СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЯ ОБЪЕКТА, СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ДЛЯ ПРОВЕРКИ ОБЪЕКТОВ И СПОСОБ ПРОВЕРКИ ОБЪЕКТА
METHOD OF GENERATING IMAGE OF OBJECT, CONTROL SYSTEM FOR INSECTING OBJECTS AND METHOD OF INSPECTING OBJECTS

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к системам и способам проверки объектов, включая людей (но этим изобретение не ограничивается), с помощью проникающего излучения и, более конкретно, к проверке пассажиров и персонала с помощью ряда индивидуально активизируемых рентгеновских источников.
Уровень техники
Для обычных рентгеновских источников типичным способом генерации излучения является использование тормозного излучения электронов, испускаемых эмиттером при термоэлектронной эмиссии и сталкивающихся с металлическим катодом. Термоэлектронная эмиссия представляет собой испускание электронов нагретой нитью накала. Разрешающая способность по времени систем на основе термоэлектронной эмиссии ограничена микросекундами, а пространственное разрешение эмиттера электронов зависит от размера нити накала.
В рентгеновских источниках могут также применяться автоэмиссионные катоды. Их использование дает преимущества в отношении пространственного и временного разрешения по сравнению с термоэлектронными источниками. Так как автоэлектронная эмиссия вызывается полями высокой напряженности, отпадает необходимость в нагревании, а поэтому такие электронные эмиттеры обычно называют эмиттерами с холодным катодом. Пучки электронов, генерируемые такими устройствами, могут иметь малое расхождение и, следовательно, легко могут фокусироваться. Кроме того, практически мгновенная реакция источника на управляющие воздействия обеспечивает разрешение по времени, сопоставимое с разрешением по времени схем управления, и, при использовании современных технологий, может достигать наносекунд.
В публикации Zhang и др. "Многолучевая рентгенографическая система, использующая автоэмиссионные катоды на основе углеродных нанотрубок", "Medical Imaging", 2006 (Proceedings of SPIE, Vol.6142, March 2, 2006) сообщается об изготовлении компанией Xintek, Inc., Research Triangle Park (Северная Каролина) линейного массива из пяти рентгеновских источников на углеродных нанотрубках, каждый из которых имеет область фокусировки от 200 до 300 микрон. Сообщалось, что сила тока в электронном пучке лежит в диапазоне 0,1-1 мА при ускоряющем напряжении от 40 до 60 кВ (пиковое значение). Срок эксплуатации холодного катода, согласно оценке, превышает 2000 ч. Была измерена сила тока в электронном пучке, составившая 13 мА при ускоряющем напряжении 200 кВ. Указанная публикация Zhang и др. считается отсылочно включенной в данный документ. Учитывая современный уровень техники, можно предвидеть появление устройств с разрешением 1000 пикселей/м и частотой импульсов 10 МГц.
Использование в качестве рентгеновских источников с холодным катодом углеродных нанотрубок описано также в публикации Cheng и др. "Динамическая радиография с использованием рентгеновских источников на основе эмитттеров электронов с углеродными нанотрубками" ("Rev. Sci. Instruments", v.75 (2004), p.3264), а применение для сканирования массива рентгеновских источников с холодным катодом на основе углеродных нанотрубок описано в публикации Zhang и др. "Стационарный автоэмиссионный рентгеновский источник с холодным катодом на основе углеродных нанотрубок", "Appl. Phys. Lett.", v.86 (2005), p.184104; обе публикации считаются отсылочно включенными в данный документ.
Кроме того, применение в томографии массивов рентгеновских источников с холодным катодом на основе углеродных нанотрубок обсуждается в публикации Zhang и др. "Применение в компьютерной томографии рентгеновских источников с холодным катодом на основе нанотрубок", "Rev. Sci. Instruments", v.76 (2005), p.94301, которая также считается отсылочно включенной в данный документ.
Для работы аэропортов все более важными становятся факторы, связанные с площадью, занимаемой системами контроля пассажиров/персонала, а также с пропускной способностью этих систем, так как пункты контроля все более ограничивают пропускную способность аэропортов. Обычно наиболее критичным является размер устройств в направлении, перпендикулярным направлению потока людей; в настоящее время в качестве эталона для сравнения можно взять устанавливаемые в аэропортах металлодетекторы. Для аэропортов США желательна одновременная работа высокопроизводительной системы проверки людей и двух смежных ей систем контроля багажа, что соответствует пропускной способности, равной примерно 400 человек/ч.
Хотя рентгеновское сканирование способом обратного рассеяния обычно считается наиболее эффективным способом обнаружения контрабанды или скрытых предметов, представляющих потенциальную угрозу, в настоящее время эта технология не может обеспечить в ряде применений достаточную производительность и, кроме того, не может удовлетворить требованиям, предъявляемым к размерам, обусловленным особенностями некоторых территорий, таких как аэропорт и его зоны. Преимущество данного изобретения состоит в том, что предлагаемые решения позволяют устранить указанные недостатки.
Предлагаемые в настоящее время решения, направленные на повышение пропускной способности систем с односторонним рентгеновским просвечиванием способом обратного рассеяния, опираются на применение нескольких однофокусных рентгеновских источников. Так как рентгеновские лучи этих источников коллимируются (т.е. фокусируются и направляются) в виде построчно развертываемого веера лучей, возможны искажения видеоинформации, обусловленные углами падения лучей на проверяемый объект. Хотя эти искажения можно компенсировать с помощью программного обеспечения, данные все же остаются зависимыми от изменяющихся углов падения лучей. При острых углах это может привести к появлению случайных рентгеновских теней, например, от таких объектов, как руки, из-за чего может остаться не обнаруженным, например, предмет контрабанды. Если для уменьшения влияния данного недостатка применяются несколько обычных рентгеновских источников, то растут габариты оборудования, а возросшая стоимость делает его применение коммерчески непривлекательным.
Раскрытие изобретения
В соответствии с предпочтительными вариантами данного изобретения предлагается способ генерации изображения объекта объектов. Способ предусматривает активизацию массива дискретных рентгеновских источников на основе углеродных нанотрубок по заданной временной схеме для освещения объекта лучом, пространственная ориентация которого изменяется, регистрацию рентгеновского излучения после его взаимодействия с объектом и генерацию сигналов отдатчиков и построение изображения объекта на основе изменяющихся во времени сигналов от датчиков.
В других вариантах изобретения может применяться также движение всего массива дискретных рентгеновских источников - вращение, сдвиг или оба вида движения. Если считать, что массив дискретных рентгеновских источников характеризуется некоторой продольной осью, то сдвиг массива может представлять собой параллельный перенос в направлении, приблизительно перпендикулярном этой оси, а вращение массива может представлять собой вращение вокруг прямой, приблизительно параллельной оси.
Заданная временная схема для данного изобретения в некоторых вариантах может образовывать код Адамара. Кроме того, операция регистрации рентгеновского излучения после его взаимодействия с объектом может включать операцию приема рентгеновского излучения, рассеянного объектом, а операция активизации дискретных рентгеновских источников может являться активизацией источников автоэлектронной эмиссии, и, в частности, активизацией нескольких источников автоэлектронной эмиссии, причем каждый источник может быть снабжен отражательной или проницаемой для излучения мишенью (анодом).
В соответствии с другими вариантами изобретения предлагается система контроля, служащая для проверки объектов. Система контроля включает ряд линейных массивов дискретных источников проникающего излучения, по крайней мере один датчик, воспринимающий рассеянное излучение, устроенный так, чтобы генерировать сигнал о рассеянном излучении по величине принятого проникающего излучения, рассеянного проверяемым объектом, и процессор, служащий для приема сигнала о рассеянном излучении и генерации изображения объекта. Дискретными источниками проникающего излучения могут служить, в частности, рентгеновские источники на основе углеродных нанотрубок.
Кроме вышеизложенного настоящее изобретение предлагает способ проверки объекта, включающий освещение объекта посредством группы линейных массивов дискретных источников проникающего излучения на основе углеродных нанотрубок, генерацию датчиком сигнала о рассеянном излучении на основе регистрируемого проникающего излучения, рассеянного проверяемым объектом, и обработку сигнала о рассеянном излучении для генерации изображения объекта.
Вышеописанный способ проверки объекта может включать дополнительно стадию перемещения объекта в период его освещения рядом линейных массивов источников.
Краткое описание чертежей
Указанные признаки изобретения станут более понятными из следующего ниже подробного описания и сопровождающих чертежей.
На фиг.1 представлено схематическое изображение относящегося к предшествующему уровню техники рентгеновского источника на основе автоэлектронной эмиссии.
На фиг.2 показано использование одномерного массива дискретных источников для приложений, в которых используется обратное рассеяние, в соответствии с предпочтительным вариантом данного изобретения.
На фиг.3 показано использование двухмерного массива дискретных источников для приложений, использующих обратное рассеяние, в соответствии с предпочтительным вариантом данного изобретения.
На фиг.4 показано использование одномерного массива дискретных источников и фиксированного набора датчиков обратного рассеяния для приложений, использующих обратное рассеяние, в соответствии с предпочтительным вариантом данного изобретения.
На фиг.5 показано устройство для генерации изображений, в котором несколько одномерных массивов рентгеновских источников расположены на цилиндре, в соответствии с вариантом данного изобретения.
На фиг.6 представлен вид спереди одного варианта данного изобретения, в котором рентгеновские лучи испускаются в направлении сверху вниз.
На фиг.7 представлен схематический вид сбоку варианта данного изобретения, где показаны несколько последовательных положений человека, пересекающего множество рентгеновских лучей, направленных сверху.
На фиг.8 представлен вид спереди варианта данного изобретения, в котором рентгеновские лучи испускаются с противоположных сторон.
На фиг.9 представлен схематический вид сбоку варианта данного изобретения, где показаны несколько последовательных положений человека, пересекающего множество рентгеновских лучей, направленных сверху.
Осуществление изобретения
Технология холодного катода, например, на основе углеродных нанотрубок, открывает возможность создания новых способов рентгенографии - как просвечиванием, так и с помощью обратного или прямого рассеяния излучения. Применение по способу, описанному ниже, в соответствии с данным изобретением, дает следующее преимущество: дискретные источники с холодным катодом допускают выполняемое электроникой последовательное включение с малым латентным временем (порядка наносекунд), благодаря чему могут быть сформированы узконаправленные лучи, часто используемые в рентгенографической практике. Альтернативно могут быть разработаны схемы включения/выключения источников в заданные моменты времени для формирования кодированных лучей. Развитие технологии углеродных нанотрубок позволяет преодолеть серьезные технические трудности, связанные с характерными для настоящего времени показателями стабильности и продолжительности эксплуатации катодов.
Обычное функционирование рентгеновского источника с холодным катодом, обозначенного как целое числом 10 на фиг.1, хорошо известно в данной области; оно описано со ссылками на фиг.1. Схемы с холодным катодом имеют преимущество, состоящее в высокой степени управляемости. Напряжение Vgc между управляющим электродом 12 и катодом 14, контролируемое цепью 13, регулирует силу тока в электронном пучке 15, тогда как напряжение Vca между катодом 14 и анодом 16 (который является мишенью и генерирует рентгеновское излучение) управляет энергией электронов, сталкивающейся с мишенью 16, а напряжение, приложенное к фокусирующему электроду 18, определяет размер пятна электронного луча.
Хотя на фиг.1 представлено устройство, в котором рентгеновское излучение генерируется отражающей мишенью 19, возможно также использование в рамках данного изобретения проницаемой мишени.
Применение дискретных рентгеновских источников для генерации изображений, согласно данному изобретению, варьируется в зависимости от размерности массива источников (которой может быть одномерным, двумерным и трехмерным), режима сканирования (развертка или сканирование по заданной схеме), динамики изменяющихся во времени значений энергии и применения временной схемы включения/выключения (стробирования).
Разрешающая способность по времени - это преимущество, особенно важное при достаточно длительном сканировании, в ходе которого потоки воздуха сильно влияют на соотношение "сигнал/шум".
Первый вариант изобретения будет описан со ссылками на фиг.2. Одномерный массив 20 рентгеновских источников 22 размещен так, что датчики 23 обратного рассеяния примыкают с одной или нескольких сторон, параллельных продольной (обычно вертикальной) оси 21. Для построчной генерации изображения устройство 24 как целое может перемещаться сдвигом в поперечном направлении 25, обычно в горизонтальном направлении. Альтернативно массив 20 может вращаться вокруг оси 21 (обычно вертикальной) таким образом, что осуществляется развертка рентгеновского луча 26 в поперечном направлении (опять, в обычных случаях, горизонтальном), благодаря чему генерируется построчное изображение, что не требует перемещения всего устройства. Такая система может применяться, например, при поиске взрывных устройств, когда изображение должно получаться за короткое время без перемещения всей рентгенографической системы, которая может размещаться, например, в автофургоне. Строки изображения создаются при построчным "сканировании" источников в вертикальном направлении путем включения в каждый данный момент времени по одному источнику 22, в быстрой последовательности.
В соответствии с другим вариантом данного изобретения применяются кодированные лучи, для чего можно использовать коды Адамара или коды на другой основе. Обсуждение кодированных лучей можно найти, например, в публикации Сhou "Применение в радиационной медицине апертурной генерации изображений использованием кодирования по Фурье", "IEE Proc. Sci. Meas. Technol.", vol.141, pp.179-84 (1994), в публикации Mertz et al. "Синтез рентгеновских изображений при вращающейся апертуре", "J. Opt. Soc. Am. A.", vol.3, pp.2167-70 (1986) и в публикации Gindi et al. "Построение изображений с применением вращающихся щелевых апертур и вращающихся коллиматоров", "Med. Phys.", vol.9, pp.324-39 (1982); все указанные публикации считаются отсылочно включенными в данный документ.
Рентгеновские источники с автоэлектронной эмиссией могут легко включаться и выключаться электронными схемами при значительной частоте, обычно достигающей 30 кГц. Это означает, что кодируемые лучи могут переключаться (при замене одной временной схемы включения/выключения на другую), циклически повторяться (что эквивалентно вращению) или инвертироваться (выполняется замена маски на антимаску для уменьшения влияние артефактов при генерации с изображений с близкого расстояния). Лучи, кодированные по Адамару, или лучи, сконфигурированные в соответствии с шаблонами/схемами, дают особое преимущество в тех случаях, когда проблемой является величина потока излучения.
Обратимся теперь к фиг.3, на которой показан двумерный массив 30 источников, не имеющий движущихся частей, который за весьма малое время охватывает излучением заданный телесный угол (определенный общим числом источников 32 и дивергенцией лучей). В этом случае может использоваться способ растровой развертки, подобный применяемому в ЭЛТ, а также шаблоны/схемы генерации лучей (кодированных по Адамару или с помощью других способов кодирования).
При описании следующих далее вариантов изобретения со ссылками на фиг.4 система с управляемой скоростью будет как целое обозначена числом 40. Один или несколько датчиков 42 обратного рассеяния установлены фиксированным образом, но массив источников 44 перемещается возвратно-поступательно с постоянной скоростью в направлении стрелки 45, находясь между датчиками 42 или примыкая к одному из них. Такая система может также работать в режиме чередования, описанном ниже. Вариант, представленный на фиг.4, может использоваться для устранения недостатков варианта, показанного на фиг.2, а именно легко возникающих искажений изображений, что связано с вариациями скорости системы. В зависимости от скорости перемещения массива 20 объекты могут оказаться представленными на изображении как сжатые или растянутые.
Дальнейшее повышение универсальности может быть достигнуто с помощью таких вариантов, как вариант, показанный на фиг.5, в котором на цилиндре 54 расположены два или несколько одномерных массивов 51, 52 рентгеновских источников. Так как массивы могут с высокой скоростью включаться и выключаться электронными схемами, в каждый данный момент времени включен только массив, генерирующий рентгеновский луч 55, который направлен на объект (не показан), а другие массивы выключены, и, следовательно, нет надобности экранировать массивы друг от друга. Универсальность этой модели состоит в естественно возникающей возможности применить режим чередования, как описано ниже, непрерывно накапливая информацию об изображении.
Режим чередования может быть полезным в случаях, когда в силу технических ограничений или в соответствии с данным проектом минимальное расстояние между источниками составляет 1 см, а нужное разрешение в данном применении требует, чтобы источники были разнесены на 4 мм. На цилиндре расположены три одномерных массива, смещенных относительно друг друга на 120 градусов по окружности и на 3,33 мм по вертикали. Каждый массив выполняет сканирование по строкам, разнесенным на 1 см, но благодаря сдвигам по вертикали готовое изображение, получаемое за время полного оборота цилиндра, будет обладать разрешением 3,33 мм. Такой режим работы называется "режимом чередования". Для системы, представленной на фиг.4, отображение в режиме чередования обеспечивается благодаря сдвигу массивов относительно друг друга по вертикали таким образом, что лучи оказываются сдвинутыми при новом горизонтальном проходе.
Перемещаемый массив источников в соответствии с вариантами, показанными на фиг.2 и 4, генерирует изображение за один проход, строка за строкой, подвергая каждую область единичной площади за единицу времени облучению одной и той же дозой излучения (которая зависит от скорости перемещения). Вращающийся цилиндр 54 на фиг.5 может создавать при каждом проходе одномерным массивом исследуемого сектора изображение невысокого разрешения, добавляя его к генерируемому целостному изображению. Эту концепцию можно назвать концепцией "непрерывно накапливаемого изображения" (ННИ). Концепция ННИ оказывается полезной, когда необходимо ограничить дозу излучения, получаемого объектом, или когда величина потока излучения недостаточна для формирования изображения за один проход. Оператор останавливает сканирование, когда изображение деталей объекта становится удовлетворительным. Одним из применений, для которого концепция ННИ оказывается полезной, является рентгенография багажа, относительно которого имеются подозрения, что он содержит самодельное взрывное устройство с взрывателем, инициализируемым рентгеновским излучением. В указанном режиме работы величина первичного потока на один пиксель является низкой. Изображение формируется за несколько проходов ("заметаний" сектора), что позволяет избежать инициализации взрывателя, но качество изображения может быть достаточным для различимости важных деталей содержимого.
За счет увеличения времени сканирования система, в которой применяется цилиндр, может компенсировать выход из строя источников некоторого массива, если применять в этом случае простую развертку.
Наконец, дискретные рентгеновские источники, описанные выше, могут найти полезное применение для визуализации флюоресцентных меток, активизируемых рентгеновским излучением, а также для получения спектральных изображений, что дает возможность почти мгновенно идентифицировать помеченную поверхность. В таких приложениях для идентификации строк, соответствующих флюоресцирующей области, требуются датчики с достаточной высокой разрешающей способностью по энергии.
В соответствии с другими вариантами данного изобретения источники рентгеновского излучения, собранные в одномерные или двумерные массивы, включаются последовательно, как описано выше. Другие дискретные рентгеновские источники - как существующие в настоящее время, так и потенциально возможные в будущем - также могут использоваться способами, в общих чертах аналогичными данному способу, что не выводит за рамки изобретения, как оно описано здесь и определяется прилагаемой формулой изобретения.
Данное применение массивов рентгеновских источников описанного типа может быть особенно полезным по следующим причинам:
рентгеновский источник может быть очень компактным, особенно это важно в отношении размера, измеряемого вдоль линии испускания рентгеновского излучения;
использование линейного массива лучей рентгеновского излучения дает преимущество, состоящее в уменьшении искажений изображения, характерных для одноточечных источников;
данный подход к генерации рентгеновских лучей обеспечивает гибкость процесса получения изображений, имеет улучшенную геометрическую конфигурацию и позволяет сэкономить площадь, занимаемую установкой - и по этим свойствам обеспечивает очень большие преимущества по сравнению с системами, в которых используется один источник;
применение последовательного способа активации линейных массивов рентгеновских источников дает возможность получать изображение способом обратного рассеяния при отсутствии перекрестных помех между источниками;
данное изобретение увеличивает пропускную способность системы, если применяется такая конфигурация, в которой одновременно формируются два или несколько изображений проверяемого объекта.
Другой вариант изобретения будет описан со ссылками на фиг.6. Наборы рентгеновских источников 110 на основе углеродных нанотрубок, сконфигурированные в виде линейных массивов 111 или двухмерного массива, помещаются сверху (как показано) или в стороне от исследуемого лица 112. Должно быть ясно, что изображение человека на чертежах лишь представляет один из возможных объектов, однако устройства и способы, здесь описанные, могут найти полезное применение для проверки любых предметов, как одушевленных, так и неодушевленных.
Датчики 114 рассеянного излучения, которые, например, могут быть датчиками обратного или бокового рассеяния, можно установить так, чтобы они регистрировали рассеянные рентгеновские лучи. Проверяемое лицо проходит или перемещается с помощью ленты 118 ("движущегося тротуара"), пересекая рентгеновские лучи 116. Возможно наличие ручки 119. Отдельные источники 110 можно активизировать последовательно, обеспечивая требуемое пространственное разрешение с помощью известных алгоритмов.
На фиг.7 показан объект 12 в трех последовательных положениях при прохождении через пункт контроля, который обозначен как целое числом 100. Пункт 100 контроля имеет источник 160 на передней стороне и источник 162 на задней стороне, каждый из которых может содержать линейные массивы, такие как источник 111, изображенный на фиг.6, а каждый массив состоит из нескольких дискретных рентгеновских источников, расположенных вдоль оси, перпендикулярной плоскости чертежа. Человек 112 идет (или перемещается с помощью движущейся ленты 118) таким образом, что при движении через пункт контроля различные области его фигуры сканируются соответствующими источниками 160 и 162.
На фиг.8 и 9 представлен еще один вариант данного изобретения в конфигурации, напоминающей применяемые в настоящее время металлодетекторы. Как показано на виде сверху (фиг.9), массив 210 рентгеновских источников испускает рентгеновские лучи 212, которые хорошо видны на виде спереди (фиг.8). Рентгеновские лучи 212 падают на объект 112, когда он передвигается через пункт контроля, обозначенный как целое числом 200. Излучение, рассеянное объектом 112 или предметами одежды, или предметами, которые несет человек, регистрируются датчиками 220 рассеянного излучения. Датчики 220 рассеянного излучения генерируют сигналы о рассеянном излучении на основе измеренного излучения, и сигналы о рассеянном излучении обрабатываются процессором 230 с целью обнаружения и идентификации представляющих опасность веществ и предметов по известным алгоритмам; или, альтернативно, на монитор выводится обработанное соответствующим способом изображение проверяемого объекта 240. В любом случае генерируется изображение; термин "изображение" здесь и во всех пунктах формулы изобретения означает упорядоченный массив значений, соответствующих пространственно различимым элементам осматриваемого объекта. Так как геометрия системы позволяет уменьшить искажения и эффекты затенения, автоматизированные способы детектирования, которые опираются на алгоритмы распознавания образов, извлекают выгоду из того, что уменьшаются искажения и эффекты затенения. Этими же преимуществами будут обладать и обычные системы проверки багажа с помощью просвечивающего рентгеновского излучения и с применением обратного рассеяния.
Все описанные выше варианты изобретения служат лишь примерами; возможны многочисленные вариации и модификации, очевидные для специалистов в данной области. Все такие вариации и модификации рассматриваются как не выводящие за пределы охватываемой изобретением области, как она определяется прилагаемой формулой изобретения.