CN115993102B - 基于单光子探测器的重叠物厚度检测方法、装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本申请提出了基于单光子探测器的重叠物厚度检测方法、装置及其应用，包括以下步骤：S00、利用单光子探测器将X射线的能量分为多个能量区间，并分别设置每个能量区间的阈值；S10、分别获取X射线在每个能量区间下无被检测物体时的计数以及X射线在每个能量区间下穿过检测物体时的计数；S20、根据S10步骤的结果，分别计算每个能量区间下X射线的透射率；S30、根据S20步骤的每个透射率、系统能谱D(E)以及重叠物的每层物体材料的线性吸收系数，求解重叠物的每层物体的厚度。本申请可方便地检测出重叠的多层物体的厚度。

Description

基于单光子探测器的重叠物厚度检测方法、装置及其应用

技术领域

本申请涉及光学技术领域，特别是涉及基于单光子探测器的重叠物厚度检测方法、装置及其应用。

背景技术

X射线由于直线传播并且穿透性好，被广泛用于行李安检系统和工业无损检测等领域。X射线透射扫描成像的基本过程大致可以分为：1）将X射线管产生的X射线照射到被检测物体上。2）部分X射线和被检测物体发生相互作用被吸收，剩余部分X射线穿过被检测物体达到X射线探测器。3）探测穿过物体后到达探测器的X射线，并将电信号转化为数字信号。4）计算X射线的透射率或者吸收率得到被检测物体的灰度图。X射线透射成像能够反应被检测物体对X射线的吸收情况，但传统的X射线透射成像反应的是被检测物体对X射线吸收的累积效果，即便存在两层物体，传统X射线透射检测方法无法将两层物体分解。

在实际的工业无损检测或者行李安检领域，常会有两层物体重叠的现象出现。传统的X射线成像方法无法分辩检测出两层物体的厚度，其应用具有局限性。另一面，传统上探测X射线使用的是能量积分类型的闪烁体探测器，它探测的是一段时间内的累积信号，无法记录单个X射线光子脉冲信号，这类探测器的信号探测误差大且无法将X射线按照能量分段。

目前，闪烁体探测器通常由宽度为0.8-1.0 mm的闪烁体单元组成，闪烁体晶体可以选择碘化钠（NaI）、碘化铯（CsI）和硫氧化钆（GOS）等材料。X射线入射到闪烁体探测器时，部分X射线和闪烁体的材料发生相互作用，其能量将沉积在闪烁体内。闪烁体被电离或者激发后，将退激发，在退激发过程中闪烁体会以光子的形式辐射能量，这些光子的波长大部分在可见光范围内。可见光将被光电二极管探测到，并转化为电流信号。闪烁体产生的可见光的强度和诱导出的电流脉冲幅度都正比于被吸收X射线的能量E。在一次读数（扫描成像）测量时间内，所有记录的电流脉冲将被积分。

利用能量积分类型的闪烁体探测器测量X射线在没有被检测物体时的强度I₀，以及穿过被检测物体后的强度I，然后计算被检测物体对X射线的透射率 p=I/I₀或者吸收率A=（I₀-I）/I₀，然后将吸收率或者透射率转换为灰度图得到被检测物体的形状。使用透射率或者吸收率的成像效果是一样的。当X射线穿过多层物体时，吸收率反应的是被检测物体对X射线累积吸收的效果总和。但是目前这种方式仍旧无法将X射线按照能量区分，而且只能测量被检测物体对X射线的累计吸收效果，无法检测两层重叠物体的厚度。

因此，亟待一种单光子探测器的重叠物厚度检测方法、装置及其应用，以解决现有技术存在的问题。

发明内容

本申请实施例提供了基于单光子探测器的重叠物厚度检测方法及其应用，针对目前技术无法检测两层重叠物体的厚度的问题。

本发明核心技术主要是利用单光子计数探测器将X射线的能量分为高能和低能，分别测量物体穿过被检测物体后的计数，可以利用算法重建出两层材料种类已知物体的厚度，实现两层重叠物体的分解，从而分别测量出两层重叠物体的厚度。

第一方面，本申请提供了基于单光子探测器的重叠物厚度检测方法，所述方法包括以下步骤：

S00、利用单光子探测器将X射线的能量分为多个能量区间，并分别设置每个能量区间的阈值；

S10、分别获取X射线在每个能量区间下无被检测物体时的计数以及X射线在每个能量区间下穿过检测物体时的计数；

S20、根据S10步骤的结果，分别计算每个能量区间下X射线的透射率；

S30、根据S20步骤的每个透射率、系统能谱D(E)以及重叠物的每层物体材料的线性吸收系数，求解重叠物的每层物体的厚度。

进一步地，还包括S40步骤：按照S00~S30步骤逐点计算出重叠物每个像素点的所有物体的厚度，并将每层重叠物体分解，以计算出每一层物体的厚度分布情况，并得到多张分别代表一种物体厚度分布的图。

进一步地，S30步骤中，系统能谱D(E)为单光子探测器的X射线管能谱和单光子探测器效率的乘积。

进一步地，S30步骤中，在每个能量区间下以X射线透射率的理论值表示每层物体的厚度的函数，该理论值通过S20步骤计算得到。

进一步地，S00步骤中，利用单光子探测器将X射线的能量分为低高两个能量区间，并分别设置每个能量区间的阈值。

进一步地，S20步骤中，低能能量区间为，高能能量区间为/>，则每个能量区间下X射线的透射率为：

其中，p₁表示低能量区间下的X射线的透射率，p₂表示高能量区间下的X射线的透射率，和/>分别表示X射线在低高两个能量区间下无被检测物体时的计数，I₁和I₂表示X射线在低高两个能量区间下穿过被检测物体时的计数。

进一步地，S30步骤中，在低高两个能量区间透射率和厚度的关系式为：

其中，t_a和t_b分别表示两层物体的厚度，μ_a(E)和μ_b(E)分别表示两层物体材料的线性吸收系数。

第二方面，本申请提供了一种基于单光子探测器的重叠物厚度检测装置，包括：

分区模块，利用单光子探测器将X射线的能量分为多个能量区间，并分别设置每个能量区间的阈值；

采集模块，分别获取X射线在每个能量区间下无被检测物体时的计数以及X射线在每个能量区间下穿过检测物体时的计数；

计算模块，根据采集模块的结果，分别计算每个能量区间下X射线的透射率；根据采集模块的每个透射率、系统能谱D(E)以及重叠物的每层物体材料的线性吸收系数，求解重叠物的每层物体的厚度；

输出模块，分别输出多层物体的厚度。

第三方面，本申请提供了一种电子装置，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，处理器被设置为运行计算机程序以执行上述的基于单光子探测器的重叠物厚度检测方法。

第四方面，本申请提供了一种可读存储介质，可读存储介质中存储有计算机程序，计算机程序包括用于控制过程以执行过程的程序代码，过程包括根据上述的基于单光子探测器的重叠物厚度检测方法。

本发明的主要贡献和创新点如下：1、与现有技术相比，本申请利用单光子计数探测器将X射线的能量分为高能和低能或更多种能量区间，分别测量物体穿过被检测物体后的计数，可以利用算法重建出两层或更多层材料种类已知物体的厚度，实现两层重叠物体的分解；具有测量精度高，测量误差小的优点。

2、与现有技术相比，本申请可用于在行李安检和工业无损检测领域，可以帮忙行李安检领域检测出两层重叠物体的厚度，该方案也可以应用于工业无损检测领域。实验测量表明该方法对重叠物体厚度的测量可以达到10%以内的测量误差。

3、与现有技术相比，本申请可以逐点计算出重叠物每个像素点的所有物体的厚度，并将每层重叠物体分解，以计算出每一层物体的厚度分布情况，并得到多张分别代表一种物体厚度分布的图，可以快速高效地完成重叠物的厚度检测。如此适用于不同材料的重叠物的厚度检测，可以应用于多个领域，如材料科学、生物医学等。

本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例的基于单光子探测器的重叠物厚度检测方法的流程；

图2是根据本申请实施例的电子装置的硬件结构示意图。

具体实施方式

这里将详细的对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本说明书一个或多个实施例相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本说明书一个或多个实施例的一些方面相一致的装置和方法的例子。

需要说明的是：在其他实施例中并不一定按照本说明书示出和描述的顺序来执行相应方法的步骤。在一些其他实施例中，其方法所包括的步骤可以比本说明书所描述的更多或更少。此外，本说明书中所描述的单个步骤，在其他实施例中可能被分解为多个步骤进行描述；而本说明书中所描述的多个步骤，在其他实施例中也可能被合并为单个步骤进行描述。

在实际的工业无损检测或者行李安检领域，常会有两层物体重叠的现象出现。传统的X射线成像方法无法分辩检测出两层物体的厚度，其应用具有局限性。另一面，传统上探测X射线使用的是能量积分类型的闪烁体探测器，它探测的是一段时间内的累积信号，无法记录单个X射线光子脉冲信号，这类探测器的信号探测误差大且无法将X射线按照能量分段。

而单光子计数探测器通常采用半导体探测器，被半导体材料吸收的X射线会产生电子空穴对，在强电场作用下，电子和空穴将分别向两个不同方向运动。电子在电场作用下，将向阳极漂移形成电流脉冲。电流脉冲将在10-15 ns内被转化为电压脉冲。电压脉冲的幅度正比于X射线在半导体材料内沉积的能量E。只要电压脉冲的幅度超过某个特定的阈值，它们都将被计数。半导体探测由于时间响应快，能够对超过能量阈值的每个光子信号进行计算。此外，单光子探测器可以设置多个能量区分，将X射线按照能量进行划分。如果设置两个能量阈值，单光子探测器可以将X射线管产生的具有连续能谱的X射线划分为高X射线和低能X射线。基于此，本发明基于单光子计数探测器进行研发，来解决现有技术存在的问题。

实施例一

本申请旨在提出一种基于单光子探测器的重叠物厚度检测方法，具体地，参考图1，所述方法包括以下步骤：

S00、利用单光子探测器将X射线的能量分为多个能量区间，并分别设置每个能量区间的阈值；

在本实施例中，优选设置单光子计数探测器的两个能量窗口的阈值，低能能量区间和高能能量区间/>。当然不仅限于两个能量区间，也可以是三个或四个，但是相对的检测精度会下降，因此优选一般为两个。

S10、分别获取X射线在每个能量区间下无被检测物体时的计数以及X射线在每个能量区间下穿过检测物体时的计数；

S20、根据S10步骤的结果，分别计算每个能量区间下X射线的透射率；

在本实施例中，低能能量区间为，高能能量区间为/>，则每个能量区间下X射线的透射率为：

其中，p₁表示低能量区间下的X射线的透射率，p₂表示高能量区间下的X射线的透射率，和/>分别表示X射线在低高两个能量区间下无被检测物体时的计数，I₁和I₂表示X射线在低高两个能量区间下穿过被检测物体时的计数。

S30、根据S20步骤的每个透射率、系统能谱D(E)以及重叠物的每层物体材料的线性吸收系数，求解重叠物的每层物体的厚度；

在本实施例中，如果用t_a和t_b分别表示两层物体的厚度，则在能量区间和/>下X射线透射率的理论值是厚度t_a和t_b的函数。即在低能区间和高能区间透射率和厚度的关系可以表示为：

其中，μ_a(E)和μ_b(E)分别表示两层物体材料的线性吸收系数，系统能谱D(E)是X射线管能谱和探测器效率的乘积。

优选地，理论计算的透射p₁(t_a,t_b)和p₂(t_a,t_b)的取值应该尽可能地接近真实测量到的透射率，因此通过最小化理论计算的透射率和测量到的透射率的偏差，可以计算出被检测物体的厚度t_a和t_b。利用在两个能量区间的透射率，最小化函数Q(t_a,t_b)=[p₁(t_a,t_b)-p₁]²+[p₂(t_a,t_b)-p₂]²可以分别计算出两层物体的厚度t_a和t_b。函数Q(t_a,t_b)取最小值时t_a和t_b所对应的取值便是被检测物体第一层和第二层的厚度。

S40、按照S00~S30步骤逐点计算出重叠物每个像素点的所有物体的厚度，并将每层重叠物体分解，以计算出每一层物体的厚度分布情况，并得到多张分别代表一种物体厚度分布的图。

实施例二

基于相同的构思，本申请还提出了一种基于单光子探测器的重叠物厚度检测装置，包括：

分区模块，利用单光子探测器将X射线的能量分为多个能量区间，并分别设置每个能量区间的阈值；

采集模块，分别获取X射线在每个能量区间下无被检测物体时的计数以及X射线在每个能量区间下穿过检测物体时的计数；

计算模块，根据采集模块的结果，分别计算每个能量区间下X射线的透射率；根据采集模块的每个透射率、系统能谱D(E)以及重叠物的每层物体材料的线性吸收系数，求解重叠物的每层物体的厚度；

输出模块，分别输出多层物体的厚度。

实施例三

本实施例还提供了一种电子装置，参考图2，包括存储器404和处理器402，该存储器404中存储有计算机程序，该处理器402被设置为运行计算机程序以执行上述任一项方法实施例中的步骤。

具体地，上述处理器402可以包括中央处理器（CPU），或者特定集成电路（ApplicationSpecificIntegratedCircuit，简称为ASIC），或者可以被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路。

其中，存储器404可以包括用于数据或指令的大容量存储器404。举例来说而非限制，存储器404可包括硬盘驱动器（HardDiskDrive，简称为HDD）、软盘驱动器、固态驱动器（SolidStateDrive，简称为SSD）、闪存、光盘、磁光盘、磁带或通用串行总线（UniversalSerialBus，简称为USB）驱动器或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，存储器404可包括可移除或不可移除（或固定）的介质。在合适的情况下，存储器404可在数据处理装置的内部或外部。在特定实施例中，存储器404是非易失性（Non-Volatile）存储器。在特定实施例中，存储器404包括只读存储器（Read-OnlyMemory，简称为ROM）和随机存取存储器（RandomAccessMemory，简称为RAM）。在合适的情况下，该ROM可以是掩模编程的ROM、可编程ROM（ProgrammableRead-OnlyMemory，简称为PROM）、可擦除PROM（ErasableProgrammableRead-OnlyMemory，简称为EPROM）、电可擦除PROM（ElectricallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory，简称为EEPROM）、电可改写ROM（ElectricallyAlterableRead-OnlyMemory，简称为EAROM）或闪存（FLASH）或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，该RAM可以是静态随机存取存储器（StaticRandom-AccessMemory，简称为SRAM）或动态随机存取存储器（DynamicRandomAccessMemory，简称为DRAM），其中，DRAM可以是快速页模式动态随机存取存储器404（FastPageModeDynamicRandomAccessMemory，简称为FPMDRAM）、扩展数据输出动态随机存取存储器（ExtendedDateOutDynamicRandomAccessMemory，简称为EDODRAM）、同步动态随机存取内存（SynchronousDynamicRandom-AccessMemory，简称SDRAM）等。

存储器404可以用来存储或者缓存需要处理和/或通信使用的各种数据文件，以及处理器402所执行的可能的计算机程序指令。

处理器402通过读取并执行存储器404中存储的计算机程序指令，以实现上述实施例中的任意基于单光子探测器的重叠物厚度检测方法。

可选地，上述电子装置还可以包括传输设备406以及输入输出设备408，其中，该传输设备406和上述处理器402连接，该输入输出设备408和上述处理器402连接。

传输设备406可以用来经由一个网络接收或者发送数据。上述的网络具体实例可包括电子装置的通信供应商提供的有线或无线网络。在一个实例中，传输设备包括一个网络适配器（Network Interface Controller，简称为NIC），其可通过基站与其他网络设备相连从而可与互联网进行通讯。在一个实例中，传输设备406可以为射频（Radio Frequency，简称为RF）模块，其用于通过无线方式与互联网进行通讯。

输入输出设备408用于输入或输出信息。在本实施例中，输入的信息可以是检测指令等，输出的信息可以是两层或多层物体的厚度等。

实施例四

本实施例还提供了一种可读存储介质，可读存储介质中存储有计算机程序，计算机程序包括用于控制过程以执行过程的程序代码，过程包括根据实施例一的基于单光子探测器的重叠物厚度检测方法。

需要说明的是，本实施例中的具体示例可以参考上述实施例及可选实施方式中所描述的示例，本实施例在此不再赘述。

通常，各种实施例可以以硬件或专用电路、软件、逻辑或其任何组合来实现。本发明的一些方面可以以硬件来实现，而其他方面可以以可以由控制器、微处理器或其他计算设备执行的固件或软件来实现，但是本发明不限于此。尽管本发明的各个方面可以被示出和描述为框图、流程图或使用一些其他图形表示，但是应当理解，作为非限制性示例，本文中描述的这些框、装置、系统、技术或方法可以以硬件、软件、固件、专用电路或逻辑、通用硬件或控制器或其他计算设备或其某种组合来实现。

本发明的实施例可以由计算机软件来实现，该计算机软件由移动设备的数据处理器诸如在处理器实体中可执行，或者由硬件来实现，或者由软件和硬件的组合来实现。包括软件例程、小程序和/或宏的计算机软件或程序(也称为程序产品)可以存储在任何装置可读数据存储介质中，并且它们包括用于执行特定任务的程序指令。计算机程序产品可以包括当程序运行时被配置为执行实施例的一个或多个计算机可执行组件。一个或多个计算机可执行组件可以是至少一个软件代码或其一部分。另外，在这一点上，应当注意，如图中的逻辑流程的任何框可以表示程序步骤、或者互连的逻辑电路、框和功能、或者程序步骤和逻辑电路、框和功能的组合。软件可以存储在诸如存储器芯片或在处理器内实现的存储块等物理介质、诸如硬盘或软盘等磁性介质、以及诸如例如DVD及其数据变体、CD等光学介质上。物理介质是非瞬态介质。

本领域的技术人员应该明白，以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.基于单光子探测器的重叠物厚度检测方法，用于对重叠的两层物体厚度进行检测，其特征在于，包括以下步骤：

S00、利用单光子探测器将X射线的能量分为多个能量区间，并分别设置每个能量区间的阈值；

S10、分别获取X射线在每个能量区间下无被检测物体时的计数以及X射线在每个能量区间下穿过检测物体时的计数；

S20、根据S10步骤的结果，分别计算每个能量区间下X射线的透射率；

S30、根据S20步骤的每个透射率、系统能谱D(E)以及重叠物的每层物体材料的线性吸收系数，在每个能量区间下以X射线透射率的理论值表示每层物体的厚度的函数，该理论值通过S20步骤计算得到，通过最小化理论计算的透射率和测量到的透射率的偏差，以计算求解出重叠物的每层物体的厚度；

其中，系统能谱D(E)为单光子探测器的X射线管能谱和单光子探测器效率的乘积。

2.如权利要求1所述的基于单光子探测器的重叠物厚度检测方法，其特征在于，还包括S40步骤：按照S00~S30步骤逐点计算出重叠物每个像素点的所有物体的厚度，并将每层重叠物体分解，以计算出每一层物体的厚度分布情况，并得到多张分别代表一种物体厚度分布的图。

3.如权利要求1或2所述的基于单光子探测器的重叠物厚度检测方法，其特征在于，S00步骤中，利用单光子探测器将X射线的能量分为低高两个能量区间，并分别设置每个能量区间的阈值。

4.如权利要求3所述的基于单光子探测器的重叠物厚度检测方法，其特征在于，S20步骤中，低能能量区间为，高能能量区间为/>，则每个能量区间下X射线的透射率为：

其中，p₁表示低能量区间下的X射线的透射率，p₂表示高能量区间下的X射线的透射率，和/>分别表示X射线在低高两个能量区间下无被检测物体时的计数，I₁和I₂表示X射线在低高两个能量区间下穿过被检测物体时的计数。

5.如权利要求4所述的基于单光子探测器的重叠物厚度检测方法，其特征在于，S30步骤中，在低高两个能量区间透射率和厚度的关系式为：

其中，t_a和t_b分别表示两层物体的厚度，μ_a(E)和μ_b(E)分别表示两层物体材料的线性吸收系数。

6.一种基于单光子探测器的重叠物厚度检测装置，其特征在于，包括：

分区模块，利用单光子探测器将X射线的能量分为多个能量区间，并分别设置每个能量区间的阈值；

采集模块，分别获取X射线在每个能量区间下无被检测物体时的计数以及X射线在每个能量区间下穿过检测物体时的计数；

计算模块，根据采集模块的结果，分别计算每个能量区间下X射线的透射率的理论值；根据采集模块的每个透射率、系统能谱D(E)以及重叠物的每层物体材料的线性吸收系数，求解重叠物的每层物体的厚度；其中，系统能谱D(E)为单光子探测器的X射线管能谱和单光子探测器效率的乘积；在每个能量区间下以X射线透射率的理论值表示每层物体的厚度的函数；

输出模块，分别输出多层物体的厚度。

7.一种电子装置，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行权利要求1至5任一项所述的基于单光子探测器的重叠物厚度检测方法。

8.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序包括用于控制过程以执行过程的程序代码，所述过程包括根据权利要求1至5任一项所述的基于单光子探测器的重叠物厚度检测方法。