CN102265181A

CN102265181A - 用于威胁检测的系统和方法

Info

Publication number: CN102265181A
Application number: CN2009801517879A
Authority: CN
Inventors: S.S.泽拉基维奇; R.T.霍克托尔
Original assignee: Morpho Detection LLC
Current assignee: Smiths Detection Inc
Priority date: 2008-10-23
Filing date: 2009-10-22
Publication date: 2011-11-30
Also published as: WO2010048374A3; WO2010048374A2; EP2340445A2; US20100104064A1

Abstract

提供一种用于威胁检测的系统。该系统包括成像检测器，该成像检测器被配置成检测在行进的预定时间段或者距离内源自至少一个辐射源的辐射。该系统也包括耦合到成像检测器的处理器。处理器被配置成经由图像重构技术将检测到的辐射反向投影到自然空间中的多个点上。处理器也被配置成生成第一组图像像素，该第一组图像像素标识与自然空间中的每个点对应的辐射源的位置，其中第一组图像像素表明存在所有可能辐射源。处理器还被配置成经由威胁检测算法根据反向投影的辐射来生成标识仅一个或者多个潜在威胁源的第二组图像像素。

Description

用于威胁检测的系统和方法

关于联邦赞助研究或者开发的声明

按照国防安全部授予的合同HSHQDC-07-C-00092在政府支持下完成本发明。政府具有本发明的某些权利。

技术领域

本发明一般地涉及安全检查系统，并且更具体地涉及用于检测放射威胁物体的检查系统。

背景技术

鉴于恐怖分子组织希望获得核武器或者其它放射武器诸如“脏”炸弹，正在投入重大努力以评估国家弱点并且增强国家安全。潜在弱点区域可以例如包括海港、机场、城市区域、边界、体育馆、兴趣点等。例如在美国海港中，每天平均约16,000只货物集装箱船运抵达，任一集装箱都可以用来藏匿裂变材料或者组装的核设备。另外一旦在国内，核材料可以事实上传播到国内的任何地方而检测能力很少到没有。

一种用于解决这样的与潜在反应材料关联的威胁的当前盛行模型可以表征为如下基于海关的方式，其中辐射检测系统集成到在港口和边界渡口的现有海关基础设施中。一旦集装箱离开海关区域，需要额外筛选方法以调查一旦在国界内的潜在威胁。

存在若干用于检测一旦在国界内的核材料的方法。这些系统主要由如下设备组成，该设备可以检测辐射但是不能对源明确定位也不能区分自然出现的辐射源和真正威胁。设备包括小型寻呼机尺寸的设备和更大的基于盖革（Geiger）计数器的检测器。这些设备依赖于测量在γ射线的检测中的局部增加以确定放射材料的存在。由于它们未执行任何成像或者能量区分，所以它们经常表明误判威胁从而潜在地导致忽视真实威胁。为了对可能在潜在恐怖主义威胁中国内使用的放射材料进行无源检测和定位，已考虑若干技术。用于实现放射定位的衰减准直器受低效率的困扰并且可能为了衰减高能γ射线而具有庞大重量的问题。由于康普顿（compton）相机的定位能力而可以使用它们，但是它们在低辐射能量下的固有低效率、高成本和高系统复杂性致使它们对于这样的应用而言不合乎需要。

用于检测放射材料的系统可以采用编码孔径成像。编码孔径成像提供一种用于提高由x射线或者γ射线辐射形成的图像的空间分辨率、灵敏度和信噪比（SNR）的手段。例如与这些其它系统对照，编码孔径相机的特征在于高灵敏度而同时在重构的图像中实现异常空间分辨率。

这样的高能电磁辐射（即X射线、γ射线）源一般由编码孔径阵列成像到检测器上，该检测器具有以行和列的图案布置的检测器元件。基于编码孔径的成像技术已被天体物理学界成功应用并且现在正被开发用于国家安全用途。

在用来对来自移动车辆的远程源进行成像时，这样的编码孔径系统使用反向投影或者更精细的基于反向投影的重构算法以形成图像。也称为“X射线分层法”的反向投影是一种在计算断层摄影术中使用的公知图像形成技术。与装配于移动平台上的编码孔径成像器结合使用的图像形成方式类似于“单光子发射计算断层摄影术”（SPECT）的那些图像形成方式，除了轴向成像几何替换为“运动断层摄影术”几何。（参见A. Macovski的"Medical Imaging Systems"，Prentice Hall, 1983。）。这一现有技术成像方式也是一般合成孔径成像方式的例子。

除了尝试对空间中的辐射源进行定位的成像方式之外，存在两类尝试使用感测的辐射的能量谱以确定辐射源的特性的已知技术。我们将所有这样的方法称为“威胁检测”。威胁分类是一种使用统计模式识别概念以将观测的能量谱分类为威胁或者非威胁的方式。基于γ光谱学的方式试图从能量谱中挑选出视为威胁的具体放射性同位素的谱特征。这样的威胁检测技术未对空间中的任何检测到的威胁进行定位；相反，它们仅确定在空间中的特定点处观测的能量谱是否包含表明威胁存在的特征。

因而需要一种改进的可以可靠检测位于受检区中任何地方的威胁材料的威胁检测系统。

发明内容

根据本发明的实施例，提供一种用于威胁检测的系统。该系统包括成像检测器，该成像检测器被配置成检测在行进的预定时间段或者距离内源自至少一个辐射源的辐射。该系统也包括耦合到成像检测器的处理器。处理器被配置成经由图像重构技术将检测到的辐射反向投影到自然空间中的多个点上。处理器也被配置成生成第一组图像像素，该第一组图像像素标识与自然空间中的每个点对应的辐射源的位置，其中第一组图像像素表明存在所有可能辐射源。处理器还被配置成经由威胁检测算法基于第一组图像像素来生成标识仅一个或者多个潜在威胁源的第二组图像像素。

根据本发明的另一实施例，提供一种用于提供威胁检测系统的方法。该方法包括：提供成像检测器，该成像检测器被配置成检测在行进的预定时间段或者距离内源自至少一个辐射源的辐射。该方法也包括提供耦合到成像检测器的处理器。处理器被配置成经由图像重构技术将检测到的辐射反向投影到自然空间中的多个点上。处理器也被配置成生成第一组图像像素，该第一组图像像素标识与自然空间中的每个点对应的辐射源的位置，其中第一组图像像素表明存在所有可能辐射源。处理器还被配置成经由威胁检测算法基于第一组图像像素来生成标识仅一个或者多个潜在威胁源的第二组图像像素。

根据本发明的另一实施例，提供一种用于威胁检测的方法。该方法包括检测在成像检测器行进的预定时间段或者距离内源自至少一个辐射源的辐射。该方法也包括经由图像重构技术将检测到的辐射反向投影到自然空间中的多个点上。该方法还包括生成第一组图像像素，该第一组图像像素标识与自然空间中的每个点对应的至少一个辐射源的位置，该第一组图像像素表明存在所有可能辐射源。该方法也包括经由威胁检测算法根据反向投影的辐射来生成第二组图像像素，该第二组图像像素表明存在仅一个或者多个潜在威胁源。

将从结合附图提供的本发明优选实施例的以下详细描述中更容易理解这些和其它优点及特征。

附图说明

图1是根据本发明实施例的用于威胁检测的示例系统的示意图。

图2是由图1中的系统检测到的辐射的谱反向投影的示意图。

图3是表明存在铀238的生成的威胁图像的示例图。

图4是表明存在钾40的生成的威胁图像的示例图。

图5是表明存在钍232的生成的威胁图像的示例图。

图6是代表根据本发明实施例的用于提供威胁检测系统的方法中的步骤的流程图。

图7是代表根据本发明实施例的用于威胁检测的方法中的步骤的流程图。

具体实施方式

如下面详细讨论的那样，本发明的实施例包括一种用于威胁检测的系统和方法。该系统和方法包括组合图像重构技术与威胁检测算法以表明存在除了适用于医学和工业的同位素和自然出现的放射材料之外的威胁源或者放射同位素。

图1是用于威胁检测的示例系统10的示意图。系统10包括成像检测器12，该成像检测器被配置成检测在检测器行进的预定时间段或者距离内源自至少一个辐射源16的辐射14。在所示的实施例中，成像检测器12是编码孔径检测器。成像检测器12的另一非限制例子是康普顿相机。成像检测器12包括位置敏感检测器（PSD）22和设置于PSD 22与辐射源16之间的编码孔径掩模24。在示例实施例中，PSD 22是Anger γ相机。另外，成像检测器12可以装配于移动平台诸如卡车上以辅助通过合成孔径技术的图像形成。辐射源16发射辐射14，诸如但不限于由编码孔径掩模24调制并且射到PSD 22上的X射线和/或γ射线辐射。掩模24一般可以由衰减材料制成。如这里所用的，“衰减材料”用来一般定义任何减少x射线或者γ射线汇集强度的材料。示例衰减材料可以包括钨、铅、行型活字（linotype）等。此外，衰减材料本身可以是能够检测入射辐射的材料，诸如例如闪烁物或者直接转换半导体。掩模24一般包括多个开放透明区28和对源16发射的辐射14是衰减的闭合区32。在示例实施例中，闭合衰减区32可以对入射辐射而言不透明。可以选择用于掩模的多个图案并且它的选择为本领域的技术人员所公知。掩模24在PSD 22上投射用开放区28和闭合区32图案化的阴影。该阴影可以根据源16的位置而偏移位置。在一个实施例中，辐射源16可以是移动的而成像检测器12可以是静止的。在替代实施例中，辐射源16可以是静止的而成像检测器12可以是移动的。在又一实施例中，辐射源16和成像检测器12均可以是移动的。在又一实施例中，成像检测器12和辐射源16均可以是静止的。

处理器36耦合到成像检测器12。处理器36被配置成输出表明存在实际威胁源的威胁图像38。在操作中，处理器36采用保留辐射14的能量信息的图像重构技术与威胁检测算法的组合以生成威胁图像。首先，处理器36将检测到的辐射14反向投影到包括能量信息的自然空间中的多个点。生成第一组图像像素，这些像素标识针对自然空间中的多个映射点中的每个映射点的辐射源16的位置。可以基于检测到的所有能量或者可能能量子集来构造图像像素。第一组图像像素表明存在许多可能类型的辐射源。应当注意，可以采用除了如这里讨论的反向投影之外的图像重构技术。其次，经由威胁检测算法根据反向投影数据来生成也称为‘威胁图像’38的第二组图像像素，这些像素标识仅一个或者多个潜在威胁源。在示例实施例中，可以采用西北太平洋国家实验室（PNNL）为标识具有低信号统计的潜在威胁（即相对少数检测到的γ射线）而开发的威胁检测算法。可以在通过引用由此整体合并于此、于2007年8月发表于IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. 54, No.4、标题为"Examination of Count-Starved Gamma Spectra Using the Method of Spectral Comparison Ratios"的出版物中获得适当威胁检测算法的更多细节。一种将需要明显更高统计的替代威胁检测算法称为峰值拟合。峰值拟合算法是普通类的依赖于对能量谱中的峰值进行定位以标识同位素的技术并且在本领域中是公知的。在其它实施例中，可以采用其它同位素标识方法，这些方法将标识具体同位素或者将可能性缩减至一类同位素。

图2是将检测到的辐射51到自然空间52上的谱反向投影的示意图。PSD 22（图1）上的检测到的辐射51经过掩模24反向投影到自然空间52中的多个像素54上。基于掩模24的衰减性质来计算检测到的辐射14源自特定像素的由‘p’表示的概率。在向与具体像素54关联的谱添加检测到的辐射时将使用这一概率作为加权值。另外，针对自然空间52中的每个像素54获得称为‘像素谱’的谱。针对每个能量和自然空间像素位置，对每个检测到的辐射51的概率p进行求和和记录。针对在每个像素处的不同能量的所有这样的求和的汇集是像素谱。在本说明书和关联的图中描绘了2维重构空间，但是该技术可以以类似方式延伸到3维。此外，这描述了一种用于生成像素谱的反向投影技术。其它技术是可能的，包括传统上用来增强标准图像中的对比度的那些技术。

在针对自然空间中的每个位置生成像素谱之后，威胁标识算法然后应用于这些位置。这些算法中共同的是很大（some）需要背景谱估计，该谱归因于背景辐射，该背景辐射包括如果不存在源则将存在的自然出现的放射材料（NORM）。可以以若干方式（包括取视野中的所有像素谱的均值、先前测量的历史背景谱或者自适应估计（其尝试基于在当前测量之前的测量来预测背景谱））估计背景谱。

图3-5是在如下场合中获得的威胁图像72、82和92的示例图，其中铀（U）238、钾（K）40和钍（Th）232分别设置于自然空间中的坐标（50，100）。X轴74代表水平方向上的自然空间坐标，而Y轴76代表沿着垂直方向的自然空间坐标。对于这些图示，检测器系统在y=0处与x轴平行移动。使用早先引用的PNNL的威胁检测算法并且设计该算法以忽略K40和Th232。如图3中所示的，黑斑78出现在标号80所引用的位置（50，100），表明存在威胁源。类似地，在图4和图5中，在位置80处无任何特征表明无任何威胁源。应当注意，在用于投影图像的常规图像投影技术中，将存在表明威胁的特征。因此，威胁检测算法消除对错误威胁警报的触发。

图6是代表用于提供威胁检测系统的方法中的步骤的流程图。该方法包括在步骤102中提供成像检测器，该检测器被配置成检测在成像检测器行进的预定时间段或者距离内源自至少一个辐射源的辐射。在一个实施例中，提供的成像检测器是编码孔径系统。在替代实施例中，成像检测器是康普顿相机。此外，检测器可以是静止的或者移动的。在步骤104中提供耦合到成像检测器的处理器。处理器被配置成经由图像重构技术将检测到的辐射反向投影到自然空间中的多个点上。处理器也被配置成生成第一组图像像素，这些像素标识与自然空间中的每个点对应的辐射源的位置，其中第一组图像像素表明存在所有可能辐射源。还经由威胁检测算法生成第二组图像像素，这些像素标识仅一个或者多个潜在威胁源。在特定实施例中，威胁检测算法忽略适用于医学和工业的同位素和自然出现的放射材料。在特定实施例中，完全或者部分地根据第二组图像像素或者预定值确定背景谱。

图7是代表用于威胁检测的方法中的步骤的流程图。该方法包括在步骤112中检测在成像检测器行进的预定时间段或者距离内源自至少一个辐射源的辐射。在步骤114中经由图像重构技术将检测到的辐射反向投影到自然空间中的多点上。在步骤116中生成第一组图像像素，这些像素标识与自然空间中的每个点对应的辐射源的位置。第一组图像像素表明存在所有可能辐射源。在步骤118中经由威胁检测算法生成第二组图像像素，这些像素表明存在仅一个或者多个潜在威胁源。可以从像素谱数据或者通过其它手段导出威胁检测算法中使用的背景谱。

上述用于威胁检测的系统和方法的各种实施例因此提供一种用于针对安全应用实现便利且高效的威胁源标识的方式。该技术允许减少否则将变得让用户厌烦的误判的数目。另外，该系统和技术允许成本有效的安全手段。

将理解可以根据任何特定实施例实现未必所有上述这样的目的或者优点。因此例如本领域的技术人员将认识到可以以如下方式实施或者实现这里描述的系统和技术，该方式实现或者优化如这里教导的一个优点或者一组优点而未必实现如这里可以教导或者提示的其它目的或者优点。

另外，技术人员将认识到来自不同实施例的各种特征的可互换性。例如，关于一个实施例对康普顿相机的使用可以适于与关于另一实施例描述的反向投影图像重构技术一起使用。类似地，本领域的一位普通技术人员可以混合和匹配描述的各种特征以及针对每个特征的其它已知等效物以根据本公开内容的原理构造额外系统和技术。

尽管已仅结合有限数目的实施例详细描述了本发明，但是应当容易理解本发明不限于这样的公开实施例。相反，可以修改本发明以合并此前未描述的但是与本发明的精神和范围相当的任何数目的变化、变更、替换或者等效布置。此外，尽管已描述了本发明的各种实施例，但是将理解本发明的方面可以包括仅一些描述的实施例。因而，本发明将不视为由前文描述限制而仅由所附权利要求的范围限制。

Claims

1. 一种用于威胁检测的系统，包括：

成像检测器，配置成检测在行进的预定时间段或者距离内源自至少一个辐射源的辐射；以及

处理器，耦合到所述成像检测器，所述处理器被配置成：

经由图像重构技术将检测到的所述辐射反向投影到自然空间中的多个点上；

生成第一组图像像素，所述第一组图像像素标识与自然空间中的每个所述点对应的所述辐射源的位置，所述第一组图像像素表明存在所有可能辐射源；并且

经由威胁检测算法根据反向投影的所述辐射来生成标识仅一个或者多个潜在威胁源的第二组图像像素。

2. 根据权利要求1所述的系统，其中所述成像检测器包括编码孔径系统。

3. 根据权利要求1所述的系统，其中所述成像检测器包括康普顿相机。

4. 根据权利要求1所述的系统，其中所述图像重构算法包括反向投影。

5. 根据权利要求1所述的系统，其中所述威胁检测算法被配置成忽略适用于医学和工业的同位素和自然出现的放射材料。

6. 根据权利要求1所述的系统，其中所述成像检测器和所述至少一个辐射源相对于彼此移动。

7. 根据权利要求1所述的系统，其中完全或者部分地根据所述第二组图像像素或者预定值来确定背景谱。

8. 一种用于提供威胁检测系统的方法，包括：

提供成像检测器，所述成像检测器被配置成检测在行进的预定时间段或者距离内源自至少一个辐射源的辐射；并且

提供耦合到所述成像检测器的处理器，所述处理器被配置成：

9. 根据权利要求8所述的方法，其中提供成像检测器包括提供编码孔径系统。

10. 根据权利要求8所述的方法，其中提供成像检测器包括提供康普顿相机。

11. 根据权利要求8所述的方法，其中所述威胁检测算法被配置成忽略适用于医学和工业的同位素和自然出现的放射材料。

12. 根据权利要求8所述的方法，还包括完全或者部分地根据所述第二组图像像素或者预定值来确定背景谱。

13. 一种用于威胁检测的方法，包括：

检测在成像检测器行进的预定时间段或者距离内源自至少一个辐射源的辐射；

生成第一组图像像素，所述第一组图像像素标识与自然空间中的每个所述点对应的至少一个辐射源的位置，所述第一组图像像素表明存在所有可能辐射源；并且

14. 根据权利要求13所述的方法，其中所述检测辐射包括经由编码孔径系统进行检测。

15. 根据权利要求13所述的方法，其中所述检测辐射包括经由康普顿相机进行检测。

16. 根据权利要求13所述的方法，其中所述生成第一组图像像素包括经由图像重构技术进行生成。

17. 根据权利要求13所述的方法，还包括完全或者部分地根据所述第二组图像像素或者预定值来确定背景谱。