CN110320564B - 一种基于概率矩阵溯源的中子背散射塑性地雷成像方法 - Google Patents

一种基于概率矩阵溯源的中子背散射塑性地雷成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于概率矩阵溯源的中子背散射塑性地雷成像方法。具体步骤如下：获得系统直射中子对位置灵敏慢热中子探测器的影响因子；测量本底背散射中子对位置灵敏慢热中子探测器的影响因子；对目标区域进行测量，获得目标区域灵敏慢热中子探测器响应分布；修正目标区域直射中子的影响；修正目标区域本底背散射中子的影响；对修正后的数据使用概率矩阵反演成像，获得塑性地雷埋设分布。与传统计数异常判定方法相比，本发明的方法提供了土壤地雷埋设的分布信息，减小探雷工作量的同时提升了探雷的准确度。

Description

一种基于概率矩阵溯源的中子背散射塑性地雷成像方法
技术领域
本发明属于核辐射探测与成像领域，具体涉及一种基于概率矩阵溯源的中子背散射塑性地雷成像方法。
背景技术
地雷种类繁多，埋设背景复杂。不同外形特征、不同材料组成的地雷，埋设于不同土质、不同植被并混杂有不同物质的土壤中，使得对地雷目标的识别十分复杂，“探雷”也由此成为了一个公认的世界性难题。世界各军事强国均在针对地雷的不同特征，不断地开展着多途径的探索工作。目前使用最为广泛、技术最为成熟的地雷探测方法是金属探雷，该方法通过探测地雷外壳或引信中的金属成分来判断地雷的存在性，能有效探测大多数含金属地雷，然而对新型塑性地雷这种方法缺乏有效的探测能力。
塑性地雷外壳和炸药中存在大量的氢元素，与周围土壤形成显著的差异，根据塑性地雷这种典型的富氢特征，中子背散射探雷技术被认为是最好的探测途径之一。当前，中子背散射塑性地雷探测技术主要采用背散射中子计数异常来判断探测区域是否存在地雷[储诚胜等.中子背散射探雷实验研究.全国危险物质与安全应急技术研讨会论文集.2011,450～454；曹琳等.中子背散射探雷技术的分析与评估.原子能科学技术.2012，46(10)：1274～1280.]，这种方法受土壤均匀性及其中的有机杂质影响较大，因而通常存在较高的虚警率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于概率矩阵溯源的中子背散射塑性地雷成像方法。
本发明的基于概率矩阵溯源的中子背散射塑性地雷成像方法，包括以下步骤：
a.固定布局，获得系统直射中子对位置灵敏慢热中子探测器的影响因子；
b.固定测量参数，测量本底背散射中子对位置灵敏慢热中子探测器的影响因子；
c.保持步骤b中的测量参数，对目标区域进行测量，获得目标区域灵敏慢热中子探测器响应分布；
d.数据处理Ⅰ，修正目标区域直射中子的影响；
e.数据处理Ⅱ，修正目标区域本底背散射中子的影响；
f.对修正后的数据进行反演成像。
步骤a中获得系统直射中子对位置灵敏慢热中子探测器的影响因子的具体步骤如下：
a1.固定各模块的布局，模块包括中子发生器模块、位置灵敏慢热中子探测器模块和中子产额监测模块，结构包括慢化屏蔽结构、机械固定结构和移动平台结构，模块和结构均保持相对位置固定，且模块和结构悬空，模块和结构的下方不产生背散射中子；
a2.控制各模块正常工作，开始测量，获得测量数据包括测量时间t1，位置灵敏慢热中子探测器每个像素的计数响应，测量过程中中子产额监测系统每秒钟的计数序列Nd_i，i＝1,2,…,t1；
a3.根据位置灵敏慢热中子探测器的位置分辨能力、测量范围、像素大小与位置，将位置灵敏慢热中子探测器的像素划分为m行n列，定义位置灵敏慢热中子探测器响应矩阵Md：
Figure GDA0002753706880000021
其中，Mdij表示位置灵敏慢热中子探测器第i行第j列像素的计数；
a4.系统直射中子对位置灵敏慢热中子探测器的影响因子使用系统直射中子归一化修正因子用mnd表示，表达式如下：
Figure GDA0002753706880000022
mnd的物理意义为中子产额监测模块一个中子计数时位置灵敏慢热中子探测器响应矩阵。
步骤b中测量本底背散射中子对位置灵敏慢热中子探测器的影响因子的具体步骤如下：
b1.保持步骤a测量时各模块的布局不变，选择与目标区域一致的土壤作为本底区域，移动平台至本底区域，固定平台与本底测量参数；
b2.控制各模块正常工作，开始测量，获得测量数据包括测量时间t2，位置灵敏慢热中子探测器响应矩阵Mb，测量过程中中子产额监测系统每秒钟的计数序列Nb_i，i＝1,2,…,t2；
b3.本底背散射中子对位置灵敏慢热中子探测器的影响因子使用系统本底背散射中子归一化修正因子mnb表示，表达式如下
Figure GDA0002753706880000023
mnb的物理意义为中子产额监测模块一个中子计数时本底区域背散射中子在位置灵敏慢热中子探测器的响应矩阵。
步骤c中获得目标区域灵敏慢热中子探测器响应分布的具体步骤如下：
c1.平移平台至目标区域，保证平台与目标区域的土壤的相对位置与步骤b中的相对位置相同；
c2.控制各模块正常工作，开始测量，获得测量数据包括测量时间t3，位置灵敏慢热中子探测器响应矩阵Ms，测量过程中中子产额监测系统每秒钟的计数序列Ns_i，i＝1,2,…,t3。
步骤d的修正目标区域直射中子的影响具体公式如下：
Figure GDA0002753706880000031
获得中间矩阵M1，式中，Ms为位置灵敏慢热中子探测器响应矩阵，mnd为系统直射中子归一化修正因子，Ns_i为测量过程中中子产额监测系统每秒钟的计数序列，t3为测量时间。
步骤e的修正目标区域本底背散射中子的影响的具体公式如下：
Figure GDA0002753706880000032
获得氢异常导致的响应矩阵MH，式中，M1为中间矩阵，mnb为物理意义为中子产额监测模块一个中子计数时本底区域背散射中子在位置灵敏慢热中子探测器的响应矩阵，Ns_i为测量过程中中子产额监测系统每秒钟的计数序列，t3为测量时间。
步骤f对修正后的数据进行反演成像的具体步骤如下：
f1.基于可移动平台、位置灵敏慢热中子探测器与本底区域的土壤的结构、材料以及布局位置，建立模拟模型；
f2.基于中子输运规律，使用蒙特卡洛方法模拟获得单能单向中子经过土壤散射后在位置灵敏慢热中子探测器中的响应强度，定义该响应强度分布为中子背散射点扩散函数，中子垂直入射目标物平面(x’,y’)处，在投影平面z的背散射点扩散函数记为g(x’,y’,x,y,z)；
f3.入射中子在目标物平面入射强度分布为n(x’,y’)，与g(x’,y’,x,y,z)的卷积即为背散射中子在投影平面的完全强度分布f(x,y,z)，具体公式如下：
Figure GDA0002753706880000033
f4.位置(x0，y0，z0)的像素响应来自目标平面(x′0，y′0)处的概率表示为
Figure GDA0002753706880000034
f5.将目标区域进行网格划分，对划分后的一个命名为网格G内的所有点积分如下：
Figure GDA0002753706880000041
获得位置(x0，y0，z0)的像素响应来自网格G的概率；
f6.重复步骤f5获得位置(x0，y0，z0)的像素响应来自网格G之外的所有划分网格的概率，定义概率矩阵Mp(x0，y0，z0)为反映位置(x0，y0，z0)的像素响应时来自划分网格的概率构成的矩阵；
f7.对氢异常导致的响应矩阵MH中的每个元素应用概率矩阵进行反演，将所有反演结果叠加获得土壤中氢异常区域成像图像。
在步骤a2、步骤b2与步骤c2中的中子产额监测系统的位置不变。
步骤a、b、c是本发明的基于概率矩阵溯源的中子背散射塑型地雷成像方法中涉及实验测量所需的完备流程，应当指出的是，实际探测情景特别是多次系统性探测时可以减少某些步骤以提高探测效率：各模块相对布局不变时可以只测量一次系统直射中子归一化修正矩阵；针对固定的装备，可先测量多种典型参数下的系统直射中子归一化修正矩阵储存备用；大范围测量时只需测量一次系统本底背散射中子归一化修正矩阵并在后续测量中一直使用。
针对中子背散射塑性地雷成像探测问题，本发明的基于概率矩阵溯源的中子背散射塑型地雷成像方法提出了完备的实验测量流程、数据处理流程以及反演成像方法，利用位置灵敏慢热中子探测器测量的中子背散射图像，结合反投影概率矩阵实现对土壤中塑性地雷分布的成像反演，在传统异常计数判断的基础上，提供了土壤氢异常分布的信息，为后续排雷提供更加精确的定位条件，减少后续探雷工作量的同时提升探雷的准确度。
附图说明
图1为本发明的基于概率矩阵溯源的中子背散射塑性地雷成像方法的实验测量流程图；
图2为本发明的基于概率矩阵溯源的中子背散射塑性地雷成像方法的测量数据成像流程图；
图3为本发明的基于概率矩阵溯源的中子背散射塑性地雷成像方法中使用的反投影概率矩阵强度示意图。
具体实施方式
结合图1与图2，本发明的基于概率矩阵溯源的中子背散射塑性地雷成像方法包括以下步骤：
a.固定布局，获得系统直射中子对位置灵敏慢热中子探测器的影响因子；
步骤a中获得系统直射中子对位置灵敏慢热中子探测器的影响因子的具体步骤如下：
a1.固定各模块的布局，模块包括中子发生器模块、位置灵敏慢热中子探测器模块和中子产额监测模块，结构包括慢化屏蔽结构、机械固定结构和移动平台结构，模块和结构均保持相对位置固定，且模块和结构悬空，模块和结构的下方不产生背散射中子；
a2.控制各模块正常工作，开始测量，获得测量数据包括测量时间t1，位置灵敏慢热中子探测器每个像素的计数响应，测量过程中中子产额监测系统每秒钟的计数序列Nd_i，i＝1,2,…,t1；
a3.根据位置灵敏慢热中子探测器的位置分辨能力、测量范围、像素大小与位置，将位置灵敏慢热中子探测器的像素划分为m行n列，定义位置灵敏慢热中子探测器响应矩阵Md：
Figure GDA0002753706880000051
其中，Mdij表示位置灵敏慢热中子探测器第i行第j列像素的计数；
a4.系统直射中子对位置灵敏慢热中子探测器的影响因子使用系统直射中子归一化修正因子用mnd表示，表达式如下：
Figure GDA0002753706880000052
mnd的物理意义为中子产额监测模块一个中子计数时位置灵敏慢热中子探测器响应矩阵。
b.固定测量参数，测量本底背散射中子对位置灵敏慢热中子探测器的影响因子；
步骤b中测量本底背散射中子对位置灵敏慢热中子探测器的影响因子的具体步骤如下：
b1.保持步骤a测量时各模块的布局不变，选择与目标区域一致的土壤作为本底区域，移动平台至本底区域，固定平台与本底测量参数；
b2.控制各模块正常工作，开始测量，获得测量数据包括测量时间t2，位置灵敏慢热中子探测器响应矩阵Mb，测量过程中中子产额监测系统每秒钟的计数序列Nb_i，i＝1,2,…,t2；
b3.本底背散射中子对位置灵敏慢热中子探测器的影响因子使用系统本底背散射中子归一化修正因子mnb表示，表达式如下
Figure GDA0002753706880000053
mnb的物理意义为中子产额监测模块一个中子计数时本底区域背散射中子在位置灵敏慢热中子探测器的响应矩阵。
c.保持步骤b中的测量参数，对目标区域进行测量，获得目标区域灵敏慢热中子探测器响应分布；
步骤c中获得目标区域灵敏慢热中子探测器响应分布的具体步骤如下：
c1.平移平台至目标区域，保证平台与目标区域的土壤的相对位置与步骤b中的相对位置相同；
c2.控制各模块正常工作，开始测量，获得测量数据包括测量时间t3，位置灵敏慢热中子探测器响应矩阵Ms，测量过程中中子产额监测系统每秒钟的计数序列Ns_i，i＝1,2,…,t3。
d.数据处理Ⅰ，修正目标区域直射中子的影响；
步骤d的修正目标区域直射中子的影响具体公式如下：
Figure GDA0002753706880000061
获得中间矩阵M1，Ms为位置灵敏慢热中子探测器响应矩阵，mnd为系统直射中子归一化修正因子，Ns_i为测量过程中中子产额监测系统每秒钟的计数序列，t3为测量时间。
e.数据处理Ⅱ，修正目标区域本底背散射中子的影响；
步骤e的修正目标区域本底背散射中子的影响的具体公式如下：
Figure GDA0002753706880000062
获得氢异常导致的响应矩阵MH，式中，M1为中间矩阵，mnb为物理意义为中子产额监测模块一个中子计数时本底区域背散射中子在位置灵敏慢热中子探测器的响应矩阵，Ns_i为测量过程中中子产额监测系统每秒钟的计数序列，t3为测量时间。
f.对修正后的数据进行反演成像；
步骤f对修正后的数据进行反演成像的具体步骤如下：
f1.基于可移动平台、位置灵敏慢热中子探测器与本底区域的土壤的结构、材料以及布局位置，建立模拟模型；
f2.基于中子输运规律，使用蒙特卡洛方法模拟获得单能单向中子经过土壤散射后在位置灵敏慢热中子探测器中的响应强度，定义该响应强度分布为中子背散射点扩散函数，中子垂直入射目标物平面(x’,y’)处，在投影平面z的背散射点扩散函数记为g(x’,y’,x,y,z)；
f3.入射中子在目标物平面入射强度分布为n(x’,y’)，与g(x’,y’,x,y,z)的卷积即为背散射中子在投影平面的完全强度分布f(x,y,z)，具体公式如下：
Figure GDA0002753706880000071
f4.位置(x0，y0，z0)的像素响应来自目标平面(x′0，y′0)处的概率表示为
Figure GDA0002753706880000072
f5.将目标区域进行网格划分，对划分后的一个命名为网格G内的所有点积分如下：
Figure GDA0002753706880000073
获得位置(x0，y0，z0)的像素响应来自网格G的概率；
f6.重复步骤f5获得位置(x0，y0，z0)的像素响应来自网格G之外的所有划分网格的概率，定义概率矩阵Mp(x0，y0，z0)为反映位置(x0，y0，z0)的像素响应时来自划分网格的概率构成的矩阵；
一个典型的概率矩阵如图3所示，将溯源区域划分为9×9的网格，概率矩阵的特征为：中心网格对应响应像素正下方，概率最大，向周围方向递减；全部网格概率之和为1；f7.对氢异常导致的响应矩阵MH中的每个元素应用概率矩阵进行反演，将所有反演结果叠加获得土壤中氢异常区域成像图像。
在步骤a2、步骤b2与步骤c2中的中子产额监测系统的位置不变。

Claims (8)

1.一种基于概率矩阵溯源的中子背散射塑性地雷成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.固定布局，获得系统直射中子对位置灵敏慢热中子探测器的影响因子；
b.固定测量参数，测量本底背散射中子对位置灵敏慢热中子探测器的影响因子；
c.保持步骤b中的测量参数，对目标区域进行测量，获得目标区域灵敏慢热中子探测器响应分布；
d.数据处理I，修正目标区域直射中子的影响；
e.数据处理II，修正目标区域本底背散射中子的影响；
f.对修正后的数据进行反演成像。
2.根据权利要求1所述的基于概率矩阵溯源的中子背散射塑性地雷成像方法，其特征在于，步骤a中获得系统直射中子对位置灵敏慢热中子探测器的影响因子的具体步骤如下：
a1.固定各模块的布局，模块包括中子发生器模块、位置灵敏慢热中子探测器模块和中子产额监测模块，结构包括慢化屏蔽结构、机械固定结构和移动平台结构，模块和结构均保持相对位置固定，且模块和结构悬空，模块和结构的下方不产生背散射中子；
a2.控制各模块正常工作，开始测量，获得测量数据包括测量时间t1，位置灵敏慢热中子探测器每个像素的计数响应，测量过程中中子产额监测系统每秒钟的计数序列Nd_i，i＝1，2，…，t1；
a3.根据位置灵敏慢热中子探测器的位置分辨能力、测量范围、像素大小与位置，将位置灵敏慢热中子探测器的像素划分为m行n列，定义位置灵敏慢热中子探测器响应矩阵Md：
Figure FDA0002753706870000011
其中，Mdij表示位置灵敏慢热中子探测器第i行第j列像素的计数；
a4.系统直射中子对位置灵敏慢热中子探测器的影响因子使用系统直射中子归一化修正因子用mnd表示，表达式如下：
Figure FDA0002753706870000012
mnd的物理意义为中子产额监测模块一个中子计数时位置灵敏慢热中子探测器响应矩阵。
3.根据权利要求1所述的基于概率矩阵溯源的中子背散射塑性地雷成像方法，其特征在于，步骤b中测量本底背散射中子对位置灵敏慢热中子探测器的影响因子的具体步骤如下：
b1.保持步骤a测量时各模块的布局不变，选择与目标区域一致的土壤作为本底区域，移动平台至本底区域，固定平台与本底测量参数；
b2.控制各模块正常工作，开始测量，获得测量数据包括测量时间t2，位置灵敏慢热中子探测器响应矩阵Mb，测量过程中中子产额监测系统每秒钟的计数序列Nb_i，i＝1，2，…，t2；
b3.本底背散射中子对位置灵敏慢热中子探测器的影响因子使用系统本底背散射中子归一化修正因子mnb表示，表达式如下
Figure FDA0002753706870000021
mnb的物理意义为中子产额监测模块一个中子计数时本底区域背散射中子在位置灵敏慢热中子探测器的响应矩阵。
4.根据权利要求1所述的基于概率矩阵溯源的中子背散射塑性地雷成像方法，其特征在于，步骤c中获得目标区域灵敏慢热中子探测器响应分布的具体步骤如下：
c1.平移平台至目标区域，保证平台与目标区域的土壤的相对位置与步骤b中的相对位置相同；
c2.控制各模块正常工作，开始测量，获得测量数据包括测量时间t3，位置灵敏慢热中子探测器响应矩阵Ms，测量过程中中子产额监测系统每秒钟的计数序列Ns_i，i＝1，2，…，t3。
5.根据权利要求1所述的基于概率矩阵溯源的中子背散射塑性地雷成像方法，其特征在于，步骤d的修正目标区域直射中子的影响具体公式如下：
Figure FDA0002753706870000022
获得中间矩阵M1，式中，Ms为位置灵敏慢热中子探测器响应矩阵，mnd为系统直射中子归一化修正因子，Ns_i为测量过程中中子产额监测系统每秒钟的计数序列，t3为测量时间。
6.根据权利要求1所述的基于概率矩阵溯源的中子背散射塑性地雷成像方法，其特征在于，步骤e的修正目标区域本底背散射中子的影响的具体公式如下：
Figure FDA0002753706870000023
获得氢异常导致的响应矩阵MH，
式中，M1为中间矩阵，mnb为物理意义为中子产额监测模块一个中子计数时本底区域背散射中子在位置灵敏慢热中子探测器的响应矩阵，Ns_i为测量过程中中子产额监测系统每秒钟的计数序列，t3为测量时间。
7.根据权利要求1所述的基于概率矩阵溯源的中子背散射塑性地雷成像方法，其特征在于，步骤f对修正后的数据进行反演成像的具体步骤如下：
f1.基于可移动平台、位置灵敏慢热中子探测器与本底区域的土壤的结构、材料以及布局位置，建立模拟模型；
f2.基于中子输运规律，使用蒙特卡洛方法模拟获得单能单向中子经过土壤散射后在位置灵敏慢热中子探测器中的响应强度，定义该响应强度分布为中子背散射点扩散函数，中子垂直入射目标物平面(x’，y’)处，在投影平面z的背散射点扩散函数记为g(x’，y’，x，y，z)；
f3.入射中子在目标物平面入射强度分布为n(x’，y’)，与g(x’，y’，x，y，z)的卷积即为背散射中子在投影平面的完全强度分布f(x，y，z)，具体公式如下：
Figure FDA0002753706870000031
f4.位置(x0，y0，z0)的像素响应来自目标平面(x′0，y′0)处的概率表示为
Figure FDA0002753706870000032
f5.将目标区域进行网格划分，对划分后的一个命名为网格G内的所有点积分如下：
Figure FDA0002753706870000033
获得位置(x0，y0，z0)的像素响应来自网格G的概率；
f6.重复步骤f5获得位置(x0，y0，z0)的像素响应来自网格G之外的所有划分网格的概率，定义概率矩阵Mp(x0，y0，z0)为反映位置(x0，y0，z0)的像素响应时来自划分网格的概率构成的矩阵；
f7.对氢异常导致的响应矩阵MH中的每个元素应用概率矩阵进行反演，将所有反演结果叠加获得土壤中氢异常区域成像图像。
8.根据权利要求1所述的基于概率矩阵溯源的中子背散射塑性地雷成像方法，其特征在于：在步骤a2、步骤b2与步骤c2中的中子产额监测系统的位置不变。
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