KR20220098909A - Method and System for identifying multi-radioisotope using sparse representation of gamma spectrum - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기존의 핵종 판별 알고리즘에서 한 단계 나아가 무인 기기에 탑재된 방사선 검출기에서 획득한 스펙트럼 신호를 송신 및 저장에 용이한 핵종 판별 희소 신호로 변환하는 감마 스펙트럼의 희소 표현화를 통한 다중핵종 판별 방법 및 그 시스템에 관한 것으로, PC에 비해 CPU, 메모리 성능이 현저히 좋지 않은 MCU(micro controller unit)을 이용하는 환경에서 핵종 판별 알고리즘을 적용이 용이해지는 효과가 있다.The present invention goes one step further from the existing nuclide identification algorithm and converts a spectrum signal acquired from a radiation detector mounted on an unmanned device into a nuclide identification sparse signal that is easy to transmit and store. And to the system, there is an effect of facilitating the application of the nuclide identification algorithm in an environment using a micro controller unit (MCU), which has significantly poorer CPU and memory performance compared to a PC.
Description
본 발명은 감마 스펙트럼의 희소 표현화를 통한 다중핵종 판별 방법 및 그 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a method and system for determining polynuclides through sparse expression of a gamma spectrum.
1986년 체르노빌 원전 사고, 2011년 후쿠시마 원전 사고와 같은 방사성 재난 발생시 환경 오염 및 인명 피해 최소화를 위해서 누출된 방사성 물질 특성을 빠르게 검출해야 한다. In the event of radioactive disasters such as the Chernobyl nuclear accident in 1986 and the Fukushima nuclear accident in 2011, it is necessary to quickly detect the characteristics of the leaked radioactive material in order to minimize environmental pollution and human damage.
일반적으로 정확한 핵종 분석을 위해 사용되는 고순도 게르마늄 검출기(high purity Ge detector, HPGE)는 분석 이전에 시료 채취, 시료 전처리 등의 과정을 수반하여 신속한 특성 평가가 어렵다. In general, a high purity Ge detector (HPGE), which is used for accurate analysis of nuclides, involves processes such as sample collection and sample pretreatment prior to analysis, so it is difficult to quickly characterize it.
최근, 다양한 분야에서 활용되어지는 무인 기기, 예컨대 드론(drone) 등은 고방사능 물질이 누출된 원전 사고 현장에서 사람이 접근하기 어려운 지역에서 신속히 방사성 물질 검출 등에 효과적일 것이라 기대되어지고 있다. Recently, unmanned devices used in various fields, such as drones, are expected to be effective in rapidly detecting radioactive materials in areas that are difficult for humans to access at the site of a nuclear accident in which a high-radioactive material leaked.
이에 따라, 방사선 검출기의 무인 기기 탑재를 통한 실시간 현장 측정 기술 개발의 필요성이 커지고 있다. Accordingly, the need for real-time on-site measurement technology development through the mounting of an unmanned device of the radiation detector is increasing.
섬광체 검출기는 상대적으로 저렴한 가격, 제조 용이성, 높은 휴대성 등으로 현장 측정용 검출기로 많이 사용 되고 있어, 무인 기기 탑재에 용이하다. 하지만 섬광체 검출기의 낮은 에너지 분해능(energy resolution) 특성은 방출되는 감마선의 에너지가 유사한 핵종들을 판별하는데 어려움을 가져온다. 이러한 물리적 특성을 극복하기 위해 섬광체 검출기는 반드시 핵종 판별을 위한 알고리즘(radioisotope identification algorithm)을 포함해야 한다. The scintillation detector is widely used as a detector for on-site measurement due to its relatively low price, ease of manufacture, and high portability, so it is easy to mount unmanned devices. However, the low energy resolution characteristic of the scintillator detector makes it difficult to discriminate nuclides having similar gamma-ray energies. To overcome these physical properties, the scintillator detector must include a radioisotope identification algorithm.
기존 연구에서는 측정된 카운팅 수와 라이브러리 비교 방법(library comparison)으로 방사성 물질의 유무를 판단하거나 관심 영역 설정 방법(region of interest)을 통한 핵물질(special nuclear materials)과 자연 발생 핵종 물질(naturally occurring radioactive materials) 구분을 하고 있다. In existing studies, the presence or absence of radioactive materials is determined using the measured counting number and library comparison, or special nuclear materials and naturally occurring radioactive materials are determined through a region of interest method. materials) are separated.
또한, 신경망(neural network)을 바탕으로 감마 스펙트럼 내 특징 학습을 통한 핵종 판별 알고리즘은 앞서 언급한 기존의 방법들이 단일 핵종에 한정되어 구분이 가능하고 스펙트럼 측정 시간이 충분히 길어야 한다는 단점을 극복하여 짧은 시간에 다중핵종을 분류해내는 성능을 보이며 그 활용성에 대한 관심이 고조되어지고 있다. 하지만, 이러한 방법들은 CPU (central processing unit)와 메모리 자원이 제한되는 무인 기기 환경에 적용되는 것을 고려하지 않았다. In addition, the nuclide identification algorithm through feature learning in the gamma spectrum based on a neural network overcomes the shortcomings that the aforementioned existing methods are limited to a single nuclide, so it is possible to distinguish and the spectrum measurement time must be long enough. It has shown the ability to classify polynuclides in However, these methods did not take into consideration that the CPU (central processing unit) and memory resources are limited to be applied to an unmanned device environment.
이에 따라, 제한된 조건에서 효율적인 신호 송신과 저장에 보다 용이한 핵종 판별 알고리즘이 구축될 필요가 있다.Accordingly, there is a need to construct an easier nuclide identification algorithm for efficient signal transmission and storage under limited conditions.
전술한 문제점을 개선하기 위한 본 발명 실시예들의 목적은 기존의 핵종 판별 알고리즘에서 한 단계 나아가 무인 기기에 탑재된 방사선 검출기에서 획득한 스펙트럼 신호를 송신 및 저장에 용이한 핵종 판별 희소 신호로 변환하는 감마 스펙트럼의 희소 표현화를 통한 다중핵종 판별 방법 및 그 시스템을 제공하는 것이다.An object of the embodiments of the present invention for improving the above-described problems is to go one step further from the existing nuclide identification algorithm and convert a spectrum signal obtained from a radiation detector mounted on an unmanned device into a gamma signal that is easy to transmit and store. It is to provide a method and system for determining polynuclides through sparse expression of a spectrum.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 감마 스펙트럼의 희소 표현화를 통한 다중핵종 판별 방법은 타겟으로부터 획득되는 감마 스펙트럼에 포함되는 각 원소들에 대한 라벨을 지정하는 학습 데이터 준비 단계; 각각 라벨이 지정된 원소들에 대하여 특이값 분해(singular vector deposition, SVD)를 통하여 사전(dictionary)을 학습하는 사전 학습 단계; 및 상기 학습된 사전을 희소 표현(sparse representation)을 통하여 희소 벡터를 구하고, 상기 희소 벡터를 분류기와 내적한 결과를 기초로 가장 큰 원소를 갖는 항에 상응하는 라벨로서 핵종을 판별하는 핵종 분류 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the method for determining multi-nuclide through sparse expression of a gamma spectrum according to an embodiment of the present invention is training data for specifying a label for each element included in a gamma spectrum obtained from a target. preparatory stage; A pre-learning step of learning a dictionary through singular vector deposition (SVD) for each labeled element; and a nuclide classification step of obtaining a sparse vector through a sparse representation of the learned dictionary, and discriminating the nuclide as a label corresponding to the term having the largest element based on the result of the dot product of the sparse vector with a classifier. characterized by including.
상기 핵종 분류 단계는 복수의 클래스들 중 각 클래스에 해당하는 감마 스펙트럼에서 구분 가능한 특징 추출을 위하여 상기 희소 표현을 사용하는 것을 특징으로 한다.The nuclide classification step is characterized in that the sparse expression is used to extract distinguishable features from a gamma spectrum corresponding to each class among a plurality of classes.
상기 희소 표현은 입력 신호를 사전을 구성하는 베이스 원소들의 선형조합으로 표현하는 것을 특징으로 한다.The sparse representation is characterized in that the input signal is expressed as a linear combination of base elements constituting the dictionary.
상기 분류기는 입력 신호의 희소 벡터의 각 성분에 대하여 핵종 판별을 수행하는 것을 특징으로 한다.The classifier is characterized in that the nuclide discrimination is performed on each component of the sparse vector of the input signal.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 감마 스펙트럼의 희소 표현화를 통한 다중핵종 판별 시스템은 방사선 검출기에 의하여 타겟으로부터 획득되는 감마 스펙트럼에 포함되는 각 원소들에 대한 라벨을 지정하는 학습 데이터 준비부; 각각 라벨이 지정된 원소들에 대하여 특이값 분해(singular vector deposition, SVD)를 통하여 사전(dictionary)을 학습하는 사전 학습부; 및 상기 사전 학습부에서 학습된 사전을 희소 표현(sparse representation)을 통하여 희소 벡터를 구하고, 상기 희소 벡터를 분류기와 내적한 결과를 기초로 가장 큰 원소를 갖는 항에 상응하는 라벨로서 핵종을 판별하는 핵종 분류부를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the multi-nuclide discrimination system through sparse expression of the gamma spectrum according to another embodiment of the present invention includes: a training data preparation unit for designating a label for each element included in a gamma spectrum obtained from a target by a radiation detector; a dictionary learning unit for learning a dictionary through singular vector deposition (SVD) for each labeled element; and obtaining a sparse vector through a sparse representation of the dictionary learned in the dictionary learning unit, and discriminating the nuclide as a label corresponding to the term having the largest element based on the result of the dot product of the sparse vector with a classifier. It is characterized in that it includes a nuclide classification unit.
상기 핵종 분류부는 상기 사전 학습부에서 학습된 사전을 희소 표현(sparse representation)을 통하여 희소 벡터를 구하는 희소 벡터 생성부; 및 상기 희소 벡터를 분류기와 내적한 결과를 기초로 가장 큰 원소를 갖는 항에 상응하는 라벨로서 핵종을 판별하는 핵종 판별부를 포함하는 것을 특징으로 한다.The nuclide classifying unit includes: a sparse vector generator for obtaining a sparse vector through a sparse representation of the dictionary learned by the dictionary learning unit; and a nuclide discrimination unit for discriminating a nuclide as a label corresponding to a term having the largest element based on a result of dot product of the sparse vector with a classifier.
본 발명의 일 실시예에 따른 감마 스펙트럼의 희소 표현화를 통한 다중핵종 판별 방법 및 그 시스템은 기존의 핵종 판별 알고리즘에서 한 단계 나아가 무인 기기에 탑재된 방사선 검출기에서 획득한 스펙트럼 신호를 송신 및 저장에 용이한 핵종 판별 희소 신호로 변환하고 있기 때문에, PC에 비해 CPU, 메모리 성능이 현저히 좋지 않은 MCU(micro controller unit)을 이용하는 환경에서 핵종 판별 알고리즘을 적용이 용이해진다. A method and system for determining multiple nuclide through sparse expression of a gamma spectrum according to an embodiment of the present invention go one step further from the existing nuclide identification algorithm and transmit and store a spectrum signal acquired from a radiation detector mounted on an unmanned device. Since it is converted into a rare signal for easy nuclide identification, it is easy to apply the nuclide identification algorithm in an environment using a micro controller unit (MCU), which has significantly poorer CPU and memory performance compared to a PC.
또한, 본 발명의 일 실시예는 유기 섬광체 검출기뿐 아니라 무기 섬광체 및 반도체 검출기와 같은 에너지 스펙트럼 기반의 방사선 검출기 모두에 사용이 가능하고, 사전 학습 단계에서 사전의 원소 수(K), 수학식 6()에서 보이는 각 항의 계수(α, β, γ) 그리고 희소 벡터의 유효 원소 개수(T)의 최적화 과정을 통해 핵종 판별의 정확도를 향상시킬 수 있다.In addition, an embodiment of the present invention can be used not only for organic scintillation detectors but also for energy spectrum-based radiation detectors such as inorganic scintillators and semiconductor detectors, and in the pre-learning step, the number of elements in the dictionary ( K ), Equation 6 ( ), it is possible to improve the accuracy of nuclide discrimination through the optimization process of the coefficients (α, β, γ) of each term and the number of effective elements (T) of the sparse vector.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 감마 스펙트럼의 희소 표현화를 통한 다중핵종 판별 시스템을 개략적으로 나타내는 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 감마 스펙트럼의 희소 표현화를 통한 다중핵종 판별 시스템을 이용한 판별 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 감마 스펙트럼의 희소 표현화를 통한 다중핵종 판별 시스템을 이용한 판별 방법을 이용하여 표 1의 각 핵종에 대한 측정 및 모사 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 감마 스펙트럼의 희소 표현화를 통한 다중핵종 판별 시스템을 이용한 판별 방법을 이용하여 표 2에 따라 측정 스펙트럼의 희소 표현을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 감마 스펙트럼의 희소 표현화를 통한 다중핵종 판별 시스템을 이용한 판별 방법을 이용하여 표 2에 따라 측정 시간 및 선원 위치에 따른 사전의 핵종 구분 정확도를 나타내는 그래프이다.1 is a block diagram schematically illustrating a system for determining polynuclides through sparse representation of a gamma spectrum according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart schematically illustrating a discrimination method using a multinuclide discrimination system through sparse representation of a gamma spectrum according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing measured and simulated spectra for each nuclide in Table 1 using a discrimination method using a multi-nuclide discrimination system through sparse expression of a gamma spectrum according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing the sparse representation of a measured spectrum according to Table 2 using a discrimination method using a multinuclide discrimination system through sparse representation of a gamma spectrum according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph showing the accuracy of nuclide classification in advance according to the measurement time and source location according to Table 2 using the discrimination method using the multi-nuclide discrimination system through sparse expression of the gamma spectrum according to an embodiment of the present invention. .
상기한 바와 같은 본 발명을 첨부된 도면들과 실시예들을 통해 상세히 설명하도록 한다. The present invention as described above will be described in detail with reference to the accompanying drawings and embodiments.
본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.It should be noted that the technical terms used in the present invention are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. In addition, the technical terms used in the present invention should be interpreted as meanings generally understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs, unless otherwise defined in the present invention, and excessively comprehensive It should not be construed as a human meaning or in an excessively reduced meaning. In addition, when the technical term used in the present invention is an incorrect technical term that does not accurately express the spirit of the present invention, it should be understood by being replaced with a technical term that can be correctly understood by those skilled in the art. In addition, general terms used in the present invention should be interpreted as defined in advance or according to the context before and after, and should not be interpreted in an excessively reduced meaning.
또한, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.Also, the singular expression used in the present invention includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present invention, terms such as "consisting of" or "comprising" should not be construed as necessarily including all of the various elements or several steps described in the invention, and some of the elements or some steps are included. It should be construed that it may not, or may further include additional components or steps.
또한, 본 발명에서 사용되는 용어는 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. In addition, although the terms used in the present invention may be used to describe the components, the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, a preferred embodiment according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the same or similar components are assigned the same reference numerals regardless of reference numerals, and redundant description thereof will be omitted.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.In addition, in the description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. In addition, it should be noted that the accompanying drawings are only for easy understanding of the spirit of the present invention, and should not be construed as limiting the spirit of the present invention by the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 감마 스펙트럼의 희소 표현화를 통한 다중핵종 판별 시스템을 개략적으로 나타내는 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 감마 스펙트럼의 희소 표현화를 통한 다중핵종 판별 시스템을 이용한 판별 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 감마 스펙트럼의 희소 표현화를 통한 다중핵종 판별 시스템을 이용한 판별 방법을 이용하여 표 1의 각 핵종에 대한 측정 및 모사 스펙트럼을 나타내는 그래프이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 감마 스펙트럼의 희소 표현화를 통한 다중핵종 판별 시스템을 이용한 판별 방법을 이용하여 표 2에 따라 측정 스펙트럼의 희소 표현을 나타내는 그래프이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 감마 스펙트럼의 희소 표현화를 통한 다중핵종 판별 시스템을 이용한 판별 방법을 이용하여 표 2에 따라 측정 시간 및 선원 위치에 따른 사전의 핵종 구분 정확도를 나타내는 그래프이다.1 is a block diagram schematically showing a multinuclide discrimination system through sparse representation of a gamma spectrum according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a sparse representation of a gamma spectrum according to an embodiment of the present invention. It is a flowchart schematically showing a discrimination method using a multinuclide discrimination system, and FIG. 3 is each nuclide in Table 1 using a discrimination method using a multinuclide discrimination system through sparse expression of a gamma spectrum according to an embodiment of the present invention. is a graph showing the measured and simulated spectrum for , and FIG. 4 is a sparse expression of the measured spectrum according to Table 2 using the discrimination method using the multinuclide discrimination system through sparse expression of the gamma spectrum according to an embodiment of the present invention is a graph showing, and FIG. 5 is a prior classification of nuclides according to measurement time and source location according to Table 2 using a discrimination method using a multi-nuclide discrimination system through sparse expression of a gamma spectrum according to an embodiment of the present invention. This graph shows the accuracy.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 감마 스펙트럼의 희소 표현화를 통한 다중핵종 판별 시스템은 기존의 핵종 판별 알고리즘에서 한 단계 나아가 무인 기기에 탑재된 방사선 검출기(10)에서 획득한 스펙트럼 신호를 송신 및 저장에 용이한 핵종 판별 희소 신호로 변환하는 시스템이다.As shown in FIG. 1 , the multi-nuclide identification system through sparse expression of the gamma spectrum according to an embodiment of the present invention is obtained from the
이를 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 감마 스펙트럼의 희소 표현화를 통한 다중핵종 판별 시스템은, 학습 데이터 준비부(100), 사전 학습부(200) 및 핵종 분류부(300)를 포함한다.To this end, the multi-nuclide discrimination system through sparse representation of the gamma spectrum according to an embodiment of the present invention includes a learning
상기 학습 데이터 준비부(100)는 방사선 검출기(10)에 의하여 타겟으로부터 획득되는 감마 스펙트럼에 포함되는 각 원소들에 대한 라벨을 지정한다.The training
한편, 감마선 스펙트럼은 방사선 검출기(10)(예를 들어, 감마선 검출기)에 의해 수득될 수 있다. 이는, 예를 들면, 탈륨이 도핑된 요오드화나트륨(NaI(Tl))계 감마선 검출기가 될 수 있다. 상기 감마선 검출기는 선택적으로는 고순도 게르마늄(HPGe), 텔루르화 카드뮴(CdTe), 텔루르화 아연 카드뮴(CZT) 및 브롬화 란탄(LaBr)과 같은 다른 물질을 기반으로 할 수 있다. NaI(Tl)계 검출기는 경계 관찰 적용에서 탈륨이 도핑된 요오드화 나트륨계 스펙트럼 방사능 탐지기(RPM)에 사용될 수 있다. 상기 로우(raw) 획득된 감마선 신호들(상기 타겟 또는 기준 샘플들중의 하나)은 상기 신호들을 증폭하기 위해 신호 증폭기로 전달될 수 있다. 상기 (증폭된)감마선 신호들(상기 타겟 또는 기준 샘플들 중의 하나)은 다중 채널 분석기로 전달될 수 있으며, 이는 상기 신호들을 많은 빈들(bins)(또는 에너지 범위들)로 나눈다. 상기 빈값들(bin values)은 총괄적으로 스펙트럼으로 언급된다. 상기 빈들은 계수들이 기여하는 상기 감마선 스펙트럼의 에너지 간격의 가장 작은 증가를 나타낸다. 통상적으로, 상기 다중 채널 분석기는 약 1,024 데이터 빈들 내의 값들을 생성할 것이지만, 상기 분석기에 따라 이러한 수부다 많거나 적은 수, 예를 들면, 128 빈들 내지 16,384 빈들, 128 빈들 내지 512 빈들, 512 빈들 내지 2,048 빈들, 2,048 빈들 내지 8,192 빈들, 8,192 빈들 내지 16,384 빈들, 512 빈들 내지 4,096 빈들, 또는 256 빈들 내지 8,192 빈들이 있을 수 있다. 빈들의 수는 유리하게는 2의 통합 전력과 동등할 수 있다. 통상적으로, 상기 빈들은 40keV 내지 3,000keV 범위 내의 에너지 값들을 커버하지만, 이들 종점들은 상기 분석기에 따라 커지거나 작아질 수, 예를 들면, 각기 30keV 및 2,700keV가 될 수 있다. 상기 범위는 30keV 내지 2,700keV, 35keV 내지 2,700keV, 40keV 내지 2,700keV, 30keV 내지 3,000keV, 35keV 내지 3,000keV, 40keV 내지 3,000keV, 30keV 내지 4,000keV, 35keV 내지 4,000keV 그리고 40keV 내지 4,000keV 중에서 하나가 될 수 있다.On the other hand, a gamma-ray spectrum can be obtained by the radiation detector 10 (eg, a gamma-ray detector). This may be, for example, a thallium-doped sodium iodide (NaI(Tl))-based gamma-ray detector. The gamma ray detector may optionally be based on other materials such as high purity germanium (HPGe), cadmium telluride (CdTe), cadmium zinc telluride (CZT) and lanthanum bromide (LaBr). NaI(Tl)-based detectors can be used in thallium-doped sodium iodide-based spectral radioactivity detectors (RPMs) in boundary observation applications. The raw obtained gamma ray signals (either the target or reference samples) may be passed to a signal amplifier to amplify the signals. The (amplified) gamma-ray signals (one of the target or reference samples) can be passed to a multi-channel analyzer, which divides the signals into many bins (or energy ranges). The bin values are collectively referred to as a spectrum. The bins represent the smallest increase in the energy interval of the gamma-ray spectrum to which the coefficients contribute. Typically, the multi-channel analyzer will generate values within about 1,024 data bins, but depending on the analyzer this number may be more or less, e.g., 128 bins to 16,384 bins, 128 bins to 512 bins, 512 bins to 512 bins. There may be 2,048 bins, 2,048 bins to 8,192 bins, 8,192 bins to 16,384 bins, 512 bins to 4,096 bins, or 256 bins to 8,192 bins. The number of bins may advantageously be equal to an integrated power of two. Typically, the bins cover energy values in the range of 40 keV to 3,000 keV, but these endpoints can be large or small depending on the analyzer, for example 30 keV and 2,700 keV, respectively. The range is 30 keV to 2,700 keV, 35 keV to 2,700 keV, 40 keV to 2,700 keV, 30 keV to 3,000 keV, 35 keV to 3,000 keV, 40 keV to 3,000 keV, 30 keV to 4,000 keV, 35 keV to 4,000 keV and 40 keV to 4,000 keV can be
상기 방사선 검출기(10)는 감마선 검출기 이외에도, 검출 영역을 통과하는 운송수단으로부터 감마 스펙트럼을 획득하도록 배치되는 스펙트럼 포탈 검출기(spectroscopic portal detector)가 적용될 수 있다.In addition to the gamma ray detector, the
상기 사전 학습부(200)는 각각 라벨이 지정된 원소들에 대하여 특이값 분해(singular vector deposition, SVD)를 통하여 사전(dictionary)을 학습한다.The
상기 핵종 분류부(300)는 사전 학습부(200)에서 학습된 사전을 희소 표현(sparse representation)을 통하여 희소 벡터를 구하고, 상기 희소 벡터를 분류기와 내적한 결과를 기초로 가장 큰 원소를 갖는 항에 상응하는 라벨로서 핵종을 판별한다.The
이를 위하여, 상기 핵종 분류부(300)는 사전 학습부(200)에서 학습된 사전을 희소 표현(sparse representation)을 통하여 희소 벡터를 구하는 희소 벡터 생성부(미도시)와, 희소 벡터를 분류기와 내적한 결과를 기초로 가장 큰 원소를 갖는 항에 상응하는 라벨로서 핵종을 판별하는 핵종 판별부를 포함할 수 있다.To this end, the
상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 감마 스펙트럼의 희소 표현화를 통한 다중핵종 판별 시스템을 이용하여 다중핵종을 판별하는 방법을 설명하자면, 도 2에 도시된 바와 같이, 타겟으로부터 획득되는 감마 스펙트럼에 포함되는 각 원소들에 대한 라벨을 지정하는 학습 데이터 준비 단계(S10)와, 각각 라벨이 지정된 원소들에 대하여 특이값 분해(singular vector deposition, SVD)를 통하여 사전(dictionary)을 학습하는 사전 학습 단계(S20)와, 학습된 사전을 희소 표현(sparse representation)을 통하여 희소 벡터를 구하고, 희소 벡터를 분류기와 내적한 결과를 기초로 가장 큰 원소를 갖는 항에 상응하는 라벨로서 핵종을 판별하는 핵종 분류 단계(S30)를 포함한다.To describe a method for discriminating polynuclides using a system for discriminating polynuclides through sparse expression of a gamma spectrum according to an embodiment of the present invention configured as described above, as shown in FIG. 2 , gamma obtained from a target A learning data preparation step (S10) of specifying a label for each element included in the spectrum, and a dictionary learning a dictionary through singular vector deposition (SVD) for each labeled element In the learning step (S20), obtaining a sparse vector through a sparse representation of the learned dictionary, and discriminating the nuclide as a label corresponding to the term with the largest element based on the result of the dot product of the sparse vector with the classifier and a nuclide classification step (S30).
상기 핵종 분류 단계(S30)는 복수의 클래스들 중 각 클래스에 해당하는 감마 스펙트럼에서 구분 가능한 특징 추출을 위하여 희소 표현을 사용하는데, 이때 희소 표현은 입력 신호를 사전을 구성하는 베이스 원소들의 선형조합으로 표현하는 것을 의미한다.The nuclide classification step (S30) uses a sparse expression to extract distinguishable features from a gamma spectrum corresponding to each class among a plurality of classes. means to express
한편, 상기 분류기(20)는 입력 신호의 희소 벡터의 각 성분에 대하여 핵종 판별을 수행한다.Meanwhile, the
이하에서는, 상기와 같은 순서로 구동되는 본 발명의 실시예에 따른 감마 스펙트럼의 희소 표현화를 통한 다중핵종 판별 방법을 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, a method for discriminating polynuclides through sparse expression of a gamma spectrum according to an embodiment of the present invention driven in the above order will be described in more detail.
우선, 본 발명은 사전 학습(dictionary learning)을 기반으로 감마 스펙트럼의 희소 표현(sparse representation)을 통해 스펙트럼 압축 및 핵종 분류가 가능한 방법에 관한 것이다. First, the present invention relates to a method capable of spectral compression and nuclide classification through a sparse representation of a gamma spectrum based on dictionary learning.
일반적으로, 신호는 고차원의 중첩 데이터로 구성되어 있어 그 중 유효한 정보를 추출하는 것을 어렵게 한다. 이러한 이유로 차원 축소 기법(dimension reduction)을 통해 다차원의 신호의 차원을 축소시켜 불필요한 노이즈 및 중복 신호를 제거하여 유효 정보를 추출한다. In general, since a signal is composed of high-dimensional overlapping data, it is difficult to extract valid information from it. For this reason, effective information is extracted by reducing the dimension of a multi-dimensional signal through dimension reduction and removing unnecessary noise and redundant signals.
본 발명에서 사용되는 희소 표현은 차원 축소의 한 가지 방법으로 입력 신호를 사전(dictionary)을 구성하는 베이스 원소들(atoms)의 선형조합으로 표현하는 것을 목적으로 한다. 이는 다음의 수학식 1로 표현이 가능하다.The sparse representation used in the present invention aims to express an input signal as a linear combination of base elements (atoms) constituting a dictionary as a method of dimensionality reduction. This can be expressed by
[수학식 1][Equation 1]
여기서 은 p 차수의 norm을 의미한다. Norm은 벡터의 길이 혹은 크기를 측정하는 함수로 norm이 측정한 벡터의 크기는 원점에서 벡터 좌표까지의 거리이다. 행렬 S에 대한 p 차수 norm은 다음 수학식 2와 같이 표현된다.here is the norm of the p order. Norm is a function that measures the length or magnitude of a vector. The magnitude of the vector measured by norm is the distance from the origin to the vector coordinates. The p-order norm for the matrix S is expressed by
[수학식 2][Equation 2]
Y는 M 개의 윈도우로 구성된 N개의 스펙트럼으로 구성된 입력 신호로 다음 수학식 3으로 설명된다. Y is an input signal composed of N spectra composed of M windows and is described by
[수학식 3][Equation 3]
D는 K개의 베이스 원소들로 구성된 사전 행렬로 다음 수학식 4로 나타낸다.D is a dictionary matrix composed of K base elements, and is expressed by Equation (4) below.
[수학식 4][Equation 4]
X는 입력 신호 Y에 대한 희소 벡터(sparse vector)로 T 개의 0이 아닌 희소 계수(sparse coefficient)을 제외한 모든 원소가 0이며 이는 다음 수학식 5로 나타낸다. X is a sparse vector for the input signal Y , and all elements except for T non-zero sparse coefficients are 0, which is expressed by
[수학식 5][Equation 5]
수학식 1을 통해 직관적으로 입력 신호 Y을 희소 표현화한 벡터 X을 얻기 위해서는 사전 D을 어떻게 구성하는지가 매우 중요함을 알 수 있다. It can be seen from
본 발명에서는 입력 스펙트럼의 희소 표현과 동시에 효율적인 핵종 구분을 위해 구분력 있는 사전(discriminative dictionary)을 얻기 위해 사전 학습 기법을 이용한다. 입력 스펙트럼의 희소 벡터가 핵종 판별이 가능하기 위해 사전 학습 단계에서 학습 샘플(learning sample)을 구성하는 각 원소들에 대해 라벨(label)을 지정한다. In the present invention, a prior learning technique is used to obtain a discriminative dictionary for efficient nuclide classification as well as sparse representation of the input spectrum. In order for the sparse vector of the input spectrum to be able to discriminate the nuclide, a label is assigned to each element constituting the learning sample in the pre-learning step.
사전 학습은 다음 수학식 6과 같이 표현된다.Pre-learning is expressed as in
[수학식 6][Equation 6]
3 개의 항 각각은 재건 오차(reconstruction error), 구분 희소 벡터 오차 (discriminative sparse vector error), 분류 오차(classification error)을 의미하며 α, β, γ은 각 항의 기여도를 조절하는 계수이다. 두 번째 항의 선형 변환 행렬 A은 서로 다른 라벨을 갖는 입력 신호가 구분 희소 벡터를 갖도록 억제시키는 역할을 하고 다음 수학식 7과 같이 표현된다.Each of the three terms means reconstruction error, discriminative sparse vector error, and classification error, and α, β, and γ are coefficients that adjust the contribution of each term. The linear transformation matrix A of the second term serves to suppress input signals having different labels to have distinct sparse vectors and is expressed as
[수학식 7][Equation 7]
라벨 행렬 H은 m가지 종류의 라벨로 구성되어 N개의 입력 스펙트럼 각각의 라벨을 의미하고 수학식 8로 나타낸다.The label matrix H is composed of m types of labels, meaning labels for each of the N input spectra, and is expressed by Equation (8).
[수학식 8][Equation 8]
분류기 W은 입력 신호 Y의 희소 벡터 X의 각 성분에 대해 핵종 판별 역할을 하며 수학식 9로 나타낸다.The classifier W serves as a nuclide discrimination for each component of the sparse vector X of the input signal Y , and is expressed by Equation (9).
[수학식 9][Equation 9]
수학식 6은 K-SVD 방법을 통해 다음 수학식 10과 같이 표현된다.
[수학식 10][Equation 10]
= =
및은 ,을 의미한다. 은 각각 에서 0을 갖는 원소를 제거한 행렬을 의미한다. 은 각각 , 을 의미한다. 은 다음 수학식 11에서 확인할 수 있다. and silver , means is each It means a matrix from which elements with 0 are removed. is each , means can be found in
[수학식 11][Equation 11]
즉, 은 사전 행렬 D의 K번째 열 및 그에 상응하는 희소 벡터 X의 K번째 열, 을 제외한 오차 행렬이다. 은 크기의 행렬로, () 번째 항을 제외한 모든 항이 0을 갖는다. 은 수학식 12로 표현된다.in other words, is the Kth column of the dictionary matrix D and the corresponding Kth column of the sparse vector X , It is an error matrix excluding . silver as a matrix of size, ( ), all terms except the 1st term have 0. is expressed by Equation (12).
[수학식 12][Equation 12]
위와 같은 과정을 통해 설명되는 수학식 10에서 사전의 각 원소, 은 특이값 분해(singular vector decomposition, SVD)를 통해 다음 수학식 13)과 같은 결과로 학습된다.In
[수학식 13][Equation 13]
, ,
이렇게 학습된 사전을 바탕으로, 테스트 샘플(test sample)은 수학식 1을 통해 희소 벡터을 구하고 이를 분류기 W와 내적한 결과 가장 큰 원소를 갖는 항에 상응하는 라벨로서 핵종 구분을 하게 된다. Based on the learned dictionary, a test sample obtains a sparse vector through
상기와 같은 과정은 도 2에 도시된 바와 같이, 크게 학습 데이터 준비 단계(S10), 사전 학습 단계(S20), 핵종 분류 단계(S30)의 3 단계로 구성될 수 있다.As shown in FIG. 2 , the above process may be largely composed of three steps: a training data preparation step ( S10 ), a pre-learning step ( S20 ), and a nuclide classification step ( S30 ).
상술한 상기 방법들은 컴퓨터 시스템 내에서 실행 가능한 하나 또는 그 이상의 소프트웨어 응용 프로그램들로 구현될 수 있다. 특히, 상기 방법들의 단계들은 컴퓨터 시스템 내에서 수행되는 소프트웨어의 명령들에 의해 영향을 받는다. 상기 소프트웨어 명령들은 각기 하나 또는 그 이상의 특정 작업들을 수행하기 위한 하나 또는 그 이상의 코드 모듈들로 형성될 수 있다. 상기 소프트웨어는 또한 2개의 분리된 부분들로 구분될 수 있으며, 여기서 제1 부분 및 대응하는 코드 모듈들은 상기 방법들을 수행하고, 제2 부분 및 대응하는 코드 모듈들은 상기 제1 부분과 사용자 사이의 사용자 인터페이스를 관리한다.The above-described methods may be implemented in one or more software applications executable in a computer system. In particular, the steps of the methods are affected by instructions of software being executed within a computer system. The software instructions may each be formed into one or more code modules for performing one or more specific tasks. The software may also be divided into two separate parts, wherein a first part and corresponding code modules perform the methods, and a second part and corresponding code modules are a user between the first part and the user. Manage interfaces.
상기 소프트웨어는 대체로 컴퓨터 판독 가능 매체로부터 컴퓨터 시스템 내로 탑재되며, 이후에 통상적으로 하드 디스크 드라이브(HDD) 또는 메모리 내에 저장되며, 그 후에 소프트웨어가 컴퓨터 시스템에 의해 실행될 수 있다. 일부 예들에 있어서, 상기 응용 프로그램들은 하나 또는 그 이상의 CD-ROM 상에 인코딩된 사용자에게 제공될 수 있고, 메모리 내에 저장되기 이전에 대응하는 드라이브를 통해 독취될 수 있다. 선택적으로는, 상기 소프트웨어는 네트워크들로부터 컴퓨터 시스템에 의해 독취될 수 있거나, 다른 컴퓨터 판독 가능 매체로부터 컴퓨터 시스템 내로 탑재될 수 있다. 추가적으로 또는 선택적으로, 데이터, 예를 들면, 상기 사전 데이터를 마련하는 데 사용된 기준 스펙트럼들이 메모리에 저장될 수 있거나, CD 혹은 다른 컴퓨터 판독 가능 매체로부터 또는 인터넷 상 혹은 일부 다른 수단들에 의해 메모리에 탑재될 수 있다. 컴퓨터 판독가능 기억 매체는 실행 및/또는 처리를 위해 컴퓨터 시스템에 대한 명령들 및/또는 데이터들을 제공하는 데 참가하는 임의의 저장 매체를 언급하는 것이다. 이러한 저장 매체의 예들은, 이러한 장치들은 컴퓨터 모듈의 내부 또는 외부에 있는 지 또는 아닌지에 관계없이 플로피 디스크들, 자기 테이프, CD-ROM, 하드 디스크 드라이브, ROM이나 집적 회로, USB 메모리, 자기-광학 디스크, 또는 PCMCIA이나 이와 유사한 것과 같은 컴퓨터 판독 가능 카드를 포함한다. 또한, 상기 컴퓨터 모듈에 대한 소프트웨어, 응용 프로그램들, 명령들 및/또는 데이터의 제공에 참가할 수 있는 컴퓨터 판독 가능 전송 매체의 예들은 무선 또는 적외선 전송 채널들뿐만 아니라 다른 컴퓨터나 네트워크화된 장치에 대한 네트워크 연결, 그리고 웹 사이트들 및 이와 유사한 것 상에 기록된 이-메일 교신들과 정보를 포함하는 인터넷 또는 인트라넷들을 포함한다. The software is usually loaded into a computer system from a computer readable medium, then typically stored in a hard disk drive (HDD) or memory, after which the software can be executed by the computer system. In some examples, the application programs may be provided to the user encoded on one or more CD-ROMs and read through a corresponding drive prior to being stored in memory. Optionally, the software may be read by the computer system from networks, or it may be loaded into the computer system from another computer readable medium. Additionally or alternatively, data, eg, reference spectra used to prepare the dictionary data, may be stored in memory, from a CD or other computer readable medium, or on the Internet or by some other means. can be mounted. Computer-readable storage medium refers to any storage medium that participates in providing instructions and/or data to a computer system for execution and/or processing. Examples of such storage media are floppy disks, magnetic tape, CD-ROM, hard disk drive, ROM or integrated circuits, USB memory, magneto-optics, whether or not such devices are internal or external to a computer module. disks, or computer readable cards such as PCMCIA or the like. Further, examples of computer-readable transmission media that may participate in the provision of software, applications, instructions and/or data to the computer module include wireless or infrared transmission channels as well as networks for other computer or networked devices. connections, and the Internet or intranets containing e-mail communications and information recorded on web sites and the like.
전술한 상기 응용 프로그램들의 제2 부분 및 상기 대응하는 코드 모듈은 디스플레이 상에 제공되거나 그렇지 않으면 나타나는 하나 또는 그 이상의 그래픽 사용자 인터페이스들(GUIs)을 구현하도록 실행될 수 있다. 키보드 및 마우스의 통상적인 조작을 통하여, 컴퓨터 시스템 및 응용의 사용자는 제어 명령들 및/또는 상기 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)(들)에 관련된 응용들에 대한 입력을 제공하도록 기능적으로 적용 가능한 방식으로 인터페이스를 조작할 수 있다. 기능적으로 적용 가능한 사용자 인터페이스들의 다른 형태들도 확성기들을 통한 음성 프롬프트 출력을 활용하는 음향 인터페이스 및 마이크로폰을 통한 사용자 음성 명령 입력과 같이 구현될 수 있다.The second portion of the application programs described above and the corresponding code module may be executed to implement one or more graphical user interfaces (GUIs) presented or otherwise presented on a display. Through normal manipulation of a keyboard and mouse, a user of a computer system and application interfaces in a functionally applicable manner to provide control commands and/or input for applications related to the graphical user interface (GUI)(s). can be manipulated. Other types of functionally applicable user interfaces may also be implemented, such as an acoustic interface utilizing voice prompt output via loudspeakers and user voice command input via a microphone.
실험예Experimental example
본 발명에서 제시하는 희소 표현 기반 감마 핵종 구분 방법을 검증하기 위해 2 인치 유기(organic) 섬광체(EJ-200) 검출기를 사용했다. A 2-inch organic scintillator (EJ-200) detector was used to verify the sparse expression-based gamma nuclide identification method presented in the present invention.
유기 섬광체는 낮은 원자번호 물질로 구성되어 있어서, 광선효과 피크(photoelectric peak)가 적게 발생하여 핵종 구분에 가장 어려움을 겪는 물질이다. Since the organic scintillator is composed of a low atomic number material, a photoelectric peak is less generated, and thus it is the most difficult material to distinguish nuclides.
다시 말해, 에너지 스펙트럼 기반의 방사선 검출기 중 가장 좋지 않은 에너지 분해능을 갖는 유기 섬광체 검출기를 이용하여 본 방법을 검증하는 것은 다른 검출기에 대한 검증도 유효함을 의미한다. In other words, validating this method using an organic scintillation detector having the worst energy resolution among energy spectrum-based radiation detectors means that validation of other detectors is also valid.
[표 1]은 제안하는 방법의 검증을 위하여 4개의 방사성 핵종 Ba-133, Na-22, Cs-137, Co-60과 자연 방사선(background, BG)으로 구성된 16개의 클래스를 보여준다. [Table 1] shows 16 classes consisting of four radionuclides Ba-133, Na-22, Cs-137, Co-60 and natural radiation (background, BG) for verification of the proposed method.
여기서, 클래스 #1은 인공 방사성 물질이 존재하지 않고 오직 자연 방사선만 스펙트럼에 기여하는 경우이다. 또한, 클래스 #2-5는 단일 핵종이 존재하는 경우이다. 이외의 클래스는 각 핵종의 다양한 조합에 해당하는 경우이다.Here,
각 클래스에 해당하는 스펙트럼에서 구분 가능한 특징 추출을 의미하는 희소 표현화를 위해 사전 학습 단계를 수행했다. A pre-learning step was performed for sparse representation, which means extracting distinguishable features from the spectrum corresponding to each class.
각 클래스 별 다양한 학습 샘플을 얻기 위해 실험 측정 뿐 아니라 몬테칼로(Monte Carlo) 이론 기반의 MCNP6 (Monte Carlo N-Particle) 시뮬레이션을 통해 스펙트럼을 모사했다. In order to obtain various learning samples for each class, the spectrum was simulated through MCNP6 (Monte Carlo N-Particle) simulation based on Monte Carlo theory as well as experimental measurements.
도 3에 도시된 바와 같이, 사용된 핵종에서 방출된 감마선을 측정하여 얻은 스펙트럼과 모사 스펙트럼이 유사한 것을 확인할 수 있다. 이를 바탕으로 각 클래스 별 100 개의 스펙트럼을 모사했다. As shown in FIG. 3 , it can be confirmed that the spectrum obtained by measuring the gamma rays emitted from the used nuclide and the simulated spectrum are similar. Based on this, 100 spectra for each class were simulated.
[표 2]는 두 개의 사전을 학습시킨 데이터 및 테스트 데이터의 구성을 보인다. Type 1과 Type 2의 차이는 사전 학습 데이터 내에 측정 스펙트럼의 유무이다. 이러한 차이는 입력 스펙트럼의 희소 벡터가 오직 모사 스펙트럼만으로 학습된 사전으로도 높은 핵종 구분 성능을 보이는지 확인할 수 있으며, 동시에 측정 데이터의 사전 학습 영향을 볼 수 있다. [Table 2] shows the configuration of the two dictionaries trained data and test data. The difference between
Type 1 사전은 오직 모사 스펙트럼으로 학습된 사전이다. 단, 클래스 #1만 측정 데이터를 이용했다. A
Type 2는 Type 1 사전 학습에 사용한 모사 데이터에 각 라벨 당 10 개의 측정 데이터를 추가하여 학습시킨 사전이다.
이와 같은 학습 데이터를 이용해 학습된 Type 1과 2 사전의 성능은 서로 다른 위치(5, 10, 20 cm)의 선원 환경에서 각 라벨 당 200 개의 스펙트럼으로 구성된 테스트 데이터로 그 성능을 평가했다.The performance of
이와 같이 본 발명에서는 기존의 핵종 판별 알고리즘에서 한 단계 나아가 무인 기기에 탑재된 방사선 검출기에서 획득한 스펙트럼 신호를 송신 및 저장에 용이한 핵종 판별 희소 신호로 변환하는 방법을 제시한다. As described above, the present invention proposes a method of converting a spectrum signal obtained from a radiation detector mounted on an unmanned device into a rare nuclide identification signal that is easy to transmit and store, going one step further from the existing nuclide identification algorithm.
이를 활용하면 PC에 비해 CPU, 메모리 성능이 현저히 좋지 않은 MCU (micro controller unit)을 이용하는 환경에서 핵종 판별 알고리즘을 적용이 용이해진다. By using this, it becomes easy to apply the nuclide identification algorithm in an environment using MCU (micro controller unit), which has significantly poorer CPU and memory performance compared to PC.
유기 섬광체 검출기뿐 아니라 무기 섬광체 및 반도체 검출기와 같은 에너지 스펙트럼 기반의 방사선 검출기 모두에 사용이 가능하고, 사전 학습 단계에서 사전의 원소 수 (K), 식 (6)에서 보이는 각 항의 계수 (α, β, γ) 그리고 희소 벡터의 유효 원소 개수 (T)의 최적화 과정을 통해 핵종 판별의 정확도를 향상시킬 수 있다.It can be used not only for organic scintillation detectors but also for energy spectrum-based radiation detectors such as inorganic scintillators and semiconductor detectors. , γ) and the optimization process of the number of effective elements (T) of the sparse vector can improve the accuracy of nuclide discrimination.
도 4는 측정 스펙트럼과 이를 학습 시킨 사전을 이용하여 희소 표현화한 벡터 값을 나타낸다. 4 shows a vector value sparsely expressed using a measured spectrum and a dictionary in which it is learned.
여기서, (a)는 각 클래스별 측정 데이터를 나타내고, (b)는 Type 2에 의하여 계산된 희소 벡터를 나타낸다.Here, (a) shows the measurement data for each class, and (b) shows the sparse vector calculated by
각 에너지 윈도우 마다 값을 갖고 있는 측정 스펙트럼과 달리 사전 학습 단계에서 설정한 유효 원소 개수(T)만 0이 아닌 값을 갖는다. Unlike the measurement spectrum, which has a value for each energy window, only the number of effective elements (T) set in the pre-learning stage has a non-zero value.
이러한 희소 신호는 전송 과정에서 발생하는 비트 손실(bit loss)에 원 신호보다 유리하고 메모리 내 차지하는 저장 공간 역시 현저히 적다. Such a sparse signal is more advantageous than the original signal in bit loss occurring in the transmission process, and the storage space occupied in the memory is also significantly less.
도 5는 다양한 선원 위치 조건에서 측정 시간 변화에 따른 핵종 판별 정확도를 보여준다. 5 shows the accuracy of nuclide discrimination according to the change in measurement time under various source location conditions.
여기서, (a)는 Type 1의 정확도를 나타내고, (b)는 Type 2의 정확도를 나타낸다.Here, (a) shows the accuracy of
(a)에서와 같이, 모사 스펙트럼으로만 학습된 사전(Type 1)을 이용한 희소 표현은 92% 이상의 정확도를 나타낸다. As in (a), the sparse representation using the dictionary (Type 1) learned only from the simulated spectrum shows an accuracy of over 92%.
짧은 반감기, 핵비확산 조약 등으로 인해 실제로 측정이 어려운 선원에 대해서도 전산 모사를 통해 사전을 학습시키면 높은 정확도로 핵종 구분이 가능할 수 있음을 확인했다. It was confirmed that even for sources that are difficult to measure due to the short half-life and the Nuclear Non-Proliferation Treaty, it is possible to classify nuclides with high accuracy by learning a dictionary through computational simulation.
(b)에서와 같이, 측정 스펙트럼을 포함하여 학습된 사전(Type 2)은 계측 시간이 2 초 이상일 경우 95% 이상의 정확도를 보이며 기존의 신경망 기반 핵종 판별 알고리즘과 같이 높은 정확도를 보였다.As shown in (b), the learned dictionary (Type 2) including the measurement spectrum showed more than 95% accuracy when the measurement time was more than 2 seconds, and showed high accuracy like the existing neural network-based nuclide identification algorithm.
이상에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시예들에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 첨부하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능할 것이다.In the above, preferred embodiments according to the present invention have been shown and described. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and without departing from the gist of the present invention appended in the claims, any person skilled in the art to which the invention pertains will be able to implement various modifications. .
10: 방사선 검출기
20: 분류기
100: 학습 데이터 준비부
200: 사전 학습부
300: 핵종 분류부10: radiation detector 20: classifier
100: training data preparation unit 200: pre-learning unit
300: nuclide classification unit
Claims (6)
각각 라벨이 지정된 원소들에 대하여 특이값 분해(singular vector deposition, SVD)를 통하여 사전(dictionary)을 학습하는 사전 학습 단계; 및
상기 학습된 사전을 희소 표현(sparse representation)을 통하여 희소 벡터를 구하고, 상기 희소 벡터를 분류기와 내적한 결과를 기초로 가장 큰 원소를 갖는 항에 상응하는 라벨로서 핵종을 판별하는 핵종 분류 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 감마 스펙트럼의 희소 표현화를 통한 다중핵종 판별 방법.
a training data preparation step of designating a label for each element included in a gamma spectrum obtained from a target;
A pre-learning step of learning a dictionary through singular vector deposition (SVD) for each labeled element; and
Obtaining a sparse vector through a sparse representation of the learned dictionary, and discriminating a nuclide as a label corresponding to the term having the largest element based on the result of the dot product of the sparse vector with a classifier. A method for discriminating polynuclides through sparse expression of a gamma spectrum, characterized in that
상기 핵종 분류 단계는 복수의 클래스들 중 각 클래스에 해당하는 감마 스펙트럼에서 구분 가능한 특징 추출을 위하여 상기 희소 표현을 사용하는 것을 특징으로 하는 감마 스펙트럼의 희소 표현화를 통한 다중핵종 판별 방법.
According to claim 1,
The nuclide classification step uses the sparse expression to extract distinguishable features from a gamma spectrum corresponding to each class among a plurality of classes.
상기 희소 표현은 입력 신호를 사전을 구성하는 베이스 원소들의 선형조합으로 표현하는 것을 특징으로 하는 감마 스펙트럼의 희소 표현화를 통한 다중핵종 판별 방법.
According to claim 1,
The sparse representation is a method for determining polynuclides through sparse representation of a gamma spectrum, characterized in that the input signal is expressed as a linear combination of base elements constituting the dictionary.
상기 분류기는 입력 신호의 희소 벡터의 각 성분에 대하여 핵종 판별을 수행하는 것을 특징으로 하는 감마 스펙트럼의 희소 표현화를 통한 다중핵종 판별 방법.
According to claim 1,
Wherein the classifier performs nuclide discrimination with respect to each component of the sparse vector of the input signal.
각각 라벨이 지정된 원소들에 대하여 특이값 분해(singular vector deposition, SVD)를 통하여 사전(dictionary)을 학습하는 사전 학습부; 및
상기 사전 학습부에서 학습된 사전을 희소 표현(sparse representation)을 통하여 희소 벡터를 구하고, 상기 희소 벡터를 분류기와 내적한 결과를 기초로 가장 큰 원소를 갖는 항에 상응하는 라벨로서 핵종을 판별하는 핵종 분류부를 포함하는 것을 특징으로 하는 감마 스펙트럼의 희소 표현화를 통한 다중핵종 판별 시스템.
a training data preparation unit for designating a label for each element included in a gamma spectrum obtained from a target by a radiation detector;
a dictionary learning unit for learning a dictionary through singular vector deposition (SVD) for each labeled element; and
A sparse vector is obtained through a sparse representation of the dictionary learned in the dictionary learning unit, and a nuclide is determined as a label corresponding to the term having the largest element based on the result of the dot product of the sparse vector with a classifier. Multinuclide discrimination system through sparse expression of gamma spectrum, characterized in that it includes a classification unit.
상기 핵종 분류부는
상기 사전 학습부에서 학습된 사전을 희소 표현(sparse representation)을 통하여 희소 벡터를 구하는 희소 벡터 생성부; 및
상기 희소 벡터를 분류기와 내적한 결과를 기초로 가장 큰 원소를 갖는 항에 상응하는 라벨로서 핵종을 판별하는 핵종 판별부를 포함하는 것을 특징으로 하는 감마 스펙트럼의 희소 표현화를 통한 다중핵종 판별 시스템.
6. The method of claim 5,
The nuclide classification unit
a sparse vector generator for obtaining a sparse vector through a sparse representation of the dictionary learned by the dictionary learning unit; and
and a nuclide discrimination unit for discriminating a nuclide as a label corresponding to a term having the largest element based on a result of dot product of the sparse vector with a classifier.
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