物質識別系統中的實時標定設備和方法
2023-05-16 04:19:41
專利名稱：物質識別系統中的實時標定設備和方法
技術領域：
本發明一般涉及輻射成像，具體涉及一種物質識別系統中的實時 標定設備和方法，能夠簡化物質識別系統的標定流程並提升系統的材 料分辨效果的穩定性。
背景技術：
以貨櫃為單位進行運輸，是一種現代化、先進的運輸方式。集 裝箱化已經成為國際貨物運輸的大趨勢。與此同時，利用貨櫃走私，
偷運槍枝、武器、毒品、爆炸物甚至大規模殺傷性武器(Weapons of Mass Destruction, WMDs)和放射性散布裝置(Radiological Dispersal Devices, RDDs)，已經成為困擾各國政府、幹擾國際貨物運輸正常秩 序的國際公害。
2001年美國911事件之後，美國政府開始重視貨運的潛在風險， 最擔心WMDs和RDDs通過貨櫃運入美國。為了防範這種風險， 2001年1月17日，美國海關發布了 "貨櫃安全倡議"(Container Security Initiative, SCI)，要求所有具有直接通航美國港口業務的外國 港口必須裝有非侵入式I("射線掃描成像設備，對運往美國的貨櫃 進行射線掃描檢查。CSI公布1年後，就有18個世界大港口加入該 倡議並開始運行。在國際運輸安全要求日益提升的大環境下，世界海 關組織全體一致通過決議，要求全體161個成員國沿著CSI模式發展 相關貨櫃安全檢察計劃一一貨櫃安全檢查已經成為全世界共同 關注的課題。
目前的貨櫃義("射線安全檢查設備以透射成像為主，採用X 射線直接透射貨物，得到X射線路徑覆蓋的所有物品的透射圖像。標 準的透射成像技術解決了貨櫃"可視化"問題，得到了廣泛應用。 在此基礎上實現的雙能透射技術是利用兩種能譜不同的X射線穿透被檢物，其輸出信號的差異經過處理，得到被檢物的材料原子序數信 息。因此，將在一定程度上有效地提升安全檢査水平，滿足了CSI提 出的從檢查走私物品(簡稱"査私")向檢査危禁品(簡稱"查危") 發展的貨櫃檢查需求。採用此技術實現的物質識別系統目前已經成 功的應用於實際的高能X射線雙能成像貨櫃檢査系統中，該系統 具有運行速度快、材料分辨準確率高等優點。
但是，目前的高能X射線雙能成像貨櫃檢査系統(以下簡稱 為高能雙能系統)的物質識別分系統還存在以下不足。
由於每套系統的雙能狀態都不同，導致在投入使用之前都需要進 行單獨標定，以訓練出一套適合該系統的分類參數。標定工作是目前 雙能系統調試最繁鎖的工作之一。
高能雙能系統中的加速器分系統由於各種原因，例如長途運輸， 配件更換，人為劑量調整等等，會出現雙能狀態的波動。如果波動程 度較大，則必須要進行重新標定，才能重新投入使用。
由於目前加速器技術的限制，對於同一臺加速器而言，不同時刻
的加速器雙能狀態也存在波動，例如脈衝電流抖動，AFC引起的狀
態波動。這種波動會導致相同物質在不同時刻的材料分辨效果存在一 定的差異，從而影響圖像質量。
發明內容
本發明的目的是提出一種諸如高能雙能系統之類的物質識別系 統中的實時標定裝置及相應的方法，簡化了高能雙能系統的物質識別 分系統的標定流程，提升了系統的材料分辨效果的穩定性。
本系統主要針對諸如高能雙能系統的物質識別分系統存在的不 足進行改進。本系統既可以使能量和劑量相差不大的不同套系統使用 同一套分類參數成為可能，又可以避免同一套系統的加速器分系統發 生狀態改變後的重新標定，還可以在一定程度上改善由於不同時刻加 速器雙能狀態的波動對材料分辨效果造成的影響。
在本發明的一個方面，提出了一種物質識別系統中的實時標定方 法，該物質識別系統基於一組分類參數對被檢物體的物質進行識別，第一主射線束和第一輔射線
束，和具有第二能量的第二主射線束和第二輔射線束；使第一主射線
束和第二主射線束透射被檢物體；使第一輔射線束和第二輔射線束透 射至少一個實時標定材料塊；採集透射被檢物體的第一主射線束和第
二主射線束的值，作為雙能數據；釆集透射實時標定材料塊的第一輔 射線束和第二輔射線束的值，作調整參數；基於該調整參數對該組分 類參數進行調整；以及根據調整後的分類參數對雙能數據進行材料識 別處理。
根據本發明的實施例，每預定次數的掃描用調整參數對分類參數 進行調整。
根據本發明的實施例，所述至少一個實時標定材料塊包括代表有 機物的第一塊、代表混合物的第二塊、代表無機物的第三塊和代表重 金屬的第四塊。
根據本發明的實施例，所述第一塊由石墨構成、所述第二塊由鋁 構成、所述第三塊由鐵構成、所述第四塊由鉛構成。
根據本發明的實施例，所述實時標定方法還包括步驟用能譜調 制裝置對各個射線束進行能譜調製。
根據本發明的實施例，所述第一輔射線束是第一主射線束的一部 分，所述第二輔射線束是第二主射線束的一部分。
根據本發明的實施例，所述第一輔助射線束與第一主射線束相互 獨立，所述第二輔助射線束與所述第二主射線束相互獨立。
根據本發明的實施例，至少一個實時標定材料塊設置在所述第一 主射線束或第二射線束的上部、底部或者側面。
根據本發明的實施例，所述至少一個實時標定材料塊分別具有單 一的厚度。
根據本發明的實施例，所述至少一個實時標定材料塊分別具有至 少兩種厚度。
根據本發明的實施例，所述分類參數構成了用於將至少兩種物質 區別開的離散化分類曲線。
在本發明的另一方面，提出了一種物質識別系統中的實時標定設備，該物質識別系統基於一組分類參數對被檢物體的物質進行識別， 該實時標定設備包括射線產生裝置，發射具有第一能量的第一主射 線束和第一輔射線束，和具有第二能量的第二主射線束和第二輔射線 束，其中第一主射線束和第二主射線束透射被檢物體，而第一輔射線 束和第二輔射線束透射至少一個實時標定材料塊；採集裝置，採集透 射被檢物體的第一主射線束和第二主射線束的值，作為雙能數據，以 及採集透射實時標定材料塊的第一輔射線束和第二輔射線束的值，作 調整參數；數據處理裝置，基於該調整參數對該組分類參數進行調整， 並且根據調整後的分類參數對雙能數據進行材料識別處理。
根據本發明的實施例，所述採集裝置包括主探測器模塊，與第 一主射線束或第二主射線束的中心線大致垂直，探測透射被檢物體後 的第一主射線束或者第二主射線束；輔探測器模塊，與第一輔射線束 或第二輔射線束的中心線大致垂直，探測透射所述實時標定材料塊後 的第一輔射線束或者第二輔射線束。
上述設備能夠內嵌於高能雙能系統的物質識別分系統中。對於物 質識別能力較高的高能雙能系統，用同一套事先標定好的適用於該類 系統的分類參數，再通過本系統對分類參數進行實時調整。從而，不 再要求每套雙能系統在投入使用前都必須獨立進行標定工作，省卻了 自動標定裝置的硬體成本，以及節省了系統調試時間。對於物質識別 能力稍差的高能雙能系統，雖然為了達到最佳的材料分辨效果，不建 議省略系統投入使用前的標定工作，但是當該系統的加速器雙能狀態 發生變化時，可以使用該系統初始的分類參數，再輔助於實時標定系 統對分類參數進行實時調整。從而，避免重新進行標定工作，節省了 維護時間。
從下面結合附圖的詳細描述中，本發明的上述特徵和優點將更明 顯，其中
圖1是高能雙能系統示意圖2是內嵌有實時標定裝置的高能雙能系統的示意圖，圖中各個部件的尺寸只是示意，不具備實際含義； 圖3示出了質量衰減係數曲線；
圖4是根據本發明實施例的能譜整形裝置的示意圖，圖中，黑色 箭頭表示高能檔射線，灰色箭頭表示低能檔射線，黑色區域表示整形
材料塊；
圖5是根據本發明實施例的自動標定裝置的示意圖，圖中，黑色 箭頭表示高能檔射線，灰色箭頭表示低能檔射線； 圖6是實時標定裝置的示意圖7示出了根據本發明實施例的自動標定過程的流程圖； 圖8是分類參數實時調整流程示意圖； 圖9示出了 alpha曲線圖坐標定義；
圖10A示出了自動標定過程中使用的標定材料訓練數據的示意
圖10B示出了從標定材料訓練數據生成的alpha曲線的示意圖； 圖IOC示出了標定材料訓練數據的統計結果； 圖11示出了調整前後的alpha曲線比較示意圖；以及 圖12是加速器狀態發生變化後分類參數實時調整前後材料分辨 效果圖。
具體實施例方式
下面，參考附圖詳細說明本發明的優選實施方式。在附圖中，雖 然示於不同的附圖中，但相同的附圖標記用於表示相同的或相似的組 件。
根據本發明實施例的方法和設備基於高能雙能數據。為了方便說 明，以下稱高能X射線雙能系統中能量高的射線為高能檔X射線， 能量低的射線為低能檔x射線。根據本發明實施例的方法和設備適 用於能量段範圍在3MeV 10MeV之間的高能雙能系統。
圖1是高能雙能系統示意圖。如圖1所示，高能雙能系統包括 射線發生裝置IO、能譜整形裝置40、自動標定裝置50、機械傳動裝 置(未示出)、數據採集分系統30、掃描控制計算機及數據處理計算機(未示出)，其中，射線發生裝置IO、機械傳動裝置、數據採集分 系統30、掃描控制及數據處理計算機是高能X射線雙能成像貨櫃
檢査系統的基本組成部分；能譜整形裝置40和自動標定裝置50是屬 於物質識別分系統。本發明提出的實時標定裝置也屬於物質識別分系 統。
根據本發明的一個實施例，射線發生裝置IO包括雙能X射線加 速器以及相應的輔助設備。該射線發生裝置10能夠以很高的頻率交 替產生兩種能量的X射線束，例如3MeV的第一射線束和8MeV的 第二射線束。該射線束的中心線與數據採集分系統的探測器模塊的探 測面大致垂直。
能譜整形裝置40包括能譜整形材料以及相應的輔助設備。能譜 整形裝置應該放置在射線發生裝置10與被檢物體20之間，目的是在 射線穿透被檢物體20之前，對諸如加速器之類的射線發生裝置10輸 出的射線的能譜進行整形，以期能譜分布更有利於材料分辨。
如圖4所示，能譜整形材料的特點是對能量低的射線衰減很大、 能量高的射線衰減則很小。此特性越好，則能譜整形的效果越佳。只 要可以滿足此特性，即可作為能譜整形材料。基於能譜整形材料的特 性，能譜整形後，射線的等效能量得到提高。如果只把整形材料作用 在高能檔射線上，則高能檔射線等效能量得到提高，而低能檔射線的 等效能量不變，從而拉大了雙能之間的能量差，以提高系統的材料分 辨能力。
基於此特性，選擇石墨材料作為整形材料。從純理論角度考慮， 整形材料越厚，材料分辨能力越好。但是，考慮統計漲落，整形材料 越厚，對射線的衰減程度越大，探測器接收到的劑量越低，數據的信 噪比越低。因此，整形材料的厚度有個最佳值。這個最佳值需要根據 系統的實際情況確定。根據高能檔和低能檔射線能量的分布情況，確 定能譜整形是只針對某能檔進行，圖4的左側示出了轉盤形式的能譜 整形裝置的示意圖。或者，對雙能檔均進行能譜整形，圖4的右側示 出了對雙能擋都可進行能譜整形的能譜整形裝置。
能譜整形裝置40的設計應該根據能譜整形的需求而定。可以只對高能檔射線進行整形，通過提高高能檔射線的等效能量拉大雙能之 間的能量差，從而提高系統的材料分辨力。也可以對高低能檔同時進
行能譜整形，這種情況比較特殊， 一般是對於低能檔射線在3MeV附 近的情況。從圖3所示的質量衰減係數曲線上可以看到，3MeV能量 段附近，低Z材料的衰減係數接近，並且變換趨勢都非常緩慢。因此， 在這個能量段附近，能量變化對於低Z材料的分辨能力影響很小，而 高Z材料的衰減係數在3MeV附近則是一個拐點。這個現象將會導 致在這種能量選擇下鉛材料與其它材料不可區分。因此，對3MeV低 能檔能量也進行能譜整形，利用能譜整形材料吸收了低能檔能量中的 低能部分，可以提高了高Z材料的可區分性，並且對低Z材料沒有 負面影響。
如圖5所示，自動標定裝置50包括呈階梯狀的標定材料以及相 應的輔助設備。自動標定裝置適用於採集標定數據，通過計算機中的 自動標定模塊的處理，實時獲取與系統狀態匹配的分類參數，作為自 動識別模塊的輸入。
這裡的標定材料包括各類別的典型材料，為了保證標定精度，每 種類別至少準備一種典型材料，也可每種類別各準備若干種等效原子 序數各不同的材料。如果材料不好準備，或者放置自動標定裝置50 的空間有限，中間類別的材料可以省略，自動標定算法利用相鄰類別 的數據插值代替。標定材料選擇與系統的材料分辨要求有關。高能X 射線雙能要求可以區分有機物、輕金屬、無機物、重金屬四種類別， 因此，從四種類別選擇了四種典型材料，依次為石墨(Z4)、鋁(Z43)、 鐵^=26)、鉛^=82)。選擇這四種材料基於兩種原因， 一是材料比較 常見，二是均屬於單質，性質穩定。
每種材料從薄到厚設計若干級階梯。最薄和最厚的厚度由系統的 材料分辨範圍決定。而階梯級數的數目則由標定的精度及放置自動標 定裝置的空間共同決定。
輔助裝置主要提供機械傳動，實現定位掃描，以獲取每種材料每 個階梯的雙能透射數據。在每個定位點要求連續掃描若干列雙能透射 數據，建議掃描256列以上，這樣可以較大程度地消除信號統計漲落的影響。
在高度方向上，探測器臂架上的不同探測器接收的X射線角分 布是不同的。不同角分布，能譜分布是有差異的，導致材料分辨參數
是不同的。因此，考慮到X射線角分布的影響，可以把所有探測高
度劃分成若干區域，每個區域獨立統計，生成分類參數。這就要求自
動標定裝置50中標定材料應該覆蓋所有感興趣的探測區間。
如果標定材料的高度受客觀因素(加工能力、設備空間等)限制，
無法覆蓋臂架上所有的探測器模塊， 一種簡化的方式如下 一般情況 下，最感興趣的探測高度在貨櫃內擺放貨物的位置， 一般系統都會
把X射線的主束調整到該位置附近。因此，射線主束方向是重點標
定對象。標定材料可以設計為只覆蓋該區域，得到的雙能透射數據作
為參數輸入至自動標定算法中，生成x射線主束方向的能譜分布對 應的分類參數，作為所有探測區域的分類參數。該簡化方式在x射
線角分布較小的情況下，是在誤差允許範圍內的。
自動標定裝置50中標定材料可以設計成任何形狀，只要可以滿 足上述要求。在圖3中，階梯的級數和厚度僅僅是用於說明的目的， 並不表示實際的含義。
機械傳動裝置能夠使射線發生裝置10及數據採集分系統30 —起 相對於被檢物體產生水平方向的相對運動。可以是射線發生裝置10 和數據採集分系統30不動，而被檢物體運動。也可以是被檢物體不 動，而射線發生裝置10和數據採集分系統30 —起運動。
數據採集分系統30主要包括線陣探測器，用於探測射線發生裝 置10產生的雙能量X射線束穿過被檢物體20後的射線，產生雙能 透射數據，並將數據傳輸到掃描控制及數據處理計算機。該數據採集 分系統30還包括探測器上的投影數據讀出電路和邏輯控制單元等。 探測器可以是固體探測器，也可以是氣體探測器，還可以是半導體探 測器。
掃描控制及數據處理計算機負責本檢查系統運行過程的主控制， 包括機械控制、電氣控制和安全控制等，並且負責對數據採集分系統 獲得的雙能透射數據進行處理，並顯示。為了對分類參數進行實時校正，從而簡化物質識別系統的標定流
程，以及改善材料分辨效果，引進了實時標定裝置60，圖2示出了 具有實時標定裝置60的物質識別系統的系統示意圖。
如圖6所示，實時標定裝置包括實時標定材料61、 62、 63、 64， 實時標定探測器模塊65以及相應的輔助設備(未示出)。
實時標定裝置60的安裝位置的原則是可被射線覆蓋，並且不遮 擋被檢物體的射線束流。
根據本發明的一個實施例，實時標定裝置的安裝位置應該靠近加 速器。根據高能雙能系統的型號的不同，可以放置於正常掃描所需的 扇形射線束的頂部、底部或者側面。
這樣，需要諸如加速器之類的射線發生裝置10在正常掃描所需 的扇形射線束的頂部、底部或者側面增加輔助射線束流。
另外，根據本發明的實施例，實時標定材料塊一般包括有機物、 混合物、無機物、重金屬四種類別，其厚度根據實際系統確定。圖6 示出了有機物塊61、混合物塊62、無機物塊63和重金屬塊64。在 高能雙能系統中，這四種類別一般選取石墨、鋁、鐵、鉛作為典型材 料。如果對某種材料的分類要求不高，或者空間太小，也可以只設計 石墨、鋁、鐵、鉛四種材料中的1~3種，缺失的信息用加權方式得到。 實時標定材料塊需要配合一個自動控制裝置，可以控制其在水平方向 的位移。目的是在系統採集空氣和本底時將其移開，防止其阻擋輔助 射束。
實時標定探測器模塊65用於採集實時標定材料塊所有材料的衰 減射線信息。該探測器模塊65安裝方向要求探測面與輔助射束中心 線垂直。該探測器模塊65採集到的數據(以下稱為輔助圖像)會與 數據釆集分系統30的數據進行合併，再由數據採集分系統30 —並傳 輸到數據處理計算機，用來對圖像數據分類用到的分類參數進行實時 調整。
根據本發明的實施例，輔助射線束流角度、實時標定材料塊的高 度、實時標定探測器模塊的單元數目的設計應該配套考慮，設計原則 是採集到的輔助圖像上，每種材料的數據都有若干個像素，建議每種材料的有效像素不少於6個像素，以在統計過程中降低統計漲落。
圖7示出了根據本發明實施例的自動標定過程的流程圖。通常在
物質識別系統安裝完畢後，通過人為觸發，運行自動標定裝置50，
獲取系統的原始標定數據和分類參數。
如圖7所示，在步驟SIO，射線發生裝置IO產生X射線束。在 步驟Sll， X射線束被能譜整形裝置40整形，以獲得有利於材料分 辨的X射線束。在步驟S12，要進行自動標定處理時，人為觸發並且 運行自動標定流程，實時獲取原始標定數據。
然後，在步驟S13，對原始標定數據進行數據校正處理，以消除 探測器本底、探測器不一致性及射線劑量波動等的影響。在步驟S14， 運行自動標定算法，生成分類參數並且保存在文件中。
如上所述，每當系統狀態發生改變的時候，自動標定流程由人為 觸發，啟動自動標定裝置50，採集經過能譜整形的原始標定數據， 由數據採集分系統送至數據處理計算機。採用alpha曲線法來設計材 料分辨算法。因此，自動標定算法的目的就是計算與系統狀態匹配的 alpha曲線圖分類參數。通過調用自動標定算法，獲得系統狀態匹配 的alpha曲線圖分類參數，並保存在文件中，作為材料分辨模塊的參 數輸入。alpha曲線圖坐標定義見圖9。
如圖9所示，定義alphaL和alphaH如下 alphaL = (l-log(TL))*1000;其中TL為低能透明度； alphaH = (l-log(TH))*1000;其中TH為高能透明度。 取alphaH為alpha曲線的橫坐標alphax，取alphaL與alphaH之 差作為alpha曲線的縱坐標alphay:
alphax = alphaH = (l-log(TH))* 1000; alphay = alphaL - alphaH = (-log(TL)+log(TH))* 1000 。 如上所述，在步驟S13，調用數據校正模塊，對原始標定數據進 行數據校正，消除探測器本底、探測器不一致性及射線劑量波動等的 影響，得到標定材料訓練數據。圖10A為某一探測區間的訓練數據 在alpha曲線圖上的示意。
下面詳細說明從標定材料訓練數據生成各類材料之間的類別分界線的過程。
(i) 在某一探測區間範圍內，依次對各種材料各個階梯的若干 列校正後的雙能數據進行均值統計，從而得到標定材料訓練數據的一
系列均值點。圖IOC為某一探測區間的訓練數據均值點在alpha曲線
圖上的示意。
(ii) 在alpha曲線圖10B上，連接某種材料的若干個訓練數據 均值點，即可得到該材料的alpha離散曲線。但是，由於標定材料的 階梯數有限，因此，直接連接而成的alpha離散曲線的精度很低。為 此，採用最小二乘曲線擬合法(用最小二乘法求給定數據點的擬合多 項式)進行曲線擬合，把若干個訓練數據均值點作為輸入參數，進行 曲線擬合，得到該曲線的擬合參數，即多項式各階次的係數，其中， 擬合多項式的次數根據實際情況選定。曲線擬合也可以採用其它擬合 方法，如切比雪夫意義下的最佳擬合多項式。
(iii) 對alpha曲線x軸進行離散化，離散精度根據需要而定。 然後，利用曲線擬合參數，計算每個離散點對應的y軸數據。通過這 步操作，得到了該材料的離散化alpha曲線。
(iv) 重複步驟(ii) (iii)，直至得到所有材料的離散化alpha曲線。
(v) 從圖10B可以看到，alpha曲線在原子序數方向是具備單調 性的，這也正是雙能材料分辨算法的依據。因此，得到各種材料的離 散化alpha曲線，就可以依次計算相鄰兩條曲線的離散化分界線，如 圖IOC示意。
*四種類別的劃分依據為等效原子序數Z-l 10劃分為有機 物類別；Z=10~18劃分為輕金屬類別；Z48 57劃分為無 機物類別；Z> 57劃分為重金屬類別。而四種典型材料分 別選用的是石墨(Z二6)、鋁(Z:13)、鐵(Z,、鉛(Z-82)。 根據石墨(Z-6)材料的離散化alpha曲線和鋁(Z43)材料的 離散化alpha曲線加權平均得到原子序數Z=10的離散化 alpha曲線，即得到了有機物和輕金屬的類別分界線。其中， 加權平均的權值可以簡單地根據原子序數計算，即假設不同原子序數範圍內的可區分性是相同的。雖然，從嚴格意 義上講，不同原子序數範圍內的可區分性是有差異的，但 是，由於高能雙能不同於低能雙能，其材料分辨能力比較 弱，只能區分屬於不同類別的材料，而不能精確區分原子 序數不同的材料，因此，這種差異是可以接受的。
*同樣，根據鋁(Z43)材料的離散化alpha曲線和鐵0=26) 材料的離散化alpha曲線加權平均得到原子序數Z48的離 散化alpha曲線，即得到了輕金屬和無機物的類別分界線； 根據鐵(Z-26)材料的離散化alpha曲線和鉛^=82)材料的離 散化alpha曲線加權平均得到原子序數Z:57的離散化alpha 曲線，即得到了無機物和重金屬的類別分界線。 (vi)重複步驟(i )， (ii)， (iii)， (iv)， (v)，直至得到所有探 測區間的離散化類別分界線。
把各個探測區間、各種典型材料的類別分界線數據按照約定的格 式保存在文件中，作為材料分辨模塊的分類參數。
如上所述，材料分辨是雙能X射線系統有別於單能X射線系統 的特徵。由於高能X射線成像得到的材料分辨能力與低能雙能X射 線技術相比要差很多，因此，材料分辨模塊不僅需要考慮如何正確分 類，還要考慮如何提升材料分辨效果。
實時標定算法模塊內嵌於物質識別系統中，安裝在數據處理計算 機內，主要負責在物質識別系統的材料分辨模塊使用分類參數對高能 雙能系統獲得的雙能透明度數據進行材料分辨之前，實時調整分類參 數，使其適應於當時的加速器雙能狀態。
如圖6所示，根據本發明的實施例，實時標定材料塊的厚度在射 線方向上分別具有單一的厚度，因此輔助探測器模塊65將獲得針對 該厚度的分類參數。
在利用已知材料屬性和厚度的標定材料進行分類參數訓練時，應 記錄下該實時標定裝置的各種材料塊的alpha數據信息，作為實時標 定的參考信息。下面稱系統分類參數訓練時的雙能狀態為標準狀態。 圖8是分類參數實時調整流程示意圖。下面詳細說明實時調整分類參數的過程。
在步驟S20，射線發生裝置10產生交替的雙能射線束，例如第 一能量的第一主X射線束和第二能量的第二主X射線束。如上所述， 射線發生裝置10還與第一主X射線束和第二主X射線束同步產生第
一能量的第一輔X射線束和第二能量的第二輔X射線束。作為另一 實施例，第一輔X射線束和第二輔X射線束分別是從第一主X射線 束和第二主X射線束分出的。在步驟S21，能譜整形裝置40對第一 主射線束和第一輔射線束和/或第二主射線束和第二輔射線束進行整 形，將二者的能譜之間的距離擴大，以期望獲得較好的材料識別效果。
在步驟S22，第一輔射線束和第二輔射線束照射實時標定材料塊 61、 62、 63、 64，輔助探測器模塊65採集穿透各個實時標定材料塊 的輔射線束，在步驟S25，獲取用於分類曲線實時調整的輔助圖像數 據，並傳送給數據處理計算機。
在步驟S23，第一主射線束和第二主射線束照射被檢物體20，數 據採集分系統30採集穿透該物體20的第一主射線束和第二主射線 束，在步驟S24獲得被檢物體的雙能數據，並傳送給數據處理計算機。
在步驟S26，在數據處理計算機中進行分類參數的實時調整過程。
如上所述，在使用分類參數對第n列正常圖像進行自動識別之 前，先對其進行調整。首先統計第(n-m)列到(n+m)列正常圖像對應的 輔助圖像中各種材料的雙能衰減係數(m值由系統要求而定)。然後， 計算其對應的alpha數據。
接下來，對這n列正常圖像要用到的分類參數進行實時調整。
根據本發明的實時例，這裡用到的分類參數一般指各種材料的 alpha曲線參數， 一般的alpha曲線見圖10C所示。調整方式主要有 兩種，下面以有機物類別為例，說明調整過程。
第一種，利用實時標定裝置，實時計算得到的石墨材料塊的alpha 數據為(alphaxl， alphayl)，而標準狀態下，從分類曲線中得到低能 alpha值為alphaxl的石墨的alpha數據應該為(alphaxl,alphay2)，則獲 得調整後的係數為coff—alpha=alphayl/alphay2，使用該係數對整個石墨的alpha曲線進行調整。
第二種，在使用自動標定裝置進行標定時，同時使用實時標定裝 置採集數據，在生成分類曲線時，同時統計輔助圖像中石墨材料塊的 平均雙能衰減係數，然後計算對應的alpha數據(alphax2， alphay2) 並事先保存；正常採集圖像時，利用實時標定裝置，實時計算得到的 石墨材料塊的alpha數據為(alphaxl， alphayl)，則調整係數為 coff—alpha = (alphay 1/alphaxl)/(alphay2/alphax2)，使用該係數對整個石 墨的alpha曲線進行調整。另外，如果存在兩種質量厚度的石墨材料 塊，計算出來的針對較小質量厚度1的調整參數為coff—alphal，針對 較厚厚度2的調整參數為coff—alpha2,則調整原則為alpha曲線上 對應小於質量厚度1的值用coff—alphal進行調整；alpha曲線上對應 大於質量厚度2的值用coff—alpha2進行調整；位於質量厚度1和2 之間的值需要的調整係數則由coff_alphal和coff一alpha2的線性插值 得到。這樣，可以分別對鋁、鐵和鉛的alpha曲線進行調整，從而在 步驟S27，獲得調整後的分類參數。圖11示出了調整後的分類曲線 的示意圖。
在步驟S28，使用調整後的新alpha曲線對第n列正常圖像進行 材料分辨。為了增加識別速度，也可以不對每列的分類參數都進行調 整，而是幾列調整一次，調整方法類似，視系統要求而定。
另外，在步驟S29，在進行材料分辨的同時，對雙能圖像進行灰 度融合，在步驟S30，利用材料分辨結果以及灰度融合結果作為彩色 化模塊的輸入，進行彩色化，從而將最終材料分辨結果以彩色化傳呈 現給用戶。
另外，根據本發明的另一實施例，實時標定材料塊的厚度可以具 有兩種厚度，這樣可以分別針對第一厚度的分類參數和針對第二厚度 的分類參數進行調整，而不是像上述描述的那樣，用單一的係數對不 同厚度下的所有分類參數進行調整，從而進一步提高了材料識別的精確度。
另外，對於加速器艙內空間較大的系統，本發明實施例的實時標 定裝置可以安裝於正常掃描所需的扇形射線束下方，將加速器出束口下方擴大，使輔助射束位於正常射束下方。
對於加速器艙內空間較小的系統，則可以將本發明是實施例的實 時標定裝置安裝於正常掃描所需的扇形射線束上方，將加速器出束口 上方擴大，使輔助射束位於正常射束上方。或者在加速器出束口側方 增開一個輔助出束口，同時將本發明實施例的實時標定裝置中的材料 塊安裝於輔助出束口的射線覆蓋範圍內。
作為另一實施例，輔助射線束可以借用一部分很少用到的正常射 束， 一般在射線束頂部，而實時標定探測器則直接借用掃描探測器臂 架頂部的探測器模塊。在這種情況下，無需輔助探測器模塊65。由
數據採集分系統30直接將採集的輔助圖像數據和雙能數據發送給數
據處理計算機。
在正常射束採集空氣數據時，輔助射束也需要採集空氣數據。採 集空氣數據時，需要將實時標定材料塊挪開，使其不遮擋輔助射線束流。
一般情況，實時標定探測器模塊需要安裝在加速器與被檢測物體 之間，因此與加速器靶點之間的距離比數據採集分系統中的掃描探測 器模塊要小的多。如果使用相同的探測器模塊，很容易達到飽和。所 以，本發明實施例的輔助探測器模塊的動態範圍要大於數據採集分系 統中的探測器模塊的動態範圍。
如上所述，用分類參數對每列正常數據進行識別前都要進行調 整。這樣可以取得最好的識別效果，但是相應的運行速度會很慢。
根據本發明的另一實施例，可以每幾列，例如4列，進行一次分 類參數調整，則運行速度會加快。
圖12示出了加速器雙能狀態發生變化後使用原分類參數，以及 使用本系統調整後的材料分辨效果。從圖12的上部分可以看出，加 速器雙能狀態發生變化後，使用原分類參數進行材料分辨，分辨結果 是錯誤的。而輔助於實施標定系統後，可適應加速器雙能狀態的波動， 得到正確的材料分辨結果，如圖12下部分所示。因此，根據本發明 實施例的方法和設備能夠提高材料分辨效果的穩定性。
上面的描述僅用於實現本發明的實施方式，本領域的技術人員應該理解，在不脫離本發明的範圍的任何修改或局部替換，均應該屬於 本發明的權利要求來限定的範圍，因此，本發明的保護範圍應該以權 利要求書的保護範圍
權利要求
1、一種物質識別系統中的實時標定方法，該物質識別系統基於一組分類參數對被檢物體的物質進行識別，該方法包括步驟發射具有第一能量的第一主射線束和第一輔射線束，和具有第二能量的第二主射線束和第二輔射線束；使第一主射線束和第二主射線束透射被檢物體；使第一輔射線束和第二輔射線束透射至少一個實時標定材料塊；採集透射被檢物體的第一主射線束和第二主射線束的值，作為雙能數據；採集透射實時標定材料塊的第一輔射線束和第二輔射線束的值，作調整參數；基於該調整參數對該組分類參數進行調整；以及根據調整後的分類參數對雙能數據進行材料識別處理。
2、 根據權利要求1所述的實時標定方法，其中每預定次數的掃 描用調整參數對分類參數進行調整。
3、 根據權利要求1所述的實時標定方法，其中所述至少一個實 時標定材料塊包括代表有機物的第一塊、代表混合物的第二塊、代表 無機物的第三塊和代表重金屬的第四塊。
4、 根據權利要求3所述的實時標定方法，其中所述第一塊由石 墨構成、所述第二塊由鋁構成、所述第三塊由鐵構成、所述第四塊由 鉛構成。
5、 根據權利要求1所述的實時標定方法，還包括步驟 用能譜調製裝置對各個射線束進行能譜調製。
6、 根據權利要求1所述的實時標定方法，其中所述第一輔射線 束是第一主射線束的一部分，所述第二輔射線束是第二主射線束的一 部分。
7、 根據權利要求1所述的實時標定方法，其中所述第一輔助射 線束與第一主射線束相互獨立，所述第二輔助射線束與所述第二主射 線束相互獨立。
8、 根據權利要求6所述的實時標定方法，其中至少一個實時標定材料塊設置在所述第一主射線束或第二射線束的上部、底部或者側面。
9、 根據權利要求1所述的實時標定方法，所述至少一個實時標 定材料塊分別具有單一的厚度。
10、 根據權利要求1所述的實時標定方法，其中所述至少一個實 時標定材料塊分別具有至少兩種厚度。
11、 根據權利要求1所述的實時標定方法，其中所述分類參數構 成了用於將至少兩種物質區別開的離散化分類曲線。
12、 一種物質識別系統中的實時標定設備，該物質識別系統基於一組分類參數對被檢物體的物質進行識別，該實時標定設備包括射線產生裝置，發射具有第一能量的第一主射線束和第一輔射線 束，和具有第二能量的第二主射線束和第二輔射線束，其中第一主射 線束和第二主射線束透射被檢物體，而第一輔射線束和第二輔射線束透射至少一個實時標定材料塊；採集裝置，採集透射被檢物體的第一主射線束和第二主射線束的 值,作為雙能數據，以及採集透射實時標定材料塊的第一輔射線束和 第二輔射線束的值，作調整參數；數據處理裝置，基於該調整參數對該組分類參數進行調整，並且 根據調整後的分類參數對雙能數據進行材料識別處理。
13、 根據權利要求12所述的實時標定設備，其中所述採集裝置包括主探測器模塊，與第一主射線束或第二主射線束的中心線大致垂直，探測透射被檢物體後的第一主射線束或者第二主射線束；輔探測器模塊，與第一輔射線束或第二輔射線束的中心線大致垂 直，探測透射所述實時標定材料塊後的第一輔射線束或者第二輔射線 束。
14、 根據權利要求12所述的實時標定設備，其中至少一個實時 標定材料塊設置在所述第一主射線束或第二射線束的上部、底部或者 側面。
15、 根據權利要求12所述的實時標定設備，其中所述數據處理裝置適用於每預定次數的掃描用調整參數對分類參數進行調整。
16、 根據權利要求12所述的實時標定設備，其中所述至少一個 實時標定材料塊包括代表有機物的第一塊、代表混合物的第二塊、代 表無機物的第三塊和代表重金屬的第四塊。
17、 根據權利要求16所述的實時標定設備，其中所述第一塊由 石墨構成、所述第二塊由鋁構成、所述第三塊由鐵構成、所述第四塊 由鉛構成。
18、 根據權利要求12所述的實時標定設備，其中所述第一輔射 線束是第一主射線束的一部分，所述第二輔射線束是第二主射線束的一部分。
19、 根據權利要求12所述的實時標定設備，其中，所述第一輔 助射線束與第一主射線束相互獨立，所述第二輔助射線束與所述第二 主射線束相互獨立。
20、 根據權利要求12所述的實時標定設備，其中，用能譜調製裝置對各個射線束進行能譜調製。
21、 根據權利要求12所述的實時標定設備，所述至少一個實時標定材料塊分別具有單一的厚度。
22、 根據權利要求12所述的實時標定設備，其中所述至少一個實時標定材料塊分別具有至少兩種厚度。
全文摘要
公開了一種用於高能X射線雙能成像貨櫃檢查系統的實時標定設備和方法，涉及輻射成像領域。該方法包括發射具有第一能量的第一主射線束和第一輔射線束，和具有第二能量的第二主射線束和第二輔射線束；使第一主射線束和第二主射線束透射被檢物體；使第一輔射線束和第二輔射線束透射至少一個實時標定材料塊；採集透射被檢物體的第一主射線束和第二主射線束的值，作為雙能數據；採集透射實時標定材料塊的第一輔射線束和第二輔射線束的值，作調整參數；基於該調整參數對該組分類參數進行調整；以及根據調整後的分類參數對雙能數據進行材料識別處理。本發明簡化了高能雙能系統的物質識別分系統的標定流程，提升了系統的材料分辨效果的穩定性。
文檔編號G01N23/087GK101614683SQ200810115788
公開日2009年12月30日 申請日期2008年6月27日 優先權日2008年6月27日
發明者劉以農, 康克軍, 麗 張, 李元景, 禎 武, 王學武, 胡海峰, 趙自然, 黃清萍 申請人:清華大學;同方威視技術股份有限公司