CN114114440A - 使用多能量水平辐射检查货运的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种使用多个交错辐射能量检查对象的系统(100)和方法。系统(100)包括：辐射模块(30)，其被构造为产生和捕获处于多个能量水平的辐射以扫描货运的内容物并将所捕获的辐射转换成多个图像；控制器(50)，其被构造为用于向辐射模块(30)发送信号以开始或停止产生辐射并且用于控制由辐射模块(30)产生的辐射的能量水平和脉冲频率。系统(100)还包括处理器(61)，其被构造用于通过分析多个图像来确定货运是否包含任何违禁品、基于材料类型和物质组对货运进行分类以及通过针对材料在材料色彩图像内界定对象的周边来突出同一物质在经分析图像上的区域。
Description
技术领域
本发明涉及一种使用多个交错辐射能量检查对象的系统和方法。更具体地，本发明涉及一种使用不同能量水平辐射来检查货运以检测违禁品的系统和方法。
背景技术
进出口在国家的经济的发展和增长中扮演着重要角色。但是，并非所有货品都可以进出口，因此非法进出口的货品被称为违禁品。违禁品的示例包括但不限于毒品、免税香烟和免税酒水。因此，需要一种用于检查对象以检测违禁品并防止违禁品进出国家边境的系统和方法。
一般来说，货品使用货运进口或出口。为了检查货运中的货品，当局通常使用射线照相技术来简化检查货运的过程。在检查期间，诸如X射线和伽马射线的辐射被产生并从机器的一侧向货运中的货品发射。当辐射穿过货品时，货品会吸收辐射携带的能量中的一些。此后，辐射被机器的相反侧上的检测器接收。辐射的能量被转换成图像并被显示以供当局查看和分析。
虽然有许多使用辐射检查货运的系统和方法，但大多数系统和方法仅限于单一能量水平，因此，这种系统和方法只能以灰度表示显示货运中货品的物理形态。灰度表示缺乏材料表示。在进一步的改进中，已经开发了使用双能量水平辐射的系统和方法。
在美国专利No.US 7,580,505 B2中公开了使用双能量水平辐射检查货运的系统和方法的示例。该专利涉及一种使用多能量辐射检查对象的方法及其设备。该方法包括使多能量辐射与被检对象相互作用，检测并记录多能量辐射与被检对象相互作用后的检测值，并将检测值的一部分代入预定标定函数中以获取信息。信息包含主要材料属性。关于此，通过应用适于与信息对应的能量带的一组函数来确定对象的进一步材料属性。
另一个示例在美国专利No.US 10,641,918 B2中公开，其涉及用于货运检查的方法、设备和系统。该系统使用在单个贝他加速器加速周期内提取具有更低和更高能量的两个X射线脉冲的技术。
然而，这种系统和方法只能对货品的材料进行分类。例如，该系统和方法将只能检测货运是包含固体货品还是液体货品，而该系统和方法将不能进一步分类液体货品是否是酒精基液体。因此，该系统和方法在确定属于违禁品的物质方面仍然缺乏精确度和准确度。这将导致错误识别货运中的违禁品。因此，需要一种解决上述问题的系统和方法。
发明内容
本发明涉及一种使用多能量水平辐射检查货运的系统(100)和方法。该系统(100)包括具有辐射源子模块(31)和数据采集子模块(32)的辐射模块(30)；以及连接到辐射模块(30)的控制器(50)。辐射源子模块(31)被构造为产生向货运发射的辐射，并且数据采集子模块(32)被构造为捕获从辐射源子模块(31)所发射的辐射。控制器(50)被构造为触发辐射源子模块(31)开始和停止产生辐射并控制辐射源子模块(31)产生的辐射的能量水平和脉冲频率。系统(100)的特征在于，所述辐射源子模块(31)还被构造为接续产生处于至少三个不同能量水平的辐射；并且数据采集子模块(32)还被构造为捕获处于至少三个不同能量水平的辐射、将所捕获的辐射转换为针对每个能量水平的图像，其中每个图像中的每个像素值表示所捕获的处于至少三个不同能量水平的辐射的透射率。此外，辐射模块(30)还包括连接至辐射源子模块(31)的数据存储器(33)。数据存储器(33)被构造为存储用于通过辐射源子模块(31)产生处于至少三个不同能量水平的辐射的设置数据和查找表，其中，设置数据包括辐射的能量水平的数量、辐射的能量水平的值以及辐射的脉冲频率，并且其中，查找表包含扩展相位时序值。系统(100)还包括连接到辐射模块(30)的服务器(60)，其中，服务器(60)具有处理器(61)，其被构造为通过分析每个能量水平的图像来确定货运是否包含任何违禁品。
优选地，辐射的至少三个能量水平处于2.0MeV到9.0MeV之间的范围内，脉冲频率介于300Hz到500Hz之间。
优选地，系统(100)还包括放射性检测模块(10)，其被构造为确定货运是否含有任何放射性材料，并且其中，放射性检测模块(10)连接至服务器(60)以在每当于货运中检测到放射性物质时通知服务器(60)。
优选地，系统(100)还包括重量感测模块(20)，其被构造为基于货运的重量和轴数确定载有货运的车辆的存在，并且其中，重量感测模块(20)连接到服务器(60)和控制器(50)以触发辐射模块(30)开始或停止扫描货运。
优选地，重量感测模块(20)包括至放置在道路路径的表面上的少一对带状传感器以对带有货运的车辆进行称重。
优选地，重量感测模块(20)包括秤(20m)，其被构造为检测货运的存在并测量货运的重量。
优选地，系统(100)还包括连接到服务器(60)的显示模块(90)，其中，显示模块(90)被构造为显示经分析图像、来自放射性检测模块(10)和重量感测模块(20)的数据。
优选地，所述放射性检测模块(10)、重量感测模块(20)和辐射模块(30)沿着载有货运的车辆行驶通过的道路路径进行安装。
使用多能量水平辐射检查货运的方法包括以下步骤：由辐射源子模块(31)接续产生处于至少三个能量水平的辐射，由数据采集子模块(32)捕获辐射并基于能量水平数量将所捕获的辐射转换为多个图像，由处理器(61)通过分析多个图像确定货运的材料类型，并由处理器(61)确定货运的物质类型。
优选地，辐射源子模块(31)接续产生处于至少三个能量水平的辐射的步骤包括从数据存储器(33)获得辐的射能量水平的设置数据，其中，设置数据包括辐射的能量水平的数量、辐射的脉冲频率、至加速室(41)的注入电流以及提供给后磁路(45)以及扩展绕组(46)的磁场值，以及由辐射源子模块(31)提供给高压注入单元(42)的电压。关于此，辐射源子模块(31)通过辐射源子模块从数据存储器(33)获得与每个能量水平对应的扩展相位时序值，其中，扩展相位时序值是基于磁通量、扩展绕组(46)的注入电流、扩展绕组(46)的电压以及加速室(41)的物理轨道半径和几何形状。此后，高压注入单元(42)将预加速电子注入加速室(41)。一旦辐射源子模块(31)接收到能量水平标志，则辐射源子模块(31)基于包含在能量水平标志中的能量水平信号确定要产生的能量水平的值。电源单元(31a)和脉冲转换器单元(31c)根据从数据存储器(33)获得的电流值向收缩绕组(47)供应电流脉冲以产生具有由来自数据存储器(33)的设置数据所确定的剂量率的辐射并且根据从数据存储器(33)获得的电流值向扩展绕组(46)供应电流脉冲以根据能量水平信号中所指示的能量水平产生辐射。
优选地，由数据采集子模块(32)捕获辐射并基于能量水平数量将所捕获的辐射转换为多个图像的步骤包括接收来自辐射源子模块(31)以及控制器(50)的能量水平信号，从而，第一能量水平信号包括低电压而随后的能量水平信号包括高电压，捕获来自辐射源子模块(31)的具有特定能量水平的辐射并针对每一能量水平将所捕获的辐射脉冲转换成针对特定能量水平的图像的一个扫描线，并将具有相同能量水平的多条扫描线进行编译以形成多个图像。
优选地，由处理器(61)通过分析多个图像来确定货运的材料类型的步骤包括执行信号调节、选择一对能量水平作为用于材料分类的第一级过滤器，其中能量水平中的一个表示为高能量水平，而另一个能量水平表示为低能量水平。然后计算针对高能量水平产生的图像的每个像素的归一化高能量水平透射率、针对低能量水平生成的图像的每个像素的归一化低能量水平透射率、以及计算每个像素的函数值，其中，函数值是指高能量水平透射率与低能量水平透射率的比值。所有像素的函数值被绘制在预先生成材料分类曲线上，其中，每种材料的材料分类曲线是通过在图形上绘制样本材料的函数值来生成的。基于在预先生成材料分类曲线上所绘制的函数值与材料的趋势线的接近度而将对象的像素值分类为材料组。
优选地，由处理器(61)确定对象的物质类型的步骤包括选择两对能量水平组合作为用于物质验证的第二能量水平过滤器，其中，一对能量水平被称为第一能量水平对，而另一对能量水平称为第二能量水平对。对于每个像素针对第一和第二能量水平对两者的函数值然后被计算并被绘制在多个预先生成物质群组上，其中，每个物质群组通过将样本物质的第一和第二能量水平对的函数值绘制在图形上来生成的。基于第一和第二能量水平对的函数值与每个物质群组的中心的接近度而将对象的像素值分类到对应物质组中。
附图说明
包含在说明书中并构成说明书一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1图示了根据本发明实施例的使用多能量水平辐射检查货运的系统(100)的框图。
图2(a-b)图示了图1的系统(100)的辐射模块(30)的透视图和前视图。
图3(a-e)图示了图1的系统(100)的重量感测模块(20)的安装设置的示例。
图4图示了本发明的可替代实施例中的系统(100)的重量感测模块(20)的安装设置的示例。
图5图示了图1的系统(100)的辐射模块(30)的辐射源子模块(31)的框图。
图6(a-b)图示了图5的辐射源子模块(31)的辐射器(40)的横截面图。
图7图示了根据本发明实施例的使用多能量水平辐射检查货运的方法的流程图。
图8图示了根据本发明实施例的用于产生处于多能量水平的辐射的子步骤的流程图。
图9示出了根据本发明实施例的用于确定货运的材料和物质的类型的子步骤的流程图。
具体实施方式
下面将参考附图描述本发明的优选实施例。在以下描述中，由于众所周知的功能或构造会用不必要的细节而使描述模糊，因此不详细描述众所周知的功能或构造。
最初参考图1，其图示了根据本发明的实施例的使用多能量水平辐射检查货运的系统(100)的框图。系统(100)用于扫描由诸如货车和卡车的车辆所承载的货运。该系统(100)包括放射性检测模块(10)、重量感测模块(20)、辐射模块(30)、控制器(50)、服务器(60)和显示模块(90)。放射性检测模块(10)、重量感测模块(20)和辐射模块(30)沿着载有货运的车辆行驶通过的道路路径进行安装，货运在其通过道路路径时被自动扫描。向货运发射多能量水平辐射的区域称为检测区域。
放射性检测模块(10)被构造为确定货运是否包含任何放射性物质。放射性检测模块(10)优选安装在道路路径的入口处。放射性检测模块(10)连接到服务器(60)以在每当于货运中检测到放射性物质时通知服务器(60)。
重量感测模块(20)包括放置在道路路径的表面上的至少一对带状传感器以在车辆于带状传感器上方行驶时对车辆进行称重，其中，一对中的每个带状传感器彼此相邻放置。优选地，重量感测模块(20)是动态称重装置。重量感测模块(20)被构造为通过测量重量并检测载有货运的车辆的轴数来确定载有货运的车辆的存在。如果重量感测模块(20)包括多于一对带状传感器，则重量感测模块(20)对由每对带状传感器检测到的重量进行平均以计算带有货运的车辆的总重量。重量感测模块(20)通过计数载有货运的车辆的轮胎在带状传感器上方驶过的次数来检测带有货运的车辆的轴数。通常，带有货运的车辆的不同轴具有不同重量。重量检测模块(20)将针对每个轴所检测到的重量求和作为带有货运的车辆的总重量。重量检测模块(20)连接至服务器(60)，由此将带有货运的车辆的总重量发送至服务器(60)进行处理。检测重量和轴数是为了防止将对象误认为是载有货运或部分货运的车辆。结果，这种检测防止系统(100)扫描货运或车辆本身以外的对象。
重量感测模块(20)还连接至控制器(50)以触发辐射模块(30)开始或停止扫描货运。如果该对中的任何带状传感器或两个带状传感器被触发并且当货运的重量超过阈值重量时，重量感测模块(20)向控制器(50)发送信号以触发辐射模块(30)。当带状传感器在预定时间段内未被触发时，重量感测模块(20)还向控制器(50)发送信号以停止辐射模块(30)扫描货运。预定时间段适当地是一个电力继电信号的时间段。因此，重量感测模块(20)防止辐射模块(30)的错误激活或停用。
如果重量感测模块(20)包括多对带状传感器，则重量感测模块(20)还可以被构造为适配来自一对带状传感器的检测以发送信号开始扫描货运，同时适配来自另一对带状传感器的检测以发送信号停止扫描货运。在这种情况下，至少一对带状传感器安装在检测区域之前的道路路径上，而另一对带状传感器安装在检测区域之后的道路路径上。
如果在检测区域之前安装了多于一对带状传感器，则基于当局(例如海关)的偏好每当车辆的轮胎触发任意一对带状传感器时，重量感测模块(20)就发送信号开始扫描。在这种情况下，每对带状传感器按一定距离放置，使得一对带状传感器在另一对带状传感器检测到带有货运的车辆的轮胎并将所检测到的重量发送到服务器(60)之前有时间检测带有货运的车辆的轮胎并将所检测到的重量发送到服务器(60)。一对带状传感器至另一对带状传感器之间的这种距离是基于载有货运的车辆行驶通过道路路径的速度限制来计算的。
下面提供重量感测模块(20)的带状传感器在道路路径上的安装设置的示例。安装设置的示例在图3(a-e)中图示，其中，检测区域由虚线表示。
图3(a)图示了位于检测区域之前的一对带状传感器(20a)的安装设置的第一示例。在该示例中，重量感测模块(20)包括一对带状传感器(20a)，带状传感器(20a)以交错设置方式安装。当带状传感器(20a)中的任何一个检测到货运的轮胎时，重量感测模块(20)向控制器(50)发送信号以激活辐射模块(30)。每当两个带状传感器(20a)在预定时间段内均没有检测到任何轮胎时，重量感测模块(20)也向控制器(50)发送信号以停止辐射模块(30)。
图3(b)示出了两对带状传感器(20b、20c)的安装设置的第二示例，其中，两对带状传感器(20b、20c)被称为第一对带状传感器(20b)和第二对带状传感器(20c)。第一对带状传感器(20b)安装在检测区域之前，而第二对带状传感器(20c)安装在检测区域之后。当第一对带状传感器(20b)同时检测到货运的轮胎时，重量感测模块(20)向控制器(50)发送信号以激活辐射模块(30)。在第二对带状传感器(20c)在预定时间段内停止检测到新轮胎对之后，重量感测模块(20)向控制器(50)发送信号以停止辐射模块(30)。
图3(c)示出了两对带状传感器(20d、20e)的安装设置的第三示例，其中，两对带状传感器(20b、20c)被称为第三对带状传感器(20d)和第四对带状传感器(20e)。两对带状传感器(20d、20e)都安装在检测区域之前，其中，第四对带状传感器(20e)与第三对带状传感器(20d)相比更靠近检测区域。如果当局要检查整个货运(包括载有货运的车辆的头部)，则重量感测模块(20)被构造为当第三对带状传感器(20d)最初同时检测到车辆的轮胎时发送信号以触发辐射模块(30)。另一方面，如果当局只想检查货运的内容物，则重量感测模块(20)被构造为每当第四对带状传感器(20e)最初同时检测到货运的轮胎时发送信号以触发辐射模块(30)。然而，在第三对带状传感器(20d)在预定时间段内停止检测到任何轮胎之后，重量感测模块(20)向控制器(50)发送信号以停止辐射模块(30)。
图3(d)示出了三对带状传感器(20f、20g、20h)的安装设置的第四示例，其中三对带状传感器(20f、20g、20h)被称为第五对带状传感器(20f)、第六对带状传感器(20g)和第七对带状传感器(20h)。第五对带状传感器(20f)安装在检测区域之前，而另外两对带状传感器(20g，20h)安装在检测区域之后。与第七对带状传感器(20h)相比，第六对带状传感器(20g)安装得更靠近检测区域。当第五对带状传感器(20f)最初同时检测到货运的轮胎时，重量感测模块(20)发送信号以触发辐射模块(30)。当货运离开系统(100)并且第六对带状传感器(20g)在预定时间段内停止检测到任何轮胎后，重量感测模块(20)向控制器(50)发送信号以停止辐射模块(30)。
图3(e)示出了四对带状传感器(20i、20j、20k、20l)的安装设置的第五示例，其中四对带状传感器(20i、20j、20k、20l)被称为第八对带状传感器(20i)、第九对带状传感器(20j)、第十对带状传感器(20k)、第十一对带状传感器(20l)。第八对和第九对带状传感器(20i、20j)安装在检测区域之前，而第十对和第十一对带状传感器(20k、20l)安装在检测区域之后。与第九对带状传感器(20j)相比，第八对带状传感器(20i)安装得更远离检测区域。另一方面，与第十一对带状传感器(20l)相比，第十对带状传感器(20k)安装得更靠近检测区域。
如果当局要检查整个货运，包括载有货运的车辆的头部，则当第八对带状传感器(20i)最初同时检测到货运的轮胎时，重量感测模块(20)发送信号以触发辐射模块(30)。另一方面，如果当局只想检查货运的内容物，则当第九对带状传感器(20j)最初同时检测到货运的轮胎时，重量感测模块(20)发送信号以触发辐射模块(30)。然而，在第十对带状传感器(20k)在预定时间段内停止检测到任何轮胎之后，重量感测模块(20)向控制器(50)发送信号以停止辐射模块(30)。
在可替代实施例中，重量感测模块(20)包括沿道路路径安装在检测区域之前的秤(20m)，如图4所示。称(20m)用于检测货运的存在并测量货运的重量以基于货运的重量确定货运的身份。重量感测模块(20)在秤(20m)检测到货运的存在并确定货运的重量超过阈值重量后发送信号以触发辐射模块(30)以防止对辐射模块(30)的错误激活。
辐射模块(30)连接到控制器(50)和服务器(60)。辐射模块(30)主要被构造为产生和捕获多处于个能量水平的辐射以扫描货运的内容物。辐射模块(30)还包括辐射源子模块(31)、数据采集子模块(32)和数据存储器(33)。
辐射源子模块(31)被构造为接续产生处于多个能量水平的辐射以检查货运的内容物。特别地，辐射源子模块(31)接续产生至少三个不同能量水平辐射。辐射源子模块(31)可以是贝他加速器、直线加速器、X射线发生器等。辐射源子模块(31)产生能量水平介于2.0兆电子伏特MeV到9.0MeV之间的X射线辐射。还优选地，辐射的能量水平增加0.5MeV。此外，还优选地，辐射具有介于300赫兹(Hz)至500Hz之间的脉冲频率，由此一个能量水平的每个辐射的最佳脉冲频率大约为400Hz。因此，具有四个能量水平的辐射频率为100Hz。
参考图5，其示出了辐射源子模块(31)的框图，辐射源子模块(31)包括辐射器(40)、电源单元(31a)和脉冲转换器单元(31c)。辐射器(40)电连接至电源单元(31a)和脉冲转换器单元(31c)。
辐射器(40)是循环加速器，其中电子沿着圆形轨迹移动以获得足够的能量来破坏涡电场以产生处于多能量水平的辐射。图6(a-b)示出了辐射器(40)的横截面图。辐射器(40)包括具有高压注入单元(42)的加速室(41)、磁极(43)、主绕组(44)、背磁路(45)、扩展绕组(46)和收缩绕组(47)。
辐射器(40)优选地以这种方式组装使得加速室(41)位于主绕组(44)、扩展绕组(46)和收缩绕组(47)上方。加速室(41)适合地为圆环形状。此外，层压插件优选地安装在加速室(41)的中心处，而磁极(43)优选地安装在层压插件的下方。扩展绕组(46)环绕磁极(43)，而收缩绕组(47)环绕扩展绕组(46)。主绕组(44)环绕收缩绕组(47)，而后磁路(45)形成辐射器(40)的外缘并环绕加速室(41)和主绕组(44)。
高压注入单元(42)包括热发射阴极和终端阳极，其中，高压注入单元(42)被构造为将预加速电子注入加速室(41)中。在将电子注入加速室(41)中的平衡轨道区域之前，热发射阴极将电子预加速到40千电子伏特(keV)的能量。高压注入单元(42)还被构造为通过终端阳极朝数据采集子模块(32)发射辐射。
磁极(43)安装在加速室(41)下方，其中，磁极(43)适合地为圆形形状。磁极(43)产生磁场，该磁场为围绕加速室(41)中的平衡轨道附近的圆的电子提供运动。磁极(43)与反磁路(45)和由电源单元(31a)提供给主绕组(44)的电流一起产生涡电场。涡流电场与磁场一起使电子加速。因此，随着电子沿着加速室(41)的圆形轨道移动，电子能量随着每次旋转而增加。
扩展绕组(46)被构造为向内部目标提供电子扩展。扩展绕组(46)电连接至电源单元(31a)以接收脉冲转换器单元(31c)所供应的电流脉冲并增加电子在加速室(41)中的运动的半径。电子沿着展开螺旋移动并撞击放置在高压注入单元(42)的终端阳极上的目标。当电子在目标中减速时，电子的动能被转换成辐射的能量水平，该辐射离开高压注入单元(42)的终端阳极朝向数据采集子模块(32)。因此，基于由脉冲转换器单元(31c)供应至扩展绕组(46)的电流脉冲来控制辐射的能量水平。
收缩绕组(47)被构造为通过控制由终端阳极捕获的电子数量来控制由辐射源模块(31)产生的辐射剂量率。收缩绕组(47)电连接至电源单元(31a)，由此功率转换器(42)向收缩绕组(47)供应电流脉冲。当电流流动通过收缩绕组(47)时，收缩绕组(47)产生改变加速室(41)的平衡轨道的瞬时状态的辅助脉冲磁场。辅助脉冲磁场还改变辐射器(40)中磁场的形貌。结果，辐射剂量率可以基于由脉冲转换器单元(31c)供应的电流脉冲而改变。
脉冲转换器单元(31c)连接辐射器(40)和电源单元(31a)，其中脉冲转换器单元(31c)被构造为将从电源单元(31a)接收的交流或AC电力转换为直流或DC电力，控制供应给高压注入单元(42)的电压，并控制供应给扩展绕组(46)和收缩绕组(47)的电流脉冲。
电源单元(31a)被构造为向辐射器(40)供应电力，其中，电源单元(31a)包括多个电容器组(未示出)以及储能电容器滤波器(未示出)。每个电容器组被构造为存储大约860伏特的电能并且在扫描过程期间将电能供应给辐射器(40)。储能电容滤波器被构造为在能量过剩期间从脉冲转换器单元(31c)存储电能且在能量不足期间释放所存储的电能以为辐射器(40)提供平滑DC电力。.
返回参照图1。数据采集子模块(32)被构造为捕获和测量从辐射源子模块(31)发射的多能量水平辐射。此外，数据采集子模块(32)将多能量水平辐射转换成多个图像，从而每幅图像中的每个像素的值均对应于被检查货运的确切点。数据采集子模块(32)针对每个能量水平产生图像，由此如果存在四个辐射能量水平，则数据采集子模块(32)产生对应于辐射能量水平数量的四个图像。此外，每个图像中的每个像素值均表示多能量水平辐射的透射率。数据采集子模块(32)连接至服务器(60)以将图像发送至服务器(60)进行处理和分析。
数据采集子模块(32)连接至辐射源子模块(31)和控制器(50)。数据采集子模块(32)接收来自辐射源子模块(31)和控制器(50)的信号。数据采集子模块(32)将从辐射源子模块(31)和服务器(50)接收到的信号进行比较以使辐射源子模块(31)与数据采集子模块(32)同步。
数据采集子模块(32)包括多个检测器，其中，多个检测器能够捕获处于不同能量水平的轫致辐射。如图2(a-b)所示，多个检测器优选地设置在闸道中，由此，多个检测器沿闸道的顶部和一侧以及闸道中位于辐射源子模块(31)对面的另一侧设置。多个检测器对准为捕获从辐射源子模块(31)以不同角度发射的辐射。当货运被驾驶通过闸道时，多个检测器能够捕获以不同角度穿过货运以覆盖货运的每个区域的辐射。
数据存储器(33)被构造为存储多能量水平辐射的设置数据，其中，设置数据包括但不限于辐射的能量水平数量、辐射的能量水平的值、注入电流设定和辐射的脉冲频率。数据存储器(33)还存储包含扩展相位时序值的查找表。基于磁通量、扩展绕组(46)的注入电流、扩展绕组(46)的电压以及加速室(41)的物理轨道半径和几何形状计算扩展相位时序值。
控制器(50)连接至重量感测模块(20)、辐射源子模块(31)和数据采集子模块(32)。控制器(50)被构造为触发辐射源子模块(31)开始和停止产生辐射并控制由辐射源子模块(31)产生的辐射的能量水平和脉冲频率。控制器(50)基于从重量感测模块(20)接收到的信号触发辐射源子模块(31)开始和停止产生辐射。
控制器(50)被构造为向辐射源子模块(31)发送能量水平标志，其中，每个能量水平标志包括触发信号和能量水平信号。触发信号用于启动辐射源子模块(31)开始或停止产生辐射。能量水平信号用于指示辐射的能量水平。控制器(50)向辐射源子模块(31)发送第一能量水平标志以指示辐射源子模块(31)产生具有最高能量水平的辐射，从而不同于其他能量水平标志，第一能量水平标志包括低电压能量水平信号。另一方面，后续能量水平标志包括高压能量水平信号。控制器(50)向辐射源子模块(31)发送后续能量水平标志以指示辐射源子模块产生具有后续能量水平的辐射。控制器(50)向数据采集子模块(32)发送相同的能量水平信号，使得数据采集子模块(32)可以与辐射源子模块(31)同步。
服务器(60)连接至放射性检测模块(10)、重量感测模块(20)、数据采集子模块(32)和显示模块(90)，其中，连接可以是经由有线连接的或无线地连接。服务器(60)从放射性检测模块(10)和重量感测模块(20)接收数据并将数据转发到显示模块(90)。服务器(60)还将经分析图像发送到显示模块(90)以由显示模块(90)显示。
服务器(60)包括被构造为分析由服务器(60)接收的数据的处理器(61)。处理器(61)还被构造为基于材料的类型对货运进行分类。材料类型的示例是有机物、有机物和无机物的中间混合物、无机物和重金属。每种材料类型在图像中以不同颜色表示。处理器(61)还被构造为进一步将货运分类到其物质组中以确定该货运是否为违禁品。处理器(61)通过针对物质在伪色彩图像内界定对象的周边来突出同一物质在图像上的区域。
显示模块(90)包括优选地安装在远程位置的控制室中的至少一个屏幕。显示模块(90)被构造为显示来自放射性检测模块(10)和重量感测模块(20)的数据并显示经分析图像。基于经分析图像，当局可以对货运进行进一步检查。
现在参考图7，其示出了根据本发明实施例的使用多能量水平辐射检查货运的方法的流程图。最初，如步骤1100，重量感测模块(20)检测货运的存在。重量感测模块(20)在向控制器(50)发送信号之前确认货运的存在。当一对带状传感器检测到货运的轮胎时，重量感测模块(20)确认货运的存在。重量感测模块(20)然后通过将重量感测模块(20)检测到的重量与货运的阈值重量进行比较来进一步确认货运的存在。如果货运的重量超过阈值重量，则重量感测模块(20)向控制器(50)发送信号。如果重量感测模块(20)检测到的重量没有超过阈值重量，则重量感测模块(20)将其视为误检并丢弃该检测。
关于此，如步骤1200，重量感测模块(20)检测货运的总重量和货运的轴数。每当一对新轮胎碰到一对带状传感器时，重量感测模块(20)将其视为一个轴并检测由轮胎施加到带状传感器的压力。重量感测模块(20)将货运的所有轮胎施加的压力求和并计算货运的总重量。如果重量感测模块(20)包括多于一对带状传感器，则重量感测模块(20)将所有对带状传感器所检测到的重量求平均值以获得货运的总重量。
如步骤1300，放射性检测模块(10)确定货运是否包括任何放射性物质。放射性检测模块(10)将检测的结果发送到服务器(50)以转发到显示模块(90)。如步骤1900，如果放射性检测模块(10)识别出货运包括放射性物质，则服务器(50)向显示模块(90)发送通知以供当局注意。
在步骤1400中，控制器(50)向辐射源子模块(31)发送能量水平标志用于辐射源子模块(31)开始接续产生处于多个交错能量水平的辐射。优选地，辐射源子模块(31)以交替阶梯状脉冲辐射产生处于至少三个能量水平的X射线辐射。优选地，辐射源子模块(31)产生具有介于2.0MeV到9.0MeV之间的能量水平的辐射，由此，辐射的能量水平增加0.5MeV并且具有介于300Hz到500Hz之间的脉冲频率。将关于图8进一步解释用于产生处于多能量水平的辐射的子步骤。
在步骤1500中，数据采集子模块(32)捕获辐射并且基于能量水平数量将所捕获的辐射转换成多个图像。每个图像中每个像素的值对应于被检查货运的确切点。此外，每个图像中的每个像素值表示多能量水平辐射的透射率。
为了确保数据采集子模块(32)将所捕获的辐射转换为针对特定能量水平的正确图像，数据采集子模块(32)必须与辐射源子模块(31)同步。因此，辐射源子模块(31)将来自能量水平标志的能量水平信号转发给数据采集子模块(32)。控制器(50)还向数据采集子模块(32)发送相同的能量水平信号。
一旦数据采集子模块(32)接收到来自辐射源子模块(31)和控制器(50)的能量水平信号，数据采集子模块(32)就确定要接收的辐射的能量水平。在数据采集子模块(32)捕获到辐射后，将所捕获到的辐射脉冲转换为针对特定能量水平的图像的一条扫描线。关于此，数据采集子模块(32)确定是否从辐射源子模块(31)接收到任何新的能量水平标志。数据采集子模块(32)重复捕获后续的辐射脉冲并将辐射转换为针对每个能量水平的图像的一条扫描线。此后，数据采集子模块(32)编译具有相同能量水平的扫描线以针对特定能量水平形成货运图像。数据采集子模块(32)重复编译具有相同能量水平的扫描线的步骤，直到数据采集子模块(32)形成与辐射源模块(31)产生的每个能量水平对应的货运图像。针对每个能量水平的货运图像被传输到服务器(60)进行处理。
服务器(60)从数据采集子模块(32)接收图像。此后，如步骤1600，处理器(61)分析图像以确定货运的材料和物质的类型。处理器(61)确定货运的材料和物质的类型的子步骤将关于图9进一步解释。基于所分析的数据，处理器(61)确定货运是否包含任何违禁品。作为分析的结果，处理器(61)生成被称为经分析图像的一幅图像，其中，在经分析图像中，处理器(61)通过针对材料在伪色彩图像内界定对象的周边包围来突出具有相同物质的对象区域。
最后，服务器(60)将经分析图像发送到输出模块(90)以由输出模块(90)向当局显示，如步骤1700。可以由当局使用输出模块(90)显示的经分析数据来检测车辆所载的货运。
图8图示了用于在图7的方法的步骤1400产生处于多个能量水平的辐射的子步骤的流程图。最初，如步骤1401。辐射源子模块(31)从数据存储器(33)获得辐射的特定能量水平的设置数据。设置数据包括但不限于能量的辐射水平的数量、辐射的能量水平值、辐射的脉冲频率、加速室(41)的注入电流以及供应给后磁路(45)以及扩展绕组(46)的磁场值，以及待供应给高压注入单元(42)的电压值。
如步骤1402，辐射源子模块(31)还从数据存储器(33)获得对应于每个能量水平的扩展相位时序值。优选地，扩展相位时序值f(t)基于以下方程计算：
其中
表示磁通量，I表示扩展绕组(46)的注入电流，V表示扩展绕组(46)的电压，并且D表示加速室(41)的物理轨道半径和几何形状。
如步骤1403，基于从数据源(33)获得的电压值，高压注入单元(42)然后将预加速电子注入加速室(41)。电子基于由加速室(41)中的平衡轨道附近的磁极(43)所提供的运动而沿着加速室(41)移动。由于主绕组(44)和后磁路(45)产生的涡电场以及磁极(43)的磁场的作用，电子也被加速。
关于此，如决策1404，辐射源子模块(31)等待直到其从控制器(50)接收到能量级别标志。如步骤1405，一旦辐射源子模块(31)接收到能量级别标志，则辐射源子模块(31)基于包含在能量水平标志中的能量水平信号确定要产生的辐射的能量水平值。
如步骤1406，电源单元(31a)和脉冲转换器单元(31c)然后根据从数据存储器(33)获得的电流值向收缩绕组(47)供应电流脉冲以产生具有由来自数据存储器(33)的设置数据所确定的剂量率的辐射。当电流脉冲流动通过收缩绕组(47)时，收缩绕组(47)产生辅助脉冲磁场。辅助脉冲磁场改变了辐射器(40)的磁场的平衡轨道和形貌的瞬时状态。
此后，如步骤1407，电源单元(31a)和脉冲转换器单元(31c)根据从数据存储器(33)获得的电流值向扩展绕组(46)提供电流脉冲以根据能量水平信号中所指示的能量水平产生辐射。扩展绕组(46)增加电子在加速室(41)中的运动的半径。当电子沿着加速室(41)内部的展开螺旋移动时，电子减速并撞击放置在高压单元(42)的终端节点上的目标。电子的动能被转换为辐射的能量水平。电子然后离开辐射器(40)朝向数据采集子模块(32)，由此电子具有如能量水平信号中所指示的能量水平。
辐射源子模块(31)向数据采集子模块(32)发送能量水平信号以使数据采集子模块(32)与辐射源子模块(31)同步。关于此，如步骤1408，辐射源子模块(31)通过评估辐射器(40)的磁场的平衡轨道和形貌的瞬时状态确定辐射器(40)是否达到发射最高辐射剂量率的平衡状态。只有如果辐射器(40)没有达到发射最高辐射剂量率的平衡状态时，辐射源子模块(31)才寻找用于收缩绕组(47)的注入电流值和电流脉冲值的其他组合。用于收缩绕组(47)的注入电流值和电流脉冲值的新组合被存储在数据存储器(33)中以用于下一个触发周期。
如步骤1409，辐射源子模块(31)确定其是否从控制器(50)接收到任何新的能量水平标志。如果辐射源子模块(31)接收到新的能量水平标志，则步骤1405到1408重复，直到辐射源子模块(31)没有从控制器(50)接收到任何新的能量水平标志。
图9图示了用于通过图7的方法的步骤1600的处理器(61)确定货运的材料和物质的类型的子步骤的流程图。处理器(61)进行信号调节，如步骤1601。信号调节是通过使用未穿过任何对象且由数据采集子模块(32)直接捕获的的辐射的多能量透射率值而进行的。.
处理器(61)借助根据未穿过任何对象的辐射值调整和缩放多能量透射率值的值通过校准扫描线来抑制硬件布局和剂量波动的影响。然后，通过将检测到的每个像素的强度值除以最高可能强度值来归一化多能量水平透射率值。关于此，处理器(61)通过利用预设的窗口大小对相邻像素进行分组来进一步对多能量水平透射率值进行去噪。据此，生成扫描对象的灰度表示图像。
之后，如步骤1610，处理器(61)选择一对能量水平作为用于材料分类的第一级过滤器。这对能量水平选自多能量水平辐射的任何可能组合。能量水平中的一个表示为高能量水平，而另一个能量水平表示为低能量水平。
如步骤1620，处理器(61)然后通过将针对高能量水平产生的图像的像素的强度值除以最高可能强度值来计算针对高能量水平产生的图像的每个像素的归一化高能量水平透射率。如步骤1630，处理器(61)还计算针对低能量水平产生的图像的每个像素的归一化低能量透射率。归一化低能量透射率是通过将针对低能量水平产生的图像的像素的强度值除以最高可能强度值来计算的。
关于此，如步骤1640，处理器(61)计算每个像素的函数值，其中，函数值是指高能量水平透射率与低能量水平透射率的比值。函数值基于以下方程计算：
所有像素的函数值都绘制在预先生成材料分类曲线上。每种材料的材料分类曲线是通过在图形上绘制样品材料的函数值而生成的，其中，y轴表示函数值，而x轴表示归一化高能量水平透射率。采用对数曲线拟合方法对样品材料的函数值进行曲线拟合以生成材料的趋势线。
如步骤1650，处理器(61)基于在预先生成材料分类曲线上所绘制的函数值与材料的趋势线的接近度而将每个像素分类成其对应的材料类型。材料类型的示例是有机物，有机物和无机物的中间混合物、无机物和重金属。在经分析图像中，每种类型的材料都以不同颜色表示。如果在分类期间存在材料曲线的重叠区域，则基于函数值至材料的趋势线之间的距离，将一种材料优先于其他材料。
此后，如步骤1660，处理器(61)选择额外两对能量水平作为用于物质验证的第二过滤器。从多能量水平辐射的任何可能组合中选择额外两对能量水平。其中一对能量水平被称为第一能量水平对，而另一对能量水平被称为第二能量水平对。
如步骤1670，处理器(61)对于每个像素计算第一和第二能量水平对的函数值。计算第一能量水平和第二能量的函数值的步骤类似于1630和1640的步骤。对于每个能量水平对，计算针对高能量水平和低能量水平产生的图像的每个像素的归一化高能量水平透射率和归一化低能量水平透射率。关于此，处理器(61)基于上述等式(1)对于每个像素计算第一和第二能量水平对的函数值。
每个像素的第一和第二能量水平对的函数值被绘制在多个预先生成物质群组上。每个物质群组是通过在图形上绘制样本物质的第一和第二能量水平对的函数值来生成的，从而，y轴由第一能量水平对的函数值表示，而x轴由第二个能量水平对的函数值表示。采用K平均聚类算法确定物质群组的中心。
如步骤1680，处理器(61)然后将对象的每个像素进一步分类为对应物质组。基于第一和第二能量水平对的函数值到每个物质群组的中心的接近度对像素进行分类。在像素被分类到其物质组之后，处理器(61)通过针对物质在伪色彩图像内界定对象的周边来突出同一物质在经分析图像上的区域。
尽管以上描述的系统包括放射性检测模块(10)、重量感测模块(20)、辐射模块(30)、控制器(50)、服务器(60)和显示模块(90)；对本领域技术人员显而易见的是，该系统和方法可以被修改和适配以主要包括辐射模块(30)和控制器(50)。这种修改和适配仍然可以使用多能量水平辐射来实现对货运的检查。
尽管已经说明和描述了本发明的实施例，但这些实施例并不旨在说明和描述本发明的所有可能形式。相反，说明书中使用的词语是描述性的而非限制性的，并且在不脱离本发明的范围的情况下可以做出各种改变。
Claims (20)
1.一种使用多能量水平辐射检查货运的系统(100)，包括：
a)辐射模块(30)，其具有辐射源子模块(31)和数据采集子模块(32)，其中，所述辐射源子模块(31)被构造为产生发射至所述货运的辐射，并且其中，所述数据采集子模块(32)被构造为捕获从所述辐射源子模块(31)发射的所述辐射，以及
b)控制器(50)，其被构造为触发所述辐射源子模块(31)开始和停止产生所述辐射并控制由所述辐射源子模块(31)所产生的所述辐射的能量水平和脉冲频率，其中，所述控制器(50)连接到所述辐射模块(30)，
其特征在于：
c)所述辐射源子模块(31)还被构造为接续产生处于至少三个不同能量水平的辐射脉冲；
d)所述数据采集子模块(32)还被构造为捕获处于至少三个不同能量水平的所述辐射，将所捕获的所述辐射转换为针对每个能量水平的图像，其中，每个图像中的每个像素值均表示所捕获的处于至少三个不同能量水平的所述辐射的透射率；
e)所述辐射模块(30)还包括连接到所述辐射源子模块(31)的数据存储器(33)，其中，所述数据存储器(33)被构造为存储用于由所述辐射源子模块(31)产生处于至少三个不同能量水平的所述辐射的设置数据和查找表，其中，所述设置数据包括所述辐射的能量水平数量、所述辐射的能量水平值、注入电流设置以及所述辐射的脉冲频率，并且其中，所述查找表包含扩展相位时序值；以及
f)所述系统(100)还包括连接到所述辐射模块(30)的服务器(60)，其中，所述服务器(60)具有处理器(61)，所述处理器被构造用于通过分析每个能量水平的所述图像来确定所述货运是否包含任何违禁品。
2.如权利要求1所述的系统(100)，其中，所述辐射的所述至少三个能量水平处于介于2.0MeV到9.0MeV之间的范围内，且脉冲频率介于300Hz到500Hz之间。
3.如权利要求1所述的系统(100)，其中，所述系统(100)还包括放射性检测模块(10)，其被构造为确定所述货运是否包含任何放射性材料，并且其中，所述放射性检测模块(10)连接到所述服务器(60)以在每当于所述货运中检测到放射性材料时通知所述服务器(60)。
4.如权利要求1所述的系统(100)，其中，所述系统(100)还包括重量感测模块(20)，其被构造为基于所述货运的重量和轴数确定载有所述货运的车辆的存在，并且其中，所述重量感测模块(20)连接到所述服务器(60)和所述控制器(50)以触发所述辐射模块(30)开始或停止扫描所述货运。
5.如权利要求4所述的系统(100)，其中，所述重量感测模块(20)包括至少一对带状传感器，其放置在道路路径的表面上以对带有所述货运的所述车辆进行称重。
6.如权利要求4所述的系统(100)，其中，所述重量感测模块(20)包括秤(20m)，其被构造为检测所述货运的所述存在并测量所述货运的所述重量。
7.如权利要求1所述的系统(100)，其中，所述系统(100)还包括连接到所述服务器(60)的显示模块(90)，其中，所述显示模块(90)被构造为显示经分析图像、来自所述放射性检测模块(10)的数据以及来自重量感测模块(20)的重量信息。
8.如前述权利要求中任一项所述的系统(100)，其中，所述放射性检测模块(10)、所述重量感测模块(20)和所述辐射模块(30)沿着载有所述货运的所述车辆行驶通过的道路路径进行安装。
9.一种使用多能量水平辐射检查货运的方法，其特征在于以下步骤：
a)由辐射源子模块(31)接续产生处于至少三个能量水平的辐射；
b)由数据采集子模块(32)捕获所述辐射并且基于能量水平数量将所捕获的所述辐射转换成多个图像；
c)由处理器(61)通过分析多个图像确定所述货运的材料类型；以及
d)由所述处理器(61)确定所述货运的物质类型。
10.如权利要求9所述的方法，其中，由所述辐射源子模块(31)接续产生处于至少三个能量水平的所述辐射的步骤包括：
a)从数据存储器(33)获得所述辐射的所述能量水平的设置数据，其中，所述设置数据包括所述辐射的能量水平数量、所述辐射的脉冲频率、到加速室(41)的注入电流和供应至反磁路(45)和扩展绕组(46)的磁场值，以及由辐射源子模块(31)供应至高压注入单元(42)的电压值；
b)由所述辐射源子模块从所述数据存储器(33)获得对应于每个能量水平的扩展相位时序值，其中，所述扩展相位时序值是基于磁通量、所述扩展绕组(46)的注入电流、所述扩展绕组(46)的电压，以及所述加速室(41)的物理轨道半径和几何形状计算的；
c)由所述高压注入单元(42)将预加速电子注入所述加速室(41)中；
d)一旦所述辐射源子模块(31)从控制器(50)接收到能量水平标志，则由所述辐射源子模块基于所述能量水平标志中所包含的能量水平信号确定待产生的所述能量水平的值；
e)由电源单元(31a)和脉冲转换器单元(31c)根据从所述数据存储器(33)获得的电流值向收缩绕组(47)供应电流脉冲以产生具有由来自所述数据存储器(33)的所述设置所确定的剂量率的辐射；以及
f)由所述电源单元(31a)和脉冲转换器单元(31c)根据从所述数据存储器(33)获得的电流值向所述扩展绕组(46)供应电流脉冲以根据所述能量水平信号中所指示的所述能量水平产生辐射。
11.如权利要求10所述的方法，其中，由所述辐射源子模块(31)接续产生处于至少三个能量水平的辐射还包括以下步骤：
a)通过评估辐射器(40)的磁场的平衡轨道和形貌的瞬时状态来确定所述辐射器(40)是否达到发射最高辐射剂量率的平衡状态；
b)搜索用于所述收缩绕组(47)的注入电流值和电流脉冲值的另一组合；以及
c)在所述数据存储器(33)中存储用于所述收缩绕组(47)的注入电流值和电流脉冲值的新组合以用于下一触发周期。
12.如权利要求9所述的方法，其中，由所述数据采集子模块(32)捕获所述辐射并基于所述能量水平数量将所捕获的所述辐射转换为多个图像的步骤包括：
a)接收来自所述辐射源子模块(31)和控制器(50)的能量水平信号，其中，第一能量水平信号包括低电压，而后续能量水平信号包括高电压；
b)捕获来自所述辐射源子模块(31)的具有特定能量水平的辐射并针对每个能量水平将所捕获的辐射脉冲转换为针对特定能量水平的图像的一条扫描线；以及
c)编译具有相同能量水平的多条扫描线以形成多个图像。
13.如权利要求9所述的方法，其中，由所述处理器(61)通过分析所述多个图像确定所述货运的材料类型的步骤包括：
a)执行信号调节；
b)选择一对能量水平作为用于材料分类的第一级过滤器，其中，所述能量水平中的一个表示为高能量水平，而另一能量水平表示为低能量水平；
c)计算针对所述高能量水平所产生的图像的每个像素的归一化高能量水平透射率；
d)计算针对所述低能量水平所产生的图像的每个像素的归一化低能量水平透射率；
e)计算每个像素的函数值，其中，所述函数值是指所述高能量水平透射率与所述低能量水平透射率的比值；
f)在预先生成材料分类曲线上绘制所有像素的所述函数值，其中，每种材料的所述材料分类曲线是通过在图形上绘制样本材料的函数值来生成的；以及
g)基于在所述预先生成材料分类曲线上所绘制的所述函数值与材料的趋势线的接近程度而将所述对象的像素值分类为材料组。
14.如权利要求13所述的方法，其中，执行信号调节包括以下步骤：
a)借助根据没有穿过任何对象的辐射值来调整和缩放多能量透射率值的值通过校准多个扫描线来抑制硬件布局和剂量波动的影响；
b)通过将每个像素的所检测到的强度值除以最高可能强度值而对多能量水平透射率值进行归一化；以及
c)通过利用预设的窗口大小对相邻像素进行分组来对所述多能量水平透射率值进行去噪。
15.如权利要求13所述的方法，其中，计算针对所述高能量水平所产生的所述图像的每个像素的归一化高能量水平透射率为通过将针对所述高能量水平所产生的所述图像的所述像素的强度值除以所述最高可能强度值。
16.如权利要求13所述的方法，其中，计算针对所述低能量水平所产生的所述图像的每个像素的归一化低能量水平透射率为通过将针对所述低能量水平所产生的所述图像的所述像素的强度值除以所述最高可能强度值。
17.如权利要求13所述的方法，其中，计算每个像素的函数值f(x，y)是基于以下等式的：
18.如权利要求9所述的方法，其中，由所述处理器(61)确定所述对象的物质类型包括以下步骤：
a)选取两对能量水平组合作为用于物质验证的第二级过滤器，其中一对能量水平被称为第一能量水平对，而另一对能量水平称为第二能量水平对；
b)对于每个像素计算第一和第二能量水平对的函数值；
c)在多个预先生成物质群组上针对每个像素绘制第一和第二能量水平对的所述函数值，其中，每个物质群组是通过在图形中绘制样本物质的第一和第二能量水平对的函数值而生成的；以及
d)基于第一和第二能量水平对的所述函数值与每个物质群组的中心的接近程度而将对所述象的像素值分类到对应的物质组中。
19.如权利要求18所述的方法，其中，对于每个像素计算第一和第二能量水平对的函数值的步骤包括：
a)针对第一和第二能量水平对计算对于所述高能量水平所产生的图像的每个像素的归一化高能量水平透射率；
b)针对第一和第二能量水平对计算对于所述低能量水平所产生的图像的每个像素的归一化低能量水平透射率；以及
c)针对第一和第二能量水平对计算每个像素的函数值，其中，每个像素的所述函数值f(x,y)是基于以下等式的：
20.如权利要求9所述的方法，其中，由所述辐射源子模块(31)接续产生处于至少三个能量水平的辐射之前的步骤包括：
a)通过重量感测模块(20)检测所述货运的存在；
b)通过所述重量感测模块(20)确认所述货运的所述存在，其中，当所述重量感测模块(20)检测到所述货运的轮胎并且所述货运的重量超过阈值重量时，确认所述货运的所述存在；
c)通过所述重量感测模块(20)检测所述货运的总重量以及所述货运的轴数；
d)通过放射性检测模块(10)确定所述货运是否含有任何放射性物质；以及
e)如果所述货运包含放射性物质，则由服务器(60)向输出模块(90)发送通知。
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