例，所述第一叶片由高Z材料构成。
根据本发明的一个实施例，所述第一叶片由Pb、W、U和Cu中的至少之一构成。
根据本发明的一个实施例，所述第二叶片由低Z材料构成。
根据本发明的一个实施例，所述第二叶片由B、C、聚乙烯及其他富氢有机材料中的至少之一构成。
根据本发明的一个实施例，所述第一叶片和所述第二叶片交错设置，并且能够围绕所述转轴转动。
根据本发明的一个实施例，在射线方向上，所述第一叶片的质量厚度小于或等于所述第二叶片的质量厚度。
在本发明的另一方面，提出了一种利用具有不同能量的射线识别材料的方法，包括步骤：交替产生具有第一能谱的第一射线和具有第二能谱的第二射线；用所述的能谱调制装置分别对第一射线和第二射线进行能谱调制；利用能谱调制后的第一射线和第二射线与被检物体相互作用；采集与所述被检物体相互作用后的第一射线和第二射线，以得到第一探测值和第二探测值；以及基于所述第一探测值和所述第二探测值识别所述被检物体的材料。
根据本发明的一个实施例，所述识别步骤包括：从所述第一探测值和所述第二探测值产生相应的分类函数；以及基于所述分类函数，确定所述被检物体的材料。
根据本发明的一个实施例，所述分类函数是由所述第一射线和所述第二射线分别与预定的已知材料在不同质量厚度下相互作用后的探测值的函数的拟合函数。
根据本发明的一个实施例，所述探测值是射线透视被检物体后的透射强度值。
根据本发明的一个实施例，所述已知材料是分别代表有机物、轻金属、无机物和重金属，且已知原子序数的不同材料。
根据本发明的一个实施例，该方法还包括：用增益可变的探测器采集与所述被检物体相互作用后的第一射线和第二射线。
根据本发明的一个实施例，所述探测器在检测第一射线时的增益与检测第二射线时的增益不同。
在本发明的又一方面，提出了一种利用具有不同能量的射线识别材料的设备，包括：射线产生装置，交替产生具有第一能谱的第一射线和具有第二能谱的第二射线；所述的能谱调制装置，分别对第一射线和第二射线进行能谱调制，其中所述能谱调制后的第一射线和第二射线与被检物体相互作用；采集装置，采集与所述被检物体相互作用后的第一射线和第二射线，以得到第一探测值和第二探测值；以及材料识别装置，基于所述第一探测值和所述第二探测值识别所述被检物体的材料。
根据本发明的一个实施例，所述识别包括：从所述第一探测值和所述第二探测值产生相应的分类函数；以及基于所述分类函数，确定所述被检物体的材料。
根据本发明的一个实施例，所述分类函数是由所述第一射线和所述第二射线分别与预定的已知材料在不同质量厚度下相互作用后的探测值的函数的拟合函数。
根据本发明的一个实施例，所述探测值是射线透视被检物体后的透射强度值。
根据本发明的一个实施例，所述已知材料是分别代表有机物、轻金属、无机物和重金属，且已知原子序数的不同材料。
根据本发明的一个实施例，所述采集装置的增益是可变的。
根据本发明的一个实施例，所述采集装置在检测第一射线时的增益与检测第二射线时的增益不同。
在本发明的又一方面，提出了一种图像处理方法，包括步骤：利用具有第一能谱的第一射线和第二能谱的第二射线分别与被检物体相互作用，其中，所述第一射线和第二射线分别被如权利要求1所述的能谱调制装置调制；采集相互作用后的第一射线和第二射线以获得第一探测值和第二探测值；将所述第一和第二探测值分别与阈值比较，判断被检物体材料的厚度信息；根据所述材料厚度信息，用不同的权重因子，对由第一探测值得到的图像和由第二探测值得到的图像进行融合。
根据本发明的一个实施例，所述材料厚度信息是基于所述被检物体对射线的衰减程度而确定的。
根据本发明的一个实施例，对于质量厚度小的材料，用于第一探测值的图像的权重因子小于用于第二探测值的图像的权重因子。
根据本发明的一个实施例，对于质量厚度大的材料，用于第一探测值的图像的权重因子大于用于第二探测值的图像的权重因子。
利用本发明的设备交替产生两种不同能谱的X射线，其能谱分别由有明显能量差异的X射线占主要比例。这有利于对较厚被检物体的识别。此外，产生的高低能X射线经过不同吸收材料进行能谱调制后得到更加优化的高低能射线能谱，近一步拉开了两束X射线的等效能量差异，从而提高了对物质材料识别的正确率，尤其是对较小质量厚度物质的探测。
此外，可变增益的探测器针对高低能射线的不同的单脉冲剂量和射线能量，调整放大增益，得到更大动态范围，能够进一步提高同一探测器对不同能量的射线的探测效果，提高了探测效果和探测精度。
附图说明
图1是根据本发明实施例的材料识别系统的构成示意图；
图2是如图1所示的材料识别系统中的能谱调制装置的截面图；
图3是加速器产生的能谱的示意图和经过调制以后得到双能能谱的示意图。
图4示出了在整个能量区间内，辐射能量与物质属性及物质质量厚度之间的函数关系曲线；
图5是利用两束不同能量的射线对材料进行探测并识别材料的流程图；以及
图6是利用不同质量厚度信息调整图像的方法流程图。
具体实施方式
下面对照附图详细说明本发明的实施例。
图1是根据本发明实施例的材料识别系统的构成示意图。
如图1所示，根据本发明实施例的材料识别系统包括射频直线加速器1、能谱调制装置2、通过线路3与射频直线加速器1和能谱调制装置2连接的同步控制部分4、第一准直器6A、第二准直器6B、第三准直器6C、通过线路10与能谱调制装置2连接的控制部分9、通过线路11与控制部分9连接的探测器8、通过线路12与探测器8连接的材料识别和图像处理部分13。
在本实施例中，由射频直线加速器1交替产生两种不同能量的X射线，它们分别与同一被检物体7作用，并且由探测器8探测穿透被检物体7后的X射线，然后通过计算机13对探测器8的探测结果进行分析处理，来得到被检物体的辐射图像并实现对被检物体材料属性的区分。
如图1所示，在操作过程中，同步控制部分4与射频直线加速器1建立会话5，在确认状态后，射频直线加速器1将根据同步控制部分4提供的周期参数和控制信号来交替地产生两种有不同能量水平的X射线。射频直线加速器1产生的X射线的能谱1P，有着明显的能量差异，但还不能满足系统应用的要求，所以需要对能谱1P进行能谱调制，以获得能量水平相差更大的高低能两种射线谱。
因此，射频直线加速器1可以根据触发信号交替地产生两不同能谱的X射线，这两能谱分别由不同的能量占主要比例。由于加速器产生的X射线其能谱范围比较宽，因此需要通过能谱调制的方法进一步提高X射线谱中所需能量的X射线的比例。针对射频直线加速器1产生的X射线的能量高低，可以采用不同的材料进行能谱调制，从而得到最适合物质材料分辨的能谱。
此外，由于X射线能谱分布能量范围不同，所适合的能谱调制材料也不同。例如，当某一束X射线能谱分布的主要能量范围下限高于某一能量较高的阈值(如～3MeV)时，应该选择低Z材料作为该束X射线的能谱调制材料，如B、C、聚乙烯及其他富氢有机材料等。
同时，为了吸收射线中能量较低的散射成分，最好同时在较厚的低Z材料进行能谱调制后，再添加较薄的高Z材料进行能谱调制。当某一束X射线能谱分布的主要能量范围下限高于某一能量较低的阈值(如～300keV)时，应该选择高Z材料作为该束X射线的能谱调制材料，如Pb、W、U等；也可以选择中Z材料如Cu。
图2是如图1所示的材料识别系统中的能谱调制装置2的俯视图。如图2所示，能谱调制装置2包括与伺服电动机耦合的转轴201、设置在转轴201上的第一能谱调制部件202、与第一能谱调制部件202耦合的第二能谱调制部件203以及位置检测器(未示出)。
这里，第一能谱调制部件202是由高Z材料构成并跟转轴201耦合在一起，用于对低能射线进行能谱调制。如图2所示，第一能谱调制部件202包括多个间隔开的各个部分，可以将这多个部分看作较短的叶片。这种情况下，第一能谱调制部件202可以耦合在第二能谱调制部件203上，而第二能谱调制部件203直接耦合在转轴201上。但是，作为替换方案，可以按照需要将第一能谱调制部件202的叶片做成类似于第二能谱调制部件203的叶片的形状，但是二者在射线方向上具有不同的质量厚度。这样，第一能谱调制部件202可以与第二能谱调制部件203一起耦合在转轴201上。
第二能谱调制部件203是低Z材料构成，如聚乙烯加铅这样的综合材料，且做成一个或多个叶片，用于对高能射线进行能谱调制。如图2所示，第二能谱调制部件203的叶片沿着射线发射方向的质量厚度比第一能谱调制部件202的叶片的质量厚度大。
为了实现能谱调制，叶片按照设定的频率绕轴旋转，位置检测器检测到叶片转到一固定位置时，由产生一触发信号，作为同步信号，通过线路3和线路10分别传送给同步控制部分4和控制部分9，然后分别由同步控制部分4和控制部分9控制射频直线加速器1和探测器8与能谱调制装置2之间的同步。
这样，可以保证让射频直线加速器1产生的高能能谱射线都与叶片材料相互作用，也就是第二能谱调制部件2的调制，而使得低能能谱都经过轴上的材料吸收，也就是第一能谱调制部件1的调制。
如上所述，第一能谱调制部件202的材料可以选择高Z材料作为该束X射线的能谱调制材料，如Pb、W、U等；也可以选择中Z材料如Cu，而第二能谱调制部件203的材料可以选择低Z材料作为该束X射线的能谱调制材料，如B、C、聚乙烯及其他富氢有机材料等。结果，得到经过调制后的高低能射线能谱2P，其中两种不同能量的能谱被充分拉开。
此外，图3是加速器产生的能谱的示意图和经过调制以后得到双能能谱的示意图。如图3的(A)所示，调制之前的能谱是高能为9MeV，低能为6MeV的双能加速器产生的归一化后的能谱曲线301a和301b；如图3(B)所示，经过能谱调制后的能谱分别是能谱曲线302a和302b。从图中可以看出，两中能谱的差别被进一步拉开。
经过能谱调制装置2调制后得到的最优高低能射线在经过第一和第二准值器6A、6B准直后与被检物体7相互作用。如图1所示，被检物体7在垂直于辐射平面的朝一固定路径及固定方向运动。穿透被检物体7后的射线再经第三准直器6C后被探测器8采集。探测器8根据控制系统9的同步信号实现对高低能数据，例如辐射透视物体后的透射强度值的采集。此外，探测器8可以根据外触发信号改变其增益倍数，从而改变探测器8的动态范围，以更精确地得到两种能量的射线与物质作用后的信号值，以便能准确地区分两种能量的射线与物质作用后的差别。例如，在具有不同能量的射线的情况下，探测器8具有不同的增益倍数。
探测器8的输出数据信号通过线路12传送到材料识别和图像处理部分13。如上所述，探测器8探测得到的是的高能探测值HEL和低能探测值LEL。通过将探测的高能探测值HEL和低能探测值LEL代入分类函数中来确定被检物体中材料的有效原子序数范围，从而确定其物质的材料属性。
这里，分类函数的获取过程是通过对已知原子序数的材料(如代表有机物的聚乙烯、代表轻金属的铝、代表无机物的铁、代表重金属的铅等)，分别用双能系统的两种能量的射线扫描不同的质量厚度，得到一系列的采集值来实现的。对每次采集的高低能信号求两个函数值。例如由高能或低能信号求In(HEL/HELO)，由高低能信号求a*{In(LEL/LELO)-In(HEL/HELO)}，其中a是系数，HELO和LELO分别是预定的参考探测值，然后根据这两函数值的统计值拟合该材料的拟和函数，如图4所示。
然后，根据统计方法(如K-means，leader聚类，向量机)，由拟合函数得到分类曲线。例如对拟合函数值进行方差统计，然后根据要求的最优分类标准把拟合曲线移动相应的方差值。在识别未知材料时，根据探测值的两个函数值，并计算该探测值的分类函数值，然后与分类函数值比较得到该材料的有效原子序数范围，进而确定该物体的材料属性。
图5是利用两束不同能量射线的对材料进行探测来识别材料的流程图。
如图5所示，在步骤S110，射频直线加速器1可以根据触发信号交替地产生两不同能谱的X射线，例如第一X射线具有第一能谱，而第二X射线具有第二能谱。
然后，在步骤S120，利用如上所示的能谱调制装置2对不同能谱的X射线进行能谱调制，例如在同步信号的控制下，第一能谱调制部件202对第一X射线进行能谱调制，而第二能谱调制部件203对第二X射线进行能谱调制。
接下来，在步骤S130，调制之后的X射线通过第一和第二准直器6A和6B后，照射被检物体7，并与被检物体7相互作用。
在步骤S140，探测器8根据控制系统9的同步信号实现对高低能数据的采集。这里，探测器8可以根据外触发信号改变其增益倍数，从而改变探测器8的动态范围，以更精确地得到两种能量的射线与物质作用后的信号值。
在步骤S150，将探测器8探测高低能成像信号传送给材料识别和图像处理部分13。在材料识别和图像处理部分13中，判断传送的信号是高能成像信号还是低能成像信号。
在步骤S160和步骤S170，分别对高能X成像信号和低能成像信号进行处理。
在步骤S180，根据高能和低能两个函数值，并计算该探测值的分类函数值，然后与分类函数值比较得到该材料的有效原子序数范围，进而确定该物体的材料属性。
在步骤S190，为了得到清晰的被检物体图像，可以对能量不同的X射线扫描被检物体后得到的多幅图像进行融合处理，得到质量更佳的扫描图像。
众所周知，高能射线对物体的穿透力强，对质量厚度大的物体穿透后得到的探测数据精确度较高，所以对质量厚度大的灰度图像较清晰。但在，高能射线在分辨较薄质量厚度时将得到比较模糊的灰度图像，容易丢失细节信息。而这缺点刚好是低能量的射线穿透物质后得到的灰度图像能弥补的。
图6利用不同质量厚度信息调整图像的方法流程图。该图像融合过程利用高低能射线对物体不同质量厚度的不同衰减特性，通过两种探测值的融合得到在较宽质量厚度范围内清晰的图像。
在步骤S191和S192，确定被检物体的材料属性，例如被检物体7的质量厚度是厚的还是薄的。这里，根据射线的衰减情况，判断物质质量厚度的大致范围，即当衰减很严重时，例如小于预定的阈值，认为是高质量厚度材料，衰减很少时，例如大于预定的阈值，认为是低质量厚度材料。
在步骤S193，对于质量厚度小的材料，给高能数据赋予较小的权重因子，如30％；对低能量数据赋予较大的权重因子，如70％。
在步骤S194，对于质量厚度大的材料，给高能数据赋予较大的权重因子，如70％；对低能数据赋予较小的权重因子，如30％。
然后，在步骤S195，按照上述赋予的权重因子，合成高能图像和低能图像，从而得到最终的清晰图像。
所以，本发明提出把不同能量的X射线与物质相互作用后得到探测值与其相对应的预先确定好的阈值作比较，给高能量和低能量的数据分别赋予不同的权重因子，从而合成得到最终图像的灰度信息。
虽然，射线对不同质量厚度的物体相互作用后，探测得到的图像有着不同的图像特性，但是通过上述方法处理后，在检测扫描物体的过程中，对被检物体的质量厚度相差比较大的材料，同样可以得到很清晰的灰度图像。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (27)
1.一种能谱调制装置，包括：
第一能谱调制部件，用于对具有第一能谱的第一射线进行能谱调制；
第二能谱调制部件，与所述第一能谱调制部件耦合，用于对具有与所述第一能谱不同的第二能谱的第二射线进行能谱调制。
2.根据权利要求1所述的能谱调制装置，其特征在于，所述第一能谱调制部件和所述第二能谱调制部件的至少之一耦合在转轴上。
3.根据权利要求2所述的能谱调制装置，其特征在于，所述第一能谱调制部件包括至少一个第一叶片，以及第二能谱调制部件包括至少一个第二叶片。
4.根据权利要求2所述的能谱调制装置，其特征在于，所述第一叶片由高Z材料构成。
5.根据权利要求4所述的能谱调制装置，其特征在于，所述第一叶片由Pb、W、U和Cu中的至少之一构成。
6.根据权利要求2所述的能谱调制装置，其特征在于，所述第二叶片由低Z材料构成。
7.根据权利要求6所述的能谱调制装置，其特征在于，所述第二叶片由B、C、聚乙烯及其他富氢有机材料中的至少之一构成。
8.根据权利要求3所述的能谱调制装置，其特征在于，所述第一叶片和所述第二叶片交错设置，并且能够围绕所述转轴转动。
9.根据权利要求3所述的能谱调制装置，其特征在于，在射线方向上，所述第一叶片的质量厚度小于或等于所述第二叶片的质量厚度。
10.一种利用具有不同能量的射线识别材料的方法，包括步骤：
交替产生具有第一能谱的第一射线和具有第二能谱的第二射线；
用如权利要求1所述的能谱调制装置分别对第一射线和第二射线进行能谱调制；
利用能谱调制后的第一射线和第二射线与被检物体相互作用；
采集与所述被检物体相互作用后的第一射线和第二射线，以得到第一探测值和第二探测值；以及
基于所述第一探测值和所述第二探测值识别所述被检物体的材料。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述识别步骤包括：
从所述第一探测值和所述第二探测值产生相应的分类函数；以及
基于所述分类函数，确定所述被检物体的材料。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述分类函数是由所述第一射线和所述第二射线分别与预定的已知材料在不同质量厚度下相互作用后的探测值的函数的拟合函数。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述探测值是射线透视被检物体后的透射强度值。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述已知材料是分别代表有机物、轻金属、无机物和重金属，且已知原子序数的不同材料。
15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括：
用增益可变的探测器采集与所述被检物体相互作用后的第一射线和第二射线。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述探测器在检测第一射线时的增益与检测第二射线时的增益不同。
17.一种利用具有不同能量的射线识别材料的设备，包括：
射线产生装置，交替产生具有第一能谱的第一射线和具有第二能谱的第二射线；
如权利要求1所述的能谱调制装置，分别对第一射线和第二射线进行能谱调制，其中所述能谱调制后的第一射线和第二射线与被检物体相互作用；
采集装置，采集与所述被检物体相互作用后的第一射线和第二射线，以得到第一探测值和第二探测值；以及
材料识别装置，基于所述第一探测值和所述第二探测值识别所述被检物体的材料。
18.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，所述识别包括：
从所述第一探测值和所述第二探测值产生相应的分类函数；以及
基于所述分类函数，确定所述被检物体的材料。
19.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，所述分类函数是由所述第一射线和所述第二射线分别与预定的已知材料在不同质量厚度下相互作用后的探测值的函数的拟合函数。
20.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，所述探测值是射线透视被检物体后的透射强度值。
21.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，所述已知材料是分别代表有机物、轻金属、无机物和重金属，且已知原子序数的不同材料。
22.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，所述采集装置的增益是可变的。
23.根据权利要求22所述的设备，其特征在于，所述采集装置在检测第一射线时的增益与检测第二射线时的增益不同。
24.一种图像处理方法，包括步骤：
利用具有第一能谱的第一射线和第二能谱的第二射线分别与被检物体相互作用，其中，所述第一射线和第二射线分别被如权利要求1所述的能谱调制装置调制；
采集相互作用后的第一射线和第二射线以获得第一探测值和第二探测值；
将所述第一和第二探测值分别与阈值比较，判断被检物体材料的厚度信息；
根据所述材料厚度信息，用不同的权重因子，对由第一探测值得到的图像和由第二探测值得到的图像进行融合。
25.根据权利要求24所述的图像处理方法，其特征在于，所述材料厚度信息是基于所述被检物体对射线的衰减程度而确定的。
26.根据权利要求24所述的图像处理方法，其特征在于，对于质量厚度小的材料，用于第一探测值的图像的权重因子小于用于第二探测值的图像的权重因子。
27.根据权利要求24所述的图像处理方法，其特征在于，对于质量厚度大的材料，用于第一探测值的图像的权重因子大于用于第二探测值的图像的权重因子。
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