飛點掃描x射線背散射系統(tǒng)研究

唐添 徐捷 王新 穆寶忠

摘要：圍繞車輛販運違禁品的精確、快速查緝需求，開展了小型化、低輻射的飛點掃描x射線背散射系統(tǒng)研究。設計了小型化飛點掃描x射線背散射系統(tǒng)的斬波機構、背散射探測器。利用研制的系統(tǒng)開展了x射線背散射成像實驗，研究了x射線能量、功率對系統(tǒng)成像對比度和信噪比的影響。實驗表明，系統(tǒng)成像分辨率約為2 mm，能夠準確檢測出隱藏在陶瓷物品中的毒品模擬物。小型化飛點掃描x射線背散射系統(tǒng)的研究可為車輛安檢難題和降低檢測中的輻射危害提供參考。

關鍵詞：x射線背散射;飛點掃描;斬波輪;閃爍體

中圖分類號：O434.1 文獻標志碼：A

引言

車輛販運違禁品（例如毒品、爆炸物等）的查緝是安檢領域的重要工作。目前，針對車輛的安檢技術主要為x射線成像技術，該技術從原理上可分為透射式、背散射式和透射一背散射結(jié)合的方式。x射線透視成像技術利用物質(zhì)對x射線吸收系數(shù)的不同來區(qū)分物質(zhì)種類，并結(jié)合物品的形狀來判斷是否為危險品。該技術對金屬物品，例如槍支、刀具有著較好的查緝效果，但對低原子序數(shù)且物質(zhì)密度較低的毒品、爆炸物等違禁物品的檢測效果較差。x射線背散射成像技術是基于探測康普頓背散射信號實現(xiàn)對物質(zhì)的檢測。相對于金屬物質(zhì)，低原子序數(shù)、低密度的違禁品（例如毒品、爆炸物等）具有較高的康普頓散射截面，能夠產(chǎn)生較強的散射信號。因此，x射線背散射技術特別適合于檢測毒品、爆炸物等違禁品，已成為安檢領域很有潛力的違禁品檢測技術。目前，針對車輛的x射線背散射安檢裝置通常為龍門架結(jié)構和車載式背散射車，例如AS&E的Z-Portal、ZBV系列、Rapiscan的RapiscanEagle系列及國內(nèi)同方威視的MB、MX系列等。該類安檢裝置通過對車輛整體的掃描來實現(xiàn)對車輛的檢查，適合于檢測大體量的非金屬違禁品，例如幾千克的毒品和爆炸物。但是，該類裝置也具有明顯的缺點，主要體現(xiàn)為：1）射線源和探測器均距離車輛藏匿的待測物品較遠（2～3 m），對于少量違禁品（幾十克甚至幾克的毒品和炸藥等）而言，探測到的有效信號將極其微弱，圖像信噪比差，甚至無法有效探測;2）車輛復雜的零部件對違禁品的遮擋和圖像的重疊也會增加檢測的難度;3）輻射嚴重且無法有效屏蔽射線對人體的危害;4）設備極其龐大，且多為固定式。所以，傳統(tǒng)的x射線背散射裝置在檢測車輛夾層中藏匿的違禁品，特別是小體量違禁品方面存在很大的困難，這也是一直以來無法解決的瓶頸。

因此，針對傳統(tǒng)車輛安檢技術的不足，本文開展了小型化飛點掃描x射線背散射系統(tǒng)的設計及實驗研究。基于車輛安檢對高集光效率和高分辨率的需求，設計了小型化飛點掃描x射線背散射系統(tǒng)的斬波機構、背散射探測器。利用研制的小型化飛點掃描x射線背散射系統(tǒng)開展了x射線背散射成像實驗，檢驗了系統(tǒng)的性能。該系統(tǒng)可以借助遠程控制的機械臂搭載，伸入車輛內(nèi)部進行局部掃描檢測或?qū)囕v內(nèi)部進行全景掃描檢測，這對于提高車輛安檢的精密化程度，減小輻射危害等具有重要的意義。

1x射線飛點掃描原理與設計

1.1x射線飛點掃描原理

x射線與物質(zhì)的相互作用主要包括：光電效應、相干散射、康普頓散射及電子對效應等。x射線背散射成像是基于康普頓散射原理，通過探測物質(zhì)對入射x射線的康普頓散射信號來實現(xiàn)對物質(zhì)的探測。低原子序數(shù)、低密度物質(zhì)（主要成分為c、H、O、N的毒品、炸藥等）的康普頓散射截面較大，散射信號較強，而金屬類物質(zhì)的散射截面小，散射信號弱。因此，基于物質(zhì)散射信號強度的差異可以實現(xiàn)對物質(zhì)類型的判斷。

飛點掃描x射線背散射系統(tǒng)的原理如圖1所示。通過一個前置準直狹縫將x射線管產(chǎn)生的錐形光束準直成扇形光束，然后照射在高速轉(zhuǎn)動的斬波輪上。斬波輪上開有若干徑向分布的狹縫，狹縫以外區(qū)域采用高原子序數(shù)材料進行屏蔽，確保斬波輪狹縫以外部分無法透過x射線。在斬波輪高速轉(zhuǎn)動的過程中，同一時刻有且僅有一條狹縫與前置準直狹縫產(chǎn)生交點，所以當扇形x射線經(jīng)過斬波輪后就可以形成一束x射線細光束，并在豎直方向做一維高速線掃描。同時，另一維掃描則通過被檢物與設備間的相對運動產(chǎn)生。探測器與x射線管都位于被檢物的同一側(cè)，當探測器接收到被檢物產(chǎn)生的背散射信號后，將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，利用算法將時序的電信號重構為被檢物的二維背散射圖像。

1.2飛點掃描機構設計

斬波機構是產(chǎn)生高速掃描x射線細光束的關鍵部件。通過高速旋轉(zhuǎn)的斬波機構，將準直的扇形光束進行斬波，形成上下高速掃描的x射線細光束。

飛點掃描機構原理如圖2所示，x射線從光源的中心發(fā)出，經(jīng)過前置狹縫準直成扇形光束。在準直狹縫的出光口處設置一個可高速旋轉(zhuǎn)的斬波輪，斬波輪的表面徑向分布若干狹縫，狹縫以外部分采用高原子序數(shù)、高密度的鎢材料來屏蔽x射線。在斬波輪高速旋轉(zhuǎn)的過程中，準直后的扇形x射線光束能夠在某一時間段穿過斬波輪上的狹縫，從而形成上下高速掃描的細光束。細光束輻照被檢物，產(chǎn)生康普頓散射，通過接收被檢物的背散射信號獲取圖像。式中h2為固定準直狹縫在斬波輪上的投影。

成像分辨率由產(chǎn)生的x射線細光束投影在被檢物上的水平線寬△x和豎直線寬△y決定。集光效率Ω由系統(tǒng)的有效x射線光束立體角決定。圖2中準直狹縫寬度a、斬波輪狹縫寬度6、光源中心到狹縫出瞳的距離d及物距u是影響集光效率Ω和成像分辨率的主要因素，各參數(shù)滿足以下關系：

從式（4）～（6）可以看出，當光源中心到狹縫的出瞳距離d和物距u固定時，為了得到高分辨率的圖像，需要盡可能減小準直狹縫與斬波輪狹縫的寬度，但隨著a、b值的減小，集光效率Q也在相應減小，這樣就無法保證有足夠多的x射線照射到物體上。所以，要在保證有較好的成像分辨率的同時使系統(tǒng)具有較高的集光效率。

本文將光源中心到狹縫出瞳的距離d固定為200mm，物距u為800mm。x射線細光束在物面上產(chǎn)生光斑的線寬視為理論最佳分辨率，針對小型化飛點掃描系統(tǒng)的具體應用，對于車輛、房間等狹小空間內(nèi)部的檢測需要達到2 mm的分辨率。由此計算得到準直狹縫和斬波輪上徑向狹縫寬度要滿足≤0.5mm。在滿足分辨率要求的同時，兩個狹縫越寬，集光效率也就越高，所以該系統(tǒng)選用0.5mm寬度的準直狹縫和徑向狹縫。

為了使系統(tǒng)實現(xiàn)高速掃描且易于搭載，需要對斬波機構進行輕量化設計。斬波機構采用分體式設計，主體半徑為R且材質(zhì)為鋁合金，圓環(huán)處即寬度為h3的區(qū)域采用鎢鋼作為屏蔽材料。x射線管的工作電壓通常為100～150 kV，所產(chǎn)生的x射線最高能點為100～150 keV，但是較強的輻射一般在20～40 keV能段和58 keV及67 keV能點。為了獲得較好的屏蔽效果，計算了在150 keV下不同厚度鎢板的透過率，當厚度為3mm時透過率約為10^-4，完全符合系統(tǒng)要求。所以該系統(tǒng)采用3mm厚的鎢板來屏蔽入射的高能x射線。斬波輪的結(jié)構如圖3所示。

通過表1的數(shù)據(jù)可以看出，隨著斬波輪的徑向狹縫數(shù)變大，斬波輪的整體尺寸、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量均增大。盡管n=3時，斬波輪的半徑和轉(zhuǎn)動慣量最小，但提高了對電機轉(zhuǎn)速的要求，需要更大體積、更大慣量的電機來提升斬波輪轉(zhuǎn)速，這不符合設備小型化的需求。所以，在設計時考慮到尺寸、掃描速度、電機荷載等因素，本文在圓盤斬波輪上采用的徑向狹縫條數(shù)為4條，斬波輪具體參數(shù)見表2。在物距為800mm時，線視場即可檢查高度約為800 mm。

1.3探測器設計

系統(tǒng)采用計數(shù)型x射線探測器來收集物質(zhì)的背散射x射線。根據(jù)材料的不同可以將x射線探測器分為三類：氣體探測器、半導體探測器和閃爍體探測器。在選擇具體的x射線探測器類型時，需要考慮探測器的響應能點、能量分辨率、輸出穩(wěn)定性、時間分辨率、探測效率等因素。探測器的具體性能如表3所示。

在飛點掃描x射線背散射系統(tǒng)中，x射線的工作能點一般在160 keV以下，并且不需要能譜分辨，采集的各種能點的x射線信號積分為一個強度信號。工作環(huán)境通常為常溫環(huán)境，并且背散射信號比透射信號弱幾個數(shù)量級，需要采用大面積的探測器來提高采集的背散射信號強度。同時，考慮到飛點掃描中x射線束呈高速掃描的狀態(tài)，相鄰兩個像素點的時間間隔為微秒量級。綜上所述，考慮探測能區(qū)、能量分辨率、穩(wěn)定性、時間分辨率、探測效率等因素，閃爍體探測器更適合用于x射線飛點掃描系統(tǒng)。

結(jié)合飛點掃描的探測需求，在選擇閃爍體材料時，需要考慮閃爍體的發(fā)光峰值波長、衰減時間、相對發(fā)光強度、潮解程度。閃爍體的衰減時間基本都在納秒量級，能夠滿足飛點掃描的需求。目前常用的閃爍體材料的相關特性如表4所示，其中假設NaI（TI）的相對發(fā)光強度為100。

在不易潮解的閃爍體材料中，以Plastic和LSO最為常見。塑料閃爍體的密度較小、原子序數(shù)較低，光在閃爍體中衰減較弱，但是塑料閃爍體可以制作成較大尺寸，尺寸可達1m甚至更大。反之，LSO閃爍體的密度較大、原子序數(shù)也較高，且光在其中的衰減較強，但是，大面積的LSO閃爍體難以制作，常見的LSO閃爍體尺寸僅幾厘米。另外，結(jié)合飛點掃描的具體結(jié)構，在不影響設備整體體積的前提下，斬波輪前端的空間都可用來放置探測器，從而增大閃爍體探測器的有效接收面積，收集更多的散射光子，提高探測效率。因此，本文選用塑料閃爍體作為該小型化背散射系統(tǒng)的探測器。圖4為計算得到的塑料閃爍體對不同能點x射線的沉積效率，其中入射光子數(shù)為5x10⁴。

根據(jù)圖4可以看出，隨著探測器厚度的增大，沉積效率逐漸提高，且變化趨勢為非線性。當探測器厚度為50mm時，對40～60 keV能量的x射線的沉積效率約為60%。因此，結(jié)合輕量化的需求，采用厚度為50mm的塑料閃爍體，閃爍體型號為HND-S2型，有效探測面積為400 mmx200mm。在塑料閃爍體的表面采用高分子材料特氟龍（Teflon）進行封裝，閃爍體產(chǎn)生的可見光在特氟龍表面能進行多次反射，可提高光子的利用率。閃爍體與光電倍增管（PMT）陰極之間通過添加光學耦合劑直接耦合，并通過PMT將產(chǎn)生的可見光子轉(zhuǎn)化為電信號。電信號由數(shù)字采集卡采集，并通過算法將數(shù)據(jù)重構為二維圖像。

2x射線成像實驗

圖5為小型化飛點掃描x射線背散射系統(tǒng)，整體尺寸為550mm×500mm×500mm。系統(tǒng)主要由x射線源、固定準直狹縫、電機、斬波輪、探測器等組成。

為了測試飛點掃描x射線背散射系統(tǒng)的分辨率，在樣品聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的表面附上對x射線吸收高、散射低的鎢鋼片，并進行背散射實驗。以PMMA作為實驗樣品是因為PMMA的分子結(jié)構及散射能力與部分毒品相似，適合作為毒品模擬物。

PMMA的尺寸為100 mmx100 mmx50 mm，在其表面附有三塊鎢鋼片，鎢鋼片的尺寸分別為40mm、15mm、3mm。將該樣品放置在物距為800mm的樣品臺上，并將樣品臺置于水平傳送帶上，以30 mm/s的平移速度做水平移動，樣品臺的材質(zhì)為鋁合金。圖6給出了PMMA樣品的成像結(jié)果以及在水平方向的分辨率測試結(jié)果，圖中標出了水平方向的10%～90%邊界分辨率，且x表示PMMA在水平方向上的位置。表5分別給出了不同光源參數(shù)下，水平方向PMMA樣品的邊界分辨率以及PMMA與鎢鋼片邊界的分辨率。

圖7是實驗測得的PMMA樣品在豎直方向的分辨率，y表示PMMA在豎直方向的位置。表6給出了在不同光源參數(shù)下，豎直方向PMMA樣品的邊界分辨以及PMMA樣品與鎢鋼片的邊界分辨率。

從以上實驗結(jié)果可以得出，在最佳的光源參數(shù)下，PMMA樣品與空氣邊界的水平方向和豎直方向的分辨率均優(yōu)于2mm，而PMMA樣品與鎢鋼邊界的分辨率要較差一些。其中，當x射線源的外加電壓為60 kV時，實驗圖像呈現(xiàn)的分辨率要高于其他參數(shù)條件下的分辨率。主要原因是在60 kV的電壓下，x射線的光子能量較低，穿透性不足，只能對被檢物的淺層進行探測，受到多次散射信號的影響較小。另外，環(huán)境的雜散信號較弱，對成像分辨率只能產(chǎn)生微弱的影響。

為了檢驗系統(tǒng)對不同材質(zhì)樣品的成像能力，以峰值信噪比（PSNR，單位為dB）和灰度方差（N）作為評價指標，對飛點掃描x射線背散射系統(tǒng)的成像質(zhì)量進行分析。所采用的樣品分別為塑料玩具車及內(nèi)部放置了3塊不同大小PMMA的陶瓷杯。陶瓷杯壁厚約為3 mm，3塊PMMA的尺寸分別為15mmx15mmx15mm、20mmx20mm×20 mm、25 mmx25 mmx25mm。對塑料玩具車進行成像實驗，得到PSNR以及Ⅳ數(shù)據(jù)見表7。圖6（b）和圖7（b）分別為玩具車以及陶瓷杯的實驗結(jié)果，該實驗結(jié)果對應的光管功率為750 w，光管電壓為150kV，圖8（a）以及圖9（a）為相應的實物圖。圖10為陶瓷杯在水平方向的分辨率，根據(jù)計算可以得出水平方向的10%～90%邊界分辨率為2mm。

在計算PSNR及Ⅳ時，截取成像結(jié)果中樣品所在區(qū)域的圖像進行計算，消除樣品臺及背景環(huán)境對結(jié)果的影響。綜合PSNR以及Ⅳ的實驗結(jié)果可以看出，隨著光源功率及射線能量提高，尤其是在光源最大功率750 w、電壓150 kV時，環(huán)境噪聲較為嚴重，導致獲得圖像的PSNR值降低，像質(zhì)有所下降，但是圖像的灰度方差提升，圖像對比度得到提高。圖8顯示了無遮擋情況且光源功率750w、電壓150kV時的塑料玩具車圖像，圖中呈現(xiàn)出較為清晰的細節(jié)。圖9（b）顯示了毒品模擬物PMMA在陶瓷杯的遮擋下的圖像，圖中也顯示出比較清晰的輪廓，并達到2mm的分辨率，這表明系統(tǒng)能夠有效探測隱藏在陶瓷件內(nèi)的違禁品。圖10為陶瓷杯水平方向分辨率分布圖。

3結(jié)論

本文圍繞車輛販運違禁品的快速、高效查緝需求，開展了小型化、輕量化飛點掃描x射線背散射系統(tǒng)的研究。設計了飛點掃描x射線背散射系統(tǒng)中的斬波結(jié)構和背散射探測器，在保證系統(tǒng)探測效率的同時，有效減小了斬波輪和背散射探測器的體積和重量。利用研制的小型化飛點掃描x射線背散射系統(tǒng)開展了x射線背散射成像實驗，分析了不同x射線能量及功率對成像對比度和信噪比的影響。本文研制的小型化飛點掃描x射線背散射系統(tǒng)的分辨率約為2mm，可以清晰地檢測出位于陶瓷物品內(nèi)部的毒品模擬物，對未來解決車輛安檢問題和減少輻射危害具有重要意義。