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重庆大学 硕士学位论文 低能x射线探测与成像系统设计 姓名：石洪 申请学位级别：硕士 专业：电路与系统 指导教师：曾孝平;王珏 20070420 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 随着国际环境的不断变化以及世界各国恐怖袭击和暴力事件的不断发生，不 法分子的犯罪手段越来越狡猾和多样化，安全问题日益突出和重要。新型、高效、 准确的安检系统正快速地应用到机场、港口、火车站、汽车站、海关、邮局、政 府部门、法院、劳教所等需要对大件、小件包裹进行安全检查的场所。 在安检领域，有很多检测技术得到了应用，如全息摄影检查法、核磁共振、x 射线检测技术等。x 射线装置己被证实具有揭示物质分子或原子特性的能力，能 够很好地对违禁品进行检测。与应用其他技术的安检设备相比，基于x 射线的安 全检查设备性能优越、成本低、辐射剂量小，同时又能满足各检查站旅客流量的 需要。因此，基于x 射线的安检设备在全世界范围内得到了最广泛的应用。 尽管一系列x 射线安检设备已经商业化，然而大多数设备的技术都还不是很 完善，不能完全准确地检测到违禁品，尤其是新型爆炸物不断地出现，除了最新 研制的具有螺旋扫描结构的安检c t 外，现有线扫描结构的安检设备已经不能满足 对违禁品准确检测的需要。通过对x 射线探测技术的研究，比较各种x 射线检测 技术的优缺点，并结合实际情况，i c t 中心决定对能比较有效地检测违禁品的双能 x 射线c t 探测技术进行研究。 本文的工作主要是对基于双能x 射线探测与成像系统进行研究，在此基础上 初步完成系统的设计，并作为对双能x 射线c t 安检系统研制的部分前期研究工 作，为以后的研究打下坚实的基础。本文的主要工作：分析和介绍了x 射线探测 原理及探测技术，对各种探测技术进行了详细的比较，并对双能x 射线探测物质 的算法作了进一步的研究；提出系统性能指标，研究了系统指标和结构参数之间 的关系，设计了系统主要参数，并对双能x 射线探测系统的主要器件进行了选型； 设计了传动系统，使物体能够得到平稳运行；对整个系统的尺寸和机械结构进行 了设计，并绘制出c a d 图纸；根据控制系统的性能指标要求初步设计了系统的控 制方案。 关键词：安检，x 射线探测，c t ，密度，有效原子序数 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t ni sw e l lk n o w nt oa l lt h a ti n t e r n a t i o n a le n v i r o n m e n ti sc o n t i n u o u s l yc h a n g i n g , a n d t e r r o r i s mi so c c u r r i n gu n i n t e r r u p t e d l yi nm a n yc o u n t r i e s ，t h em e a n so fc r i m ea l ea l s o b e c o m i n gm o r es h i f t i n ga n dv a r i a b l e ，t h e r e f o r e , t h es a f e t yi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r e i m p o r t a n c e 1 1 1 en e w - s t y l es e c u r i t yi n s p e c t i o ne q u i p m e n t sw i t hh i 曲e f f i c i e n c ya n d v e r a c i t y , a r eb e i n ga p p l i e di nm a n yf i e l d ss u c ha sa i r p o r t ，h a r b o r , r a i l w a ys t a t i o n ，b u s s t a t i o n ，c u s t o m s ，p o r to f f i c e ，g o v e r n m e n td e p a r t m e n t , c o u r ta n ds c h o o lf o rr e e d u c a t i o n t h r o u g hl a b o r , w h e r ei tn e e d st oi n s p e c tt h ep a c k a g e s i nt h ed o m a i no fs e c u r i t yi n s p e c t i o n ，m a n yk i n d so fd e t e c tt e c h n o l o g ya t ea p p l i e d ， s u c ha sh o l o g r a mi n s p e c t i o n ，n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e ，x - r a yd e t e c t i o nt e c h n o l o g y a n ds oo n x r a ye q u i p m e n th a sa l r e a d yb e e na p p r o v e dt oh a v et h ea b i l i t yt oa c q u i r et h e c h a r a c t e ro f n u m e r a t o ro ra t o mi n n e r , a n di n s p e c tc o n t r a b a n dw e l l c o m p a l e dw i t l lo t h e r s e c u r i t yi n s p e c t i o ne q u i p m e n t s ，t h eo n eb a s e do nx - r a yi sc h a r a c t e r i s t i co fs u p e r i o r p e r f o r m a n c e ，l o w e rc o s t ，a n dl e s sr a d i a t i o nd o s a g e ，f u r t h e r m o r ei t c a na l s om e e tt h e d e m a n dp a s s e n g e rt r a f f i cv o l u m eo fe v e r yc h e c k p o i n t s ot h es e c u r i t yi n s p e c t i o n e q u i p m e n tb a s e do nx - r a yi st h em o s t l yp o p u l a ri n s p e c t i o ne q u i p m e n ta l lo v e rt h e w o r l d t h o u g hs e r i e so fx r a ys e c u r i t yi n s p e c t i o ne q u i p m e n t sh a db e e na p p l i e dw i d e l y , t h et e c h n o l o g yu s e di nt h e s e e q u i p m e n t si s n o tp e r f e c t ，t h e yc a nn o ti n s p e c tt h e p r o h i b i t e da r t i c l e sa c c u r a t e l y , e s p e c i a l l yt h en e w l ye m e r g e de x p l o d e ri nr e c e n ty e a r s ， e x c e p tf o rt h en e w l ye m e r g e dh e l i c a la r c h i t e c t u r es e c u r i t yi n s p e c t i o nc ts y s t e m ，t h e c u r r e n t l ys e c u r i t yi n s p e c t i o ne q u i p m e n t sc a nn o ti n s p e c tt h ep r o h i b i t e de x a c t l yb y s t u d y i n gt h ex - r a yi n s p e c t i o nt e c h n o l o g ya n dc o m p a r i n gt h e i ra d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s ，a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a ls i t u a t i o n ，i c tr e s e a r c hc e n t e ro fc h o n g q i n g u n i v e r s i t yd e c i d et os t u d yo nt h ed u a l - e n e r g yx - r a yc t d e t e c tt e c h n o l o g yw h i c hc o u l d i n s p e c tt h ei n h i b i t e de f f e c t i v e l y t i f f sp a p e rm a i n l yf o c u so nt h er e s e a r c ho f t h ed u a l - e n e r g yx - r a yd e t e c ta n di m a g e s y s t e m a n dt h e ns y s t e md e s i g nh a sb e e nc o m p l e t e de l e m e n t a r i l ya l lt h ew o r kd o n ei n t h i sp a p e ra c t s 嬲l y r e - r e s e a r c ho ft h ed u a l - e n e r g yx - r a yc ts e c u r i t yd e t e c ts y s t e m a n d f o u n daf i r m l yf u n d a m e n t a lb a s ef o r t h ef u r t h e rr e s e a r c h t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e r c a l lb ec l a s s i f i e di nt h ef o l l o w i n gr e s p e c t s ：i n t r o d u c et h ep r i n c i p l ea n dt e c h n o l o g yo f x - r a yd e t e c d o n c o m p a r ea l lt h ed e t e c tt e c h n o l o g ya n dd of u r t h e rr e s e a r c h e si nt h e i i 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a l g o r i t h mo fd u a l e n e r g yx - r a yd e t e c t i o n ；p u tf o r w a r dt h et e c h n o l o g yr e q u i r e m e n t s ， s t u d yt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et e c h n o l o g yr e q u i r e m e n t sa n d t h es l r u c t u r ep a r a m e t e r s ， m a k ec e r t a i nt h em a i np a r a m e t e r so ft h es y s t e m ，s e l e c tt h em a i nc o m p o n e n t so ft h e d u a l e n e r g yxr a yd e t e c ts y s t e m ；d e s i g nt h eg e a rs y s t e mt om a k e s u r et h eo b j e c tc a n r u n m b l y ；d e s i g nt h ew h o l es y s t e m sd i m e n s i o na n d m e c h a n i ca r c h i t e c t u r e ，t h e nm a k et h e c a d d r a w i n g ；d e s i g nt h es c h e m eo f c o n t r o ls y s t e mb a s e d o nt h ec o n t r o lr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：s e c u r i t yi n s p e c t i o n ，x - r a yd e t e c t ，c t , d e n s i t y , e f f e c t i v e a t o m i cn u m b e r 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重鏖太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期7 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重鏖太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庆太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密() 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：夕胗， 签字日期：刃叩年莎月f 日 导师签 签字日日 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 本章首先阐述了本课题的研究目的和意义，指出研制双能x 射线安检c t 的 必要性；进而，提出了本文的研究内容和结构安排。 1 1 研究目的和意义 国际上由于政治和民族的原因引起的争端不断，爆炸等恐怖袭击不断；毒品 走私的不法犯罪活动也日益猖獗；随着科学技术的发展，不法犯罪份子的犯罪手 段越来越隐蔽和多样化，安全问题日益突出。作为减少恐怖袭击和走私等违法犯 罪活动的一种有效技术手段，x 射线检测装置具有识别装在容器或包裹内物体的 特性的能力，已被看作是安全防御的第一道防线【l 】。 恐怖事件在全世界范围内以各种形式不断发生：2 0 0 1 年9 月1 1 日美国纽约世 界贸易中心发生震惊全世界的“9 1 1 ”事件造成数千人丧生，经济损失更是难以估 量；2 0 0 4 年1 月1 9 日凌晨，在意大利首都罗马附近的维泰博市地方法院门口发生 邮件炸弹爆炸事件；2 0 0 4 年2 月俄罗斯发生地铁爆炸案死亡一百多人；2 0 0 4 年3 月西班牙发生震惊世界的马德里火车站爆炸案死亡人数超过2 0 0 人等。一系列恐 怖事件的发生使各国政府把安检问题提到了一个前所未有的高度。为了2 0 0 8 年奥 运会能在北京顺利举行，同时确保人民的生命财产安全，这必然对中国的安全措 施提出了更高的要求，其可靠性也将面临全方面的考验。 探测违禁品的装置必需具有识别装在容器或包裹内物质特性的能力。因为违 禁品，例如塑胶炸药可以被制成任何形状，或放在任何物体里面，一个物体不能 单凭它的外型信息而简单的被判定是否就是违禁品。这样就需要一个能达到识别 物体分子或原子水平的装置。 为了保证公共场所的安全，世界各国的科学家和技术人员己经研究开发了各 种各样的安全检测产品，试图用高科技手段来杜绝恶性事故的发生。但中国在此 方面却投入甚少，发展相对滞后。现在在很多部门需要进行安检但还没有相关的 安检设备，实行开包检查，影响工作效率。经过调查，“9 1 l ”事件过后，市场对 安检产品的需求极其巨大，而且这种趋势还在加剧；虽然国外生产安检产品的技 术己经比较成熟，产品类型也比较齐全，但是还有技术需要改进的地方，而且生 产厂家比较少，价格比较昂贵。面对这巨大的商机，重庆大学i c t 研究中心依托 在c t 技术方面的优势，决定开发双能x 射线c t 安检设备。 x 射线技术是被广泛应用于违禁品检测的专门技术，它能提供组成物体的物 质的一些重要特性，其中最有用的信息就是物体的密度( p ) 和有效原子序数( z ，) 。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 x 射线技术也能提供物体的其它的一些属性值，但这些都没有上述两个属性有效。 从理论上来讲，己知物体的密度和有效原子序数就可以准确的确定物质的类型1 2 j 。 x 射线技术的形成己有近1 0 0 年的历史，其原理也很容易理解。x 射线源、探测 器和其他电子元件也比较完善。x 射线技术与其它技术( 例如核磁共振) 相比对人体 和包裹内的物品更安全。单视角x 射线技术与其它技术比较成本相对便宜 3 1 ；而 多视角x 射线技术和c t 技术与单视角x 射线技术相比具有更高的探测准确率， 能够更有效地识别被检测物品。所以我们的研究工作主要针对双能x 射线c t 技 术展开。 研究表明有多种x 射线技术可以应用于违禁品探测领域，然而没有任何一种 x 射线技术可以单独提供准确识别物体的物质类型所需的两个参数即密度和有效 原子序数【4 】。例如通过x 射线透射技术可以得到s 值( s 是单能量透射信号) ，s 值 与密度和有效原子序数的相互作用成比例。但这种技术并不能将吸收能力强的较 薄的物体( 例如金属) 和吸收能力弱的较厚的物体( 例如爆炸品) 区分开来。双能量透 射系统使用两个透射模块，由一个射线源产生两个不同能级的射线束，进而产生 两个独立的图像。使用双能量透射技术可以确定与有效原子序数有关的r 值。通 过r 值有机物可以从无机物和金属中分离出来。但它不能将无害的有机物和违禁 物质分离出来，因为这些物质的不同之处在于它们的密度。 目前在技术上有了进一步的提高，即采用数据融合技术，所有的信息被结合 在一起以达到提高探测水平的目的。但目前市面上所有的多感系统都是“伪多感” 系统。称之为多感系统是因为这种系统是几种x 射线技术的组合，一类物质的探 测只使用一种技术。例如由v i v i d 技术公司开发研制的系统使用双能量透射技术和 散射技术进行违禁物品探测。通过双能x 射线透射技术可以测得物质的有效原子 系数，c t 技术又能够准确测定物质的密度。因此，利用双能x 射线技术加上c t 技术就能准确识别物体的物质类型。 我们的最终目标是采用双能x 射线透射技术和c t 成像技术，开发双能x 射 线c t 安检系统。由于重庆大学i c t 研究中心在c t 方面有技术优势，而在传统安 检设备方面的技术还没进行过尝试，同时又由于时间和其他一些客观因素的限制， 目前我们的第一步工作还只是进行一个双能x 射线透射系统的研制，作为双能x 射线c t 安检系统的部分前期研制工作。 1 2 国内外安检设备现状 1 2 1 安检技术及设备 除去传统的安检设备如金属武器检测门、x 射线检测仪等，还有以下几种比 较成熟的新技术、新设备【5 】= 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 手持式远距离检测器一显徼眼 依靠被检物体本身所辐射的热量工作的，在3 米之外的地方就能看透人的衣 服和门窗，显示某人身上是否携带隐藏的武器甚至可以查出藏匿的毒品和窃听器 等，任何人在任何地方都能毫无察觉地被检查全身。 微波全息摄影检查法 全息摄影术通常是指可见光波的全息摄影术，利用微波可透空气、雾、一些 电介质等特性，采用频率为7 0 千兆赫( 波长4 3 毫米) 的全息摄影装置来进行“电子 束检查”，将隐藏在层层衣服里或不透明的材料包裹的武器显现在监视屏上，实现 安全检测的目的。 毫米波摄像机 物体所辐射出的毫米波射线的量取决于物体自身的物理性能和温度高低，毫 米波摄像机是利用人体辐射的毫米波聚集成像的装置。人体辐射的毫米波比之金 属、陶瓷、塑性炸药、粉状炸药及衣物、绝缘材料都多。而毫米波可以穿透任何 绝缘材料、所有衣物布料及大多数建筑材料，所以在毫米波摄像机面前，人身上 的衣物不见了，在人体轮廓的映衬下，藏匿手枪、炸弹、毒品等违禁物清晰可见。 微波成像装置 微波成像装置与毫米波摄像机的不同之处是微波成像装置不是利用人体本身 的辐射，而是采用微型雷达发射微波脉冲和接受回波工作的。由于微波可以穿透 人体，所以微波成像装置可以轻而易举地发现入体内部隐秘部位藏匿的违禁品等 物体。 安全门控系统 m e t o r l 6 0 和m e t o r 2 0 0 红外旅客记数仪，是一种以红外光束来控制的候机室单 向或双向进出口设备，可以较好的控制候机室的安全。m e t o m e tr s - 4 2 2 安全监视 系统，可以对任何一个出入口或者整个机场网络预先设定安全等级，通过中心微 机控制所有的出入口。 x 射线检查仪的改进型 x 射线安全检查系统是用x 射线透视物体，通过对监视器形成的x 光透视物 体的图像来分辨物体的。随着情况的变化，x 射线检查设备也从不同方面进行了 多种改进，使其性能大大提高。双视角x 射线安全检查设备采用底射、侧射两个 x 射线源，可同时提供行李物品两个方向的x 射线透视图像，从而避免了由于单 一透视方向造成的视图不清的问题。提高了检查的可靠性。同时还有多能量x 射 线安全检查设备、双通道多能量x 射线安全检查设备、大出射角x 射线安全检查 设备等不同的新型号。 后向散射x 光成像系统 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 后向散射x 光成像系统与一般的x 光成像系统不同，该系统发出的x 射线极 微弱，不会渗透人体，其剂量和在海上晒5 分钟太阳所受的照射差不多。当光线 照到人体皮肤后反射回去，在不到1 秒的时间内可形成一个人体及其所携带的所 有东西的电子图像，这种装置适合用于人体安全检查。另外，也可利用前后两个 探测器把高原子序数的物质与低原子序数的物质分别探测出来，通过适当的图像 处理，可以获得清晰度很高的图像，这种装置适用于行李箱检查、大型车载流动 检查和大型货车检查系统。 c t x - 5 0 0 0 型和c t x 5 5 0 0 智能型行李扫描仪 c t x 5 5 0 0 新型的行李扫描仪采用了医用c t 技术，能从几个角度显示出行李 内的物体图，把不同侧面显示出来的图像综合起来，组成截面图像，对它们进行 分析，就可以确定是否装有爆炸物，其性能超越了类似的x 光机。 磁共振成像( m r d 行李扫描仅 磁共振成像( m r d 行李扫描仪也是采用医用上的磁共振人体扫描技术发展的。 利用一种称为“四磁极共振分析”的变型m r i ，从被检物品的分子结构来识别各 种材料。首先用一台发射机向行李上发射低频无线电波，瞬间扰乱物品内部的核 子排列。当核子自身重新排列时，它们发射信号，这些信号即刻由系统的计算机 进行分析。由于每种类型的材料发射一种独特的信号，没有两种化合物的信号是 相同的。因此，使之易于查出爆炸物或违禁毒品，它还可以检测液体炸弹、神经 毒气及其他化学武器。 离子扫描炸药探测器 利用各种物质离子漂移的速率差别来识别物质，对毒品的探测灵敏度为一1 2 9 ， 以加拿大b a r r i n g e r 公司最新推出的i o n s c a n m 4 0 0 型毒品炸药探测器应用最广。 中子探测器 专门探侧炸药，尤其是塑性炸药的新型安全检查设备。由于中子不会受到金 属乃至重金属铅的屏蔽。可以穿透一切包裹层。而且所有爆炸品都含有大量商浓 度氮。当中子源发射的中子束去撞击被检查的行李箱，遇到爆炸品时，爆炸品中 的氮会吸收中子，并立即释放“伽马射线”。通过观测记录伽马射线，就可以探测 出炸药、塑性炸药。 大型集装箱检测系统 该系统属于高能x 射线成像装置。目前，英、法、德三国都能生产这种检测 装置，而我国已由清华大学研制成这种大型集装箱检测系统，成为世界上第四个 能生产这种设备的国家。该系统将几十吨重的集装箱连车一起送入具有辐射防护 能力、自动运行的安全连锁传送通道，由电子加速器产生的高能电子打到重金属 靶上产生高能x 射线。通过测量透过集装箱的x 射线，可以得到箱中货物的透视 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 图像。 o 微粒安检仪 这种探测仪是由美国通用电气公司最新研发出来的，与以往的x 光扫描仪或 金属探测仪工作原理完全不同，它通过探测空气中的可疑微粒从而判断被检者是 否携带违禁品，即使被检者几天前接触过毒品、炸药等物品，灵敏的仪器也会做 出反应。由于这种探测仪的高安全性，在国外己经被越来越多地应用到体育场馆 和机要部门的建筑物里，但在国内市场还是空白。 人体x 光安全检查系统 采用最新的反射分散成像技术，对人体衣物下面的各种金属月e 金属物体一次 全部探查，完全保证被检人的个人隐私，清除显示所查物品的形状、大小和位置， 可探查不同形态( 固态、粉末、液态) 极少量金属物质，保证被检查人安全，1 0 0 次 探查剂量仅相当于乘坐一小时的飞机，适合在机场、使馆、重要会议、机密设施 等场所的安全检查中使用。 1 2 2 国内外x 射线安检产品发展的现状 x 射线理论己经发展得很成熟，其应用范围很广泛，危险品检查仪大多使用x 射线作为射线源。在当今( 尤其是在美国发生“9 1 1 ”事件以后) ，全球范围内安检 设备生产厂家( 例如美国的p e r k i n e l m e r 公司、德国的h e i m a n 公司和中国的公安部 第一研究所、芬兰m e t o r e x 等) 抓住这一商机大力开发新型、高性能的新一代产 品。表1 1 列出了一些产品、厂家、市场占有份额及其产品的适用范围。 表1 1 安检设备信息对照表 t a b l e1 1c o n t r a s t i n gl i s to f t h ei n f o r m a t i o no f s e c u d t yi n s p e c t i o ne q u i p m e n t s 厂家产品名称适用范围 市场及销售地区 h e i m a nh i s c a n 6 0 4 0 i在各种需要安检设备 市场占有率很大，远销 ( 德国) h i s c a n 7 5 5 5 i的行业都有其相应的 1 0 0 余个国家和地区 h i - s c a n1 0 0 1 0 0 v 产品 适用于机场、政府部 门，海关、法院、劳教 线扫描1 1 2 系列所等所需要对大、小件 包裹进行安检的场所 5 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 ( 续前表) 线扫描2 3 1 系列 用于机场、海关、火车 线扫描2 3 7 系列 站等运输部门要求对 线扫描2 3 2 c 系列 大件及其它物晶进行 线扫描2 1 5 系列 高速度安检的场所。 是一种结构外形小巧 线扫描2 2 2 系列 的x 射线安检系统，适 合空间狭小的场合使 用 行销1 2 5 个国家和地区。 p e r k i n e l m e l “ 车载式x 射线安检系统 造价最低的配有传送 目前在世界范围分布有 带装置的x 射线安检1 6 0 0 0 余台产品，以及众 ( 美国) 系统，适合财政紧张的多的维修服务网络， 用户p e r k i n e l m e r 公司以其一 流的产品、先进的技术 流动式的安检系统、适和优质的售后服务享誉 线扫描p x 2 0 0 0 系列 合检查大件行李、包 全球 裹、纸箱、木箱及小件 手提行李等。对各种小 件行李包裹进行安检 而设计的 s e n t r i ep m d 2 0 0 x 型金属 适用于旅客流量大，比 如飞机场，人员稠密的 探测安全门 公共场所等对人身进 行安检的场所 s e n s eo m n i 型手持金属 适用于机场法院劳教 所等一切对人身进行 探测器 安检的场所 f i s c a n s l s - v s 0 3 0 型单适用于机场、海关、车 能量x 射线安全检查设站、港口等场所 备( 检查金属武器类违禁 物品) 6 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 ( 续前表) f i s c a nm t m s 1 i 交运适用于机场交运行李 行李安全检查分层系统安全检查的数字式，网 络化管理系统 中国公安部第 f i s c a n s m e x 1 0 0 1 2 0 b适用于机场、海关、车公安部一所的安检设备 型多能量x 射线安全检站、港口、仓库等需要占有我国大部份同类产 一研究所 查设备检查超大件物品的地品市场，其生产部门齐 方 全，人力资源雄厚，具 有很大的竞争力 f i s c a n s m e x - d 8 3 0 1 3 h j适用于托运行李安全 双通道多能量x 射线安检查的理想检查设备 全检查设备 n s c a n s m - v 8 0 6 5 1 3适用于机场、海关、铁 型多能量x 射线安全检 路、车站，港口、仓库 查设备等需要检查大件物品 的地方 m e t o r 5 0 济型金属探 这是一款适应市场需 测门 求于2 0 0 0 年4 月刚问世 的经济型金属探测门。 广泛地应用于工厂、监 狱、法院、银行、运动 及娱乐场所 m e t o r e x ( 麦特瑞克) 安全产品公司是一家有 m e t o r l 6 0 标准型金属 标准型，也是应用最最 着4 0 多年开发金属探测 探测门 泛的高性能金属探测器历史的著名厂家。7 0 芬兰 门，具有极佳的分辨率年代初就研制出世界上 m e t o r e x ( 麦 和探测能力( 如：可探第一台用于安检的金属 特瑞克) 安全 测出一枚“五四”式手探测门。它是世界上第 产品公司 枪子弹) 一个将金属探测器用于 安全检查( 美国芝加哥 m e t o r l 2 4 高灵敏度金 探测能力较强的高灵机场) 。该公司在本领域 属探测门 敏度金属探测门。广泛拥有最多的技术专利。 应用于监狱、造币厂、 其产品遍布全球一百三 首饰厂及严格限制携 十多个国家，占有全世 带很少量金属制品出 界3 0 的市场份额 入的场所和部门 m e t o r 2 0 0 k 分区报警 广泛应用于造币厂、金 指示金属探测f l m e t o r 矿、电子原件厂及监 2 0 0 h s 超高灵敏度多分 狱、看守所等重要场所 区金属探测门 7 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 3 研究内容 1 3 1 基于低能x 射线扫描成像技术 由x 射线发生器产生的x 射线经准直器后变为扇形平面射线束，穿过以某一 速度相对于探测器和射线源移动的物体，按照单色窄束射线衰减规律嘲，如图1 1 所示： ，o， 妻 h l 矗 。 厶7 1 r 图1 i 单色窄束射线衰减规律 f i 9 1 1a t t e n u a t i o nr u l e o f u n i f o r m c o l o r n a r r o w b u n d l e x - r a y i r = 厶p 卅( 1 1 ) 其中，厶为入射射线强度； 厶为透射射线强度； r 为吸收厚度； 为线衰减系数。 射线束的一部分能量被吸收，由于不同种类的材料对x 射线的吸收能力不同， 所以穿过不同材料的x 射线束到达探测器时的能量不同。探测器逐行采集穿过物 体的x 射线，通过晶体材料将x 射线转换成可见光，然后硅光电二极管对可见光 进行探测和精确测量，从而实现对x 射线的探测，在探测器中光增强材料和单个 的光电二极管形成敏感单元，探测器的每一个敏感单元输出一个正比于该单元所 吸收的x 射线流量和能量的电流信号，经放大和积分后，得到一个正比于积分电 流乘积分时间的电压，再经模数转换和数字信号处理后送到图像采集卡，并转化 成二维灰度图像。 通过对低能x 射线扫描成像技术理论的研究，比较各种成像技术的优缺点， 结合实际情况，找到最能准确检测违禁品的成像技术。 1 3 2 低能x 射线扫描成像系统的设计 典型的x 射线扫描成像系统主要由以下几部分组成： 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 滚筒电机及传动装置； x 射线发生器； 装有图像采集卡的p c ； x 射线探测器； 系统集成和辐射屏蔽所需的机械结构； 用于控制图像采集的光触发传感器。 控制系统由装有图像采集卡的p c 、滚筒电机、x 射线探测器、x 射线发生器 等组成。控制系统是整个系统的重要组成部分，它控制滚筒电机和传送带的运行 及x 射线探测器的图像采集、x 射线发生器的开关等。 借鉴已有对低能x 射线扫描成像系统的设计经验，对本系统进行方案设计， 主要性能指标要求如下： 线速度：0 ，2 m s 左右； 探测器：l 型双能探测器( 层叠式) ； 探测器像素：1 5 1 2 x 3 2 m m ( 间隔宽度高度) ； 动态范围：大于2 0 0 0 ：1 ； 单个x 射线源； 探测器接受射线能量：6 0 1 6 0 k v ： 检测对象：机场行李箱、邮包、邮件等； 实时成像。 根据上述性能指标要求，设计出结构简单、操作方便、移动性好、成本低、 检测效率高、图像质量高、可靠性高的安检设备；适用于机场、车站、邮局以及 其他一些重要场所，如：法庭、银行、警察局等，对手提行李箱、包裹、邮件公 文包等进行检测，以达到能够快速准确地检测出是否装有违禁品的目的。从而保 证人民生命财产的安全。本文主要从系统机械结构和控制系统两方面进行设计。 1 4 本篇论文的结构安排 本篇论文由五部分组成。第2 章是对x 射线探测技术的概述，包括x 射线探 测技术的发展和探测的原理等，通过对探测技术的研究，确定最佳检测违禁品的 技术。第3 章是双能x 射线安全检查系统主要器件选型和系统设计：对x 射线发 生器、x 射线探测器和电动滚筒作了选型和器件介绍；对传动装置的机械结构进 行了设计；最后对整个系统的尺寸和机械结构进行了设计。第4 章首先提出了系 统控制指标，然后根据指标提出了控制系统方案，包括对射线发生器、探测器和 传动装置等部分的控制方案。第5 章是本篇论文的总结和展望。 9 重庆大学硕士学位论文 2 x 射线探测技术概述 2 x 射线探测技术概述 为了对x 射线探测技术进行全面的了解，本章对x 射线探测技术的发展、探 测的原理和探测信号进行了论述，同时引出了论文的研究对象双能量穿透技 术和c t 技术。 2 1x 射线探测技术的发展 x 射线技术用于安全检查以来，经过不断的发展，现有多种x 射线安全检查 技术应用于违禁品探测领域。这些技术包括单能量穿透技术，双能量穿透技术， 多视角技术、c t 技术、前散射和背散射技术、立体匹配分层成像技术【7 】。 2 1 1 单能量穿透技术 单能x 射线扫描是违禁品检查领域最基本的、也是最早得到广泛应用的方法。 直至目前，它还是许多小型x 射线扫描检查系统的标准配置。 小型x 射线扫描检查系统通常主要由x 射线发生器、准直器、l 型探测器阵 列、通道、传送装置和箱体组成。如图2 1 所示： 图2 1x 射线扫描检查系统组成示意图 f i 9 2 1c o m p o n e n t so f x - r a yi n s p e c t i o ns y s t e m 使用典型的扇形x 射线束作为射线源和线性阵列探测器测量穿透扫描物体的 x 射线辐射量。在某一时刻扇形x 射线束仅穿过被检行李包裹的一个截面，同时 线性( 一维) 阵列探测器将该截面内所包含的物体吸收过的x 射线能量记录下来。 随着物体向前运动，被检行李包裹的每一个截面被连续扫描，行李包裹的所有截 面吸收过的x 射线能量值都能被记录下来，这样就能得到从x 射线源到探测器方 向整个行李包裹的完整的二维投影图像。产生的图像有相当高的分辨率。在被检 1 0 重庆大学硕士学位论文 2 x 射线探测技术概述 物体的简单二维投影图中获得的x 射线信号，如图2 2 所示： 图2 2x 射线单能量穿透技术 h g 2 2x - r a ya b s o p f i o nt h r o u g har e c t a n g u l a rb l o c ko f a nu n i f o r mm a t e r i a l 积分信号s 为【s 】： s ：n 1 4 ) ：舫浮) x a ：尸( 粤渺 ( 2 1 ) l以 其中，是物体投影区域的像素数目5 a 是每一像素的面积； 吖是物体的质量： o - 是z 或z ，的函数。 s 的值与总的横截面积o - 成比例，s 是质量的函数，而不是密度的函数。探测 算法只需计算出被检物体的s 值。如果s 落在一个特定的区域，就可以认为是违禁 品。然而使用这种方法，一小部分违禁品或隐藏在其他具有很大的有效原子序数 的物品后面的违禁品将不能被探测到。这是因为在这两种情况下，违禁品的信号 与整个探测环境的相比相当弱。整个探测环境的信号强是由于探测环境的质量大 或横截面积大。 2 1 2 双能量穿透技术 随着安全检查、违禁品检查要求的提高，对检查系统物质识别功能的要求越 来越迫切，能够检测物质的有效原子序数的x 射线双能量技术逐渐得到广泛应用， 采用双能量技术的设备已经成为x 射线扫描检查系统的主流设备。 在具有连续谱的x 射线情况下，最高能量分别为e 和e ，的高、低能射线穿过 有效原子序数为z ，厚度为t 的物质时，可定义高、低能透明度毛、局9 】( 1 0 】： 重庆大学硕士学位论文 2 x 射线探测技术概述 f ( 功p 慵刁p , f ( e ) e d e 毛= 卫i 一 ( 2 2 ) j n ( e ) 6 ( 毋e a e f ( d p 刊昭”p d ( e ) e d e = 卫1 一 ( 2 3 ) i n ( e ) p d ( e ) e d e ； 其中，伍) 表示能量在e 和e + d e 之间的光子数； p ( e ，z ) 为物质的线衰减系数； 另( e ) 表示能量为e 的光子的探测效率； e 为光子能量。 显然，直接求解由公式( 2 2 ) 和公式( 2 3 ) 组成的非线性方程组得到z 是很困难 的。为了量化估计z ，一系列具有已知衰减系数、原子序数覆盖整个z 范围的参 考材料被选为一组插值点：f = 磊，z i ，乙1 ) 。 对于未知的z 。，可以通过两步得到。 首先利用s o g o r o d n i k o v 在参考文献 1 1 】中给出的公式来估计未知o ： 意鬻= 意鬻 g 川 互 2 0 0 0 4 0 0 0见注3 ) 数据数字接口 1 6 b i t s1 6 b i t s 见注4 ) 线性( 非线性度) 一一【-0一凹i 重庆大学硕士学位论文 4 控制系统设计 上电开蒴 时钟 nn n 几n n n n n 几n 八n n n n n nn n n 几几n 几n n n 几n 兀n n n n n n 几r 光电开关l 信号电平亓l 旦 一鬲_ 里1 i 、! ! 光电开关2 信号电平：i 八 里亍；里再_ ! 射线发生器开关 。_ i f ! 苎面_ 射线发生嚣工作状态 而、! ! i r 寸 探测嚣工作状态i f 、三竺两t 弋 延时t 1 2 t 1 3 ：为先后两个物体触发光电开关时，第一个物体触发光电快关 2 的下降沿与第二个物体触发光电快关i 的上升沿的时问闻膈； 光电开关l 距光电开关2 为4 0 0 r a m 分居 射线束面两侧 电动滚筒速度为02 m s 设检测包裹最小尺寸宽度为5 0 m m 图4 5 逻辑控制时序图 f i g 4 5t i m i n go f l o g i cc o n t r o l 4 5 本章小结 根据控制指标，通过对控制对象的分析，设计了控制板结构示意图和逻辑时 序图，实现了对系统控制的基本框架。 5 1 重庆大学硕士学位论文 5 结论 5 总结与展望 x 射线探测技术具有提供包裹内物质信息的独特的功能。加上数据融合技术， x 射线安全检查设备能检测到有关物质成分的重要信息。近年来，基于x 射线的探 测系统已经成为自动探测违禁品的一种有效的手段。一系列这样的产品己经被开 发并投入使用，但大多数技术都还不是很成熟，还不能准确地探测到违禁品的详 细信息，虽然在某种程度上能够帮助检测人员检测包裹中是否藏有违禁品，但随 着新式爆炸物的出现及犯罪分子的狡猾手段仍然可以逃过安检人员的眼睛，不仅 会给国家造成重大的经济损失甚至会威胁到人们的生命财产的安全。本文的目的 就是通过对x 射线探测技术的研究，探讨了双能x 射线的检测技术及方法，研究一 种基于x 射线透射技术的物质分类识别的方法，作为双能x 射线安检c t 的部分前期 研制工作。 通过本文的研究，得出如下结论： 寻求和佐证了适合于违禁品检测的技术 通过对x 射线探测技术的理论研究，比较各种x 射线传感器技术的优缺点，找 到了最适合于违禁品检测的技术双能x 射线c t 技术，这种技术不仅可以探测 到物质的形状，更重要的是能够得到有关物质成分的重要信息，通过物质的属性 来识别物质，这样可以做到准确的探钡4 识别。 对整个系统的尺寸和机械结构进行了设计 根据i c t 中心的实际情况，依据x 射线成像的原理，设计了系统成像的最佳 结构尺寸，并绘制了机械结构图。 对控制系统进行了设计 根据控制指标，通过对控制对象的分析，设计控制模块，完成了系统控制的 基本框架设计。 由于资金和时间的关系，系统设计还有不够完善的地方，同时没有对上述设 计进行实物阶段的