CN105807329A - 一种用于识别包裹中危险液体的x射线检测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于识别包裹中危险液体的X射线检测装置与方法。所述装置包括透视扫描探测装置、直线断层扫描探测装置和处理与控制单元。透视扫描探测装置包括用于获取传送带上的包裹的透视图的透视扫描X射线源和透视扫描探测器，直线断层扫描探测装置包括用于获取包裹的断层扫描数据的直线断层扫描X射线源和直线断层扫描探测器。本发明所述装置能够在不打开包裹的情况下进行连续探测；由于直线断层扫描探测装置的探测器采用双向稀疏排列的线阵探测器组，因此能够有效降低探测器成本；另外，本发明通过透视扫描定位包裹中液体的位置，然后通过直线断层扫描重建液体区域，仅在液体区域进行危险液体的识别，提高了危险液体的识别速度。

Description

一种用于识别包裹中危险液体的X射线检测装置与方法

技术领域

本发明属于危险品安全检查技术领域，涉及一种用于识别包裹中危险液体的X射线检测装置与方法。

背景技术

同常规的爆炸物探测技术一样，危险液体探测技术同样可以分为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。但是，由于液体的独有特性使其探测具有更高的难度和复杂性，如许多危险液体的物理属性和日常安全液体很接近，这必然增加液体探测的难度。

常见液体通常包装在一个密封容器中，液体分子难以挥发至包装之外，采用蒸汽痕迹探测技术探测液体时，通常需要开瓶检测，增加了检测的操作难度。因此蒸汽痕迹探测技术并不适用于密封液体的检测。而中子探测技术又由于设备造价、中子防护等原因目前很少在公共场所实际应用。电磁探测技术是目前市场上的液体探测设备常用的技术，如通过介电断层技术探测液体的电子特性(介电常数和传导性)；通过微波探测液体的传导性、分子极性；通过近红外技术来探测常用液体炸药原料过氧化氢的含量等。不过通常上述设备只能探测塑料容器包装的液体，对于高密度容器包装的液体探测往往无能为力。

利用多视角X射线探测技术检测危险液体是目前的一个技术方向之一，如德国SmithsDetection公司和美国RapiscanSystem公司均开发了多视角液体探测设备，但该项技术的误报率相对还较高。近年来，英国Kromek公司开发的Kromek液体安全检查仪采用单X光源的数字化多光谱探测器，能够同时对介于40～140kev中的16种典型的能量级别对液体进行分析鉴别，给出瓶中液体的光谱信息。通过其自身的识别算法分析瓶中是否含有危险成分，不过该设备的检测速度很慢，进行一次检测通常需要20秒左右，这极大制约了仪器的检测效率。

利用X射线CT技术进行液体探测是中国同方威视公司首先提出并开发的一项实用性技术，CT技术可以对被探测材料的几何形状进行判断，结合X射线衰减理论可以对被探测物质的线性衰减系数、等效原子序数、电子密度等参数进行探测。同方威视公司和公安部第一研究所都已经有了产品并分别申报了各自的专利。但是这类设备均为基于工业CT的三代CT扫描模式，系统操作需要人工将液体放入检测仓，检测完毕后还需要人工从检测仓取出液体，操作复杂，不能连续检测，效率低下。

申请号为200610076573.8的中国发明专利，公开了一种多段直线轨迹成像的货物安全检查系统，该系统包括：射线发生单元，用于产生透射检查对象的射线束，该射线束透射检查对象后到达数据采集单元；机械传送单元，用于沿与数据采集单元接收平面平行方向传送检查对象；数据采集单元，用于接收透射检查对象射线束的透射数据，并将接收的透射数据组合成投影数据输出给成像单元；成像单元，用于将接收自数据采集单元的投影数据重建为图像，并将重建的图像输出给显示单元；显示单元，用于显示成像单元输入的图像。该发明能够对检查对象进行快速成像，同时解决了大型物体旋转困难及传统透射成像安全检查系统成像时存在的物体重叠问题。其存在问题是，操作复杂，不能进行连续检测。而且没有设置透视图扫描探测装置，通过对包裹的整个区域进行图像重建实现危险液体的识别，识别速度低。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种用于识别包裹中危险液体的X射线检测装置与方法，能够在不打开包裹的情况下对危险液体进行高效率的连续探测。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于识别包裹中危险液体的X射线检测装置，包括透视扫描探测装置、直线断层扫描探测装置和处理与控制单元。所述透视扫描探测装置包括透视扫描X射线源和透视扫描探测器，用于获取传送带上的包裹的透视图；所述直线断层扫描探测装置包括直线断层扫描X射线源和直线断层扫描探测器，用于获取包裹的直线断层扫描数据。所述处理与控制单元从所述透视图中识别液体区域，并确定液体区域对应的直线断层扫描数据，重建液体区域对应的断层图像，判断液体区域是否为危险液体。所述处理与控制单元还输出控制信号控制所述透视扫描探测装置、直线断层扫描探测装置和传送带的运行。

所述透视扫描探测器是由多个探测单元无间隙排列而成的线阵；所述直线断层扫描探测器是由多个探测单元排列成的双向稀疏线阵(双向稀疏是指行、列两个方向均稀疏排列)，线阵的每一行中相邻探测单元的距离大于1厘米，线阵的行距大于1厘米。

进一步地，所述透视扫描探测器为直线型、L型、U型或弧形线阵探测器。

进一步地，所述透视扫描探测器的探测单元的排列方向与所述直线断层扫描探测器的探测单元的排列方向在空间上成90度角。

进一步地，所述透视扫描探测器为双能夹层探测器。

进一步地，所述直线断层扫描探测器为双能夹层探测器或光子计数探测器。

进一步地，所述X射线检测装置还包括与所述处理与控制单元相连的用于显示透视图像和断层图像的显示单元。

一种识别危险液体的方法，包括以下步骤：

步骤1，由透视扫描探测装置获取传送带上的包裹的透视图数据，并将所述透视图数据送至处理与控制单元；

步骤2，由所述处理与控制单元从所述透视图中识别液体区域；

步骤3，由直线断层扫描探测装置获取包裹的直线断层扫描数据，并将所述直线断层扫描数据送至所述处理与控制单元；

步骤4，由所述处理与控制单元确定所述液体区域对应的直线断层扫描数据，重建所述液体区域对应的断层图像，包括高低能衰减系数图像、有效原子序数图像和电子密度图像，并根据所述图像的数值计算高低能衰减系数、有效原子序数和电子密度；

步骤5，将高低能衰减系数、有效原子序数和电子密度分别与设定的阈值进行比较，根据比较结果判断所述液体区域的液体是否为危险液体。

进一步地，从所述透视图中识别液体区域的方法包括：对所述透视图进行图像分割，根据分割区域的形状并结合包裹内物体的材料信息识别包裹中的液体区域。

进一步地，步骤4采用双能重建算法重建所述液体区域对应的断层图像，方法如下：

步骤4.1，获取直线断层高、低能投影数据ProjH、ProjL，通过数据重排获得平行束投影数据SinoH、SinoL；

步骤4.2，根据基材料模型，利用高低能平行束投影数据SinoH、SinoL进行双能投影分解获得基材料投影SinoA、SinoB；或根据基效应模型，利用高低能平行束投影数据SinoH、SinoL进行双能投影分解获得基效应投影SinoA、SinoB；

步骤4.3，采用基于全变分最小约束代数重建算法，对SinoA、SinoB进行重建，获得断层图像B1和B2；对SinoH、SinoL进行重建，获得SliceH和SliceL；

步骤4.4，利用断层图像B1和B2，计算有效原子序数断层图像和电子密度断层图像。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提出的检测装置包括透视扫描探测装置、直线断层扫描探测装置和处理与控制单元。由透视扫描探测装置获取传送带上的包裹的透视图并送至处理与控制单元，由处理与控制单元从透视图中识别出液体区域。由直线断层扫描探测装置获取包裹的直线断层扫描数据并送至处理与控制单元，由处理与控制单元确定液体区域对应的直线断层扫描数据，重建液体区域对应的断层图像，从而判断液体区域是否为危险液体。该检测装置能够在不打开包裹的情况下进行危险液体的检测，能够进行高效率的连续探测；由于直线断层扫描探测装置的探测器采用双向稀疏排列的线阵探测器组，因此本发明能够有效降低探测器成本；另外，本发明采用透视扫描和直线断层扫描两种探测装置，首先通过透视扫描定位包裹中液体的位置，然后通过直线断层扫描重建液体区域，只在液体区域进行危险液体的识别，提高了危险液体的识别速度。

附图说明

图1为本发明所述检测装置的原理框图；

图2为本发明实施例涉及的所述检测装置的结构示意图。

图中：1-透视扫描探测装置，11-透视扫描X射线源，12-透视扫描探测器，2-直线断层扫描探测装置，21-直线断层扫描X射线源，22-直线断层扫描探测器，3-处理与控制单元，4-显示单元，5-包裹，6-传送带。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

一种用于识别包裹中危险液体的X射线检测装置，如图1、2所示，包括透视扫描探测装置1、直线断层扫描探测装置2和处理与控制单元3。所述透视扫描探测装置1包括透视扫描X射线源11和透视扫描探测器12，用于获取传送带6上的包裹5的透视图；所述直线断层扫描探测装置2包括直线断层扫描X射线源21和直线断层扫描探测器22，用于获取包裹5的直线断层扫描数据；所述处理与控制单元3从所述透视图中识别液体区域，确定液体区域对应的直线断层扫描数据，重建液体区域对应的断层图像，并判断液体区域是否为危险液体。所述处理与控制单元3还输出控制信号控制所述透视扫描探测装置、直线断层扫描探测装置2和传送带6的运行。

所述透视扫描探测器12是由多个探测单元无间隙排列而成的线阵；所述直线断层扫描探测器22是由多个探测单元排列成的双向稀疏线阵，线阵的每一行中相邻探测单元的距离大于1厘米，线阵的行距大于1厘米。采用双向稀疏排列的线阵探测器组，可以减少探测器的数量，从而有效降低探测器的能耗及装置的成本。

所述透视扫描探测器12为直线型、L型、U型或弧形线阵探测器。图2中的透视扫描探测器12采用L型。

所述透视扫描探测器12的探测单元的排列方向与所述直线断层扫描探测器22的探测单元的行排列方向在空间上成90度角。如图2所示。这样设置是为了根据透视图像获得直线断层重建的物体的位置。

所述透视扫描探测器12为双能夹层探测器。双能夹层探测器包括高能探测器和低能探测器，在高能探测器和低能探测器之间设有一层金属片，一般为铜片，通过金属片的过滤使高低能探测器接收到不同能量的射线。

所述直线断层扫描探测器为双能夹层探测器或光子计数探测器。光子计数探测器通过对不同能量的光子计数实现成像，可以分辨不同能量段的光子并进行计数，具有很强的能量分辨能力。其不足是受计数率等参数制约信噪比难以保证；双能夹层探测器可以通过一次扫描实现双能成像，但能谱区分度不及光子技术探测器。

所述X射线检测装置还包括与所述处理与控制单元3相连的显示单元4。显示单元4用于显示透视图像和断层图像。

一种识别危险液体的方法，包括以下步骤：

步骤1，由透视扫描探测装置获取传送带上的包裹的透视图数据，并将所述透视图数据送至处理与控制单元；

步骤2，由所述处理与控制单元从所述透视图中识别液体区域；

步骤3，由直线断层扫描探测装置获取包裹的直线断层扫描数据，并将所述直线断层扫描数据送至所述处理与控制单元；

步骤4，所述处理与控制单元确定所述液体区域对应的直线断层扫描数据，重建所述液体区域对应的断层图像，包括高低能衰减系数图像、有效原子序数图像和电子密度图像，并根据所述图像的数值计算高低能衰减系数、有效原子序数和电子密度。

步骤5，将高低能衰减系数、有效原子序数和电子密度分别与设定的阈值进行比较，根据比较结果判断所述液体区域的液体是否为危险液体。

从所述透视图中识别液体区域的方法包括：对所述透视图进行图像分割，根据分割区域的形状并结合包裹内物体的材料信息识别包裹5中的液体区域。

所述步骤4采用双能重建算法重建所述液体区域对应的断层图像，方法如下：

步骤4.1，获取直线断层高、低能投影数据ProjH、ProjL，通过数据重排获得平行束投影数据SinoH、SinoL。具体包括以下步骤：

步骤4.1.1，根据ProjH、ProjL的起始位置和结束位置，确定数据重排时选择的旋转中心的横坐标x₀。

步骤4.1.2，根据ProjH、ProjL中各个视角的投影数据的重心及投影方向确定数据重排时选择的旋转中心的纵坐标y₀。

步骤4.1.3，以(x₀，y₀)为旋转中心对ProjH、ProjL进行投影空间变换，得到平行束投影数据SinoH、SinoL。

步骤4.2，根据基材料模型，利用高低能平行束投影数据SinoH、SinoL进行双能投影分解获得基材料投影SinoA、SinoB；或根据基效应模型，利用高低能平行束投影数据SinoH、SinoL进行双能投影分解获得基效应投影SinoA、SinoB。

基于以下双能成像原理由SinoH、SinoL获得SinoA、SinoB，方法如下：

在200keV以内的射线能量范围内，射线与物质的相互作用遵循康普顿散射和光电效应。物质的线性衰减系数μ(E)满足如下模型：

μ(E)＝a_cf_KN(E)+a_pf_p(E)

其中，f_p(E)、f_KN(E)为只与能量E有关而与材质无关的分解系数，a_p、a_c是独立于能量只与材质有关的物理量，a_p表示光电效应系数，a_c为康普顿散射效应系数，且：

$f_p\left(E\right)=\frac{1}{E^3}$

$f_{KN}\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{1+\mathrm{\α}}{{\mathrm{\α}}^2}\[\frac{2(1+\mathrm{\α})}{1+2\mathrm{\α}}-\frac{1}{\mathrm{\α}}ln(1+2\mathrm{\α})\]+\frac{1}{2\mathrm{\α}}ln(1+2\mathrm{\α})-\frac{1+3\mathrm{\α}}{{(1+2\mathrm{\α})}^2}$

n＝4或5

其中，α＝E/510.975keV，l₁、l₂为常数，ρ为物质密度，Z为原子序数，A为原子量。该模型表示在一定的射线能量范围内，物质的衰减是光电效应和康普顿散射共同作用的结果。此模型通常称之为基效应模型(也可称双效应模型)。

与基效应模型对应的还有一种关于物质衰减系数的物理模型，即基材料模型：

μ(E)＝b₁μ₁(E)+b₂μ₂(E)

其中，μ₁(E)、μ₂(E)分别为两种基材料的线性衰减系数，b₁、b₂分别为对应两种基材料的分解系数，对于某一固定的物质，b₁、b₂是两个常数。基材料模型表示任何一种物质的线性衰减系数都可由两种基材料的线性衰减系数线性叠加而成。

令：

A_c＝∫a_cdl,A_p＝∫a_pdl,B₁＝∫b₁dl,B₂＝∫b₂dl

A_c、A_p、B₁、B₂为a_c、a_p、b₁、b₂的线积分投影值。根据宽能谱射线条件下的BEER定律：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_L=-\ln \[\∫S_L\left(E\right)\exp \[-A_c{f}_{KN}\left(E\right)-A_p{f}_p\left(E\right)\]dE\]+\ln \∫S_L\left(E\right)dE\\ P_H=-\ln \[\∫S_H\left(E\right)\exp \[-A_c{f}_{KN}\left(E\right)-A_p{f}_p\left(E\right)\]dE\]+\ln \∫S_H\left(E\right)dE\end{array}\right.---\left(1\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{P}_L=-\ln \[\∫S_L\left(E\right)\exp \[-B_1{\mathrm{\μ}}_1\left(E\right)-B_2{\mathrm{\μ}}_2\left(E\right)\]dE\]+\ln \∫S_L\left(E\right)dE\\ P_H=-\ln \[\∫S_H\left(E\right)\exp \[-B_1{\mathrm{\μ}}_1\left(E\right)-B_2{\mathrm{\μ}}_2\left(E\right)\]dE\]+\ln \∫S_H\left(E\right)dE\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，S_H(E)、S_L(E)分别为高低能系统能谱，P_H、P_L分别为高低能投影(SinoH、SinoL)。基于投影分解的双能CT预处理重建算法的核心为根据式(1)、式(2)求解A_c、A_p、B₁、B₂(即基材料投影SinoA、SinoB和基效应投影SinoA、SinoB)，称这个求解过程为投影分解过程。然后根据CT重建的原理，利用滤波反投影图像重建算法计算a_c、a_p、b₁、b₂，并由此计算材质的等效原子序数Z_eff和电子密度ρ_e，公式如下：

$Z_{eff}=K_1{\[\frac{a_p}{a_c}\]}^{\frac{1}{n}}={\[\frac{b_1{\mathrm{\ρ}}_{e1}{Z_1}^n+b_2{\mathrm{\ρ}}_{e2}{Z_2}^n}{b_1{\mathrm{\ρ}}_{e1}+b_2{\mathrm{\ρ}}_{e2}}\]}^{\frac{1}{n}}$

ρ_e＝K₂a_c＝b₁ρ_e1+b₂ρ_e2

其中，K₁、K₂为常数，n取3或4，Z₁、Z₂分别为两种基材料的原子序数，ρ_e1、ρ_e2分别为两种基材料的电子密度。

步骤4.3，采用基于全变分最小约束代数重建算法，对SinoA、SinoB进行重建，获得断层图像B1和B2；对SinoH、SinoL进行重建，获得SliceH和SliceL。

基于全变分最小约束代数重建算法，是在代数重建算法的基础上增加一个全变分最小的约束，将重建问题转化为一个约束优化问题。

有多种方法解约束优化问题，本实施例采用最为常用的梯度下降法，首先计算全变差的梯度，然后沿着负梯度方向寻找优化结果。梯度υ_s,t的计算公式如下：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\υ}}_{s,t}=\frac{\∂\left|\right|f_{s,t}|{|}_{TV}}{\∂f_{s,t}}=\frac{(f_{s,t}-f_{s-1,t})-(f_{s,t}-f_{s,t-1})}{\sqrt{{(f_{s,t}-f_{s-1,t})}^2+{(f_{s,t}-f_{s,t-1})}^2}}\\ -\frac{f_{s+1,t}-f_{s,t}}{\sqrt{{(f_{s+1,t}-f_{s,t})}^2+{(f_{s+1,t}-f_{s+1,t-1})}^2}}-\frac{f_{s,t+1}-f_{s,t}}{\sqrt{{(f_{s,t+1}-f_{s,t})}^2+{(f_{s,t+1}-f_{s-1,t+1})}^2}}\end{array}$

其中，f表示断层图像，f_s,t表示坐标为(s,t)的像素点的图像值，||f_s,t||_TV表示断层图像的全变分，其表达式为：

$\left|\right|f_{s,t}|{|}_{TV}=\underset{s,t}{\Σ}\sqrt{{(f_{s,t}-f_{s-1,t})}^2+{(f_{s,t}-f_{s,t-1})}^2}$

步骤4.4，利用断层图像B1和B2，计算有效原子序数断层图像和电子密度断层图像。

本发明不限于上述实施方式，本领域技术人员所做出的对上述实施方式任何显而易见的改进或变更，都不会超出本发明的构思和所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于识别包裹中危险液体的X射线检测装置，其特征在于，包括透视扫描探测装置、直线断层扫描探测装置和处理与控制单元；所述透视扫描探测装置包括透视扫描X射线源和透视扫描探测器，用于获取传送带上的包裹的透视图；所述直线断层扫描探测装置包括直线断层扫描X射线源和直线断层扫描探测器，用于获取包裹的直线断层扫描数据；所述处理与控制单元从所述透视图中识别液体区域，并确定液体区域对应的直线断层扫描数据，重建液体区域对应的断层图像，判断液体区域是否为危险液体；所述处理与控制单元还输出控制信号控制所述透视扫描探测装置、直线断层扫描探测装置和传送带的运行；

所述透视扫描探测器是由多个探测单元无间隙排列而成的线阵；所述直线断层扫描探测器是由多个探测单元排列成的双向稀疏线阵，线阵的每一行中相邻探测单元的距离大于1厘米，线阵的行距大于1厘米。

2.根据权利要求1所述的用于识别包裹中危险液体的X射线检测装置，其特征在于，所述透视扫描探测器为直线型、L型、U型或弧形线阵探测器。

3.根据权利要求1所述的用于识别包裹中危险液体的X射线检测装置，其特征在于，所述透视扫描探测器的探测单元的排列方向与所述直线断层扫描探测器的探测单元的排列方向在空间上成90度角。

4.根据权利要求1所述的用于识别包裹中危险液体的X射线检测装置，其特征在于，所述透视扫描探测器为双能夹层探测器。

5.根据权利要求1所述的用于识别包裹中危险液体的X射线检测装置，其特征在于，所述直线断层扫描探测器为双能夹层探测器或光子计数探测器。

6.根据权利要求1～5任意一项所述的用于识别包裹中危险液体的X射线检测装置，其特征在于，所述X射线检测装置还包括与所述处理与控制单元相连的用于显示透视图像和断层图像的显示单元。

7.一种识别危险液体的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，由透视扫描探测装置获取传送带上的包裹的透视图数据，并将所述透视图数据送至处理与控制单元；

步骤2，由所述处理与控制单元从所述透视图中识别液体区域；

步骤3，由直线断层扫描探测装置获取包裹的直线断层扫描数据，并将所述直线断层扫描数据送至所述处理与控制单元；

步骤4，由所述处理与控制单元确定所述液体区域对应的直线断层扫描数据，重建所述液体区域对应的断层图像，包括高低能衰减系数图像、有效原子序数图像和电子密度图像，并根据所述图像的数值计算高低能衰减系数、有效原子序数和电子密度；

步骤5，将高低能衰减系数、有效原子序数和电子密度分别与设定的阈值进行比较，根据比较结果判断所述液体区域的液体是否为危险液体。

8.根据权利要求7所述的识别危险液体的方法，其特征在于，从所述透视图中识别液体区域的方法包括：对所述透视图进行图像分割，根据分割区域的形状并结合包裹内物体的材料信息识别包裹中的液体区域。

9.根据权利要求7所述的识别危险液体的方法，其特征在于，步骤4采用双能重建算法重建所述液体区域对应的断层图像，方法如下：

步骤4.1，获取直线断层高、低能投影数据ProjH、ProjL，通过数据重排获得平行束投影数据SinoH、SinoL；

步骤4.2，根据基材料模型，利用高低能平行束投影数据SinoH、SinoL进行双能投影分解获得基材料投影SinoA、SinoB；或根据基效应模型，利用高低能平行束投影数据SinoH、SinoL进行双能投影分解获得基效应投影SinoA、SinoB；

步骤4.3，采用基于全变分最小约束代数重建算法，对SinoA、SinoB进行重建，获得断层图像B1和B2；对SinoH、SinoL进行重建，获得SliceH和SliceL；

步骤4.4，利用断层图像B1和B2，计算有效原子序数断层图像和电子密度断层图像。