[發明專利]一種利用雙能透射及低能散射進行物質識別的裝置及方法

有效

• 申請號: 201310611224.1
• 申請日: 2013-11-25
• 公開（公告）號: CN103604819A
• 公開（公告）日: 2014-02-26
• 發明（設計）人: 孫麗娜;原培新;譚俊;巴德純
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: G01N23/10
• 分類號: G01N23/10
• 代理公司: 沈陽東大專利代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

1.一種利用雙能透射及低能散射進行物質識別的裝置，包括機架、固定于所述機架上的用于傳輸被檢物品的傳送帶和輥軸電機，傳送帶穿過機架中部，傳送帶和機架的交叉區域為物質識別區域，傳送帶由兩個輥軸電機帶動工作，其特征在于：

還包括主控箱、X射線發生器、準直器、雙能透射探測器、低能前散射探測器、低能背散射探測器、工控機、光障和顯示器；

所述X射線發生器安裝于機架一側且位于傳送帶下方；

所述準直器安裝在X射線發生器的X射線發射方向的正前方；

所述光障有兩個，分別安裝于物質識別區域兩側的機架上部側壁；

所述低能背散射探測器安裝于與X射線發生器同側的機架側壁且位于傳送帶上方；

所述雙能透射探測器、低能前散射探測器均安裝于機架另一側的側壁且位于傳送帶上方；

所述光障的輸出端連接主控箱的輸入端，主控箱的控制輸出端分別連接X射線發生器的控制輸入端、輥軸電機的控制輸入端和工控機，工控機的輸入端連接雙能透射探測器輸出端、低能前散射探測器的輸出端、低能背散射探測器的輸出端，工控機的輸出端連接顯示器。

2.采用權利要求1所述的利用雙能透射及低能散射進行物質識別的裝置進行物質識別的方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟1：利用X射線發生器分別發出高能射線和低能射線透射各種厚度的不同標定材料，通過雙能透射探測器獲得相應的低能透射圖像和高能透射圖像，所述標定材料包括有效原子序數為10的材料和有效原子序數為20的材料；

步驟2：各低能透射圖像和各高能透射圖像傳輸至工控機，根據各低能透射圖像灰度值作為橫坐標，各高能透射圖像灰度值作為縱坐標，構成不同標定材料在不同厚度下的點的坐標，并對這些點進行曲線擬合獲得分類識別邊界曲線，包括有機物與混合物的邊界曲線和有機物與混合物的邊界曲線，兩個邊界曲線將物質劃分為三個區域，即有機物區域、混合物區域和無機物區域；

步驟3：主控箱控制輥軸電機啟動，輥軸電機帶動傳送帶運動，同時光障實時檢測物質識別區域；

步驟4：當有被檢物體經傳送帶到達物質識別區域時，光障輸出信號至主控箱，主控箱控制X射線發生器開始工作，利用X射線照射被檢物體；

步驟5：雙能透射探測器探測經過物體透射過來的射線，低能前散射探測器探測向前散射的射線，低能背散射探測器探測向后散射的射線；

步驟6：利用雙能透射探測器的探測信號得到被檢物體的低能透射圖像和高能透射圖像，利用低能前散射探測器的探測信號得到被檢物體的低能前散射圖像，利用低能背散射探測器的探測信號得到被檢物體的低能背散射圖像；

高能透射圖像的真實灰度值表示高能射線通過被檢物體的相應部分后透射的高能射線強度；

低能透射圖像的真實灰度值表示低能射線通過被檢物體的相應部分后透射的低能射線強度；

低能前散射圖像的真實灰度值表示低能射線與被檢物體相互作用后向前散射射線強度；

低能背散射圖像的真實灰度值表示低能射線與被檢物體相互作用后向后散射射線強度；

步驟7：被檢物體的低能透射圖像、高能透射圖像、低能前散射圖像和低能背散射圖像傳輸至工控機，進行物質識別；

步驟7.1：對被檢物體的低能透射圖像、高能透射圖像、低能前散射圖像和低能背散射圖像消除重疊效應，得到目標物體的真實灰度值；

步驟7.1.1：建立消除重疊效應影響的透射圖像射線強度模型，包括高能透射圖像射線強度模型和低能透射圖像射線強度模型；

(1)高能透射圖像重疊區域射線強度模型

其中，

——重疊區域高能透射射線強度；

I₀^H——入射的高能X射線強度；

I₁^H——入射的高能X射線經過目標物體后透射射線強度；

I₂^H——入射的高能X射線經過背景物體后透射射線強度；

(2)低能透射圖像重疊區域射線強度模型

其中，

——重疊區域低能透射射線強度；

I₀^L——入射的低能X射線強度；

I₁^L——入射的低能X射線經過目標物體后透射射線強度；

I₂^L——入射的低能X射線經過背景物體后透射射線強度；

步驟7.1.2：建立消除重疊效應影響的低能散射圖像射線強度模型，包低能前散射圖像的射線強度模型和低能背散射圖像的射線強度模型；

(1)低能前散射圖像的重疊區域射線強度模型：

IRgnF=I2aF+I2bF+I2cF=I1LI2FI0L+β1FI1FI0LI2L+β2FI1FI0LI2L2+β3FI1FI0LI2F+β4FI1FI0LI2F2+β5FI1FI0LI2FI2L]]>

其中，

——入射的低能X射線經過目標物體后前散射射線強度；

——入射的低能X射線經過背景物體后前散射射線強度；

——經過背景物體后透射射線強度；

——經過背景物體后前散射射線強度；

——經過背景物體后透射射線強度；

——經過背景物體后前散射射線強度；

——重疊區域前散射射線強度；

(2)低能背散射圖像的射線強度模型：

IRgnB=I1B+I1aB=I1B+β1B(I1L)2I2B+β1BI1LI2BI1F+β3B(I1F)2I2B]]>

其中，

——入射的低能X射線經過目標物體后背散射射線強度；

——入射的低能X射線經過背景物體后背散射射線強度；

——入射的低能X射線與目標物體作用后透射射線和前散射射線再與背景物體后作用后得到的背散射射線強度；

——背散射射線再與目標物體作用后得到的背散射射線強度；

——重疊區域背散射射線強度；

步驟7.1.3：將射線強度模型轉換成圖像灰度值模型；

(1)高能透射圖像重疊區域模型：

gRgnH=aHg1Hg2HcH]]>

其中，a^H是高能透射圖像重疊區域模型修正系數，c^H是高能透射圖像X射線強度與灰度值之間的轉換系數，由探測器的數據通道位數確定，是高能透射圖像目標物體真實灰度值，是高能透射圖像背景物體真實灰度值；

(2)低能透射圖像重疊區域灰度值模型：

gRgnL=aLg1Lg2LcL]]>

其中，a^L是低能透射圖像重疊區域灰度值模型修正系數；c^L是低能透射圖像X射線強度與灰度值之間的轉換系數，由探測器的數據通道位數確定，是低能透射圖像目標物體真實灰度值，是低能透射圖像背景物體真實灰度值；

(3)低能前散射圖像重疊區域灰度值模型：

gRgnF=a1Fg1Lg2F+a2Fg1Fg2L+a3Fg1Fg2F]]>

其中，和為低能前散射圖像重疊區域灰度值模型的修正系數，是低能前散射圖像目標物體真實灰度值，是低能前散射圖像背景物體真實灰度值；

(4)低能背散射圖像重疊區域灰度值模型：

gRgnB=g1B+a1B(g2L)2g2B+a2Bg1Lg2Bg1F+a3B(g1F)2g2B]]>

其中，和為低能背散射圖像重疊區域灰度值模型的修正系數，是低能背散射圖像目標物體真實灰度值，是低能背散射圖像背景物體真實灰度值；

步驟7.1.4：根據透射圖像真實灰度值模型和低能散射圖像真實灰度值模型，對被檢物體的低能透射圖像、高能透射圖像、低能前散射圖像和低能背散射圖像消除重疊效應影響，得到目標物體相應像素點的真實低能透射灰度值、真實高能透射灰度值、真實低能前散射灰度值和真實低能背散射灰度值；

(1)高能透射圖像目標物體真實灰度值：

g1H=cHgRgnHaHg2H]]>

(2)低能透射圖像目標物體真實灰度值：

g1L=cLgRgnLaLg2L]]>

(3)低能前散射圖像目標物體真實灰度值：

g1F=gRgnF-a1Fg1Lg2Fa2Fg2L+a3Fg2F]]>

(4)低能背散射圖像目標物體真實灰度值：

g1B=gRgnB-a1B(g1L2+g2B)-a2Bg1Lg2Bg1F-a3Bg1F2g2B;]]>

步驟7.2：將低能透射圖像中每個像素的灰度值作為橫坐標，將高能透射圖像中每個像素的灰度值作為縱坐標，得到被檢物體的物質識別點；

步驟7.3：根據分類識別邊界曲線對被檢物體的物質識別點進行分類識別，判斷各物質識別點屬于有機物區域、混合物區域或無機物區域，若物質識別點屬于有機物，則執行步驟7.4；否則執行步驟8；

步驟7.4：對被檢物體中屬于有機物的物質進行進一步識別；

步驟7.4.1：根據被檢物體的低能透射圖像的真實灰度值T_L和高能透射圖像的真實灰度值T_H，計算與物質有效原子序數相關的雙能量值R；

R=ln(TLTL0)/ln(THTH0)]]>

其中，T_H0表示高能透射圖像的真實灰度值，T_L0表示低能透射圖像的真實灰度值；

步驟7.4.2：計算低能散射圖像真實灰度值K，并計算與密度相關的特征值L；

低能散射圖像真實灰度值K=a0FL(d)+a1FL2(d)+b0BL(d)+b1BL2(d)]]>

其中，F_L是低能前散射圖像真實灰度值，B_L是低能背散射圖像真實灰度值，a₀，a₁，b₀，b₁是由最小二乘法LS確定的模型參數，d表示被檢物體與X射線發生器之間的距離；與密度相關的特征值

步驟7.4.3：根據與物質有效原子序數相關的雙能量值R和與密度相關的特征值L，建立用來對有機物進行分類的基于最小錯誤概率的貝葉斯決策理論的物質分類函數D(R，L)；

D(R，L)=c₀R²+c₁L²+c₂RL+c₃R+c₄L+c₅

其中，c₀、c₁、c₂、c₃、c₄、c₅是根據最小錯誤概率的貝葉斯決策理論確定的參數；

步驟7.4.4：利用物質分類函數和計算出的物質有效原子序數相關的雙能量值R、與密度相關的特征值L，求得物質分類函數值，判斷根據該函數值判斷當前物質是否為違禁物質：若函數值大于0，則當前物質為違禁物質，否則，當前物質為非違禁有機物；

步驟8：對物質分類識別結果進行偽彩色處理，輸出圖像。