CN109799526A - 一种核辐射探测方法及探测系统 - Google Patents

一种核辐射探测方法及探测系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种核辐射探测方法及探测系统,能够实现对需核辐射监测环境的辐射剂量率的准确估计。所述方法包括:在无遮光动态场景条件下,将滤光片与以CCD/CMOS为传感器的录像设备进行组合,在需核辐射监测的环境中录制视频,其中,录制的视频被所述滤光片过滤掉其中一个颜色通道;将录制的视频传输至数据处理中心,以便所述数据处理中心根据接收到被过滤掉一个颜色通道的视频,确定滤光片和录像设备所在核辐射环境的辐射剂量率。本发明涉及核辐射探测领域。

Description

一种核辐射探测方法及探测系统

技术领域

本发明涉及核辐射探测领域,特别是指一种核辐射探测方法及探测系统。

背景技术

核技术的利用造福人类。随着我国大力发展核技术应用,严格防控核辐射事故需求也在日益增长,有力保障核安全更离不开核辐射探测和监测技术。目前,普遍的核辐射探测方法是使用以气体、闪烁体和半导体材料为介质的各类核辐射探测器进行核辐射探测。由于气体核辐射探测器死时间长不适合高计数率场合,闪烁体核辐射探测器价格昂贵难以推广,二者的应用受到一定的制约。近年来,以CCD/CMOS为例的半导体成像设备开始在核辐射探测领域发挥作用。目前大多数图像设备如手机、相机、电脑和监控摄像头等大都使用CCD/CMOS传感器作为光传感元件。

现有技术中,已有人尝试使用CCD/CMOS传感器作为传感元件来探测核辐射;其中一种方法是,在已知γ射线的入射方向的情况下,可以使用遮光的智能手机的CCD/CMOS传感器检测出环境中的γ射线的能谱信息。再对图像通过算法判断环境中是否含有核辐射,但该方法需要使用遮光设备遮挡传感器,这就是导致基于CCD/CMOS传感器的录像设备失去了本来的功能,造成了资源的浪费,不利于该方法的普及。

此外,有人提出了一种在动态无遮光场景下基于CCD/CMOS传感器的核辐射探测方法,图像中包含所有通道信息,算法复杂度高、时间成本高,难以有效地应用于日常场景中。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种核辐射探测方法及探测系统,以解决现有技术所存在的在动态无遮光场景下基于CCD/CMOS传感器的核辐射探测方法的算法复杂度高、时间成本高,难以有效地应用于日常场景中的问题。

为解决上述技术问题,本发明实施例提供一种核辐射探测方法,包括:

在无遮光动态场景条件下,将滤光片与以CCD/CMOS为传感器的录像设备进行组合,在需核辐射监测的环境中录制视频,其中,录制的视频被所述滤光片过滤掉其中一个颜色通道;

将录制的视频传输至数据处理中心,以便所述数据处理中心根据接收到被过滤掉一个颜色通道的视频,确定滤光片和录像设备所在核辐射环境的辐射剂量率。

进一步地,所述滤光片,用于过滤掉特定波长区间的光线。

进一步地,所述录像设备包括:以CCD/CMOS为传感器的道路监控摄像头、网络摄像头或者手机摄像头中的一种或多种。

进一步地,所述数据处理中心包括:PC机、工作站、移动终端或云计算平台中的一种或多种。

进一步地,以便所述数据处理中心根据接收到被过滤掉一个颜色通道的视频,确定滤光片和录像设备所在核辐射环境的辐射剂量率包括:

对接收到的视频进行分帧处理得到一系列帧图像;

获取每一帧图像的RGB值;

根据帧图像的RGB值,确定帧图像中被过滤的颜色通道的值,根据帧图像中被过滤的颜色通道的值,检测帧图像中是否含有核辐射亮斑;

根据含有核辐射亮斑的帧图像的数目占录制视频的总帧数的比例,确定滤光片和录像设备所在核辐射环境的辐射剂量率。

进一步地,所述获取每一帧图像的RGB值包括:

利用二维高斯卷积核滤波方法对每一帧图像进行平滑处理后,获取每一帧图像的RGB值。

进一步地,所述根据帧图像的RGB值,确定帧图像中被过滤的颜色通道的值,根据帧图像中被过滤的颜色通道的值,检测帧图像中是否含有核辐射亮斑包括:

对每一帧图像进行图像平滑处理后,获取每一帧图像与其相邻帧的差分图像,得到当前帧的前向差分图像与后向差分图像;

基于背景差分的运动物体检测法、帧间差分法、光流场的运动股计算法、块匹配的运动估计算法,去除差分图像中的运动物体,得到两个新的差分图像:前向差分图像D1与后向差分图像D2;

将差分图像D1和D2合成一张新的图像V;

判断图像V中被过滤的颜色通道的最大值是否大于预设的阈值,若是,则当前帧图像含有辐射亮斑。

进一步地,所述根据含有核辐射亮斑的帧图像的数目占录制视频的总帧数的比例,确定滤光片和录像设备所在核辐射环境的辐射剂量率包括:

基于核辐射事件的泊松分布特性以及扣除的运动物体面积,通过公式:确定滤光片和录像设备所在核辐射环境的辐射剂量率;

其中,R表示滤光片和录像设备所在核辐射环境的辐射剂量率,β表示用核辐射剂量测量仪器进行对照实验获得核辐射剂量值与视频图像计算值之间的比例系数,N为单位时间内的视频的总帧数,s0是每帧图像的像素总数,si是第i帧图像去除运动物体后剩余的像素总数,δi为辐射事件标识。

本发明实施例还提供一种核辐射探测系统,包括:滤光片、以CCD/CMOS为传感器的录像设备和数据处理中心;其中,

所述以CCD/CMOS为传感器的录像设备,用于在无遮光动态场景条件下,在需核辐射监测的环境中录制视频,并将录制的视频传输至数据处理中心,其中,录制的视频被所述滤光片过滤掉其中一个颜色通道;

所述数据处理中心,用于根据接收到被过滤掉一个颜色通道的视频,确定滤光片和录像设备所在核辐射环境的辐射剂量率。

本发明的上述技术方案的有益效果如下:

上述方案中,,在无遮光动态场景条件下,将滤光片与以CCD/CMOS为传感器的录像设备进行组合,在需核辐射监测的环境中录制视频,其中,录制的视频被所述滤光片过滤掉其中一个颜色通道;将录制的视频传输至数据处理中心,以便所述数据处理中心根据接收到被过滤掉一个颜色通道的视频,确定滤光片和录像设备所在核辐射环境的辐射剂量率;这样,能够在保持CCD/CMOS录像设备原有的摄像功能的基础上,提高核辐射检测速度,降低算法复杂度高和时间成本,并能够实现对需核辐射监测环境的辐射剂量率的准确估计。

附图说明

图1为本发明实施例提供的核辐射探测方法的流程示意图;

图2为本发明实施例提供的使用的CCD/CMOS相机与数据处理中心的结构示意图;

图3为本发明实施例提供的核辐射探测方法的详细流程示意图;

图4为本发明实施例提供的不遮光动态场景条件帧图像中亮斑特征的被过滤的通道值的示意图;

图5(a)为本发明实施例提供的通过当前非辐射帧的两个差分图像最终生成的图V的被过滤的通道值的示意图;

图5(b)为本发明实施例提供的通过当前辐射帧的两个差分图像最终生成的图V的被过滤的通道值的示意图;

图6为本发明实施例提供的不遮光动态无辐射场景下视频的帧图像生成的图V的η值的分布直方图;

图7为本发明实施例提供的不遮光动态辐射场景下视频的帧图像生成的图V的η值的分布直方图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有的在动态无遮光场景下基于CCD/CMOS传感器的核辐射探测方法的算法复杂度高、时间成本高,难以有效地应用于日常场景中的问题,提供一种核辐射探测方法及探测系统。

实施例一

如图1所示,本发明实施例提供的核辐射探测方法,包括:

S101,在无遮光动态场景条件下,将滤光片与以CCD/CMOS为传感器的录像设备进行组合,在需核辐射监测的环境中录制视频,其中,录制的视频被所述滤光片过滤掉其中一个颜色通道;

S102,将录制的视频传输至数据处理中心,以便所述数据处理中心根据接收到被过滤掉一个颜色通道的视频,确定滤光片和录像设备所在核辐射环境的辐射剂量率。

本发明实施例所述的核辐射探测方法,在无遮光动态场景条件下,将滤光片与以CCD/CMOS为传感器的录像设备进行组合,在需核辐射监测的环境中录制视频,其中,录制的视频被所述滤光片过滤掉其中一个颜色通道;将录制的视频传输至数据处理中心,以便所述数据处理中心根据接收到被过滤掉一个颜色通道的视频,确定滤光片和录像设备所在核辐射环境的辐射剂量率;这样,能够在保持CCD/CMOS录像设备原有的摄像功能的基础上,提高核辐射检测速度,降低算法复杂度高和时间成本,并能够实现对需核辐射监测环境的辐射剂量率的准确估计。

为了实现本实施例所述的核辐射探测方法,需要使用包含滤光片、CCD/CMOS为传感器的录像设备和后端的数据处理中心;这样,可以使用录像设备录制一定长度的被所述滤光片过滤掉其中一个颜色通道的视频,并将录制的视频传入后端的数据处理中心,以便在后端的数据处理中心进行辐射剂量率估计与核辐射监测。

在前述核辐射探测方法的具体实施方式中,进一步地,所述滤光片,用于过滤掉特定波长区间的光线。

本实施例中,例如,所述滤光片可以是透过波长大于577纳米的滤光片中的一种或多种。

在前述核辐射探测方法的具体实施方式中,进一步地,所述录像设备包括:以CCD/CMOS为传感器的道路监控摄像头、网络摄像头或者手机摄像头中的一种或多种。

在前述核辐射探测方法的具体实施方式中,进一步地,所述数据处理中心包括:PC机、工作站、移动终端或云计算平台中的一种或多种。

本实施例中,所述移动终端包括但不限于:智能手机、平板、笔记本电脑。

在前述核辐射探测方法的具体实施方式中,进一步地,以便所述数据处理中心根据接收到被过滤掉一个颜色通道的视频,确定滤光片和录像设备所在核辐射环境的辐射剂量率包括:

对接收到的视频进行分帧处理得到一系列帧图像;

获取每一帧图像的RGB值;

根据帧图像的RGB值,确定帧图像中被过滤的颜色通道的值,根据帧图像中被过滤的颜色通道的值,检测帧图像中是否含有核辐射亮斑;

根据含有核辐射亮斑的帧图像的数目占录制视频的总帧数的比例,确定滤光片和录像设备所在核辐射环境的辐射剂量率。

本实施例中,将接收到的视频进行分帧处理得到一系列帧图像,并存储原始视频的相关参数;其中,所述相关参数包括:视频持续时间长度、视频编码格式、视频总帧数、视频录制时间点、视频曝光时间、视频帧率以及视频录制所在地的经纬度。

在前述核辐射探测方法的具体实施方式中,进一步地,所述获取每一帧图像的RGB值包括:

利用二维高斯卷积核滤波方法对每一帧图像进行平滑处理后,获取每一帧图像的RGB值。

在前述核辐射探测方法的具体实施方式中,进一步地,所述根据帧图像的RGB值,确定帧图像中被过滤的颜色通道的值,根据帧图像中被过滤的颜色通道的值,检测帧图像中是否含有核辐射亮斑包括:

对每一帧图像进行图像平滑处理后,获取每一帧图像与其相邻帧的差分图像,得到当前帧的前向差分图像与后向差分图像;

基于背景差分的运动物体检测法、帧间差分法、光流场的运动股计算法、块匹配的运动估计算法,去除差分图像中的运动物体,得到两个新的差分图像:前向差分图像D1与后向差分图像D2;

将差分图像D1和D2合成一张新的图像V;

判断图像V中被过滤的颜色通道的最大值是否大于预设的阈值,若是,则当前帧图像含有辐射亮斑。

在前述核辐射探测方法的具体实施方式中,进一步地,所述根据含有核辐射亮斑的帧图像的数目占录制视频的总帧数的比例,确定滤光片和录像设备所在核辐射环境的辐射剂量率包括:

基于核辐射事件的泊松分布特性以及扣除的运动物体面积,通过公式:确定滤光片和录像设备所在核辐射环境的辐射剂量率;

其中,R表示滤光片和录像设备所在核辐射环境的辐射剂量率,β表示用核辐射剂量测量仪器进行对照实验获得核辐射剂量值与视频图像计算值之间的比例系数,N为单位时间内的视频的总帧数,s0是每帧图像的像素总数,si是第i帧图像去除运动物体后剩余的像素总数,δi为辐射事件标识。

为了更好地理解本发明实施例所述的核辐射探测方法,将长波通滤光片和以CCD/CMOS为传感器的相机进行组合,如图2所示,对本发明实施例所述的核辐射探测方法进行详细说明,所述核辐射探测方法具体可以包括以下步骤:

A11,使用长波通滤光片和以CCD/CMOS为传感器的录像设备在需核辐射监测的环境中录制一定长度的视频,并将录制的视频传入后端的数据处理中心。

如图3所示,在疑似含有核辐射源或者设置核辐射源的环境中,安装使用长波通滤光片和CCD/CMOS相机,在本实施例中使用的是从CCD/CMOS录制的视频中且切分出长度为1000帧的视频,并将长度为1000帧的视频传入后端数据处理中心。

本实施例中的滤光片可过滤掉特定波长区间的光线。对于CCD/CMOS相机,可以是专用的CCD/CMOS相机,也可以是以CCD/CMOS作为感光元件的手机、监控器等。对于后端数据处理中心,包括但不限于图2所示的PC机、笔记本电脑、云服务器和智能手机。对于所得的视频帧数长度来说,不限定于10000帧,根据环境的不同可以使用不同的帧数。

本实施例中,可以使用标记放射性药物99Tcm液体作为核辐射源。

A12,所述数据处理中心将接收到的视频进行分帧处理得到一系列图像,将视频分帧后的图像根据时间按序号保存,并保存原始视频的相关参数。

如图3所示,将所得的10000帧图像按序号1到10000进行标保存,并保留原始视频的相关参数,其相关参数信息包括但不限于:视频持续时间长度、视频编码格式、视频总帧数、视频录制时间点,视频曝光时间、视频帧率以及视频录制所在地的经纬度。

A13,利用二维高斯卷积核滤波方法对每一帧图像进行图像平滑处理后,获取每一帧图像的RGB值。

本实施例中,由于CMOS相机会把录制的视频分别用RGB三色进行编码,长波通滤光片会阻止可见光中的特定通道的光成分透过CCD/CMOS相机,因此CCD/CMOS相机的成像中将没有或有极少量的被过滤的颜色通道成分。而辐射粒子不同于单色光,辐射粒子具有穿透性,会透过滤光片击打在图像传感器上,会引起传感器上粒子击打区域电荷的变化,其产生辐射亮斑的RGB三色值与未过滤的可见光的RGB三色值并无明显特异性。因此可将视频图像进行平滑处理后,分析图像的RGB值,通过RGB值进行辐射信息的提取,从而降低数据量,提高数据处理的速度。如图4所示,不遮光动态场景下,帧图像中的辐射亮斑的被过滤的颜色通道值示意图。

A14,根据帧图像的RGB值,确定帧图像中的被过滤的颜色通道的值,根据帧图像中被过滤的颜色通道的值,检测图像中是否含有辐射亮斑。

本实施例中,由于滤光片将可见光进行过滤,CCD/CMOS相机成像中,被过滤的颜色通道值将会很小。而核辐射粒子在穿透滤光片后,击打在CCD/CMOS图像传感器上,产生的辐射亮斑与未过滤可见光的并无明显特异性。如果图像中被过滤的颜色通道值大于预设的阈值,就可以判断该图像中含有核辐射亮斑(辐射亮斑监测算法),具体可以包括以下步骤:

A141,对每一帧图像进行图像平滑处理后,获取每一帧图像与其相邻帧的差分图像,即:针对每一帧图像,获取当前帧的前向差分图像与后向差分图像;然后,使用基于背景差分的运动物体检测法、帧间差分法、光流场的运动股计算法、块匹配的运动估计算法,去除差分图像中的运动物体,得到两个新的差分图像(前向差分图像D1与后向差分图像D2),对得到的新的差分图像使用滤波方法去除边缘噪声。

A142,对于每一帧,将去除运动物体后的差分图像D1和D2,使用如下公式对图像中的每一个像素点计算,将差分图像D1和D2合成一张新的图像V:

V=min(D1,D2)

以获得更好的鲁棒性,并使用辐射亮斑检测算法检测该图像是否含有辐射亮斑。

如图5(a)、5(b)所示,不遮光动态场景下,不含辐射亮斑的帧图像和含有辐射亮斑的帧图像生成的V图的RGB值示意图。从图5(a)、5(b)可知,非辐射帧的被过滤的通道(被过滤的通道为B通道)的最大值与辐射帧的被过滤通道的最大值有着明显的区别,故而可以使用帧图像中的被过滤通道的最大值(记为η,其中η=max(V))作为待甄别帧是否为辐射帧的特征值。更为具体地说,先设定一个阈值T,当当前帧生成的V图中的η值大于T时,则认为当前帧是辐射帧,否则为非辐射帧。阈值的设定根据CCD/CMOS相机与相机所在环境的不同而不同。例如:图6是某CMOS相机在无辐射源某场景下视频中10000帧图像分别生成的V图的η统计分布图。对所得分布进行统计,可得处理后图像被过滤通道的最大值η大于32的概率已小于为0.2‰,因此可以认为η值大于32的视频图像中极大概率含辐射亮斑,即将阈值T设为32。图7为不遮光动态场景某辐射强度下视频的帧图像生成的图V的η值分布直方图。

A15,根据含有核辐射亮斑的帧图像的数目占录制视频的总帧数的比例,确定滤光片和录像设备所在需核辐射监测的环境中放射性物质的辐射剂量率。

本实施例中,基于核辐射事件的泊松分布特性,以及扣除的运动物体面积,可以通过公式确定滤光片和录像设备所在需核辐射监测的环境中放射性物质的辐射剂量率R;

其中,当判定为有辐射事件时,辐射事件标识δi=1,否者,辐射事件标识δi=0。

实施例二

本发明还提供一种核辐射探测系统的具体实施方式,由于本发明提供的核辐射探测系统与前述核辐射探测方法的具体实施方式相对应,该核辐射探测系统可以通过执行上述方法具体实施方式中的流程步骤来实现本发明的目的,因此上述核辐射探测方法具体实施方式中的解释说明,也适用于本发明提供的核辐射探测系统的具体实施方式,在本发明以下的具体实施方式中将不再赘述。

本发明实施例还提供一种核辐射探测系统,包括:滤光、以CCD/CMOS为传感器的录像设备和数据处理中心;其中,

所述以CCD/CMOS为传感器的录像设备,用于在无遮光动态场景条件下,在需核辐射监测的环境中录制视频,并将录制的视频传输至数据处理中心,其中,录制的视频被所述滤光片过滤掉其中一个颜色通道;

所述数据处理中心,用于根据接收到被过滤掉一个颜色通道的视频,确定滤光片和录像设备所在核辐射环境的辐射剂量率。

本发明实施例所述的核辐射探测系统,,在无遮光动态场景条件下,将滤光片与以CCD/CMOS为传感器的录像设备进行组合,在需核辐射监测的环境中录制视频,其中,录制的视频被所述滤光片过滤掉其中一个颜色通道;将录制的视频传输至数据处理中心,以便所述数据处理中心根据接收到被过滤掉一个颜色通道的视频,确定滤光片和录像设备所在核辐射环境的辐射剂量率;这样,能够在保持CCD/CMOS录像设备原有的摄像功能的基础上,提高核辐射检测速度,降低算法复杂度高和时间成本,并能够实现对需核辐射监测环境的辐射剂量率的准确估计。

以上所述是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明所述原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种核辐射探测方法,其特征在于,包括:
在无遮光动态场景条件下,将滤光片与以CCD/CMOS为传感器的录像设备进行组合,在需核辐射监测的环境中录制视频,其中,录制的视频被所述滤光片过滤掉其中一个颜色通道;
将录制的视频传输至数据处理中心,以便所述数据处理中心根据接收到被过滤掉一个颜色通道的视频,确定滤光片和录像设备所在核辐射环境的辐射剂量率。
2.根据权利要求1所述的核辐射探测方法,其特征在于,所述滤光片,用于过滤掉特定波长区间的光线。
3.根据权利要求1所述的核辐射探测方法,其特征在于,所述录像设备包括:以CCD/CMOS为传感器的道路监控摄像头、网络摄像头或者手机摄像头中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的核辐射探测方法,其特征在于,所述数据处理中心包括:PC机、工作站、移动终端或云计算平台中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的核辐射探测方法,其特征在于,以便所述数据处理中心根据接收到被过滤掉一个颜色通道的视频,确定滤光片和录像设备所在核辐射环境的辐射剂量率包括:
对接收到的视频进行分帧处理得到一系列帧图像;
获取每一帧图像的RGB值;
根据帧图像的RGB值,确定帧图像中被过滤的颜色通道的值,根据帧图像中被过滤的颜色通道的值,检测帧图像中是否含有核辐射亮斑;
根据含有核辐射亮斑的帧图像的数目占录制视频的总帧数的比例,确定滤光片和录像设备所在核辐射环境的辐射剂量率。
6.根据权利要求5所述的核辐射探测方法,其特征在于,所述获取每一帧图像的RGB值包括:
利用二维高斯卷积核滤波方法对每一帧图像进行平滑处理后,获取每一帧图像的RGB值。
7.根据权利要求6所述的核辐射探测方法,其特征在于,所述根据帧图像的RGB值,确定帧图像中被过滤的颜色通道的值,根据帧图像中被过滤的颜色通道的值,检测帧图像中是否含有核辐射亮斑包括:
对每一帧图像进行图像平滑处理后,获取每一帧图像与其相邻帧的差分图像,得到当前帧的前向差分图像与后向差分图像;
基于背景差分的运动物体检测法、帧间差分法、光流场的运动股计算法、块匹配的运动估计算法,去除差分图像中的运动物体,得到两个新的差分图像:前向差分图像D1与后向差分图像D2;
将差分图像D1和D2合成一张新的图像V;
判断图像V中被过滤的颜色通道的最大值是否大于预设的阈值,若是,则当前帧图像含有辐射亮斑。
8.根据权利要求5所述的核辐射探测方法,其特征在于,所述根据含有核辐射亮斑的帧图像的数目占录制视频的总帧数的比例,确定滤光片和录像设备所在核辐射环境的辐射剂量率包括:
基于核辐射事件的泊松分布特性以及扣除的运动物体面积,通过公式:确定滤光片和录像设备所在核辐射环境的辐射剂量率;
其中,R表示滤光片和录像设备所在核辐射环境的辐射剂量率,β表示用核辐射剂量测量仪器进行对照实验获得核辐射剂量值与视频图像计算值之间的比例系数,N为单位时间内的视频的总帧数,s0是每帧图像的像素总数,si是第i帧图像去除运动物体后剩余的像素总数,δi为辐射事件标识。
9.一种核辐射探测系统,其特征在于,包括:滤光片、以CCD/CMOS为传感器的录像设备和数据处理中心;其中,
所述以CCD/CMOS为传感器的录像设备,用于在无遮光动态场景条件下,在需核辐射监测的环境中录制视频,并将录制的视频传输至数据处理中心,其中,录制的视频被所述滤光片过滤掉其中一个颜色通道;
所述数据处理中心,用于根据接收到被过滤掉一个颜色通道的视频,确定滤光片和录像设备所在核辐射环境的辐射剂量率。
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