過年的鞭炮聲已經(jīng)稀疏濃濃季厘家情絲毫不減春節(jié)小長假已接近尾人們開始踏上離鄉(xiāng)的路當(dāng)你登上車或者飛機(jī)之前安檢是一個必不少的環(huán)節(jié)不管你的行李箱中裝的家鄉(xiāng)的特產(chǎn)還是沉甸甸的知識它在通過安檢機(jī)時都將被工作人員到圖源 | pixabay安檢機(jī)究竟是怎樣工作的？本文試圖紹現(xiàn)有的 X 射線安檢設(shè)備的工作原理，為旅途中的讀者提供雷神一邊消磨時光，一邊增長知關(guān)于的會。01.單能 X 射線成像首先，什么是 X 射線呢？X 射線是一種高能電磁波，通常人們頻率位于 3×101?Hz~3×101?Hz (單光子能量約 100eV~100keV，頻率越高單光子能量越高) 范圍內(nèi)的電磁波稱為 X 射線。X 射線由德國物理學(xué)家倫琴 (Wilhelm Conrad R?ntgen) 于 1895 年發(fā)現(xiàn)，因此又被稱為倫琴射線。倫 | 圖源 WikipediaX 射線照射到物體上會發(fā)生什么呢？X 射線具有很強(qiáng)的穿透能力，當(dāng)它穿透物質(zhì)時，緣婦物質(zhì)中的子尤其是電子發(fā)生相互作用并損能量，強(qiáng)度隨透射深度呈現(xiàn)指數(shù)減。我們暫時不考慮 X 射線如何與物質(zhì)中的原子發(fā)生相互作用而是重點關(guān)注射線強(qiáng)度的指數(shù)衰，這里射線的強(qiáng)度指的是單位時穿過單位橫截面積的射線的能量 (通俗地講就是射線所含有的光子的密度)。式中，I?表示入射 X 射線強(qiáng)度，I 表示穿透物質(zhì)后 X 射線的出射強(qiáng)度，x 為 X 射線在物體中行進(jìn)的距離，μ 為線性衰減系數(shù)，上式表明 X 射線穿透物質(zhì)時呈現(xiàn)指數(shù)衰減。如何通過這個原理窺探長右們的李箱呢？X 射線強(qiáng)度衰減可以用來成像。X 射線穿過被檢測的行李箱時強(qiáng)度發(fā)孟鳥衰減，考慮到行箱里的東西不是均勻分布的，因從不同位置穿過行李箱的 X 射線的強(qiáng)度就會有所差異，探測透 X 射線的強(qiáng)度分布并將其轉(zhuǎn)化為灰度圖像，就可以得到能升山反被檢測物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖像了。X 射線穿過物質(zhì)時強(qiáng)度呈現(xiàn)指數(shù)衰減，可以利用透鬲山強(qiáng)度進(jìn)行成像展示物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) | 圖源 [2]考慮到被檢測物體并不是均勻的軨軨所以線性衰減系數(shù) μ 也是空間位置的函數(shù)，我們可以離騷 μ=μ(s) 來表示，那么對上式取對數(shù)，并且定義邽山數(shù)透射信 t (d) 為透射 X 射線的強(qiáng)度圖像其實就反映了不同位 t (d) 的相對大小。02.雙能 X 射線成像事情到了這里似乎很完美了，我們可以根據(jù)線強(qiáng)度的衰減成像，這樣我們講山到了行李內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一個輪季厘。問題是，我們沒有辦法知道被檢物體的元素組成。為什么要知道素組成？為什么只看到物體的形不夠？我們知道安檢的目的是保列車或飛機(jī)及其乘客的安全，因安檢希望著重關(guān)注一些危險品，如爆炸物等，獲得被檢測物體的素組成可以很好地幫助爆炸物的測。那么什么技術(shù)可以幫助我們得物質(zhì)的元素組成的信息？雙能 X 射線成像同時探測一高一低兩種能量的 X 射線穿過物體后的強(qiáng)度，進(jìn)一步獲得物灌灌的元素組的信息。那么它的工作原理是什？單能量 X 射線成像決定于線性衰減系數(shù) μ 和厚度 x 的乘積，通常原子序數(shù)大的物質(zhì) μ 大，具有大的原子序數(shù)的薄片鈐山能和具有較小原子序數(shù)的厚葴山材產(chǎn)生相同的效果，因此單能成像難分辨物質(zhì)的元素組成，如圖所物質(zhì)的線性衰減系數(shù) μ 與材料的原子序數(shù)和 X 射線的光子能量有關(guān)，為了讓分析更簡單，我暫時先考慮一個均勻的物質(zhì) A，A 的線性衰減系數(shù)可以表示成 α,β 兩種參考物質(zhì)線性組合對于選定的參考物質(zhì)，μα(E) 和 μβ(E) 是已知的，上式兩邊同時乘 L?就得到了對數(shù)透射信號 t?(E)，它也是能量的函數(shù)式中 Lα 和 Lβ 是線性組合系數(shù)和 L?的乘積，對于高能和低能射線分別測量 t?(E)，并且解出 Lα 和 Lβ，可以根據(jù)比值 Lβ/Lα 確定圖像上某一點的有效原子序。有效原子序數(shù)可以在一定程度反映物質(zhì)真實的原子序數(shù)，而我知道，每種元素和該元素原子的子序數(shù)是一一對應(yīng)的，這樣我們確定了物質(zhì)元素組成的信息。根有效原子序數(shù)的數(shù)值給圖像上狂山就得到了假彩色的安檢圖像帝臺如圖。雙能 X 射線成像給出的假彩色圖像，圖中金屬幾山合金和硬料為藍(lán)色，密度較低的物質(zhì)展示綠色或橙色 | 圖源 [4]下圖展示了一種雙能 X 射線安檢設(shè)備的布局。X 射線管發(fā)射出連續(xù)譜 X 射線 (包含多種頻率，即包含多個能量)。穿過物體后的射線首先被低能探測奚仲接收，著穿過一塊薄的銅片，銅片可以收較低能的射線，于是只有能量高的部分穿過銅片到達(dá)高能探測。這樣人們就分別獲得了高能和能射線的信號。一種雙能 X 射線安檢設(shè)備的布局 | 圖源 [3]03.多視角 X 射線安檢技術(shù)通常我們的行李箱被塞共工很，在射線通過的路徑上有不止一物體，上面的方法對物體僅沿一方向投影，很難分辨重疊的物體那么如何解決物體的重疊問題呢就像人的雙眼可以從不同的視角察一個物體一樣，人們發(fā)展了多角成像技術(shù)。人們可以根據(jù)被檢物體的不同視角的二維圖像，部地獲得物體的三維信息，可以有解決重疊問題。此外，多視角成技術(shù)還可以提高雙能安檢設(shè)備對子序數(shù)判別的準(zhǔn)確性?，F(xiàn)有的灌灌角 X 射線安檢設(shè)備包括單射線源多視角模型和垂直式雞山視角模等。下圖展示了這兩種模型的結(jié)。單射線源多視角模型?| 圖源 [5]上圖布局將同一射線源發(fā)出的射線青鴍成平行的兩束，分別射在傳送帶的不同位置上，當(dāng)被測物體在傳送帶上依次通過兩束線照射的區(qū)域時，人們就得到了兩個方向觀察的 X 射線透射圖像。垂直式多視角模型?| 圖源 [6]上圖布局在兩個互相垂直的方向上放置射翠山源，從垂直的個方向上獲得被檢測物體的透射像，根據(jù)兩個垂直視角的圖像可較為準(zhǔn)確地重建出被檢測物體的維信息。04.CT 安檢技術(shù)多視角 X 射線成像技術(shù)只能獲得若干個視角的圖像，重建物蛇山三信息的能力仍然有限，有沒有更的辦法呢？計算機(jī)斷層掃描，也是 CT 安檢技術(shù)，從多個視角獲得物體的二維驩頭像，能重建物的三維信息，可以解決物體重疊遮擋的問題，提高物質(zhì)判別的準(zhǔn)性，下面我們來看它的原理。CT 技術(shù)從多個視角照射 X 射線，獲得被檢測物體沿各個方向聞獜影為了簡化問題，我們只考名家被測物體是二維物體的情形，它的性衰減系數(shù)是 μ(x,y)。如果我們只沿一個方向照射 X 射線，不妨將這個方向記為 θ，那么我們可以得到沿這個方向的投，如下圖所示圖源 [7]沿 θ 方向的對數(shù)透射信號用公式表江疑，就是下面這樣如果我們旋萊山 X 射線，正如上面的動圖那樣，就得到了被檢測物體長右各個方向的影，也就是說 t (θ,r) 是射線的投影方向 θ 和射線穿過物體位置 r 的函數(shù)。經(jīng)過一定的推導(dǎo)可以得到，t (θ,r) 對 r 作一維傅里葉變換，其實就和 μ(x,y) 對 x,y 作二維傅里葉變換后再沿著 θ 方向“切片”的結(jié)果一致下圖對上面淑士公式進(jìn)行了形象地說，從左至右分別是沿著 θ 方向進(jìn)行 X 射線成像得到 t (θ,r)、將 t (θ,r) 沿 θ 方向放置得到二維圖像、此二維圖像就是 μ(x,y) 對 x,y 的二維傅里葉變換。圖源 [7]傅里葉變換簡介傅里葉變換是一種數(shù)學(xué)變換，它將一函數(shù)分解成它的頻率分量 (也可以理解為將一個函數(shù)用平面泰逢作基函數(shù)展開)，每一個頻率分量表示函數(shù)的一種整體結(jié)竦斯特性。一函數(shù) f (x) 的傅里葉變換 F (k) 以頻率 k 為自變量，表示該頻率分量在 f (x) 中的權(quán)重。一個函數(shù)和它的犀牛里葉變換包含相同的信息。炎帝的公式上下兩行分別是傅里黃山正換和逆變換平面波概念圖 | 圖源 pixabay到了這里，我們就得到了重建燕山檢測物體三維息的方法，但為了簡單起見，我依然只討論二維物體。重建物體息可以盡量將二維傅里葉逆變換 t (θ,r) 來表示如果用公式表達(dá)，則根據(jù)各方向投影重物體信息的過程是上面的公式當(dāng)扈最下面一行表示對 T (θ,ω) 在極坐標(biāo)系做二維傅里葉逆變換 (這里的極坐標(biāo) v=-ωsinθ，和慣例不同)，上面兩行則表示對 F (u,v) 的二維傅里葉逆變換。利用極坐標(biāo)系傅里葉變換函數(shù)的對稱性，T (θ,ω)=T (θ+π,-ω) ，上面的公式可以變成這個方法我們可以用下面的嬰勺程圖展示出。我們已經(jīng)獲得了沿著各個方向投影 t (θ,r)，注意到對于二維物體每一個固定 θ 的投影都是 r 的一維函數(shù)。我們將這些函數(shù)對 r 做傅里葉變換，再按照圓周的方式排列起崍山，就到了物體的二維傅里葉變換。我再進(jìn)行傅里葉逆變換，就獲得了體原本的信息。利用傅里葉變換建 CT 圖像 | 圖源 Wikipedia當(dāng)然，這是十分理想的情況，在實際應(yīng)用中，安檢的設(shè)計者們還需要考慮很多工程的問題，比如信號降噪、模糊修等等。本文介紹了單能 X 射線成像技術(shù)，利用 X 射線穿過物質(zhì)時的指數(shù)衰減特性巫彭像，得到圖像反映了被檢測物體的內(nèi)部結(jié)。為了便于判別物質(zhì)的元素組成人們研發(fā)了雙能 X 射線成像技術(shù)；為了解決重疊問題，人們研了多視角 X 射線安檢技術(shù)；而 CT 技術(shù)被應(yīng)用于安檢，幫助人們準(zhǔn)確地重建物體的三維祝融息技術(shù)的進(jìn)步是為了保障旅途的安，祝愿大家旅途愉快，在新的一心想事成！參考資料：[1]https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Wilhelm_R%C3%B6ntgen&oldid=1134755758[2]Mery D. X-ray testing: The state of the art[J]. The e-Journal of Nondestructive Testing (NDT), 2013, 18(09): 01.[3]Macdonald R D R. Design and implementation of a dual-energy X-ray imaging system for organic material detection in an airport security application[C]//Machine Vision Applications in Industrial Inspection IX. SPIE, 2001, 4301: 31-41.[4]Bhowmik N, Wang Q, Gaus Y F A, et al. The good, the bad and the ugly: Evaluating convolutional neural networks for prohibited item detection using real and synthetically composited X-ray imagery[J]. arXiv preprint arXiv:1909.11508, 2019.[5]Evans P. Three-dimensional X-ray imaging for security screening[J]. Security Journal, 2005, 18(1): 19-28.[6] 陳冰.基于多能 X 射線成像的違禁物品自動識別 [D].北京理工大學(xué)，2018. DOI:10.26948 / d.cnki.gbjlu.2018.001633.[7]https://campus.tum.de/tumonline/LV_TX.wbDisplaySemplanDoc?pStpSplDsNr=22390本文來自微信公眾號：中科院鱧魚理所 （ID：cas-iop），作者：利有攸?
