60Co雙投影輻射成像系統(tǒng)中的輻射信息處理與實現(xiàn)

郭肖靜，叢 鵬，陳 柳，孫躍文

(1.清華大學 核能與新能源技術(shù)研究院，北京 100084；2.核檢測技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100084)

自1999年第1套60Co集裝箱檢測系統(tǒng)在馬尾投入運行以來，系列產(chǎn)品已銷售安裝超過200套，清華大學針對用戶需求，研制出了不同類型的產(chǎn)品，形成了完整的產(chǎn)品系列[1]。該類技術(shù)具有價格低廉、輻射強度小、占地面積小、操作和修護簡單方便、可靠性與穩(wěn)定性好等優(yōu)點[2]。但傳統(tǒng)技術(shù)只能得到側(cè)面一個方向的投影圖像，獲得的物體內(nèi)部信息有限。在核能開發(fā)項目的支持下，清華大學成功研制了一種雙投影車輛檢查系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用兩個60Co放射源，可同時獲得側(cè)視、仰視兩個方向的投影圖像，增加了一個正交方向的投影，可有效改善單投影系統(tǒng)測量能力不足的問題[4]，有助于更好地識別屏蔽良好的放射性物質(zhì)、槍支等危險品，對于防范核恐怖主義破壞、核材料盜竊等具有重要意義。雙投影技術(shù)使用“雙源-雙探測器”模式，需考慮兩個源之間的散射影響、正交輻射探測數(shù)據(jù)的信息挖掘和同步處理、軟件架構(gòu)的設計，需要研究散射影響，改進算法，重新開發(fā)采集與審圖全套軟件。因此本研究的主要內(nèi)容是對兩個放射源之間的光子散射進行校正，對校正后的輻射信息進行處理，并對處理流程進行工程實現(xiàn)，從而獲得更加清晰的輻射圖像，實現(xiàn)全流程的輻射信息處理。

1 60Co雙投影車輛安檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

60Co雙投影車輛安檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示于圖 1，主要包括射線源裝置、陣列探測器、機械及控制子系統(tǒng)、采集與審圖子系統(tǒng)、輻射安全與聯(lián)鎖子系統(tǒng)等。其中射線源裝置采用兩個活度分別為100 Ci的60Co放射源，分別安置在可移動門架上的底部中央和側(cè)方立柱上。兩排高壓氣體陣列電離室作為探測器分別固定在門架的前、后兩側(cè)，并且分別對準兩個放射源，用于采集輻射數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)的門架寬度約為5.4 m，兩個放射源間的水平距離約為2.7 m，兩排陣列探測器的間距約20 cm。在系統(tǒng)檢測過程中，同時開啟兩個射線源，門架和射線源在機械及控制子系統(tǒng)的帶動下同步運動，即可對被檢車輛實施檢測，沿車長方向的掃描尺寸約12 m，掃描時間約1 min。系統(tǒng)的側(cè)視和底視探測器分別采用54組和36組16路規(guī)格的氣體電離室模塊，具有探測效率與靈敏度高、響應時間快、耐輻照、穩(wěn)定和工作壽命長等優(yōu)點，其對60Co的γ射線的探測效率>40%，響應時間<3 ms，只要不發(fā)生漏氣就可一直使用，同時還能在高溫、潮濕等惡劣的環(huán)境條件下穩(wěn)定工作[16]。

圖1 60Co雙投影車輛安檢系統(tǒng)示意圖

掃描成像得到的輻射圖像中的灰度信息反映射線穿過路徑上物質(zhì)對于射線累積衰減的效果。由于待測物體內(nèi)部包含有各類密度不同、形狀不同的物體，在單源系統(tǒng)獲得的單投影輻射圖像中只能顯示出灰度不同、輪廓不同的圖像，若物品有疊加，可能出現(xiàn)高密度物體對低密度物體的遮擋。通過增加一個垂直于單源系統(tǒng)射線方向的放射源，可以大致確定疊加物體的尺寸及密度信息[4]，為審圖提供更加豐富的信息。

2 輻射信息處理問題

本工作要在實現(xiàn)單投影系統(tǒng)功能的基礎上，著重解決“雙投影”成像帶來的如下輻射信息處理問題。

2.1 雙源之間的光子散射影響

雙投影輻射成像技術(shù)比傳統(tǒng)單投影系統(tǒng)增加了一個60Co放射源，兩源橫向水平距離約20 cm，由于散射的存在，兩個投影平面的成像會相互干擾，本系統(tǒng)的散射主要分為兩類：1)兩個投影平面之間的散射問題，如來自底源的散射線進入側(cè)視探測器中而形成干擾噪聲；2)同一投影平面內(nèi)的散射問題[5]。以側(cè)源對底源所對應探測器的散射影響為例，開展散射實驗測定，結(jié)果示于圖2、圖3。

圖2 側(cè)源對底源探測器的零點影響

圖3 側(cè)源對底源探測器的空載影響

圖2為零點散射影響，曲線Top1為兩源關(guān)閉時的底源探測器讀數(shù)，曲線Top2為側(cè)源打開、底源關(guān)閉時的底源探測器讀數(shù)，Top2-Top1為兩組讀數(shù)的差值，也就是散射影響；圖3為空載散射影響，此時將底源打開，曲線Top3和Top4分別是側(cè)源關(guān)閉和打開時的探測器讀數(shù)，Top4-Top3為二者差值?？梢钥吹?，側(cè)源對底源零點的散射影響高達60%，對空載的影響約占5%，并會在投影圖像上疊加一個散射投影圖，干擾審圖，因此需要進行散射校正。

2.2 輻射圖像處理算法

所得到的輻射圖像需要經(jīng)過歸一化校正、灰度非線性變換、偽彩色變換等處理，以得到高質(zhì)量的圖像供審查員審核。除了實現(xiàn)基本的輻射圖像處理算法，還要進一步改進。車身以外的部分為空載數(shù)據(jù)，而對于圖像判別的有用信息集中在車身部分，空載相當于噪聲，若對空載數(shù)據(jù)進行扣除后再施加圖像處理操作，可以更加有針對性；另外，輻射圖像顯示時若能自適應提供較好的直方圖均衡化效果，可以減少主觀判斷和審查的時間；對于多次出入的車輛圖像進行剪影，可快速發(fā)現(xiàn)車內(nèi)的可疑物品。

2.3 正交輻射信息的處理和分析

雙投影系統(tǒng)比單投影系統(tǒng)增加了54組輻射探測模塊，輻射信息量也增加到原來的2.5倍。要求實時采集和處理，對兩幅圖像實現(xiàn)關(guān)聯(lián)和同步處理，并實現(xiàn)如下功能：完成對探測器輸出數(shù)據(jù)的采集和校正，從而生成輻射圖像[3]；實現(xiàn)輻射圖像的處理、分析和顯示，其中要實現(xiàn)完整的圖像處理算法體系；實現(xiàn)讀寫數(shù)據(jù)庫，作為數(shù)據(jù)存儲和傳輸?shù)闹行?；實現(xiàn)全部外接硬件的數(shù)據(jù)交互。據(jù)此，設計了功能模塊和軟件架構(gòu)，功能流程圖示于圖4，包括輻射信息采集、輻射信息處理與分析、網(wǎng)絡服務器和外接設備四個模塊，各個模塊有機協(xié)作，可實現(xiàn)高速、高可靠、低延時的數(shù)據(jù)傳輸，以及全方位的輻射數(shù)據(jù)呈現(xiàn)和處理。

圖4 功能模塊和軟件架構(gòu)

3 輻射信息處理方法

3.1 散射校正

首先采用物理隔離法，在側(cè)源準直縫靠近底源探測器的一側(cè)，放置1 cm厚的鉛皮，減少側(cè)源對底源探測器的影響，結(jié)果示于圖5，底源探測器計數(shù)明顯下降；在底源準直縫頂部和側(cè)面放一層10 cm厚的鉛磚，結(jié)果如圖6所示，側(cè)源探測器的計數(shù)明顯降低。其次，由于電離室探測器時間的不一致性，輻射圖像在采集階段需經(jīng)過灰度校正，以消除電離室不一致性帶來的圖像橫紋，校正公式中需要用到零點，而散射對零點的影響高達60%，因此對校正公式進行改進，去除多余的散射信號影響，如公式(1)所示，能夠降低散射對灰度校正的影響。

圖5 鉛磚對底源探測器零點信號的影響

圖6 鉛磚對側(cè)源探測器零點信號的影響

v′[n]=(v[n]-z[n]-s[n])×

(1)

其中，v′[n]為灰度校正后光子數(shù)，v[n]為灰度校正前光子數(shù)，z[n]為零點數(shù)據(jù)，s[n]為散射光子。

3.2 圖像處理算法改進

首先實現(xiàn)空載噪聲去除。通過輻射圖像插值和對比，檢測出圖像的四個邊緣，將有用的車身圖像限定在一個矩形區(qū)域內(nèi)，其以外的數(shù)據(jù)認為是空載數(shù)據(jù)，予以扣除，這樣在實施圖像處理時可排除空載輻射數(shù)據(jù)的干擾；其次實現(xiàn)圖像自適應的對比度調(diào)節(jié)，在輻射圖像的直方圖中會有兩個波峰，其中一個是空載光子數(shù)，另一個是射線穿過車身后的輻射光子數(shù)，可在一次采集完成、顯示輻射圖像之前，對圖像的直方圖進行統(tǒng)計，找到直方圖中的兩個波峰，將窗寬窗位調(diào)至波峰位置，使顯示的圖像對比度更強，呈現(xiàn)出更易于人眼分辨的對比度和亮度，更利于審圖員觀察。

3.3 輻射信息處理平臺的工程實現(xiàn)

基于Windows 10的64位操作系統(tǒng)，在C#環(huán)境下，設計和實現(xiàn)針對雙投影技術(shù)的輻射信息處理平臺，從服務器獲取掃描圖像，進行多方位輻射信息處理和分析，對圖像進行灰度變換、分割、銳化、局部處理等操作，能夠?qū)梢刹课贿M行標識，通過對兩個視圖的分析和對比進而對車輛內(nèi)是否存在違禁品做出初步判斷，該平臺也是操作員與系統(tǒng)交互的接口，在整個系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。圖7為該平臺的功能列表，圖8為所實現(xiàn)的輻射信息處理平臺掃描圖。

圖7 輻射信息處理平臺功能

圖8 輻射信息處理平臺掃描圖

4 結(jié)論

60Co雙投影輻射成像系統(tǒng)已經(jīng)在我國某核設施出入口投入使用。本文基于該系統(tǒng)，設計和實現(xiàn)了完整的輻射信息處理平臺，該平臺以60Co雙投影輻射成像檢查系統(tǒng)為核心，通過軟、硬件一體化的綜合輻射成像技術(shù)，有效改善了兩個放射源之間的伽馬光子散射影響，進一步改進了輻射圖像處理算法，并在主流開發(fā)環(huán)境下完成了工程實現(xiàn)。清華大學在單投影60Co集裝箱檢查系統(tǒng)的基礎上，研制了一種雙投影的大型客體輻射成像系統(tǒng)，能夠同時得到被檢客體的水平和垂直投影圖像。通過對兩個放射源之間的散射進行校正，建立功能齊全的輻射信息處理平臺，并對其中的輻射圖像處理算法進行改進，是整個系統(tǒng)的重要組成部分。