CN103364839B - 基于光栅剪切成像的安检设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光栅剪切成像的安检设备及方法。该设备包括：用于产生多缝X射线光源的光源装置；具有狭缝的扇形光束产生装置，在X射线光源产生的光束的照射下产生扇形光束，并照射分束光栅；被检物品通道；设于通道一侧的分束光栅，将扇形光束分束为一维光束阵列；分析光栅阵列，产生不同的光强背景，增强或抑制被检物品的折射或散射信号；线阵探测器阵列，贴近分析光栅放置，探测光强的背景和空间位置的变化，在不同光强背景下采集被检物品的投影像。本发明的设备和方法具有被检物品一次通过、同时实现被检物品吸收、折射和散射三种特性的检测，具有简便快速检测多种物质特性的优点，并能够提升对炸药等有机物的探测效率。

Description

基于光栅剪切成像的安检设备及方法

技术领域

本发明涉及放射线投影成像技术领域，特别是一种基于光栅剪切成像的安检设备及方法。

背景技术

伦琴在1895年发现了X射线，并于1901年12月10日荣获第一届诺贝尔物理学奖。广为流传的伦琴夫人手的X射线照片揭示了X射线具有强大的穿透力，表明X射线直接成像就可以看到被检物品的内部结构。这种基于物质对X射线吸收差异的成像机制在上世纪五十年代广泛用于人体医学成像，并于上世纪八十年代开始用于安全检查。虽然这种基于X射线吸收机制的成像技术，在观察重元素构成物品时，可以获得衬度（即对比度）足够高的图像，但是在观察轻元素构成物品时，仅能获得模糊的图像。其主要原因在于轻元素原子所含电子数少，轻元素构成物品密度差别小，变动范围在1%—5%之间，不但对X射线吸收弱，而且对X射线吸收差别小，不能形成足够高的衬度。因而基于传统吸收衬度的安检设备在检查刀具枪支等金属凶器时，可以获得衬度足够高的影像，然而在检查爆炸物和毒品等主要由轻元素构成的危险品时，不能获得衬度足够高的影像。

目前在行李包裹安检的实际应用中，不论是国内还是国际，绝大部分依赖于X射线吸收衰减技术，从上个世纪八十年代开始，已经有三十多年的经历。从点扫描技术、线扫描技术到目前最新的CT技术等，都是基于被检物品对X射线吸收衰减原理。

虽然针对爆炸物检测，现阶段国际上已有的技术手段大致可以分为X射线探测技术、中子探测技术、电磁探测技术、蒸汽痕迹探测技术等。中子探测技术利用中子束对氮原子反应灵敏的物理特征，通过探测被检物中的氮等元素的含量来判断物质的属性，不过通常中子探测设备体积庞大、造价昂贵，因此难以推广应用，同时中子的防护非常困难，不利于人体携带爆炸物的探测。电磁探测技术主要有核四极共振探测、核磁共振探测等，此类设备造价也很昂贵，且对于电磁屏蔽的物体无法检测。除此之外，毫米波、太赫兹技术也属于电磁探测技术的范畴，近年来也正在逐步应用到安检领域，如利用毫米波、太赫兹技术对人体进行检查等。蒸汽痕迹探测技术又包括电化学检测技术、生物检测技术、激光检测技术等。电化学检测技术检测精度较高，但是主要用于微量爆炸物检测，且需要通过蒸汽或者试纸采集微量被检物品，操作过程繁琐，难以适应现阶段快速安检的实际需求。生物检测主要是指用经过训练的狗发现危违禁品，该方法只适用于短时间检测。激光检测技术中的典型应用是拉曼光谱技术，该项技术依然属于微量探测技术，不能进行快速检测。和上述这些技术相比，X射线技术由于其自身特有的优势是目前应用最为广泛的安全检查技术。

在基于X射线技术的安检技术中，目前使用最为普遍的是X射线线扫描技术设备，虽然其材料分辨能力不及CT技术，但是其良好的性价比、快速的通检率和稳定的质量使其成为目前的主流安检设备。X射线安全检查技术主要包括单能透视技术、双能透视技术、多视角技术、背散射技术、单能谱CT技术、双能CT技术等。单能透视技术是最早被使用的X射线安检技术，它只能获取包裹内物体的形状信息，而无法获取材料信息，目前已被逐步淘汰，但在某些探测要求比较低的场合仍在被使用。双能透视技术是目前市场上X射线透视安检技术中运用最多的技术手段，它通过材料剥离手段获取无物体遮挡情况下的物体高低能投影，进而确定材料的原子序数信息，通过这项技术可以将物体分为有机物、无机物、混合物三类。双能透视成像技术尽管可以近似确定物质的有效原子序数，但是无法获取物体的密度信息，多视角技术一定程度上弥补了这一缺点，该技术通过多视角投影CT重建可以获取近似的危险品厚度信息，基于厚度信息和投影值，就可以近似确定物质的密度。由于由少量几个视角下的投影很难准确地重建物体断面，因此该技术的探测误差相对较大。背散射技术由于对低原子序数、高密度物质的敏感性，多用来探测包裹表层的危险物品。而X射线计算机断层成像（CT，ComputedTomography）技术作为一种重要的非接触式内视检测手段，在医学诊断、无损检测、安全检查领域起着越来越重要的作用。尤其在安全检查领域，CT型设备是目前美国交通安全局（TSA,TransportationSecurityAdministration）认证的EDS(ExplosiveDetectionSystem)型安检设备之一。通常X射线CT技术又可分为单能谱CT技术和多能谱CT技术，单能谱CT技术可以获取物质的吸收衰减系数信息（通过转化相当于密度），该技术由医学CT技术简单照搬而来，只能获取密度信息，因此仍然具有一定的局限性。而多能谱CT技术中的X射线双能CT技术能够同时获得物质的原子序数和密度信息。X射线CT技术也有其自身的缺点，如检查速度较慢及成本较高等。

从发展趋势上看，安检CT技术将是未来的方向。从目前设备应用方面看，当前应用最广泛的还是基于线扫描技术的安检设备。从技术专利的角度看，基于吸收衰减原理的安检技术专利已经很多了，内容从设备制造到识别算法，技术领域从普通机型到多视角再到CT技术。专利权厂家主要是美国的几家公司、德国海曼公司、国内同方威视和公安部第一研究所等。而基于X射线相位衬度等新型成像机制的安检技术，目前不论是在国际、还是国内仍然是一片空白。

X射线相位衬度成像研究始于上世纪九十年代，到目前已经有二十余年。目前在该研究领域基本上达成共识，利用光栅提取被检物品相位信息的光栅剪切成像方法最具有实际应用的前景，其最大的优势在于可以和常规X射线光源结合。在X射线光栅剪切成像研究中，研究人员还发现了散射成像机制，它是既不同于吸收，又不同于相位的又一种新的成像机制，这种成像机制对被检物品中微孔、微泡、微粒、微晶和粉末等结构比较敏感。目前利用光栅扫描提取相位信息和散射信息是国际上发展的主流。

然而，光栅扫描的方法不符合实现大批量快速通过安检的要求。使得把新型成像机制引入安检设备存在较大障碍。将基于吸收衰减的线扫描技术引用到安检设备是安检技术的一项突破，然而，对于炸药等有机物的探测一直是基于吸收衰减的线扫描技术的难点。因此，需要提出一种新型安检技术对传统安检技术进行有益的提升和补充，克服上述障碍，并能够提升对炸药等有机物的探测效率，使其在安全检查中具有广阔的应用前景。

发明内容

在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

本发明的一个目的是提供一种能够实现大批量快速通过安检的基于光栅剪切成像的安检设备。

本发明的另一目的是提供一种能够实现大批量快速通过安检的基于光栅剪切成像的安检方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于光栅剪切成像的安检设备，包括：

用于产生多缝光源的光源装置，每条缝光源都产生照射的X射线光束；

具有狭缝的扇形光束产生装置，用于在X射线光源产生的光束的照射下产生扇形光束，并照射分束光栅；

用于传送被检物品的通道；

设于所述通道一侧的分束光栅，用于将所述扇形光束沿垂直于扇面的方向，分束为一维光束阵列；

设于所述分束光栅后面的分析光栅阵列，至少包括平行排列的三个分析光栅，分别用于产生不同的光强背景，增强或抑制被检物品的折射信号或散射信号；

线阵探测器阵列，至少包括平行排列的三个线阵探测器，所述线阵探测器贴近所述的分析光栅放置，并且一一对应，所述线阵探测器用于探测光强的背景和空间位置的变化，在不同光强背景下采集被检物品的投影像。

为实现上述目的，本发明还提供一种基于光栅剪切成像的安检方法，包括以下步骤：

调整光源装置，使所述光源装置产生一维多缝光源；

调整具有狭缝的扇形光束产生装置：使所述狭缝产生的扇形光束照射分束光栅；

调整分束光栅，使分束光栅平面垂直于所述光束中心传播方向，使分束光栅栅条平行于扇形光束扇面，并将所述扇形光束沿垂直于扇面的方向分束为一维周期性光束阵列；

调整分析光栅阵列，使所述分析光栅阵列对准所述分束光栅产生的一维光束阵列；

测量位移曲线：在无被检物品时，通过探测器任一探测单元探测背景光强的变化，在垂直光束中心传播方向的平面内沿着垂直于栅条的方向移动所述光源光栅或分束光栅或分析光栅，调整分析光栅和分束光栅产生的一维光束阵列之间的剪切位移，探测器测得背景光强随剪切位移变化的位移曲线；

线阵探测器阵列采集样品的投影像：把分析光栅阵列和所述分束光栅产生的一维光束阵列之间的剪切位移调整在线阵探测器阵列探测到的光强背景满足成像要求的采集位置，将被检物品放入通道，在被检物品行进中，扇形光束扫描被检物品，线阵探测器阵列采集所述被检物品在所述光强背景下的投影像。

本发明具有以下有益效果：

（1）本发明利用光源装置产生多缝光源，利用分束光栅产生一维光束阵列、利用分析光栅对一维光束阵列进行剪切位移，可产生不同的光强背景，探测器可采集到被检测物品在所述光强背景下投影像，如亮场像、暗场像、半亮场像，只需拍摄一幅像，就能获得被检物品的半定量投影像，只需拍摄光强背景不同的三幅像，就可实现被检物品的定量投影像，采用线阵探测器阵列并行拍摄光强背景不同的三幅像，可实现同时提取光束穿过被检物品的吸收、折射和散射三种特征，相较过去只能提取吸收一种特征的安检技术，具有能够简便快速检测多种物质特性的优点。

（2）由于折射和散射信息对炸药等有机物相对敏感，因此可提升这类物品的探测效率。

附图说明

图1为本发明基于光栅剪切成像的安检设备的结构示意图；

图2为被检物品对X射线光束或中子光束吸收衰减作用的示意图，其中I0表示入射光强，I表示出射光强；

图3为被检物品对X射线光束或中子光束产生折射作用的示意图；

图4为被检物品对X射线光束或中子光束产生散射作用的示意图；

图5为光强随分析光栅（四条黑色）相对分束光栅一维光束阵列（条纹填充）剪切位移（从左到右）而变化的位移曲线；图中（从左到右）分析光栅（四条黑色）和分束光栅一维光束阵列（条纹填充）之间剪切位移分别固定在暗场位置、下半亮场位置、亮场位置、上半亮场位置、暗场位置。

附图标记为：1-光源；2-光源光栅；3-具有狭缝的扇形光束产生装置；4-分束光栅；5-传送被检物品通道；6-分析光栅阵列；7-线阵探测器阵列。

具体实施方式

本发明提供了一种基于光栅剪切成像的安检设备，包括：

用于产生多缝光源的光源装置，每条缝光源都产生X射线光束；该X射线光束可用于照射后续光学元件；

具有狭缝的扇形光束产生装置，用于在X射线光源产生的光束的照射下产生扇形光束，并照射分束光栅；

用于传送被检物品的通道；

设于所述通道一侧的分束光栅，用于将所述扇形光束沿垂直于扇面的方向，分束为一维光束阵列；

设于所述分束光栅后面的分析光栅阵列，至少包括平行排列的三个分析光栅，分别用于产生不同的光强背景，增强或抑制被检物品的折射信号或散射信号；

线阵探测器阵列，至少包括平行排列的三个线阵探测器，所述三个探测器贴近所述三个分析光栅放置，并且一一对应，所述线阵探测器阵列用于探测光强的背景和空间位置的变化，在不同光强背景下采集被检物品的投影像。

上述光源装置可为具有光源光栅互补结构的栅条靶，其具体为将靶光源与光源光栅集成为一体设置的结构。该栅条靶可直接产生一维多缝光源。

或者，上述光源装置包括点光源或缝光源，该光源光栅用于将扩展光源分割成一维多缝光源。

或者，上述光源装置包括扩展光源和光源光栅。

上述点光源、扩展光源或者栅条靶可包括，例如钨靶光源或者加速器光源。具体地，该光源可为电子打靶产生的普通X射线光源、基于加速管的X射线光源、小型同步辐射光源或中子光源。该光源装置产生的X射线光束为能量为100keV以上的韧致辐射X射线。

可选地，该光源光栅贴近光源放置；光源光栅的栅条宽大于或等于缝宽，或栅条靶的栅条宽度小于或等于缝宽。

可选地，所述产生扇形光束的狭缝宽度可调；和/或所述扇形光束产生装置为具有狭缝的板结构，所述板结构的厚度为至少使透过光强衰减到入射光强的1％所需的厚度；

可选地，分束光栅的栅条宽和缝宽相等。

可选地，分析光栅的周期等于光源（例如点光源、扩展光源或者栅条靶）的中心光线对所述分束光栅周期的几何投影或几何投影的二分之一。

可选地，分束光栅紧邻所述被检物品通道放置位于靠近所述光源装置的一侧或靠近所述分析光栅的一侧。即，分束光栅可位于通道和分析光栅之间，或者，通道位于分束光栅和分析光栅之间。

可选地，分束光栅的周期为2～1000微米；所述分析光栅的栅条宽等于缝宽；光源光栅或栅条靶的周期与分析光栅的周期形成针孔成像关系，即所述多缝光源的多缝和所述分析光栅上的多缝之间是针孔成像关系，所述针孔是分束光栅上的任意一条缝。

可选地，光源光栅、分束光栅和分析光栅都是吸收光栅，由吸收光的材料制作而成，当所述光源产生的光束为X射线时，所述吸收光栅由重金属制作而成；当所述光源产生的光束为中子时，所述吸收光栅由吸收中子的材料制作而成。

或者，分束光栅为相位光栅，光源光栅和所述分析光栅为吸收光栅。

可选地，在所述光源光栅或分束光栅或所述分析光栅为吸收光栅时，其栅条厚度为至少使透过光强衰减到入射光强的10%所需的厚度;或在所述分束光栅为相位光栅时，其栅条厚度为能够使透过光束获得π或π/2的相移所需的厚度。

可选地，分束光栅和分析光栅之间的距离为0.2米到5米。

所述被检物品通道具体用于传送被检物品，并接受所述一维光束阵列的照射以使所述被检测物品对所述一维光束阵列产生折射、吸收或散射。

具体地，所述分析光栅阵列根据所述分析光栅阵列和所述一维光束阵列之间不同的剪切位移，分为三块分析光栅，分别用于产生亮场像、暗场像、上半亮场像和下半亮场像中任意三种不同的像；

线阵探测器阵列可贴近分析光栅阵列放置，该线阵探测器阵列包括多个探测单元构成的一维线阵，其可分为三部分，分别置于所述分析光栅阵列的三块分析光栅后面放置，并且一一对应。用于探测所述分析光栅后面光强的空间位置变化，并分别采集不同光强背景下的被检物品的投影像，如亮场像、半亮场像和暗场像。

可选地，通过本发明的基于光栅剪切成像的安检设备进行物品检测，包括以下步骤：

步骤一，调整光源装置，使所述光源装置产生一维多缝光源；

步骤二，调整具有狭缝的扇形光束产生装置，使所述狭缝产生的扇形光束照射分束光栅；

步骤三，调整分束光栅，使分束光栅平面垂直于所述光束中心传播方向，使分束光栅栅条平行于扇形光束扇面，并将所述扇形光束沿垂直于扇面的方向分束为一维周期性光束阵列；

步骤四，调整分析光栅阵列，使所述分析光栅阵列对准所述分束光栅产生的一维光束阵列；

步骤五，测量位移曲线：在无被检物品时，通过探测器任一探测单元探测背景光强的变化，在垂直光束中心传播方向的平面内沿着垂直于栅条的方向移动所述光源光栅或分束光栅或分析光栅，调整分析光栅和分束光栅产生的一维光束阵列之间的剪切位移，探测器测得背景光强随剪切位移变化的位移曲线；

步骤六，线阵探测器阵列采集被检物品的投影像：把分析光栅阵列和所述分束光栅产生的一维光束阵列之间的剪切位移调整在线阵探测器阵列探测到的光强背景满足成像要求的采集位置，将被检物品放入通道，在被检物品行进中，扇形光束扫描被检物品，线阵探测器阵列采集所述被检物品在所述光强背景下的投影像。

可选地，光强背景包括：亮场背景、暗场背景和/或半亮场背景；所述半亮场背景包括上半亮场背景和/或下半亮场背景；

采集的投影像包括：所述被检物品在所述亮场背景下的亮场投影像、在所述暗场背景下的暗场投影像、和/或在所述半亮场背景下的半亮场投影像；所述半亮场投影像包括：上半亮场投影像和/或下半亮场投影像。

可选地，在线阵探测器阵列采集投影像之后，还包括从所述采集的投影像中提取所述被检物品的半定量或定量描述信息的步骤，具体包括：

步骤七，建立光栅剪切成像方程：用余弦函数曲线拟合测得的位移曲线，建立物函数数学模型、根据物函数和拟合位移曲线的卷积运算，建立光栅剪切成像方程；

步骤八，求得所述采集投影像的数学表达式：根据光栅剪切成像方程分别求得所述亮场投影像、暗场投影像和半亮场投影像的数学表达式；

步骤九，提取被检物品的半定量投影像：分别把所述亮场投影像、暗场投影像和半亮场投影像的数学表达式进行变形，求得被检物品的吸收衰减像、折射角像、散射角方差像或消光衰减像的半定量表达式；

或

提取所述被检物品的定量投影像：根据所述亮场投影像、暗场投影像和半亮场投影像的数学表达式之间的定量关系，求得被检物品的吸收衰减像、折射角像、散射角方差像或消光衰减像的定量表达式。

可选地，所述的建立光栅剪切成像方程步骤中所述的位移曲线S(θ_g)的数学表示式为：

$S\left({\mathrm{\θ}}_g\right)\≈\stackrel{\‾}{S}[1+V_0\cos \left(\frac{2\mathrm{\πD}}{p}{\mathrm{\θ}}_g\right)];$

其中为分析光栅相对分束光栅产生的一维光束阵列沿垂直于栅条的方向的剪切角位移，y_g为分析光栅相对分束光栅产生的一维光束阵列沿垂直于栅条方向的剪切位移，D为所述分束光栅和分析光栅之间的距离，p为所述位移曲线的周期，为无被检物品时位移曲线的平均值，为所述无被检物品时位移曲线的可见度，S_max和S_min分别为所述位移曲线的最大值和最小值。

可选地，所述物函数的表达式为：

或

其中仅在x方向作用的物函数为：

仅在y方向作用的物函数为：

其中，物函数用于在被检物品的散射中心对称的情况下，表达被检物品一点(x,y)对通过该点光线的作用；表示光束角度矢量，和分别为平行和垂直于扇形束扇面方向的分量；

在所述物函数中，吸收衰减像的数学表达式为：

exp(-M(x,y))，

其中，M(x，y)为线性吸收系数的投影路径积分，表达为：

其中μ(x，y,z)为所述线性吸收系数；

折射角像的数学表达式为：

$\stackrel{\→}{\mathrm{\θ}}(x,y)={\stackrel{\→}{e}}_x{\mathrm{\θ}}_x(x,y)+{\stackrel{\→}{e}}_y{\mathrm{\θ}}_y(x,y),$

其中，为x方向的单位矢量，为y方向的单位矢量，θ_x(x,y)为沿x方向的分量，平行于扇形光束扇面，也是被检物品折射率实部衰减率在x方向的偏导数的投影路径积分，表达为：

其中δ(x,y,z)为所述被检物品折射率实部衰减率，θ_y(x,y)为沿y方向的分量，垂直于扇形光束扇面，也是被检物品的折射率实部衰减率在y方向的偏导数的投影路径积分，表达为：

消光衰减像的数学表达式为：

exp(-Г(x,y))，

其中，Г(x，y)为线性消光系数的投影路径积分，表达为：

$\mathrm{\Γ}(x,y)=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\mathrm{\γ}(x,y,z)\mathrm{dz},$

其中γ(x,y,z)为所述线性消光系数；

所述散射角方差像的数学表达为：

σ²(x,y)，

所述散射角方差像是各微分薄层dz的散射角方差dσ²(x,y,z)的投影路径积分，表达为：

${\mathrm{\σ}}^2(x,y)=\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}d{\mathrm{\σ}}^2(x,y,z)=\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}\mathrm{\ω}(x,y,z)\mathrm{dz};$

其中ω(x,y,z)为线性散射系数，其与线性消光系数之间的关系为：

ω(x,y,z)＝ε(x,y,z)γ(x,y,z)，

其中ε(x,y,z)为扩散因子，若样品由散射性质相同的材料构成，ε(x,y,z)为常量，则下式成立：

σ²(x,y)＝ε·Г(x,y)。

可选地，光栅成像方程仅根据y轴方向作用的物函数和位移曲线的卷积获得，其表达式为：

$I(x,y,{\mathrm{\θ}}_g)=I_0{O}_y(x,y,{\mathrm{\θ}}_g)*S\left({\mathrm{\θ}}_g\right)$

$I_0\stackrel{\‾}{S}\exp (-M(x,y))[1+V(x,y)\cos \left(\frac{2\mathrm{\πD}}{p}({\mathrm{\θ}}_g-{\mathrm{\θ}}_y(x,y))\right)]$

其中I(x,y,θ_g)为被检物品上一点(x,y)在剪切角位移为θ_g时的光强，I₀为入射光光强，为无被检物品时位移曲线平均值，S_max和S_min分别为位移曲线的最大值和最小值，θ_y(x,y)表示折射角在y轴的分量，V(x,y)为有被检物品时位移曲线的可见度，又称被检物品的可见度像，其表达式为：

$V(x,y)$

$=V_0\{\exp (-\mathrm{\Γ}(x,y))+\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{2\mathrm{\πD}}{p}\mathrm{\σ}(x,y)\right)}^{\text{2}}]-\exp [-\mathrm{\Γ}(x,y)-\frac{1}{2}{\left(\frac{2\mathrm{\πD}}{p}\mathrm{\σ}(x,y)\right)}^2\left]\right\},$

为无被检物品时位移曲线的可见度，exp(-Г(x,y))为消光衰减像，σ²(x,y)为散射角方差像。

可选地，通过将分束光栅产生的一维光束阵列和分析光栅之间的剪切位移固定在亮场位置使所述探测器采集所述亮场像，即剪切位移y_g＝0，剪切角位移通过将分束光栅产生的一维光束阵列和分析光栅之间的剪切位移固定在上半亮场位置使所述探测器采集所述上半亮场像，即剪切位移剪切角位移通过将分束光栅产生的一维光束阵列和分析光栅之间的剪切位移固定在下半亮场位置使所述探测器采集所述下半亮场像，即剪切位移剪切角位移通过将分束光栅产生的一维光束阵列和分析光栅之间的剪切位移固定在暗场位置使所述探测器采集所述暗场像，即剪切位移剪切角位移

根据光栅剪切成像方程，所述亮场像的数学表达式为：

$I_{\mathrm{Bright}}(x,y)=I_0\stackrel{\‾}{S}\exp (-M(x,y))[1+V(x,y)\cos \left(\frac{2\mathrm{\πD}}{p}{\mathrm{\θ}}_y(x,y)\right)]$

所述上半亮场像的数学表达式为：

$I_{\mathrm{Up}}(x,y)=I_0\stackrel{\‾}{S}\exp (-M(x,y))[1+V(x,y)\sin \left(\frac{2\mathrm{\πD}}{p}{\mathrm{\θ}}_y(x,y)\right)];$

所述下半亮场像的数学表达式为：

$I_{\mathrm{Down}}(x,y)=I_0\stackrel{\‾}{S}\exp (-M(x,y))[1-V(x,y)\sin \left(\frac{2\mathrm{\πD}}{p}{\mathrm{\θ}}_y(x,y)\right)];$

所述暗场像的数学表达式为：

$I_{\mathrm{Dark}}(x,y)=I_0\stackrel{\‾}{S}\exp (-M(x,y))[1-V(x,y)\cos \left(\frac{2\mathrm{\πD}}{p}{\mathrm{\θ}}_y(x,y)\right)].$

可选地，忽略被检物品对光束的散射和折射，使得：

θ_y(x,y)≈0，V(x,y)≈V₀，

把亮场像或暗场像的数学表达式进行变形获得吸收衰减像的近似表达式（半定量表达式）具体为：

$\exp (-M(x,y))=\frac{I_{\mathrm{Bright}}(x,y)}{I_0(1+V_0)\stackrel{\‾}{S}},$ 或

$\exp (-M(x,y))=\frac{I_{\mathrm{Dark}}(x,y)}{I_0(1-V_0)\stackrel{\‾}{S}};$

忽略被检物品对光束的吸收和散射，使得：

M(x,y)≈0，V(x,y)≈V₀，

把上半亮场像或下半亮场像的数学表达式进行变形获得折射角像的近似表达式具体为：

或

${\mathrm{\θ}}_y(x,y)=\left(\frac{p}{2\mathrm{\πD}}\right)\arcsin \left(\frac{I_0\stackrel{\‾}{S}-I_{\mathrm{Down}}(x,y)}{I_0{V}_0\stackrel{\‾}{S}}\right);$

忽略被检物品对光束的吸收和折射，使得：

M(x,y)≈0，θ_x,y(x,y)≈0，

把亮场像或暗场像的数学表达式进行变形获得可见度像的近似表达式为：

$V(x,y)=\frac{I_{\mathrm{Bright}}(x,y)-I_0\stackrel{\‾}{S}}{I_0\stackrel{\‾}{S}},$ 或

$V(x,y)=\frac{I_0\stackrel{\‾}{S}-I_{\mathrm{Dark}}(x,y)}{I_0\stackrel{\‾}{S}};$

在弱散射条件下，散射角方差像和可见度像的关系为：

$V(x,y)=V_0\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{2\mathrm{\πD}}{p}\mathrm{\σ}(x,y)\right)}^{\text{2}}],$

散射角方差像的近似表达式具体为：

${\mathrm{\σ}}^2(x,y)=2{\left(\frac{p}{2\mathrm{\πD}}\right)}^2\ln \frac{V_0}{V(x,y)}=\ln \left(\frac{I_0{V}_0\stackrel{\‾}{S}}{I_{\mathrm{Bright}}(x,y)-I_0\stackrel{\‾}{S}}\right),$ 或

${\mathrm{\σ}}^2(x,y)=2{\left(\frac{p}{2\mathrm{\πD}}\right)}^2\ln \frac{V_0}{V(x,y)}=\ln \left(\frac{I_0{V}_0\stackrel{\‾}{S}}{I_0\stackrel{\‾}{S}-I_{\mathrm{Dark}}(x,y)}\right);$

在强散射条件下，消光衰减像和可见度像的关系为：

V(x,y)＝V₀exp[-Г(x,y)]，

消光衰减像的近似表达式为：

$\exp [-\mathrm{\Γ}(x,y)]=\frac{I_{\mathrm{Bright}}(x,y)-I_0\stackrel{\‾}{S}}{I_0{V}_0\stackrel{\‾}{S}},$ 或

$\exp [-\mathrm{\Γ}(x,y)]=\frac{I_0\stackrel{\‾}{S}-I_{\mathrm{Dark}}(x,y)}{I_0{V}_0\stackrel{\‾}{S}}.$

根据亮场像、上半亮场像、下半亮场像和暗场像的数学表达式，获得被检物品的吸收衰减像的精确表达式（定量表达式）具体为：

$\exp (-M(x,y))=\frac{I_{\mathrm{Bright}}(x,y)+I_{\mathrm{Dark}}(x,y)}{2I_0\stackrel{\‾}{S}},$ 或

$\exp (-M(x,y))=\frac{I_{\mathrm{Up}}(x,y)+I_{\mathrm{Down}}(x,y)}{2I_0\stackrel{\‾}{S}};$

根据亮场像、上半亮场像、下半亮场像和暗场像的数学表达式，被检物品的折射角像的精确表达式可从下列方程组获得：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_y(x,y)=\left(\frac{p}{2\mathrm{\πD}}\right)\arctan \left(\frac{I_{\mathrm{Up}}(x,y)-I_{\mathrm{Down}}(x,y)}{I_{\mathrm{Bright}}(x,y)-I_{\mathrm{Dark}}(x,y)}\right)\\ I_{\mathrm{Bright}}(x,y)+I_{\mathrm{Dark}}(x,y)=I_{\mathrm{Up}}(x,y)+I_{\mathrm{Down}}(x,y)\end{array}\right.;$

根据亮场像、上半亮场像、下半亮场像和暗场像的数学表达式，在弱散射条件下，被检物品的散射角方差像的精确表达式可从下列方程组获得：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}^2(x,y)=2{\left(\frac{p}{2\mathrm{\πD}}\right)}^2\ln \frac{V_0}{\sqrt{{\left(\frac{I_{\mathrm{Bright}}(x,y)-I_{\mathrm{Dark}}(x,y)}{I_{\mathrm{Bright}}(x,y)+I_{\mathrm{Dark}}(x,y)}\right)}^2+{\left(\frac{I_{\mathrm{Up}}(x,y)+I_{\mathrm{Down}}(x,y)}{I_{\mathrm{Up}}(x,y)+I_{\mathrm{Down}}(x,y)}\right)}^2}}\\ I_{\mathrm{Bright}}(x,y)+I_{\mathrm{Dark}}(x,y)=I_{\mathrm{Up}}(x,y)+I_{\mathrm{Down}}(x,y)\end{array}\right.;$

在强散射条件下，被检物品的消光衰减像的定量表达式可从下列方程组获得：

$\left\{\begin{array}{c}\exp (-\mathrm{\Γ}(x,y))=\frac{1}{V_0}\sqrt{{\left(\frac{I_{\mathrm{Bright}}(x,y)-I_{\mathrm{Dark}}(x,y)}{I_{\mathrm{Bright}}(x,y)+I_{\mathrm{Dark}}(x,y)}\right)}^2+{\left(\frac{I_{\mathrm{Up}}(x,y)-I_{\mathrm{Down}}(x,y)}{I_{\mathrm{Up}}(x,y)+I_{\mathrm{Down}}(x,y)}\right)}^2}\\ I_{\mathrm{Bright}}(x,y)+I_{\mathrm{Dark}}(x,y)=I_{\mathrm{Up}}(x,y)+I_{\mathrm{Down}}(x,y)\end{array}\right..$

本发明的基于光栅剪切成像的安检设备是基于X射线光束或中子光束的光栅剪切成像安检设备，其工作原理分二维半定量成像方法和二维定量成像方法。通过二维半定量成像方法，拍摄一幅图像，便可获得吸收衰减或者折射角或者散射角方差或消光衰减明显相关的图像；通过二维定量成像方法，至多拍摄三幅图像，便可从中解出被检物品的吸收衰减像、折射角像和散射角方差像或消光衰减像。

参见图1，本发明提供的安检设备的一种实施例是基于对准X射线光束或对准中子光束的、基于光栅剪切成像的安检设备，其包括依次排列安装的光源1、光源光栅2、具有狭缝的扇形光束产生装置3、分束光栅4、被检物品通道5、分析光栅阵列6和线阵探测器阵列7。光源光栅2紧贴光源1放置，被检物品通道4置于分束光栅3前或后，可尽量靠近分束光栅3放置，分析光栅5紧贴探测器6放置，探测器6由一维线阵或者二维面阵探测单元排列而成。各元件功能和结构叙述如下：

a)光源装置1：包括点光源或缝光源；或为扩展光源和光源光栅，或所述光源装置为具有光源光栅互补结构的栅条靶；上述各种光源可以是电子打靶产生的普通X射线光源、基于加速管的X射线光源、小型同步辐射光源或中子光源，用于产生照射后续光学元件的一维多缝光源；光源光栅2上的一维多缝和分析光栅6上的一维多缝之间是针孔成像关系，针孔是分束光栅4上任意一条缝，光源光栅2上的周期由分析光栅6的针孔像决定；光源光栅的栅条宽大于或等于缝宽，或栅条靶的栅条宽小于或等于缝宽。

b)具有狭缝的扇形光束产生装置3：用于在X射线光源产生的光束的照射下产生扇形光束，并照射分束光栅；

c)分束光栅4：为吸收光栅或相位光栅，用于在光源光栅2产生的所述一维多缝光源照射下，把来自每一条缝光源的光束进一步分割成一维光束阵列。分束光栅2的栅条宽等于缝宽；

d)被检物品通道5：用于传送被检物品；接受光束照射和探测器7的线扫描成像，为了增加探测角度信号的灵敏度，被检物品通道5应尽量靠近分束光栅4放置；

e)分析光栅阵列6：为吸收光栅，至少包括平行排列的三个分析光栅，分别用于产生不同的光强背景，并用于增强或者抑制被检物品的折射或散射信号。分析光栅6的周期和分束光栅4一维光束阵列相同，其光栅条宽等于缝宽。根据分析光栅6和一维光束阵列之间不同的剪切位移，将分析光栅分为三块，分别产生亮场背景、上半亮场背景、下半亮场背景和暗场背景中，任意三种不同光强背景，如图1和图6所示；

f)线阵探测器阵列7：为多个探测单元构成的一维线阵阵列，分为三块，分别置于三块分析光栅后面放置，并且一一对应，用于线扫描被检物品、探测光强空间位置变化、采集亮场像、上半亮场像、下半亮场像和暗场像中任意三种像，如图1和图6所示。

在光源光栅2、分束光栅4和分析光栅6是吸收光栅时，各光栅的栅条厚度为至少使透过各自的光强衰减到入射光强的10％所需的厚度；或在所述

分束光栅为相位光栅时，所述分束光栅栅条厚度需能够使透过光束获得π或π/2的相移。为了可以探测微弧度量级的角度，分束光栅4和分析光栅6之间的距离较大，约为0.2米到5米，使得对折射角和散射角信号的灵敏度高；分束光栅4和分析光栅6周期约2-1000微米。

探测器7探测到的亮场像、半亮场像、暗场像可发送到例如计算机等分析装置（图中未示出），分析装置可根据探测到的亮场像、半亮场像、暗场像提取光的折射角信号、散射角信号和/或吸收信号，以重建被检物品的影像。

本发明基于光栅剪切成像装置，根据成像物理过程推导出了光栅剪切成像方程。按照光束传播顺序，光栅剪切成像依次由三个简单的物理过程组成：（1）分束光栅4对入射光束进行分束，产生照射被检物品的一维光束阵列，（2）被检物品对一维光束阵列产生吸收、折射和散射作用，（3）分析光栅6选择合适位置，对经过被检物品作用的一维光束阵列进行滤波，探测器7采集被检物品吸收、折射和散射产生的光强信号。成像过程一般可以写成物函数和成像系统脉冲响应函数的卷积。因此，上述三个简单的物理过程可以重组为无被检物品过程和有被检物品过程。无被检物品过程反映的是成像系统的特性，通过它可以获得描述成像系统特性的脉冲响应函数；有被检物品过程描述被检物品经过成像系统作用的成像过程。要对光栅剪切成像进行数学描述，首先要建立物函数的数学模型，其次求出描述成像系统特性的脉冲响应函数，然后计算物函数和脉冲响应函数的卷积，完成对整个成像过程的数学描述。下面的推导步骤为：第一步，建立被检物品对X射线作用的数学模型，写出物函数的数学表达；第二步，推导分析光栅6对分束光栅4一维光束阵列滤波的数学表达，求出描述成像系统特性的脉冲响应函数；第三步，计算物函数和脉冲响应函数的卷积，推导出光栅剪切成像方程，根据光栅剪切成像方程求得探测器拍摄像的数学表达式，例如亮场像、上半亮场像、下半亮场像和暗场像的数学表达式，然后根据探测器拍摄像的数学表达式，可以获得被检物品的吸收衰减像、折射角像、散射角方差像或消光衰减像的近似或精确表达式，即可重建被检物品的影像。

第一步：建立物函数数学模型。在建立物函数数学模型之前，先对被检物品中一点进行定义。在二维成像中，被检物品所在物面上一点(x,y)，不是一个二维几何点，而是一个以(x,y)为中心的物面积元ΔxΔy，Δx和Δy的大小由光源尺寸和探测器分辨率决定；在三维成像中，被检物品体内一点(x,y,z)，不是一个三维几何点，而是一个以(x,y,z)为中心的物体积元ΔxΔyΔz，Δx、Δy和Δz的大小由光源尺寸和探测器分辨率决定。在此特别说明，下面提到的物点，其含义均为物面积元或物体积元。

被检物品对X射线产生吸收、折射和散射三种作用。吸收（包括非弹性散射）是一个X射线能量在被检物品中转化为热能的耗散过程，如图2所示，描述了被检物品对X射线光束吸收衰减作用图像。

根据图2，被检物品中一点(x,y)对通过该点光线的吸收可以表达为：

上式左边表示入射光束，右边表示出射光束，其中表示光束角度矢量，M（x，y）为线性吸收系数的投影路径积分；

$M(x,y)=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\mathrm{\μ}(x,y,z)\mathrm{dz},---\left(2\right)$

其中μ(x,y,z)为该线性吸收系数。式（1）的物理意义为，吸收引起光线强度衰减，但不改变光线方向。式（1）还可以表示为分量表达式：

折射是一个能量守恒的过程，如图3所示，描述了被检物品对X射线光束折射作用的图像。根据图3，被检物品中一点(x,y)对通过该点光线的折射可以表达为：

上式左边表示入射光束，右边表示出射光束，其中表示光束角度矢量，为折射角矢量，其数学表达为：

其中δ(x,y,z)为被检物品折射率实部衰减率。式（4）的物理意义为，折射改变光线方向，但不改变光线强度。式（4）还可以写为分量表达式：

散射（在此指面积元内部不均匀引起的小角散射）是一个能量守恒的过程，如图4所示，描述了被检物品对X射线光束散射作用的图像。

散射和折射的不同之处在于，折射把被检物品物面上一个面积元作为一个整体来研究，即把被检物品物面上一个面积元作为一个微小棱镜，而散射则研究这个面积元内部的不均匀性质，即相当于研究微小棱镜内部的气泡、颗粒、微孔、微晶和杂质等不均匀。因此，对于每个面积元，只有一条折射光线和一个折射角，却有多条散射光线和多个散射角。换言之，散射是一个光束分散的过程。散射的数学描述和打靶类似，每次散射偏离入射光束的角度是随机的，而多次散射累积以透射光束或者折射光束为中心服从二维正态统计分布，可以用方差来描述散射角分布范围。根据图4，一光束射入被检物品时，由于散射引起的光束分散，出射光线分为两部分，散射部分和未被散射部分，未被散射部分仍然沿着入射方向传播，而散射部分偏离入射方向传播。随着光线在被检物品中穿行，散射事件的不断发生，散射部分逐渐增强，而未被散射部分逐渐减弱，简称消光。需要特别说明的是，每条光线都可能遇到面积元内部多个小颗粒的散射，需要把第一次被小颗粒散射产生第一次偏离的散射光线和该散射光线继续被后续小颗粒散射产生进一步偏离的散射光线分别考虑，这是因为散射能量是由一次折射产生的一次偏离决定的，而以后的多次散射产生的多次偏离仅仅使散射能量分布范围更大，增加散射角方差，而对增加或减少散射能量几乎不起作用。简言之，小颗粒一次折射决定散射能量和未散射能量的比例，小颗粒多次折射决定散射角方差。因此，消光衰减和吸收衰减一样遵循比尔定律。设入射光线能量为1，则未被散射光线能量为exp(-Г(x,y))，散射光线能量为1-exp(-Г(x,y))。在被检物品散射中心对称的条件下，被检物品一点(x,y)对通过该点光线的散射可以表达为：

上式左边表示入射光束，右边表示出射光束，其中表示光束角度矢量，在式（7）右边第一项中

$\mathrm{\Γ}(x,y)=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\mathrm{\γ}(x,y,z)\mathrm{dz},---\left(8\right)$

其中γ(x,y,z)为被检物品的线性消光系数，第二项中σ²(x,y)为(x,y)点处被检物品整体厚度产生的散射角方差。式（7）还可以写为分量表达式：

因为被检物品整体厚度的散射角方差σ²(x,y)，是X射线经过路径上一系列Δz厚度的微分散射角方差Δσ²(x,y,z)之和，所以被检物品整体厚度的散射角方差可以表示为微分散射角方差的积分，即：

${\mathrm{\σ}}^2(x,y)=\underset{\mathrm{\Δ}{z}_i\→0}{\lim }\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\Δ\σ}}^2(x,y,z)$

$=\underset{\mathrm{\Δ}{z}_i\→0}{\lim }\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\ω}(x,y,z)\mathrm{\Δ}{z}_i=\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}\mathrm{\ω}(x,y,z)\mathrm{dz},---\left(10\right)$

其中ω(x,y,z)为线性散射系数。为了建立线性散射系数和线性消光系数之间的关系，把（10）式与（8）式进行比较，可得：

ω(x,y,z)＝ε(x,y,z)γ(x,y,z)，(11)

其中ε(x,y,z)为扩散因子。若样品是由散射性质相同的材料构成时，扩散因子ε(x,y,z)就是常量，则下式成立：

σ(x,y)＝ε·Г(x,y)。(12)

此时就可以从一种信号获得另一种信号。换言之，若样品是由散射性质相同的材料构成时，则两个几何意义不同的散射信号可以归结为一个信号。

综合考虑上述三种作用，在被检物品散射中心对称的条件下，被检物品中一点(x,y)对通过该点光束的作用可以用物函数表达，

其分量表达式为：

根据式（14），可知仅在x方向起作用的物函数为：

；(15)

仅在y方向起作用的物函数为：

根据式（13），可知出射X射线携带了四种被检物品信号：M(x,y)、Г(x,y)和σ²(x,y)，即线性吸收系数投影积分、折射角矢量、线性消光系数投影积分和散射角方差。

第二步：推导分析光栅6对分束光栅4一维光束阵列滤波作用的数学表达。因为分析光栅6和分束光栅4一维光束阵列都是一维周期函数，具有几乎相同的函数分布，分析光栅6相对分束光栅4一维光束阵列的剪切位移可以调整两者之间的相关性，所以分析光栅6对分束光栅4一维光束阵列的滤波作用在数学上是互相关运算。在图1描绘的基于光栅剪切成像的安检设备中，光栅条与x轴平行，当沿y轴方向移动光源光栅1或者栅条靶或者分束光栅4或者分析光栅6时，都会引起分束光栅4产生的一维光束阵列和分析光栅6之间发生剪切位移，探测器7的每个像素都可以测到光强随剪切位移而变化的位移曲线。图5为分束光栅4产生的一维光束阵列和分析光栅6之间沿y轴方向进行剪切位移时的位移曲线；因为位移曲线形状类似余弦曲线，为了简化提取折射和散射信息的数学表达，所以用余弦曲线拟合位移曲线，其表达式为：

$S\left({\mathrm{\θ}}_g\right)\≈\stackrel{\‾}{S}[1+V_0\cos \left(\frac{2\mathrm{\πD}}{p}{\mathrm{\θ}}_g\right)],---\left(17\right)$

其中为分析光栅6相对分束光栅4沿y轴方向的剪切角位移，y_g为分析光栅6相对分束光栅4沿y轴方向的剪切位移，D为分束光栅4和分析光栅6之间在光束传播方向上的距离，p为分析光栅的周期，也是拟合余弦曲线的周期，为无被检物品时位移曲线平均值（图5中b、c的值），S_max（图5中a的值），和S_min（图5中d的值），分别为位移曲线的最大值和最小值，为无被检物品时位移曲线的可见度。位移曲线上a、对应亮场，b和c分别对应下半亮场和上半亮场，d对应暗场。亮场代表分束光栅4产生的一维光束阵列几乎全部通过分析光栅6，暗场代表分束光栅4产生的一维光束阵列几乎被分析光栅6阻挡，上半亮场代表分束光栅4产生的一维光束阵列中，各微光束上面一半通过分析光栅6，下半亮场代表分束光栅4产生的一维光束阵列中，各微光束下面一半通过分析光栅6。

第三步：推导光栅剪切成像方程。前面已经讨论清楚，当被检物品送入靠近分束光栅4背面后，探测器7在分析光栅6后面测得的光强分布是物函数和位移曲线的卷积。光栅剪切成像方程可从y轴方向作用的物函数O_y(x,y,θ_g)和位移曲线S(θ_g)的卷积推导而出：

$I(x,y,{\mathrm{\θ}}_g)=I_0{O}_y(x,y,{\mathrm{\θ}}_g)*S\left({\mathrm{\θ}}_g\right)=\exp (-M(x,y)).$

$\{\exp (-\mathrm{\Γ}(x,y))\mathrm{\δ}({\mathrm{\θ}}_g-{\mathrm{\θ}}_y(x,y))+[1-\exp (-\mathrm{\Γ}(x,y))\left]\frac{\exp [-\frac{{({\mathrm{\θ}}_g-{\mathrm{\θ}}_y(x,y))}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2(x,y)}]}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}(x,y)}\right\},---\left(18\right)$

$*\stackrel{\‾}{S}[1+V_0\cos \left(\frac{2\mathrm{\πD}}{p}{\mathrm{\θ}}_g\right)]$

${=I}_0\stackrel{\‾}{S}\exp (-M(x,y))[1+V(x,y)\cos \left(\frac{2\mathrm{\πD}}{p}({\mathrm{\θ}}_g-{\mathrm{\θ}}_y(x,y))\right)]$

其中，I₀为光束到达分束光栅4前的光强，V(x，y)为位移曲线的可见度像，其表达式为

$V(x,y)=V_0\·$

$\left\{\begin{array}{c}\exp (-\mathrm{\Γ}(x,y))+\\ \exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{2\mathrm{\πD}}{p}\mathrm{\σ}(x,y)\right)}^2{]}^{-\exp [-\mathrm{\Γ}(x,y)-\frac{1}{2}{\left(\frac{2\mathrm{\πD}}{p}\mathrm{\σ}(x,y)\right)}^2]\}}\end{array}.---\left(19\right)\right.$

把分束光栅4产生的一维光束阵列和分析光栅6之间的剪切位移固定在亮场位置，即剪切位移和角位移分别都为零，

y_g＝0， ${\mathrm{\θ}}_g=\frac{y_g}{D}=0,$

探测器可以拍摄到亮场像，根据式（18），其表达式为：

$I_{\mathrm{Bright}}(x,y)=I_0\stackrel{\‾}{S}\exp (-M(x,y))[1+V(x,y)\cos \left(\frac{2\mathrm{\πD}}{p}{\mathrm{\θ}}_y(x,y)\right)];---\left(20\right)$

把分束光栅4产生的一维光束阵列和分析光栅6之间的剪切位移固定在上半亮场位置（图5中c的位置），即剪切位移和角位移分别为：

$y_g=\frac{p}{4},$ ${\mathrm{\θ}}_g=\frac{y_g}{D}=\frac{p}{4D},$

探测器可以拍摄到上半亮场像，根据式（18），其表达式为：

$I_{\mathrm{Up}}(x,y)=I_0\stackrel{\‾}{S}\exp (-M(x,y))[1+V(x,y)\sin \left(\frac{2\mathrm{\πD}}{p}{\mathrm{\θ}}_y(x,y)\right)];---\left(21\right)$

把分束光栅4产生的一维光束阵列和分析光栅6之间的剪切位移固定在下半亮场位置（图5中c的位置），即剪切位移和角位移分别为：

$y_g=-\frac{p}{4},$ ${\mathrm{\θ}}_g=\frac{y_g}{D}=-\frac{p}{4D},$

探测器可以拍摄到下半亮场像，根据式（18），其表达式为：

$I_{\mathrm{Down}}(x,y)=I_0\stackrel{\‾}{S}\exp (-M(x,y))[1-V(x,y)\sin \left(\frac{2\mathrm{\πD}}{p}{\mathrm{\θ}}_y(x,y)\right)];---\left(22\right)$

把分束光栅4产生的一维光束阵列和分析光栅6之间的剪切位移固定在暗场位置，即剪切位移和角位移分别为：

$y_g=\±\frac{p}{2},$ ${\mathrm{\θ}}_g=\frac{y_g}{D}=\±\frac{p}{2D},$

探测器可以拍摄到暗场像，根据式（18），其表达式为：

$I_{\mathrm{Dark}}(x,y)=I_0\stackrel{\‾}{S}\exp (-M(x,y))[1-V(x,y)\cos \left(\frac{2\mathrm{\πD}}{p}{\mathrm{\θ}}_y(x,y)\right)].---\left(23\right)$

本发明根据被检物品对X射线的吸收、折射和散射三种相互作用，定义了三种具有明显物理特征的像，分别为吸收衰减像exp(-M(x,y))、折射角像θ_y(x,y)、散射角方差像σ²(x,y)或消光衰减像exp(-Г(x,y))。本发明根据亮场像、暗场像和半亮场像的特点，提出了获得被检物品吸收衰减像、折射角像和散射角方差像或消光衰减像的方法。这些方法分半定量表达方法和定量表达方法。半定量表达方法只须将单幅像的数学表达式进行适当变形，就可获得吸收衰减像、折射角像和散射角方差像或消光衰减像的近似数学表达式，具有辐射剂量低、获取图像迅速的特点。定量表达方法须从三个不同像的数学表达式中分离提取出精确数学表达式，具有描述精确定量的特点。下面先推导半定量表达方法，再推导定量表达方法。

在忽略被检物品折射和散射的条件下，有：

θ_y(x,y)≈0，V(x,y)≈V₀，

根据亮场像式（20），半定量表达吸收衰减像的方法如下：

$\exp (-M(x,y))=\frac{I_{\mathrm{Bright}}(x,y)}{I_0(1+V_0)\stackrel{\‾}{S}},---\left(24\right)$

或根据暗场像式（23），半定量表达吸收衰减像的方法如下：

$\exp (-M(x,y))=\frac{I_{\mathrm{Dark}}(x,y)}{I_0(1-V_0)\stackrel{\‾}{S}},---\left(25\right)$

在忽略被检物品吸收和散射的条件下，有：

M(x,y)≈0，V(x,y)≈V₀，

根据上半亮场像式（21），半定量表达折射角像的方法如下：

${\mathrm{\θ}}_y(x,y)=\left(\frac{p}{2\mathrm{\πD}}\right)\arcsin \left(\frac{{I_{\mathrm{Up}}(x,y)-I}_0\stackrel{\‾}{S}}{I_0{V}_0\stackrel{\‾}{S}}\right),---\left(26\right)$

或根据下半亮场像式（21），半定量表达折射角像的方法如下：

${\mathrm{\θ}}_y(x,y)=\left(\frac{p}{2\mathrm{\πD}}\right)\arcsin \left(\frac{I_0\stackrel{\‾}{S}-I_{\mathrm{Down}}(x,y)}{I_0{V}_0\stackrel{\‾}{S}}\right);---\left(27\right)$

在忽略被检物品吸收和折射的条件下，有：

M(x,y)≈0，θ_x,y(x,y)≈0，

根据亮场像式（20），半定量表达可见度像的方法为：

$V(x,y)=\frac{I_0\stackrel{\‾}{S}-I_{\mathrm{Dark}}(x,y)}{I_0\stackrel{\‾}{S}},---\left(28\right)$

或根据暗场像式（23），半定量表达可见度像的方法为：

$V(x,y)=\frac{I_{\mathrm{Bright}}(x,y)-I_0\stackrel{\‾}{S}}{I_0\stackrel{\‾}{S}};---\left(29\right)$

在弱散射条件下，散射角方差像和可见度像的关系为：

$V(x,y)=V_0\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{2\mathrm{\πD}}{p}\mathrm{\σ}(x,y)\right)}^{\text{2}}],---\left(30\right)$

根据式（28）和式（30），半定量表达散射角方差像的方法为：

${\mathrm{\σ}}^2(x,y)=2{\left(\frac{p}{2\mathrm{\πD}}\right)}^2\ln \frac{V_0}{V(x,y)}=2{\left(\frac{p}{2\mathrm{\πD}}\right)}^2\ln \left(\frac{I_0{V}_0\stackrel{\‾}{S}}{I_0\stackrel{\‾}{S}-I_{\mathrm{Dark}}(x,y)}\right),---\left(31\right)$

或根据式（29）和式（30），半定量表达散射角方差像的方法为：

${\mathrm{\σ}}^2(x,y)=2{\left(\frac{p}{2\mathrm{\πD}}\right)}^2\ln \frac{V_0}{V(x,y)}=2{\left(\frac{p}{2\mathrm{\πD}}\right)}^2\ln \left(\frac{I_0{V}_0\stackrel{\‾}{S}}{I_{\mathrm{Bright}}(x,y)-I_0\stackrel{\‾}{S}}\right);---\left(32\right)$

在强散射条件下，消光衰减像和可见度像的关系为：

$\exp [-\mathrm{\Γ}(x,y)]=\frac{V(x,y)}{V_0},---\left(33\right)$

根据式（28）和式（33），半定量表达消光衰减像的方法为：

$\exp [-\mathrm{\Γ}(x,y)]=\frac{I_0\stackrel{\‾}{S}-I_{\mathrm{Dark}}(x,y)}{I_0{V}_0\stackrel{\‾}{S}},---\left(34\right)$

或根据式（29）和式（33），半定量表达消光衰减像的方法为：

$\exp [-\mathrm{\Γ}(x,y)]=\frac{I_{\mathrm{Bright}}(x,y)-I_0\stackrel{\‾}{S}}{I_0{V}_0\stackrel{\‾}{S}}.---\left(35\right)$

定量表达被检物品吸收衰减像的方法为：用亮场像式（20）加暗场像式（23），得：

$\exp (-M(x,y))=\frac{I_{\mathrm{Bright}}(x,y)+I_{\mathrm{Dark}}(x,y)}{2I_0\stackrel{\‾}{S}};---\left(36\right)$

或用上半亮场像式（21）加下半亮场像式（22），得：

$\exp (-M(x,y))=\frac{I_{\mathrm{Up}}(x,y)+I_{\mathrm{Down}}(x,y)}{2I_0\stackrel{\‾}{S}};---\left(37\right)$

定量表达被检物品折射角像的方法为：根据亮场像式（20）、上半亮场像式（21）、下半亮场像式（22）和暗场像式（23），折射角像的定量表达式可从下列方程组获得：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_y(x,y)=\left(\frac{p}{2\mathrm{\πD}}\right)\arctan \left(\frac{I_{\mathrm{Up}}(x,y)-I_{\mathrm{Down}}(x,y)}{I_{\mathrm{Bright}}(x,y)-I_{\mathrm{Dark}}(x,y)}\right)\\ I_{\mathrm{Bright}}(x,y)+I_{\mathrm{Dark}}(x,y)=I_{\mathrm{Up}}(x,y)+I_{\mathrm{Down}}(x,y)\end{array}\right.;---\left(38\right)$

在弱散射条件下，定量表达被检物品的散射角方差像的方法为：根据亮场像式（20）、上半亮场像式（21）、下半亮场像式（22）和暗场像式（23），散射角方差像的定量表达式可从下列方程组获得：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}^2(x,y)=2{\left(\frac{p}{2\mathrm{\πD}}\right)}^2\ln \frac{V_0}{\sqrt{{\left(\frac{I_{\mathrm{Bright}}(x,y)-I_{\mathrm{Dark}}(x,y)}{I_{\mathrm{Bright}}(x,y)+I_{\mathrm{Dark}}(x,y)}\right)}^2+{\left(\frac{I_{\mathrm{Up}}(x,y)+I_{\mathrm{Down}}(x,y)}{I_{\mathrm{Up}}(x,y)+I_{\mathrm{Down}}(x,y)}\right)}^2}}\\ I_{\mathrm{Bright}}(x,y)+I_{\mathrm{Dark}}(x,y)=I_{\mathrm{Up}}(x,y)+I_{\mathrm{Down}}(x,y)\end{array}\right.;---\left(39\right)$

在强散射条件下，定量表达被检物品消光衰减像的方法为：根据亮场像式（20）、上半亮场像式（21）、下半亮场像式（22）和暗场像式（23），消光衰减像的定量表达式可从下列方程组获得：

$\left\{\begin{array}{c}\exp (-\mathrm{\Γ}(x,y))=\frac{1}{V_0}\sqrt{{\left(\frac{I_{\mathrm{Bright}}(x,y)-I_{\mathrm{Dark}}(x,y)}{I_{\mathrm{Bright}}(x,y)+I_{\mathrm{Dark}}(x,y)}\right)}^2+{\left(\frac{I_{\mathrm{Up}}(x,y)-I_{\mathrm{Down}}(x,y)}{I_{\mathrm{Up}}(x,y)+I_{\mathrm{Down}}(x,y)}\right)}^2}\\ I_{\mathrm{Bright}}(x,y)+I_{\mathrm{Dark}}(x,y)=I_{\mathrm{Up}}(x,y)+I_{\mathrm{Down}}(x,y)\end{array}\right..---\left(40\right)$

本发明的设备和方法中，z轴方向为扇形光束中心光线传播方向，x轴方向为平行于扇形光束扇面方向，y轴方向为垂直于扇形光束扇面方向，参见图1。

本发明基于静态光栅提取相位信息和散射信息的成像理论和方法，利用光源光栅产生多缝光源，利用分束光栅产生一维光束阵列、利用分析光栅对分束光栅产生的一维光束阵列进行剪切位移，可产生光强背景，如亮场背景、暗场背景、上半亮场背景和下半亮场背景，探测器可拍摄被检测物品的亮场像、暗场像、上半亮场像和下半亮场像，只需拍摄一幅像，就能获得被检物品的半定量投影像，只需拍摄光强背景不同的三幅像，就可实现备件物品的定量投影像，采用线阵探测器阵列并行拍摄光强背景不同的三幅像，可实现可同时提取射线穿过被检物品的吸收、折射和散射三种特征，在目前主流的线扫描安检设备上进行技术革新，将过去只能提取吸收一种特征的安检技术，改进为可以同时提取射线穿过被检物品的吸收、折射和散射三种特征的安检技术，为安全检查提供全新的技术手段。而本发明提取的折射和散射信息对炸药等有机物相对敏感，因此可提升这类物品的探测效率，本发明提出的技术不仅适用于线扫描设备，而且具有推广到双能量、多视角以及CT等安检设备中的潜力。

在本发明的系统和方法中，显然，各部件或各步骤是可以分解、组合和/或分解后重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本发明的等效方案。同时，在上面对本发明具体实施例的描述中，针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本发明的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims (15)

1.一种基于光栅剪切成像的安检设备，其特征在于，包括：

用于产生多缝X射线光源的光源装置，每条缝光源都产生X射线光束；

具有狭缝的扇形光束产生装置，用于在X射线光源产生的光束的照射下产生扇形光束，并照射分束光栅；

用于传送被检物品的通道；

设于所述通道一侧的分束光栅，用于将所述扇形光束沿垂直于扇面的方向，分束为一维光束阵列；

设于所述分束光栅后面的分析光栅阵列，至少包括平行排列的三个分析光栅，分别用于产生不同的光强背景，增强或抑制被检物品的折射信号或散射信号；

线阵探测器阵列，至少包括平行排列的三个线阵探测器，所述线阵探测器贴近所述的分析光栅放置，并且一一对应，所述线阵探测器用于探测光强的背景和空间位置的变化，在不同光强背景下采集被检物品的投影像。

2.根据权利要求1所述的基于光栅剪切成像的安检设备，其特征在于，所述光源装置包括缝光源；或所述光源装置包括扩展光源和光源光栅，或所述光源装置为具有光源光栅互补结构的栅条靶；所述光源光栅用于将所述扩展光源分割成一维多缝光源，或所述栅条靶直接产生一维多缝光源。

3.根据权利要求2所述的基于光栅剪切成像的安检设备，其特征在于，所述X射线光束为能量为100keV以上的韧致辐射X射线。

4.根据权利要求1所述的基于光栅剪切成像的安检设备，其特征在于，所述分束光栅紧邻所述通道设置，位于靠近所述光源装置的一侧或靠近所述分析光栅的一侧。

5.根据权利要求2所述的基于光栅剪切成像的安检设备，其特征在于，

所述光源光栅贴近所述光源放置；所述光源光栅的栅条宽大于或等于缝宽，或所述栅条靶的栅条宽度小于或等于缝宽；

所述产生扇形光束的狭缝宽度可调；和/或所述扇形光束产生装置为具有狭缝的板结构，所述板结构的厚度为至少使透过光强衰减到入射光强的1％所需的厚度；

所述光源光栅、所述分束光栅和所述分析光栅均为吸收光栅或所述分束光栅为相位光栅，所述光源光栅和所述分析光栅为吸收光栅；和/或，

所述光源光栅或所述栅条靶的周期与所述分析光栅的周期形成针孔成像关系，针孔是分束光栅上的任意一条缝；和/或，

所述分束光栅和分析光栅之间的距离为0.2～5米；和/或，

所述分束光栅的周期为2～1000微米；和/或，

所述分束光栅的栅条宽和缝宽相等；和/或，

所述分析光栅的周期等于所述点光源、扩展光源或栅条靶的中心光线对所述分束光栅周期的几何投影或几何投影的二分之一；和/或，

所述分析光栅的栅条宽和缝宽相等；和/或，

所述三个线阵探测器贴近所述三个分析光栅放置，并且一一对应；和/或，

各所述线阵探测器包括多个探测单元构成的多个独立并行探测的一维线阵；

所述栅条靶为将靶光源与光源光栅集成为一体设置的结构。

6.根据权利要求2所述的基于光栅剪切成像的安检设备，其特征在于，在所述光源光栅或分束光栅或所述分析光栅为吸收光栅时，各光栅的栅条厚度为至少使透过各自的光强衰减到入射光强的10％所需的厚度；或在所述分束光栅为相位光栅时，所述分束光栅栅条厚度为能够使透过光束获得π或π/2的相移的厚度。

7.一种基于光栅剪切成像的安检方法，其特征在于，包括：

调整光源装置，使所述光源装置产生一维多缝光源；

调整具有狭缝的扇形光束产生装置：使所述狭缝产生的扇形光束照射分束光栅；

调整分束光栅，使分束光栅平面垂直于所述光束中心传播方向，使分束光栅栅条平行于扇形光束扇面，并将所述扇形光束沿垂直于扇面的方向分束为一维周期性光束阵列；

调整分析光栅阵列，使所述分析光栅阵列对准所述分束光栅产生的一维光束阵列；

测量位移曲线：在无被检物品时，通过探测器任一探测单元探测背景光强的变化，在垂直光束中心传播方向的平面内沿着垂直于栅条的方向移动所述光源光栅或分束光栅或分析光栅，调整分析光栅和分束光栅产生的一维光束阵列之间的剪切位移，探测器测得背景光强随剪切位移变化的位移曲线；

线阵探测器阵列采集被检物品的投影像：把分析光栅阵列和所述分束光栅产生的一维光束阵列之间的剪切位移调整在线阵探测器阵列探测到的光强背景满足成像要求的采集位置，将被检物品放入通道，在被检物品行进中，扇形光束扫描被检物品，线阵探测器阵列采集所述被检物品在所述光强背景下的投影像。

8.根据权利要求7所述的基于光栅剪切成像的安检方法，其特征在于：

所述光强背景包括：亮场背景、暗场背景和/或半亮场背景；所述半亮场背景包括上半亮场背景和/或下半亮场背景；

所述采集投影像包括：所述被检物品在所述亮场背景下的亮场投影像、在所述暗场背景下的暗场投影像、和/或在所述半亮场背景下的半亮场投影像；所述半亮场投影像包括：上半亮场投影像和/或下半亮场投影像。

9.根据权利要求8所述的基于光栅剪切成像的安检方法，其特征在于，在线阵探测器阵列采集投影像之后还包括从所述采集的投影像中提取所述被检物品的半定量或定量描述信息的步骤，具体包括：

建立光栅剪切成像方程：用余弦函数曲线拟合测得的位移曲线，建立物函数数学模型、根据物函数和拟合位移曲线的卷积运算，建立光栅剪切成像方程；

求得所述采集投影数据的数学表达式：根据光栅剪切成像方程分别求得所述亮场投影像、暗场投影像和半亮场投影像的数学表达式；

提取被检物品的半定量投影像：分别把所述亮场投影像、暗场投影像和半亮场投影像的数学表达式进行变形，求得被检物品的吸收衰减像、折射角像、散射角方差像或消光衰减像的半定量表达式；

或

提取所述被检物品的定量投影像：根据所述亮场投影像、暗场投影像和半亮场投影像的数学表达式之间的定量关系，求得被检物品的吸收衰减像、折射角像、散射角方差像或消光衰减像的定量表达式。

10.根据权利要求9所述的基于光栅剪切成像的安检方法，其特征在于：所述的建立光栅剪切成像方程步骤中所述的位移曲线S(θ_g)的数学表示式为：

$S\left({\mathrm{\θ}}_g\right)\≈\stackrel{\‾}{S}\[1+V_{0}cos\left(\frac{2\mathrm{\π}D}{p}{\mathrm{\θ}}_g\right)\];$

其中为分析光栅相对分束光栅产生的一维光束阵列沿垂直于栅条的方向的剪切角位移，y_g为分析光栅相对分束光栅产生的一维光束阵列沿垂直于栅条方向的剪切位移，D为所述分束光栅和分析光栅之间的距离，p为所述位移曲线的周期，为无被检物品时位移曲线的平均值，为所述无被检物品时位移曲线的可见度，S_max和S_min分别为所述位移曲线的最大值和最小值。

11.根据权利要求9所述的基于光栅剪切成像的安检方法，其特征在于：所述物函数的表达式为：

或

其中仅在x方向作用的物函数为：

仅在y方向作用的物函数为：

其中，物函数用于在被检物品的散射中心对称的情况下，表达被检物品一点(x,y)对通过该点光线的作用；表示光束角度矢量，和分别为平行和垂直于扇形束扇面的分量；

在所述物函数中，吸收衰减像的数学表达式为：

exp(-Μ(x,y))，

其中，Μ(x,y)为线性吸收系数的投影路径积分，表达为：

其中μ(x,y,z)为所述线性吸收系数；

折射角像的数学表达式为：

$\stackrel{\→}{\mathrm{\θ}}(x,y)={\stackrel{\→}{e}}_x{\mathrm{\θ}}_x(x,y)+{\stackrel{\→}{e}}_y{\mathrm{\θ}}_y(x,y),$

其中，为x方向的单位矢量，为y方向的单位矢量，θ_x(x,y)为沿x方向的分量，平行于扇形光束扇面，也是被检物品折射率实部衰减率在x方向的偏导数的投影路径积分，表达为：

${\mathrm{\θ}}_x(x,y)=-\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}\frac{\∂\mathrm{\δ}(x,y,z)}{\∂x}dz,$

其中δ(x,y,z)为所述被检物品折射率实部衰减率，θ_y(x,y)为沿y方向的分量，垂直于扇形光束扇面，也是被检物品的折射率实部衰减率在y方向的偏导数的投影路径积分，表达为：

${\mathrm{\θ}}_y(x,y)=-\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}\frac{\∂\mathrm{\δ}(x,y,z)}{\∂y}dz;$

消光衰减像的数学表达式为：

exp(-Γ(x,y))，

其中，Γ(x,y)为线性消光系数的投影路径积分，表达为：

$\mathrm{\Γ}(x,y)=\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}\mathrm{\γ}(x,y,z)dz,$

其中γ(x,y,z)为所述线性消光系数；

所述散射角方差像的数学表达为：

σ²(x,y)，

所述散射角方差像是各微分薄层dz的散射角方差dσ²(x,y,z)的投影路径积分，表达为：

${\mathrm{\σ}}^2(x,y)=\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\∫}}{\mathrm{d\σ}}^2(x,y,z)=\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\∫}}\mathrm{\ω}(x,y,z)dz;$

其中ω(x,y,z)为线性散射系数，其与线性消光系数之间的关系为：

ω(x,y,z)＝ε(x,y,z)γ(x,y,z)_，

其中ε(x,y,z)为扩散因子，若样品由散射性质相同的材料构成，ε(x,y,z)为常量，则下式成立：

σ²(x,y)＝ε·Γ(x,y)。

12.根据权利要求9所述的基于光栅剪切成像的安检方法，其特征在于：所述光栅成像方程为：

$\begin{array}{c}I\left(x,y,{\mathrm{\θ}}_g\right)=I_0{O}_y\left(x,y,{\mathrm{\θ}}_g\right)*S\left({\mathrm{\θ}}_g\right)\\ =I_0\stackrel{\‾}{S}\exp \left(-M\left(x,y\right)\right)\[1+V\left(x,y\right)\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}D}{p}\left({\mathrm{\θ}}_g-{\mathrm{\θ}}_y\left(x,y\right)\right)\right)\]\end{array}$

其中I(x,y,θ_g)为被检物品上一点(x,y)在剪切角位移为θ_g时的光强，I₀为入射光光强，为无被检物品时位移曲线的平均值，S_max和S_min分别为位移曲线的最大值和最小值，θ_y(x,y)表示折射角在y轴的分量，V(x,y)为有被检物品时位移曲线的可见度，又称被检物品的可见度像，其表达式为：

$\begin{array}{c}V\left(x,y\right)=\\ V_0\left\{\exp \left(-\mathrm{\Γ}\left(x,y\right)\right)+\exp \[-\frac{1}{2}{\left(\frac{2\mathrm{\π}D}{p}\mathrm{\σ}\left(x,y\right)\right)}^2\]-\exp \[-\mathrm{\Γ}\left(x,y\right)-\frac{1}{2}{\left(\frac{2\mathrm{\π}D}{p}\mathrm{\σ}\left(x,y\right)\right)}^2\]\right\}\end{array},$

为无被检物品时位移曲线的可见度，exp(-Γ(x,y))为消光衰减像，σ²(x,y)为散射角方差像。

13.根据权利要求12所述的基于光栅剪切成像的安检方法，其特征在于：

对应所述亮场背景的剪切角位移所述亮场像的表达式为：

$I_{Bright}(x,y)=I_0\stackrel{\‾}{S}\exp (-M(x,y))\[1+V(x,y)cos\left(\frac{2\mathrm{\π}D}{p}{\mathrm{\θ}}_y(x,y)\right)\];$

对应所述暗场背景的剪切角位移所述暗场像的表达式为：

$I_{Dark}(x,y)=I_0\stackrel{\‾}{S}\exp (-M(x,y))\[1-V(x,y)cos\left(\frac{2\mathrm{\π}D}{p}{\mathrm{\θ}}_y(x,y)\right)\];$

对应上半亮场背景的剪切角位移上半亮场像的表达式为：

$I_{Up}\left(x,y\right)=I_0\stackrel{\‾}{S}\exp \left(-M\left(x,y\right)\right)\[1+V\left(x,y\right)\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}D}{p}{\mathrm{\θ}}_y\left(x,y\right)\right)\];$

对应下半亮场背景的剪切角位移下半亮场像的表达式为：

$I_{Down}\left(x,y\right)=I_0\stackrel{\‾}{S}\exp \left(-M\left(x,y\right)\right)\[1-V\left(x,y\right)\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}D}{p}{\mathrm{\θ}}_y\left(x,y\right)\right)\].$

14.根据权利要求9所述的基于光栅剪切成像的安检方法，其特征在于：所述“分别把所述亮场投影像、暗场投影像和半亮场投影像的数学表达式进行变形，求得被检物品的吸收衰减像、折射角像、散射角方差像或消光衰减像的半定量表达式”步骤中，

在忽略被检物品对光束的散射和折射的条件下，θ_y(x,y)≈0，V(x,y)≈V₀，

所述吸收衰减像的半定量表达式为：

$\exp (-M(x,y))=\frac{I_{Bright}(x,y)}{I_0(1+V_0)\stackrel{\‾}{S}},$ 或

$\exp (-M(x,y))=\frac{I_{Dark}(x,y)}{I_0(1-V_0)\stackrel{\‾}{S}};$

在忽略被检物品对光束的吸收和散射的条件下，

Μ(x,y)≈0，V(x,y)≈V₀，

所述折射角像的半定量表达式为：

或

${\mathrm{\θ}}_y(x,y)=\left(\frac{p}{2\mathrm{\π}D}\right)\arcsin \left(\frac{I_0\stackrel{\‾}{S}-I_{Down}\left(x,y\right)}{I_0{V}_0\stackrel{\‾}{S}}\right);$

在忽略被检物品对光束的吸收和折射的条件下，

Μ(x,y)≈0，θ_y(x,y)≈0，

所述可见度像的半定量表达式为：

$V(x,y)=\frac{I_0\stackrel{\‾}{S}-I_{Dark}\left(x,y\right)}{I_0\stackrel{\‾}{S}},$ 或

$V(x,y)=\frac{I_{Bright}\left(x,y\right)-I_0\stackrel{\‾}{S}}{I_0\stackrel{\‾}{S}};$

在弱散射条件下，散射角方差像和可见度像的关系为：

$V(x,y)=V_0\exp \[-\frac{1}{2}{\left(\frac{2\mathrm{\π}D}{p}\mathrm{\σ}(x,y)\right)}^2\],$

得散射角方差像的半定量表达式为：

${\mathrm{\σ}}^2(x,y)=2{\left(\frac{p}{2\mathrm{\π}D}\right)}^{2}ln\frac{V_0}{V(x,y)}=2{\left(\frac{p}{2\mathrm{\π}D}\right)}^{2}ln\left(\frac{I_0{V}_0\stackrel{\‾}{S}}{I_{Bright}(x,y)-I_0\stackrel{\‾}{S}}\right),$ 或

${\mathrm{\σ}}^2(x,y)=2{\left(\frac{p}{2\mathrm{\π}D}\right)}^{2}ln\frac{V_0}{V(x,y)}=2{\left(\frac{p}{2\mathrm{\π}D}\right)}^{2}ln\left(\frac{I_0{V}_0\stackrel{\‾}{S}}{I_0\stackrel{\‾}{S}-I_{Dark}(x,y)}\right);$

在强散射条件下，消光衰减像和可见度像的关系为：

V(x,y)＝V₀exp[-Γ(x,y)]，

得消光衰减像的半定量表达式为：

$\exp \[-\mathrm{\Γ}(x,y)\]=\frac{I_{Bright}\left(x,y\right)-I_0\stackrel{\‾}{S}}{I_0{V}_0\stackrel{\‾}{S}},$ 或

$\exp \[-\mathrm{\Γ}(x,y)\]=\frac{I_0\stackrel{\‾}{S}-I_{Dark}\left(x,y\right)}{I_0{V}_0\stackrel{\‾}{S}}.$

15.根据权利要求9所述的基于光栅剪切成像的安检方法，其特征在于：所述“根据所述亮场投影像、暗场投影像和半亮场投影像的数学表达式之间的定量关系，求得被检物品的吸收衰减像、折射角像、散射角方差像或消光衰减像的定量表达式”步骤中，

被检物品的吸收衰减像的定量表达式具体为：

$\exp (-M(x,y))=\frac{I_{Bright}\left(x,y\right)+I_{Dark}\left(x,y\right)}{2I_0\stackrel{\‾}{S}},$ 或

$\exp (-M(x,y))=\frac{I_{Up}\left(x,y\right)+I_{Down}\left(x,y\right)}{2I_0\stackrel{\‾}{S}};$

被检物品的折射角像的定量表达式可从下列方程组获得：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_y(x,y)=\left(\frac{p}{2\mathrm{\π}D}\right)\arctan \left(\frac{I_{Up}(x,y)-I_{Down}(x,y)}{I_{Bright}(x,y)-I_{Dark}(x,y)}\right)\\ I_{Bright}(x,y)+I_{Dark}(x,y)=I_{Up}(x,y)+I_{Down}(x,y)\end{array}\right.;$

在弱散射条件下，被检物品的散射角方差像的定量表达式可从下列方程组获得：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}^2(x,y)=2{\left(\frac{p}{2\mathrm{\π}D}\right)}^{2}ln\frac{V_0}{\sqrt{{\left(\frac{I_{Bright}(x,y)-I_{Dark}(x,y)}{I_{Bright}(x,y)+I_{Dark}(x,y)}\right)}^2+{\left(\frac{I_{Up}(x,y)-I_{Down}(x,y)}{I_{Up}(x,y)+I_{Down}(x,y)}\right)}^2}}\\ I_{Bright}(x,y)+I_{Dark}(x,y)=I_{Up}(x,y)+I_{Down}(x,y)\end{array}\right.;$

在强散射条件下，被检物品的消光衰减像的定量表达式可从下列方程组获得：

$\{\begin{array}{c}\exp \left(-\mathrm{\Γ}\left(x,y\right)\right)=\frac{1}{V_0}\sqrt{{\left(\frac{I_{Bright}\left(x,y\right)-I_{Dark}\left(x,y\right)}{I_{Bright}\left(x,y\right)+I_{Dark}\left(x,y\right)}\right)}^2+{\left(\frac{I_{Up}\left(x,y\right)-I_{Down}\left(x,y\right)}{I_{Up}\left(x,y\right)+I_{Down}\left(x,y\right)}\right)}^2}\\ I_{Bright}\left(x,y\right)+I_{Dark}\left(x,y\right)=I_{Up}\left(x,y\right)+I_{Down}\left(x,y\right)\end{array}.$