EA045822B1

EA045822B1 - METHOD FOR DETERMINING THE SPATIAL PROFILE OF AN INSPECTED OBJECT

Info

Publication number: EA045822B1
Application number: EA202300031
Authority: EA
Inventors: Владимир Витальевич Гребенщиков; Иван Игоревич Врубель; Денис Олегович Спирин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Индиком"
Priority date: 2022-08-01
Filing date: 2023-05-10
Publication date: 2023-12-28

Description

Изобретение относится к области неразрушающих средств досмотра различных видов транспорта, легких сооружений, багажа, основанных на использовании рентгеновского излучения. Принцип действия заявленного способа основан на регистрации ионизирующего излучения, рассеянного объектом досмотра в сторону источника, что позволяет размещать все оборудование установки с одной стороны от объекта, и, следовательно, проводить процедуру досмотра скрытно. Важным преимуществом технологии такого типа досмотра является принципиальная возможность получения изображения объектов за преградой. В случае наличия оптически непроницаемой преграды (стенки фургона, тары, элементы обшивки, кузовные детали) проникающее зондирующее излучение рассеивается в основном от массивных объектов, что позволяет игнорировать рассеяние от тонких преград при анализе рентгенографического изображения.The invention relates to the field of non-destructive inspection means of various types of transport, light structures, luggage, based on the use of X-ray radiation. The principle of operation of the claimed method is based on the registration of ionizing radiation scattered by the inspection object towards the source, which makes it possible to place all the equipment of the installation on one side of the object, and, therefore, to carry out the inspection procedure secretly. An important advantage of this type of inspection technology is the fundamental possibility of obtaining an image of objects behind a barrier. In the case of an optically impenetrable barrier (van walls, containers, trim elements, body parts), the penetrating probing radiation is scattered mainly from massive objects, which makes it possible to ignore scattering from thin barriers when analyzing an x-ray image.

В большинстве случаев известные способы основаны на обратном рассеянии (BackScatter) и предназначены для построения плоского изображения объекта досмотра, где развертка осуществляется за счет взаимного перемещения пучка зондирующего излучения и объекта досмотра. Классическая система BackScatter подразумевает использование представления интенсивности зарегистрированного излучения, характеризующего способность фрагмента объекта (пикселя изображения) рассеивать излучение зондирующего пучка. В предлагаемом изобретении изображение может быть охарактеризовано дополнительным параметром - пространственным профилем рассеивающей поверхности объекта (известным как псевдо-3D), причем без изменения процедуры досмотра.In most cases, the known methods are based on backscattering (BackScatter) and are intended for constructing a flat image of the inspection object, where the scanning is carried out due to the mutual movement of the probe radiation beam and the inspection object. The classic BackScatter system involves the use of a representation of the registered radiation intensity, which characterizes the ability of an object fragment (image pixel) to scatter the radiation of the probing beam. In the present invention, the image can be characterized by an additional parameter - the spatial profile of the scattering surface of the object (known as pseudo-3D), without changing the inspection procedure.

Известен способ дистанционного контроля [1], позволяющий проводить дистанционный (скрытый) досмотр. Известный способ реализуется за счет формирования тонкого игольчатого пучка рентгеновского излучения, направленного в сторону объекта досмотра, регистрации рассеянного рентгеновского излучения, на основании интенсивности которого формируется рентгенографическое изображение-образ объекта досмотра. Однако известным способом затруднительно точно оценить пространственный профиль досматриваемого объекта.There is a known method of remote control [1], which allows for remote (hidden) inspection. The known method is implemented through the formation of a thin needle-shaped beam of X-ray radiation directed towards the inspection object, registration of scattered X-ray radiation, based on the intensity of which a radiographic image-image of the inspection object is formed. However, using the known method, it is difficult to accurately assess the spatial profile of the inspected object.

Известен способ для построения трехмерного изображения поверхности объекта [2]. В этом патенте объект исследования попеременно облучается двумя зондирующими лучами, а обратно-рассеянное излучение регистрируется детектором. Объемное изображение формируется за счет того, что синхронно с вращением коллиматоров зондирующие пучки ограничиваются прерывателями, в результате чего информация о пикселях изображения формируется пучками, прошедшими разный геометрический путь по толще объекта. Необходимость прецизионного взаимного перемещения досматриваемого объекта относительно коллиматоров существенно усложняет процесс построения трехмерного профиля объекта и делает невозможным его скрытое проведение, а использование двух источников излучения повышает трудоемкость использования такого способа.There is a known method for constructing a three-dimensional image of the surface of an object [2]. In this patent, the object of study is alternately irradiated by two probe beams, and the backscattered radiation is recorded by a detector. A three-dimensional image is formed due to the fact that, synchronously with the rotation of the collimators, the probing beams are limited by choppers, as a result of which information about the image pixels is formed by beams that have passed different geometric paths through the thickness of the object. The need for precise mutual movement of the inspected object relative to the collimators significantly complicates the process of constructing a three-dimensional profile of the object and makes it impossible to conduct it covertly, and the use of two radiation sources increases the complexity of using this method.

Известен способ в виде системы построения 3D изображения на обратном рассеянии [3]. Описанная в этом патенте технология позволяет получать трехмерное изображение объекта за счет того, что детектор оснащен коллиматором, позволяющим ему независимо регистрировать рассеянное излучение, формируемое на разных глубинах объекта. Однако реализация известного способа является трудоемкой из-за необходимости независимого перемещения источника и детектора относительно объекта с целью получения многих ракурсов, представляющих информацию, достаточную для реконструкции формы объекта. Кроме того, использование коллиматоров снижает эффективность регистрации обратно рассеянного излучения, что приводит к увеличению времени и дозы поглощенного излучения для получения изображения удовлетворительного качества.There is a known method in the form of a system for constructing a 3D image using backscattering [3]. The technology described in this patent makes it possible to obtain a three-dimensional image of an object due to the fact that the detector is equipped with a collimator, allowing it to independently record scattered radiation generated at different depths of the object. However, the implementation of the known method is labor-intensive due to the need to independently move the source and detector relative to the object in order to obtain many angles representing information sufficient to reconstruct the shape of the object. In addition, the use of collimators reduces the efficiency of recording backscattered radiation, which leads to an increase in the time and dose of absorbed radiation to obtain an image of satisfactory quality.

Известен способ на обратном рассеянии рентгеновского излучения, предназначенный для визуализации формы объекта досмотра, наиболее близкий к заявленному изобретению, описанный в патенте [4] и принятый в качестве прототипа. Известный способ относится к области рентгеновской техники и предназначен для проведения досмотра и обнаружения скрытых объектов с возможностью определения пространственного профиля инспектируемого объекта. Принцип действия известного способа основан на использовании импульсного источника ионизирующего излучения, генерирующего зондирующий пучок, и времяпролетной технологии (time-of-flight method). Функционирование известного способа осуществляется за счет измерения временных интервалов от момента подачи импульса облучения, по результатам которого на основании данных о фазе вращающегося коллиматора, времени пролета рассеянного излучения до различных детекторов восстанавливается положение точки рассеяния.There is a known method using X-ray backscattering, designed to visualize the shape of an inspection object, which is closest to the claimed invention, described in the patent [4] and adopted as a prototype. The known method relates to the field of X-ray technology and is intended for inspection and detection of hidden objects with the ability to determine the spatial profile of the inspected object. The operating principle of the known method is based on the use of a pulsed source of ionizing radiation that generates a probe beam, and time-of-flight technology. The functioning of the known method is carried out by measuring time intervals from the moment the irradiation pulse is applied, based on the results of which, based on data on the phase of the rotating collimator, the time of flight of the scattered radiation to various detectors, the position of the scattering point is restored.

К недостаткам прототипа для определения пространственного профиля объекта досмотра относятся:The disadvantages of the prototype for determining the spatial profile of the inspection object include:

низкое качество изображения предметов, находящихся за оптически непроницаемой преградой, отделяющей объект досмотра от установки (экран, тара, кузов, обшивка) вследствие шума, обусловленного тем, что кванты, отраженные от преграды, создают ложные сигналы временной привязки;low quality of the image of objects located behind an optically impenetrable barrier separating the inspection object from the installation (screen, container, body, trim) due to noise caused by the fact that quanta reflected from the barrier create false timing signals;

необходимость использования сложного и дорогостоящего источника импульсного излучения, генерирующего импульсы излучения с фронтами суб-наносекундной длительности с частотой порядка 100 кГц;the need to use a complex and expensive pulsed radiation source that generates radiation pulses with sub-nanosecond duration fronts and a frequency of the order of 100 kHz;

высокая стоимость установки, так, например, для получения качественного рентгенографического изображения на установках на обратном рассеянии требуется большая площадь чувствительной поверхности детекторов, порядка единиц квадратных метров. Вместе с тем, для получения приемлемого вреhigh cost of installation, for example, to obtain high-quality radiographic images using backscattering installations, a large area of the sensitive surface of detectors is required, on the order of several square meters. At the same time, to obtain an acceptable time

- 1 045822 менного разрешения требуются единичные кристаллы минимального размера (не более единицы сантиметров), чтобы флуктуации времени сбора сцинтилляционного сигнала вносили минимальные искажения в сигнал временной метки. Совместно эти два условия приводят к тому, что массивы детекторов должны включать сотни дискретных детекторов, что существенно усложняет электронный тракт системы и повышает цену установки.- 1 045822 variable resolution requires single crystals of a minimum size (no more than a unit of centimeters) so that fluctuations in the time of scintillation signal collection introduce minimal distortion into the time stamp signal. Together, these two conditions lead to the fact that detector arrays must include hundreds of discrete detectors, which significantly complicates the electronic path of the system and increases the cost of installation.

Заявленный способ определения пространственного профиля инспектируемого объекта свободен от указанных недостатков.The claimed method for determining the spatial profile of the inspected object is free from these disadvantages.

Техническим результатом заявляемого способа является существенное расширение области проведения досмотра обследуемых объектов, скрытых за оптически непроницаемой преградой с высоким качеством изображения, применение серийных промышленно выпускаемых источников рентгеновского излучения, работающих в непрерывном режиме, и использование значительно меньшего числа дискретных детекторов со значительно большей чувствительной площадью каждого из них, что сокращает трудозатраты, связанные с реализуемым способом и его себестоимостью.The technical result of the proposed method is a significant expansion of the area of inspection of inspected objects hidden behind an optically impenetrable barrier with high image quality, the use of serial industrially produced X-ray sources operating in continuous mode, and the use of a significantly smaller number of discrete detectors with a significantly larger sensitive area of each them, which reduces labor costs associated with the implemented method and its cost.

Указанный технический результат достигается за счет заявленного способа определения пространственного профиля в досмотровой установке, который основан на облучении инспектируемого объекта узким зондирующим пучком рентгеновского излучения, регистрации обратно рассеянного излучения детекторами ионизирующего излучения, в котором, в соответствии с заявленным изобретением, логические сигналы от каждого детектора ионизирующего излучения накапливают в системе синхронизации и интерфейсов за время формирования одиночного пикселя рентгенографического изображения синхронно с перемещением зондирующего пучка по поверхности инспектируемого объекта, данные, сформированные в рамках одного пикселя рентгенографического изображения, из системы синхронизации и интерфейсов поступают в процессор, при этом для каждого пикселя рентгенографического изображения сигналы от разных детекторов ионизирующего излучения объединяют в группы, на базе сигналов от каждой группы вычисляют разностный и суммарный сигналы, и по величине и знаку их отношения производят расчет компоненты вектора нормали рассеивающей поверхности, после чего формируют псевдопространственный профиль инспектируемого объекта на устройстве визуализации путем отображения компоненты вектора нормали с помощью светотеневого кодирования пикселя.This technical result is achieved through the claimed method for determining the spatial profile in an inspection installation, which is based on irradiating the inspected object with a narrow probe beam of X-ray radiation, recording backscattered radiation by ionizing radiation detectors, in which, in accordance with the claimed invention, logical signals from each ionizing radiation detector radiation is accumulated in the synchronization and interface system during the formation of a single pixel of the radiographic image synchronously with the movement of the probing beam along the surface of the inspected object, the data generated within one pixel of the radiographic image from the synchronization system and interfaces enters the processor, and for each pixel of the radiographic image signals from different ionizing radiation detectors are combined into groups, based on the signals from each group, the difference and total signals are calculated, and based on the magnitude and sign of their ratio, the components of the normal vector of the scattering surface are calculated, after which a pseudo-spatial profile of the inspected object is formed on a visualization device by displaying the components normal vector using pixel color coding.

Практическая реализация способа поясняется фиг. 1, на которой представлена схема досмотровой установки, состоящей из массива идентичных детекторов ионизирующего излучения 1, источника рентгеновского излучения 2, размещенного во вращающемся коллиматоре 3. На вращающемся коллиматоре установлен датчик угла поворота 4. Все детекторы 1, а также датчик угла поворота 4 подключаются к системе синхронизации и интерфейсов 5, которая соединена высокопроизводительным логическим электронным интерфейсом с процессором 6. Процессор 6 подключен к устройству для отображения результатов досмотра 7.The practical implementation of the method is illustrated in Fig. 1, which shows a diagram of an inspection installation consisting of an array of identical ionizing radiation detectors 1, an X-ray source 2 placed in a rotating collimator 3. A rotation angle sensor 4 is installed on the rotating collimator. All detectors 1, as well as the rotation angle sensor 4 are connected to a synchronization and interface system 5, which is connected by a high-performance logical electronic interface to the processor 6. The processor 6 is connected to a device for displaying the results of the inspection 7.

Заявленный способ реализуется следующим образом. Источник рентгеновского излучения 2 с коллиматором 3 формируют узкий зондирующий пучок рентгеновского излучения. Излучение зондирующего пучка попадает на объект досмотра и рассеивается, в том числе в направлении детекторов 1. Логический сигнал от детекторов 1 поступает в систему синхронизации и интерфейсов 5 и накапливаются синхронно с перемещением зондирующего пучка. Накопленные данные передаются в процессор 6 для синтеза изображения объекта для его последующей визуализации на устройстве для отображения результатов досмотра 7.The claimed method is implemented as follows. The X-ray source 2 with the collimator 3 forms a narrow probe beam of X-ray radiation. The radiation from the probing beam hits the inspection object and is scattered, including in the direction of detectors 1. The logical signal from detectors 1 enters the synchronization system and interfaces 5 and are accumulated synchronously with the movement of the probing beam. The accumulated data is transferred to the processor 6 to synthesize an image of the object for its subsequent visualization on the device for displaying the results of the inspection 7.

Заявленный способ позволяет независимо измерять интенсивность рассеянного излучения разнесенными в пространстве детекторами, что обеспечивает возможность извлечения дополнительной информации о профиле объекта за счет определения пространственных характеристик поля рассеянного излучения. Такая возможность предоставляет проводить заявленным способом не только эффективную оценку рассеивающей способности фрагментов объекта, но и учитывать их форму и/или взаимное расположение, т.е. предоставляет принципиальную возможность получать представление о пространственной форме объекта досмотра (псевдо-3D). Основным преимуществом использования системы визуализации псевдо-3D профиля досматриваемого объекта является возможность различения объектов, имеющих одинаковую проекцию на плоскость при построении изображения. Действительно, проекции многих трехмерных объектов на плоскость имеют схожий вид. Также действительная яркость элемента объекта на плоском изображении может быть сильно искажена за счет поглощения рассеянного излучения объектами, стоящими на переднем плане. В таком случае комбинированное использование классического рентгенографического изображения и изображения, характеризующего пространственный псевдо-3D профиль объекта, способствует качественному улучшению информативности изображения и повышению достоверности процедуры досмотра.The claimed method makes it possible to independently measure the intensity of scattered radiation by detectors spaced apart in space, which makes it possible to extract additional information about the profile of an object by determining the spatial characteristics of the scattered radiation field. This opportunity makes it possible to use the claimed method not only to effectively assess the scattering ability of object fragments, but also to take into account their shape and/or relative position, i.e. provides a fundamental opportunity to obtain an idea of the spatial shape of the inspection object (pseudo-3D). The main advantage of using a system for visualizing a pseudo-3D profile of an inspected object is the ability to distinguish between objects that have the same projection onto the plane when constructing an image. Indeed, the projections of many three-dimensional objects onto a plane have a similar appearance. Also, the actual brightness of an object element in a flat image can be greatly distorted due to the absorption of scattered radiation by objects in the foreground. In this case, the combined use of a classic radiographic image and an image characterizing the spatial pseudo-3D profile of an object helps to qualitatively improve the information content of the image and increase the reliability of the inspection procedure.

Проведенные лабораторные исследования подтвердили указанный технический результат, достижение которого демонстрируется приведенным ниже конкретным примером реализации.Laboratory studies have confirmed the specified technical result, the achievement of which is demonstrated by the specific example of implementation given below.

ПримерExample

На фиг. 2 проиллюстрирован конкретный пример обследования объектов, имеющих форму цилиндра и параллелепипеда.In fig. Figure 2 illustrates a specific example of examining objects shaped like a cylinder and a parallelepiped.

При облучении фронтальной грани параллелепипеда, обращенной к досмотровой установке, полеWhen irradiating the front face of the parallelepiped facing the inspection unit, the field

- 2 045822 излучения будет однородным так как кванты, рассеянные в детекторы, расположенные слева и справа от зондирующего пучка, проходят по материалу объекта одинаковый путь и, следовательно, испытывают одинаковое ослабление. Если досматривается объект цилиндрической формы, то поле рассеянного излучения будет однородным только при облучении его центральной части. В противном случае в зависимости от того, левая или правая сторона цилиндра облучается, будет регистрироваться больший сигнал рассеянного излучения в детекторах, расположенных по левую или правую сторону от зондирующего пучка.- 2 045822 radiation will be uniform since quanta scattered into detectors located to the left and right of the probing beam travel the same path through the object material and, therefore, experience the same attenuation. If a cylindrical object is inspected, then the scattered radiation field will be uniform only when its central part is irradiated. Otherwise, depending on whether the left or right side of the cylinder is irradiated, a larger scattered radiation signal will be recorded in detectors located on the left or right side of the probing beam.

Ниже приведен возможный вариант реализации изобретения в виде алгоритма визуализации пространственного профиля реальных объектов с помощью светотеневого представления. Для этого сконструирован знакопеременный критерий, отражающий ориентацию (за счет знака) и величину проекции нормали (за счет амплитуды) фрагмента рассеивающей поверхности, вида:Below is a possible implementation of the invention in the form of an algorithm for visualizing the spatial profile of real objects using a cut-off representation. For this purpose, an alternating criterion has been constructed that reflects the orientation (due to the sign) and the magnitude of the normal projection (due to the amplitude) of a fragment of the scattering surface, of the form:

Nx=(I_l-Ir)/(Il+Ir), где I_L и I_R - интенсивности рассеянного излучения, зарегистрированные по правую и левую стороны от зондирующего луча соответственно. Очевидно, что сконструированному критерию соответствует диапазон возможных значений от -1 до 1, хотя практические измерения показывают, что действительный диапазон возможных значений критерия умещается в интервал [-0,5; 0,5].Nx=(I _l -Ir)/(Il+Ir), where I _L and I _R are the intensities of scattered radiation recorded on the right and left sides of the probing beam, respectively. It is obvious that the constructed criterion corresponds to a range of possible values from -1 to 1, although practical measurements show that the actual range of possible values of the criterion fits into the interval [-0.5; 0.5].

На фиг. 3 (а, б и в) приведены изображения реальных предметов, отвечающие графическому представлению значения признака положения нормали N_x, где минимальному значению признака соответствует черный цвет пикселя, а максимальному - белый. Эти же объекты, визуализированные в классическом для установки на обратном рассеянии представлении, когда яркость пикселя обусловлена суммарной интенсивностью рассеянного излучения вида:In fig. Figure 3 (a, b and c) shows images of real objects that correspond to a graphical representation of the value of the normal position attribute N _x , where the minimum value of the attribute corresponds to black pixel color, and the maximum to white. The same objects, visualized in a classic representation for backscattering, when the brightness of the pixel is determined by the total intensity of the scattered radiation of the form:

Int= Il+Ir, представлены на фиг. 3 (г, д и е).Int=Il+Ir, shown in Fig. 3 (d, e and f).

На фиг. 3 (а, б и в) видно, что предложенный алгоритм вырабатывает признак, который обозначает области рентгенографического изображения, соответствующие фрагментам объекта, создающим неоднородное поле рассеянного излучения. При этом асимметрия имеет взаимно-однозначную связь с направлением нормали объекта.In fig. 3 (a, b and c) it is clear that the proposed algorithm produces a feature that designates areas of the radiographic image corresponding to fragments of the object that create a non-uniform field of scattered radiation. In this case, asymmetry has a one-to-one relationship with the direction of the normal of the object.

Типичные изображения, приведенные на фиг. 3 могут быть представлены оператору установки как по отдельности, так и совместно парами: (а и г), (б и д), (в и е). Совместное представление изображений, составляющих пары, возможно, с помощью известных моделей, используемых в программах 3Dмоделирования и компьютерной графики, например, таких как закон косинуса Ламберта. В этом случае способ определения псевдо-3D профиля позволяет оценить для каждого фрагмента объекта положение нормали. Композиция слоев плоского изображения, в которых известны и яркости, и форм-факторы объектов, совместно являются так называемой сценой [5]. Визуализация сцены на дисплее осуществляется за счет приобретения объектами сцены светотеневого контура, типичного для объемных объектов при их освещении обычным источником света, где положение источника является динамическим параметром представления.Representative images shown in FIGS. 3 can be presented to the installation operator either individually or together in pairs: (a and d), (b and d), (c and f). Joint representation of images that make up pairs is possible using well-known models used in 3D modeling and computer graphics programs, such as Lambert's cosine law. In this case, the method for determining the pseudo-3D profile allows us to estimate the position of the normal for each fragment of the object. The composition of flat image layers, in which both the brightness and form factors of objects are known, together constitute the so-called scene [5]. Visualization of the scene on the display is carried out due to the acquisition by objects of the scene of a cut-off contour, typical for volumetric objects when they are illuminated by a conventional light source, where the position of the source is a dynamic representation parameter.

Технико-экономическая эффективность заявленного способа состоит в повышении его надежности, снижении стоимости его практической реализации и увеличении достоверности досмотра за счет повышения качества синтезируемого изображения.The technical and economic efficiency of the claimed method consists in increasing its reliability, reducing the cost of its practical implementation and increasing the reliability of inspection by increasing the quality of the synthesized image.

Изобретение может быть использовано как в целях обеспечения безопасности при осуществлении досмотра движимых и недвижимых объектов, в частности, автомобильном транспорте, легких строениях, транспортных контейнерах, багажах и других объектах, так и для промышленных целей при анализе приповерхностных слоев объектов на предмет инородных включений и/или дефектов.The invention can be used both for security purposes when carrying out inspections of movable and immovable objects, in particular, motor vehicles, light buildings, transport containers, luggage and other objects, and for industrial purposes when analyzing the near-surface layers of objects for foreign inclusions and/ or defects.

Список использованной литературыList of used literature

1. Патент RU 145 863 (13) U1, МПК H05G 1/00 (2006.01)1. Patent RU 145 863 (13) U1, IPC H05G 1/00 (2006.01)

2. Патент US 9,989,483 B2, МПК G01N 23/202. Patent US 9,989,483 B2, IPC G01N 23/20

3. Патент US 9,442,083 B2, МПК G01N 23/203. Patent US 9,442,083 B2, IPC G01N 23/20

4. Патент US 9,128,198 B2, МПК G01N 23/203 (прототип)4. Patent US 9,128,198 B2, IPC G01N 23/203 (prototype)

5. Buss S., Buss S. R. 3D computer graphics: a mathematical introduction with OpenGL. -Cambridge University Press, 2003.5. Buss S., Buss S. R. 3D computer graphics: a mathematical introduction with OpenGL. -Cambridge University Press, 2003.

Claims

A method for determining the spatial profile of an inspected object in a backscatter inspection installation, including irradiating the inspected object with a narrow probe beam of X-ray radiation, recording backscattered radiation by ionizing radiation detectors, characterized in that logical signals from each ionizing radiation detector are accumulated in a synchronization and interface system over time formation of a single pixel of the radiographic image synchronously with the movement of the probing beam along the surface of the inspected object, the data accumulated within one pixel of the radiographic image is sent to the processor, for each pixel of the radiographic image, signals from different ionizing radiation detectors are combined into groups, based on the signals from each group the difference and total signals are calculated, and based on the magnitude and sign of their ratio, the normal vector components of the scattering surface are calculated, after which a pseudo-spatial profile of the inspected object is formed on the visualization device by displaying the normal vector components using cut-off coding of the pixel.