專利名稱：一種多段直線軌跡成像的貨物安全檢查系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及輻射成像技術領域，尤其涉及一種多段直線軌跡 成像的貨物安全檢查系統。
背景技術：
安全檢查在反恐、打擊販毒走私等領域具有十分重要的意義。在美國911之后，世界各國對安全檢查越來越重視，尤其在機場、車站、 海關和碼頭等公共場所，釆取了一系列安全檢查措施對旅客行李物 品、貨物集裝箱等進行嚴格檢查。目前，廣泛使用的安全檢査系統所采用的主流成像技術為輻射成 像技術。輻射成像技術根據射線的透射衰減原理，釆用射線源在檢查 對象的一側照射檢查對象，射線透過檢查對象后被射線釆集裝置接 收，射線采集裝置將接收的射線輸出給用于成像的計算機，計算機對 接收的射線進行識別并合成圖像顯示出來。采用輻射成像技術的安全 檢查系統能夠進行立體成像或透視成像。立體成像顯示的是檢查對象 的立體圖像，透視成像顯示的是檢查對象的透視圖像。由于立體成像要求射線釆集裝置接收對檢查對象進行全方位照 射射線束的透射投影數據，所以立體成像安全檢查系統一般需要利用 檢查對象和射線源二者至少有一個應能夠進行旋轉的計算機斷層成 像(ComputedTomography, CT)設備。在實際應用中，安全檢查系 統一般需要在線實時檢查，要求安全檢查系統成像速度非常快，例如 民航物品檢查，由于要求通關率是0.5米/秒，即使是大螺距的螺旋 CT設備也很難達到這個要求。另外，對于大型物體，比如海關集裝 箱，無論是集裝箱旋轉還是射線源旋轉都非常困難。再加上CT設備 成本很高，以上諸多因素使利用CT設備進行立體成像的安全檢查系
統無法廣泛應用。與立體成像安全檢查系統相比，透視成像安全檢查系統廣泛應用 于機場、車站、海關和碼頭等公共場所。但是，透視成像安全檢查系 統無法避免射線方向上物體的重疊效應，無法解決射線方向上物體的 重疊問題，導致透視成像安全檢查系統檢查能力嚴重不足。實用新型內容有鑒于此，本實用新型的主要目的在于提供一種多段直線軌跡成 像的貨物安全檢查系統，以滿足安全檢查系統快速成像的要求，解決 大型物體旋轉困難及透視成像安全檢查系統射線方向上物體重疊的 問題。為達到上述目的，本實用新型的技術方案是這樣實現的 一種多段直線軌跡成像的貨物安全檢查系統，其特征在于，該系 統包括射線發生單元，用于產生透射檢查對象的射線東，該射線東透射 檢查對象后到達數據采集單元；機械傳送單元，用于沿至少兩種不同的直線軌跡傳送所述檢查對數據釆集單元，用于接收透射檢查對象射線束的透射數據，并將接收的透射數據組合成投影數據輸出給成像單元；成像單元，用于將接收自數據釆集單元的投影數據重建為圖像。所述射線發生單元為x射線管，或為加速器射線源，或為同位素源。所述射線發生單元進一步包括輔助單元，用于射線的準直和防護。所述機械傳送單元包括傳動裝置，用于傳送檢查對象；控制裝置，用于控制傳動裝置沿與數據采集單元接收平面平行方向傳送檢查對象。所述檢查對象沿兩段或多段直線軌跡運行，在某一直線段內所述 控制裝置控制傳動裝置沿與數據采集單元接收平面平行方向勻速傳 送檢查對象。所述檢查對象在兩段直線軌跡間的銜接處勻速運行時不轉動角度。所述傳動裝置為傳送帶，或為鏈條，或為滾杠；所述控制裝置為 電機。所述數據采集單元包括探測器陣列，用于接收透射檢查對象射線束的透射數據，并將接收的透射數據輸出給數據處理電路；數據處理電路，用于將接收自探測器陣列輸入的透射數據組合成投影數據，并將組合的投影數據輸出給成像單元；數據讀出電路，用于讀出探測器陣列接收的投影數據； 邏輯控制電路，用于控制探測器陣列接收透射數據和數據處理電路傳輸投影數據同步進行。所述探測器陣列為線陣探測器，或為面陣探測器。 所述線陣探測器等距或等角排列，所述面陣探測器為平板探測器、或為柱面探測器、或為L型探測器。所述探測器陣列中的探測器為固體探測器，或為氣體探測器，或為半導體探測器。所述成像單元為計算機設備，或為計算機工作站，或為計算機群。 該系統進一步包括顯示單元，用于顯示成像單元重建的圖像。 所述顯示單元為陰極射線管CRT顯示器，或為液晶顯示器。 從上述技術方案可以看出，本實用新型提供的安全檢査系統具有以下有益效果1、由于本實用新型釆用直線軌跡掃描代替圓軌跡或螺旋軌跡掃
描，檢查對象是直線運動，不必考慮圓或者螺旋運動中的加速度問題， 所以能夠對檢查對象進行快速成像，大大提高檢查對象成像的速度， 減少檢查對象成像的時間，進而可以很好的滿足物品檢查通關率的要 求，并有助于進一步提高民航物品檢查的通關率，具有很高的巿場應 用前景和價值。2、 由于本實用新型采用直線軌跡掃描代替圓軌跡或螺旋軌跡掃 描，檢查對象是直線運動，大型物體不必再進行旋轉，解決了大型物 體旋轉困難的問題，同樣具有很高的巿場應用前景和價值。3、 由于本實用新型可以得到檢查對象的斷層圖像和立體圖像，所以本實用新型很好的解決了傳統透射成像安全檢查系統成像時存 在的物體重疊問題。4、 由于本實用新型不需要旋轉檢查對象或射線源，并利用現有 安全檢查系統中檢查對象直線傳動的特點，所以本實用新型機械設計 非常簡單，實現成本也很低。
圖l是本實用新型提供的多段直線軌跡成像的貨物安全檢查系統總體技術方案的結構框圖；圖2是L型面陣探測器的示意圖；圖3是依照本實用新型第一個實施例兩段直線軌跡成像貨物安全 檢查系統的平面示意圖；圖4是基于圖3貨物安全檢查系統中單段直線軌跡掃描示意圖；圖5是依照本實用新型第二個實施例多段直線軌跡成像貨物安全 檢查系統的平面示意圖。圖中201、待檢物品，210、面陣探測器，211、探測器陣列I， 212、探測器陣列，213、探測器陣列III, 214、探測器陣列IV, 220、 X射線源，221、射線源I, 222、射線源II， 223、射線源，224、射 線源IV, 231、運動軌跡I， 232、運動軌跡II， 233、運動軌跡III， 234、
運動軌跡IV， 241、射線張角。
具體實施方式
以下實施例用于說明本實用新型，但不用來限制本實用新型的保 護范圍。本實用新型的核心內容是通過釆用沿與數據釆集單元接收平面 平行方向傳送檢查對象的機械傳送單元，以及產生張角約為180度的 射線東照射檢查對象的射線發生單元，并采用直線濾波反投影算法， 使數據采集單元能夠接收透射檢查對象射線東的全方位透射數據，并 將接收的全方位透射數據組合成投影數據輸出給成像單元，成像單元 根據直線濾波反投影算法將接收的投影數據重建為立體圖像或透視 圖像輸出給顯示單元顯示出來。如圖1所示，圖1為本實用新型提供的多段直線軌跡成像的貨物 安全檢查系統總體技術方案的結構框圖，該系統包括射線發生單元 101、機械傳送單元102、數據釆集單元103和成像單元104。其中，射線發生單元IOI，用于產生透射檢查對象的射線東，該 射線東透射檢查對象后到達數據釆集單元103。射線發生單元101可以 為X射線管、加速器射線源或同位素源。為了產生張角約為180度的 射線東，射線發生單元101—般可以使用兩個或兩個以上的射線源。 另外，射線發生單元101還可以進一步包括輔助單元，用于射線的準 直和防護，并保證射線張角能夠覆蓋數據采集中的探測器陣列。機械傳送單元102，用于沿與數據釆集單元103接收平面平行方 向傳送檢查對象。機械傳送單元102至少包括用于傳送檢查對象的傳 動裝置和用于控制傳動裝置沿與數據釆集單元103接收平面平行方 向傳送檢查對象的控制裝置。在檢查對象沿兩段或多段直線軌跡運行 過程中，在某一直線軌跡內控制裝置控制傳動裝置沿與數據釆集單元 接收平面平行方向勻速傳送檢查對象，檢查對象在兩段直線軌跡間的 銜接處勻速運行時不轉動角度。一般情況下，傳動裝置可以為傳送帶、
鏈條，滾杠等，控制裝置可以為電機。數據釆集單元103,用于接收透射檢查對象射線東的透射數據， 并將接收的透射數據組合成投影數據輸出給成像單元104。數據釆集單元103至少包括探測器陣列、數據處理電路、數據讀出電路和邏輯 控制電路。其中，探測器陣列用于接收透射檢查對象射線東的透射數據，并 將接收的透射數據輸出給數據處理電路。探測器陣列至少應為兩個， 且探測器陣列的個數與直線軌跡段數相同，各探測器陣列接收平面與 相應射線源所成角度之和最佳為180度，大于180度或者小于180度也 是可以的。探測器陣列可以為線陣探測器，也可以為面陣探測器。線陣探測 器排列方式可以是等距或等角。面陣探測器可以是平板、柱面以及L 型探測器。其中，L型面陣探測器如圖2所示，圖2為L型面陣探測器 的示意圖。與平板或者柱面相比，在覆蓋相同高度物體時，L型排列 可以大大節省探測器數目。線陣探測器或面陣探測器中的探測器可以 為固體探測器、氣體探測器或半導體探測器。探測器陣列一般放置在 射線源的對面。在兩段直線軌道掃描的貨物安全檢查系統中，需要兩個探測器陣 列， 一般情況下，兩個探測器陣列接收平面所成的角度為90度。在 兩段直線軌道掃描的安全檢查系統中兩個探測器陣列之間的位置關 系可參見圖3,圖3為依照本實用新型第一個實施例兩段直線軌跡成 像貨物安全檢查系統的平面示意圖。在多段直線軌道掃描的貨物安全檢查系統中，多個探測器陣列之 間的位置關系可參見圖5，圖5為依照本實用新型第二個實施例多段 直線軌跡成像貨物安全檢查系統的平面示意圖。在兩段或多段直線軌道掃描的貨物安全檢查系統中，如果在檢查對象的某一直線軌跡上存在多個探測器陣列，則單段探測器陣列總長 度K與射線源到探測器陣列的垂直距離r有關，在射線東張角①一定 的情況下，距離r越大，總長度K越大，o、 K和r滿足公式 K = 2rtan|。為得到180度的投影數據，射線東張角e與直線段的段數N滿足公式0)-180/W。參數o、 K和r所表示的物理意義可參見圖 3或圖5。在探測器陣列接收透射數據時，由于要求接收透射數據的時間間 隔&是均勻的，所以待查物品應勻速運動。假設待查物品的運動速度 為v,則在本實用新型提供的貨物安全檢查系統中探測器陣列接收透射數據空間等效釆樣間隔為Arf-v^。另外，所有探測器陣列應同步采集，單次釆集的透射數據組成投影數據的一層，每層投影數據被探 測器陣列輸出給數據處理電路，數據處理電路將接收的多層投影數據組合成投影體數據輸出給成像單元104，成像單元104將接收的投影 數據重建為立體圖像或透視圖像。數據處理電路用于將接收自探測器陣列輸入的單層透射數據組 合成投影數據，并將組合的投影數據輸出給成像單元104。數據讀出電路，用于讀出探測器陣列接收的投影數據。邏輯控制電路，用于控制探測器陣列接收透射數據和數據處理電 路傳輸投影數據同步進行。成像單元104,用于將接收自數據采集單元103的投影數據重建為 圖像。成像單元104可以將接收自數據釆集單元的投影數據重建為立 體圖像，也可以重建為透視圖像。成像單元104將接收自數據采集單元103的投影數據重建為圖像 是根據直線濾波反投影算法進行的。使用該算法，分別對各段直線軌 跡掃描下得到的投影數據做重建，然后將各部分重建組合起來形成最終圖像。直線濾波反投影算法的原理如下假設數據采集單元103中的探測器陣列等距排列，數據^(/，f，z)表 示探測器陣列在物體運動到沿X方向坐標為t位置時，第z層坐標位置 為t的探測器釆集的投影值。其中，t,z都是探測器陣列等效到物體直 線運動的中心線上之后的數值。另假設D為射線源到直線運動中心線 的距離，士tm表征探測器陣列在X軸方向的最大和最小位置，則被照物體<formula>formula see original document page 11</formula>的 一種近似估計<formula>formula see original document page 11</formula>)為<formula>formula see original document page 11</formula>其中，<formula>formula see original document page 11</formula>h為卷積函數核，理論值為<formula>formula see original document page 11</formula>一般釆用S-L濾波 函數，函數h的離散形式為<formula>formula see original document page 11</formula>以上是單直線的重建算法，對于N段直線軌跡下，重建圖像是 各段重建結果之和。采用FDK的重建思想，N段的直線濾波反投影 重建公式可以寫為<formula>formula see original document page 11</formula>
這里我們用下標i表示第i段探測器對應的掃描參數和重建參數。 "i是第i段直線軌跡相對于X方向的角度。可以看出，對于多段直線軌跡成像，如果總的掃描角度大于等于180度，中心平面重建是精確 的。非中心平面存在圓軌道錐束相似的大錐角問題。但是，由于我們 的掃描軌跡在單個角度的投影數據總是準確的平行東掃描，因此我們 的重建圖像優于圓軌道錐東的FDK重建結果。直線濾波反投影算法的特點是沿數據釆集方向/對接收的投影 體數據進行濾波處理，沿探測器方向f對接收的投影體數據進行積分 實現反投影處理。該特點是由直線掃描軌跡決定的。直線濾波反投影 算法與將采集的數據重排為平行束的重排算法相比，能夠更加充分的 利用接收的每一個有效的投影體數據，進而能夠更好的保持重建圖像 的分辨率，對數據截斷的敏感也遠低于重排算法。如果成像單元104將接收自數據釆集單元的投影數據重建為立體 圖像，則重建過程包括成像單元釆用直線濾波反投影等重建算法在 數據釆集方向對接收自數據釆集單元的投影數據進行濾波處理，沿探 測器方向對濾波處理后的投影數據進行積分實現反投影，生成斷層圖 像，并將生成的斷層圖像組合為立體圖像。如果成像單元104將接收自數據釆集單元的投影數據重建為透視 圖像，則重建過程包括成像單元對接收自數據釆集單元的投影數據 進行組合，生成單個角度或多個角度下的透視圖像。具體組合時，成 像單元可以使用兩段或者多段探測器陣列中的某 一 列或多列數據進 行組合。進一步，成像單元104將接收自數據采集單元的投影數據重建為 圖像的過程中還可以包括成像單元104釆用探測器不一致性、硬化、
散射校正、金屬偽影校正和圖像處理與模式識別五種處理方式之一或 五種處理方式的任意組合，對接收自數據釆集單元的透射投影體數據 進行處理。所述圖像處理與模式識別處理包括圖像增強、邊緣檢測和 危險品智能識別三者之一或三者的任意組合。成像單元104可以為計算機設備、計算機工作站或計算機群。進一步，本實用新型提供的多段直線軌跡成像的貨物安全檢查系統還可以包括顯示單元105,用于顯示成像單元104輸入的立體圖像或 透視圖像。所述顯示單元105可以為陰極射線管(Cathode Ray Tube, CRT)顯示器，也可以為液晶顯示器。實施例l如圖3所示，圖3為依照本實用新型第一個實施例兩段直線軌跡成 像貨物安全檢查系統的平面示意圖。在本實施例中，作為射線發生單元101的X射線源220有兩個， 分別為射線源I 221和射線源11222。射線源I 221或射線源II222可 以為X射線管、加速器射線源或同位素源，具體采用X射線源的種 類可以根據檢查對象的尺寸大小和實際應用場景來確定。X射線源發 出射線束的射線張角241為90度，在水平方向照射檢查對象。機械傳送單元102中的控制裝置控制傳動裝置承載待檢物品沿 運動軌跡I 231和運動軌跡I1232勻速運行，并且檢查對象在運動軌 跡I 231和運動軌跡II232的銜接處勻速運行時不轉動角度。數據采集單元103為兩組面陣探測器210，分別位于射線源I 221 和射線源II222的對面，面陣探測器210接收平面垂直于機械傳送單 元102傳動裝置傳動平臺所在的平面。兩組面陣探測器的接收平面之 間成90度。成像單元104為一個計算機工作站，用于完成對整個安全檢査系 統的控制、數據傳輸、圖像重建以及數據處理等工作。數據釆集單元103的兩組面陣探測器接收的透射投影體數據被輸入到計算機工作站后，計算機工作站根據直線濾波反投影算法將接 收的投影數據重建為檢查對象的透射圖像、斷層圖像或立體圖像，并 將重建的透射圖像、斷層圖像或立體圖像在顯示器上顯示出來。如圖4所示，圖4為基于圖3貨物安全檢查系統中單段直線軌跡掃描示意圖。X射線源220發出水平張角為O的射線東，在水平方向 上照射在傳送帶上勻速運行的待檢物品201,射線束經檢查對象透射 后到達面陣探測器210的接收平面，面陣探測器接收平面接收射線東 的透射投影數據，并組合成射線東的投影數據輸出給計算機，計算機 根據直線濾波反投影算法對接收的投影數據進行圖像重建，然后在顯 示器上顯示重建的圖像。實施例2如圖5所示，圖5為依照本實用新型第二個實施例多段直線軌跡成 像貨物安全檢查系統的平面示意圖。在本實施例中，整個安全檢查系統的掃描由四段直線軌跡組成， 作為射線發生單元的X射線源220有4個，分別為射線源I221、射 線源11222、射線源I11223和射線源IV224。射線源I 221、射線源II 222、射線源I11223和射線源IV224可以為X射線管、加速器射線源 或同位素源，具體采用X射線源的種類可以根據檢査對象的尺寸大 小和實際應用場景來確定。每個X射線源發出射線東的射線張角241為45度，各探測器陣 列接收平面與相應射線源所成角度之和為180度。機械傳送單元中的控制裝置控制傳動裝置承載待檢物品201沿 運動軌跡I231、運動軌跡11232、運動軌跡I11233和運動軌跡IV234 勻速運行，并且檢查對象在各運動軌跡間的銜接處勻速運行時不轉動 角度。數據釆集單元為4組面陣探測器210，分別位于射線源I 221、 射線源11222、射線源III223和射線源IV224的對面，面陣探測器210 接收平面垂直于機械傳送單元傳動裝置傳動平臺所在的平面。相鄰兩 組面陣探測器的接收平面之間成135度角。成像單元為一個計算機工作站，用子完成對整個安全檢查系統的 控制、數據傳輸、圖像重建以及數據處理等工作。數據釆集單元的4組面陣探測器將投影數據被輸入到計算機工作 站后，計算機工作站根據直線濾波反投影算法將接收的投影數據重建 為檢查對象的透射圖像、斷層圖像或立體圖像，并將重建的透射圖像、 斷層圖像或立體圖像在顯示器上顯示出來。在本實施例中，釆用直線濾波反投影算法重建立體圖像或釆用直 線濾波反投影算法重建的斷層圖像與透視圖的結果與本實用新型所 舉的實施例l相同，為簡明起見，這里就不再贅述。以上僅為本實用新型的實施例而已，并不用于限制本實用新型， 依據本實用新型公開的內容，本領域的普通技術人員能夠顯而易見地 想到的一些雷同、替代方案，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
權利要求1、一種多段直線軌跡成像的貨物安全檢查系統，其特征在于，該系統包括射線發生單元，用于產生透射檢查對象的射線束，該射線束透射檢查對象后到達數據采集單元；機械傳送單元，用于沿至少兩種不同的直線軌跡傳送所述檢查對象；數據采集單元，用于接收透射檢查對象射線束的透射數據，并將接收的透射數據組合成投影數據輸出給成像單元；成像單元，用于將接收自數據采集單元的投影數據重建為圖像。
2、 根據權利要求l所述的系統，其特征在于，所述射線發生單元 為X射線管，或為加速器射線源，或為同位素源。
3、 根據權利要求l所述的系統，其特征在于，所述射線發生單元進一步包括輔助單元，用于射線的準直和防護。
4、 根據權利要求l所述的系統，其特征在于，所述機械傳送單元 包括傳動裝置，用于傳送檢查對象；控制裝置，用于控制傳動裝置沿與數據釆集單元接收平面平行方 向傳送檢查對象。
5、 根據權利要求4所述的系統，其特征在于，所述檢查對象沿兩 段或多段直線軌跡運行，在某一直線段內所述控制裝置控制傳動裝置 沿與數據采集單元接收平面平行方向勻速傳送檢查對象。
6、 根據權利要求5所述的系統，其特征在于，所述檢查對象在兩 段直線軌跡間的銜接處勻速運行時不轉動角度。
7、 根據權利要求4所述的系統，其特征在于，所述傳動裝置為傳 送帶，或為鏈條，或為滾杠；所述控制裝置為電機。
8、 根據權利要求l所述的系統，其特征在于，所述數據釆集單元 包括探測器陣列，用于接收透射檢查對象射線束的透射數據，并將接 收的透射數據輸出給數據處理電路；數據處理電路，用于將接收自探測器陣列輸入的透射數據組合成投影數據，并將組合的投影數據輸出給成像單元；數據讀出電路，用于讀出探測器陣列接收的投影數據； 邏輯控制電路，用于控制探測器陣列接收透射數據和數據處理電路傳輸投影數據同步進行。
9、 根據權利要求8所述的系統，其特征在于，所述探測器陣列為 線陣探測器，或為面陣探測器。
10、 根據權利要求9所述的系統，其特征在于，所述線陣探測器等距或等角排列，所述面陣探測器為平板探測器、或為柱面探測器、或為L型探測器。
11、 根據權利要求9所述的系統，其特征在于，所述探測器陣列中的探測器為固體探測器，或為氣體探測器，或為半導體探測器。
12、 根據權利要求l所述的系統，其特征在于，所述成像單元為 計算機設備，或為計算機工作站，或為計算機群。
13、 根據權利要求l所述的系統，其特征在于，該系統進一步包 括顯示單元，用于顯示成像單元重建的圖像。
14、 根據權利要求13所述的系統，其特征在于，所述顯示單元為 陰極射線管CRT顯示器，或為液晶顯示器。
專利摘要本實用新型涉及輻射成像技術領域，尤其涉及一種多段直線軌跡成像的貨物安全檢查系統，該系統包括射線發生單元，用于產生透射檢查對象的射線束，該射線束透射檢查對象后到達數據采集單元；機械傳送單元，用于沿與數據采集單元接收平面平行方向傳送檢查對象；數據采集單元，用于接收透射檢查對象射線束的透射數據，并將接收的透射數據組合成投影數據輸出給成像單元；成像單元，用于將接收自數據采集單元的投影數據重建為圖像。利用本實用新型，能夠對檢查對象進行快速成像，同時解決了大型物體旋轉困難及傳統透射成像安全檢查系統成像時存在的物體重疊問題。
文檔編號G01N23/04GK201043954SQ20062011371
公開日2008年4月2日 申請日期2006年5月8日 優先權日2006年5月8日
發明者劉以農, 康克軍, 麗 張, 李元景, 李薦民, 肖永順, 胡海峰, 趙自然, 邢宇翔, 陳志強, 高河偉 申請人:清華大學;同方威視技術股份有限公司
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