CN106093088B - 基于球形准直的x射线光子计数成像系统及其成像方法 - Google Patents

基于球形准直的x射线光子计数成像系统及其成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于球形准直的X射线光子计数成像系统，包括X射线单光子计数器，X射线单光子计数器用于探测X射线光子，将探测的光脉冲信号输出至光子计数信息读出模块；光子计数信息读出模块用于记录X射线光子的计数值，并输出至信息处理单元；信息处理单元产生随机观测矩阵并控制数控随机快门阵列的开闭，信息处理单元的输出端连接数控随机快门阵列；球形X射线准直器用于收集来自空间不同方向的X射线，其输出端连接数控随机快门阵列；数控随机快门阵列用于控制球形X射线准直器每个通道的开闭，当快门打开时该快门对应的通道中的X射线沿直线传播至X射线单光子计数器。解决了现有技术中X射线成像系统视场小、制造工艺难度大的问题。

Description

基于球形准直的X射线光子计数成像系统及其成像方法
技术领域
本发明属于X射线天文成像技术领域，涉及一种基于球形准直的X射线光子计数成像系统及其成像方法。
背景技术
现有天文X射线源成像方法，主要有两类：第一类是透射成像，在没有反射和折射元件的时候，针孔成像是一种最简单、最古老、同时也是最实用的成像方法，最初应用于可见光波段，后来在X射线波段针孔结构被一直沿用，孔越小，像的分辨率越高，但是在进行天文观测的时候，过小的孔径又限制了X射线平均光子数，因而后来发展为多针孔的编码孔径成像，通过增加孔的个数来增加单位时间的光子计数值，这种成像系统对于单一X射线源有较好效果，但是针对多X射线源的成像过程变得复杂，而且探测部分需要用到面积较大的X射线探测阵列。
第二类是反射成像，在正常情况下，X射线在光滑表面上基本不反射，只有掠入射的情况下入射角接近于90度，才会有可利用的反射率，投入到空间高能观测应用的主要有KB结构和Wolter型光学系统(包括Wolter Ⅰ型、Wolter Ⅱ型、Wolter Ⅲ型)，其中Wolter Ⅰ型在空间高能X射线成像的应用最为广泛，在实际应用中，一般通过采用不同口径的反射镜嵌套组合使用，以增大系统的有效集光面积。不论是KB结构，还是Wolter Ⅰ型结构的X射线成像系统，均是采用掠入射成像机理，对掠入射表面的加工精度都有极其严苛的要求。此外，近年来基于仿生学发展起来的龙虾眼X射线光学系统具有宽视场成像的特点，但龙虾眼X射线光学系统也是基于反射成像的机理，其采用的平整聚焦表面也需要进行抛光，对加工工艺方面的要求同KB结构和Wolter Ⅰ型结构一致，而且随着观测能级的增加，相应的加工精度要求也会相应提高，而且龙虾眼X射线光学系统通常需要面积较大的探测器阵列，探测器阵列的本底噪声对空间X射线弱源的探测也提出了挑战。
现有X射线成像系统的主要问题总结如下：
(1)X射线聚焦存在加工工艺上的困难。在X射线波段，材料的折射率略小于1，而且X光有穿透作用在物体表面上不反射，只有在掠入射的情况下才显示出可用的反射率，但是为防止X射线的散射而引起成像质量的下降，对于反射表面的粗糙度要求很高，粗糙度均方根为埃或十几个埃的数量级，镜面加工困难；
(2)宽视场成像与大面阵探测技术存在矛盾。现有的空间X射线成像装置的视场通常只有几个角分，龙虾眼X射线光学系统具有较宽的视场，但龙虾眼X射线光学系统通常需要大面积X射线阵列探测器，而现有的微通道板探测器(Micro Channel Plate detector，MCP)、正比计数器(Proportional Counter，PC)等通常具有较强的本底噪声，也增加了探测空间弱X射线源的难度。
发明内容
为了达到上述目的，本发明提供一种基于球形准直的X射线光子计数成像系统，利用其自身的物理结构特点收集来自不同方向的X射线，对空间多个X射线源进行同时观测，避免使用X射线聚焦技术，大大降低了装备的制造工艺难度，节约了技术成本，且运用压缩感知技术，不用大面阵X射线探测器，而仅使用小面积的X射线计数器就可完成对空间X射线源分布的成像，在压缩数据的同时，降低对探测器设计的成本和要求，解决了现有技术中X射线成像系统视场小、制造工艺难度大的问题。
本发明的另一目的是，提供一种采用上述基于球形准直的X射线光子计数成像系统的成像方法。
本发明所采用的技术方案是，一种基于球形准直的X射线光子计数成像系统，包括：
高压电源模块，用于为X射线单光子计数器提供电压，其输出端连接X射线单光子计数器；
X射线单光子计数器，用于探测X射线光子，将探测的光脉冲信号输出至光子计数信息读出模块；
光子计数信息读出模块，用于记录X射线光子的计数值，并输出至信息处理单元；
信息处理单元，产生随机观测矩阵并控制数控随机快门阵列的开闭，并根据压缩感知算法将一维的X射线光子的计数值信息进行二维图像重建；信息处理单元的输出端连接数控随机快门阵列；
球形X射线准直器，用于收集来自空间不同方向的X射线，允许空间不同方向的X射线沿准直通道到达球心，其输出端连接数控随机快门阵列；
数控随机快门阵列用于控制球形X射线准直器每个通道的开闭，依照程序设定控制X射线光子的通过或吸收；当快门闭合时，该快门对应的通道中的X射线被吸收，当快门打开时，该快门对应的通道中的X射线沿直线传播至X射线单光子计数器。
本发明的特征还在于，进一步的，球形X射线准直器为内部空心的球体，球形X射线准直器上设有准直通道，球形X射线准直器的输出端与对X射线具有强吸收作用的材料制成的数控随机快门阵列连接，数控随机快门阵列安装于球形X射线准直器内，数控随机快门阵列的每个快门与准直通道一一对应，数控随机快门阵列的接收端朝向X射线的入射方向，数控随机快门阵列的出射端朝向X射线单光子计数器，X射线单光子计数器置于球形X射线准直器的球心处；X射线单光子计数器与光子计数信息读出模块连接，光子计数信息读出模块与信息处理单元的输入端连接，信息处理单元的输出端与数控随机快门阵列连接。
进一步的，球形X射线准直器的形状为球形的一部分时，基于球形准直的X射线光子计数成像系统还包括X射线屏蔽腔，用于屏蔽空间高能粒子以及X射线、γ射线对X射线光子计数的影响，球形X射线准直器、数控随机快门阵列和X射线单光子计数器均安装在X射线屏蔽腔内。
进一步的，准直通道是沿球形X射线准直器的球面至球心所在直线上的圆形通孔，准直通道均匀布满球形X射线准直器的球面。
进一步的，准直通道的圆形通孔之间互不接触，沿球形X射线准直器的中心方向打孔形成定位孔，沿任意方向旋转角度α由上到下依次打孔形成初始通孔，以定位孔所在的轴线为旋转轴，从每一层的初始通孔开始，依次旋转角度β打孔形成层级通孔，其中d为圆形通孔直径，r为球形X射线准直器(1)的内部空心球半径，INT符号表示向下取整，r′为初始通孔的轴线与内部空心球面的交点到定位孔所在轴线的距离。
进一步的，准直通道的长度L由角度α确定，其关系为其中，R为球形X射线准直器的外球半径，d为准直通道的直径。
进一步的，X射线单光子计数器的X射线探测部分为球形，X射线探测部分的半径与球形X射线准直器的内部空心球半径r相等。
本发明提供的另一技术方案是，一种基于球形准直的X射线光子计数成像系统的成像方法，具体按照以下步骤进行：
步骤一，确定基于球形准直的X射线光子计数成像系统的姿态，根据不同准直通道的球面空间分布，确定每个准直通道的空间指向；
步骤二，根据不同X射线源的特征信息和所需的X射线源的平均信噪比确定所观测X射线源的观测时间t；其中，η为X射线探测的量子效率，nc为单位时间到达的X射线光子数，λd为暗计数平均流量；
步骤三，信息处理单元控制数控随机快门阵列进行随机采样；
步骤四，光子计数信息读出模块记录每次随机观测下的X射线光子计数值，输出至信息处理单元，每次随机观测下的X射线光子计数值除以观测时间t，得到单位时间内所有通道上总的平均光子数；
步骤五，由球形X射线准直器的一个准直通道开始，对球形X射线准直器的N个准直通道进行编码；
步骤六，设定平均光子数与灰度值的对应关系，用灰度值信息模拟每次观测的平均光子数信息；
步骤七，对空间进行M次观测，计算机处理单元共得到观测值y的M维列向量，通道数为N，记录观测矩阵Φ为M×N维，通过压缩感知技术完成信号的重构，得到每个准直通道的平均光子数，进而得到每个准直通道对应的灰度值信息；
步骤八，球形X射线准直器的每个准直通道对应的灰度值信息与该视场内的X射线源信息对应，建立球面与平面的投影关系模型，结合步骤七得到的灰度值信息，绘制X射线源的空间分布图像。
进一步的，步骤三中，信息处理单元控制数控随机快门阵列进行随机采样的方法为：信息处理单元根据准直通道的数量和需要进行随机观测的次数，设计由随机数0和1组成随机观测矩阵，随机观测矩阵每执行一次即完成一次观测采样。
本发明的有益效果是：本发明实现了X射线的宽视场、不同方向的X射线源的同步空间观测，使得探测器处在凝视状态下即可完成对空间的成像观测，直接获取X射线源空间分布图像，为空间天文观测提供技术手段；同时通过对X射线源的特征识别能够得到X射线源的空间位置分布，进而为进行航天器姿态信息估计提供数据支持，以进一步应用于高能X射线天文定姿和导航。
本发明与现有的X射线成像系统相比，具有如下优点：
(1)本发明由于采用了球形X射线准直结构，使整个成像系统具有极宽的成像视场(能够设计为360度全视场)。
(2)本发明由于采用了球形X射线准直结构，X射线通过球形X射线准直器的准直通道进入位于球心位置的X射线计数器，避免了通过聚焦X射线成像的方法，无需复杂和难度极高的加工工艺，以降低技术成本和加工成本。
(3)本发明由于采用了压缩感知技术，通过检测球形X射线准直器的准直通道中的平均光子数，即可实现空间X射线图像的重构，避免大面阵X射线成像阵列，降低成本的同时，也降低了大面阵X射线成像阵列本底噪声对X射线成像的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的结构示意图。
图2a是本发明的球形X射线准直器为1/2球形的俯视图。
图2b是本发明的球形X射线准直器为1/2球形的仰视图。
图3是本发明的球形X射线准直器的半径R、空心球体的半径r、初始通孔的轴线与内部空心球面的交点到定位孔所在的轴线的距离r′、准直通道的直径d、通道长度L、角度α的几何关系示意图。
图4是本发明的球形X射线准直器定位顶孔的示意图。
图5是本发明的球形X射线准直器以定位顶孔为基准打孔形成初始通孔的示意图。
图6是本发明的球形X射线准直器以初始通孔为基准进行分层打孔形成层级通孔的的示意图。
图中，1.球形X射线准直器，2.数控随机快门阵列，3.X射线单光子计数器，4.高压电源模块，5.X射线屏蔽腔，6.光子计数信息读出模块，7.信息处理单元，8.定位顶孔，9.准直通道，91.初始通孔，92.层级通孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的基于球形准直的X射线光子计数成像系统，如图1-2所示，由球形X射线准直器1、数控随机快门阵列2、X射线单光子计数器3、高压电源模块4、X射线屏蔽腔5、光子计数信息读出模块6和信息处理单元7组成；球形X射线准直器1为内部空心的球体，球形X射线准直器1上设有准直通道9，准直通道9是沿球形X射线准直器1的球面至球心所在直线的圆形通孔，准直通道9均匀布满球形X射线准直器1的球面，使得空间不同方向的X射线沿准直通道9到达球形X射线准直器1的球心；球形X射线准直器1的输出端与数控随机快门阵列2连接，数控随机快门阵列2安装于球形X射线准直器1内，并与球形X射线准直器1上的准直通道9一一对应，用以控制准直通道9的开闭；数控随机快门阵列2的每个快门的接收端朝向X射线的入射方向，数控随机快门阵列2的每个快门的出射端朝向X射线单光子计数器3的X射线探测部分；X射线单光子计数器3置于球形X射线准直器1的球心处，X射线单光子计数器3的X射线探测部分为球形，X射线探测部分的半径与球形X射线准直器1的内部空心球半径r相等，X射线单光子计数器3与高压电源模块4的输出端连接，高压电源模块4为X射线单光子计数器3提供电压，其电压通常为几keV到几十keV；X射线单光子计数器3与光子计数信息读出模块6连接，光子计数信息读出模块6与信息处理单元7的输入端连接，信息处理单元7的输出端与数控随机快门阵列2连接，用以控制数控随机快门阵列2的开合，进而控制X射线光子是否通过准直通道9传播至X射线单光子计数器3。
球形X射线准直器1本身就形成屏蔽作用，以屏蔽空间高能粒子以及X射线、γ射线等对X射线光子计数器3的影响。
其中，当球形X射线准直器1的形状为球形的一部分时，如1/2球形、1/4球形、1/8球形等，球形X射线准直器1、数控随机快门阵列2和X射线单光子计数器3均安装在X射线屏蔽腔5内，X射线屏蔽腔5用于屏蔽空间高能粒子以及X射线、γ射线等对X射线光子计数器3的影响。
球形X射线准直器1通过准直通道9收集来自空间不同方向的X射线，数控随机快门阵列2的材料对X射线具有强吸收作用，如金、铅、镍等，当数控随机快门阵列2的某个快门闭合时，该快门对应的准直通道9中的X射线被吸收，当数控随机快门阵列2的某个快门打开时，该快门对应的准直通道9中的X射线沿直线传播至X射线单光子计数器3；X射线单光子计数器3用于探测、计数X射线光子，并将探测的光脉冲信号输出至光子计数信息读出模块6，光子计数信息读出模块6用于记录X射线光子的计数值，并将计数结果输出至信息处理单元7，信息处理单元7产生随机观测矩阵并控制数控随机快门阵列2的开闭，并根据压缩感知算法将一维的X射线光子的计数值信息进行二维图像重建。
球形X射线准直器1上的准直通道9的加工方法，具体按照以下步骤进行：准直通道9的圆形通孔之间互不接触，且圆形通孔通过以下步骤实现，如图4-6所示，首先沿球形X射线准直器(1)的中心方向打孔形成定位孔(8)，并且夹紧工件，沿任意方向旋转刀具，以角度α由上到下依次打孔形成初始通孔(91)，其中d为圆形通孔的直径，r为球形X射线准直器(1)的内部空心球半径，INT符号表示向下取整；然后以定位孔(8)所在的轴线为旋转轴，从每一层初始通孔(91)开始，依次旋转角度β进行打孔形成层级通孔(92)，其中r′为初始通孔(91)的轴线与内部空心球面的交点到定位孔(8)所在的轴线的距离。最后，依次逐层进行打孔，直至布满整个球形X射线准直器(1)的球面。
如图3，准直通道9的长度L由角度α确定，其关系为其中，R为球形X射线准直器1的外球半径，d为准直通道9的直径。
一种采用上述基于球形准直的X射线光子计数成像系统的成像方法，具体按照以下步骤进行：
步骤一，确定基于球形准直的X射线光子计数成像系统的姿态，根据不同准直通道9的球面空间分布，确定每个通道的空间指向；
步骤二，根据不同X射线源的特征信息和所需X射线源的平均信噪比确定所观测X射线源的观测时间t；其中，η为X射线探测的量子效率，nc为单位时间到达的X射线光子数，λd为暗计数平均流量；
步骤三，信息处理单元7控制数控随机快门阵列2进行随机采样：信息处理单元7根据球形X射线准直器1的准直通道9的数量和需要进行随机观测的次数，设计由随机数0和1组成随机观测矩阵，随机观测矩阵每执行一次即完成一次观测采样，由于观测矩阵的随机性，数控随机快门阵列2中每个快门的开合状态也具有随机性；
步骤四，光子计数信息读出模块6记录每次随机观测下的X射线光子计数值，输出至信息处理单元7，每次随机观测下的X射线光子计数值除以观测时间t，得到单位时间内所有通道上总的平均光子数；
步骤五，由球形X射线准直器1的定位顶孔8开始，对球形X射线准直器1的N个准直通道9进行编码；
步骤六，设定平均光子数与灰度值的对应关系，用灰度值信息模拟每次观测的平均光子数信息；
步骤七，对空间进行M次观测，计算机处理单元7共得到观测值y的M维列向量，通道数为N，记录观测矩阵Φ为M×N维，通过压缩感知技术完成信号的重构，得到每个准直通道9的平均光子数，进而得到每个准直通道9对应的灰度值信息；
步骤八，球形X射线准直器1的每个准直通道9对应的灰度值信息与该视场内的X射线源信息对应，建立球面与平面的投影关系模型，结合步骤七得到的灰度值信息，绘制X射线源的空间分布图像。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于球形准直的X射线光子计数成像系统，其特征在于，包括：
高压电源模块(4)，用于为X射线单光子计数器(3)提供电压，其输出端连接X射线单光子计数器(3)；
X射线单光子计数器(3)，用于探测X射线光子，将探测的光脉冲信号输出至光子计数信息读出模块(6)；
光子计数信息读出模块(6)，用于记录X射线光子的计数值，并输出至信息处理单元(7)；
信息处理单元(7)，产生随机观测矩阵并控制数控随机快门阵列(2)的开闭，并根据压缩感知算法将一维的X射线光子的计数值信息进行二维图像重建；信息处理单元(7)的输出端连接数控随机快门阵列(2)；
球形X射线准直器(1)，用于收集来自空间不同方向的X射线，允许空间不同方向的X射线沿准直通道(9)到达球心，其输出端连接数控随机快门阵列(2)；
数控随机快门阵列(2)用于控制球形X射线准直器(1)每个通道的开闭，依照程序设定控制X射线光子的通过或吸收；当快门闭合时，该快门对应的通道中的X射线被吸收，当快门打开时，该快门对应的通道中的X射线沿直线传播至X射线单光子计数器(3)。
2.根据权利要求1所述的一种基于球形准直的X射线光子计数成像系统，其特征在于，所述球形X射线准直器(1)为内部空心的球体，球形X射线准直器(1)上设有准直通道(9)，球形X射线准直器(1)的输出端与对X射线具有强吸收作用的材料制成的数控随机快门阵列(2)连接，数控随机快门阵列(2)安装于球形X射线准直器(1)内，数控随机快门阵列(2)的每个快门与准直通道(9)一一对应，数控随机快门阵列(2)的接收端朝向X射线的入射方向，数控随机快门阵列(2)的出射端朝向X射线单光子计数器(3)，X射线单光子计数器(3)置于球形X射线准直器(1)的球心处；X射线单光子计数器(3)与光子计数信息读出模块(6)连接，光子计数信息读出模块(6)与信息处理单元(7)的输入端连接，信息处理单元(7)的输出端与数控随机快门阵列(2)连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于球形准直的X射线光子计数成像系统，其特征在于，所述球形X射线准直器(1)的形状为球形的一部分时，所述基于球形准直的X射线光子计数成像系统还包括X射线屏蔽腔(5)，用于屏蔽空间高能粒子以及X射线、γ射线对X射线光子计数的影响，球形X射线准直器(1)、数控随机快门阵列(2)和X射线单光子计数器(3)均安装在X射线屏蔽腔(5)内。
4.根据权利要求1所述的一种基于球形准直的X射线光子计数成像系统，其特征在于，所述准直通道(9)是沿球形X射线准直器(1)的球面至球心所在直线上的圆形通孔，准直通道(9)均匀布满球形X射线准直器(1)的球面。
5.根据权利要求4所述的一种基于球形准直的X射线光子计数成像系统，其特征在于，所述准直通道(9)的圆形通孔之间互不接触，沿球形X射线准直器(1)的中心方向打孔形成定位孔(8)，沿任意方向旋转角度α由上到下依次打孔形成初始通孔(91)，以定位孔(8)所在的轴线为旋转轴，从每一层的初始通孔(91)开始，依次旋转角度β打孔形成层级通孔(92)，其中d为圆形通孔直径，r为球形X射线准直器(1)的内部空心球半径，INT符号表示向下取整，r′为初始通孔(91)的轴线与内部空心球面的交点到定位孔(8)所在轴线的距离。
6.根据权利要求5所述的一种基于球形准直的X射线光子计数成像系统，其特征在于，所述准直通道(9)的长度L由角度α确定，其关系为其中，R为球形X射线准直器(1)的外球半径，d为准直通道(9)的直径。
7.根据权利要求1所述的一种基于球形准直的X射线光子计数成像系统，其特征在于，所述X射线单光子计数器(3)的X射线探测部分为球形，X射线探测部分的半径与球形X射线准直器(1)的内部空心球半径r相等。
8.一种采用如权利要求1-7任意一项所述的基于球形准直的X射线光子计数成像系统的成像方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：
步骤一，确定基于球形准直的X射线光子计数成像系统的姿态，根据不同准直通道(9)的球面空间分布，确定每个准直通道(9)的空间指向；
步骤二，根据不同X射线源的特征信息和所需的X射线源的平均信噪比确定所观测X射线源的观测时间t；其中，η为X射线探测的量子效率，nc为单位时间到达的X射线光子数，λd为暗计数平均流量；
步骤三，信息处理单元(7)控制数控随机快门阵列(2)进行随机采样；
步骤四，光子计数信息读出模块(6)记录每次随机观测下的X射线光子计数值，输出至信息处理单元(7)，每次随机观测下的X射线光子计数值除以观测时间t，得到单位时间内所有通道上总的平均光子数；
步骤五，由球形X射线准直器(1)的一个准直通道(9)开始，对球形X射线准直器(1)的N个准直通道(9)进行编码；
步骤六，设定平均光子数与灰度值的对应关系，用灰度值信息模拟每次观测的平均光子数信息；
步骤七，对空间进行M次观测，信息处理单元(7)共得到观测值y的M维列向量，通道数为N，记录观测矩阵Φ为M×N维，通过压缩感知技术完成信号的重构，得到每个准直通道(9)的平均光子数，进而得到每个准直通道(9)对应的灰度值信息；
步骤八，球形X射线准直器(1)的每个准直通道(9)对应的灰度值信息与该视场内的X射线源信息对应，建立球面与平面的投影关系模型，结合步骤七得到的灰度值信息，绘制X射线源的空间分布图像。
9.根据权利要求8所述的一种基于球形准直的X射线光子计数成像系统的成像方法，其特征在于，所述步骤三中，信息处理单元(7)控制数控随机快门阵列(2)进行随机采样的方法为：信息处理单元(7)根据准直通道(9)的数量和需要进行随机观测的次数，设计由随机数0和1组成随机观测矩阵，随机观测矩阵每执行一次即完成一次观测采样。
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