60Co双投影辐射成像系统中的辐射信息处理与实现

郭肖静，丛 鹏，陈 柳，孙跃文

(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)

自1999年第1套60Co集装箱检测系统在马尾投入运行以来，系列产品已销售安装超过200套，清华大学针对用户需求，研制出了不同类型的产品，形成了完整的产品系列[1]。该类技术具有价格低廉、辐射强度小、占地面积小、操作和修护简单方便、可靠性与稳定性好等优点[2]。但传统技术只能得到侧面一个方向的投影图像，获得的物体内部信息有限。在核能开发项目的支持下，清华大学成功研制了一种双投影车辆检查系统，该系统采用两个60Co放射源，可同时获得侧视、仰视两个方向的投影图像，增加了一个正交方向的投影，可有效改善单投影系统测量能力不足的问题[4]，有助于更好地识别屏蔽良好的放射性物质、枪支等危险品，对于防范核恐怖主义破坏、核材料盗窃等具有重要意义。双投影技术使用“双源-双探测器”模式，需考虑两个源之间的散射影响、正交辐射探测数据的信息挖掘和同步处理、软件架构的设计，需要研究散射影响，改进算法，重新开发采集与审图全套软件。因此本研究的主要内容是对两个放射源之间的光子散射进行校正，对校正后的辐射信息进行处理，并对处理流程进行工程实现，从而获得更加清晰的辐射图像，实现全流程的辐射信息处理。

1 60Co双投影车辆安检系统结构

60Co双投影车辆安检系统结构示于图 1，主要包括射线源装置、阵列探测器、机械及控制子系统、采集与审图子系统、辐射安全与联锁子系统等。其中射线源装置采用两个活度分别为100 Ci的60Co放射源，分别安置在可移动门架上的底部中央和侧方立柱上。两排高压气体阵列电离室作为探测器分别固定在门架的前、后两侧，并且分别对准两个放射源，用于采集辐射数据。该系统的门架宽度约为5.4 m，两个放射源间的水平距离约为2.7 m，两排阵列探测器的间距约20 cm。在系统检测过程中，同时开启两个射线源，门架和射线源在机械及控制子系统的带动下同步运动，即可对被检车辆实施检测，沿车长方向的扫描尺寸约12 m，扫描时间约1 min。系统的侧视和底视探测器分别采用54组和36组16路规格的气体电离室模块，具有探测效率与灵敏度高、响应时间快、耐辐照、稳定和工作寿命长等优点，其对60Co的γ射线的探测效率>40%，响应时间<3 ms，只要不发生漏气就可一直使用，同时还能在高温、潮湿等恶劣的环境条件下稳定工作[16]。

图1 60Co双投影车辆安检系统示意图

扫描成像得到的辐射图像中的灰度信息反映射线穿过路径上物质对于射线累积衰减的效果。由于待测物体内部包含有各类密度不同、形状不同的物体，在单源系统获得的单投影辐射图像中只能显示出灰度不同、轮廓不同的图像，若物品有叠加，可能出现高密度物体对低密度物体的遮挡。通过增加一个垂直于单源系统射线方向的放射源，可以大致确定叠加物体的尺寸及密度信息[4]，为审图提供更加丰富的信息。

2 辐射信息处理问题

本工作要在实现单投影系统功能的基础上，着重解决“双投影”成像带来的如下辐射信息处理问题。

2.1 双源之间的光子散射影响

双投影辐射成像技术比传统单投影系统增加了一个60Co放射源，两源横向水平距离约20 cm，由于散射的存在，两个投影平面的成像会相互干扰，本系统的散射主要分为两类：1)两个投影平面之间的散射问题，如来自底源的散射线进入侧视探测器中而形成干扰噪声；2)同一投影平面内的散射问题[5]。以侧源对底源所对应探测器的散射影响为例，开展散射实验测定，结果示于图2、图3。

图2 侧源对底源探测器的零点影响

图3 侧源对底源探测器的空载影响

图2为零点散射影响，曲线Top1为两源关闭时的底源探测器读数，曲线Top2为侧源打开、底源关闭时的底源探测器读数，Top2-Top1为两组读数的差值，也就是散射影响；图3为空载散射影响，此时将底源打开，曲线Top3和Top4分别是侧源关闭和打开时的探测器读数，Top4-Top3为二者差值。可以看到，侧源对底源零点的散射影响高达60%，对空载的影响约占5%，并会在投影图像上叠加一个散射投影图，干扰审图，因此需要进行散射校正。

2.2 辐射图像处理算法

所得到的辐射图像需要经过归一化校正、灰度非线性变换、伪彩色变换等处理，以得到高质量的图像供审查员审核。除了实现基本的辐射图像处理算法，还要进一步改进。车身以外的部分为空载数据，而对于图像判别的有用信息集中在车身部分，空载相当于噪声，若对空载数据进行扣除后再施加图像处理操作，可以更加有针对性；另外，辐射图像显示时若能自适应提供较好的直方图均衡化效果，可以减少主观判断和审查的时间；对于多次出入的车辆图像进行剪影，可快速发现车内的可疑物品。

2.3 正交辐射信息的处理和分析

双投影系统比单投影系统增加了54组辐射探测模块，辐射信息量也增加到原来的2.5倍。要求实时采集和处理，对两幅图像实现关联和同步处理，并实现如下功能：完成对探测器输出数据的采集和校正，从而生成辐射图像[3]；实现辐射图像的处理、分析和显示，其中要实现完整的图像处理算法体系；实现读写数据库，作为数据存储和传输的中心；实现全部外接硬件的数据交互。据此，设计了功能模块和软件架构，功能流程图示于图4，包括辐射信息采集、辐射信息处理与分析、网络服务器和外接设备四个模块，各个模块有机协作，可实现高速、高可靠、低延时的数据传输，以及全方位的辐射数据呈现和处理。

图4 功能模块和软件架构

3 辐射信息处理方法

3.1 散射校正

首先采用物理隔离法，在侧源准直缝靠近底源探测器的一侧，放置1 cm厚的铅皮，减少侧源对底源探测器的影响，结果示于图5，底源探测器计数明显下降；在底源准直缝顶部和侧面放一层10 cm厚的铅砖，结果如图6所示，侧源探测器的计数明显降低。其次，由于电离室探测器时间的不一致性，辐射图像在采集阶段需经过灰度校正，以消除电离室不一致性带来的图像横纹，校正公式中需要用到零点，而散射对零点的影响高达60%，因此对校正公式进行改进，去除多余的散射信号影响，如公式(1)所示，能够降低散射对灰度校正的影响。

图5 铅砖对底源探测器零点信号的影响

图6 铅砖对侧源探测器零点信号的影响

v′[n]=(v[n]-z[n]-s[n])×

(1)

其中，v′[n]为灰度校正后光子数，v[n]为灰度校正前光子数，z[n]为零点数据，s[n]为散射光子。

3.2 图像处理算法改进

首先实现空载噪声去除。通过辐射图像插值和对比，检测出图像的四个边缘，将有用的车身图像限定在一个矩形区域内，其以外的数据认为是空载数据，予以扣除，这样在实施图像处理时可排除空载辐射数据的干扰；其次实现图像自适应的对比度调节，在辐射图像的直方图中会有两个波峰，其中一个是空载光子数，另一个是射线穿过车身后的辐射光子数，可在一次采集完成、显示辐射图像之前，对图像的直方图进行统计，找到直方图中的两个波峰，将窗宽窗位调至波峰位置，使显示的图像对比度更强，呈现出更易于人眼分辨的对比度和亮度，更利于审图员观察。

3.3 辐射信息处理平台的工程实现

基于Windows 10的64位操作系统，在C#环境下，设计和实现针对双投影技术的辐射信息处理平台，从服务器获取扫描图像，进行多方位辐射信息处理和分析，对图像进行灰度变换、分割、锐化、局部处理等操作，能够对可疑部位进行标识，通过对两个视图的分析和对比进而对车辆内是否存在违禁品做出初步判断，该平台也是操作员与系统交互的接口，在整个系统中发挥着重要作用。图7为该平台的功能列表，图8为所实现的辐射信息处理平台扫描图。

图7 辐射信息处理平台功能

图8 辐射信息处理平台扫描图

4 结论

60Co双投影辐射成像系统已经在我国某核设施出入口投入使用。本文基于该系统，设计和实现了完整的辐射信息处理平台，该平台以60Co双投影辐射成像检查系统为核心，通过软、硬件一体化的综合辐射成像技术，有效改善了两个放射源之间的伽马光子散射影响，进一步改进了辐射图像处理算法，并在主流开发环境下完成了工程实现。清华大学在单投影60Co集装箱检查系统的基础上，研制了一种双投影的大型客体辐射成像系统，能够同时得到被检客体的水平和垂直投影图像。通过对两个放射源之间的散射进行校正，建立功能齐全的辐射信息处理平台，并对其中的辐射图像处理算法进行改进，是整个系统的重要组成部分。