CN111458759A - 一种多用途的宇宙射线探测成像方法、装置及系统 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种多用途的宇宙射线探测成像方法、装置及系统，多用途的宇宙射线探测成像方法包括根据被检测对象进行探测单元拼接；利用拼接后探测单元获取探测数据；对拼接后探测单元进行数据同步；对同步后探测数据进行修正；对修正后探测数据进行反演以获取被检测对象的内部结构成像。本申请可以实现即组合即用的的灵活组合方式从而实现各种应用场景的探测；并且，从根本上解除了对人造射线源的依赖，利用天然宇宙射线作为射线源对大面积、大量物品等被检测对象进行安全检查，应用场景更广泛、检测结果更加准确。

Description

一种多用途的宇宙射线探测成像方法、装置及系统
技术领域
本申请涉及无损成像技术领域，尤其是一种多用途的宇宙射线成像的探测方法、装置及系统。
背景技术
宇宙射线缪子是由来自太空的高能宇宙射线(主要是高能质子)与大气层相互作用产生的次级射线粒子。宇宙射线缪子能域宽、穿透性强，是来自大自然的免费射线源，对一定尺度的目标物成像方面具有人工射线装置不可比拟的优势，因此逐步被人们重视并开始应用于科研与工业各个方面，例如，将宇宙射线缪子作为射线源，将射线源穿透特定大型目标物如火山、大型核废料容器、大型卡车、大型军事工程及反应堆堆芯实现无损成像，但由于传统探测系统形体过大，移动性非常差，并且功能单一，每个功能只针对同一种探测场景，不同应用场景的探测系统需要重新设计制造，成本高且使用不便。
现有宇宙射线缪子探测技术，国内专利(CN201310190342、CN201310207296、CN201320888363、CN20138005500、CN201520397898、CN2015800205127、CN2016100450680、CN2016100465154、CN2018101564599)进行了较为详细的阐述。
以上专利介绍了现有宇宙射线缪子探测器系统及其在安检等方面的应用。目前宇宙射线缪子探测系统都只是针对特定的探测目标、只适用于特定的测量场景如关口的安检、高Z材料成像等等。存在体积大、移动性差、探测场景固定单一等不足。
美国发明专利(US7470905、US2007010268、US20080315091)公布一种宇宙射线缪子探测系统，用于汽车及其他重物质的安检，探测系统同样只适用于某一特定的测量环境，扩展性差。若测量目标物或是场景发生变化，那么需要重新研制，成本增大。
发明内容
为至少在一定程度上克服传统探测系统形体过大，移动性非常差，并且功能单一，每个功能只针对同一种探测场景，不同应用场景的探测系统需要重新设计制造，成本高且使用不便的问题，本申请提供一种多用途的宇宙射线探测成像方法、装置及系统。
第一方面，本申请提供一种多用途的宇宙射线探测成像方法，包括：
根据被检测对象进行探测单元拼接；
利用拼接后探测单元获取探测数据；
对拼接后探测单元进行数据同步；
对同步后探测数据进行修正；
对修正后探测数据进行反演以获取被检测对象的内部结构成像。
进一步的，所述对所述探测数据进行修正，包括：
计算所述宇宙射线位置；
重构所述宇宙射线方向；
根据所述宇宙射线位置和宇宙射线方向对所述探测数据进行修正。
进一步的，所述利用拼接后探测单元获取探测数据，包括：
利用拼接后探测单元发射宇宙射线获取原始数据；
对原始数据进行处理获取探测数据。
进一步的，所述对原始数据进行处理包括，包括：
所述对原始数据进行处理包括对所述原始数据进行噪声和二级软件时间符合处理，剔除假信号、剔除非宇宙射线信号中的一种或多种。
进一步的，所述对修正后探测数据进行反演以获取被检测对象的内部结构成像，包括：
利用强度衰减信息反演算法，和/或，利用角度散射信息反演算法获取被检测对象的内部结构成像。
进一步的，所述被检测对象的内部结构成像，包括：
被检测对象的内部结构的二维图像，和/或，被检测对象的内部结构的三维图像。
第二方面，本申请提供一种多用途的宇宙射线探测成像装置，包括：
探测单元拼接模块，用于根据被检测对象进行探测单元拼接；
探测数据获取模块，用于利用拼接后探测单元获取探测数据；
探测数据同步模块，用于对拼接后探测单元内数据进行同步；
探测数据修正模块，用于对所述探测数据进行修正；
数据成像模块，用于对修正后探测数据进行反演以获取被检测对象的内部结构成像。
第三方面，本申请提供一种多用途的宇宙射线探测成像系统，包括：
上层探测器、下层探测器和处理器；
所述上层探测器或下层探测器用于获取宇宙射线的位置数据；
上层探测器和下层探测器分别由可拼接的探测单元组成；
所述处理器用于获取探测数据，对所述探测数据进行同步和修正以得到被检测对象的内部结构成像。
进一步的，所述上层探测器和所述下层探测器分别为两层探测器，或者，所述上层探测器和所述下层探测器分别为三层探测器。
进一步的，所述可拼接的探测单元为正方形，或者，所述可拼接的探测单元为三角形。
本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本申请根据被检测对象进行探测单元拼接，实现即组合即用的的灵活组合方式从而实现各种应用场景的探测；利用拼接后探测单元获取探测数据，对拼接后探测单元内数据进行同步，可以根据探测目标的形状与大小，进行灵活组合，对探测数据进行修正，对修正后探测数据进行反演以获取被检测对象的内部结构成像，从根本上解除了对人造射线源的依赖，利用天然宇宙射线作为射线源对大面积、大量物品、以及小体积物品等被检测对象进行安全检查，获取其内部成像，由于宇宙射线比现有的电子射线源有更强的穿透力，因此可以使应用场景更广泛、检测结果更加准确。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1是本申请一个实施例提供的一种多用途的宇宙射线探测成像方法的流程图。
图2是本申请另一个实施例提供的一种多用途的宇宙射线探测成像方法的流程图。
图3是本申请一个实施例提供的一种多用途的宇宙射线探测成像装置的功能结构图。
图4是本申请一个实施例提供的一种多用途的宇宙射线探测成像系统的功能结构图。
图5是本申请一个实施例提供的一种多用途的宇宙射线探测成像系统的探测示意图。
图6是本申请一个实施例提供的一种多用途的宇宙射线探测成像方法的原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
图1是本申请一个实施例提供的多用途的宇宙射线探测成像方法的流程图。
如图1所示，本实施例提供的多用途的宇宙射线探测成像方法，包括：
S11：根据被检测对象进行探测单元拼接；
对每个可拼接探测单元采用热插拔和电子学设置，实现各种被检测对象及各种应用场景的探测。
S12：利用拼接后探测单元获取探测数据；
S13：对拼接后探测单元进行数据同步；
如图6所示，拼接后探测单元各层之间事例重建原理包括：
每个可拼接探测单元的前端电子学均包含一个计时器，该计时器的翻转和复位由一个公共的时钟模块同时控制，从而保证各个计时器的时间同步。在物理事件发生时，每个探测单元的前端电子学分别记录当前计时器的数值，并将当前计时器的数值作为时间戳打在数据包中。系统进行离线数据分析时，取每个探测单元中时间戳相同的数据包中的数据进行分析，由于这些数据的时间戳相同，可被认为是同一次物理事件所涉及的数据，从而实现拼接后的探测单元间的数据同步。
由于拼接后的探测单元具有数据同步功能，将探测的时间和信息进行同步，可以根据探测目标的形状与大小进行灵活组合，使得应用场景更广泛。
S14：对同步后探测数据进行修正；
例如，对重构后宇宙射线位置进行修正，以使探测结果更加准确。
S15：对修正后探测数据进行反演以获取被检测对象的内部结构成像。
宇宙射线缪子是由来自太空的高能宇宙射线(主要是高能质子)与大气层相互作用产生的次级射线粒子。宇宙射线缪子能量高、穿透性强，是来自大自然的免费射线源，对一定尺度的目标物成像方面具有人工射线装置不可比拟的优势，因此逐步被人们重视并开始应用于科研与工业各个方面。将宇宙射线缪子作为射线源，当其穿透特定大型目标物时，会发生多重库伦散射、能量损失与终止等作用，通过探测作用后的缪子信息，可以实现被检测对象的无损成像。
现有用于安检的成像技术主要利用大型电子加速器进行成像，大型电子加速器产生3-6MeV或者6-9MeV电子射线或者其他能量的电子射线，利用电子射线对被检测对象透射成像从而实现被检测对象进行安全检测，但由于电子射线的穿透力弱，不能对更大型的被检测对象进行安全检测，并且电子射线有辐射，还可能造成环境污染甚至人身伤害。
本实施例中，根据被检测对象进行探测单元拼接，实现即组合即用的的灵活组合方式从而实现各种应用场景的探测；利用拼接后探测单元获取探测数据，对拼接后探测单元内数据进行同步，可以根据探测目标的形状与大小，进行灵活组合，对探测数据进行修正，对修正后探测数据进行反演以获取被检测对象的内部结构成像，从根本上解除了对人造射线源的依赖，利用天然宇宙射线作为射线源对大面积、大量物品、以及小体积物品等被检测对象进行安全检查，获取其内部成像，由于宇宙射线比现有的电子射线源有更强的穿透力，因此可以使应用场景更广泛、检测结果更加准确。
图2是本申请另一个实施例提供的一种多用途的宇宙射线探测成像方法的流程图。如图2所示，本实施例的多用途的宇宙射线探测成像方法，包括：
S21：利用拼接后探测单元发射宇宙射线获取原始数据；
由于采用了宇宙射线缪子作为射线源，更安全环保，没有放射性安全隐患。
S22：对原始数据进行处理获取探测数据；
探测电子学噪声会对信号提取产生干扰，因此需要对原始数据进行处理，硬件上进行降噪设计，软件上采用二级软件时间符合设计来快速甄别真实信号，对原始数据进行处理包括对原始数据进行噪声和二级软件时间符合处理，剔除假信号、剔除非宇宙射线信号中的一种或多种；
S23：根据探测数据计算宇宙射线位置；
S24：重构宇宙射线方向；
S25：根据宇宙射线位置和宇宙射线方向对探测数据进行修正；
S26：对修正后探测数据进行反演以获取被检测对象的内部结构成像。
对修正后探测数据进行反演可以通过离线数据处理进行，离线数据处理时对输入算法的数据也需对缪子信号、同一事件进行甄别。
对修正后探测数据进行反演以获取被检测对象的内部结构成像包括但不限于以下实现方式：
方式一：利用强度衰减信息反演算法；
基于强度衰减的宇宙射线缪子成像技术可以实现更大尺度上的目标物成像，通过比对经过目标物前后的缪子强度来对其密度差异分布进行三维成像。
方式二：利用角度散射信息反演算法获取被检测对象的内部结构成像。
缪子与物质的相互作用截面相对小，穿透性好；缪子角度散射的变化可以反映目标物的轮廓；基于缪子能域宽、角度散射变化的特点，融合两种成像机理，针对不同的测量目标，选取不同测量模式，可以实现拓宽技术应用范围，提高成像精度。
需要说明的是，强度衰减信息反演算法和角度散射信息反演算法属于现有技术，本领域技术人员可根据现有技术实现，本实施中不再赘述实现方案。
例如，在监测经过关卡和哨所车辆中走私放射性违禁走私物品场景中，可横向拼接多个探测单元从而增加探测灵敏区域面积，缩短探测预警时间；在探测大目标物(例如掩体山洞上方山体结构、山体滑坡预警等)，可纵向拼接成小间隔的多层面板探测结构，提升探测效率和角度分辨率进而增加每个探测器的空间覆盖区域和测量精度。
作为本发明可选的一种实现方式，被检测对象的内部结构成像，包括：
被检测对象的内部结构的二维图像，和/或，被检测对象的内部结构的三维图像。
本实施例中使用比率算法获取被检测对象的内部结构成像，比率算法是将探测区域内所有测量到的缪子事件计为N，其中散射角度在[-θ0，θ0]范围内的事件数即为Ne，根据公式R＝Ne/N，得到探测区域比率值R，这个比率值是标准误差σθ的高斯函数定积分，
Figure BDA0002448346900000081
因此，通过比率值R可以区分物质材料的原子序数Z，进行实现内部数据成像。比率算法对于所有散射角都是平等对待，因此能较好地避免大角度干扰事件对成像结果的破坏。
本实施例中，通过根据被检测对象择优选取反演算法，目标物、区域跨度非常大的被检测对象使用基于强度衰减的三维反演算法，小型的高Z物质检测使用基于角度散射的三维反演算法，实现多功能、灵活性强的探测应用。
图3是本申请一个实施例提供的一种多用途的宇宙射线探测成像装置的功能结构图。
如图3所示，本实施例提供的一种多用途的宇宙射线探测成像装置，包括：
探测单元拼接模块31，用于根据被检测对象进行探测单元拼接；
探测数据获取模块32，用于利用拼接后探测单元获取探测数据；
探测数据同步模块33，用于对拼接后探测单元内数据进行同步；
探测数据修正模块34，用于对探测数据进行修正；
数据成像模块35，用于对修正后探测数据进行反演以获取被检测对象的内部结构成像。
所述装置还包括原始数据处理模块36，用于对所述原始数据进行噪声和二级软件时间符合处理，剔除假信号、剔除非宇宙射线信号中的一种或多种。
所述装置还包括反演算法选择模块37，用于选择强度衰减信息反演算法或角度散射信息反演算法获取被检测对象的内部结构成像。
本实施例中，通过探测单元拼接模块根据被检测对象进行探测单元拼接，探测数据获取模块利用拼接后探测单元获取探测数据，探测数据同步模块对拼接后探测单元内数据进行同步，探测数据修正模块对探测数据进行修正，数据成像模块对修正后探测数据进行反演以获取被检测对象的内部结构成像，原始数据处理模块对所述原始数据进行处理，反演算法选择模块选择强度衰减信息反演算法或角度散射信息反演算法获取被检测对象的内部结构成像，不仅可以实现依据被检测对象体积大小选择探测单元大小，还可以依据被检测对象类型选择强度衰减信息反演算法或角度散射信息反演算法，使用场景灵活，探测效率高。
图4是本申请一个实施例提供的一种多用途的宇宙射线探测成像系统的功能结构图。
如图4所示，本实施例提供的一种多用途的宇宙射线探测成像系统，包括：
上层探测器41、下层探测器42和处理器43；
上层探测器41或下层探测器42用于获取宇宙射线的位置数据；
上层探测器41和下层探测器42分别由可拼接的探测单元组成；
每个探测单元包括一定数量的宇宙射线探测器，宇宙射线探测器例如为闪烁体探测器；
处理器43用于获取探测数据，对探测数据进行修正以得到被检测对象的内部结构成像。
上层探测器41和下层探测器42分别为两层探测器，或者，上层探测器41和下层探测器42分别为三层探测器。
作为本发明可选的一种实现方式，可拼接的探测单元为正方形，或者，可拼接的探测单元为三角形。需要说明的是，正方形的可拼接的探测单元拼接简单，三角形的可拼接的探测单元可提高拼接稳定性，可拼接的探测单元还可以为其他规则或不规则形状，本领域技术人员可根据实际需要选择可拼接的探测单元形状。
可拼接的探测单元包括前端电子学，前端电子学内部包含一个计时器，该计时器的翻转和复位由一个公共的时钟模块同时控制，从而保证各个计时器的时间同步。在物理事件发生时，每个可拼接的探测单元的前端电子学分别记录当前计时器的数值，并将当前计时器的数值作为时间戳打在数据包中。处理器43进行离线数据分析时，取每个可拼接的探测单元中时间戳相同的数据包中的数据进行分析，从而实现拼接后的探测单元间的时间与信息同步功能。
由于可拼接的探测单元具有时间与信息同步功能，可以根据探测目标的形状与大小，实现灵活组合。
可拼接的探测单元可以为适应于野外使用的坚固型缪子位置灵敏探测面板，如图5所示，采用上下双面探测器系统构造，中间是被检测对象，宇宙射线缪子从上方入射，经过上层探测器输出第一探测信号，穿过被检测对象被下层探测器探测得到第二探测信号。通过缪子射线重构技术及反演算法重构被检测对象的二维或者三维图像，并给出高质子数物质的警报信号。
上层探测器41或下层探测器42为塑料闪烁体探测器或者rpc探测器，相对于目前缪子成像技术采用的气体探测器，闪烁体探测器的现场使用可靠性高，能够满足缪子探测的硬件需求，可以在恶劣的环境中稳定运行，可抗冲击、耐高低温、防水等。可拼接的探测单元为rpc探测单元时，单个探测单元尺寸不超过1.5米*3米。
本实施例中，上层探测器和下层探测器为塑料闪烁体探测器，使用可靠性高，能够满足缪子探测的硬件需求，可以在恶劣的环境中稳定运行，可抗冲击、耐高低温、防水系统操作简单，使用方便，适用于野外使用。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
需要说明的是，本发明不局限于上述最佳实施方式，本领域技术人员在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多用途的宇宙射线探测成像方法，其特征在于，包括：
根据被检测对象进行探测单元拼接；
利用拼接后探测单元获取探测数据；
对拼接后探测单元进行数据同步；
对同步后探测数据进行修正；
对修正后探测数据进行反演以获取被检测对象的内部结构成像。
2.根据权利要求1所述的多用途的宇宙射线探测成像方法，其特征在于，所述对所述探测数据进行修正，包括：
计算所述宇宙射线位置；
重构所述宇宙射线方向；
根据所述宇宙射线位置和宇宙射线方向对所述探测数据进行修正。
3.根据权利要求1所述的多用途的宇宙射线探测成像方法，其特征在于，所述利用拼接后探测单元获取探测数据，包括：
利用拼接后探测单元发射宇宙射线获取原始数据；
对原始数据进行处理获取探测数据。
4.根据权利要求3所述的多用途的宇宙射线探测成像方法，其特征在于，所述对原始数据进行处理包括，包括：
所述对原始数据进行处理包括对所述原始数据进行噪声和二级软件时间符合处理，剔除假信号、剔除非宇宙射线信号中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的多用途的宇宙射线探测成像方法，其特征在于，所述对修正后探测数据进行反演以获取被检测对象的内部结构成像，包括：
利用强度衰减信息反演算法，和/或，利用角度散射信息反演算法获取被检测对象的内部结构成像。
6.根据权利要求1或5任一项所述的多用途的宇宙射线探测成像方法，其特征在于，所述被检测对象的内部结构成像，包括：
被检测对象的内部结构的二维图像，和/或，被检测对象的内部结构的三维图像。
7.一种多用途的宇宙射线探测成像装置，其特征在于，包括：
探测单元拼接模块，用于根据被检测对象进行探测单元拼接；
探测数据获取模块，用于利用拼接后探测单元获取探测数据；
探测数据同步模块，用于对拼接后探测单元内数据进行同步；
探测数据修正模块，用于对所述探测数据进行修正；
数据成像模块，用于对修正后探测数据进行反演以获取被检测对象的内部结构成像。
8.一种多用途的宇宙射线探测成像系统，其特征在于，包括：
上层探测器、下层探测器和处理器；
所述上层探测器或下层探测器用于获取宇宙射线的位置数据；
上层探测器和下层探测器分别由可拼接的探测单元组成；
所述处理器用于获取探测数据，对所述探测数据进行同步和修正以得到被检测对象的内部结构成像。
9.根据权利要求8所述的基于宇宙射线成像的探测系统，其特征在于，所述上层探测器和所述下层探测器分别为两层探测器，或者，所述上层探测器和所述下层探测器分别为三层探测器。
10.根据权利要求8所述的多用途的宇宙射线探测成像方法，其特征在于，所述可拼接的探测单元为正方形，或者，所述可拼接的探测单元为三角形。
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