大型客体辐射成像检测技术的发展与趋势

吴志芳，董 涛,*

(1.清华大学 核能与新能源技术研究院，北京 100084； 2.核检测技术北京市重点实验室，北京 100084)

进入21世纪以来，世界经济飞速发展，经济全球化趋势不可阻挡，国家或地区间商品流通日益频繁。目前，全球约90%的货物贸易是以集装箱方式完成的[1]。2017年，我国进出口海运集装箱及内部港口间驳运集装箱的总吞吐量超过2.368亿TEU(20英尺标准集装箱)[2]，而目前我国海关进出口货物查验率只有5%左右[3]。利用集装箱等大型客体进行的走私、恐怖袭击、废物非法转移等非法活动日益猖獗，对维持国际贸易秩序、维护世界和平提出了巨大挑战。

20世纪80年代后期，法、德、英等国家开始研制大型客体辐射成像无损检测系统，均采用加速器X射线源以获得较高的穿透本领。1991年，法国研制的SYCOSCAN系统在巴黎戴高乐机场投入运行，是世界上首台正式运行的集装箱检测系统。1992年，我国引进德、英两国的首台检测系统，均在1995年前后投运。1995年底，我国研制成功首台加速器型检测系统。1997年7月，清华大学核能与新能源技术研究院研发并建成首台60Co集装箱检测系统全规模样机，既摆脱了加速器系统高昂的成本等困扰，又获得了良好的检测性能。1998年6月，海关总署启动“H986工程”，开始大规模装备集装箱检测系统。1999年12月，60Co型检测系统正式交付马尾海关使用，这是投入运行的首台国产系统。2000年3月，首台国产加速器型检测系统交付天津海关使用。此外，20世纪90年代中期，德、美等国家尝试研制X射线机和铯-137型检测系统，但其穿透本领较低，无法用于满载集装箱查验。

目前，大型客体辐射成像检测系统已广泛应用于海运集装箱、航空集装箱、铁路货车、滚装货运、船只、小型车辆及绿色通道车辆安全检查等众多领域。随着射线源、探测器、核电子学和计算机技术的飞速发展，X/γ射线透视成像、背散射成像、CT成像及快中子透视照相、共振照相等技术正不断深入发展，大型客体辐射成像检测系统实现货物查验的依据不再局限于物体的形状和密度信息，正向着元素分析的方向发展，如有效原子序数、电子密度及元素绝对/相对浓度(甚至更好的是分子结构)等的精确计算，为大型客体的安全检查提供更有力的技术保障。此外，为了提高对可疑物品的识别率、实现自动检查及报警，诸多学者提出了基于机器学习、神经网络的自动识别技术[4-5]，推动大型客体100%安全检查和智能查验技术的发展。本文对大型客体辐射成像技术及其应用研究进行介绍，并论述基于X/γ射线分析的透视成像、背散射成像、CT成像及快中子成像等技术的成像原理、技术特点、发展现状与趋势等。

1 传统透视成像技术

1.1 工作原理

中高能X/γ射线与物质的主要相互作用机制为：光电效应、康普顿散射和电子对效应，通过分析射线穿过物质后的衰减情况，可实现对大型客体的快速无损检测。当忽略散射光子的影响且具备良好的准直条件(如窄束)时，透射光子数的变化遵循Beer-Lambert定律：

I=I0e-μmρt

(1)

式中：I0、I分别为入射和出射的射线强度；μm为物质对入射X/γ射线的质量吸收系数；ρ为物质密度；t为所经物质的几何厚度。通常采用透射射线强度I表示像素灰度，也可对其取对数，即灰度线性化。由于透视图像的灰度主要由透射射线所经路径上物质对射线的质量吸收系数、物质密度及几何厚度所决定，因此，透视成像有利于对高密度、X/γ射线吸收能力强的物质进行甄别。

1.2 系统分类

目前，普遍应用的传统透视集装箱检测系统均采用点源-扇形射线束、一维阵列探测器及平移扫描方式。根据射线种类的不同，传统透视集装箱检测系统可分为两类：X射线集装箱检测系统和γ射线集装箱检测系统，每类系统包括固定式、组合移动式和车载移动式等3种布置方式。

1) X射线集装箱检测系统

X射线集装箱检测系统分为加速器型和X射线机型。由于X射线机最大能量一般不超过450 keV，平均能量小于150 keV，穿透本领约为50～60 mm铁[6]。而满载的40英尺标准集装箱的平均质量厚度为125 mm铁[7]，因此该类系统一般用于空载集装箱/货车检查。目前，X射线集装箱检测系统均采用加速器X射线源，主要有电子直线加速器、感应加速器等，其性能参数参考文献[8]。

固定式检测系统性能优异，但单次扫描的辐射剂量较高，需配备较大的辐射防护区域；组合移动式和车载移动式系统的射线能量及强度较低，辐射安全性较好，但其检测性能明显降低。车载移动式系统由于具有机动灵活、反应迅速等优点，常用于集装箱/货车的快速、机动检查。

加速器型集装箱检测系统通常具有射线能量较高、辐射强度可控、断电即无辐射、穿透能力强等优点，但存在以下不足：1) 产生的韧致辐射型X射线为连续谱分布、空间分布不均匀、能量及辐射水平不稳定，这将导致系统校准工作更加困难，会增大系统误差，影响系统性能；2) 加速器系统对环境条件(如振动、温度、湿度等)要求较高，往往需高标准的辅助装置来保证系统正常工作；3) 存在较多耗损件，其成本及维护费用较高、工作寿命较短，需要配备专业的操作人员；4) 由于加速器产生的射线束张角较小，源与探测器距离较远，为保持良好的系统性能，需增大射线强度，这将带来更大的辐射安全隐患，并需较长的扫描通道。

2) γ射线集装箱检测系统

γ射线集装箱检测系统均采用放射性同位素作为γ射线源，主要是60Co和137Cs。其中，60Co源半衰期为5.27 a，平均射线能量为1.25 MeV，相当于最大能量约为4 MeV的加速器X射线源，穿透本领较高。由于射线能量及比活度低的限制，137Cs大型客体检测系统的穿透本领和空间分辨率较差，一般不用于满载集装箱的查验。如美国SAIC公司研发的137Cs检测系统[9]，主要用于在空载集装箱或油罐车中查出走私汽车或违禁物品等。文献[10]给出了固定式及车载移动式60Co集装箱检测系统的主要性能参数。

γ射线集装箱检测系统具有单色性好或能量值分立等优点，有利于简化校准工作，减少系统误差的影响因素；射线源使用寿命长、故障率极低，可有效降低系统成本，如60Co系统正常运行率在98%以上，源更换周期一般为7～8 a[11]；全周向辐射均匀分布，射线束张角大(约60°)，有利于减小源与探测器的间距(一般为5～6 m)；射线源辐射水平远低于加速器型X射线源，有利于减小扫描通道的占地面积[12]。但γ射线集装箱检测系统也存在以下不足：适用的放射性同位素种类有限，射线能量选择性小；同位素射线源的比活度受限；同位素射线源的使用及管理程序较为繁琐，人因成本高；在设备停止运行期间，仍需对放射源进行屏蔽防护。

2 双能透视成像技术

由于透视图像同时反映物体成分与厚度等变化，传统透视成像无法单独确定其中的某一物理量。若采用两种或多种不同能量的射线源，获得两幅或多幅几何参数相同的辐射图像，经过解析运算后可获得有效原子序数(将射线通路上的物体假设为单质所对应的原子序数)的近似值，从而实现对物质的简单区分。

在双能透视成像检测系统中，高、低能X/γ射线穿过被检客体的平均衰减系数之比R为：

(2)

X/γ射线与物质的3种主要相互作用机制对射线衰减系数μ的相对贡献与射线能量E和物质原子序数Z相关。在低能区段内，光电效应占优势，μ对Z的依赖性较强；在中能区段内，康普顿效应占优势，μ与Z基本无关；当光子能量Eγ≥1.02 MeV时，将出现电子对效应，μ与Z近似线性相关。

在行包安全检查系统中，通常采用X射线机作为射线源，射线的最高能量一般不超过120 keV，因此R与Zeff的相关性较强，物质分辨能力较强。在集装箱检测系统中，加速器输出的X射线能量可高达9 MeV，康普顿散射占优，并存在电子对效应，R与Zeff的相关性明显减弱，系统灵敏度变差。文献[16]提出了基于能谱整形及图像相似性聚类的高能双能成像及材料识别方法，将材料分为4类：有机物、无机物、轻金属及重金属。双能系统成像效果参见文献[17]。

目前，双能集装箱检测系统均采用双能交替的加速器型X射线源(图1a)。脉冲宽度tRF一般为μs量级，脉冲频率最高为400 Hz[18]，则Δt=2.5 ms。当物体移动速度为30 km/h时，双能脉冲之间物体位移为2 cm，这将导致材料的区分被限制在更大的均匀物体上，降低了对物体结构及成分的区分能力。现代系统需5 mm或更高的空间分辨率，所以交替双能检测系统需平衡检测速度和空间分辨率等性能。文献[19-21]提出了多种脉冲内能量调制的加速器方案，利用tRF时间内产生的射线束(图1b、c)对物体进行双能分析，削弱空间分辨率对扫描速度的依赖。

图1 射线脉冲示意图Fig.1 Ray pulse diagram

双能集装箱检测系统虽能按照物质性质实现粗略分类，但也存在诸多缺陷：1) 低能射线的穿透本领弱，将限制系统的物质识别能力；2) 在材料前后重叠时，双能物质识别算法也可能失效，如高Z物质和低Z物质前后重叠时，在辐射图像中可能被认为是中等大小的有效原子序数的物质，从而产生误判。为减弱集装箱外壳对内部材料识别的影响，文献[22-23]分别提出了虚拟剥离算法和动态材料辨别算法。

3 双视角透视成像技术

大型客体辐射图像分析的一项主要障碍是由于装载物品的多样性及堆放形式的复杂性而产生的图像结构复杂性，这对于检查人员提出了很高的要求，尤其是在图像分析时间很短的情况下。事实证明，同一货物的多个视图对于解决图像结构复杂性问题是非常有利的，如双视角成像技术。

图2 双视角集装箱检测系统示意图Fig.2 Diagram of dual-perspective container inspection system

根据射线源及探测装置的不同布置，双视角成像系统主要有两类设计方案，如图2所示。方案a：采用两个不同位置上的独立射线源、两组探测器阵列，但由于采用两套辐射成像系统，其存在系统生产、运行、维护及辐射防护等成本较高的问题。方案b：采用1个射线源和双狭缝准直器，产生两个具有一定夹角θ的扇形射线束，配合两组探测器阵列实现双视角成像分析。

图3 双视角集装箱检测系统虚拟3D图像Fig.3 Virtual 3D image generated by dual-perspective container inspection system

经验表明，当图像分析时间很短时，检查人员通常很难综合分析两幅截然不同的图像并做出准确判断，特别是对于大型客体的复杂图像。因此，双视角成像技术需设计特殊的图像分析算法。2002年，Evans[24]提出了一种单X射线源双视角立体成像算法，将辐射图像分为6层，通过两幅图像的视差分析和残差分析，识别并剔除大型物体，突出显示小型物体。2007年，澳大利亚科学与工业研究组织与同方威视合作研发的AC6015XN系统[25]应用了这一技术。2012年，薛岳等[26]提出一种基于60Co单射线源的双视角虚拟3D成像技术，其成像原理为：当θ满足一定范围(一般为5～10°)时，根据潘农融合区理论，将左、右视图调制后分别投射到人的左、右眼中，大脑将其融合为单一立体图像并提取深度信息，从而消除透视投影的重叠模糊，达到立体观测效果。通常可采用色差法(图3)、偏振法或快门交替法投射左右视图，该方法直观、迅速，可大幅提高图像观测效率。苗积臣等[27]提出了一种解析算法，可提高可疑物体的定位精度和掏箱检查效率。目前，清华大学核能与新能源技术研究院研制的双视角60Co集装箱检测系统已在多个口岸装备运行。

4 背散射成像技术

康普顿散射是X/γ射线与物质的主要相互作用方式之一，其中，散射角θ为180°左右的散射过程称为背散射。背散射成像是通过探测物体表层背散射光子强度的空间分布来进行成像分析的技术。背散射成像原理如图4a所示，利用笔形射线束照射物体，若不考虑多次相互作用过程，则在距物体表面l范围内产生并进入探测器的背散射光子数为：

dNs=(N0e-μ l)σΩ(ρesdl)e-μ′l/cos θ

(3)

(4)

背散射光子强度与被检客体的ρe及μ、μ′等密切相关。ρe=NAρZ/A，其中，NA为阿伏伽德罗常数，ρ、Z和A分别为物质的密度、原子序数和原子质量。由于低原子序数物质的Z/A较大，且对射线的衰减较弱，探测器阵列将记录到更多的散射光子，所以背散射图像对低原子序数物质(如有机物等)具有自动加亮功能，该特点有利于识别塑性武器、爆炸物、毒品等高危物品；另一方面，由于背散射光子能量较低，产生于物体深处的背散射光子难以透射物体并被探测器接收，所以背散射成像更适用于读取被检客体的浅表层信息。

目前，背散射成像技术主要有两类设计方案：点扫描(笔形射线束)和线扫描(扇形射线束)。图4b为美国AS&E公司提出的飞点扫描技术[28]，即通过飞轮上的发射状准直器输出笔形射线束对被检客体进行周期性垂直扫描，利用位于被检客体两侧的探测器分别对散射光子及透射光子进行测量，再配合被检客体或扫描装置的平移运动，同时获得二维透视图像和背散射图像。图4c为清华大学核能与新能源技术研究院为提高成像速度、增加可探测深度而提出的设计方案，采用钴源发射的扇形射线束对被检客体进行线扫描，并用配备栅形准直器的阵列探测器来记录物体不同位置处的背散射光子数，生成背散射图像[29-30]。

考虑到透视成像对高密度物质具有较高的辨识能力且穿透本领较高，而背散射成像技术很好地利用了X射线对弱吸收物质成像的能力，所以通常将两种成像技术相结合，以获得更丰富的被检客体的特征信息[17]。此外，由于背散射成像的射线源及探测器位于被检客体的同一侧，因此可将辐射探测系统与可移动装置结合，组合成移动式检测系统，利用其隐蔽性和机动性进行突发应急检查和反恐排查等。

图4 背散射成像原理示意图Fig.4 Diagram of backscatter imaging

5 CT成像技术

无论是透视成像技术还是背散射成像技术，由于成像原理的限制，均存在图像形变失真或物体影像重叠等问题，难以清晰地呈现出集装箱内复杂的结构信息。由于CT成像技术能提供清晰的三维结构信息，消除物体重叠的影响；根据CT图像灰度和材料密度的相关性可进行物性判别，有助于提高安全检查的准确率。

CT成像算法主要有两类： 1) 基于中心切片定理的解析重建算法，主要有滤波反投影、超短扫描、PI线重建、Cone-parallel、FDK等近似的三维图像重建算法及Katsevich等精确的三维图像重建算法；2) 迭代重建算法，即将图像重建问题等效为线性方程组求解问题，通过建立物理模型、引入先验知识、迭代计算等过程获得最优解，主要有代数迭代、统计迭代及基于稀疏表示的迭代重建算法等[17，31]。2003年，清华大学核能与新能源技术研究院研制成功60Co集装箱CT检测系统1∶1规模样机[11，32]，旨在对进出机场等重要场合的大型客体(集装箱、车辆等)进行爆炸物等危险品检查，尤其是能对车辆底盘等传统辐射成像技术难以识别的复杂组合部位进行清晰成像。

传统透视成像检测系统的通过率一般为30 TEU/h，而CT技术的发展始终受到成像速度慢(主要是扫描过程)的制约。对于大型海运集装箱，尤其是内部结构复杂、高原子序数物质堆叠较多的情况下，部分探测器输出信号将可能趋近于0，相当于部分信号采集通道失效，这将导致重建图像中出现较多伪影，严重影响图像分析能力。Fuchs等[33]尝试应用基于压缩感知理论的迭代算法实现基于少数投影的CT图像重建；Mouton等[34]对比分析了4类主流CT金属伪影校正算法对行包安检图像的改善效果，并提出通过非局部去噪、阈值约束方法进行金属伪影校正。上述措施有助于增强大型客体CT检测的适用性，拓展其应用范围，目前该类设备最可能应用于特殊场所的二次扫描或重点排查。

6 双能CT和能谱成像技术

单能CT重建图像能反映物体内部的三维结构及密度信息，但密度不是物质的唯一属性。为了能更为细致准确地进行被检物体的分类，双能CT及能谱成像等技术应运而生。双能CT利用双能射线束对物体进行三维扫描，结合双能分解和CT重建算法获得被检物质的有效原子序数和电子密度的空间分布。常用的双能分解算法为双效应分解算法和基材料分解算法，双能CT重建算法主要有前处理重建算法[35]、后处理重建算法[36]和迭代重建算法[37-39]。由于大部分物品的有效原子序数和电子密度是确定的，且爆炸物、毒品等违禁品明显处于和常见物品不同的区域[17]，双能CT可更准确地发现并定位被检客体中隐藏的违禁品，实现自动智能检测及报警功能。

随着具有能量分辨能力的光子计数探测器等技术的发展，人们提出了能谱成像技术。相对于双能CT成像技术，能谱成像可利用完全没有重叠的不同能区进行成像分析，得到的探测数据更加接近单能的情况，极大地克服了能谱硬化的影响，有助于获得更精确的有效原子序数和电子密度的空间分布，从而提高物质识别的准确度，实现自动智能查验。但能谱成像技术的关键在于获得每种能量X射线的衰减情况，即能谱曲线。在低能区段内，物质对X射线的衰减系数基本由光电吸收系数所决定，散射光子的影响可忽略，因此，可认为探测器记录到的光子数就是对应能量的透射光子数；而在中能区段内，康普顿散射占优势，探测器难以准确区分散射光子和透射光子。因此，利用宽谱X射线的能谱成像技术在采用低能射线的医学检查和行包安检中具有很大的应用价值，而在大型客体检测领域却困难重重，还需创新突破。

7 快中子成像技术

当窄束单能中子穿过单一物质时，中子注量率的变化遵循指数衰减规律：

I=BI0e-Σx

(5)

式中：I0、I分别为入射和出射的中子注量率；Σ为物质对入射中子的吸收系数(宏观截面)；x为中子束穿过的物体厚度；B为中子散射积累因子。

根据中子透射被检客体后的衰减情况，获得反映其内部结构及成分信息的图像，这就是中子照相技术。目前，热中子照相技术较成熟，在各领域中的应用也最为普遍。与快中子相比，热中子能量较低，穿透能力有限；热中子照相一般采用反应堆中子源，而小型化、高通量热中子源很难实现。所以，在大型客体安全检测领域，主要研究快中子照相技术。

与X/γ射线的衰减系数随物质原子序数单调递增不同，中子只对特定的元素敏感。一些低原子序数的物质(如H、3He、6Li、10B等)和少数高原子序数的物质(Cd、Ga、In、Ag等)对中子有很大的吸收系数，而大多数高原子序数的物质(Fe、Pb、U等)对中子的吸收系数却较小。因此，中子照相技术更易检查出重金属等高原子序数材料中包裹的低原子序数物质(有机物、炸药、毒品等)。

由于中子与X/γ射线成像技术存在一定的互补关系，快中子与X/γ射线相结合的成像技术被提出。当不考虑散射影响时，中子及高能X(或γ)射线与单一物质相互作用截面的比值为：

(6)

式中：μn、μX分别为物质对中子和X/γ射线的吸收系数；In0、In分别为中子束穿过物质前后的中子强度；IX0、IX分别为X/γ射线穿过物质前后的射线强度。

文献[25，44]给出的多种常见物质的比值R的实验数据显示，与双能X射线成像技术相比，中子/γ射线成像技术对低原子序数物质的区分具有显著优势。2005年，澳大利亚CSIRO研制的第1台中子/γ射线航空集装箱检测系统商业样机在布里斯班国际机场建成，并开展测试；2007年，CSIRO与同方威视联合研发了快中子/X射线成像系统AC6015XN，现已满足商业应用条件[25]。

目前，爆炸物、毒品等违禁品的自动识别是集装箱检查领域的一项亟须解决的技术难题，其关键在于组成元素及含量分析。二者主要由C、H、O、N等4种元素组成，爆炸物一般富含N、O，毒品一般富含H、C[45]。瞬发伽马快中子分析是工业领域成分分析的重要手段，但其灵敏度对中子注量率的依赖性较强，且散射中子有可能引起新的活化过程，导致活化分析的空间分辨率变差。由于在1～10 MeV能区内，4种元素对中子存在明显的共振吸收现象，利用共振峰的位置、通量变化与元素的对应关系，可准确测定感兴趣核素的分布及含量，即快中子共振照相，该技术将有助于提高对隐藏危险品的准确检测能力。近年来，诸多学者采用中低能紧凑型中子源及高能白光中子源进行了中子共振照相实验测试[46-48]。

尽管存在多种中子成像方法[49]，但在公共安全检查领域尚未获得广泛应用。除了受到潜在的中子活化威胁、中子屏蔽困难等因素限制外，小型化低成本高通量的可靠中子源，具有注量分布均匀且γ射线污染程度低等优良特性的快中子准直束，兼顾探测效率、空间分辨率和能量分辨率的高性能探测器及现有的X射线安全检测系统的成熟程度等均是关键的制约因素。由于每种成像技术均有其局限性，运用复杂技术的昂贵系统应融合多种分析手段，利用所有可用信息，以获得最佳的检测性能。如充分利用中子传输、前向散射、背向散射和非弹性散射(包括发射的γ光子)之间的关联，提供一种技术融合解决方案[45，50]。Lehnert等[51]在技术融合方面开展了模拟分析，采用11组中子、γ探测器环绕布置，获得了初步的分析结果。

8 总结及展望

本文对集装箱检查中辐射成像技术及其应用研究进行系统性的介绍，对各种技术的成像原理、技术特点、研究进展等进行了概括整理，并对新技术的发展趋势进行了分析。

随着全球贸易活动的不断增加及反恐形势的加剧，各类场所对集装箱检查率、检查速度、物质识别能力等提出更高的要求。因此，新型探测器、自动识别和物性判别技术将是未来的研究热点。具有光子计数能力的探测器技术的发展，有助于改善查验系统的检测性能，并推动能谱成像技术的应用，提高物质识别的准确性。由于双能或能谱CT技术具有较高的材质识别能力，将有可能在二次扫描或机场等特殊场合中获得更大的应用空间。快中子/X射线成像技术在物质识别方面具有不错的表现，但由于系统安全性和成本等原因，该类系统尚未得到推广；快中子共振照相及其他中子成像分析技术还将受制于中子源、探测器、成像分析算法等，短期内在集装箱检查领域也难以获得大的突破。为满足未来实现集装箱100%安全检查的需求，自动识别技术将受到广泛关注，但是自动识别的能力及可信度不仅依赖于成像技术，还受限于自动识别算法。由于成像原理的限制，各类成像技术在查验速度、查验准确率、空间分辨率、穿透本领、物质识别能力、辐照剂量、禁区面积、设备制造及维护成本等方面均存在不同程度的局限性，多种技术的融合及多层次分级查验也将是未来集装箱/车辆等大型客体检查的发展趋势之一。