雙能量X射線多級檢查設(shè)備設(shè)計

何春紅，任　斌

（1．廣東守門神科技集團有限公司，廣東 東莞523000；2．東莞理工學(xué)院電子工程與智能化學(xué)院，廣東 東莞523808）

1　雙能量技術(shù)和工作原理

1.1　雙能量技術(shù)原理

由于物質(zhì)對X射線的吸收作用，不同類型的材質(zhì)對X射線的吸收和穿透能量不同，被探測器探測到能量的大小也是不同的。利用X射線這一特性，可以把X射線運用在安檢設(shè)備上進行多級檢查。

X射線穿過物質(zhì)時，其總吸收系數(shù)μ為[1，2]：

其中，∑為宏觀界面，N為單位體積原子核數(shù)，σ為總吸收截面，σph為光電吸收截面，σc為康普頓散射截面，σr為瑞利散射截面，σK為電子對截面，A為原子質(zhì)量數(shù)，NA為阿伏加德羅常數(shù)，ρ為物質(zhì)密度。

通過公式（1）可以推導(dǎo)出，物質(zhì)對高能X射線衰減與對低能X射線衰減的比值K與物質(zhì)原子序數(shù)Z密切相關(guān)。K值與物質(zhì)原子序數(shù)Z之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1　高、低能衰減系數(shù)比值與原子序數(shù)關(guān)系

由圖1可知，物質(zhì)原子序數(shù)Z數(shù)值小于26時，物質(zhì)原子序數(shù)Z值與衰減比值K值是單調(diào)變化的，也就是物質(zhì)原子序數(shù)Z值的不同導(dǎo)致物質(zhì)衰減比值K值的不同。

1.2　雙能量探測系統(tǒng)工作原理

本公司自主研發(fā)的雙能量、單能X射線多級檢查設(shè)備，融合了單能X射線法、雙能X射線法，綜合了數(shù)字圖像處理技術(shù)和高效半導(dǎo)體探測器的優(yōu)點。

具體工作原理如下：

在檢測被測物時，將被測物放到輸送部分上，就能全自動完成整個檢測過程。

首先，當(dāng)輸送帶把被測物品送入到檢測通道后，光障檢測裝置就會偵測到有被測物進入，控制單元就會收到光障檢測裝置的信號。

然后，X射線源馬上開始工作，發(fā)射出X射線，X射線經(jīng)準直器調(diào)節(jié)后就會形成相當(dāng)窄并且是扇形的射線束，通過被測物后被探測器探測到。

然后，高效半導(dǎo)體探測器把探測到的X射線光電信號通過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，電信號?jīng)放大器被放大后進行系統(tǒng)量化，通過數(shù)據(jù)總線傳輸至工控計。

最后，經(jīng)過數(shù)字繁多運算和數(shù)字圖像處理以后，就可以在工控機的顯示器上看到品質(zhì)和像素較高的圖像，系統(tǒng)的整個自動檢測過程結(jié)束。

2　硬件系統(tǒng)設(shè)計

硬件系統(tǒng)分為：被測物輸送、X射線源及控制單元、信號采集處理傳輸、圖像處理和電氣控制五大模塊。系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2　硬件系統(tǒng)組成框圖

2.1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）X射線源

X射線源由X射線管、高壓發(fā)生器和準直器三部分組成。

（2）探測器陣列盒

探測器陣列盒由形成L形狀的兩個探測器陣列組成，探測器陣列包含有多塊探測器板，每塊探測器板都有32個通道組成。

（3）電子控制部分

工業(yè)控制計算機的指令是由電子控制部分負責(zé)接收，電子控制部分控制電機運轉(zhuǎn)，并同時監(jiān)測光障的隨時狀態(tài)；當(dāng)電子控制部分監(jiān)測發(fā)現(xiàn)到X射線控制模塊異常，不正常工作時，則就會自動報警。

（4）圖像處理系統(tǒng)

當(dāng)計算機通過電子控制部分接收到來自探測器的信號后，圖像處理系統(tǒng)對其進行數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)的存儲和檢索。設(shè)備提供邊緣增強、圖像增強、反色、彩色顯示、局部增強等圖像處理。

（5）光障裝置

光障，又名對射式光電開關(guān)，安裝在通道的入口處，用于探測進入檢查通道的被測物。若被測物阻斷光障發(fā)射端發(fā)出的射線，控制單元由X射線源發(fā)射出X射線。

2.2　設(shè)備的電氣結(jié)構(gòu)

（1）電氣控制

電氣系統(tǒng)是本系統(tǒng)的一個重要的組成部分，整個系統(tǒng)的電源主要由電氣系統(tǒng)供給，如果系統(tǒng)當(dāng)運行中有其它不正常情況時，電氣系統(tǒng)還能能為整個系統(tǒng)進行相應(yīng)的電氣保護，以免燒壞系統(tǒng)。

（2）過流保護

過流電路在過流運行的情況下，斷路器能瞬間脫扣，起到保護系統(tǒng)設(shè)備的作用。設(shè)備短路可分為內(nèi)部絕緣層老化短路，端子連接松脫引起的電源短路和人為因素短路。

（3）緊急情況保護

緊停按鈕安裝在操作臺和安檢設(shè)備系統(tǒng)的外殼上面，如果突發(fā)事件發(fā)生時會被按下，系統(tǒng)這時候也會立刻斷電。

（4）權(quán)限控制

設(shè)備僅供培訓(xùn)合格的專職人員操作。為避免非專職人員誤觸發(fā)設(shè)備，設(shè)備通過電氣和軟件兩種方案進行權(quán)限控制。

（5）遠程啟動控制

遠程啟動控制功能通過設(shè)備延長線進行遠程控制（不超過10 m）。

（6）電機正反轉(zhuǎn)控制

在系統(tǒng)經(jīng)常使用過程中有時候需要把輸送帶的電機進行正反轉(zhuǎn)動；看不清楚被測物，輸送帶要倒轉(zhuǎn)以便重測物品。這個功能是在電路部分安裝中間換向繼電器實現(xiàn)的。

（7）電機熱保護

設(shè)備電機有熱保護功能。電機長時間運轉(zhuǎn)或負載過重均會導(dǎo)致過流，嚴重時會損壞電機，熱保護功能可有效防止電機燒壞情況發(fā)生。

3　軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件由專用驅(qū)動程序及用戶控制界面兩部分組成。由軟件將接收到的信號進行有效的數(shù)據(jù)信號處理，把處理后的清晰圖像完整的顯示在屏幕上，操作人員對圖像進一步的辨別和處理。

軟件操作菜單分登錄/注冊、文件設(shè)置、探點設(shè)置、實時曲線、圖像設(shè)置、功能設(shè)置、硬件配置、信息提示等8個子菜單，功能及使用說明如下。

（1）“登錄/注冊”菜單

“登陸/注冊”菜單，可實現(xiàn)用戶登陸、用戶注冊及軟件注冊等功能。用戶登陸后，菜單狀態(tài)條上會顯示用戶ID；用戶注冊時，只能注冊比當(dāng)前用戶低一級的用戶權(quán)限；軟件注冊功能，能方便未獲得設(shè)備完整所有權(quán)的用戶，以獲得更長的設(shè)備使用時間。如圖3所示。

圖3　操作菜單界面

（2）“實時曲線”菜單

“實時曲線”菜單，能夠以曲線形式查看每個探測器的響應(yīng)狀態(tài)。該曲線是對圖像缺陷診斷的輔助調(diào)試，曲線中表示的數(shù)據(jù)和圖像的質(zhì)量有一定相關(guān)性。如圖4所示。

圖4　實時曲線界面圖

（3）“圖像設(shè)置”菜單

利用“圖像設(shè)置”菜單，可以對圖像配置的相關(guān)參數(shù)進一步設(shè)置。設(shè)置的界面如圖5所示。

圖5　圖像設(shè)置參數(shù)界面圖

（4）“文件設(shè)置”菜單

在“文件設(shè)置”菜單中，能夠按條件查詢，回調(diào)保存的歷史圖像。界面如圖6所示。

圖6　文件設(shè)置參數(shù)界面圖

4　結(jié)果分析

4.1　圖像處理結(jié)果分析

（1）彩色/黑白顯示

X光機可明確鑒測被測物成分種類。彩色顯示功能可將鑒測出的被測物種類按三種顏色在高分辨率顯示器完美呈現(xiàn)。其中橙色代表有機物，藍色代表無機物，綠色代表混合物。

黑白顯示功能，可將被測物由純黑到純白，分256級灰度顯示。被測物對X射線吸收率不同，對應(yīng)的灰度等級也不同。圖像區(qū)域越白就表示對X射線的吸收率越低，如圖7所示，表示有更多的射線穿透，相反，越暗表示該區(qū)域?qū)射線的吸收率越多。

圖7　彩色和黑白圖像對比圖

（2）圖像反色

圖像正常顯示時，X射線吸收率高的物體呈深黑色，吸收率低物體呈亮白色。反色顯示時正好相反，較小或較細的高密度物體反色顯示時會變得更加清晰。如圖8所示。

圖8　正常/反色圖像對比圖

（3）邊緣增強（邊增）

邊緣增強功能，可對彩色圖像或灰度圖像的邊緣進行操作。

當(dāng)需要對圖像中物體邊緣進行進一步判別時，點擊相應(yīng)的“邊增”按鈕，則圖像的物體邊緣就會被突出顯示，清晰度進一步地提升，更有利于檢測人員區(qū)分出不同的物體。效果如圖9所示。

圖9　圖像邊緣增強效果圖

（4）圖像局部增強（局增）

圖像中較暗的區(qū)域可以用圖像局部增強功能進行增亮的處理，把在圖像中隱藏在厚重物質(zhì)后面物體清晰明亮的顯示出來，而且其它正常的圖像區(qū)域一點也不受到影響。

（5）高穿透力加強（高穿）

強穿透力區(qū)域亮度較亮，不易觀察。點擊“高穿”按鈕，將提升整個穿透區(qū)域?qū)Ρ榷?，從而使強穿透力區(qū)域圖像清晰；但同時正常區(qū)域會受到影響，亮度變低，圖像清晰度下降。效果如圖10所示。

圖10　高穿透力加強效果圖

（6）低穿透力加強（低穿）

強穿透力區(qū)域亮度較亮，相反低穿透力的區(qū)域圖像的亮度較暗，也不易觀察。這時候要點擊“低穿”按鈕，將提升整個穿透區(qū)域亮度，從而使低穿透力區(qū)域圖像清晰；但同時正常區(qū)域會受到影響，亮度更高，圖像清晰度下降。效果如圖11所示。

圖11　低穿透力加強效果圖

（7）圖像放大

圖像放大功能，可以對整個圖像進行連續(xù)放大，放大的同時在圖像的右下角會顯示出一個增幅圖像的縮圖，在放大顯示的時候，圖像中會有個方框把當(dāng)前的全屏顯示的區(qū)域進行標(biāo)示顯示出來。也可以繼續(xù)使用方向鍵進行上下撒上看移動進行顯示圖像的放大區(qū)域。效果如圖12所示。

圖12　圖像放大效果圖

4.2　典型圖像分析

（1）標(biāo)準模塊的圖像

彩色顯示功能可將鑒測出的被測物種類按三種顏色在高分辨率顯示器完美呈現(xiàn)。其中藍色代表無機物，如鐵、鋼等原子序數(shù)較大的金屬；橙色代表的是有機物，如有機玻璃、水等這樣原子的序數(shù)相對來說比較小的物質(zhì)；綠色顏色是代表介于無機物和有機物之間的物質(zhì)，如鋁等。

（2）典型違禁品的圖像

典型違禁品包括刀具、打火機、鞭炮、液體等，其成像效果如圖13所示。

圖13　典型違禁品的圖像

5　結(jié)束語

本系統(tǒng)綜合了單能和雙能X射線法技術(shù)，研制出了X射線多級檢查系統(tǒng)，有效降低了傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)的誤報率，而且還可在高安全等級的環(huán)境使用及多級檢查。雙能量安檢機系統(tǒng)提高了X射線安檢設(shè)備的綜合性能，包括檢測的靈敏度、實時性、準確性、抗干擾能力、自診斷和智能控制能力，擴大了設(shè)備的實用價值。