ДОСМОТРОВЫЙ РЕНТГЕНОВСКИЙ КОМПЛЕКС
X-RAY INSPECTION SYSTEM

Изобретение относится к области технических средств бесконтактного рентгеновского контроля объектов и может использоваться для обнаружения в них незаконных скрытых вложений, например, наркотиков, оружия и др., на таможенных и полицейских пунктах пропуска.
Известен способ сканирования контролируемых объектов веерообразным пучком рентгеновских лучей [1, с.43-48]. Данный способ имеет очень высокую производительность контроля, обеспечивает простой способ записи рентгеновского изображения в цифровой форме, обеспечивает максимальную радиационную безопасность людей и контролируемых объектов, позволяет досматривать крупногабаритные грузы и транспортные средства, а также имеет высокие разрешающую способность и контрастную чувствительность.
Устройства, реализующие этот способ [1, с.142-147] и [2, 3, 4], включают в себя конвейерную систему, обеспечивающую равномерное перемещение объекта контроля (ОК) относительно одного источника излучения, специальную диафрагму (коллиматор) для формирования веерообразного пучка, детекторную линейку для регистрации прошедшего через объект рентгеновского луча, а также электронную аппаратуру для преобразования рентгеновского изображения в цифровой код и для представления изображения объекта на экране монитора. Такие комплексы называются однопроекционными и их существенным недостатком является получение двухмерного (плоского) рентгеновского изображения контролируемого объекта. Этот недостаток не позволяет оператору с высокой вероятностью выявлять (распознавать) в ОК незаконные скрытые вложения, что может привести к пропуску контрабанды.
Устройство [1, с.48-50], реализующее также способ сканирования, включает в себя два источника рентгеновского излучения с соответствующими детекторными линейками. Источники излучения для наибольшего эффекта располагаются друг относительно друга под углом 90°. Такая компоновка источников излучения повышает вероятность распознавания предметов, находящихся в контролируемых объектах, до 60%, что является важным достоинством. Главным недостатком этого двухпроекционного устройства является возможность получения хотя и двух, но все равно плоских рентгеновских изображений ОК и его содержимого.
Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому изобретению является рентгеновский досмотровый комплекс, выполненный по способу получения объемного изображения в рентгеновских досмотровых комплексах [5].
В прототипе вместо двух используется один источник рентгеновского излучения, перемещающийся внутри досмотрового тоннеля по жесткой дуге с переменным фиксированным шагом от 0° до 90°. Объект контроля в досмотровом тоннеле перемещается равномерно, линейно и реверсивно относительно источника рентгеновского излучения. Взаимное расположение дуги и объекта контроля обеспечивает получение изображения предметов сбоку при 0° и сверху - при 90°. Аппаратура управления комплексом позволяет формировать в цифровых кодах серии из N плоских изображений, сделанных под разными углами расположения источника излучения относительно ОК через выбранный оператором шаг. Полученные цифровые коды серий изображений программно обрабатываются с целью получения на экране монитора объемного (трехмерного) изображения самого ОК и предметов, находящихся в нем. В досмотровом комплексе напротив дуги на нижней и одной боковой стенке тоннеля закреплена детекторная линейка в виде прямого угла. В центре дуги (окружности) находится конвейерная система с расположенным на ней ОК. Длина дуги составляет четверть окружности, что позволяет источнику рентгеновского излучения перемещаться от 0° до 90°. Длина сторон детекторной линейки и ее расположение в досмотровом тоннеле таковы, что она фиксирует веерный рентгеновский пучок в любом положении источника излучения на дуге.
Недостатком прототипа является то, что на сформированных рентгеновских снимках в ряде случаев могут быть искажения изображений, что может привести к неправильному анализу оператором полученной рентгеновской информации.
Это связано с тем, что углы падения рентгеновских лучей β на приемные детекторы «L»-образной линейки в различных положениях источника излучения на дуге будут отличаться друг от друга и, в ряде случаев, будут существенно меньше 90°. Если угол β≈90°, то практически все излучение попадает на детекторы линейки и их выходные сигналы будут максимальными. При уменьшении угла β интенсивность падающего на детектор рентгеновского луча и, соответственно, количество частиц-фотонов, достигающих детекторы, будут уменьшаться, в результате чего выходной сигнал детектора также будет становиться меньше максимального значения. Снижение интенсивности излучения возможно и тогда, когда рентгеновский луч ослабляется соответствующими предметами с повышенной плотностью материала. Очевидно, что при β<<90° выходной сигнал отдельных детекторов будет заведомо ложным и на экране появятся ложные затененные точки. В результате из таких ложных точек на экране монитора может сформироваться некоторая ложная область рентгеновского изображения. А это, в свою очередь, несколько исказит реальную теневую картину рентгеновского изображения объекта контроля, что может привести к неправильному анализу оператором полученного изображения и к пропуску им скрытых незаконных вложений.
1
2
3
Сказанное можно проиллюстрировать фиг.1, на которой показан фрагмент схемы комплекса-прототипа (цифровые обозначения взяты из [5]). Действительно, в положениях 1, i и n источника излучения 5 углы падения лучей соответственно β, β, и β будут существенно отличаться друг от друга.
В однопроекционных и двухпроекционных комплексах источники излучения всегда неподвижны и поэтому влияние углов падения лучей на величину выходного сигнала детекторов учитывается программным путем.
Рассмотрим подробнее вопрос о влиянии угла, под которым рентгеновское излучение падает на поверхность детектора линейки, на величину его выходного сигнала.
Известно, что при высоких энергиях электромагнитное излучение следует рассматривать как совокупность частиц - квантов электромагнитного поля или фотонов [6, с.24]. Общее количество переносимой излучением энергии определяется энергией отдельных фотонов, а так же их количеством.
Предполагается, что характеристики источника излучения в процессе работы остаются фиксированными. Поэтому энергия рентгеновского излучения, в среднем, остается постоянной. Это означает, что количество и энергия фотонов также остаются примерно одинаковыми.
В настоящее время в досмотровых установках используются, в основном, полупроводниковые детекторы. Основными механизмами взаимодействия фотонов с полупроводниковым веществом детектора являются фотоэффект и эффект Комптона.
В результате фотоэффекта фотон полностью поглощается, передовая свою энергию высвобожденному из атома вещества электрону. При комптоновском рассеянии фотонов слабосвязанные электроны атомов вещества детектора высвобождаются из атомов, при этом энергия рассеянных фотонов уменьшается. Один квант рентгеновского излучения (фотон) способен породить большое количество электронов. В обоих случаях происходит образование свободных электронов, которые «уносятся» из области детектирования под действием приложенного к этой области напряжения. Ток высвобожденных электронов является откликом детектора на рентгеновское излучение, т.е. выходным сигналом.
Из приведенного выше механизма регистрации рентгеновского излучения становится ясно, что величина выходного сигнала детектора непосредственно зависит от количества фотонов, попадающих на детектор [7, с.372], а также от их энергии, влияющей на количество электронов, высвобожденных в полупроводниковом веществе детектора единичным квантом излучения при комптоновском взаимодействии. При прохождении рентгеновского излучения через сканируемый объект контроля происходит его рассеяние и частичное поглощение. При этом количество фотонов данного излучения, достигающих поверхность детектора, будет меньше, а их энергия - ниже. Соответственно, число образовавшихся свободных электронов в детекторе также будет меньше, а отклик детектора (выходной сигнал) - слабее.
Для наглядности дальнейшего изложения, рассмотрим распространение рентгеновского излучения при отсутствии объекта контроля. Тем самым исключается влияние ОК на значения энергий фотонов, достигающих детектор. Неизменность средней собственной энергии фотонов исключает существенные отклонения в величине выходного сигнала детектора, связанные с передачей энергии электронам. Пренебрежем ослаблением рентгеновского излучения в воздухе. Тогда величина выходного сигнала детектора будет зависеть только от количества фотонов, достигающих его поверхность. Поэтому при рассмотрении вопросов, связанных с переносом энергии, можно перейти от интенсивности излучения к потоку частиц-фотонов. Учитывая неизменность характеристик источника излучения, предполагаем, что среднее значение плотности потока рентгеновского излучения на фиксированном расстоянии от детекторной линейки также будет постоянным.
Плотность данного испускаемого потока φ равна количеству частиц-фотонов dN, проходящих через единичную площадку dS, расположенную перпендикулярно направлению распространения этих частиц, за единицу времени dt и определяется характеристиками источника излучения:
<mrow><mi>ϕ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>N</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>S</mi><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow>
,
откуда
dN=φdSdt.
Количество фотонов, приходящих на детектор, будет равно:
dN'=φdS'dt,
где dS' - проекция единичной площадки dS на поверхность детектора (фиг.2).
Из рисунка видно, что
dS'=dS·cosα,
<mover accent="true"><mi>n</mi><mo>→</mo></mover>
<mrow><mover accent="true"><mi>n</mi><mo>→</mo></mover><mo>'</mo></mrow>
где α - угол между нормалями
и
, проведенными к единичным поверхностям dS и dS' соответственно.
Углы α и β, показанные на фиг.1 и 2, между собой связаны простейшим выражением: α=90°-β.
Отсюда можно оценить отношение количества частиц-фотонов, доходящих до детектора при направлении распространения луча, отличном от перпендикулярного к поверхности детектора, к количеству фотонов, доходящих до детектора при нормальном падении луча на его поверхность:
<mrow><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>N</mi><mo>'</mo></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>N</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>ϕ</mi><mi>d</mi><mi>S</mi><mi>cos</mi><mi>α</mi></mrow><mrow><mi>ϕ</mi><mi>d</mi><mi>S</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mi>cos</mi><mi>α</mi></mrow>
.
Окончательно можно записать:
dN'=cosαdN.
Последнее выражение определяет зависимость количества фотонов, дошедших до поверхности детектора, от угла, под которым рентгеновское излучение приходит на поверхность этого детектора.
Данная зависимость показывает, что величина выходного сигнала детектора уменьшается при увеличении угла α (или уменьшении угла β), что эквивалентно наличию некоторого объекта контроля в зоне сканирования. Кроме того, наличие такой зависимости приводит к усложнению возможной компьютерной обработки получаемого изображения из-за необходимости учета указанных выше искажений.
В известных конструкциях рентгеновских установок можно выделить две причины, по которым направление приходящего на детектор излучения отличается от нормального к поверхности детектора:
- веерообразное расхождение пучка рентгеновского излучения на выходе из коллиматора;
- «L»-образность формы детекторной линейки.
Веерообразность пучка рентгеновского излучения является общепринятым техническим решением для сканирования крупногабаритных ОК. Остается одна причина - «L»-образность формы детекторной линейки.
Целью изобретения является уменьшение искажений теневых рентгеновских изображений объектов контроля, что существенно повышает вероятность проведения оператором правильного анализа полученной визуальной
информации.
Поставленная цель достигается тем, что, наряду с досмотровым тоннелем, внутри которого находятся источник рентгеновского излучения с коллиматором, перемещающимися с помощью реверсивного электрического привода по жесткой направляющей в форме дуги длиной в четверть окружности с фиксированным изменяющимся шагом, конвейерной системой с объектом контроля и двумя ограничительными световыми барьерами, расположенными в центре дуги, детекторной линейкой, расположенной напротив дуги по другую сторону от конвейерной системы и позволяющей регистрировать рентгеновское излучение в любом положении источника, блоком управления, аналого-цифровым преобразователем, блоком программной обработки информации, пультом управления и оператором, в досмотровом рентгеновском комплексе жесткая направляющая выполнена в форме окружности, на внутренней стороне которой расположена детекторная линейка, повторяющая форму окружности, напротив четверти дуги, по которой перемещается источник излучения с коллиматором, с другой стороны от конвейерной системы, и по длине позволяющая регистрировать рентгеновское излучение в любом положении источника.
Принцип действия досмотрового рентгеновского комплекса поясняется фиг.3, на которой представлена его электрическая структурная схема.
Комплекс состоит из досмотрового тоннеля 1 прямоугольной формы. Внутри тоннеля расположена жесткая направляющая 2 в форме окружности. На внутренней стороне направляющей закреплена детекторная линейка 3 по форме повторяющая часть окружность. Напротив детекторной линейки на направляющей установлен источник рентгеновского излучения с коллиматором (щелевой диафрагмой) 4, который с помощью реверсивного электрического привода 5 может перемещаться по дуге в диапазоне от 0° до 90° с фиксированным изменяющимся шагом. В центре направляющей (окружности) располагается конвейерная система 6 с расположенным на ней объектом контроля 7. Конвейерную систему приводит в движение электрический реверсивный привод, который отдельно на рисунке не показан. Источник излучения перемещается по дуге так, что при угле 0° он располагается строго сбоку от объекта контроля, а при угле 90° - строго сверху контролируемого объекта. Длина детекторной линейки и ее расположение на направляющей таковы, что она должна фиксировать веерный рентгеновский пучок в любом положении источника излучения 4 на направляющей 2. Ограничивают перемещение конвейерной системы с объектом контроля на ней два световых барьера 8 с двух сторон от ОК, сигнал с которых поступает на блок управления (БУ) 9 и на включение (выключение) источника рентгеновского излучения 4. На блок управления поступают также команды с пульта управления (ПУ) (компьютерной клавиатуры) 10, с которым взаимодействует оператор 11. В свою очередь БУ 9 связан с реверсивным электрическим приводом 5 источника излучения и электрическим реверсивным приводом конвейерной системы 6. Конечные положения привода 5 на направляющей 2 регистрируются, например, с помощью концевых контактов, и информация об этом также поступает на блок управления 9. Кроме того, блок 9 подает команды на начало и окончание работы аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 12 и блока программной обработки информации (БПОИ) 13. На АЦП 12 с детекторной линейки 3 поступают аналоговые электрические сигналы для преобразования их в цифровой код, а выход АЦП связан с информационным входом БПОИ. Результаты работы БПОИ отображаются на экране монитора 14, с помощью которого оператор 11 осуществляет анализ полученных изображений.
Детекторная линейка 3 состоит из множества элементарных детекторов рентгеновского излучения и служит для регистрации прошедшего через объект контроля рентгеновского излучения и преобразования его в аналоговый электрический сигнал.
Источник рентгеновского излучения включается только при непосредственном просвечивании ОК 7. Сигналы на включение и выключение источника поступают от системы световых барьеров 8. Они устанавливаются несколько выше конвейерной ленты. При движении ленты установленный на ней ОК последовательно пересекает лучи световых барьеров, обеспечивая таким образом «логику работы» досмотрового комплекса: включение и выключение источника излучения, начало и конец считывания показаний детекторной линейки, реверс конвейера и т.д.
В исходном положении источник рентгеновского излучения со щелевой диафрагмой 4 находится в положении «1», т.е. строго сбоку от ОК. Сам объект контроля расположен по одну сторону плоскости распространения веерных пучков за лучами световых барьеров 8.
Комплекс работает следующим образом.
По команде оператора с ПУ 10 через блок управления 9 поступает команда на электропривод конвейера 6 для начала равномерного движения объекта с малой постоянной скоростью. При пересечении объектом контроля первого луча светового барьера 8 включается источник рентгеновского излучения 4 и процесс сканирования начинается. Веерообразный пучок попадает на объект контроля и пересекает его по линии. Прошедший объект пучок, несущий в себе информацию о поглощении объектом рентгеновских лучей по этой линии, попадает на детекторную линейку. Ширина веерообразного пучка, падающего на детекторную линейку, обычно составляет 2…3 мм. Преобразование рентгеновского изображения в аналоговый электрический сигнал на всех детекторах происходит одновременно. По команде с БУ аналоговые сигналы последовательно преобразуются АЦП 12 в цифровые коды, поступающие в БПОИ 13. Полученные коды адекватны интенсивности веерообразного рентгеновского излучения после пересечения им объекта контроля, т.е. в БПОИ в кодах формируется один столбец теневого изображения объекта.
При дальнейшем перемещении ОК аналогично сканируются следующие его участки (линии) и в БПОИ формируется двумерная матрица, соответствующая изображению всего просвечиваемого объекта. Это изображение в кодах, полученное при угле 0°, хранится в памяти БПОИ.
1
После выхода ОК из зоны действия второго луча светового барьера 8 им формируются команды на выключение источника излучения 4 и в блок управления 9. Блок 9 подает команду на электропривод 5 и электропривод конвейера 6. При этом: привод 5 перемещает вверх по направляющей 2 источник излучения 4 на какой-то заранее выбранный оператором шаг (Ш), а электропривод конвейера включается на реверс, в результате чего ОК начинает перемещаться в противоположную сторону.
1
При пересечении ОК первого (но уже с другой стороны) луча светового барьера вновь включается источник излучения 4 и процесс сканирования начинается, но уже под углом источника излучения по отношению к ОК (0°+Ш). Все проходит аналогично описанному выше. В результате в память
1
БПОИ записывается в кодах второе плоское изображение ОК, полученное при угле (0°+Ш).
1
После выхода ОК из зоны действия второго луча светового барьера 8 им аналогично формируются команды на выключение источника 4 и в блок управления 9. При этом привод 5 перемещает источник 4 по дуге еще на один шаг Ш, а электропривод конвейера вновь включается на реверс. Объект контроля начинает перемещаться в другую сторону.
1
1
При пересечении ОК первого луча светового барьера опять включается источник рентгеновского излучения и процесс сканирования начинается, но уже под углом (0°+2Ш). В результате в память БПОИ записывается в кодах третье изображение ОК, полученное при угле (0°+2Ш).
1
Далее все происходит аналогично вплоть до угла положения источника излучения, равного 90°; при этом каждый раз новый угол, отличается от предыдущего на один шаг Ш. Сигнал в БУ о достижении источником излучения крайнего верхнего положения (угла 90°) может формироваться соответствующим концевым контактом.
После записи в память БПОИ всех N плоских изображений ОК по команде из БУ начинается процесс преобразования всех плоских изображений в одно трехмерное. После получения этого объемного изображения информация из БПОИ выводится на экран монитора 14 и оператор начинает его анализировать. Известно, что при этом объемное изображение объекта можно вращать на экране и выбирать удобный для анализа ракурс.
При сканировании второго объекта контроля все происходит аналогично. Отличие заключается в том, что источник излучения перемещается теперь сверху вниз. Именно поэтому электропривод 5 реверсивный. Плоские изображения в кодах будут получаться:
- первое при угле 90°;
1
- второе при угле (90°-Ш);
1
- третье при угле (90°-2Ш) и так до угла 0°.
Сканирование третьего объекта контроля происходит аналогично сканированию первого объекта и т.д.
При сканировании ОК под разными углами (в таком большом диапазоне) рентгеновское излучение, чтобы попасть на детекторы линейки, должно пройти не только через сам объект, но и через элементы конструкции конвейера. Конвейер в этих местах не должен иметь металлических частей, которые будут заметно поглощать рентгеновские лучи. В местах пересечения лучом конвейера теоретически должна быть только конвейерная лента, которая не будет вносить искажений в рентгеновское изображение. Реально же на пути распространения рентгеновского луча могут встречаться металлические элементы конструкции конвейера. Однако в этом случае, фон от элементов конструкции для каждого фиксированного положения источника излучения будет постоянным; его можно преобразовать и записать в цифровом виде в память без нахождения на транспортерной ленте ОК. При сканировании объекта записанный для каждого положения фон можно вычитать из полученных в цифровом виде реальных изображений ОК. Это приведет к тому, что окончательно в память БПОИ будут записываться цифровые плоские изображения ОК без какого-либо фона.
Известно, что от времени получения изображения объекта контроля и непосредственно времени проведения оператором анализа информации зависит производительность досмотрового комплекса. При описанном алгоритме время получения объемного изображения предметов будет, безусловно, больше времени получения их плоских изображений в известных досмотровых комплексах. Однако для ускорения в целом процесса контроля объектов, т.е. для повышения производительности данного комплекса, можно предложить следующие пути:
1. Первоначально источник излучения устанавливается в исходное положение (угол равен 0°), производится однопроекционное сканирование и на экран монитора выводится первое плоское боковое изображение ОК. Если никаких подозрений у оператора не возникло, то процесс анализа изображения на этом заканчивается.
2. Если при анализе первого бокового плоского изображения у оператора возникли подозрения, то он с пульта управления 10 через блок управления 9 переводит источник излучения сразу в крайнее верхнее положение (угол равен 90°), производит вновь однопроекционное сканирование и на экран монитора выводится второе плоское изображение OK - вид сверху. Если в этом случае у оператора никаких подозрений не возникло, то процесс анализа на этом также заканчивается.
3. Если при анализе второго плоского изображения у оператора возникли подозрения, то он с пульта управления может выставить любой (из заданного диапазона) удобный для анализа угол и получить соответствующее плоское изображение. Если в этом случае у оператора отпали все подозрения, то процесс анализа на этом заканчивается.
4. Если же при анализе и третьего плоского изображения у оператора возникли подозрения, то он по предложенному выше алгоритму может провести сканирование ОК и получить на экране монитора объемное изображение предметов, находящихся в нем. Очевидно, что именно в этом случае оператор с высокой вероятностью сможет определить наличие (или отсутствие) незаконных скрытых вложений.
5. Можно сразу получить объемное изображение ОК, применяя при этом большой шаг перемещения источника излучения. В случае появления подозрений шаг перемещения источника излучения можно сделать меньше и затем повторить процесс сканирования.
6. Современная аппаратура управления может работать по алгоритму, позволяющему получать объемное изображение не всего объекта контроля, а лишь какой-то его части, вызвавшей у оператора подозрение и т.д.
Предложенные пути уменьшения времени процесса контроля объектов без снижения его качества можно расценивать и как широкие функциональные возможности предложенного комплекса, позволяющего выявлять скрытые незаконные вложения любыми удобными для оператора приемами.
Таким образом, используют детекторную линейку в форме части окружности, предложенный досмотровый рентгеновский комплекс позволит уменьшить искажения теневых рентгеновских изображений и, тем самым, повысить вероятность проведения оператором правильного анализа полученной визуальной информации. Данный комплекс имеет большие функциональные возможности, что в целом повышает эффективность процесса поиска незаконных скрытых вложений в объектах контроля.
Источники информации
1. Кошелев В.Е. Рентгеновские методы и технические средства таможенного контроля: учебное пособие. - М.: ООО "Бином-Пресс", 2003.
2. Рентгенографическая установка сканирующего типа (варианты). Патент РФ на изобретение №2257639, 2005.
3. Комплекс рентгенографической инспекции. Патент РФ на изобретение №2256905, 2005.
4. Рентгенотелевизионное устройство. Патент РФ на изобретение №2204122, 2003.
5. Способ получения объемного рентгеновского изображения в рентгеновских досмотровых комплексах. Патент РФ на изобретение №2462101, 2011 (прототип).
6. Иродов И.Е. Квантовая физика. Основные законы: учебник. - М.: Лаборатория базовых знаний, 2001. - 272 с.
7. Фриш С.Э., Тиморева А.В. Курс общей физики, том III: учебник; под общ. ред. Л.И. Орлова, 6-е изд., стер. - М.: Гос. изд. физмат. литературы, 1961. - 608 с.