CN111290039A - 一种用于圆柱体容器内重核材料探测的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于圆柱体容器内重核材料探测的方法，包括以下步骤：步骤S1、将目标物体放置于圆柱体容器内；步骤S2、获取散射数据；步骤S3、以倾斜后的容器底面中心为原点，以圆柱体轴向为Z轴方向，X轴方向为垂直于Z轴的平面内任意方向，建立三维笛卡尔坐标系；步骤S4、将容器等间距划分为N个圆盘层并从底部往上将各个圆盘层依次编号；步骤S5、获取各个μ子的入射和出射径迹，将径迹变换到步骤S3建立的坐标系内，根据径迹特征对μ子进行统计和分类选择；步骤S6、对分类后的μ子径迹分别进行反演，获取容器上下结构图像，对图像进行整合，得到总体结构组成信息。本发明可减少成像时间、降低计算资源消耗；可保持较高的层间边界分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及核技术应用领域，具体的讲，是涉及一种用于圆柱体容器内重核材料探测的方法。
背景技术
在当今世界地缘政治不稳定、形势复杂多变的大背景下，为应对核恐怖活动与核材料走私，各国加强了对铀、钚等重核材料的管制，以降低被盗窃和非法运输的风险。其中一个重要手段就是在重要的交通枢纽(如边防关卡、码头、机场等)处部署基于X、γ射线成像等技术的高性能探测系统。但是，此类技术难以对强屏蔽的核材料进行有效的探测，因为这些射线源穿透能力有限，且对乘客和驾驶员有潜在的辐照危害。
在这种背景下，利用天然宇宙射线作为探针的μ子成像技术应运而生，具有无人工辐射、穿透性强、灵敏度高、环境友好等诸多优点，使得该技术在重核材料探测方面尤为实用。目前已在核安保场景中得到初步应用，但由于宇宙射线通量有限、现有成像算法机制复杂等原因，其应用范围受到很大限制。传统μ子成像方法在处理圆柱体容器对象时，采用形状无关的通用三维正交网格进行体素划分，导致体素数量庞大，所需成像检测时间较长、计算资源消耗大；常规的正则化方法的图像噪声难抑制、层间边界分辨率较低；探测花费时间不可控。
发明内容
为克服现有技术存在的问题，本发明提供一种解决了检测时间短、计算资源消耗小、有效抑制图像噪声、有较高的层间边界分辨率、探测花费时间可控的用于圆柱体容器内重核材料探测的方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于圆柱体容器内重核材料探测的方法，包括以下步骤：
步骤S1、将目标物体放置于圆柱体容器内；
步骤S2、将圆柱体容器以倾斜方式放置，利用宇宙射线μ子对圆柱体容器进行探询，获取散射数据；
步骤S3、以倾斜后的圆柱体容器底面中心为原点，以圆柱体轴向为Z轴方向(从圆柱体底部到顶部为其正向)，X轴方向为垂直于Z轴的平面内任意方向，建立三维笛卡尔坐标系；
步骤S4、将圆柱体容器等间距划分为N个圆盘层，并从底部往上将各个圆盘层从1～N依次编号；
步骤S5、获取各个μ子的入射和出射径迹，将径迹变换到步骤S3建立的坐标系内，并根据径迹特征对μ子进行统计和分类选择；
步骤S6、通过对分类后的μ子径迹分别进行反演，获取容器上下两部分结构图像，并对图像进行整合，获取总体结构组成信息。
进一步地，所述步骤S1中的目标物体和圆柱体容器均为任意尺寸。
进一步地，所述步骤S5中的对μ子分类为分成：第一类，μ子从圆柱体容器上顶面入射，从圆柱体容器侧面第i层圆盘层出射；第二类，μ子从圆柱体容器侧面第i层圆盘层入射，从圆柱体容器底面出射。
具体地，所述第一类出射层为第i层的μ子通过如下公式计算其在第j个圆盘层中穿过的路径长度Pij：
式中，i为μ子出射的圆盘层的编号，j为任一圆盘层编号，Pij为μ子在第j层中穿过的路径长度，H为圆柱体容器的高，N为圆柱体容器的总层数，cos(α′i)为μ子入射方向与铅垂线形成的夹角α′i的余弦函数值。
具体地，所述第二类入射层为第i层的μ子通过如下公式计算其在第j个圆盘层中穿过的路径长度Pij：
式中，i为μ子入射的圆盘层的编号，j为任一圆盘层编号，Pij为μ子在第j层中穿过的路径长度，H为圆柱体容器的高，N为圆柱体容器的总层数，cos(α′i)为μ子入射方向与铅垂线形成的夹角α′i的余弦函数值。
具体地，所述步骤S6是通过对μ子径迹进行反演，获取μ子的辐射长度权重路径长度Li，进而获取圆柱体容器内目标物体的辐射长度权重体密度
具体通过如下公式获得：
式中，Li为出射或入射层编号为i的所有μ子的辐射长度权重路径长度，Pij为μ子在第j层中穿过的路径长度，ρj是第j层材料的体密度，Xj是第j层材料的辐射长度，
是第j层材料的辐射长度权重体密度。
本发明的设计原理在于，利用重核材料对μ子的散射特性，通过将圆柱体容器近似看作一个多层等厚圆盘的堆叠模型，并通过倾斜式放置方式实现不同入射角度μ子的径迹特征差异化，进而通过特定反演算法获取了圆柱体轴向不同位置处的材料散射特征量，实现了圆柱体容器内部重核材料的快速成像。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明充分利用圆柱体容器的几何对称性特点，采用直观和适用性强的倾斜式分层堆叠模型来实现体素划分方式的简化近似，相较于传统μ子成像方法在处理圆柱体容器对象时，采用形状无关的通用三维正交网格进行体素划分，导致体素数量庞大，所需成像检测时间较长，本发明可显著提升成像的时间效率，从而在一定程度上解决了传统方法成像时间过长、计算资源消耗大等难题。
(2)本发明在图像反演算法中，采用了总变分正则化方法来求解病态线性方程组，与经典Abel变换或Tikhonov等其它正则化方法相比，在有效抑制图像噪声的同时，还能保持较高的层间边界分辨率。
(3)本发明设计巧妙，易于实现，且可以根据空间分辨率需求，来控制探测时间，非常适用于在关卡、码头等安检区域以及核工厂检测贮存桶等容器内可能藏匿的重核材料。
附图说明
图1为本发明中采用的宇宙射线μ子探测系统结构示意图。
图2为对比例1的识别结果。
图3为对比例2的识别结果。
具体实施方式
下面结合附图说明和对比例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下对比例。
具体的探测过程如下：
步骤S1、将目标物体放置于圆柱体容器中；
步骤S2、将放置有目标物体的圆柱体容器以倾斜方式(倾斜角度为
)放置于布置有宇宙射线μ子探测系统的空间中的水平面上，利用天然μ子对目标容器进行探询，获取一定扫描时间内μ子穿过容器后的散射数据；
步骤S3、为了方便径迹统计，将圆柱体容器垂直放置于水平面上的底面中心为原点，建立原三维笛卡尔坐标系，该坐标系以圆柱体轴向为Z轴方向(从圆柱体底部到顶部为其正向)，X轴方向可在垂直于Z轴的平面内任意选择；使原三维笛卡尔坐标系围绕中心点，并依照与圆柱体容器旋转方向相同的方向做角度为
的旋转变换，再将旋转后的三维笛卡尔坐标系的中心点平移到倾斜后的容器底面中心点上，得到一个新的三维笛卡尔坐标系，其中，新的三维笛卡尔坐标系的X轴、Y轴、Z轴相对于旋转
度后的圆柱体容器的位置与原三维笛卡尔坐标系的X轴、Y轴、Z轴相对于垂直放置于水平面上的圆柱体容器的位置相同，新的三维笛卡尔坐标系与原三维笛卡尔坐标系的关系如下：
其中，(x′,y′,z′)表示原坐标系下的点(x,y,z)经过变换后在新的坐标系上的坐标，上标T表示转置运算，
表示与倾斜角
有关的旋转变换矩阵：
步骤S4、将圆柱体容器等间距划分为N个圆盘层，并从底部往上将各个圆盘层从1～N依次编号；
步骤S5、在新的坐标系下，分别对各个μ子在各层探测器上的响应点进行最小二乘拟合，获得其入射和出射径迹，将径迹变换到步骤S3建立的坐标系内，并根据其径迹特征，将所有穿过圆柱体容器的μ子加以统计分类，并选取其中两类μ子用于成像分析：第一类是从圆柱体顶面入射、从侧面出射的μ子，第二类是从圆柱体侧面入射、从底面出射的μ子，
其中，第一类出射层为第i层的μ子通过如下公式计算其在第j个圆盘层中穿过的路径长度Pij：
式中，i为μ子出射的圆盘层的编号，j为任一圆盘层编号，Pij为μ子在第j层中穿过的路径长度，H为圆柱体容器的高，N为圆柱体容器的总层数，cos(α′i)为μ子入射方向与铅垂线形成的夹角α′i的余弦函数值；
第二类入射层为第i层的μ子通过如下公式计算其在第j个圆盘层中穿过的路径长度Pij：
式中，i为μ子入射的圆盘层的编号，j为任一圆盘层编号，Pij为μ子在第j层中穿过的路径长度，H为圆柱体容器的高，N为圆柱体容器的总层数，cos(α′i)为μ子入射方向与铅垂线形成的夹角α′i的余弦函数值。
步骤S6、通过对分类后的μ子径迹分别进行反演，获取容器上下两部分结构图像，并对图像进行整合，获取总体结构组成信息，具体是通过对μ子径迹进行反演，获取μ子的辐射长度权重路径长度Li，进而获取圆柱体容器内目标物体的辐射长度权重路径长度
通过如下公式获得：
式中，Li为出射或入射层编号为i的所有μ子的辐射长度权重路径长度，Pij为μ子在第j层中穿过的路径长度，ρj是第j层材料的体密度，Xj是第j层材料的辐射长度，
是第j层材料的辐射长度权重体密度；
然后利用总变分(Total Variation)正则化方法来对上述方程进行求解，即可获得第j(1≤j≤N)层辐射长度权重体密度
随层序号j的变化直方图，此即一维简化近似后的圆柱体内部结构图像。相应的图像空间分辨率可达
通过本分析方法对圆柱体容器内重核材料进行探测的具体结果将通过如下对比例对比。
对比例1
通过本方法识别藏匿于圆柱体容器内的材料种类。
本发明中采用的宇宙射线μ子探测系统结构如图1所示。
将厚度为10cm的铀块、厚度为10cm的铁块和厚度为10cm的铅块分别放置于三个尺寸均为底面半径30cm、高80cm的圆柱体容器中，将分别放置有厚度10cm的铀块、厚度为10cm的铁块和厚度为10cm的铅块的三个圆柱体容器依次进行检测：将圆柱体容器置于布置有宇宙射线μ子探测系统的空间中，将圆柱体容器呈倾斜式(倾斜角度为
)放置于水平面上，利用天然μ子对目标容器进行探询，获取一定扫描时间内μ子穿过容器后的散射数据，分别扫描获取圆柱体容器内不同轴向位置处的辐射长度权重密度，根据各条曲线中高台部分对应的特征量，并与已知材料的标准值进行比对，即可判定圆柱体容器内藏匿物是否为重核材料铀。
藏匿有未知物体圆柱体容器在检测1小时左右即可获得检测结果，进而通过将检测结果与铀的标准值做对比，进而区分识别出容器内藏匿物为铀还是其它两种替代材料。检测结果如图2所示，藏匿物的辐射长度权重密度为检测1h时的曲线在纵坐标上的最高值与其在纵坐标上的最低值的相对落差，藏匿有铀块的容器在检测1小时后获得的辐射长度权重密度约为10，藏匿有铁块的容器在检测1小时后的辐射长度权重密度约为1.5，藏匿有铅块的容器在检测1小时后的辐射长度权重密度约为7。根据检测出的辐射长度权重密度即可区分出具体哪个容器藏匿有铀块。
对比例2
通过本方法评估藏匿于圆柱体容器内的材料尺寸。
将一个底面半径30cm、高80cm的圆柱体容器的空罐和三个分别装载10cm、30cm、50cm的铀块的相同尺寸的圆柱体容器分别依次置于布置有宇宙射线μ子探测系统的空间中，将圆柱体容器呈倾斜式(倾斜角度为
)放置于水平面上，利用天然μ子对目标容器进行探询，获取一定扫描时间内μ子穿过容器后的散射数据；分别扫描获取四个圆柱体容器内不同轴向位置处的辐射长度权重密度。根据各条曲线中高台部分对应的半高宽度(即FWHH值，对应圆柱体的轴向上的长度)，即可判定圆柱体容器内藏匿的重核材料铀的尺寸(厚度)信息。在检测1小时左右即可获得不同铀块的厚度大小，其分辨率可达厘米量级。
其检测结果如图3所示，藏匿物材料尺寸(厚度)为检测1h时曲线高台部分的半高宽。图中结果表明，空罐在检测1小时后，根据图3(a)的高台的半高宽，可得出圆柱体容器内的藏匿物厚度约为0cm；装载10cm铀块的圆柱体容器在检测1小时后，根据图3(b)的高台的半高宽，可得出圆柱体容器内的藏匿物厚度约为10cm；装载30cm铀块的圆柱体容器在检测1小时后，根据图3(c)的高台的半高宽，可得出圆柱体容器内的藏匿物厚度约为30cm；装载50cm铀块的圆柱体容器在检测1小时后，根据图3(d)的高台的半高宽，可得出圆柱体容器内的藏匿物厚度约为50cm。
上述对比例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种用于圆柱体容器内重核材料探测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、将目标物体放置于圆柱体容器内；
步骤S2、将圆柱体容器以倾斜方式放置，利用宇宙射线μ子对圆柱体容器进行探询，获取散射数据；
步骤S3、以倾斜后的圆柱体容器底面中心为原点，以圆柱体轴向为Z轴方向，X轴方向为垂直于Z轴的平面内任意方向，建立三维笛卡尔坐标系；
步骤S4、将圆柱体容器等间距划分为N个圆盘层，并从底部往上将各个圆盘层从1～N依次编号；
步骤S5、获取各个μ子的入射和出射径迹，将径迹变换到步骤S3建立的坐标系内，并根据径迹特征对μ子进行统计和分类选择；
步骤S6、通过对分类后的μ子径迹分别进行反演，获取容器上下两部分结构图像，并对图像进行整合，获取总体结构组成信息。
2.根据权利要求1所述的一种用于圆柱体容器内重核材料探测的方法，其特征在于，所述步骤S1中的目标物体和圆柱体容器均为任意尺寸。
3.根据权利要求1所述的一种用于圆柱体容器内重核材料探测的方法，其特征在于，所述步骤S5中的对μ子分类为分成：第一类，μ子从圆柱体容器上顶面入射，从圆柱体容器侧面第i层圆盘层出射；第二类，μ子从圆柱体容器侧面第i层圆盘层入射，从圆柱体容器底面出射。
4.根据权利要求3所述的一种用于圆柱体容器内重核材料探测的方法，其特征在于，所述第一类出射层为第i层的μ子通过如下公式计算其在第j个圆盘层中穿过的路径长度Pij：
式中，i为μ子出射的圆盘层的编号，j为任一圆盘层编号，Pij为μ子在第j层中穿过的路径长度，H为圆柱体容器的高，N为圆柱体容器的总层数，cos(α’i)为μ子入射方向与铅垂线形成的夹角α’i的余弦函数值。
5.根据权利要求3所述的一种用于圆柱体容器内重核材料探测的方法，其特征在于，所述第二类入射层为第i层的μ子通过如下公式计算其在第j个圆盘层中穿过的路径长度Pij：
式中，i为μ子入射的圆盘层的编号，j为任一圆盘层编号，Pij为μ子在第j层中穿过的路径长度，H为圆柱体容器的高，N为圆柱体容器的总层数，cos(α’i)为μ子入射方向与铅垂线形成的夹角α’i的余弦函数值。
6.根据权利要求4或5所述的一种用于圆柱体容器内重核材料探测的方法，其特征在于，所述步骤S6是通过对μ子径迹进行反演，获取μ子的辐射长度权重路径长度Li，进而获取圆柱体容器内目标物体的辐射长度权重体密度
具体通过如下公式获得：
式中，Li为出射或入射层编号为i的所有μ子的辐射长度权重路径长度，Pij为μ子在第j层中穿过的路径长度，ρj是第j层材料的体密度，Xj是第j层材料的辐射长度，
是第j层材料的辐射长度权重体密度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200616 |