CN111025412B - 一种基于γ射线的地层层析成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于地层结构层析技术领域，公开了一种基于γ射线的地层层析成像系统及方法。通过闪烁晶体探测器采集宇宙射线中γ射线并经过退激发、SiPM光电转换为电脉冲信号给符合事件电路，符合事件电路从中提取时间、位置、能量信息等成像参数，通过解析迭代法进行图像重建及成像。本发明提供的一种地层结构成像系统和方法不但能够准确测定地层结构，并且相对现有技术具有更高空间分辨率、全视野均匀的特点。
Description
技术领域
本发明属于地层结构勘探技术领域，具体涉及，一种基于γ射线的地层层析成像系统及方法。
背景技术
层析成像技术是借鉴医学CT，根据射线扫描，对所得到的信息进行反演计算，重建被测范围内岩体弹性波和电磁波参数分布规律的图像，从而达到圈定地质异常体的一种物探反演解释方法。根据所使用的地球物理场的不同，层析成像又分为弹性波层析成像和电磁波层析成像。弹性波和电磁波走时层析成像主要指的是速度层析成像，利用的是射线在岩土体介质中的走时，电磁波吸收系数层析成像利用的则是电磁波能量被介质吸收后的场能。
宇宙射线是一种天然的放射源，宇宙射线本质上是来自宇宙空间的高能微观粒子，主要由核子构成，其中包括约87％质子，12％α粒子，以及少量锂、铍、硼和碳﹑氮﹑氧的原子核﹐还有极少量的重元素原子核，以及电子、伽马射线和中微子等，它无处不在。目前，为了勘探地层结构，一般通过宇宙射线探测器对宇宙射线进行接收识别，并通过数据处理和使用层析成像技术，对所得到的信息进行反演计算，重建被测范围内岩体弹性波和电磁波参数分布规律的图像，从而达到圈定地质异常体的一种物探反演解释方法。宇宙射线探测器，一般包括γ射线探测器或X射线探测器之类的核物质探测器，γ和X射线探测器通过将对准待测目标地层结构的γ和X射线进行收集并测量穿透的γ和X射线辐射，进行信号转换和数据处理，再连接层析成像技术，进行成像。层析成像技术，一般配置了带电粒子断层成像探测器系统，以基于目标对象对带电粒子的散射面，对待测地层结构执行断层成像。
目前用于探测γ射线的探测器中，主要是广延大气簇射阵列(EAS阵列)和成像大气契伦科夫望远镜(IACT)。广延大气簇射阵列探测器，即粒子探测器，主要探测高能段的原初宇宙线产生的次级粒子。阵列最早用途是使用抽样探测的方法，这种方法的触发阈能很高，并且有大量的宇宙线本底，因此很难探测到γ射线信号测量宇宙线的能谱和化学成分，虽然具有较宽的视场，并且不会受天气的影响，但是灵敏度比较低。成像大气契伦科夫望远镜IACT阵列具有出色的角分辨能力和本底鉴别能力，但是其视场较小，另外需要避开城市光源在无月的夜间观测导致运行周期也非常短。因此，为了克服现有技术的不足，提供一种高空间分辨率、高效率、全视野均匀和低成本的一种地层结构成像系统与方法是非常必要的。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于γ射线的地层层析成像系统及方法，该系统包含γ射线数据探测器模块、符合事件采集处理模块和地层图像重建及成像模块，通过三个模块的相互作用，对地层结构进行分析成像，得出地层变化动态。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
一方面，提供了一种基于γ射线的地层层析成像系统，包括：γ射线数据探测器模块、符合事件采集处理模块和地层图像重建及成像模块，并依次进行连接；
γ射线数据探测器模块，用于从宇宙射线中分离采集γ射线并进行光电转换为脉冲信号；符合事件采集处理模块，对脉冲信号进行采集和处理，从中提取成像数据并封装成UDP数据包；其中，成像数据包括时间信息、能量信息、位置信息；地层图像重建及成像模块，将成像数据经过处理后，通过解析或迭代的方法进行地层图像重建及成像。
进一步地，γ射线数据探测器模块包括晶体探测器阵列和探测器角度控制模块；晶体探测器阵列，由闪烁晶体阵列和SiPM光电转换模块组成，位于探测器最顶端，用来探测采集γ光子束的变化，并进行激发和光电转换输出相应闪烁脉冲；反射层，覆盖于晶体探测器阵列上，可反射其他外部可见光光线并保护内部晶体；探测器角度控制模块，位于探测器的符合事件采集处理模块下方，用于感知γ射线角度并以此对探测器进行角度旋转控制。
进一步地，闪烁晶体阵列由闪烁晶体组成，可吸收γ光子激发形成闪烁光子；闪烁晶体之间贴合耦合层，具有一定形变性，可减小晶体间的缝隙间距，缓和所述晶体中的重复内光反射，保证了更高的折射率，提高SiPM光电转换效率。
进一步地，探测器角度控制模块包括角度信息采集模块与角度调整及固定模块；角度信息采集模块，将γ射线与晶体探测器阵列平面所成角度按x，y轴坐标分解为∠α与∠β并将其传输给角度调整及固定模块；角度调整及固定模块，接收对应∠α角度，若∠α>0,则顺时针转动，若∠α<0,则逆时针转动，以此调整整个探测器角度，使得x轴方向上探测器于入射γ射线垂直，直至∠α＝0，随后固定此x轴方向角度；接收对应∠β角度，若∠β>0,则顺时针转动，若∠β<0,则逆时针转动，调整整个探测器角度使得y轴方向上探测器于入射γ射线垂直，直至∠β＝0，随后固定此y轴方向角度。
进一步地，地层图像重建及成像模块包括信号采集模块、地层图像重建模块和图像降噪模块；信号采集模块，用于解析UDP内的时间信息、位置信息、能量信息并采集符合线输出至所述地层图像重建模块；地层图像重建模块，通过解析或迭代的方法重建湮灭事件发生的在空间中的位置分布，同时记录下同步的时间信息；图像降噪模块，通过基于轮廓波变换的图像自适应阈值提高图像信噪比从而降噪。
另一方面，提供了一种基于γ射线的地层层析成像方法，包括以下步骤：
S1.安放多个便携式等间距的γ剂量率仪进行γ外照检测来测量辐射场的照射量，并绘制γ射线的海拔、照射量响应值曲线，从而寻找到探测此山体的最佳位置布置γ射线探测器；
S2.启动γ射线数据探测器模块与符合事件采集处理模块，随后其角度控制模块感知γ射线张角∠α与∠β并以此对探测器进行角度旋转控制，使角度控制模块进行转动直至x轴的∠α＝0后，转动直至y轴的∠β＝0，角度控制模块固定此角度；
S3.γ射线数据探测器模块通过其闪烁晶体阵列，吸收γ光子激发形成闪烁光子，再通过其中SiPM光电转换阵列进行光电转换输出相应闪烁脉冲；
S4.符合事件采集处理电路接收脉冲数据集及其他信号，读取探测器采集到的信号，并进行时间甄别和能量甄别，随后进行采集和符合处理，并生成大量的符合线并进行打包数据成UDP传输；
S5.当地层图像重建系统接收了足够多的探测器对产生的数千万条符合线，对其通过解析或迭代的方法重建湮灭事件发生的在空间中的位置分布，并以断层的方式显示出来，同时记录下同步的时间信息；
S6.通过MATLAB软件将位置分布进行地质结构成像并以断层的方式构建图形，随后结合多个时间段存储在数据库中的断层分布图甄选后进行可视化显示，就形成了地层结构成像成像，最后通过软件甄别还原三维地质结构图或标记矿物在山体内部的断层成像分布图。
进一步地，步骤S1中安放多个便携式等间距的γ剂量率仪，应从多方向、不同海拔梯度进行安放。
进一步地，步骤S1中寻找山体的最佳位置布置γ射线探测器，具体为分别在山体两侧各寻找一个最佳位置进行布置。
本发明的有益效果：
1.本发明在确定探测位置的方法时，采用γ剂量率仪从多个方向等间距、按不同海拔梯度进行探测辐射剂量率，然后从中选取最佳位置安置γ射线探测器，收集到γ射线数据更加准确。
2.本发明通过设计探测器角度控制模块，用于感知γ射线角度并以此对探测器进行角度旋转控制，包括角度信息采集模块与角度调整及固定模块，从而使探测器能接收更大入射面积的γ射线，收集到的数据更丰富，探测结果更加准确。
3.本发明通过在晶体探测器阵列上覆盖了反射层，在晶体探测器阵列内部晶体之间用耦合层贴合，上述反射层与耦合层相互作用，大大减小了晶体间的缝隙间距，从而缓和了所述晶体中的重复内光反射，保证了更高的折射率，使得SiPM光电转换效率大大提高，这能为之后计算机上获得更完整、更高信噪比的重建图像作准备。
4.本发明通过使用硅光电倍增探测器(Silicon Photo-multiplier，SiPM)作为光电转换模块，较现有技术光电倍增管PMT和雪崩光电二极管APD电路，可以使γ射线探测器光电转换效率更高、工作电压低、模块体积小、快速响应、宽光谱响应范围优点，从而为成像获得更高的空间分辨率。
附图说明
附图1是成像系统三级模块图。
附图2是实施例成像系统的装置结构示意图。
附图3是γ射线射入射角度信息采集模块分解图。
附图4是角度感应器截面的采集射线角度信息示意图。
附图5是γ射线成像探测器阵列与山体间布置的横向界面图。
附图6是γ剂量率仪分布俯视图。
附图7是实施例山体层析成像图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例对本发明做进一步的描述，有必要在此指出的是以下实施例只是用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述发明内容所做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1
一种基于γ射线的地层层析成像系统
结合附图1，附图1为本发明成像系统三级模块图。本发明提供的一种基于γ射线的地层层析成像系统，结构上包括γ射线数据探测器模块100，符合事件采集处理模块200，地层图像重建及成像模块300。
γ射线数据探测器模块100，用于控制晶体阵列角度以接收更大面积γ射线，接收γ射线并进行光电转换为闪烁脉冲信号(电信号)输出给符合事件采集处理模块200处理；其结构上，γ射线数据探测器模块100，包括晶体探测器模块110和探测器角度控制模块120；其中，探测器控制模块120输出角度控制信息给晶体探测器阵列110。
其中，探测器角度控制模块120，用于感知γ射线角度并以此对探测器进行角度旋转控制，使之获取不同角度的射线衰减粒子信息。结构上包括角度信息采集模块121、角度调整及固定模块122；进一步地，角度信息采集模块121和角度调整及固定模块122共同输出实时角度控制信息给晶体探测器模块110。其中，角度信息采集模块121用于感知γ射线水平信息，角度调整及固定模块122用于感知γ射线垂直信息。
其中，晶体探测器阵列110，用于探测γ光子束的变化，并进行激发和光电转换输出相应闪烁脉冲(电平信号)。结构上包括闪烁晶体阵列111和SiPM光电转换阵列112。进一步地，闪烁晶体控制阵列111输出闪烁光子给SiPM光电转换阵列112，SiPM光电转换阵列112输出相应闪烁脉冲(电平信号)给后续的符合事件采集处理模块200。其中，闪烁晶体模块110用于吸收γ光子被阻挡产生的沉积能量并被激发到高能级，并以一定的发光衰减时间退激同时各向同性地形成闪烁光子；SiPM光电转换阵列112用于以一定的概率(取决于光敏器件的光探测效率(Photon Detection Efficiency,PDE))探测闪烁光子完成光电转换过程并最终形成输出电信号。
符合事件采集处理模块200，由γ射线数据探测器模块100输入，输出给图像重建及成像模块，包括ADC处理模块210(Analog-to-Digital Converter的缩写,指模/数转换器，以下简称ADC)、MVT处理模块220(即为多电压阈值Multi-Voltage Threshold多电压阈值，以下简称MVT)和FPGA处理器模块230，其用于接收γ射线的脉冲数据集及其他信号，读取探测器采集到的信号并进行时间甄别和能量甄别，随后对闪烁脉冲进行数据采集和符合处理，并生成大量的符合线。
其中，ADC处理模块210输入为SiPM光电转换阵列112，随后输出给FPGA处理器模块230，其用于将光电倍增管传输来的闪烁脉冲信号进行运算放大处理，然后将其数字信号进行数模转换并进行采样，获得能量信息和位置信息并发送给FPGA处理器模块230。MVT处理模块220，输入为SiPM光电转换阵列112，输出给FPGA处理器模块230，其用于对光电倍增管模块输出的打拿极信号进行基于MVT方法的数字化采样，并将采样数据发送至FPGA处理器模块230。至于FPGA处理器模块230的工作分为两步，一方面其将接收的ADC处理模块210产生的能量信息和位置信息并进行符合处理，以及对MVT处理模块220传来的采样信息进行处理测量时间间隔得到闪烁脉冲时间信息，另一方面FPGA模块将符合后的闪烁脉冲位置信息、能量信息、时间信息及闪烁脉冲前沿的上升时间，通过千兆以太网(由FPGA外围电路中88E1111芯片组网，在符合事件采集处理模块较多时，会加入交换机级联)将其封装成UDP数据包(按照UDP协议传输)发送给电脑的图像重建系统处理。
地层图像重建及成像模块300，由信号采集模块310、地层图像重建模块320、图像降噪模块330、地层结构成像及显示模块340和地层结构图像数据库模块350组成；信号传输上，信号采集模块310输出给地层图像重建模块320，再输出给图像降噪模块330，最后图像降噪模块330输出给地层结构成像及显示处理模块340并由其输出给地层结构图像数据库模块350备份保存，同时地层结构图像数据库模块350返还之前的地层图像信息给结构成像及显示处理模块340以组合对比地层图像信息给结构成像及显示处理模块340。其用于将接收到的数据进行格式转换、校正、重组、图像重建、数据储存以及可视化显示，通过软件甄别得到山体地质结构图与标记矿物在山体内部的空间分布图。
其中，信号采集模块310用于解析UDP(User Datagram Protocol，用户数据报协议)数据包内的时间信息、位置信息、能量信息并采集足够多的探测器产生的数千万条符合线，并将信号发送至所述地层图像重建模块；进一步地，地层图像重建模块320用于通过解析(如滤波反投影法)或迭代(如ART,ML-EM算法)的方法重建湮灭事件发生的在空间中的位置分布，同时记录下同步的时间信息；图像降噪模块330，用于通过基于contourlet变换的图像自适应阈值提高图像信噪比从而降噪；地层结构图像数据库模块350由地层图像重建模块320输入，用于存储备份经过所述地层图像重建模块和所述图像后处理及显示模块处理的图像数据。地层结构成像及显示模块340将降噪后的位置分布进行地质结构成像并以断层的方式构建图形，随后结合多个时间段存储在数据库中的断层分布图甄选后进行可视化显示，就形成了地层结构成像成像，最后通过软件甄别还原三维地质结构图与标记矿物在山体内部的空间分布图。
UPS防断电直流电源模块400，用于保证γ射线数据探测器模块100和符合事件采集处理模块200的稳定工作，在遭遇突发情况系统断电后，仍能保持8小时以上的工作电源，以便进行关机前的修复与存档动作(由于地层图像重建及成像模块300重建图像需要计算机上人工控制进行，其正常市电供电即可)。其中UPS防断电直流电源模块400输出给12V、24V直流电压γ射线数据探测器模块100和符合事件采集处理模块200。
根据本发明的一个实施例，结合附图2探测器与计算机的结构图，其中：1.反射层，2.耦合层，3.LSO闪烁晶体，4.SiPM探测单元，5.SiPM光电转换电路，6.符合事件采集处理模块，7.探测器角度控制装置，其中7A为角度信息采集模块，7B为角度调整及固定模块。
由图2可知，本发明需要以下设备：γ射线探测器，服务器，交换机/路由器，千兆以太网线，图像显示屏。其中计算机主机与γ射线探测器相连并接受探测器模块发送的信息，计算机主机对信息进行分析处理，整理成数据，在对数据运用最小二乘法进行二次处理，将二次数据输入与计算机主机相连的图像显示屏，运用图像成形软件反演出山体地层图像并显示在图像显示屏上。
对于γ射线的角度信息采集模块提取角度信息原理，如图3的γ射线射入射角度信息采集模块分解图所示，一个γ射线射入角度感应模块的表面的光导有机玻璃后，入射γ射线会与平面成一定角度，这一角度可依据坐标分解为∠α与∠β，入射光线投影到x轴平面上的夹角即为∠α，入射光线投影到y轴平面上的夹角即为∠β。
计算∠α与∠β方法原理相同，此处说明计算∠α方法。计算γ射线投影到对应x轴(y轴)角度原理如图4所示，晶体阵列两边镶嵌有角度信息采集装置7A1为光导有机玻璃，7A2为γ射线感应电路，γ射线穿过角度感应器表面的光导玻璃后，在晶体阵列表面的横坐标与纵坐标各形成一定角度∠α与∠β。在纵坐标方向上，当环境中的γ射线沿x轴方向向下倾斜时，会使入射点垂直延伸的入射基准线产生一个投影点到原点距离x1,与打在相关伽马感应电路与出射点纵坐标x2产生差值△x，△x＝x1-x2，x轴方向上的角度用α表示：
a＝arctan(△x/L)
其中，x为被测γ线的x轴方向投影与基准线之间的差值，单位为mm，L为光导玻璃厚度，单位为mm。随后7A2依据上述原理计算角度a并将其传输至7B探测器角度控制模块以控制整个探测器角度，当输出a<0则调整探测器顺时针转动，当输出a>0则调整探测器逆时针转动，直至a＝0，x轴方向角度调整完成(水平角度同理)，随后固定此角度，继续调整y轴方向的∠β直至∠β＝0，固定此角度。
一种基于γ射线的地层层析成像方法，方法简图如图5所示，包含以下步骤：
S1.在所选的山体上从多方向、不同海拔梯度，安放多个便携式等间距的γ剂量率仪进行γ外照检测，来测量辐射场的照射量，并绘制γ射线的海拔、照射量响应值曲线，从而寻找到观测此山体的最佳位置并在山体两侧分别布置γ射线探测器阵列，方法如图6所示；
S2.在所确定的位置安置探测器，并将γ射线探测器用数据线和计算机相连，随后探测器角度控制模块感知γ射线角度，通过记录△x与L计算每个探测器的张角α(i代表对应探测器编号)：
即通过α＝arctan(△x/L)与
式计算，角度控制模块进行转动直至x轴的∠α＝0后，随后转动直至y轴的∠β＝0，角度控制模块固定此角度。
S3.角度确定后，探测器和符合事件处理模块随之开启，对探测器进行安全检测，保证探测器可以正常运行后开始采集穿过山体的γ射线并生成闪烁脉冲数据集，随后将其处理为位置、时间、能量信息并封装为数据帧进行符合处理；
S4.开启计算机后，通过BDM-platform软件配合下位机探测系统完成数据采集、校正和重建等功能对每个探测器传来的符合信息进行预处理降噪，将每个探测器的数据信息Pi分别保存；
S5.运用图像成形软件Matlab，对其通过基于泊松模型的ML-EM迭代算法的方法重建湮灭事件发生的在空间中的位置分布，并以断层的方式显示出来，同时记录下同步的时间信息，随后输入二次数据，反演出山体内部成像，其结果参见图7。
Claims (6)
1.一种基于γ射线的地层层析成像系统，其特征在于，包括γ射线数据探测器模块、符合事件采集处理模块和地层图像重建及成像模块，并依次进行连接；
所述γ射线数据探测器模块，用于从宇宙射线中分离采集γ射线并进行光电转换为脉冲信号；所述γ射线数据探测器模块包括晶体探测器阵列和探测器角度控制模块；所述晶体探测器阵列，由闪烁晶体阵列和SiPM光电转换模块组成，位于探测器最顶端，用来探测采集γ光子束的变化，并进行激发和光电转换输出相应闪烁脉冲；反射层，覆盖于晶体探测器阵列上，可反射其他外部可见光光线并保护内部晶体；所述探测器角度控制模块，位于探测器的符合事件采集处理模块下方，用于感知γ射线角度并以此对探测器进行角度旋转控制；
所述符合事件采集处理模块，对脉冲信号进行采集和处理，从中提取成像数据并封装成UDP数据包；所述成像数据包含时间信息、能量信息、位置信息；
所述地层图像重建及成像模块，将成像数据经过处理后，通过解析或迭代的方法进行地层图像重建及成像；所述地层图像重建及成像模块包括信号采集模块、地层图像重建模块和图像降噪模块；所述信号采集模块，用于解析UDP内的时间信息、位置信息、能量信息并采集符合线输出至所述地层图像重建模块；所述地层图像重建模块，通过解析或迭代的方法重建湮灭事件发生的在空间中的位置分布，同时记录下同步的时间信息；所述图像降噪模块，通过基于轮廓波变换的图像自适应阈值提高图像信噪比从而降噪。
2.根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述闪烁晶体阵列由闪烁晶体组成，可吸收γ光子激发形成闪烁光子；
所述闪烁晶体之间贴合耦合层，具有一定形变性，可减小晶体间的缝隙间距，缓和所述晶体中的重复内光反射，保证了更高的折射率，提高SiPM光电转换效率。
3.根据权利要求2所述的成像系统，其特征在于，所述探测器角度控制模块包括角度信息采集模块与角度调整及固定模块；
所述角度信息采集模块，将γ射线与晶体探测器阵列平面所成角度按x、y轴坐标分解为∠α与∠β并将其传输给角度调整及固定模块；
所述角度调整及固定模块，接收对应∠α角度，若∠α>0,则顺时针转动，若∠α<0,则逆时针转动，以此调整整个探测器角度，使得x轴方向上探测器与入射γ射线垂直，直至∠α＝0，随后固定此x轴方向角度；接收对应∠β角度，若∠β>0,则顺时针转动，若∠β<0,则逆时针转动，调整整个探测器角度使得y轴方向上探测器与入射γ射线垂直，直至∠β＝0，随后固定此y轴方向角度。
4.一种基于γ射线的地层层析成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.安放多个便携式等间距的γ剂量率仪进行γ外照检测来测量辐射场的照射量，并绘制γ射线的海拔、照射量响应值曲线，从而寻找到探测此山体的最佳位置布置γ射线探测器；
S2.启动γ射线数据探测器模块与符合事件采集处理模块，随后其角度控制模块感知γ射线张角∠α与∠β并以此对探测器进行角度旋转控制，使角度控制模块进行转动直至x轴的∠α＝0后，转动直至y轴的∠β＝0，角度控制模块固定此角度；
S3.γ射线数据探测器模块通过其闪烁晶体阵列，吸收γ光子激发形成闪烁光子，再通过其中SiPM光电转换阵列进行光电转换输出相应闪烁脉冲；
S4.符合事件采集处理电路接收脉冲数据集及其他信号，读取探测器采集到的信号，并进行时间甄别和能量甄别，随后进行采集和符合处理，并生成大量的符合线并进行打包数据成UDP传输；
S5.当地层图像重建系统接收了足够多的探测器对产生的数千万条符合线，对其通过解析或迭代的方法重建湮灭事件发生的在空间中的位置分布，并以断层的方式显示出来，同时记录下同步的时间信息；
S6.通过MATLAB软件将位置分布进行地质结构成像并以断层的方式构建图形，随后结合多个时间段存储在数据库中的断层分布图甄选后进行可视化显示，就形成了地层结构成像成像，最后通过软件甄别还原三维地质结构图或标记矿物在山体内部的断层成像分布图。
5.根据权利要求4所述的成像方法，其特征在于，所述步骤S1中安放多个便携式等间距的γ剂量率仪，应从多方向、不同海拔梯度进行安放。
6.根据权利要求4所述的成像方法，其特征在于，所述步骤S1中寻找山体的最佳位置布置γ射线探测器，具体为分别在山体两侧各寻找一个最佳位置进行布置。
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