郭肖靜，叢 鵬，陳 柳，孫躍文

(1.清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院，北京 100084；2.核檢測(cè)技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

自1999年第1套60Co集裝箱檢測(cè)系統(tǒng)在馬尾投入運(yùn)行以來(lái)，系列產(chǎn)品已銷(xiāo)售安裝超過(guò)200套，清華大學(xué)針對(duì)用戶(hù)需求，研制出了不同類(lèi)型的產(chǎn)品，形成了完整的產(chǎn)品系列[1]。該類(lèi)技術(shù)具有價(jià)格低廉、輻射強(qiáng)度小、占地面積小、操作和修護(hù)簡(jiǎn)單方便、可靠性與穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)[2]。但傳統(tǒng)技術(shù)只能得到側(cè)面一個(gè)方向的投影圖像，獲得的物體內(nèi)部信息有限。在核能開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的支持下，清華大學(xué)成功研制了一種雙投影車(chē)輛檢查系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用兩個(gè)60Co放射源，可同時(shí)獲得側(cè)視、仰視兩個(gè)方向的投影圖像，增加了一個(gè)正交方向的投影，可有效改善單投影系統(tǒng)測(cè)量能力不足的問(wèn)題[4]，有助于更好地識(shí)別屏蔽良好的放射性物質(zhì)、槍支等危險(xiǎn)品，對(duì)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(cè)器”模式，需考慮兩個(gè)源之間的散射影響、正交輻射探測(cè)數(shù)據(jù)的信息挖掘和同步處理、軟件架構(gòu)的設(shè)計(jì)，需要研究散射影響，改進(jìn)算法，重新開(kāi)發(fā)采集與審圖全套軟件。因此本研究的主要內(nèi)容是對(duì)兩個(gè)放射源之間的光子散射進(jìn)行校正，對(duì)校正后的輻射信息進(jìn)行處理，并對(duì)處理流程進(jìn)行工程實(shí)現(xiàn)，從而獲得更加清晰的輻射圖像，實(shí)現(xiàn)全流程的輻射信息處理。

1 60Co雙投影車(chē)輛安檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

60Co雙投影車(chē)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(cè)器、機(jī)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(gè)活度分別為100 Ci的60Co放射源，分別安置在可移動(dòng)門(mén)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(cè)器分別固定在門(mén)架的前、后兩側(cè)，并且分別對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)放射源，用于采集輻射數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)的門(mén)架寬度約為5.4 m，兩個(gè)放射源間的水平距離約為2.7 m，兩排陣列探測(cè)器的間距約20 cm。在系統(tǒng)檢測(cè)過(guò)程中，同時(shí)開(kāi)啟兩個(gè)射線源，門(mén)架和射線源在機(jī)械及控制子系統(tǒng)的帶動(dòng)下同步運(yùn)動(dòng)，即可對(duì)被檢車(chē)輛實(shí)施檢測(cè)，沿車(chē)長(zhǎng)方向的掃描尺寸約12 m，掃描時(shí)間約1 min。系統(tǒng)的側(cè)視和底視探測(cè)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(cè)效率與靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間快、耐輻照、穩(wěn)定和工作壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，其對(duì)60Co的γ射線的探測(cè)效率>40%，響應(yīng)時(shí)間<3 ms，只要不發(fā)生漏氣就可一直使用，同時(shí)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(chē)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(guò)路徑上物質(zhì)對(duì)于射線累積衰減的效果。由于待測(cè)物體內(nèi)部包含有各類(lèi)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(duì)低密度物體的遮擋。通過(guò)增加一個(gè)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(wèn)題

本工作要在實(shí)現(xiàn)單投影系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，著重解決“雙投影”成像帶來(lái)的如下輻射信息處理問(wèn)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(gè)60Co放射源，兩源橫向水平距離約20 cm，由于散射的存在，兩個(gè)投影平面的成像會(huì)相互干擾，本系統(tǒng)的散射主要分為兩類(lèi)：1)兩個(gè)投影平面之間的散射問(wèn)題，如來(lái)自底源的散射線進(jìn)入側(cè)視探測(cè)器中而形成干擾噪聲；2)同一投影平面內(nèi)的散射問(wèn)題[5]。以側(cè)源對(duì)底源所對(duì)應(yīng)探測(cè)器的散射影響為例，開(kāi)展散射實(shí)驗(yàn)測(cè)定，結(jié)果示于圖2、圖3。

圖2 側(cè)源對(duì)底源探測(cè)器的零點(diǎn)影響

圖3 側(cè)源對(duì)底源探測(cè)器的空載影響

圖2為零點(diǎn)散射影響，曲線Top1為兩源關(guān)閉時(shí)的底源探測(cè)器讀數(shù)，曲線Top2為側(cè)源打開(kāi)、底源關(guān)閉時(shí)的底源探測(cè)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(shí)將底源打開(kāi)，曲線Top3和Top4分別是側(cè)源關(guān)閉和打開(kāi)時(shí)的探測(cè)器讀數(shù)，Top4-Top3為二者差值?？梢钥吹?，側(cè)源對(duì)底源零點(diǎn)的散射影響高達(dá)60%，對(duì)空載的影響約占5%，并會(huì)在投影圖像上疊加一個(gè)散射投影圖，干擾審圖，因此需要進(jìn)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(guò)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(shí)現(xiàn)基本的輻射圖像處理算法，還要進(jìn)一步改進(jìn)。車(chē)身以外的部分為空載數(shù)據(jù)，而對(duì)于圖像判別的有用信息集中在車(chē)身部分，空載相當(dāng)于噪聲，若對(duì)空載數(shù)據(jù)進(jìn)行扣除后再施加圖像處理操作，可以更加有針對(duì)性；另外，輻射圖像顯示時(shí)若能自適應(yīng)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(shí)間；對(duì)于多次出入的車(chē)輛圖像進(jìn)行剪影，可快速發(fā)現(xiàn)車(chē)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(cè)模塊，輻射信息量也增加到原來(lái)的2.5倍。要求實(shí)時(shí)采集和處理，對(duì)兩幅圖像實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)和同步處理，并實(shí)現(xiàn)如下功能：完成對(duì)探測(cè)器輸出數(shù)據(jù)的采集和校正，從而生成輻射圖像[3]；實(shí)現(xiàn)輻射圖像的處理、分析和顯示，其中要實(shí)現(xiàn)完整的圖像處理算法體系；實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)庫(kù)，作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸?shù)闹行?；?shí)現(xiàn)全部外接硬件的數(shù)據(jù)交互。據(jù)此，設(shè)計(jì)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(luò)服務(wù)器和外接設(shè)備四個(gè)模塊，各個(gè)模塊有機(jī)協(xié)作，可實(shí)現(xiàn)高速、高可靠、低延時(shí)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(zhǔn)直縫靠近底源探測(cè)器的一側(cè)，放置1 cm厚的鉛皮，減少側(cè)源對(duì)底源探測(cè)器的影響，結(jié)果示于圖5，底源探測(cè)器計(jì)數(shù)明顯下降；在底源準(zhǔn)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(cè)器的計(jì)數(shù)明顯降低。其次，由于電離室探測(cè)器時(shí)間的不一致性，輻射圖像在采集階段需經(jīng)過(guò)灰度校正，以消除電離室不一致性帶來(lái)的圖像橫紋，校正公式中需要用到零點(diǎn)，而散射對(duì)零點(diǎn)的影響高達(dá)60%，因此對(duì)校正公式進(jìn)行改進(jìn)，去除多余的散射信號(hào)影響，如公式(1)所示，能夠降低散射對(duì)灰度校正的影響。

圖5 鉛磚對(duì)底源探測(cè)器零點(diǎn)信號(hào)的影響

圖6 鉛磚對(duì)側(cè)源探測(cè)器零點(diǎn)信號(hào)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(diǎn)數(shù)據(jù)，s[n]為散射光子。

3.2 圖像處理算法改進(jìn)

首先實(shí)現(xiàn)空載噪聲去除。通過(guò)輻射圖像插值和對(duì)比，檢測(cè)出圖像的四個(gè)邊緣，將有用的車(chē)身圖像限定在一個(gè)矩形區(qū)域內(nèi)，其以外的數(shù)據(jù)認(rèn)為是空載數(shù)據(jù)，予以扣除，這樣在實(shí)施圖像處理時(shí)可排除空載輻射數(shù)據(jù)的干擾；其次實(shí)現(xiàn)圖像自適應(yīng)的對(duì)比度調(diào)節(jié)，在輻射圖像的直方圖中會(huì)有兩個(gè)波峰，其中一個(gè)是空載光子數(shù)，另一個(gè)是射線穿過(guò)車(chē)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(duì)圖像的直方圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，找到直方圖中的兩個(gè)波峰，將窗寬窗位調(diào)至波峰位置，使顯示的圖像對(duì)比度更強(qiáng)，呈現(xiàn)出更易于人眼分辨的對(duì)比度和亮度，更利于審圖員觀察。

3.3 輻射信息處理平臺(tái)的工程實(shí)現(xiàn)

基于Windows 10的64位操作系統(tǒng)，在C#環(huán)境下，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)針對(duì)雙投影技術(shù)的輻射信息處理平臺(tái)，從服務(wù)器獲取掃描圖像，進(jìn)行多方位輻射信息處理和分析，對(duì)圖像進(jìn)行灰度變換、分割、銳化、局部處理等操作，能夠?qū)梢刹课贿M(jìn)行標(biāo)識(shí)，通過(guò)對(duì)兩個(gè)視圖的分析和對(duì)比進(jìn)而對(duì)車(chē)輛內(nèi)是否存在違禁品做出初步判斷，該平臺(tái)也是操作員與系統(tǒng)交互的接口，在整個(gè)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。圖7為該平臺(tái)的功能列表，圖8為所實(shí)現(xiàn)的輻射信息處理平臺(tái)掃描圖。

圖7 輻射信息處理平臺(tái)功能

圖8 輻射信息處理平臺(tái)掃描圖

4 結(jié)論

60Co雙投影輻射成像系統(tǒng)已經(jīng)在我國(guó)某核設(shè)施出入口投入使用。本文基于該系統(tǒng)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了完整的輻射信息處理平臺(tái)，該平臺(tái)以60Co雙投影輻射成像檢查系統(tǒng)為核心，通過(guò)軟、硬件一體化的綜合輻射成像技術(shù)，有效改善了兩個(gè)放射源之間的伽馬光子散射影響，進(jìn)一步改進(jìn)了輻射圖像處理算法，并在主流開(kāi)發(fā)環(huán)境下完成了工程實(shí)現(xiàn)。清華大學(xué)在單投影60Co集裝箱檢查系統(tǒng)的基礎(chǔ)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(shí)得到被檢客體的水平和垂直投影圖像。通過(guò)對(duì)兩個(gè)放射源之間的散射進(jìn)行校正，建立功能齊全的輻射信息處理平臺(tái)，并對(duì)其中的輻射圖像處理算法進(jìn)行改進(jìn)，是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分。