雙視角60Co集裝箱檢測(cè)系統(tǒng)的研制

吳志芳，苗積臣

（清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院核檢測(cè)技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

雙視角60Co集裝箱檢測(cè)系統(tǒng)的研制

吳志芳，苗積臣

（清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院核檢測(cè)技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

介紹了60Co集裝箱檢測(cè)單源-雙視角成像技術(shù)的基本原理與特點(diǎn)、系統(tǒng)構(gòu)成與性能指標(biāo)以及推廣應(yīng)用。雙視角集裝箱檢測(cè)技術(shù)通過增加1組探測(cè)器陣列，獲得兩個(gè)不同視角的集裝箱輻射透射圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì)集裝箱的雙視圖對(duì)比檢測(cè)并可生成集裝箱的虛擬3D圖像，從而實(shí)現(xiàn)立體檢測(cè)，有效改善掃描圖像中前后重疊物體和桿狀物體的圖像分辨效果，顯著提高夾藏槍支武器的檢出效率。雙視角集裝箱輻射成像檢測(cè)技術(shù)是常規(guī)的單投影集裝箱檢測(cè)技術(shù)的重要發(fā)展，已在中國(guó)海關(guān)多個(gè)口岸裝備運(yùn)行，并取得巨大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

60Co集裝箱檢測(cè)；雙視角成像；立體成像

近十幾年來，大型客體（如集裝箱、卡車、火車等）的輻射成像檢測(cè)技術(shù)已廣泛應(yīng)用在海關(guān)進(jìn)出口口岸、輪渡碼頭、高速公路綠色通道、隧道安檢等領(lǐng)域，在打私、反恐、保障交通運(yùn)輸安全等方面發(fā)揮著重要作用。我國(guó)目前在該技術(shù)領(lǐng)域已走在世界前列［1］，占國(guó)際市場(chǎng)份額約80%左右。但從技術(shù)角度講，目前主要應(yīng)用的仍是單投影技術(shù)（水平投影或垂直投影），不能有效區(qū)分前后重疊的物體圖像，也不能對(duì)圖像中各物體進(jìn)行定位，具有較大的局限性。即使在單投影透視成像的基礎(chǔ)上再結(jié)合背散射技術(shù)，也只能獲得一幅透視圖像和一幅物體單側(cè)的淺表層圖像［2］，仍不能解決單投影技術(shù)的固有局限性。CT成像技術(shù)雖可大幅提高檢測(cè)靈敏度，并可有效解決物體前后重疊與定位問題，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，往往因旋轉(zhuǎn)、多投影重建等原因造成檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、通過率低，適合重點(diǎn)檢測(cè)，難于適應(yīng)貨運(yùn)量大、需快速通過的場(chǎng)所。清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院已成功研制出針對(duì)航空集裝箱和小型汽車的CT檢測(cè)系統(tǒng)［3］，但對(duì)于大型海運(yùn)集裝箱、大型貨車和火車車廂進(jìn)行CT檢測(cè)的系統(tǒng)尚未見相關(guān)報(bào)道。

雙視角60Co集裝箱檢測(cè)技術(shù)通過增加1組探測(cè)器陣列，同時(shí)獲取被檢客體兩個(gè)不同視角的透視圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢客體的雙視角圖像的對(duì)比檢測(cè)和立體檢測(cè)，而檢測(cè)速度與傳統(tǒng)的單投影集裝箱檢測(cè)系統(tǒng)一樣。本文介紹該項(xiàng)技術(shù)的基本原理、系統(tǒng)構(gòu)成、性能指標(biāo)和推廣應(yīng)用狀況。

1 系統(tǒng)成像原理與構(gòu)成

1.1 成像原理

60Co集裝箱檢測(cè)雙視角成像基本原理與單投影成像類似，均是利用點(diǎn)源-線性探測(cè)器陣列組合，對(duì)被檢客體進(jìn)行掃描而獲取物體的輻射透視圖像；不同點(diǎn)是單投影成像只需1組探測(cè)器陣列，僅獲得1幅輻射透視圖像，而雙視角成像則使用兩組探測(cè)器陣列，且同時(shí)獲得兩幅輻射透視圖像。

雙視角成像原理如圖1所示。由射線源S通過雙狹縫準(zhǔn)直器產(chǎn)生具有一定夾角θ的兩個(gè)扇形射線束，分別對(duì)應(yīng)兩排探測(cè)器陣列。當(dāng)被檢物體在射線源與探測(cè)器陣列之間沿掃描方向通過時(shí)，便可獲得被檢物體在兩個(gè)不同視角下的輻射投射圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì)比檢測(cè)。以線段AB為例來說明雙視角成像的優(yōu)越性，在由探測(cè)器陣列1所生成的掃描圖像中，線段AB在圖像中僅表現(xiàn)為1個(gè)點(diǎn)，兩個(gè)端點(diǎn)完全重疊，根本無法識(shí)別；而在由探測(cè)器陣列2所生成的掃描圖像中，線段AB兩個(gè)端點(diǎn)被有效區(qū)分，整體線段在圖像中也是一條線段。因此，相比單投影成像技術(shù)，雙視角成像技術(shù)可有效解決物體前后重疊的問題，提高對(duì)桿狀物體的成像效果，特別有利于對(duì)夾藏槍支武器的檢測(cè)。

圖160Co集裝箱檢測(cè)雙視角成像技術(shù)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of dual-perspective radiography technology for60Co container inspection

另一方面，雙視角成像技術(shù)所獲取的兩幅輻射透射圖像，存在一定的視角差，當(dāng)視角差取值在一定范圍時(shí)，利用視差原理和3D立體顯示技術(shù)，即可由上述所得的兩幅透射圖像生成被檢客體的虛擬三維立體視圖，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)客體內(nèi)部物體擺放位置與結(jié)構(gòu)的立體顯示和檢測(cè)，達(dá)到3D立體電影的展示效果。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

雙視角60Co集裝箱檢測(cè)系統(tǒng)如圖2所示，主要包括輻射測(cè)量子系統(tǒng)、圖像處理與信息管理子系統(tǒng)、檢測(cè)門架及控制子系統(tǒng)等部分。其中輻射測(cè)量子系統(tǒng)安裝在系統(tǒng)檢測(cè)門架上，射線源通過雙縫前準(zhǔn)直器產(chǎn)生具有一定夾角的兩束扇形射線，分別照射在兩排探測(cè)器陣列上，在控制子系統(tǒng)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下，通過掃描生成兩幅不同視角的視圖，經(jīng)過圖像處理與信息管理子系統(tǒng)的處理，生成系統(tǒng)的左右視圖或虛擬3D視圖，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢客體的對(duì)比檢測(cè)與立體檢測(cè)。

圖2 系統(tǒng)組成框圖Fig.2 Block diagram of system configuration

1）輻射測(cè)量子系統(tǒng)

輻射測(cè)量子系統(tǒng)包括射線源裝置和探測(cè)器裝置及數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，射線源裝置包括60Co輻射源、源存儲(chǔ)器、源室、前準(zhǔn)直器、快門機(jī)構(gòu)和支撐機(jī)構(gòu)。工作時(shí)射線源位于源室中，通過前準(zhǔn)直器和快門產(chǎn)生兩束扇形射線。系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)時(shí)射線源可收回至源存儲(chǔ)器。支撐機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)射線束與探測(cè)器陣列的對(duì)準(zhǔn)調(diào)節(jié)功能。

2）檢測(cè)門架及控制子系統(tǒng)

檢測(cè)門架是輻射測(cè)量子系統(tǒng)及其他附屬設(shè)施的安裝支撐平臺(tái)。與單投影集裝箱檢測(cè)系統(tǒng)類似［4－7］，雙視角集裝箱檢測(cè)系統(tǒng)分為門架移動(dòng)式（包括組合移動(dòng)式、車載移動(dòng)式等探測(cè)器門架移動(dòng)的系統(tǒng)）和客體移動(dòng)式（如固定式、鐵路式、通過式等門架固定的系統(tǒng)）兩種。檢測(cè)過程中，通過被檢客體和探測(cè)器門架的相對(duì)移動(dòng)，產(chǎn)生兩幅被檢客體的掃描圖像。圖像檢查員通過對(duì)兩幅圖像的對(duì)比分析，可有效地對(duì)前后重疊物體進(jìn)行識(shí)別檢驗(yàn)，并可生成被檢客體的虛擬3D立體圖像，更準(zhǔn)確地對(duì)被檢客體內(nèi)可疑物體進(jìn)行定位與分析。

檢測(cè)門架主要提供射線源子系統(tǒng)和探測(cè)器陣列的安裝、定位與支撐，并保證相對(duì)位置的穩(wěn)定。門架整體又可通過車載移動(dòng)，或通過一對(duì)同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)在專門導(dǎo)向軌道上移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢客體的掃描成像。

控制子系統(tǒng)是協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的樞紐，主要包括射線源子系統(tǒng)的控制、掃描移動(dòng)系統(tǒng)的控制、圖像掃描流程控制等，并具有完善的輻射安全連鎖保護(hù)系統(tǒng)，完全滿足國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法律法規(guī)的要求。

3）圖像處理與信息管理子系統(tǒng)

圖像處理與信息管理子系統(tǒng)完成圖像的獲取、校正、分析與處理以及實(shí)現(xiàn)圖像檢查流程與信息管理［8－10］。與單投影系統(tǒng)相比，雙視角系統(tǒng)增加了左右視圖和立體視圖的生成及其顯示分析處理功能。圖像檢查流程是配合各種實(shí)際應(yīng)用的通關(guān)檢查要求而設(shè)計(jì)的，主要包括客體圖像的采集、圖像分析、圖像與客體信息的管理等，整個(gè)流程可根據(jù)具體的應(yīng)用要求而定制。

整個(gè)子系統(tǒng)包括報(bào)關(guān)信息檢入站、圖像采集站、圖像分配站、圖像檢查站、檢出站、復(fù)檢站、人員和信息管理子系統(tǒng)等。針對(duì)不同的應(yīng)用要求和使用場(chǎng)所，配置會(huì)略有不同。

2 系統(tǒng)檢測(cè)圖像和技術(shù)指標(biāo)

2.1 圖像檢查方式

系統(tǒng)檢查時(shí)，通過掃描生成兩幅圖像，經(jīng)處理，可生成左右模擬視圖。在進(jìn)行圖像檢查時(shí)，可分為兩步：1）采用左右視圖對(duì)比檢查，這樣可把左視圖中前后重疊遮擋的物體在右視圖中進(jìn)行檢查，同樣也可在左視圖中檢查右視圖中前后重疊遮擋的物體；2）通過3D顯示技術(shù)，利用左右視圖生成3D立體圖像，對(duì)圖像中各物體的相對(duì)位置有一定的判斷，為開箱檢查時(shí)建立檢查通道提供參考（檢查通道是指在開箱檢查時(shí)進(jìn)行掏箱工作的取樣范圍）。

2.2 實(shí)際檢測(cè)圖像

圖3～5分別為來自二連浩特公路口岸的門架移動(dòng)式檢測(cè)系統(tǒng)、綏芬河鐵路口岸的貨運(yùn)列車檢測(cè)系統(tǒng)和福州馬尾港口岸的拖動(dòng)式檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)圖像，可看出，在左右視圖中，前后重疊物體的圖像是不同的。圖6為二連浩特公路口岸轎車圖像生成的3D立體圖像。

圖3 二連浩特公路口岸轎車圖像的左視圖（a）和右視圖（b）Fig.3 Left view（a）and right view（b）of car in Erlian port

圖6 二連浩特口岸轎車的色彩調(diào)制立體圖像Fig.6 Color-modulated stereo image of car in Erlian port

2.3 系統(tǒng)檢測(cè)指標(biāo)

雙視角60Co集裝箱檢測(cè)系統(tǒng)主要采用3.7× 1012～1.11×1013Bq60Co工業(yè)探傷機(jī)作為射線源，自主研制像素尺寸為10 mm×10 mm的氣體探測(cè)器陣列，其技術(shù)指標(biāo)與單投影的60Co集裝箱檢測(cè)系統(tǒng)相當(dāng)［1］，使用3.7×1012～1.11× 1013Bq的60Co工業(yè)探傷機(jī)時(shí)，其主要檢測(cè)指標(biāo)為：像質(zhì)計(jì)（IQI）≤2.5%，即厚為100 mm的鐵板后可分辨出直徑為2.5 mm的鐵絲；反差靈敏度（CI）≤0.5%，即厚為100 mm的鐵板后可分辨出0.5 mm厚度的鐵片；穿透本領(lǐng)（SP）≥230 mm厚的鐵，即透過厚為230 mm的鐵板后可檢測(cè)到鉛磚；最大檢測(cè)劑量≤5μGy；檢測(cè)速度為6～24 m／min，每小時(shí)可檢測(cè)30輛重載貨車或標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，對(duì)于貨運(yùn)列車則可連續(xù)檢測(cè)。

3 結(jié)論

相比傳統(tǒng)的單投影集裝箱檢測(cè)技術(shù)，雙視角60Co集裝箱檢測(cè)技術(shù)僅通過增加1組探測(cè)器陣列，即可實(shí)現(xiàn)在掃描圖像中對(duì)前后遮擋物體進(jìn)行有效區(qū)分和識(shí)別，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢客體的立體成像，適合于對(duì)集裝箱、卡車、貨運(yùn)列車等大型客體的快速輻射成像檢驗(yàn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前雙視角60Co集裝箱檢測(cè)系統(tǒng)已在二連浩特公路口岸、綏芬河鐵路口岸、馬尾港口岸、京唐港口岸等裝備運(yùn)行，其中在二連浩特公路口岸投入運(yùn)行僅1個(gè)月，就查獲5起案件。另有多個(gè)海關(guān)口岸將升級(jí)換代或新裝備雙視角60Co集裝箱檢測(cè)系統(tǒng)。該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)家打私反恐領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，將會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

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Development of Dual-perspective60Co Container Inspection System

WU Zhi-fang，MIAO Ji-chen
（Beijing Key Laboratory on Nuclear Detection and Measurement Technology，
Institute of Nuclear and New Energy Technology，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

The research introduced the basic principles and characteristics，system structure，performance index and application of dual-perspective radiography technology using one radioactive source.The technology can obtain two different perspective transmission radiography images of container solely by adding a set of detector array，so as to realize the three-dimensional inspection，effectively improve the image inspection resolution of overlapping objects and rod-shaped object，and significantly improve the detection efficiency of concealed weapons.The dual-perspective container radiography inspection technology is an important development of the conventional single-projection container inspection technology，and has been widely equipped in China customs ports.It has achieved great economic and social benefit.

60Co container inspection；dual-perspective radiography；stereo radiography

TL99；TL364

A

1000-6931（2015）09-1695-05

10.7538／yzk.2015.49.09.1695

2014-05-12；

2014-07-09

吳志芳（1968—），男，河北任縣人，研究員，博士，核技術(shù)及應(yīng)用專業(yè)