60Co雙投影輻射成像系統中的輻射信息處理與實現

郭肖靜，叢 鵬，陳 柳，孫躍文

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

自1999年第1套60Co集裝箱檢測系統在馬尾投入運行以來，系列產品已銷售安裝超過200套，清華大學針對用戶需求，研制出了不同類型的產品，形成了完整的產品系列[1]。該類技術具有價格低廉、輻射強度小、占地面積小、操作和修護簡單方便、可靠性與穩定性好等優點[2]。但傳統技術只能得到側面一個方向的投影圖像，獲得的物體內部信息有限。在核能開發項目的支持下，清華大學成功研制了一種雙投影車輛檢查系統，該系統采用兩個60Co放射源，可同時獲得側視、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、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、正交輻射探測數據的信息挖掘和同步處理、軟件架構的設計，需要研究散射影響，改進算法，重新開發采集與審圖全套軟件。因此本研究的主要內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，從而獲得更加清晰的輻射圖像，實現全流程的輻射信息處理。

1 60Co雙投影車輛安檢系統結構

60Co雙投影車輛安檢系統結構示于圖 1，主要包括射線源裝置、陣列探測器、機械及控制子系統、采集與審圖子系統、輻射安全與聯鎖子系統等。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，并且分別對準兩個放射源，用于采集輻射數據。該系統的門架寬度約為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。系統的側視和底視探測器分別采用54組和36組16路規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、穩定和工作壽命長等優點，其對60Co的γ射線的探測效率>40%，響應時間<3 ms，只要不發生漏氣就可一直使用，同時還能在高溫、潮濕等惡劣的環境條件下穩定工作[16]。

圖1 60Co雙投影車輛安檢系統示意圖

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對于射線累積衰減的效果。由于待測物體內部包含有各類密度不同、形狀不同的物體，在單源系統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

本工作要在實現單投影系統功能的基礎上，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比傳統單投影系統增加了一個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視探測器中而形成干擾噪聲；2)同一投影平面內的散射問題[5]。以側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，結果示于圖2、圖3。

圖2 側源對底源探測器的零點影響

圖3 側源對底源探測器的空載影響

圖2為零點散射影響，曲線Top1為兩源關閉時的底源探測器讀數，曲線Top2為側源打開、底源關閉時的底源探測器讀數，Top2-Top1為兩組讀數的差值，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分別是側源關閉和打開時的探測器讀數，Top4-Top3為二者差值。可以看到，側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，以得到高質量的圖像供審查員審核。除了實現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據，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，若對空載數據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，可快速發現車內的可疑物品。

2.3 正交輻射信息的處理和分析

雙投影系統比單投影系統增加了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，對兩幅圖像實現關聯和同步處理，并實現如下功能：完成對探測器輸出數據的采集和校正，從而生成輻射圖像[3]；實現輻射圖像的處理、分析和顯示，其中要實現完整的圖像處理算法體系；實現讀寫數據庫，作為數據存儲和傳輸的中心；實現全部外接硬件的數據交互。據此，設計了功能模塊和軟件架構，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、網絡服務器和外接設備四個模塊，各個模塊有機協作，可實現高速、高可靠、低延時的數據傳輸，以及全方位的輻射數據呈現和處理。

圖4 功能模塊和軟件架構

3 輻射信息處理方法

3.1 散射校正

首先采用物理隔離法，在側源準直縫靠近底源探測器的一側，放置1 cm厚的鉛皮，減少側源對底源探測器的影響，結果示于圖5，底源探測器計數明顯下降；在底源準直縫頂部和側面放一層10 cm厚的鉛磚，結果如圖6所示，側源探測器的計數明顯降低。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，v[n]為灰度校正前光子數，z[n]為零點數據，s[n]為散射光子。

3.2 圖像處理算法改進

首先實現空載噪聲去除。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域內，其以外的數據認為是空載數據，予以扣除，這樣在實施圖像處理時可排除空載輻射數據的干擾；其次實現圖像自適應的對比度調節，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，另一個是射線穿過車身后的輻射光子數，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計，找到直方圖中的兩個波峰，將窗寬窗位調至波峰位置，使顯示的圖像對比度更強，呈現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

基于Windows 10的64位操作系統，在C#環境下，設計和實現針對雙投影技術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，能夠對可疑部位進行標識，通過對兩個視圖的分析和對比進而對車輛內是否存在違禁品做出初步判斷，該平臺也是操作員與系統交互的接口，在整個系統中發揮著重要作用。圖7為該平臺的功能列表，圖8為所實現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 結論

60Co雙投影輻射成像系統已經在我國某核設施出入口投入使用。本文基于該系統，設計和實現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為核心，通過軟、硬件一體化的綜合輻射成像技術，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，并在主流開發環境下完成了工程實現。清華大學在單投影60Co集裝箱檢查系統的基礎上，研制了一種雙投影的大型客體輻射成像系統，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，是整個系統的重要組成部分。