CN109997029A - 对输送机上的异物进行探测的多能量x射线吸收成像 - Google Patents

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Abstract

使用多能量X射线吸收成像对输送带上的材料进行探测的装置和方法。由像素的线阵列组成的光谱X射线探测器接收被从X射线源引导穿过输送带的X射线。X射线在其穿过输送带和输送带上的材料时发生衰减。每个像素产生所接收到的X射线的能谱。每个像素所接收到的能谱被与源X射线能谱相关，以确定所测量到的衰减，随后该所测量到的衰减被与衰减模型相关，该衰减模型包括预期在带内或带上的一组预选构成材料的衰减系数。针对每个像素使用数学回归将测量到的衰减拟合到衰减模型，以得出每种构成材料的厚度。

Description

对输送机上的异物进行探测的多能量X射线吸收成像
技术领域
本发明总体上涉及X射线系统，尤其涉及用于对在输送带上连续前进的产品进行吸收成像的装置和方法。
背景技术
用于肉类、家禽和其它食品工业的模块化塑料输送带的损伤经常导致塑料碎片污染所输送的产品。除了输送带的维修或更换的成本以及生产中断之外，食品加工者还必须应对所输送的食品可能被碎片污染的问题。
发明内容
用于对输送带上的材料进行探测的装置的一种型式包括沿输送方向输送产品的输送带、X射线源以及光谱X射线探测器。该X射线源引导X射线束沿着X射线路径穿过该输送带的厚度，该X射线束具有分布在源能谱上的源强度。该光谱X射线探测器包括在该输送带的与该X射线源相反的一侧上的一个或多个像素，该一个或多个像素在横跨该输送带的宽度的离散像素位置处接收在穿过该输送带、被输送的该产品以及在该输送带上的与被输送的该产品一起前进的任何异物时发生衰减的X射线。该一个或多个像素限定每个像素位置处的相应视场，并且确定在每个像素位置处的相应视场中接收到的分布在衰减X射线的能谱上的接收到的强度。该处理系统将在每个像素位置处接收到的能谱与该源能谱相关联以确定该X射线的测量衰减，并且将该测量衰减与X射线衰减模型相关联，该X射线衰减模型包括一组预选构成材料的衰减系数，该一组预选构成材料包括构成该产品的材料、构成该输送带的材料以及构成被怀疑为可能的污染物的异物的材料，从而确定在每个像素位置处的视场中的材料的厚度。
用于对输送带上的材料进行探测的方法的一种型式包括：(a)在输送表面上沿着输送方向输送产品；(b)沿着穿过该输送表面和该产品的X射线路径引导源X射线使其沿着横跨该输送表面的宽度的线，该源X射线具有分布在源X射线能谱上的源强度；(c)利用包括一个或多个像素的光谱X射线探测器在沿着该线的多个像素位置处探测在穿过该输送表面时发生衰减的X射线；(d)测量在每个像素位置处的连续能量仓中的衰减X射线的强度，以产生在每个该像素位置处接收到的X射线能谱；(e)将该接收到的X射线能谱与该源X射线能谱相关联，以确定所测量的X射线衰减；(f)将所测量的X射线衰减与X射线衰减模型相关联，该X射线衰减模型包括一组预选构成材料的衰减系数，该一组预选构成材料包括构成该产品的材料、构成该输送带的材料以及构成被怀疑为可能的污染物的异物的材料，从而确定该线中的每个像素的视场中的材料的厚度。
附图说明
图1是体现本发明特征的X射线成像装置的示意图；
图2是图1的成像装置的一部分的放大视图，其示出了光谱X射线探测器的视场；
图3是示例性材料的X射线衰减系数随X射线能级变化的对数-对数曲线图；
图4是由X射线源发射的X射线以及在衰减之后由图3的光谱X射线探测器接收的X射线的示例性能谱的图示；
图5是用于如图1所示的X射线成像系统的处理系统的示意图，其示出了各种通知选项；
图6是各种材料的X射线衰减系数随X射线能级变化的半对数曲线图；
图7是建立将由图1的X射线成像装置进行成像的构成材料的模型的流程图；以及
图8是用图1的X射线成像装置进行成像的示例性过程的流程图。
具体实施方式
图1示出了体现本发明特征的X射线成像装置的一种型式。X射线源10产生X射线光子的轫致辐射束12，其具有分布在宽源能谱上的源强度。X射线源将X射线束呈扇形射束地沿着经过输送带14的X射线路径13引导成横跨/跨越带宽度的线。X射线源的一个示例是具有钨靶的X射线管。输送带在穿出图1中的纸面的输送方向16上带着产品P前进。X射线12在其穿过所输送的产品P和输送带14时由于吸收而发生衰减。这种衰减取决于X射线从射线源到探测器所穿过的居间材料的厚度，并且取决于构成输送带14的各种材料、产品P以及与X射线路径13相交的任何其它材料的衰减系数。X射线沿X射线路径13的球面扩展还根据平方反比定律使X射线强度衰减，但是该衰减由X射线源10和探测器18之间的固定距离设定，因此是先验已知且可计算的。发生衰减的X射线被位于输送带14的与X射线源10相反的一侧上的光谱X射线探测器18接收。
光谱X射线探测器18包括横跨带14的宽度延伸的各个静态X射线探测像素20的线性阵列。作为一个示例，像素20可以是固态碲化镉(CdTe)探测器。每个像素20产生装仓于在横跨带14的宽度的每个像素位置处的连续的固定宽度的仓(bin)中的接收能谱，所述仓例如为1keV宽的仓。因此，像素阵列20表示测量在所接收到的X射线光谱上分布的接收X射线强度的线扫描。接收到的X射线光谱被发送到处理系统22，该处理系统22包括运行软件程序的可编程计算机，所述软件程序例如为二维(2D)成像器、X射线源控制器以及用户界面控制器。X射线源控制器使X射线源10与光谱X射线探测器18的采样同步地发生脉冲。图1中虚线所示的可选X射线探测器18'包括单个X射线探测像素20'，其通过驱动器如箭头19所示地横跨输送带14的宽度快速前进，所述驱动器例如为定子21，其与像素20'中的磁力动子形成线性同步电动机。随着像素20'横跨带14的宽度快速前进，像素20'在离散的像素位置处对接收X射线强度进行采样并且测量在横跨带宽度的那些位置(诸如由固定阵列X射线探测器18中的像素20所限定的位置)处的能谱。作为另一可选方案，横跨带的宽度以规则的间隔隔开的多个像素的阵列可以仅在所述规则的间隔上(而非在带14的整个宽度上)通过驱动器前进，以测量像素位置处的光谱。处理系统22接收像素光谱并控制运动像素探测器中的像素驱动器21的操作。
如图2所示，每个像素20具有准直器24，该准直器24在每个像素位置限定了视场26，该视场26在输送带14的输送表面27处与输送带14相交，并且消除了散射。像素20的输出信号通过信号线28发送到包括缓冲器和模数转换器(ADC)的信号调节电路30。代表所接收到的光谱的数字信号通过数字线32从ADC发送到处理系统22。侧向连续的视场26之间的距离34不大于预定探测阈值，即待被探测的最小异物的尺寸。
在每个像素位置处接收到的X射线光谱被拟合到基于比尔-朗伯特定律的X射线衰减模型，该模型将在像素位置处的每个能量仓中接收到的X射线强度Ir建模为源X射线强度Is与指数衰减项的乘积：其中，Ir和Is是能量仓中心E的函数，[μ(E)·d]i是由于衰减模型中所包括的第i个预先选择的构成材料的吸收而沿着X射线路径发生的衰减。图4示出了钨X射线管的源X射线光谱和经衰减的接收X射线光谱的示例。
如图3所示，辐射以三种方式与物质相互作用：(1)光电效应36，(2)康普顿散射38，以及(3)相干散射40。对于示例性材料，由这些效应中的每个产生的衰减随X射线能量E而变化。总衰减系数μ(E)是由于随能量E而变化的三种效应引起的衰减的和。如图所示，对于该示例性材料，μ随着能量E的增大而单调减小。图6示出了肉(μM)、骨头(μB)、缩醛(μA)、钢(μF)和玻璃(μG)的相对衰减系数。如图6清楚示出的，玻璃的衰减系数不随能量的增大而单调减小。衰减系数μ(E)(更严格地，衰减函数)以表格形式存储在处理系统的存储器中，或者针对每个预先选择(预选)的感兴趣的构成材料(即，预期存在的那些材料)通过算法计算得到，所述材料为：输送带材料；正被输送的肉或其它食品；以及构成待进行探测的任何其它异物的材料，例如污染物。
衰减模型通过以矩阵形式给出的方程组表示为：
其中，n是衰减模型中使用的能量仓的数量；N是衰减模型中的预选构成材料的数量；μi(Ej)是能量仓j中的预选构成材料i的衰减系数；di是预选构成材料i的厚度。所有μi(Ej)衰减系数是已知的并且被存储在处理系统的存储器中，或者由处理系统通过算法计算得到。同样地，源强度Is(Ej)对于每个能量仓Ej是已知的。每个采样时间通过光谱X射线探测器测量每个能量仓接收到的强度(Ej)。接收到的强度与源强度之比为测量到的衰减。处理系统通过回归求解方程组，以确定每个预选构成材料的厚度di。处理系统使用非线性回归，例如最小二乘回归。Levenberg-Marquardt算法是这种回归的一个示例。回归通过最小化di材料厚度项的残差来找到数据与衰减模型的最佳拟合。对于每个像素，所得到的di项限定预选构成材料中的每种的厚度，并且与针对其它样本计算的厚度一起表示输送带和产品以及该输送带上的任何其它预选构成材料的图像。
例如，为了探测如图1中的输送带14的碎片42污染肉块M，预选构成材料可以是：(a)缩醛(输送带材料)；(b)肌肉(产品构成物)；以及(c)骨头B(产品构成物)。每个像素位置的方程组将包括三种材料(N＝3)中的每种的已知衰减系数。由于三个独立的方程足以求解三个未知量(三种材料中的每种的厚度)，因此仅针对三个选定能量仓求解方程是在代数上求得三个厚度所必须的。但是在大多数情况下，针对多于三个仓的衰减方程执行回归提供了更可靠的解。一旦计算得到三种预选构成材料的厚度，就将计算得到的缩醛材料厚度与输送带的已知厚度进行比较。如果该计算得到的厚度大于输送带14的厚度，则缩醛输送带材料的污染碎片42就被认定为存在于像素的视场中。如果预期可能存在诸如玻璃、木材和钢的额外潜在污染材料，则可以将其X射线衰减因子μ添加到衰减模型以探测其厚度。
如图5所示，一旦处理系统22确定存在污染物，则其用户界面控制器能够发出警报44，在监视器46上显示警报状况，通过硬连线或无线网络48向其它位置发送警报消息，或者向分流器52发出分流信号50以将一部分产品从输送带14分流到丢弃输送带54，停止输送带，或者采取确保从输送线上移除受污染的产品所需的任何其它动作。
如前面参照图2所描述的，连续视场26之间的距离34设定在输送带14的宽度方向上的探测阈值。该在输送方向上的探测阈值由带速和探测器采样间隔的乘积来设定。因此采样速率必须足够高，以使得在样本之间通过探测器线的输送带的长度不超过探测阈值，即，要探测的最小污染物在输送方向上的尺寸。该处理系统可以通过分析连续像素位置处的产品厚度结果和对连续样本进行分析的来确定污染物和产品的尺寸。利用预选构成材料的密度表，处理系统能够估计重量。并且，由于X射线的衰减由X射线路径上的每种材料的净厚度设定，因此材料沿着该路径的顺序通常无关紧要，除非由所述材料中的一种或多种材料引起的X射线散射过大。
图7和图8是示出通过图1的X射线成像系统对材料进行探测的一种方法的流程图。图8是存储在程序存储器中并由处理系统执行以生成构成衰减模型的方程组的示例性过程的流程图。首先，在步骤60，通过选择待筛选的构成材料来建立方程。所述选择可以是一种或多种材料的固定预选，或者可以由操作者通过用户接口58(图5)中的用户接口设备56作出。所选材料的衰减系数μi(Ej)从存储在处理系统的存储器中的各种材料的衰减系数库62输入。或者，它们可以从用户输入设备56手动输入。随后，在步骤64，处理系统利用所选材料的衰减系数μi(Ej)生成方程组，以构建模型。
图8的流程图示出了由处理系统执行的用于探测输送带上的可疑异物的方法的一种型式。第一步(初始化66)构建空载输送带或没有产品的输送带部段的2D图像。在输送带具有规则重复的输送带图谱的情况下，如在大多数模块化输送带中，单个带列的2D图像足以限定整个带。在步骤68，处理系统首先使X射线源发射脉冲，随后在步骤70，记录每个像素位置接收到的能谱。在步骤72，X射线探测器对空载输送带的响应被用于计算校准项，该校准项被用于横跨带的宽度逐仓地匹配能谱，从而使得所有能谱都相同。校准项被存储在处理系统的存储器中(步骤74)，以用于调节所有测量到的能谱以便匹配。随后，在步骤76，初始化过程向输送带马达发送信号，以便以恒定的速度驱动输送带。在步骤78，X射线源在X射线源控制器的控制下发射脉冲，并且在步骤80，测量和记录在每个像素位置处接收的X射线能谱，以产生线扫描。如步骤82所示，以固定的脉冲和采样率重复使X射线源(步骤78)发生脉冲并记录能谱(步骤80)的过程，以建立连续的线扫描，直到探测到重复的输送带图谱。如果输送带是例如厚度均匀且未构造有重复图谱的平带，则可以使用统一的图谱。在步骤84，表示重复的空载输送带图谱的线扫描能谱的帧被用于构建图谱的2D图像。在步骤86，存储输送带图谱以用于(步骤88)探测输送带上的异物。初始化过程66可以周期性地运行，以重新校准X射线探测器，并考虑由于磨损或模块更换而引起的输送带改变。
在X射线探测器被校准并且输送带图谱被存储的情况下，处理系统对装载有产品的输送带运行采集过程90。在步骤92，该过程首先启动输送带，并且在步骤94，使X射线源发射脉冲。在步骤96，记录每个像素位置处的能谱。在步骤98，在将校准项74应用于能谱之后，对线扫描求解表示所选构成材料的衰减模型的方程组，从而在步骤100构建由连续线图像组成的帧的2D图像。在步骤102，存储该2D图像。所存储的2D图像104能够用于显示。如果输送带速度相对于由初始化过程66存储空载带图谱时已经改变，则调节载重带的帧图像以匹配所存储的带图谱的帧长度，反之亦然。并且，使载重带的帧与空载带图谱同步或对准。一旦在步骤106完成所述载重带的帧与空载带图谱同步或对准，在步骤108从载重带的帧中减去带图谱的帧。所得到的差提供了每个像素位置处的每种预选构成材料在帧中的厚度。如果任何厚度超过报警阈值，则在步骤110发出异物探测(FOD)报警或采取其它行动。如果在步骤112停止了输送带，则退出采集过程。如果输送带继续运行，则该过程通过再次使X射线源发生脉冲(步骤94)来以规则重复的方式重新开始。
虽然处理系统的初始化66和获取90过程可被实现为作为具有程序循环和延迟的各个顺序过程运行从而实现合适的正时，但是这些过程能够可选地被实现为(更符合实时多任务编程)使用中断服务例程和任务管理器例程。仅作为一个示例，在采集过程的情况下，X射线源周期性发射脉冲(步骤94)和记录接收能谱(步骤96)可以被实现为中断服务例程(ISR)，其被调度为以预先选择的采样速率运行。在记录了所有能谱之后，ISR随后可以对任务管理器所调度的2D成像器任务进行投标，以求解方程组(步骤98)，构建2D图像(步骤100)，并且将其存储(步骤102)，使得其可以由用户界面控制器任务来显示。2D成像器任务还可以使图像与带速同步(步骤106)，从计算出的图像中减去存储的空载带图谱(步骤108)，并生成FOD警报(步骤110)。但是这些步骤能够可选地以单独的任务投标运行，以便在构建2D图像时运行。
虽然衰减模型被描述为使用宽度固定的能量仓，但是能够组合能量仓以形成比由像素自动产生的那些能量仓实际上更宽的能量仓。由于X射线的衰减在较低能级处较大，因此可以组合较低能级处的像素的能量仓以形成用于衰减模型的更宽的能量仓。在能量较高时，方程组中使用的能量仓不需要与较低能量下的能量仓一样宽。但是，由于衰减曲线在低能量下更陡峭，因此更宽的仓增加了估计要被分配给宽的低能量仓的衰减值的误差。为了保持衰减模型的回归解的稳定性，优化仓的宽度，使得由于统计(即，能量仓中的计数率)引起的误差项和由于曲线的陡度引起的衰减系数的估计误差在量级上近似相等。
虽然已经主要参照探测污染物、尤其是输送带碎片来描述了X射线成像装置，但是其也可以用于探测输送带特征，例如带的加厚部分，处理系统可以使用这些部分作为位置基准来测量带的伸长或带速度，或者确定污染物在带上的位置。如果带的纵向通道保持没有产品，则该通道下的像素可用于实时测量源X射线强度和能谱。

Claims (22)

1.一种用于对输送带上的材料进行探测的装置，包括：
沿着输送方向输送产品的输送带；
X射线源，所述X射线源引导X射线束沿着X射线路径穿过所述输送带的厚度，所述X射线束具有分布在源能谱上的源强度；
光谱X射线探测器，所述光谱X射线探测器包括在所述输送带的与所述X射线源相反的一侧上的一个或多个像素，所述一个或多个像素在横跨所述输送带的宽度的离散像素位置处接收在穿过所述输送带、被输送的所述产品以及在所述输送带上的与被输送的所述产品一起前进的任何异物时发生衰减的X射线；
其中，所述一个或多个像素限定每个像素位置处的相应视场，并且确定在每个像素位置处的相应视场中接收到的分布在衰减X射线的能谱上的接收到的强度；
处理系统，所述处理系统将在每个像素位置处接收到的能谱与所述源能谱相关联以确定所述X射线的测量衰减，并且将所述测量衰减与X射线衰减模型相关联，所述X射线衰减模型包括一组预选构成材料的衰减系数，所述一组预选构成材料包括构成所述产品的材料、构成所述输送带的材料以及构成被怀疑为可能的污染物的异物的材料，从而确定在每个像素位置处的视场中的材料的厚度。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述X射线衰减模型遵循比尔-朗伯特定律。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在每个像素位置处接收到的能谱被装仓于连续的能量仓中，并且所述处理系统限定衰减方程组，所述衰减方程组将在预选的能量仓中接收到的强度与源强度之比与用于所述预选的能量仓的X射线衰减模型相关联，以确定所述预选构成材料中的每种材料沿着X射线路径的厚度。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述预选的能量仓包括所述能量仓中的一些或全部。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，预选能量仓的数量大于或等于预选构成材料的数量。
6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所有能量仓具有相同的宽度。
7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所选择的能量仓在低能级下比在高能级下更宽。
8.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述处理系统对所述方程组执行非线性回归，以通过使所述预选构成材料中的每种材料沿着所述X射线路径的厚度的残差最小来确定所述X射线衰减模型同所选择的能量仓中的每个能量仓接收到的强度与源强度之比的最佳拟合。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述方程组包括用于呈形式的预选能量仓中的每个的一个方程，其中N是所述X射线衰减模型中的预选构成材料的数量，μi是第i种预选构成材料对于能量仓的衰减系数，di是第i种预选构成材料沿着所述X射线路径的厚度，Ir是在能量仓中接收到的X射线强度，Is是在能量仓中的源X射线强度。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光谱X射线探测器包括驱动器以及单个像素或者多个间隔开的像素，所述驱动器驱动所述单个像素或者所述多个间隔开的像素跨越所述输送带的宽度，以在每个像素位置处接收X射线。
11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理系统针对每个所述像素位置确定所述输送带的构成材料沿着所述X射线路径的厚度，并且将所述厚度与所述输送带沿着所述X射线路径的预定厚度进行比较，如果所确定的所述输送带的构成材料的厚度超过所述输送带的预定厚度，则表示存在一块污染的输送带材料。
12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，一旦确定所述输送带上存在污染物，所述处理系统发出警报、显示警报状况、发送警报消息、或者向分流器发出分流信号，以将一部分产品从所述输送带分流。
13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理系统使所述X射线源发射脉冲，并且所述光谱X射线探测器以足够高的速率同步地采样，使得在样本之间通过所述光谱X射线探测器的输送带的长度不大于污染物的预定探测阈值。
14.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，连续像素位置处的相应视场间隔开不大于污染物的预定探测阈值的距离。
15.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述一个或多个像素中的至少一个的相应视场位于所述输送带的纵向通道中的保持没有产品的位置。
16.一种用于对输送带上的材料进行探测的方法，包括：
在输送表面上沿着输送方向输送产品；
沿着穿过所述输送表面和所述产品的X射线路径引导源X射线使其沿着横跨所述输送表面的宽度的线，所述源X射线具有分布在源X射线能谱上的源强度；
利用包括一个或多个像素的光谱X射线探测器在沿着所述线的多个像素位置处探测在穿过所述输送表面时发生衰减的X射线；
测量在每个像素位置处的连续能量仓中的衰减X射线的强度，以产生在每个所述像素位置处接收到的X射线能谱；
将所述接收到的X射线能谱与所述源X射线能谱相关联，以确定所测量的X射线衰减；
将所测量的X射线衰减与X射线衰减模型相关联，所述X射线衰减模型包括一组预选构成材料的衰减系数，所述一组预选构成材料包括构成所述产品的材料、构成所述输送带的材料以及构成被怀疑为可能的污染物的异物的材料，从而确定所述线中的每个像素的视场中的材料的厚度。
17.根据权利要求16的方法，其特征在于，所述方法包括根据所述衰减模型限定衰减方程组，所述衰减方程组将在预选的能量仓中接收到的强度与源强度之比与用于所述预选的能量仓的X射线衰减模型相关联，以确定所述预选构成材料中的每种材料沿着X射线路径的厚度。
18.根据权利要求17的方法，其特征在于，所述方法包括对所述方程组执行非线性回归，以通过使所述预选构成材料中的每种材料沿着所述X射线路径的厚度的残差最小来确定所述X射线衰减模型同所选择的能量仓中的每个能量仓接收到的强度与源强度之比的最佳拟合。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法包括在确定存在污染物时，发出警报、显示警报状况、发送警报消息、或者向分流器发出分流信号，以将一部分产品从所述输送带分流。
20.根据权利要求16的方法，其特征在于，所述方法包括从各种材料的衰减系数的库中选择所述一组预选构成材料的衰减系数。
21.根据权利要求16的方法，其特征在于，所述方法包括根据在连续的线的每个像素位置处接收到的能谱来产生载有产品的所述输送带的二维图像。
22.根据权利要求21的方法，其特征在于，所述方法包括首先运行没有产品的所述输送带，并且根据在连续的线的每个像素位置处接收到的能谱来产生作为没有产品的所述输送带的二维图像的空载带图谱，并从载有产品的所述输送带的二维图像中减去所述空载带图谱，从而确定是否存在没有形成输送带的一部分的预选材料。
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