DE69405739T2

DE69405739T2 - Verfahren und vorrichtung zur erkennung von bestimmten materialien in der zusammensetzung eines gegenstands

Info

Publication number: DE69405739T2
Application number: DE69405739T
Authority: DE
Inventors: Serge Maitrejean; Didier Perion
Original assignee: Europ Scan
Current assignee: Heimann Systems Rungis Fr
Priority date: 1993-05-28
Filing date: 1994-05-16
Publication date: 1998-01-15
Anticipated expiration: 2014-05-17
Also published as: ATE158418T1; EP0701703B1; US5768334A; WO1994028442A1; FR2705786A1; FI955715A; EP0701703A1; DE69405739D1; FR2705786B1; NO954818L; FI955715A0; NO954818D0; AU6800294A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erkennung bestimmter Materialien in der Zusammensetzung eines Gegenstands und auf eine Vorrichtung zu dessen Durchführung. Sie wird insbesondere zur Erfassung bestimmter Materialien wie beispielsweise Sprengstoffe oder Rauschgift angewendet.
In US-A-3 673 394 ist ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Messung der Form, der Position und der Dichte eines versteckten Gegenstands beschrieben, welcher Röntgenstrahlen unter zwei unterschiedlichen Winkelrichtungen ausgesetzt ist, bei welchem die Energieveränderung gemessen wird.
In der Patentschrift WO-9202892 sind mehrere Verfahren und Vorrichtungen zur Untersuchung von Gepäck und zur Erfassung bestimmter Materialien beschrieben. Der zu untersuchende Gegenstand wird einem Bündel Röntgenstrahlen mit zwei abwechselnd unterschiedlichen Energien (hoch und tief) ausgesetzt. Man mißt die Abschwächung des Strahlenbündels beim Durchgang durch den Gegenstand. Somit besitzt man in jedem Bildpunkt ein Paar Abschwächungen, eine für den hohen Energiebereich und eine für den tiefen Energiebereich. Somit sind die einleitenden Messungen durchgeführt. Sie bestehen aus der Bestimmung der Abschwächungspaare (eine für den hohen Energiebereich, die andere für den tiefen Energiebereich) für eine große Anzahl repräsentativer Proben eines oder mehrerer bestimmter Materialien, welche im Gegenstand gesucht werden. Für jeden bestimmten Materialtyp werden die Proben mit verschiedenen Dicken des bestimmten aufgespürten Materials für unterschiedliche Dicken eines aufzuspürenden Materials gebildet. Alle Bezugsabschwächungspaare werden in einer Aufzeichnungstabelle zur Speicherung klassifiziert. Sie werden zudem mit einem Parameter P in Übereinstimmung gebracht, welcher gleich der Dicke des bestimmten Materials für die betrachtete Probe ist. Jedesmal wenn der zu untersuchende Gegenstand einem Bündel Röntgenstrahlen ausgesetzt wird, wird das gemessene Abschwächungspaar mit den in der Tabelle aufgezeichneten Abs chwächungspaaren verglichen.
Durch Interpolation schließt man auf einen Wert des Parameters P. Indem man eine Korrelation zwischen mindestens einer der Abschwächungen eines gemessenen Paares, beispielsweise der Abschwächung im hohen Energiebereich, und dem Wert von P durchführt, kann man folgern, ob der Gegenstand eine bestimmte Menge des bestimmten Materials am betrachteten Punkt enthält. Die Risiken von Meßfehlern und somit eines falschen Alarms werden durch Vergleich der unterschiedlichen Bildpunkte mit deren angrenzenden Punkten verringert.
Dieses Verfahren weist große Nachteile auf.
Für jeden Bildpunkt werden zwei Messungen durchgeführt, eine für die hohen Energien und die andere für die tiefen Energien. Durch diese zwei merklich voneinander unabhängigen Messungen wird es möglich, an jedem Punkt zwei unabhängige Informationen abzuleiten. Diese zwei unabhängigen Informationen werden verwendet, um Hinweise hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung des zu untersuchenden Gegenstands zu entnehmen.
Die Unabhängigkeit dieser zwei Informationen leitet sich aus der Tatsache her, daß zwei physikalische Effekte infolge der Wechselwirkung eines Röntgenstrahl-Photons mit einem Material eintreten können: der Compton-Effekt und der photoelektrische Effekt. Doch andere unabhängige Informationen sind aufgrund der Tatsache zugänglich, daß andere unabhängige physikalische Effekte infolge dieser Wechselwirkungsart vorhanden sind.
Das im Dokument WO-9202892 vorgeschlagene Verfahren nützt daher nicht alle Informationen aus, welche aus einer Wechselwirkung eines Röntgenstrahl-Photons mit einem Material entnehmbar sind.
Um die Einschränkung auf zwei unabhängige Informationen zum Erhalt von Hinweisen hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung des untersuchten Gegenstands auszugleichen, wird im Verfahren nach dem Stand der Technik empfohlen, Korrelationen zwischen den gemessenen Abschwächungen und einem den Werten der aufgezeichneten Abschwächungen entsprechenden Parameter P zu verwenden. Die aufgezeichneten Abschwächungswerte müssen in großer Anzahl aufgezeichnet werden, um das Risiko einer fehlerhaften Interpretation einzuschränken. Trotz allem, wie groß auch die Anzahl der aufgezeichneten Abschwächungspaare ist, wird durch das sehr indirekte Verfahren nicht das Risiko eines falschen Alarms oder umgekehrt einer Nichterfassung des gesuchten Materials ausgeschaltet.
Andererseits verändern sich die Eigenschaften (Intensität, Wellenform, Energie..) der Röntgenstrahlbündel schnell und auf im Zeitverlauf bemerkbare Weise.
Die in der Tabelle aufgezeichneten Abschwächungspaare, welche aus einer mit einem bestimmte Eigenschaften zeigenden Strahlenbündel durchgeführten Eichung herrühren, sind von diesen Eigenschaften abhängig und als Bezug für ein andere Eigenschaften zeigendes Strahlenbündel nicht mehr gültig.
Daher kann es vorkommen, daß aufgrund von Veränderungen des Strahlenbündels die Wiedererkennung eines bestimmten Materials ein falscher Alarm ist und, noch schlimmer, es vorkommen kann, daß das System die Anwesenheit eines bestimmten Materials im Gegenstand nicht erfaßt. Der letzte Fall kann von verheerenden Folgen begleitet sein, wenn das bestimmte Material ein in ein Gepäckstück gegebener Sprengstoff ist.
Die Anderungen der Eigenschaften des Strahlenbündels können günstigenfalls mit in regelmäßigen und ausreichend kurzen Abständen durchgeführten Eichungen ausgeglichen werden, um zu verhindern, daß die Abweichungen des Strahlenbündel eine Störung der Erfassung zur Folge haben. Doch ergibt sich aus der Funktionsweise des Verfahrens, daß zur Durchführung einer Eichung alle in der Tabelle aufgezeichneten Abschwächungspaare gemessen und anschließend erneut die Übereinstimmungen mit den Werten des Parameters P durchgeführt werden müssen.
Im einzelnen muß man verschiedene Dicken eines bestimmten Testmaterials und unterschiedliche Dicken eines aufzuspürenden Materials in den Weg des Strahlenbündels geben. Die Interpolation eines Abschwächungspaares auf die aufgezeichneten Paare ist um so genauer, je größer die Anzahl an aufgezeichneten Paaren ist. Folglich nimmt das Einstellen der aufgezeichneten Abschwächungspaare eine wichtige Zeit ein, was mit einer fortlaufenden Funktion der Vorrichtung nicht vereinbar ist. Man kann die Eichungen aufteilen und die Eichmessungen während der Totzeiten des Geräts durchführen, d.h. im Fall der Untersuchung von Gepäck in der Zeit, welche zwischen dem Durchgang zweier aufeinanderfolgender Gepäckstücke liegt. Trotzdem ist, wenn die Probenzahl (eine Probe, welcher einer vorgegebenen Dicke des bestimmten Materials entspricht, ist mit einer vorgegebenen Dicke des auf zuspürenden Materials verbunden) erhöht ist, die Zeitdauer zwischen zwei zum Erhalt einer ausreichenden Genauigkeit notwendigen Auffrischungen eines aufgezeichneten Abschwächungspaares wichtig, und die Fehlerrisiken sind nicht vernachlässigbar.
Erfindungsgemäß wird eine Linderung dieser Nachteile vorgeschlagen. Dazu wird anstelle der Verwendung von zwei Abschwächungsmessungen, von denen eine einem tiefen Energiebereich und die andere einem hohen Energiebereich entspricht, erfindungsgemäß die Verwendung einer Abschwächungsfunktion über einen großen Wellenlängenbereich empfohlen.
Auf diese Weise kann man mindestens drei unabhängige Informationen zur chemischen Charakterisierung eines Gegenstands ableiten. Theoretisch müßte durch die Verwendung der Abschwächungsfunktion der Erhalt einer großen Zahl unabhängiger Informationen möglich sein, doch es zeigt sich, daß die physikalischen pHänomene von geringerer Wahrscheinlichkeit als der Compton-Effekt und der photoelektrische Effekt, welche aufgrund der Wechselwirkungen von Röntgenstrahl-Photonen mit der Materie eintreten, tatsächlich teilweise miteinander korreliert sind, wodurch aufgrund dieser Tatsache die Zahl an Informationen eingeschränkt wird, welche man aus Abschwächungsmessungen gewinnen kann.
Genauer bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Erkennung bestimmter Materialien in der Zusammensetzung eines Gegenstands. Das Verfahren umfaßt die folgenden Schritte:
a) die einleitende Bestimmung der Abschwächungsfunktion von mindestens drei Bezugsmaterialien über ein breites Röntgenstrahlspektrum und die Ableitung von eine Basis bildenden Abbildungsfunktionen daraus;
b) in einem zweiten einleitenden Schritt die Bestimmung der Abschwächungsfunktion mindestens eines Testmaterials über das vorstehende Röntgenstrahlspektrum und die Abbildung der Abschwächungsfunktion jedes Testmaterials auf die vorstehende Basis;
c) für jeden Punkt des Gegenstands
- die Bestimmung der Abschwächungsfunktion des Gegenstands über das vorstehende Röntgenstrahlspektrum,
- die Abbildung der Abschwächungsfunktion des Gegenstands auf die vorstehende Basis,
- der Vergleich der so erhaltenen Abbildungen mit den Abbildungen jedes Testnaterials und die Ableitung aus diesem Vergleich, ob mindestens ein Testmaterial in der Zusammensetzung des Gegenstands am betrachteten Punkt enthalten ist.
Bevorzugterweise wird unter dem Röntgenstrahlspektrum mindestens ein Wellenbereich verstanden, welcher im Bereich von 30 bis 100 keV liegt.
Vorzugsweise sind die Abschwächungsfunktion des Gegenstands, die Abschwächungsfunktionen der Bezugsmaterialien und die Abschwächungsfunktionen der Testmaterialien alle als Funktion einer Variablen u ausgedrückt, welche in einem bijektiven Verhältnis zur Energie der Röntgenstrahlen steht.
Diese Variable u kann gleich der Abschwächung eines Eichmaterials mit festgelegter Dicke sein. Das Eichmaterial besitzt vorzugsweise eine effektive Kernladungszahl Z, welche in einem Bereich von 5 bis 26 enthalten ist.
Bevorzugterweise sind die Abbildungsfunktionen orthogonal zueinander.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Abbildungsfunktionen Funktionen, welche eindeutig mit Werten verbunden sind, die durch die Diagonalisierung einer aus Skalarprodukten der Abschwächungsfunktionen der Bezugsmaterialien aufgebauten Matrix eindeutig bestimmt werden.
In dieser bevorzugten Ausführungsform wird in einem einleitenden Schritt für jedes Testmaterial eine Gesamtheit von Abbildungskoeffizienten bestimmt, welche durch die Abbildung der Abschwächungsfunktionen der Testmaterialien auf die vorstehende Basis erhalten werden, und die vorstehenden eindeutigen Werte werden in abnehmender Ordnung klassifiziert, aus jeder Gesamtheit an Abbildungskoeffizienten wird eine Gesamtheit an Vergleichskoeffizienten für die Testmaterialien abgeleitet, indem jeder Abbildungskoeffizient der betrachteten Gesamtheit durch den Koeffizient der betrachteten Gesamtheit geteilt wird, welcher der mit dem größten eindeutigen Wert verbundenen Abbildung auf die Abbildungsfunktion entspricht, wobei die Gesamtheiten an Vergleichskoeffizienten für die Testmaterialien für Vergleiche verwendet werden, durch welche die Ableitung möglich wird, ob mindestens ein Testmaterial in der Zusammensetzung des Gegenstands enthalten ist.
Falls der untersuchte Gegenstand aus einem Zusammenschluß einzelner Gegenstände besteht, erzeugt man ein Umrißbild der einzelnen Gegenstände, wobei die Umrisse Übergangsbereiche zwischen den verschiedenen einzelnen Gegenständen sind, bestimmt man für jeden Punkt des Gegenstands eine Gesamtheit an Abbildungskoeffizienten, welche durch die Abbildung der Abschwächungsfunktion des Gegenstands auf die vorstehende Basis erhalten werden, bestimmt man die Anderungen der Gesamtheiten der Abbildungskoeffizienten des Gegenstands in den Übergangsbereichen, und leitet aus diesen Änderungen Koeffizienten zum Vergleich mit den Vergleichskoeffizienten für die Testmaterialien ab.
Vorzugsweise sind die effektiven Kernladungszahlen der Bezugsmaterialien gleichmäßig in einem Bereich von 3 bis 30 verteilt.
In diesem Fall wird vorzugsweise ein erstes Bezugsmaterial aus den Materialien ausgewählt, welche eine effektive Kernladungszahl aus einem Bereich von 3 bis 7 aufweisen, ein zweites Bezugsmaterial aus den Materialien ausgewählt, welche eine effektive Kernladungszahl aus einem Bereich von 7 bis 10 aufweisen; ein drittes Bezugsmaterial aus den Materialien ausgewählt, welche eine effektive Kernladungszahl aus einem Bereich von 10 bis 17 aufweisen und ein viertes Bezugsmaterial aus den Materialien ausgewählt, welche eine effektive Kernladungszahl aus einem Bereich von 17 bis 30 aufweisen.
Das erste Bezugsmaterial kann Polyethylen sein, das zweite Bezugsmaterial ist Teflon, das dritte Bezugsmaterial ist Duraluminium, und das vierte Bezugsmaterial ist Eisen.
Die Testmaterialien können in einer Anwendung auf die Untersuchung von Gepäck Sprengstoffe und/oder Rauschgift sein.
Die Erfindung bezieht sich zudem auf eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens. Die Vorrichtung umfaßt:
-Einrichtungen zur Bestimmung der Abschwächungsfunktionen über einen breites Röntgenstrahlspektrum, wobei die Abschwächungsfunktionen als Funktion einer Variable u ausgedrückt werden, welche in einem bijektiven Verhältnis zur Energie der Röntgenstrahlen steht,
- Verarbeitungseinrichtungen, welche zur Durchführung von Abbildungen der Abschwächungsfunktionen auf Funktionen, welche eine Basis bilden und vorab ausgehend von Abschwächungsfunk tionen von mindestens drei Bezugsmaterialien bestimmt wurden, befähigt sind,
- Einrichtungen zur Beförderung eines zu untersuchenden Gegenstands, durch welche es ermöglicht wird, den Gegenstand den Einrichtungen zur Bestimmung einer Abschwächungsfunktion zuzuführen,
- Einrichtungen zum Vergleich der Abbildungen der Abschwächungskurve des Gegenstands mit den Abbildungen, welche vorab von den Abschwächungsfunktionen von mindestens einem Testmaterial angefertigt wurden, und zur Ableitung aus diesem Vergleich, ob mindestens ein Testmaterial in der Zusammensetzung des Gegenstands enthalten ist, und
- Anzeigeeinrichtungen, welche zur Anzeige mindestens eines Bilds des Gegenstands befähigt sind, indem die Punkte unterschieden werden, bei welchen ein Testmaterial in der Zusammensetzung des Gegenstands enthalten ist.
Vorzugsweise umfaßt die Vorrichtung Einrichtungen zur Bildverarbeitung, welche zur Erzeugung eines Umrißbilds befähigt sind.
Bevorzugterweise enthalten die Einrichtungen zur Bestimmung der Abschwächungsfunktionen ein Stück Eichmaterial, und da es unterschiedliche Dicken besitzt, ist dieses Stück dazu befähigt, nach Belieben in das Strahlenbündel der Röntgenstrahlen einzudringen.
In einer ersten Ausgestaltungsform schließen die Einrichtungen zur Bestimmung einer Abschwächungsfunktion eine Quelle, welche ein Bündel aus Röntgenstrahlen aufeinanderfolgend über mehrere Spektralbereiche liefert, sowie ein Feld aus Erfassungsvorrichtungen ein, wobei jede Erfassungsvorrichtung in allen Spektralbereichen empfindlich ist.
In einer anderen Ausgestaltungsforn schließt die Einrichtungen zur Bestimmung einer Abschwächungsfunktion einen Generator für Röntgenstrahlbündel über einen breiten und festen Spektralbereich sowie ein Feld aus Stapeln von Erfassungvorrichtungen ein, wobei jede Erfassungsvorrichtung eines Stapels die Aufgabe eines Hochpaß-Filters für die angrenzende folgende Erfassungsvorrichtung übernimmt.
Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung stellen hinsichtlich des Stands der Technik zahlreiche Vorteile bereit. Die Vergleichselemente sind hier die Abschwächungsfunktionen (oder genauer ihre Abbildungen auf die Basisfunktionen) der Testmaterialien. Die Zahl der unabhängigen Informationen über die Zusammensetzung des Gegenstands, welche man daher entnehmen kann, sind mindestens gleich der Zahl an Informationen, welche durch die Techniken nach dem Stand der Technik erhalten werden. Ohne Probleme erhält man Zugang zu mindestens einer zusätzlichen Information, was die Empfindlichkeit und die Funktionssicherheit des Systems verbessert. Die einmal bestimmten und aufgezeichneten Abschwächungsfunktionen sind keinen Fluktuationen mehr unterworfen. Dadurch werden die Eichprobleme beträchtlich vereinfacht. Um die möglichen Abweichungen der Röntgenstrahlbündel auszugleichen, reicht es aus, Messungen der Abschwächung von Eichmaterialien mit unterschiedlichen Dicken durchzuführen. Dies kann sehr schnell und häufig gemacht werden (in der Größenordnung von 10 s pro Messung), womit alle durch Veränderungen in den Eigenschaften der Strahlenbündel hervorgerufene Erfassungsfehler vermieden werden können.
Die Erfindung wird anhand der nachstehenden veranschaulichenden und in keinster Weise einschränkenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen genauer erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Folge von zur Messung von Durchlässigkeiten verwendeten Energiespektren;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Umrißbildes eines Gegenstands; und
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer vergrößerten Ansicht eines Teils des Bilds von Fig. 4.
Bezugnehmend auf Fig. 1 wird nachstehend eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.
Wie in der Folge der Beschreibung ersichtlich wird, werden diese Einrichtungen zur Bestimmung einer Abschwächungsfunktion mehrmals verwendet:
- ein erstes Mal zur Messung der Abschwächungsfunktionen der Bezugsmaterialien. Diese Abschwächungsfunktionen dienen zur Bestimmung der eine Basis bildenden Funktionen. Diese Messungen werden einmal für alle in einem einleitenden Schritt gemacht.
- ein zweites Mal zur Messung der Abschwächungsfunktionen der Testmaterialien, deren Anwesenheit man in der Zusammensetzung der zu charakterisierenden Gegenstände sucht. Diese Messungen werden ebenfalls einmal für alle in einem zweiten einleitenden Schritt durchgeführt;
- ein drittes Mal zur Messung der Abschwächungsfunktionen in jedem Punkt des zu charakterisierenden Gegenstands.
Ein Röntgenstrahlgenerator 10 liefert unter Steuerung einer Steuereinrichtung 12 mit variabler Spannung ein gefächertes Bündel 14 (die Fächerform wird auf bekannte Weise mit Hilfe eines nicht gezeigten Kollimators in Schlitzform erhalten), dessen maximale Energie als Funktion der an den Röntgenstrahlgenerator angelegten Spannung variabel ist. Ein System 16 ermöglicht das Eindringen verschiedener Filter 16a in Übereinstimmung mit der Energieänderung des Strahlenbündels. Im Beispiel von Fig. 1 schließt das Filtersystem 16 eine Scheibe ein, deren Abschnitte jeweils einem unterschiedlichen Filter entsprechen. Die Filter sind vom Hochpaß-Typ und sind an sich bekannt. Jeder an den Röntgenstrahlgenerator angelegten Spannung entspricht ein Filter.
Die Drehung der Scheibe erfolgt durch eine Steuereinrichtung 17, welche zur Steuerung der Übereinstimmung mit der Steuereinrichtung 12 verbunden ist.
Auf gleiche Weise können andere Filtersysteme verwendet werden; beispielsweise können die aufeinanderfolgend angeordneten Filter unter einer Verschiebungswirkung in den Strahlengang eingebracht werden.
In Fig. 2 ist die Abfolge nacheinander durch Drehung der Scheibe erhaltener Spektren als Funktion der Energie gezeigt. Die Filter sind derart ausgewählt, daß eine Überschneidung aufeinanderfolgender Spektren erhalten wird.
Im Energiespektrum des Strahlenbündels 14 unterdrückt jeder Filter alle Energien unter einem charakteristischen Schwellenwert des Filters. Für jedes Spektrum von Fig. 2 entspricht der Hochenergie-Abschnitt der vom Generator 10 gelieferten maximalen Energie, wenn der damit verbundene Filter in den Strahlengang gestellt wird. In der Praxis werden die Energiespektren nicht auf genaue Weise charakterisiert, und ihre genaue Form ist ohne bemerkenswerten Einfluß auf die Messung. Andererseits ist es wichtig, daß die Form und die Intensität jedes Spektrums sich nicht zwischen dem Augenblick der Durchführung der Bezugsmessungen und der Messungen an dem zu charakterisierenden Gegenstand verändert.
Zudem sind die schwachen Diskontinuitäten in der Spektrenfolge selbst wiederum ohne Einfluß auf die Messungen. In jedem Fall müssen diese Diskontinuitäten, damit die Messungen nicht gestört werden, für den Bereich von 20 bis 40 keV unter 5 keV und darüber hinaus unter 10 keV liegen.
Zurückkehrend zu Fig. 1 erkennt man, daß die Vorrichtung ein Ziel oder Stück 18 in Form von Treppenstufen einschließt. Jede Stufe entspricht einer Probe eines Materials mit unterschiedlicher Dicke.
Das Stück 18 wird durch ein Eichmaterial 18 verwirklicht, dessen effektive Kernladungszahl Z zwischen 5 und 26 enthalten sein kann. Man wählt beispielsweise die unter dem Namen Duraluminium (Gemisch, bestehend, aus 95% Al, 4,5 % Cu und 0,5 % Mn) bekannte Legierung, deren effektive Z ungefähr gleich 13,5 ist.
In dieser Ausführungsform wird die Dicke der zweiten Stufe 18a als Vergleichsdicke gewählt. Selbstverständlich könnte jede andere Stufe als Vergleichsstufe gewählt werden. Die Vergleichsdicke des Duraluminium kann im Bereich von 1 bis 5 mm, beispielsweise 4 mm, gewählt werden.
Im allgemeinen wird eine Anzahl N an Eichmaterialien mit bestimmten Dicken und somit an Stufen des Stück 18 benötigt, wenn N+1-Spekren verwendet werden. Ein neun Stufen enthaltendes Stück 18 ist daher an eine Vorrichtung angepaßt, bei welcher 10 Energiespektren verwendet werden.
Das Stück 18 kann dank einer Verschiebungsbewegung nach Belieben in den Strahlengang gestellt werden. Aus Gründen der übersichtlichen Darstellung ist die Vorrichtung, durch welche die Verschiebung des Stücks 18 ermöglicht wird, in Fig. 1 nicht gezeigt.
Weiterhin kann das Stück 18 andere Formen annehmen, welche der des dargestellten Stücks entsprechen. Beispielsweise kann das Stück 18 die Form einer Scheibe annehmen, deren Abschnitte die unterschiedlichen gewünschten Dicken besitzen, und von der ein Abschnitt ausgeschnitten ist, um den Weg des Strahlenbündels freizulassen.
In Fig. 1 ist erkennbar, daß die Vorrichtung ein Feld 20 aus Erfassungsvorrichtungen einschließt, welche in den Weg des Strahlenbündels 14 gestellt sind. Ein Feld enthält ungefähr Tausend Erfassungsvorrichtungen 22, welche beispielsweise aus einem Szintillationszähler und einer Photodiode gebildet sind. Das Feld aus Erfassungsvorrichtungen ist hinter einem Kollimationselement 24, beispielsweise einem Spalt, aufgestellt. Das Feld aus Erfassungsvorrichtungen ermöglicht die Bildung einer Bildreihe, wobei jede Erfassungsvorrichtung 22 einem Bildelement entspricht. Das Feld kann ebenso die Form eines L einnehmen.
Die Erfassungvorrichtungen 22 des Felds 20 sind am Ausgang mit dem Eingang eines Verarbeitungssystems 26 in der Art eines mit Speicher ausgestatteten Rechners verbunden.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht ein erster Schritt aus der Bestimmung der Abschwächungsfunktion des zu charakterisierenden Gegenstands 1 für jeden Punkt dieses Gegenstands in einem sich mindestens von 30 bis 100 keV ausdehnenden Energiebereich. Dieser kann beispielsweise gleich einem Bereich von 20 bis 150 kev sein. In Fig. 1 nimmt der Gegenstand 1 als Beispiel die Form eines Koffers ein.
Für jede Erfassungsvorrichtung 22 werden in einem einleitenden Schritt, in welchem der Gegenstand 1 nicht in das Strahlenbündel gestellt wird, Eichmessungen durchgeführt. Diese Eichmessungen bestehen aus der Messung der durch die verschiedenen Dicken des dem Strahlenmeßbündel ausgesetzten Stücks 18 hindurchgehenden Intensität.
Beim ersten Mal wird die durchgehende Intensität für eine Dicke von Null gemessen, daß heißt, ohne daß das Stück 18 in den Weg des Strahlenbündels gestellt ist.
Das System 26 steuert die Anderung der variablen Spannung und die passende Filtration des Strahlenbündels durch das Filtersystem 16. Unter der konjugierten Wirkung der Anderung der Spannung und der passenden Filtration werden durch das gemessene Strahlenbündel aufeinanderfolgend N+1-Spektren mit unterschiedlichen Energien dargestellt. N+1 kann beispielsweise gleich 10 sein.
Jedem maximalen Energiewert des Strahlenbündels entspricht ein Filter des Systems 16, damit aufeinanderfolgend die unterschiedlichen Energiespektren erhalten werden. Jede Anderung des Energiemaximums ist mit der Einstellung eines neuen Filters synchronisiert.
Jede Erfassungsvorrichtung 22 mißt die Intensität des zu messenden Strahlenbündels für jedes Spektrum, und diese Messungen werden durch das Verarbeitungssystem 26 gespeichert.
Man wiederholt die gleichen Messungen, wobei man jedoch aufeinanderfolgend die unterschiedlichen Dicken des Stücks 18 in den Gang des Strahlenbündels stellt. Sobald diese Messungen durch das System 26 gespeichert sind, wird das Stück 18 aus dem Gang des Strahlenbündels zurückgezogen.
Die Eichung der Vorrichtung ist daher sehr schnell. Bei einer fortlaufenden Verwendung der Vorrichtung, welche auf die Überwachung von Gepäck angewendet wird, kann sie in jedem Intervall zwischen zwei Gepäckstücken erneuert werden.
Das Ziel 18 wird anschließend aus dem Gang des Strahlenbündels zurückgezogen und der zu charakterisierende Gegenstand 1 in den Gang gegeben. Dafür wird der Gegenstand auf ein Förderband 28 der Art einer rollenden Matte gestellt. Die Verschiebung des Gegenstands ist ausreichend langsam, um die aufeinanderfolgende Erzeugung von Bildzeilen zu ermöglichen.
Optimal erfolgt die Verschiebung des Gegenstands senkrecht zu der von der Längsachse des Spalts 24 und/oder des Felds 20 und dem Brennpunkt der Röhre des Röntgenstrahlgenerators gebildeten Ebene.
Für eine Bildzeile wird der Gegenstand 1 aufeinanderfolgend jedem der Energiespektren ausgesetzt, welche durch die mit der Einschaltung des passenden Filters synchronisierte Änderung des Energiemaximums des Strahlenbündels verwirklicht wurden. Für jedes Energiespektrum wird die Transmissionsintensität nach dem Durchgang durch den Gegenstand von den Erfassungsvorrichtungen 22 des Felds 20 gemessen und gespeichert.
Mit Hilfe dieser Messungen leitet das System 26 für jedes Bildelement eine analytische Formel der Abschwächung des Gegenstands her. Diese Abschwächung wird als Funktion einer in bijektivem Verhältnis mit der Energie E befindlichen Variablen u ausgedrückt. Im vorstehend beschriebenen Beispiel ist u gleich der Transmission einer vorgegebenen Dicke des Stücks 18, beispielsweise der als Bezug herangezogenen der zweiten Stufe 18a. Im gewählten Beispiel, bei welchem das Stück 18 aus Duraluminium mit einer Dichte d (ausgedrückt in g/cm³) gleich 2,7 ist, und bei welchem die Dicke ep der als Bezug ausgewählten zweiten Stufe gleich 0,4 cm ist, ist die Variable u gleich: u =e-att(E) 2,7 0,4, wobei att(E) die Massenabschwächung ist.
Allgemein erhält man: u =e-att(E) (E)d ep
Wenn man den Index j als Nuinmer des Spektrums definiert, welchem der Gegenstand ausgesetzt ist, entspricht j=1 dem Spektrum des tiefsten Energiemaximums, und daher kann die durch den Gegenstand hindurchgehende Intensität Dj wie folgt ausgedrückt werden:
Dj- Ij(E)Tr(E)dE (0)
-oder
Dj= Ij(E)e-att(E)dE (1)
wobei Ij(E) die Intensität des j-ten Energiespektrums als Funktion der Energie E, Tr(E) und att(E) jeweils die Funktion der Transmission und der Abschwächung sind, hier ausgedrückt als Funktion der Energie E.
Durch Durchführung einer Variablensubstitution, bei welcher der Parameter u anstelle von E gesetzt wird, schreibt man für
Dj= I'j(u)e-att(u)du (1)
wobei I' (u) die Intensität des j-ten Spektrums, ausgedrückt als Funktion von u, und att' (u) die gesuchte Abschwächungsfunktion ist.
Die Funktion der Transmission des Gegenstands wird als Funktion des Parameters u ausgedrückt. In einem ersten Schritt verwirklicht das System 26 diese Variablensubstitution und führt danach folgende Näherung durch: Die Funktion der Transmission des Gegenstands wird als Entwicklung des endlichen Polynoms nach den Potenzen des Parameters u ausgedrückt und ergibt:
wobei i ein Index ist, der von 0 bis N variiert. Diese Näherung hat sich in der Praxis als sehr genau erwiesen.
Die Zahl der Terme der Entwicklung (N+1) ist kleiner oder gleich der Zahl der unterschiedlichen Energiespektren, welche zur Messung der Transmission verwendet wurden. Sie ist daher kleiner oder gleich der Zahl N an Bezugsmaterialien mit unterschiedlichen Dicken, welche zur Eichung verwendet wurden, zusätzlich einer (welche der Abwesenheit des Stücks 18 im Strahlengang entspricht) . Daher entspricht jeder Index i einer Stufennummer des Stücks 18, wobei der Index i=0 einer Dicke von Null entspricht, das heißt, das Stück 18 ist nicht im Weg des Strahlenbündels.
Für jeden Wert von i stellt die f(i)-Potenz der Entwicklung in der Gleichung (3) einen Zusammenhang zwischen einer der Dicken des Eichmaterials und der Bezugsdicke dar.
Vorzugsweise sind diese Zusammenhänge derart, daß die Potenzen f(i) vermehrt um ½ eine geometrische Folge bilden.
Unter Bildung des mathematischen Ausdrucks kann man diese Wahl wie folgt schreiben:
f(i) + ½ = ai(f(0) + ½);
Weiterhin wählt man f(0) = 0, damit i = 0 dem freien Weg des Strahlenbündels und somit einer Dicke von Null entspricht; folglich erhält man:
f(i) = (ai-1)/2
Weiterhin schließt man vorzugsweise die Bezugsdicke in die Folge ein. Auf diese Weise erhält man, wenn die zweite Stufe als Bezugsdicke ausgewählt ist: F(2) = 1 und folglich a= 3; das Ergebnis der Folge ist gleich der Quadratwurzel von Drei.
Man kann zeigen, daß die Wahl für diese Werte der Potenzen der Entwicklung und somit für die Dicken der Stufen den Erhalt einer stabilen Entwicklung ermöglicht.
In der Wirklichkeit nehmen aufgrund von unvermeidlichen Ungenauigkeiten der maschinellen Herstellung die f(i) nicht genau die berechneten Werte an. Doch diese geringen Abweichungen sind ohne Folge für die Gültigkeit des Ergebnisses.
Man kann zeigen, daß die durch den Gegenstand 1 hindurchgehende Intensität für das Spektrum j wie folgt aufgelöst werden kann:
wobei darin die Terme cji für jedes Spektrum j der durch die unterschiedlichen Dicken des Eichmaterials hindurchgehenden Intensität entsprechen und i=0 einer Dicke von Null entspricht (das Stück 18 ist außerhalb des Wegs des Strahlenbündels)
In der Gleichung (4) sind die Dj und Cji aus ihrer Messung bekannt, nur die Koeffizienten aj sind unbekannt. Die Zahl der Dicken des Eichmaterials (unter Mitzählung der Dicke von Null) kann kleiner oder gleich der Zahl der Spektren gewählt werden, damit man die Koeffizienten aj bestimmen kann. In dem hier beschriebenen Beispiel verwirklicht man zehn unterschiedliche Energiespektren und besitzt das Ziel 18 neun Stufen, weshalb man zusätzliche Messungen anfügen muß, die durchgeführt werden, wenn das Stück 18 außerhalb des Wegs des Strahlenbündels ist.
Folglich bestimmt in einem folgenden Schritt unter Hilfe der aus der Eichung und den Messungen der Transmission des Gegenstands stammenden gespeicherten Werte das System 26 die ai. Dies kann mit jedem bekannten Verfahren verwirklicht werden, beispielsweise mit dem Verfahren der kleinsten Quadrate. Die Abschwächung Att ist definiert als: Att = -Log Tr, wobei Tr die Transmission ist.
Sind die Koeffizienten ai einmal bestimmt, ersetzt sie das System 26 durch ihre Werte in der Gleichung (3), nimmt den natürliche Logarithmus und multipliziert mit (-1). Auf diese Weise leitet das System 26 die Abschwächungsfunktion des Gegenstands 1 als Funktion des Parameters u her.
In Fig. 3 ist schematisch eine Ausgestaltungsform gezeigt. Anstatt des aufeinanderfolgenden Testens der verschiedenen Energiespektren des Strahlenbündels 14 wird ein Strahlenmeßbündel eines festen und großen Spektrums verwendet. Für jedes Bildelement werden die Messungen der durch das Stück 18 oder den Gegenstand 1 hindurchgehenden Intensität mit Hilfe eines Stapels 30 aus Erfassungsvorrichtungen 30a, 30b .. durchgeführt. Jede Erfassungsvorrichtung kann von einem Szintillationszähler oder einer Photodiode gebildet sein.
Die Stapel 30 sind nebeneinander gestellt, um ein teilweise in Fig. 3 dargestelltes Feld zu bilden. Jede Erfassungsvorrichtung spielt die Rolle eines Hochpaß-Filters für die folgenden Erfassungsvorrichtungen. Daher liefert jede Erfassungsvorrichtung ein elektrisches Signal entsprechend der Intensität für einen bestimmten Teil des großen Energiespektrums. Es ist daher verständlich, daß in der Vorrichtung der Fig. 1 die zu charakterisierenden Gegenstände einem Strahlenmeßbündel, welches aufeinanderfolgend die unterschiedlichen Energiespektren darstellt, derart ausgesetzt sind, daß ein Bereich mit gewünschter Energie abgetastet wird, während in der Vorrichtung der Fig. 3 die Gegenstände einem Strahlenmeßbündel mit einem großen, dem gewünschten Energiebereich entsprechenden Spektrum ausgesetzt sind, wobei das große Spektrum anschließend durch die verschiedenen Erfassungsvorrichtungen gefiltert wird.
Die Vorrichtung der Fig. 3 schließt einen Strahlenmeßbündel- Generator 32 ein. Dieser Generator 32 ist an eine Steuereinrichtung 34 mit festem Potential angeschlossen, so daß das Strahlenmeßbündel ein großes Energiespektrum zeigt. Unter dem großen Energiespektrum versteht man den gesamten Energiebereich, den man zu testen wünscht, beispielsweise den Bereich von 20 keV bis 150 keV.
Wie vorstehend schließt die Vorrichtung ein aus einem Bezugsmaterial erzeugtes Stück 18 in Form von Stufen mit bestimmten Dicken ein. Das Stück 18 kann dank einer nicht gezeigten Verschiebungsbewegung nach Belieben in das Strahlenbündel einge taucht oder ebenso gut außerhalb des Wegs des Strahlenbündels aufgestellt werden.
Jede Erfassungsvorrichtung 30a, 30b, ... des Stapels 30 ist mit dem Steuersystem und dem Verarbeitungssystem 26 verbunden. In dieser Ausführungsform werden die Messungen der Transmissionsintensitäten für jedes durch die Filtration der Erfassungsvorrichtungen aus dem großen Spektrum entnommene Spektrum gleichzeitig durchgeführt. Die durch das System 26 verwirklichte Verarbeitung zum Erhalt der Abschwächungsfunktion ist gleich der vorstehend beschriebenen.
Mit Hilfe einer der gerade beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren bestimmt man im Anschluß an die Verwirklichung eines für alle einmal nach einem Eichschritt einleitend durchgeführten Schritts die Abschwächungsfunktionen von mindestens drei Bezugsmaterialien, ausgedrückt als Funktion von u.
Die Testmaterialien, welche man in der Zusammensetzung des zu charakterisierenden Gegenstands sucht, können von egal welcher Beschaffenheit sein.
Man wählt einen Bereich effektiver Kernladungszahlen, der beispielsweise von 5 bis 30 reicht, und aus diesem Bereich wählt man Bezugsmaterialien aus, welche effektive Kernladungszahlen Zeffektiv in regelmäßigem Abstand voneinander haben, um auf diese Weise diesen Bezugsbereich abzudecken.
Als Beispiel wird eine Beschreibung für vier Bezugsmaterialien angegeben. Die vorliegende Erfindung kann jedoch unter Verwendung von mindestens zwei Bezugsmaterialien angewendet werden.
Das erste Bezugsmaterial besitzt eine im Bereich von 2 bis 7 enthaltene Zeffektiv; das kann beispielsweise Polyethylen sein, welches eine Zeffektiv von ungefähr gleich 5,3 besitzt.
Das zweite Bezugsmaterial besitzt eine im Bereich von 7 bis 10 enthaltene Zeffektiv; das kann beispielsweise Teflon sein, welches eine Zeffektiv von ungefähr gleich 8 besitzt.
Das dritte Bezugsmaterial besitzt eine im Bereich von 10 bis 17 enthaltene Zeffektiv; das kann beispielsweise Duraluminium sein, welches eine Zeffektiv von ungefähr gleich 13,5 besitzt.
Das vierte Bezugsmaterial besitzt eine im Bereich von 17 bis 30 enthaltene Zeffektiv; das kann beispielsweise Eisen sein, welches eine Zeffektiv von ungefähr gleich 26 besitzt.
Durch die Durchführung eines anderen einleitenden Schritts bestimmt man für alle einmal die Abschwächungsfunktionen (ausgedrückt als Funktion von u) der Testmaterialien.
Diese Testmaterialien sind die Materialien, deren Anwesenheit man in der Zusammensetzung des untersuchten Gegenstands sucht. Diese Testmaterialien können beispielsweise Sprengstoffe oder Rauschgift sein.
Das Verarbeitungssystem 26 bestimmt ebensoviel Abbildungsfunktionen wie Bezugsmaterialien. Diese Abbildungsfunktionen bilden eine Basis, welche ausgehend von Abschwächungsfunktionen der Bezugsmaterialien berechnet wird. Sie werden als Fpl, Fp2, Fp3, Fp4 bezeichnet. Um die Abbildungsfunktionen zu bestimmen, berechnet das Verarbeitungssystem 26 zuvor alle Skalarprodukte der Abschwächungsfunktionen der Bezugsmaterialien unter sich. Diese Skalarprodukte bilden eine definierte positive Matrix, welche diagonalisiert wird. Das Ergebnis der Diagonalisierung ist die Bestimmung von eindeutigen Werten, mit welchen untereinander orthogonalisierte eindeutige Funktionen verbunden sind. Jede Basis von Abbildungsfunktionen wird ausgehend von der durch die eindeutigen Funktionen gebildeten Basis bestimmt. Insbesondere kann man die durch die eindeutigen Funktionen gebildete Basis direkt verwenden.
Genauer kann die Bestimmung von Abbildungsfunktionen beispielsweise unter Verwendung eines wohlbekannten Verfahrens durchgeführt werden, welches als Analyse der Hauptbestandteile bezeichnet wird.
Wenn man AH&sub1;, AH&sub2;, AH&sub3;, AH&sub4;, .. als Abschwächungsfunktionen der Bezugsmaterialien bezeichnet, verläuft dieses Verfahren wie folgt:
- Man erstellt zuerst eine quadratische Matrix M, deren Elemente die paarweisen Skalarprodukte der Funktionen AHi sind. Unter dem Skalarprodukt versteht man beispielsweise das kanonische Skalarprodukt der Funktionen:
wobei die Grenzen des Integrals die Extremwerte der Variablen u entsprechend dem betrachteten Energiebereich E sind.
- Man kann zeigen, daß M diagonalisierbar ist und man schreiben kann:

M = P&supmin;¹ D P

wobei P die Matrix des Durchgangs, P&supmin;¹ die inverse Matrix von P und D die mit M verbundene Diagonalmatrix ist. Die eindeu tigen Vektoren von M, dargestellt durch die Spalten von P, sind orthogonal.
- Die Abbildungsfunktionen Fp1, Fp2, Fp3, Fp4 werden durch die Linearkombinationen von eindeutigen Vektoren von M erhalten, das heißt aus den Spalten der Matrix P.
- Man kann leicht zeigen, daß die aus Fp1, Fp2,.. gebildete Basis eine orthogonale Basis ist.
Die Abbildungsfunktionen werden in einem Speicher des Systems 26 aufgezeichnet.
Die Abschwächungsfunktionen der Testmaterialien werden auf die Base projiziert, das heißt auf die Abbildungsfunktionen. Für jedes Testmaterial bestimmt das Verarbeitungssystem 26 eine Gesamtheit von vier Werten t1, t2, t3, t4, welche gleich vier verschiedenen Abbildungskoeffizienten sind. Wenn man mit AttT die Abschwächungsfunktion eines Testmaterials bezeichnet, erhält man daher die Relation:
AttT = t&sub1;Fp1 + t&sub2;Fp2 + t&sub3;Fp3 + t&sub4;Fp4
Die Abschwächungsfunktion Attt, wie übrigens alle durch das vorstehend beschrieben Verfahren bestimmten Abschwächungsfunktionen, kann als das Produkt einer Einheitsfunktion Attt geschrieben werden, welche einer Massendichte von 1 g/cm² des betrachteten Materials entspricht:
AttT = AttT(Einheit) x e
Es ist daher verständlich, daß auf gleiche Weise sich die Koeffizienten t&sub1;, t&sub2;, .. durch diese Formel ausdrücken lassen:
t&sub1; = t&sub1; (Einheit) x e
t&sub2; = t&sub2; (Einheit) x e
Nun ist die Dicke schwer mit Genauigkeit abschätzbar. Deshalb berechnet man ausgehend von vier durch Abbildung bestimmten Koeffizienten drei unabhängige Koeffizienten der Dicke und bezeichnet sie in der Folge als Vergleichskoeffizienten.
Die eindeutig berechneten Werte zur Bestimmung der Abbildungsfunktionen werden in absteigender Reihenfolge angeordnet. Die Vergleichskoeffizienten sind beispielsweise das Ergebnis der Division von Abbildungskoeffizienten t&sub2;, t&sub3;, t&sub4; durch den Koeffizienten t&sub1;, welcher der Abbildung auf die mit dem größten eindeutigen Wert verbundene Abbildungsfunktion entspricht.
Es ist verständlich, daß die Beziehungen unabhängig von der Dicke der Materialien sind. Sie werden im Speicher des Verarbeitungssystems 26 aufgezeichnet.
Die zu charakterisierenden Gegenstände werden auf das Förderband 28 (Fig. 1 oder 3) gestellt und in das Röntgenstrahlbündel gebracht. Die Geschwindigkeit des Förderbands ist in der Größenordnung von 15 cm/s. Bei fester Frequenz, beispielsweise 100 Hz, liefern die Erfassungsvorrichtungen des Felds 20 ein zur Intensität des durch den Gegenstand hindurchgehendes Strahlenbündels proportionales Signal. Daher bestimmt das Verarbeitungssystem 26 Spalte für Spalte (eine Zeile entspricht der Gesamtheit des Felds) in jedem Punkt des Gegenstands eine als Funktion von u ausgedrückte Abschwächungsfunktion.
Das Verarbeitungssystem 26 führt anschließend für jeden Punkt des Gegenstands eine Abbildung der Abschwächungsfunktion auf die Basis der Abbildungsfunktionen durch. Vier Abbildungskoeffizienten werden daher in jedem Punkt des Gegenstands berechnet.
Für einen Punkt des Gegenstands erhält man, wenn man mit Att die Abschwächungsfunktion des Gegenstands bezeichnet, also die Relation:
Atto = a&sub1;Fp1 + a&sub2;Fp2 + a&sub3;Fp3 + a&sub4;Fp4
wobei a1, a2, a3, a4 die Abbildungskoeffizienten am betrachteten Punkt darstellen.
Durch eine auf gleiche Weise durchgeführte Berechnung für die Abbildungskoeffizienten der Testmaterialien bestimmt man die Vergleichskoeffizienten ausgehend von der Gesamtheit (a&sub1;, a&sub2;, a&sub3;, a&sub4;). Dafür führt das Verarbeitungssystem beispielsweise die Verhältnisse a&sub2;/a&sub1;, a&sub3;/a&sub1;, a&sub4;/a&sub1; aus, welche die unabhängigen Koeffizienten der Dicke des Gegenstands sind.
Für jeden Punkt des Gegenstands werden durch die Vergleichseinrichtungen, welche vom Verarbeitungssystem 26 gebildet werden, die Gesamtheit der Vergleichskoeffizienten des Gegenstands mit den Gesamtheiten der Vergleichskoeffizienten der Testmaterialien verglichen. Durch diesen Vergleich leitet man die Anwesenheit des Testmaterials in der Zusammensetzung des Gegenstands am betrachteten Punkt ab, wenn die Vergleichskoeffizienten benachbarte Werte haben.
Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf einen Fall, in welchem der zu charakterisierende Gegenstand homogen ist. Im allgemeineren Fall sind jedoch die Gegenstände kaum homogen. In der Tat ist, wenn der Gegenstand ein Gepäckstück ist, in welchem man die Anwesenheit von Sprengstoffen sucht, dieser Gegenstand also aus Gegenständen zusammengesetzt, welche als gleichförmig definiert sind. Die gemessenen Abschwächungsfunktionen entsprechen daher der Abschwächung des Stapels und nicht der eines gleichförmigen Gegenstands.
In Fig. 4 ist schematisch ein Gepäckstück 1 dargestellt, in welchem zwei aufeinander gestapelte gleichförmige Gegenstände 2, 3 enthalten sind. Das Gepäckstück besitzt eine Abschwächung A1, die Gegenstände 2 und 3 besitzen entsprechende Abschwächungen A2 und A3.
Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, folgt aus den Messungen der Transmission, daß das Gepäckstück allein zu einer Abschwächung Al führt, die Überlagerung des Gepäckstücks und des Gegenstands 2 zu einer Abschwächung A1+A2, die Überlagerung des Gepäckstücks und des Gegenstands 3 zu einer Abschwächung A1 +A3 führt und der Stapel aus Gepäckstück - Gegenstand 2 - Gegenstand 3 eine Abschwächung A1+A2+A3 besitzt. Daher wird anstelle der Erfassung von drei Gegenständen (das Gepäckstück, der Gegenstand 2 und der Gegenstand 3) die Vorrichtung vier Gegenstände identifizieren, von denen einer allein einen bestimmten Abschnitt mit einer korrekten Abschwächungsfunktion haben wird (ein Abschnitt des Gepäckstücks) 3
Um die Abschwächung jedes gleichförmigen Gegenstands zu be stimmen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, ein Umrißbild zu erzeugen, wobei die Umrisse hier als Übergangsbereiche zwischen den gleichförmigen Gegenständen verstanden werden müssen und ein Übergangsbereich durch den Bereich definiert ist, welcher einer wichtigen Anderung der durchgehenden Strahlung entspricht.
Der Begriff "Bild" muß hier als eine Wertetabelle verstanden werden, wobei jeder Wert auf ein Bildelement zurückzuführen ist. Dieses Bild wird nicht unbedingt durch die Anzeigeeinrichtungen sichtbar gemacht.
Das Umrißbild kann ausgehend von mehreren vorgegebenen Tabellen verwirklicht werden. Beispielsweise kann es ausgehend von Signalen verwirklicht werden, welche von den Erfassungsvor richtungewfür die Bestrahlung des Gegenstands im höchsten Energiebereich geliefert werden; es kann auch nach der Bestimmung der Abschwächungsfunktion ausgehend von den Werten der Abschwächung an jeden Punkt und mit einer vorgegebenen Energie, beispielsweise 140 keV, verwirklicht werden; es kann auch ausgehend von Werten der Abbildungskoeffizienten an jedem Punkt, vorzugsweise ausgehend vom Koeffizient der Abbildung auf die stabilste Funktion Fp1, angefertigt werden. Das Umrißbild kann ausgehend von einer dieser vorgegebenen Tabellen verwirklicht werden, vorzugsweise verwirklicht man jedoch mehrere Umrißbilder ausgehend von mehreren vorgegebenen Tabellen. Diese Bilder werden anschließend miteinander verglichen, wodurch falsche Erfassungen von Umrissen ausgeschlossen werden können und die Hinführung zu einem definitiven Umrißbild ermöglicht wird.
Die Verwirklichung dieses Umrißbildes wird durch die Bildverarbeitungseinrichtungen 29 (Fig. 1 und 3) durchgeführt, welche mit der Verarbeitungsvorrichtung 26 verbunden sind. Die Trennung zwischen den Verarbeitungseinrichtungen 26 und 29 ist künstlich und hat nur die Vereinfachung der Beschreibung zum Ziel. In der Tat werden in der Realität alle Verarbeitungen, die Berechnungen, die Aufzeichnungen im Speicher, von einer einzigen Vorrichtung, beispielsweise einem Rechner, durchgeführt.
Die Bildverarbeitungsvorrichtungen 29 arbeiten ausgehend von Eingaben, die ihnen vom Verarbeitungssystem 26 geliefert werden. Um das gesuchte Umrißbild zu verwirklichen, können alle bekannten Verfahren verwendet werden, beispielsweise kann man die Soebel-Operatoren oder ein Filterverfahren verwenden.
Wie vorstehend bereits ausgeführt versteht man unter einem Umriß einen Übergangsbereich, das heißt eine Schar mehrerer Bildelemente, beispielsweise 5, welche durch die Anwendung des ausgewählten Algorithmus definierten Zeilen folgt. In Fig. 5 ist eine Teilansicht des Abschnitts 40 des Gegenstands der Fig. 4 dargestellt, so wie er durch die Bildverarbeitung definiert ist. Der schraffierte Bereich 5 stellt den Übergangsbereich dar.
Ist das Umrißbild einmal definitiv erstellt, wird es in Beziehung mit den Gesantheiten der Abbildungskoeffizienten für jeden Punkt des Gegenstands gebracht. In den Übergangsbereichen bestimmt das Verarbeitungssystem 26 Anderungen der Abbildungskoeffizienten des Gegenstands. Unter Änderungen muß man jede Modifikation oder Entwicklung von Abbildungskoeffizienten oder eine Kombination dieser Koeffizienten gemäß einer ausgewählten Richtung im Übergangsbereich verstehen.
Vorzugsweise ist diese Richtung die Richtung senkrecht zur Hauptlinie 6 des Umrisses 5, wobei die Hauptlinie als Linie von Punkten definiert ist, bei welchen die Änderung der durchgehenden Strahlung für den betrachteten Bereich maximal ist.
Nun wird ein Beispiel der Bestimmung von Änderungen beschrieben, welche die Gesamtheit der Abbildungskoeffizienten der Punkte P1, P2, P3, P4, P5 betreffen, die den Übergangsbereich 5 senkrecht zur Linie 6 abdecken.
Der in Fig. 5 dargestellte Übergangsbereich 5 trennt den vom Gepäckstück gebildeten Grund vom Gegenstand 3. Aus der Bestimmung der Abschwächungsfunktionen eines Teils des Umrisses und außerhalb des Umrisses findet man die Bezugsabschwächungsfunktion A1, welche dem Gepäckstück entspricht, sowie die Abschwächungsfunktion A1+A3, welche der Überlagerung des Gepäckstücks und des Gegenstands 3 entspricht (und nicht der Abschwächungsfunktion des Gegenstands 3 allein).
Das Verarbeitungssystem 26 wendet ein Gradientenverfahren an, um die Abschwächungsfunktion des Gegenstands 3 allein zu bestimmen. In der Tat wird die Berechnung über die Abbildungskoeffizienten der Abschwächungsfunktionen durchgeführt. Es wird die Vorgehensweise für nur einen einzigen Abbildungskoeffizienten beschrieben, doch es versteht sich von selbst, daß sie für jeden Abbildungskoeffizienten der Gesamtheit der für jeden Punkt bestimmten Abbildungskoeffizienten angewendet wird.
Das Verarbeitungssystem 26 subtrahiert den Abbildungskoeffizienten am Punkt P1 vom Abbildungskoeffizienten am Punkt P3. Wenn au der Abbildungskoeffizient auf die Funktion Fp1 am Punkt P1 und a'&sub1;&sub3; der Abbildungskoeffizient auf Fp1 am Punkt P3 ist, ergibt sich aus dem Ergebnis der Subtraktion der Abbildungskoeffizient a&sub1;&sub3; der Abschwächungsfunktion A3 auf die Funktion Fp1 allein.
Durch Wiederholung dieses Vorgangs für alle Abbildungskoeffizienten an allen Punkten des Übergangsbereichs bestimmt das Verarbeitungssystem die Abbildungskoeffizienten der Abschwächungsfunktionen jedes gleichförmigen Gegenstands. Es leitet daraus Vergleichskoeffizienten ab, indem die Abbildungskoeffizienten zu dem, welcher der Abbildung auf die Abbildungs funktion Fp1 entspricht, in Beziehung gesetzt werden. Diese Vergleichskoeffizienten werden mit den Vergleichskoeffizienten für die Testnaterialien verglichen. Aus diesem Vergleich folgert man die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Testmaterials in der Zusammensetzung des betrachteten gleichförmigen Gegenstands.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt daher die Isolierung jedes gleichförmigen Gegenstands und bestimmt daraus Vergleichskoeffizienten, welche zur Erkennung der Anwesenheit eines Testmaterials in der Zusammensetzung der gleichförmigen Gegenstände verwendet werden.
Es ist zu bemerken, daß im beschriebenen Beispiel die Übergänge zwischen gleichförmigen Gegenständen gesucht werden. Für den Fall, bei welchem man einen Übergang zu einem gleichförmigen Gegenstand erfaßt, welcher in seiner Zusammensetzung ein Testnaterial einschließt, erstrecken sich die Vergleiche zwischen Vergleichskoeffizienten über den gesamten Umriß oder mindestens auf einen Bereich um den Umriß. Auf diese Weise werden die isolierten Erfassungen des Testmaterials als falsche Erfassung ausgeschlossen. Für jede bestimmte Information, beispielsweise für jede Gesamtheit an Abbildungskoeffizienten des gesamten Gegenstands, wird eine Wertetabelle erstellt. Jede dieser Wertetabellen kann die Basis der Verwirklichung eines Bilds sein. Mit Hilfe dieser Tabellen können ein oder mehrere Bilder durch die Anzeigeeinrichtungen 26, welche einen Kontrollschirm 40 (Fig. 1) einschließen, sichtbar gemacht werden.
Diese Anzeigeeinrichtungen sind mit Verarbeitungseinrichtungen 38 ausgestattet, durch welche nach Belieben eine Vergrößerung solcher Bilder oder solcher Bildabschnitte oder die Durchführung von Kontraständerungen oder jede andere gebräuchliche Verarbeitung an den Bildern möglich ist. Das Umrißbild kann auch sichtbar gemacht werden, entweder allein oder überlagert mit einem anderen Bild. Die Einrichtungen 36 und 38 werden bereits gewöhnlich im Bereich der Bilderzeugung mit Röntgenstrahlen verwendet und nicht im einzelnen beschrieben.
Die Bildpunkte, bei welchen ein Testmaterial in der Zusammensetzung des Gegenstands enthalten ist, können auf dem angezeigten Bild durch eine Sichtbarmachung in Farbe oder durch eine blinkende Anzeige deutlich gemacht werden. Die Erfassung eines Testmaterials kann auch einen Geräuschalarm oder das Anzeigen einer bestimmten Mitteilung auf dem Kontrollschirm 40 auslösen.

Claims

1. Verfahren zur Erkennung mindestens eines bestimmten Testmaterials in der Zusammensetzung eines Gegenstands (1), dadurch gekennzeichnet, daß

das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

a) die einleitende Bestimmung der Abschwächungsfunktion von mindestens zwei Bezugsmaterialien über ein breites Röntgenstrahlspektrum und die Ableitung von eine Basis bildenden Abbildungsfunktionen (FP1, FP2, ...) daraus;

b) in einem zweiten einleitenden Schritt die Bestimmung der Abschwächungsfunktion mindestens eines Testmaterials über das vorstehende Röntgenstrahlspektrum und die Abbildung der Abschwächungsfunktion jedes Testmaterials auf die vorstehende Basis;

c) für jeden Punkt des Gegenstands (1)

- die Bestimmung der Abschwächungsfunktion des Gegenstands (1) für das vorstehende Röntgenstrahlspektrum,

- die Abbildung der Abschwächungsfunktion des Gegenstands (1) auf die vorstehende Basis,

- der Vergleich der so erhaltenen Abbildungen mit den Abbildungen jedes Testmaterials und die Ableitung aus diesem Vergleich, ob mindestens ein Testmaterial in der Zusammensetzung des Gegenstands (1) am betrachteten Punkt enthalten ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unter dem Röntgenstrahlspektrum mindestens ein Wellenbereich verstanden wird, welcher im Bereich von 30 bis 100 keV liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die Abschwächungsfunktion des Gegenstands, die Abschwächungsfunktionen der Bezugsmaterialien und die Abschwächungsfunktionen der Testmaterialien alle als Funktion einer Variablen u ausgedrückt sind, welche in einem bijektiven Verhältnis zur Energie E der Röntgenstrahlen steht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Variable u so gewählt wird, daß sie gleich der Abschwächung eines Eichmaterials (18) mit festgelegter Dicke ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Eichmaterial eine effektive Kernladungszahl Z besitzt, welche in einem Bereich von 5 bis 26 enthalten ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsfunktionen orthogonal zueinander sind.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsfunktionen Funktionen sind, welche eindeutig mit Werten verbunden sind, die durch die Diagonalisierung einer aus Skalarprodukten der Abschwächungsfunktionen der Bezugsmaterialien aufgebauten Matrix eindeutig bestimmt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in einem einleitenden Schritt für jedes Testmaterial eine Gesamtheit von Abbildungskoeffizienten, welche durch die Abbildung der Abschwächungsfunktionen der Testrnaterialien auf die vorstehende Basis erhalten werden, bestimmt wird und die vorstehenden eindeutigen Werte in abnehmender Ordnung klassifiziert werden, aus jeder Gesamtheit an Abbildungskoeffizienten eine Gesamtheit an Vergleichskoeffizienten für die Testmaterialien abgeleitet wird, indem jeder Abbildungskoeffizient der betrachteten Gesamtheit durch den Koeffizient der betrachteten Gesamtheit geteilt wird, welcher der mit dem größten eindeutigen Wert verbundenen Abbildung auf die Abbildungsfunktion entspricht, wobei die Gesamtheiten an Vergleichskoeffizienten für die Testmaterialien für Vergleiche verwendet werden, durch welche die Ableitung möglich wird, ob mindestens ein Testmaterial in der Zusammensetzung des Gegenstands (1) enthalten ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß

der untersuchte Gegenstand (1) aus einem Zusammenschluß einzelner Gegenstände (1, 2, 3) besteht,

- man ein Umrißbild (5) der einzelnen Gegenstände erzeugt, wobei die Umrisse (5) Übergangsbereiche zwischen den verschiedenen einzelnen Gegenständen sind,

- man für jeden Punkt des Gegenstands (1) eine Gesamtheit an Abbildungskoeffizienten, welche durch die Abbildung der Abschwächungsfunktionen des Gegenstands auf die vorstehende Basis erhalten werden, bestimmt,

- man die Anderungen der Gesamtheiten der Abbildungskoeffizienten des Gegenstands in den Übergangsbereichen (5) bestimmt, und

- aus diesen Änderungen Koeffizienten zum Vergleich mit den Vergleichskoeffizienten für die Testmaterialien ableitet.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die effektiven Kernladungszahlen der Bezugsmaterialien gleichmäßig in einem Bereich von 3 bis 30 verteilt sind.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes Bezugsmaterial aus den Naterialien ausgewählt wird, welche eine effektive Kernladungszahl aus einem Bereich von 3 bis 7 aufweisen, ein zweites Bezugsmaterial aus den Materialien ausgewählt wird, welche eine effektive Kernladungszahl aus einem Bereich von 7 bis 10 aufweisen; ein drittes Bezugsmaterial aus den Materialien ausgewählt wird, welche eine effektive Kernladungszahl aus einem Bereich von 10 bis 17 aufweisen und ein viertes Bezugsmaterial aus den Materialien ausgewählt wird, welche eine effektive Kernladungszahl aus einem Bereich von 17 bis 30 aufweisen.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Bezugsmaterial wie folgt ausgewählt ist: Das erste Bezugsmaterial ist Polyethylen, das zweite Bezugsmaterial ist Teflon, das dritte Bezugsmaterial ist Duraluminium, das vierte Bezugsmaterial ist Eisen.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Testmaterialien Sprengstoffe und/oder Rauschgift sind.

14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch

dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung umfaßt:

-Einrichtungen (10, 12, 16, 17, 18, 20 oder 30) zur Bestimmung der Abschwächungsfunktionen über einen breites Röntgenstrahlspektrum, wobei die Abschwächungsfunktionen als Funktion einer Variable u ausgedrückt werden, welche in einem bijektiven Verhältnis zur Energie der Röntgenstrahlen steht, Verarbeitungseinrichtungen (26), welche zur Durchführung von Projektionen der Abschwächungsfunktionen auf Funktionen,

- Verarbeitungseinrichtungen (26), welche zur Durchführung von Abbildungen der Abschwächungsfunktionen auf Funktionen, welche eine Basis bilden und vorab ausgehend von Abschwächungsfunktionen von mindestens drei Bezugsmaterialien bestimmt wurden, befähigt sind,

- Einrichtungen (28) zur Beförderung eines zu untersuchenden Gegenstands (1), durch welche es ermöglicht wird, den Gegenstand den Einrichtungen zur Bestimmung einer Abschwächungsfunktion zuzuführen,

- Einrichtungen (27) zum Vergleich der Abbildungen der Abschwächungskurve des Gegenstands mit den Abbildungen, welche vorab von den Abschwächungsfunktionen von mindestens einem Testmaterial angefertigt wurden, und zur Ableitung aus diesem Vergleich, ob mindestens ein Testmaterial in der Zusammensetzung des Gegenstands enthalten ist,

- Anzeigeeinrichtungen (36), welche zur Anzeige mindestens eines Bilds des Gegenstands befähigt sind, indem die Punkte unterschieden werden, bei welchen ein Testmaterial in der Zusammensetzung des Gegenstands enthalten lstc

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem Einrichtungen (29) zur Bildverarbeitung eingeschlossen sind, welche zur geometrischen Isolierung jeder Substanz des Gegenstands zur Erzeugung eines Urnrißbilds befähigt sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Bestimmung der Abschwächungsfunktionen ein Stück Eichmaterial (18) enthalten und dieses Stück (18) dazu befähigt ist, nach Belieben in das Strahlenbündel (14, 15) der Röntgenstrahlen einzudringen, da es unterschiedliche Dicken besitzt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Bestimmung einer Abschwächungsfunktion eine Quelle (10, 12, 16, 17), welche ein Bündel aus Röntgenstrahlen aufeinanderfolgend über mehrere Spektralbereiche liefert, sowie ein Feld (20) aus Erfassungsvorrichtungen (22) einschließen, wobei jede Erfassungsvorrichtung (22) in allen Spektralbereichen empfindlich ist

18. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Bestimmung einer Abschwächungsfunktion einen Generator (32, 34) für Röntgenstrahlbündel über einen breiten und festen Spektralbereich sowie ein Feld (20) aus Stapeln von Erfassungvorrichtungen (30) einschließt, wobei jede Erfassungsvorrichtung (30a, 30b) eines Stapels die Aufgabe eines Hochpaß-Filters für die angrenzende folgende Erfassungsvorrichtung übernimmt