CN100483120C - 一种用射线对液态物品进行安全检查的方法及设备 - Google Patents

Abstract

公开了一种用射线对液态物品进行安全检查的方法及设备，其涉及辐射检查技术领域。本发明方法包括：获取环境初始信息；发出射线束以透射所述液态物品；接收透射过所述液态物品的射线束，以形成多角度投影数据；基于所述环境初始信息和所述液态物品的均匀性，通过对所述多角度投影数据进行求逆运算，来计算得到被检液态物品的射线吸收系数；以及将所述射线吸收系数与预设数据进行比对，得到被检液态物品的相关信息。同现有技术相比，本发明不受液态物品外包装的影响、抗干扰性强，检查的准确性高、使用安全可靠、造价低、尺寸小的特点。

Description

一种用射线对液态物品进行安全检查的方法及设备

技术领域

本发明涉及辐射检查技术领域，特别涉及一种用射线对液态物品进行快速安全检查的方法及设备。

背景技术

美国的9·11事件发生以后，航空领域的安全检查工作越来越受到重视。在以往进行的行李包裹安全检查的基础上，增加了对旅客随身携带的液态物品的安全检查要求。因此，急需有效的方式和手段进行行李物品中液态物品的快速安全检查。

当前，有如下四类的方法可以用于液态物品的安全检查：化学方法、电磁方法、中子方法和射线方法，具体描述如下：

1)化学方法可以细分为气味识别、离子扫描探测和物质分析。气味识别在实际应用中常常因为液态物品被密封包装而无法实现检查。离子扫描探测以高敏感性著称，但是其缺点在于误报率高，常常受到背景环境的影响。物质分析具有精度高和准确性高的特点，但是这种方法需要一定的时间对样品进行分析，不能满足现场快速检查的需求。

2)电磁方法采取主动的测量方式，其根据不同液态物品对电磁波的介电常数不同从而将液态物品区分开来。电磁方法本身容易受到金属包装和较厚材料包装的不利影响。因此，在包装材料复杂的实际情况下，电磁方法具有一定的局限性。

3)中子检查方法的使用会出现“中子活化”的现象，即经过中子检查的被检查液态物品会有辐射残留现象。并且，由于中子的穿透能力更强，故其辐射屏蔽更为复杂、设备占地面积大，因而不适合在民航的安全检查系统中使用。

4)当前，航空领域的安全检查装置多为射线装置，这些装置中，目前采用最多的技术是X射线二维成像技术和三维CT扫描成像技术。这些技术主要用于对行李物品进行安全检查，不能专门针对行李物品中的液态物品进行安全检查。

X射线二维成像技术是将被检查物体的三维信息在X射线束方向上积分而得到物体的二维信息投影图像。这些图像采用灰度或伪彩色的表现形式表现出图像上的差异，给设备操作人员以直观的显示。但是，X射线二维成像技术毕竟缺少了被检查物体一个维度的信息，因此用该技术对液态物品进行检查受到被检查液态物品的外形和尺寸的影响特别严重。

三维CT扫描成像技术是CT技术的推广和应用。CT技术最早应用于医学，是辅助医生进行诊断的工具。它是通过对被检查物的各个断层进行多角度的投影来实现的。通过计算机对上述各个断层的多角度投影数据的重建，计算得到每个断层的重建图像，以不同的灰度显示重建图像中不同的衰减系数信息，从而显示被检查物的内部差异。随着CT技术的发展，出现了用于无损探伤的工业CT和用于安全检查的行李CT等，这些CT拓展技术仍然是以获得显示物体内部差异的断层图像为目的的。因此，采用传统的X射线三维成像技术对液态物品进行安全检查，只能看到没有差异的断层图像信息。

上述CT型安全检查设备，因其所覆盖的被检查物范围广，而导致造价高昂，设备笨重，推广应用困难。

综上所述，对于液态物品进行快速检查，化学方法、电磁方法和中子方法存在着本身不适合快速安全检查的特点，采用X射线二维成像技术和三维CT扫描成像技术，获得了具有对比性的灰度图像或者伪彩色图像，但不能为液态物品安全检查提供充分依据。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供了一种用射线对液态物品进行安全检查的方法和设备，它可以在不破坏液态物品包装的情况下对其进行快速检查，得到被检查液态物品的定量信息。

在本发明的一个方面，提出了一种用射线对液态物品进行安全检查的方法，包括步骤：获取环境初始信息；发出射线束以透射所述液态物品；接收透射过所述液态物品的射线束，以形成多角度投影数据；基于所述环境初始信息和所述液态物品的均匀性，通过对所述多角度投影数据进行求逆运算，来计算得到被检液态物品的射线吸收系数；以及将所述射线吸收系数与预设数据进行比对，得到被检液态物品的相关信息。

根据本发明的一个实施例，所述环境初始信息包括被检液态物品的几何边界信息。

根据本发明的一个实施例，所述几何边界信息是通过X射线照相技术或者X射线扫描成像技术而获取的。

根据本发明的一个实施例，所述被检液态物品对射线吸收表现出均匀性。

在本发明的另一方面，提出了一种用射线对液态物品进行安全检查的设备，包括：射线源，用于发出射线束；承载机构，用于承载被检液态物品使其被射线束透射；探测和采集装置，用于获取环境初始信息和所述被检液态物品的多角度投影数据；以及计算机数据处理器，其中，所述计算机数据处理器包括：以被检液态物品的环境初始信息和被检液态物品的均匀性作为限定条件，对获取的多角度投影数据进行求逆运算，计算得到所述被检液态物品的射线吸收系数的装置；以及将所述射线吸收系数与预设数据进行比对，以得到被检液态物品的相关信息的装置。

根据本发明的一个实施例，所述射线源是X光机或者同位素源。

根据本发明的一个实施例，所述射线源是一个或者多个。

根据本发明的一个实施例，所述X光机的射线能量是可调的。

根据本发明的一个实施例，所述探测和采集装置是由探测器和数据采集器以一体的形式形成的。

根据本发明的一个实施例，所述探测器是固体探测器、液体探测器、气体探测器或者半导体探测器。

根据本发明的一个实施例，所述探测器是一个或者多个。

根据本发明的一个实施例，所述探测器具有一维阵列或者二维阵列的形式。

根据本发明的一个实施例，所述探测器具有能量选择功能。

根据本发明的一个实施例，所述数据采集器包括数据放大成形电路，它工作于(电流)积分方式或脉冲(计数)方式。

根据本发明的一个实施例，所述多角度投影数据是采用旋转被检液态物品或旋转射线源和探测和采集装置来获得的。

根据本发明的一个实施例，所述多角度投影数据是通过增加角度投影数或使探测器安装偏移探测器单元尺寸的1/4来获得的。

根据本发明的一个实施例，所述计算机数据处理器可采用预定的识别算法来进行所述比对。

根据本发明的一个实施例，所述射线源、探测和采集装置、承载机构以及计算机数据处理器的协调工作由扫描控制器控制。

本发明装置具有占地面积小、准确性高、安全可靠、易于防护的优点。本发明适用于航空领域和其它重要场所的安全检查。

附图说明

从下面结合附图的详细描述中，本发明的上述特征和优点将更明显，其中：

图1是根据本发明一个实施方式的检查设备的结构示意图；

图2示出了如图1所示的检查设备中的计算机数据处理器的结构图；

图3示出了根据本发明一个实施例的检查方法的流程图；以及

图4示出了如图1所示的检查设备中的计算机数据处理器的功能框图。

具体实施方式

下面，参考附图详细说明本发明的优选实施方式。在附图中，虽然示于不同的附图中，但相同的附图标记用于表示相同的或相似的组件。为了清楚和简明，包含在这里的已知的功能和结构的详细描述将被省略，否则它们将使本发明的主题不清楚。

图1是根据本发明一个实施方式的检查设备的结构示意图。

如图1所示，根据本实施方式的检查设备包括：发出检查用射线的射线源10，诸如X光机或者同位素(X或γ射线源)；承载机构30，其承载被检液态物品20围绕轴Z转动，并且可以升降，使得被检液态物品20进入检测区域，从而由射线源10发出的射线能够透过被检液态物品20；探测和采集装置40，它是具有整体模块结构的探测器及数据采集器，用于探测透射被检液态物品20的射线，获得模拟信号，并且将模拟信号转换成数字信号，从而输出液态物品20的扫描数据；扫描控制器50，它用于控制整个系统的各个部分同步工作；以及计算机数据处理器60，它用来处理由数据采集器采集的数据，并输出检查结果。

如图1所示，射线源10置于可放置被检液态物品20的承载机构30一侧，探测和采集装置40置于承载机构30的另一侧，包括探测器和数据采集器，用于获取被检液态物品20的环境初始信息和多角度投影数据。数据采集器中包括数据放大成形电路，它可工作于(电流)积分方式或脉冲(计数)方式。探测和采集装置40的数据输出电缆与计算机数据处理器60连接，将采集的数据存储在计算机数据处理器60中。

图2示出了如图1所示的计算机数据处理器60的结构框图。如图2所示，数据采集器所采集的数据存储在存储器61中。只读存储器(ROM)62中存储有计算机数据处理器的配置信息以及程序。随机存取存储器(RAM)63用于在处理器66工作过程中暂存各种数据。另外，存储器61中还存储有用于进行数据处理的计算机程序和预先编制的数据库，该数据库存储有各种已知液态物品的相关信息，例如射线吸收系数、密度等等信息，用于与处理器66所计算出的被检液态物品20的射线吸收系数进行比对。内部总线64连接上述的存储器61、只读存储器62、随机存取存储器63、输入装置65、处理器66和显示装置67。

在用户通过诸如键盘和鼠标之类的输入装置65输入的操作命令后，该计算机程序中的指令代码命令处理器66执行预定的数据处理算法，在得到数据处理结果之后，将其显示在诸如LCD显示器之类的显示装置67上，或者直接以硬拷贝的形式输出处理结果。

图3示出了根据本发明一个实施例的检查方法的流程图。如图3所示，在步骤S10，将被检液态物品20放置在承载机构30上，当操作员发出开始扫描命令之后，扫描控制器50控制射线源10发出射线，控制承载机构30上升或者下降，进入由X射线源10和探测器构成的检测空间，即检测区域。此时，从射线源10发出射线束，透射被检液态物品20。扫描控制器50控制探测和采集装置40接收透射过被检液态物品的射线，获得被检测液态物品的环境初始信息，例如几何边界信息。该几何边界信息可以通过X射线照相技术，也可以通过x射线扫描成像技术来获得。X射线扫描成像技术可以采用平移方式、旋转方式或者螺旋方式。

此外，在上述的处理过程中，所获得被检测液态物品20的环境初始信息，还包括包装的大小、包装的材质、包装和被检测液态物品的体积比等。可以利用神经网络识别算法事先对各种液态物品的这些信息和射线吸收系数建立分类，形成数据库。在实际的检查过程中根据实际测量的各分类特征与数据库中的分类特征进行比对，从而实现对被检测液态物品20的检查。

然后，在步骤S20，承载机构30在扫描控制器50的控制下，进行旋转，当达到第一角度时，从射线源10发出射线，穿透被检液态物品20。探测和采集装置40接收透射的射线，获得第一角度投影数据，表示为1×N维向量g₁，存储在计算机数据处理器60的存储器61中，这里N表示探测器中一行探测器单元的数目。

在步骤S20’，承载机构30在扫描控制器50的控制下，继续旋转，当达到第2角度时，从射线源10发出射线，穿透被检测液态物品20。探测和采集装置40接收透射的射线，获得第二角度投影数据，表示为1×N维向量g₂，存储在计算机数据处理器60的存储器61中。

这样，重复上述的步骤，在步骤S20”，承载机构30在扫描控制器50的控制下，进行旋转，直到第M角度时，获得第M角度投影数据，表示为1×N维向量gM，存储在计算机数据处理器60的存储器61中。经过上述的扫描过程，获得了被检液态物品20的多角度投影数据，以M×N维向量g表示。因此，可以在一个断层内连续获取被检液态物品20的多角度投影数据g。

这里，为了增加多角度投影数据，在扫描中可以增加角度投影数或将探测器安装偏移组成探测器的探测器单元的尺寸的1/4。

设被扫描液态物品20的线衰减系数(吸收系数)表示为I维的向量f，其中I表示被扫描液态物品的离散化像素维数。由X射线与物质的相互作用，根据比尔定律有：

g₁＝exp(-H₁f)

g₂＝exp(-H₂f)

… …

g_M＝exp(-H_Mf)                          ————(1)

其中，H₁，...，H_M均为N×I的系统矩阵，它们的每个元素H_nj反映了物体图像中离散象素点j在该对应角度时对第n个探测器所采集信号的贡献系数。H₁，...，H_M的每一个为稀疏矩阵，由扫描系统的具体设计决定，可以通过预计算存储在存储器61中或根据系统参数即时计算确定。因此，通过对公式(1)进行求逆运算即可以得到被扫描物体的线衰减系数信息。

求逆运算是指正运算的逆过程。正运算过程是指射线源发出的初始信号在经过被检液态物品20时进行衰减，衰减后的射线信号被探测器接收的运算过程。因此，根据探测器的接收信号来计算被检液态物品对射线的衰减信息的过程即为逆运算。

但是，在液态物品检查过程中，由于求逆运算是一个病态问题，需要融合其它信息，例如前面在步骤S10获得的被检液态物品20的几何边界信息，来提高解的有效性和稳定性。

在步骤S30，基于在步骤S10中获得的包括被检液态物品20的几何边界信息的初始环境信息来设定求逆运算用的边界条件以及均匀性条件。被检液态物品20的空间形状可以表示为一个有界函数，通过上述的X射线照相技术或者X射线扫描成像技术可以确定被检液态物品20的几何边界信息，从而限定物体函数的有效作用域Ω，即f_i＝0，i

Ω。边界条件的引入可以提高求解速度，并且一定程度改善问题的病态性。其次，由于检查系统的目标物体是液态物品部分，所以可以把扫描物体分为两个部分：液态物品区域Ω₁和非液态物品区域Ω_n。根据液态物品的均匀性，有f_i＝平滑函数，i∈Ω₁。该平滑函数的特点是液态物品区域Ω₁内的整体方差有限，液态物品区域Ω₁内局部的波动有限。液态物品均匀性的使用很大程度上优化了液态物品信息的提取，提高了系统的鲁棒性。

注意，具有均匀性的液态物品，是指对射线吸收均匀的溶液、悬浊液或者乳浊液。例如，牛奶、粥等液态物品也是上述意义上具有均匀性的液态物品。也就是说，液态物品的均匀性是指被检液态物品对射线吸收表现出均匀性。

因此，在步骤S40，计算机数据处理器60以被检液态物品20的几何边界尺寸为边界条件，通过上述的公式(1)以液态物品的均匀性为收敛条件，计算得到被检液态物品20的射线吸收系数。然后，根据得到的Ω₁区域内象素值的统计特性计算出液态物品的有效射线吸收系数。

然后，在步骤S50，计算机数据处理器60，通过将计算出的射线吸收系数与数据库中的已知液态物品的射线吸收系数进行比较来给出关于该被检液态物品20的相关信息。例如，酒精的射线吸收系数是-280，则对于一个未知的液态物品，如果测量的结果落在-270～-290之间，可以认为它有很大的概率是酒精。然后，通过显示装置67呈现出该被检液态物品的识别用信息或者直接打印输出。

在上述的步骤S40中，既可以采用贝叶斯方法，将几何边界信息和均匀性作为条件来计算被检液态物品20的射线吸收系数，也可以采用非统计方法首先求解上述的公式(1)，得到初步射线吸收系数之后，利用边界条件和均匀性优化处理后，根据f_i，i∈Ω₁的分布估计出被检液态物品20的线衰减系数，以提高计算的有效性和稳定性。下面以示例的形式说明用贝叶斯方法和非统计方法来计算射线吸收系数的过程。

【贝叶斯方法计算液态物品线吸收系数示例】

1、确定目标函数：

Φ(f)＝Φ_l(g；f)+λP(f)                    ————(2)

其中，Φ_l(g；f)是似然函数，由采集到的数据的噪声特性确定，P(f)为对f_i∈Ω_l的均匀性的度量，比如 $P\left(f\right)=-\mathrm{variance}\left(f\right){|}_{f\∈{\mathrm{\Ω}}_l}$ ，λ为调节参数，根据经验预先设置；

2、由数值优化方法求解 $\hat{f}=\arg \max \left[\mathrm{\Φ}\left(f\right)\right]$ ，在此求解过程中，让 $f_i=0,i\∉\mathrm{\Ω};$

3、统计f∈Ω_l的概率分布p(μ_液体)，可以得到被扫描液态物品的线吸收系数，例如

或者

【非统计方法计算液态物品线吸收系数示例】

1、用解析方法，例如滤波反投影重建方法或ART方法，得到射线吸收系数f的初步估计；

2、计算f_i∈Ω_l的均匀性

a)如果满足预先设定的均匀性要求，例如局部方差小于某个阈值，则根据f∈Ω_l的统计特性，例如

，得到液态物品的吸收系数；

b)如果不满足均匀性要求，对射线吸收系数f进行边界条件处理和平滑处理，得到f′。计算处理后f′的正投影和采集数据g比较，对两者的差异进行再次地解析重建修改f，回到步骤2。

在非统计方法的实现过程中，可以通过设置不同的均匀性要求来调节运算速度和精度，极端情况下，可以一步得到液态物品的吸收系数，无需迭代。

此外，在上述的步骤S10中，如果发现被检液态物品20是有夹层的或者是分层的，例如具有两层，则采用如上所述的方法分别得到这两层液态物品的几何边界信息，分别针对各层液态物品进行如上相同的后续的处理，最后分别输出这两种液态物品的识别用信息，作为被检液态物品20的最终识别用信息。

例如，在液态物品分两层的情况下，液态物品区域Ω₁包括第一液态物品区域Ω_1A和第二液态物品区域Ω_1B，如果第一液态物品区域Ω_1A的线衰减系数表示为f_A，第二液态物品区域Ω_1B的线衰减系数表示为f_B，则f_A＝平滑函数1，A∈Ω_1A，f_B＝平滑函数2，B∈Ω_1B。

这样，可以分别对第一液态物品区域Ω_1A和第二液态物品区域Ω_1B执行如上所述的步骤S10～S50。

如上所述，还可以基于各种液态物品的包装大小、包装材质、包装和被检测液态物品的体积比这些信息，以及射线吸收系数，利用诸如人工神经网络(ANN)、支持向量机(SVM)、贝叶斯网络(BNN)之类的识别算法针对已知的各种液态物品建立分类表，存储在数据库中。如上所述，在步骤S10和步骤S40，获得了被检液态物品20的环境初始信息和射线吸收系数之后，利用相同的神经网络识别算法确定被检液态物品20在数据库中的类别，从而得到关于该被检液态物品20的识别用信息。

在本实施例中，采用被检液态物品20旋转的方式来实现扫描，采用这种扫描方式，减小了设备的体积，降低了设备的成本。但是，也可以采用被检液态物品20静止，而射线源10和探测和采集装置40旋转的扫描方式。

此外，射线源10可以包括一个或者多个X光机，或者一个或者多个同位素源，并且X光机的射线的能量是可调的。在射线源10包括多个X光机或者多个同位素源的情况下，探测器的数目可以与X光机或者同位素源的数目相同，并且这多个探测器与射线源相对应地设置。这里，探测器可以是气体探测器、液体探测器、固体探测器或者半导体探测器，并且具有能量选择功能。此外，探测器使用方式可以是一维阵列或者二维阵列，也就是线阵探测器或者面阵探测器。

以上以在计算机数据处理器60执行包含了预定数据处理算法的计算机程序的形式描述了射线吸收系数的计算过程和被检测液态物品20的识别用信息获得过程，但是计算机数据处理器60还可以以其他的形式来实现。图4示出了如图1所示的检查设备中的计算机数据处理器60的功能框图。

如图4所示，作为计算机数据处理器的另一个例子，该计算机数据处理器60’包括：数据存储器71，存储环境初始信息和多角度投影数据以及其他的数据，例如描述系统特性的系统矩阵H₁，……H_M；数据库74，存储有各种液态物品的吸收系数，或者其他的特征信息，也可以存储具有各种液态物品的分类表的数据库，用于检查过程中的比对之用；吸收系数计算单元72，它基于数据存储器71中存储的环境初始信息，例如被检液态物品的几何边界信息，和多角度投影数据，根据上述的公式(1)，以液态物品的均匀性作为条件，计算被检液态物品20的射线吸收系数；比对单元73，它根据吸收系数计算单元72所计算的被检液态物品20的射线吸收系数与数据库中预先存储的射线吸收系数进行比对，从而确定该被检液态物品20的识别用信息；输出单元75，例如显示器或者其他的输出设备，将比对单元73所得到的识别用信息直接呈现给操作员。

上面的描述仅用于实现本发明的实施方式，本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的范围的任何修改或局部替换，均应该属于本发明的权利要求来限定的范围，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (18)

1、一种用射线对液态物品进行安全检查的方法，包括步骤：

获取环境初始信息；

发出射线束以透射所述液态物品；

接收透射过所述液态物品的射线束，以形成多角度投影数据；

基于所述环境初始信息和所述液态物品的均匀性，通过对所述多角度投影数据进行求逆运算，来计算得到被检液态物品的射线吸收系数；以及

将所述射线吸收系数与预设数据进行比对，得到被检液态物品的相关信息。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述环境初始信息包括被检液态物品的几何边界信息。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述几何边界信息是通过X射线照相技术或者X射线扫描成像技术而获取的。

4、按照权利要求2所述的方法，其特征在于，所述被检液态物品对射线吸收表现出均匀性。

5、一种用射线对液态物品进行安全检查的设备，包括：

射线源(10)，用于发出射线束；

承载机构(30)，用于承载被检液态物品使其被射线束透射；

探测和采集装置(40)，用于获取环境初始信息和所述被检液态物品的多角度投影数据；以及

计算机数据处理器(60、60’)，其中，

所述计算机数据处理器(60、60’)包括：

以被检液态物品的环境初始信息和被检液态物品的均匀性作为限定条件，对获取的多角度投影数据进行求逆运算，计算得到所述被检液态物品的射线吸收系数的装置；以及

将所述射线吸收系数与预设数据进行比对，以得到被检液态物品的相关信息的装置。

6、根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述射线源(10)是X光机或者同位素源。

7、根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述射线源(10)是一个或者多个。

8、根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述X光机的射线能量是可调的。

9、根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述探测和采集装置是由探测器和数据采集器以一体的形式形成的。

10、根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述探测器是固体探测器、液体探测器、气体探测器或者半导体探测器。

11、根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述探测器是一个或者多个。

12、根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述探测器具有一维阵列或者二维阵列的形式。

13、根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述探测器具有能量选择功能。

14、根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述数据采集器包括数据放大成形电路，它工作于积分方式或脉冲方式。

15、根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述多角度投影数据是采用旋转被检液态物品或旋转射线源和探测和采集装置来获得的。

16、根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述多角度投影数据是通过增加角度投影数或使探测器安装偏移探测器单元尺寸的1/4来获得的。

17、根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述计算机数据处理器可采用预定的识别算法来进行所述比对。

18、根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述射线源(10)、探测和采集装置(40)、承载机构(30)以及计算机数据处理器(60、60’)的协调工作由扫描控制器(50)控制。

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