（模式识别与智能系统专业论文）基于双能ct系统的物质密度识别算法研究.pdf

摘要 摘要 x 射线装置已被证实具有揭示物质的分子或原子特性的能力，是一种重要的 物质识别方法，它渗透到多学科，涉及探测技术，电子技术，计算机技术等领域， 被广泛应用到工业，农业及生物医学等方面，同样这种特性对于探测违禁品也是 非常重要的，是一种非常有效的安全检查方法，已广泛地应用于车站，机场等重 要场所，但是目前的检测系统仅仅能够探测出行李货物中的金属物品，对毒品 爆炸物等危害更大的物质则无法检测出来，本论文的支撑项目为国家自然科学基 金重点项目高速x 光锥束三维成像与新型散射方法探测毒品爆炸物的原理及 应用研究，希望通过对高速x 光解析重建方法的研究，为探测毒品爆炸物提供 新的思路，为我国安检事业的发展添砖加瓦。 由于传统的单能x 射线探测方法，只能从投影的图像中看到物体的基本形状， 不能确定出物体内部的物质成分或密度，而密度是区分不同物质的依据之一，所 以密度识别在探测毒品爆炸物领域起到非常重要的作用，由于现在的c t 图像重 建算法都是建立在x 射线束为单色的前提下的，但是实际使用的x 射线束为多色 的x 射线束，因此会产生射线束硬化效应，所以在应用中要消除射线束硬化带来 的影响。 本文针对连续谱x 射线c t 系统，提出了一种物质密度的识别方法一基于双 能量曲线的物质密度识别算法，首先通过得到的高、低能投影值标定出物质的双 能量曲线图，然后采用反向查找的方法确定被探测物质的厚度，最后利用滤波反 投影重建算法重建出物质电子密度的分布，不仅能够消除射线束硬化效应的影 响，而且得到的物质密度精确度也相对较高，并结合s k y s c a n l 0 7 6c t 机试验平 台，验证了该算法的正确性。 关键字：双能量；连续谱x 射线；计算机断层成像技术；密度；毒品检测；硬化 效应； a b s t r a c t a b s t r a c t x r a yd e v i c ei s as i g n i f i c a n tt e c h n i q u et oi d e n t i f ys u b s t a n c e ，w h i c hh a s d e m o n s t r a t e dt h ea b i l i t yt oc h a r a c t e r i z eam a t e r i a la tt h em o l e c u l a ra n da t o m i cl e v e l i t h a sb e e np e n e t r a t e di n t om u l t i d i s c i p l i n e s ，s u c h ：a sb r a n c h e so f d e t e c t i o n t e c h n o l o g y e l e c t r o n i st e c h n o l o g y , c o m p u t e r sa n ds oo n n o wi th a sb e e nw i d e l y a p p l i e dt oi n d u s t r y , a g r i c u l t u r ea n db i o - m e d i c a l t h i sa b i l i t y i sa l s op a r t i c u l a r l y i m p o r t a n tf o rd e t e c t i n gi l l i c i tm a t e r i a l s w h i c hh a sb e e np r o v e da ne f f e c t i v es e c u r i t y i n s p e c t i o nm e t h o da n dh a sb e e na p p l i e di np u b l i ct r a f f i cs t a t i o n s b u tt h ec u r r e n t i n s p e c t i o ns y s t e m c a no n l yd e t e c tm e t a ls u b s t a n c e s ，t h ed r u ga n de x p l o s i v e s ，m o r e d a n g e r o u sm a t e r i a lc a nn o tb ed e t e c t e d t h e r e f o r e ，t h es u p p o r tp r o j e c to ft h i sp a p e ri s ，t h r o u g hi n d e p t hs t u d yi nt h er e c o n s t r u c t i o nm e t h o d so fh i g h s p e e d x r a y , t h ep a p e rw a n t st op r o p o s en e wi d e a so fd e t e c t i n gd r u ga n de x p l o s i o n ，a n dt o m a k es o m ec o n t r i b u t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to fs e c u r i t yc h e c ko fc h i n a a st h et r a d i t i o n a lm o n o c h r o m a t i cx r a yd e t e c t i o nm e t h o d sc a no n l ys e et h e b a s i cs h a p e so ft h eo b j e c tf r o mt h ei m a g eo ft h ep r o j e c t i o n ，b u tc a n ti d e n t i f yt h e m a t e r i a lc o m p o s i t i o no rd e n s i t y h o w e v e r ，t h ed e n s i t yi so n eo ft h eb a s e sd i s t i n g u i s h b e t w e e nd i f f e r e n ts u b s t a n c e s ，s ot h ed e n s i t yi d e n t i f yp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei n d r u g sa n de x p l o s i v e sd e t e c t i o nf i e l d d u et ot h ec u r r e n tc ti m a g er e c o n s t r u c t i o n a l g o r i t h m sa r eb a s e do nt h ep r e m i s eo fm o n o c h r o m a t i cx r a yb e a m b u tt h ea c t u a lu s e o ft h ex r a yb e a mi sp o l y c h r o m a t i c ，s ot h eh a r d e n i n ge f f e c tw i l lp r o d u c e ，t h e r e f o r ei ti s n e c e s s a r yt oe l i m i n a t et h ei m p a c to fb e e mh a r d e n i n ge f f e c t f o rap o l y c h r o m a t i cs p e c t r u mx - r a yc ts y s t e m ，w ep u tf o r w a r dar e c o g n i t i o n a l g o r i t h mo fm a t e r i a ld e n s i t yb a s e do nd u a l - e n e r g yc u r v e ，f i r s t ly c a l i b r a t i o no ft h e m a t e r i a ld u a le n e r g yc u r v et h r o u g ht h ep r o j e c t i o nv a l u ew i t hh i g ha n dl o wd u a l e n e r g yo ft h ei m a g ew eg o t ，s e c o n d l y , r e v e r s es e a r c ht od e t e r m i n et h et h i c k n e s so ft h e m a t e r i a lh a sb e e n d e t e c t e d l a s t l y , t h e f i l t e r e d b a c k p r o j e c t i o n r e c o n s t r u c t i o n a l g o r i t h mf o rr e c o n s t r u c t i n gt h ee l e c t r o nd e n s i t yd i s t r i b u t i o no ft h em a t e r i a l ，t h i s r e c o g n i t i o na l g o r i t h mc a nn o to n l ye l i m i n a t i n gt h eb e a mh a r d e n i n ge f f e c t s ，b u ta l s o w i t hh i g hp r e c i s i o no ft h em a t e r i a ld e n s i t y ，c o m b i n e dw i t hs k y s c a n l 0 7 6c ts y s t e m t h ea l g o r i t h mi sv e r i f i e dt ob ec o r r e c t i a b s t r a c t k e yw o r d s ：d u a l e n e r g y ；p o l y c h r o m a t i cs p e c t r u mx - r a y ；c o m p u t e dt o m o g r a p h y ( c t ) ； d e n s i t y ；d r u gd e t e c t i o n ；h a r d e n i n ge f f e c t i v 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名： 签字日期：三生鲤华 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入中国学 位论文全文数据库等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。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 日公开口保密( 年) 作者签名： 兰茎阜 一 导师签名： 签字日期： 垫：笸：f 签字日期： z 丝 沙p 6 f 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景和意义 当前，毒品走私和恐怖活动日益严峻，毒品严重威胁全世界的和平与稳定， 毒品犯罪活动在全球形势依然蔓延迅速，毒品不仅会广泛的传播艾滋病，而且吸 毒和贩毒都会引起各种不稳定的社会因素，更为严重的是，毒品走私已经发展成 为国际性的性质，毒品走私集团和恐怖势力，洗钱组织等跨国犯罪集团紧密相连， 对世界和平以及人类社会的和谐稳定构成非常严峻的威胁。旅客行李箱中隐藏的 毒品爆炸物将严重威胁旅客的人身安全和国家的财产安全，再加上日趋严峻的国 际恐怖分子携带爆炸物爆炸活动，和人体炸弹，以及劫持航班客机甚至引发空难 的事件时有发生( 王家治，2 0 0 8 ) ，此外，随着科技的进步，经济的发展，犯罪 分子贩毒手段狡猾多变，贩毒集团内部组织严密，分工明确，走私，伪装，运输， 洗钱都有专人负责，贩毒手法日趋现代化，智能化，在巨大经济利润的驱使下， 不仅大批量从事毒品走私活动，甚至在全球建立严密的贩毒关系网，更甚者他们 有自己的武装部队和先进武器，使用血腥暴力手段与政府抗衡，因此，如何准确 及时的将隐藏的毒品和爆炸物品检测出来，已经成为一项十分严峻和至关紧要的 任务。特别是在火车站，码头，以及机场等安检检查中，要求准确及时滴检测出 毒品爆炸物已经成为具有挑战性和紧迫感的问题，虽然已经有了很多种检测手段 和检测方法，但是就目前来看还没有一种有效的手段和方法能同时满足快速，准 确高效和无损地检测以及人体内外隐藏毒品爆炸物的快速准确报警的需求。特别 是被形容为“蚂蚁搬家”的人体内外藏毒已成为贩毒集团组织毒品过境的重要携 带方式。如何对人体内外隐藏的毒品爆炸物进行有效的识别和检测，也是当今面 临的重要的个科研难题。此外，由于我国人口众多，一些群众因为受到各种因 素的影响或者是由于专业知识所限制，安全意识相对薄弱，时常会将一些易燃易 爆等危险品带到火车，汽车，飞机，轮船等交通工具上，人为事故时有发生，对 通过重要出入口( 如海关，车站，港口，机场等) 的交通工具及人员所携带的行 李品实施安全检查是国际上广泛采用的安全措施。随着我国经济的不断发展，旅 客的流量逐年增加，毒品，爆炸物的快速转却检测对保障国家安全( 杨立瑞， 2 0 0 1 ) ，社会安定和人民生命财产安全也变得越来越重要。因此，在不断改革开 放的政策下，为了即保障普通旅客和货物的正常出行和运输，又不会放过可疑的 物品，在高速流动的人群和货物群中如何快速，准确，高效地检测出隐藏的毒品 和爆炸物，已经成为关系国家安全和安定的一项迫切需求和亟待解决的科技难 题。 第一章绪论 1 2 毒品爆炸物介绍 i 2 1 毒品介绍 毒品的种类很多，通常指能够使人形成有依赖性瘾癖的麻醉药物，各国因其 流行的种类不同而为其设定范围，中华人民共和国刑法第2 5 7 条将毒品定义 为：鸦片，海洛因，病毒，吗啡，大麻，可卡因以及国家规定管制的其他能够使 人形成瘾癖的麻醉药品和精神药品。 国际禁毒公约将具有依赖性的药物分为麻醉药品和精神药物两大类进行国 际管制，它们有时候被统称为精神活性物。这些药物如果滥用就成了毒品。从自 然属性讲，这类物质在严格管理条件下合理使用就具有临床治疗价值，那就是药 品。从社会属性看，如果是为了非正常的需要而强迫性需要，这类物质就失去了 药品的本性，这时的药品就成了毒品。因此毒品是一个相对的概念。 毒品一般是指非医疗，科研，教学需要而滥用的有依赖性成瘾的药品，根据 联合国公约规定，国际上管制使用的麻醉品和精神药品有两百多种，如鸦片，吗 啡，冰毒，罂粟碱，海洛因，大麻，可卡因，麻黄素，杜冷丁，苯丙胺，巴比妥 类催眠药及苯环已哌啶等麻醉镇静剂，中枢神经系统兴奋剂，镇静催眠药等有依 赖性成瘾性的药品。目前国际国内作为毒品严厉打击禁止的主要有：鸦片，海洛 因，冰毒，吗啡，可卡因，大麻等。现简介如下。 1 鸦片 鸦片( o p i u m ) 也指阿片，俗称大烟。为罂粟未成熟果实的乳浆汁经干燥而 成，呈棕色或黑色的干膏状块，软硬如橡皮泥。味苦并有特殊的臭味，含有二十 多种生物碱，主要成分未吗啡。医药用的鸦片为粉末状，具有强力镇痛和止泻作 用。可用于治疗疼痛痢疾等，很容易上瘾，不能久用。 鸦片可造成吸食者在心理，生理上形成很强的依赖性，吸食后会产生兴奋和 幻觉感，停用后会产生一系列痛苦的反应，长期吸食鸦片会导致人体各个器官功 能衰退，免疫力丧失，特别是破坏人的胃功能和肝功能及生育功能，超剂量吸食 鸦片会致人死亡。 2 吗啡 吗啡( m o r p h i n e ) 是从鸦片中提取出来而制成的一种生物碱，吗啡味苦，在 医疗上具有止咳，抑制肠蠕动和强大的镇痛作用，几乎对一切剧痛都十分有效， 主要采用皮下注射方式，用于急性锐痛，极其容易上瘾。若连续使用两天，每四 个小时使用一次的话，即可产生强烈的药物依赖性，停止用药后会产生一系列痛 苦的反应。非法吸食和注射吗啡会严重危害人的身心健康，导致精神不振，意志 消沉，思维和记忆力衰退，并可引起精神失常，肝炎等综合症，吗啡对呼吸中枢 2 第一章绪论 有强大的抑制作用，中毒时会引起呼吸麻痹，超剂量吸食和注射吗啡会导致呼吸 停止而死亡，吗啡对人的致死量为0 2 0 3 9 。此外吗啡还可用于合成海洛因， 海洛因是吗啡的二乙酰衍生物。 3 海洛因 海洛因( h e r o i n ) 俗称白粉，白面。它是用吗啡与其他化学药品混合加热合 成的，从组织上看，它是吗啡的二乙酰衍生物，成品为粉末或颗粒状，颜色因制 作程序和方法不同而异，一般呈白色或淡灰色，也有的呈现棕黄色等，味苦，其 毒性和成瘾性相当于吗啡的2 3 倍。是毒性之王。 海洛因没有任何医用价值，吸食或者注射海洛因比吸食吗啡更容易使人成 瘾，而且对人体危害更大，海洛因能使人进入宁静快慰状态，并能持续几个小时， 长期吸食海洛因，会引起心律失常，。肾功能衰竭等多种症状会使身体消瘦，心理 变态智力减退，吸食高纯度或者是高剂量的海洛因会引起昏迷，呼吸减弱，体温 下降，心跳缓慢，血压下降而导致死亡。 4 大麻 大麻别名火麻，毒性较强，毒性和成瘾性仅次于鸦片，长期吸食会产生生理 依赖性，停用后会产生一系列痛苦的反应，可使人的脑功能失调，记忆力和判断 力衰退，性情急躁而易发怒，对疾病的免疫力下降，成瘾后使人产生幻觉，惊恐 火产生攻击行为，且由于大麻中焦油含量较高，致癌率也较高。 5 可卡因 可卡因，又名古柯碱，是从古柯树叶中提取出来的一种生物碱，纯净物是白 色结晶状粉末，味苦而麻，几乎不溶于水，可溶于一般的有机溶剂，其盐酸盐易 溶于水，在医疗上可作为局部麻醉药，常用于手术麻醉，毒性较大，滥用会成瘾。 可卡因是一种能导致神经兴奋的兴奋剂，能大乱人体机能和肾上腺素分泌对人体 的调节作用，使中枢神经和交感神经系统产生强烈的兴奋源，滥用可卡因可使瞳 孔放大，体温升高，过分兴奋激动，周身颤抖痉挛，肌肉扭曲变性，严重时可出 现癫狂型幻觉病，一旦成瘾，会因幻觉而自残，如感到有许多虫子在皮肤内骚动， 不堪忍受，于是不惜用刀将皮肤切开，惨不忍睹，大剂量的可卡因能导致中枢神 经传导受阻，甚至可导致呼吸衰竭窒息，过度使用可卡因致死的人，大致是由于 极度痉挛和心力衰竭所造成。 6 冰毒 冰毒又叫甲基苯丙胺，它是一种以麻黄素为原料制造出的强烈的中枢神经兴 奋剂，小剂量对人有短暂的兴奋抗疲劳作用，吸食冰毒可产生强烈的生理依赖性， 长期滥用会引起多种感染合并症，过量时会产生高血压危害，从而导致脑血管以 外，此外还可发生坏死性脉管炎，肝功能实质性损坏，脑细胞损伤和运动障碍等。 第一章绪论 1 2 2 爆炸物介绍 爆炸物在外力作用下就会引起高速的化学反应，而且能产生大量的气体和热 量的物质，爆炸是一种迅速发生物理或化学变换的过程，在此变换期间，系统的 内能会瞬间转变为机械能及光和热辐射等。爆炸可以有很多种类型，例如核爆炸， 物理爆炸，化学爆炸等。 常见爆炸物的分类： ( 1 ) 按物理状态分：固体炸药，液体炸药，多相炸药 ( 2 ) 按炸药组成成分分：单质炸药，混合炸药 ( 3 ) 按用途分：起爆炸药，猛炸药，火药，烟火剂 ( 4 ) 按炸药爆炸的猛烈程度分：猛性炸药，缓性炸药 1 3 目前已有的检测方法与技术分析 一直以来，毒品走私和爆炸恐怖活动一直是港口，机场等交通运输部门严厉 打击和防范的重中之重。随着科技的发展，犯罪分子的犯罪形势日趋智能化，这 使得传统的检测方法无法检测出可疑物品，因此如何提高鉴别的准确度，如何在 高速流动的人群和货物群中快速，准确的将隐藏的毒品和爆炸物探测出来，已经 成为当前紧迫和亟待解决的技术难题。( 孟祥承，2 0 0 3 ) 当前有许多种关于毒品 爆炸物的探测方法和探测设备，但是就目前情况来看，还没有一种有效的方法和 探测设备能够保证高速度，高精度，和没有损伤或者损伤极小的情况下检测出可 疑物品，但是对于人体人体内外隐藏的毒品爆炸物的检测，当前还只是基本上处 于理论阶段。目前广泛应用的毒品爆炸物检测技术和设备主要分为两类：一是传 统探测技术，二是无损探测新技术。 1 3 1 传统探测技术 ( 1 ) x 射线透视检测法 x 射线透视装置包括x 射线源，x 射线摄像机，样本台，定位移动机构，旋 转机构等。通过对行李包裹透视成像，同时利用显示设备对被探测的行李包裹的 形状轮廓进行判断该行李包裹内是否有可以物品，x 射线透视检测装置的优点： 是该技术相对简单，利于实现，成本价格也不高，非常适合检测刀具，手枪等金 属物体，但它也有缺点，该装置的准确率不高，发生漏报和错报概率相对较大， 同时对复杂背景下相对少量的可疑物品不能进行准确识别，报警( 孙丽娜，2 0 0 3 ) 等。 x 射线透射装置使用的x 射线剂量相对较高，对人身安全危害较大，由于这 个原因，世界范围内都基本上不再利用该技术的检查设备对人体进行检测，仅仅 4 第一章绪论 限于对行李包裹的检查，很显然，这样就为人体内外藏毒和采用人体携带炸弹的 方式进行自焚性的爆炸恐怖活动提供了可乘之机。 ( 2 ) 中子分析检测技术 中子分析探测技术是根据毒品中碳元素的含量和爆炸物中氮的含量显著的 高于行李包裹中其他物品的含量这一特性来实现的，它是通过测量得到透射或者 是反射的中子能谱，又或者是产生的特征y 射线的能谱来确定被检测物体中c ，n 的化学成分含量有其他的非可疑物品中c ，n 化学成分的比例这样的_ 二个特点来 做出判断，但是，含氮量高的物质中比如尿素等可能被检测装置误认为是爆炸物， 因此很可能出现错报现象，同时中子是一种让人听起来毛骨悚然的粒子，中子的 辐射也是比较大，而对中子的辐射防护相对于x 射线的辐射防护要困难的多，这 样一来，防护系统必然会很庞大，是很不经济的，另外，可疑物品如毒品，爆炸 物的成分和有机物的化学成分很接近，所以误报率相对较高。 ( 3 ) 气相分析法 气相分析法只对某些炸药比如甘油炸药以及其他易沾染的爆炸物的探测精 度比较高，对于易挥发性的爆炸物品但是密封较好的危险品和一些塑性爆炸物的 检测效果很差，同时该方法也不容易实现在线检测。 ( 4 ) 生物检测法 生物检测法是利用经过严格训练的警犬等动物的嗅觉来检测出某类可疑物 品，很显然，检测的结果会随着个体的不同而不同，且不能长时间的连续使用。 1 3 2 无损探测新技术 随着信息科学技术的飞速发展，计算机技术，数字信号处理技术，数字图像 处理技术，频谱分析，模式识别等也都得到了高速发展，这时便出现了一些有关 检测的新技术，比如：数字x 射线成像技术，a p i 技术，核电四极矩共振技术， 离子俘获质谱技术，双能量x 射线探测技术等。可以检测出超过四十多种的毒品 和爆炸物，包括海洛因，可卡因，吗啡，冰毒，t n t 甚至是黑火药等，从而使毒 品和爆炸物的检测精度和速度得到显著的提高。( 陈国瑞2 0 0 5 ) ( 1 ) 数字x 射线成像技术 数字x 射线成像技术是利用当x 射线穿过被探测的行李包裹时，由于有效原 子序数不同的物质对x 射线的吸收也不一样，所以当x 射线穿过被探测的物体后， x 射线的强度衰减也不一样，x 射线的衰减程度与物体的密度有关，则当透射物 体的x 射线被荧光屏吸收，此时就形成了与被探测物体的密度分布相对应的数字 图像，然后利用该数字图像，再辅以相关的识别软件，就可以检测出可疑物品， 但是这种技术也不能分辨复杂背景下量相对较小的可疑物品，同时也不能有效地 第一章绪论 识别高原子序数的物质。 ( 2 ) a p i 技术 伴随粒子成像技术，即a p i 技术。它是在之前所说的中子分析探测技术的基 础上，以核反应t ( d ，n ) 4 h e 产生的快中子为探针，其能量可以高达1 4 m e y ，所 以能够激发出很多种原子核的y 射线，当此种快中子与碳，氮，氧等元素的原子 核发生相互作用时，发生非弹性散射，产生y 射线，由于y 射线的能力较高，截 面积较大，便于测量，通过测量这些y 射线的能谱，可以确定它的强度，从而可 以得到可以物品中碳，氮，氧的含量，把毒品爆炸物检测出来。然而该技术使得 有些有机物很难进行区分。 ( 3 ) 核电四极矩共振技术 核电四极矩共振技术即n q r 技术，它与当前得到普遍应用的的核磁共振技术 较为类似，但是它与核磁共振技术相比有一个显著的优点，那就是检测时不需要 磁场。当被检测的行李包裹进入测量线圈中后，计算机即控制自动调谐回路完成 调谐过程，然后控制产生射频脉冲，使得样品中氮分子产生n q r 共振频率，进行 傅里叶变换后得到频谱，根据频谱即可很准确地判断出包裹中是否含有被测炸 药。但是该技术也存在缺点，当被探测物体中的可疑物体用金属全屏蔽后，这时 由于电磁波不能穿透被测物体而使此方法失效，而且采用此法可以检测的违禁物 品比较有限，因此漏报率比较高。 ( 4 ) 离子俘获质谱技术 离子俘获质谱技术是将被检测的样品进行高温电感耦合，使之汽化为等离子 体，而这种等离子体对特征光的吸收强度与被检测无机物的含量成正比，同时结 合质谱仪分析从而确定被检测样品的含量，此方法具有很高的灵敏度，准确性较 好，谱线简单，并可同时进行多元素的快速分析，是目前违禁品探测的最有效方 法之一，但是此种方法对无机物的检测效果非常好，而对于有机物含量较高的违 禁品就显得束手无侧了。( 陈国瑞2 0 0 5 ) 以上所述的各种探测技术与方法都可以实现不同程度上的毒品爆炸物的检 测，各有优点，但是由于各类技术设备都有特定的使用环境和针对性，尤其是在 目前新形势下各种恐怖活动与违法犯罪活动更具有一定的隐蔽性和犯罪恐怖活 动智能化，单独的使用任何一种技术设备都难以实现安全防范技术及反恐房爆炸 的要求，因此在高速流动的人群，货物群中如何快速，准确地无损探测隐藏毒品 和爆炸物将是长期值得研究的课题。 基于对上述探测技术和方法的讨论可以看到，各种探测技术和方法都各有优 点，但是都存在一些明显的不足，它们都共同存在以下一些问题：( 王家治，2 0 0 8 ) 1 ) 检测对象：对于仅能检测到被测物品的密度与形状的探测设备，检查金属 6 第一章绪论 类可疑物比如刀具，手枪等能起到很好的效果，对于检测爆炸物也有一定的效果， 但是对于毒品没有多大作用，因为与毒品密度大致相等的物体较多，同样对于人 体内外藏毒和爆炸物也无法准确地检测出。 2 ) 检测准确度：对于伪装，密封较好或者是用金属屏蔽的可疑物体无法检测， 即使是有些技术能够实现大面积的检测，如x 射线，核电四极矩共振技术等，但 是这些方法的精度和准确度都不高，漏报或者是误报概率较大。 3 ) 检测速度：上述各种探测方法与技术对隐藏毒品爆炸物的检测及速度存在 不同程度的局限性 4 ) 立体定位：上述方法都不能对被探测的毒品爆炸物在行李包裹或者人体 中的位置进行准确的三维定位。( 王家治，2 0 0 8 ) 1 4 目前正在发展的相关技术与研究 1 x 射线相干散射技术 物质对x 射线散射的实质是物质中的电子与x 光子的相互作用，当入射光子 碰撞电子后，若电子能牢固地保持在原来位置上，此时光子将产生刚性碰撞，其 作用效果是辐射出电磁波即散射波。这种散射波的波长和频率与入射波是完全相 同的，新的散射波之间可以发生相互干涉也即相干散射，x 射线的衍射现象正是 基于相干散射之上的。x 射线相干散射也就是x 射线的前向小角度散射，l a u e 于 i 9 1 2 年发现了x 射线的衍射现象，通过对铜晶体结构成像人类第一次获得了x 射线的相干散射图像，x 射线相干散射技术可以用来检测分子和超分子结构的类 型，所以在对物质的晶体结构进行分析时，x 射线相干散射是一种有效的方法。 ( 刘景鑫，2 0 0 5 ) 该技术在医学，工业上等多个领域都得到了广泛的应用，用于 块状物体中材料的定量分析和具有位置分辨的材质分析，甚至是三维成像，而其 最重要的应用是行李包裹中毒品和爆炸物的检测，该技术不但可以判断包裹中是 否有毒品和爆炸物的存在，而其还可以判断出毒品和爆炸物的种类，与其他的探 测技术方法相比，相干散射技术具有很低的误报率，具有广泛的应用前景。( 魏 存峰，2 0 0 7 ) 日前，据报道称国外基于x 射线相干散射技术的安检设备已经问世，该设备 重高达七吨，体积相当的庞大，而且由于其构造特点，不适合对人体的检测，截 止目前，适合人体检测安全要求的x 射线相干散射检测设备还没有见过有相关的 报道。 x 射线相干散射探测技术还存在着许多需要去攻克的难题，一方面是x 射线 源，现阶段大部分研究工作都是基于x 射线是单色谱线的基础上的，但是实际的 应用中，所使用的x 射线都是连续谱线。这就使得理论结果和实际结果存在着误 7 第一章绪论 差。另一方面是需爱高灵敏度的x 射线探测器。 2 通过式安全型人体内外x 射线检测技术 该技术是在传统的x 射线透射技术的基础上发展起来的，它是使用非常小的 剂量的x 射线对人体直接扫描，利用前向或者背向麋普顿散射成像微弱剂量的 x 射线对人体的影响可以忽略不计，它一般用在固定的场所，目前国外只有 h o l l a n d 蛳c 公司拥有该项技术并且在a m s t e r d a m 国际机场使用，国内只有公 安部第一研究所掌握了该项技术的核心技术，并且正在研究中，虽然该技术可阻 做到对人体进行无损的扫描成像，但是不能对人体藏毒和爆炸物准确地报警。 3 x 光锥柬三维成像技术 x 光锥柬三维成像技术又称为x 光锥柬c t 技术，是一种先进的无损检测技 术，是利用计算机技术通过采集到的投影数值计算的方法来获得被x 射线照射的 物体内部三维密度分布图像的，其重建过程如图】l 所示。 擎目一贮竺多 图li x 光锥束兰维成像技术可重建物体内部二维密度分布 前面提到的x 射线检测方法与技术，只能从投影图像中看到物品的基本形 状，但是却不能确定其内部的物质成分或密度，而密度是探测毒品爆炸物的重要 判据之一，因为各种毒品和爆炸物的密度基本上是确定的(般在i5 - 3 e c 一) ， 所以可以利用这些确定的密度与检测到的可疑物品的密度作对比因此可以定性 定量的确定可疑物品是否是毒品爆炸物。x 光锥束三维成像技术通过对射线在物 体中的衰减信号的重建，恢复出物体的三维信息，此三维信号在一定程度上反映 了物体密度分布，通过与数据库中的毒品爆炸物的密度特征做比较，就可以快速 准确地确定有没有可疑物品的存在所以x 光锥束三维成像技术在毒品爆炸物 的检测获得了应用。其流程图如图12 所示。 长卜圈 豳”。 兰 皇j l | | 竺 磊蜥丌=| ，叫一i 电驿虱 第一章绪论 图1 2x 光锥束三维成像技术探测毒品爆炸物的流程图 x 光锥束三维成像技术能够克服当前检测方法存在的问题，它能有效的区分 密度相近似的不同物体，能将毒品爆炸物与其他的非可以物体区分开来，所以有 很高的准确度，而且锥束可以对被探测的物体进行大范围的扫描，所以其速度是 比较快的，并且还可以采用三维重建方法，对毒品爆炸物进行准确的定位。 1 5 本论文研究的内容 本课题来源于国家自然科学基金重点项目一高速x 光锥束三维成像与新型散 射方法探测毒品爆炸物的原理及应用研究。该项目的总体目标是：深入系统地研 究高速x 光锥束三维成像与新型散射方法探测毒品爆炸物的新原理和新方法，从 整体上提高我过安全检测的性能，扩展公安系统现有安检设备的探测能力，为我 国的安检提供新原理新方法并发挥实质性的作用。 正如前文所述，x 射线探测设备己被证实具有揭示物质的分子或原子特性的 能力，这种特性对于探测违禁品是非常重要的，它是一种非常有效的安全检测方 法，已被广泛地应用于机场，车站等重要场所。利用双能量算法进行毒品爆炸 物检测已获得广泛的应用，根据不同材料，不同密度的物质对不同能级的x 射线 衰减程度是不一样的，对双能量x 射线检测系统获取的两种图像数据进行综合考 虑计算，可以得到与被探测物体密度相关的值，因此可以提高系统的物质分辨能 力，在毒品爆炸物检测领域中起到重要作用。 国内外学者对双能量重建算法做了相关的研究，但基本都是建立在单色谱双 能量的基础上的，所得到的透射图像与x 射线穿过物质的厚度无关，但是在实际 应用中，所用的系统基本都是连续谱x 射线，这样就必须考虑待测样品的厚度变 化对探测结果的影响( 孙丽娜，2 0 0 3 ) 。也就是说必须要考虑射线束的硬化效应， 因此常用的单色谱双能量重建算法并不适合在连续谱双能量系统中。 a l v a r e z 和m a c o v s k y 于1 9 7 6 年首次提出经典的双能量x 射线断层扫描基本 重建算法( k e h - s h i hc h u a n g ，1 9 8 7 ) ，它采用牛顿一拉夫逊迭代法去迭代两个非 线性双能量方程组来重建原子序数及物质密度的分布，算法简单，但是该方法耗 时严重，而且数字迭代过程中可能是发散的，因此本课题针对连续谱x 射线c t 探测系统，提出了一种新颖的基于双能量曲线的物质密度识别算法，首先通过得 到的高、低能图像灰度值标定出物质的双能量曲线图，然后采用反向查找的方法 确定被探测物质的厚度，最后利用滤波反投影重建算法重建出物质电子密度的分 布，可以较快速高效地得到被探测物质的密度信息，并结合s k y s c a n l 0 7 6c t 机 试验平台，验证了该算法的正确性，实验结果相对误差较小。 9 第一章绪论 1 6 本文结构层次安排 本文的结构层次安排为： 第一章主要讲述本论文选题的背景与意义，常见的毒品爆炸物知识的简要 介绍，当前已有的检测技术与方法( 包括传统的探测技术以及无损探测新技术) ， 以及目前正在发展起来的相关的探测新技术与方法，最后简要介绍本文所研究的 内容和本文的结构层次安排。 第二章主要介绍x 射线成像理论与c t 技术，包括x 射线的产生，x 射线的光 谱特性，x 射线与物质的相互作用，x 射线的衰减规律，单能x 射线透射技术， 双能量x 射线透射技术，最后一节介绍了c t 技术方面的知识，包括c t 技术概述， c t 技术原理以及射线束硬化效应。 第三章主要介绍c t 图像重建的理论知识，f o u r i e r 中心切片定理，r a d o n 变 换及其反变换，几种常用的投影图像重建算法。 第四章论述了传统的的双能量c t 图像的重建算法，讨论了经典双能量c t 图 像重建算法的缺点，并由此提出了一种新颖的基于双能量曲线的c t 图像重建算 法，有效地克服了经典双能量c t 图像重建算法的缺点并且能够有效地消除了射 线束硬化效应的影响，采用基于双能量曲线的c t 图像重建算法能够精确地重建 出物体的密度信息等。 第五章讲述了实验平台，实验方法及实验数据处理等。 第六章总结全文及展望未来。 1 0 第二章x 射线成像理论与c t 技术 第二章x 射线成像理论与c t 技术 2 1 射线物理基础 x 射线是波长介于紫外线和y 射线之间一种电磁波，波长在1 0 8 c m 左右，人 的肉眼是不能看到x 射线的，它是由德国物理学家伦琴于1 8 9 5 年在发现，当时 他在研究阴极射线时发现真空管内由热阴极发射出的电子被电场加速后，轰击金 属阳极时，会产生一种穿透力极强的射线，因为当时不知道这种射线，因此伦琴 称它为x 射线，也就是未知的射线。x 射线能使气体电离，使照相底片感光，能 穿过不透明的物体，还能使荧光物质发出荧光。x 射线对人体和动物的生理活动 能产生非常大的影响，能杀伤生物细胞。但是由于其极强的穿透力而且能使照相 底片感光，因此在医疗和无损检测领域获得了应用。图2 1 是电磁波谱 波长 0 一 il 1 0 3 j1 lilifi i 频率，( m ) 一 3 m i t z 3 0 i - i z , 3 r i 3 p h z , , 3 1 0 6 3 1 0 9 。3 1 0 1 2 , ，3 x l o l 凡3 1 0 1 z ,3 1 0 2 1 0 图2 1 电磁波谱 医用x 射线频段一 2 1 1x 射线的产生 x 射线是被高速加速的粒子与物质相撞击后迅速的减速，且与物质中的内层 电子相互作用发生能量转换而产生的。一般是采用几万伏至几十万伏的高压加速 来获得高速运动电子，使电子束轰击靶材，x 射线从靶材发射出( 罗迎，2 0 0 6 ) 。 x 射线产生必须满足的条件： ( a ) 要有能够产生高速运动电子流的装置，如加热钨丝发射热电子； ( b ) 要有适当的障碍物( 阳极靶) 来阻止电子的运动，此时便会有x 射线从 靶面发射出； x 射线产生装置：一是x 射线管，二是加速器。 1 x 射线管的结构 x 射线管是常用的产生x 射线的装置，其工作原理为：当高速运动的电子与 第二章x 射线成像理论与c t 技术 阳极靶碰撞时，高速运动的电子受到阳极靶的阻碍，此时会发生了能量转换，高 速电子把自身的动能绝大部分( 高达9 9 ) 转变为热量仅有小部分( 大约1 ) 能量转变为x 射线。 x 射线管的基本构成： ( 1 ) 阴极发射电子。一般由钨丝制成通电加热后释放出热辐射电于。 ( 2 ) 阳极靶，使电子突然减速并发出x 射线。 ( 3 ) 窗口x 射线出射通道。既能让x 射线出射，又能使管密封。窗口材 料用金属镀或硼酸锼锂构成的林德曼玻璃。窗口与靶面常成3 6 。的斜角，以减 少靶面对出射x 射线的阻碍； ( 4 ) 聚焦罩：对电子起到聚焦的作用，使靶面上产生聚焦斑，x 射线从此聚 焦斑射出； ( 5 ) 冷却系统：高速运动的电子将自身的动能转变成x 射线的效率是非常的 低，仅有1 ，其余的9 9 都转化为热量散发出去了因此会产生高温，这就要求 所使用的靶材料要有良好的导热性能，以便于热量的散发，一般是使用黄铜或者 是紫铜，同时还需要使用循环水冷却的方法因此x 射线管的功率是有限的。常 用的x 射线管的结构图及剖面图如图22 ，2 3 所示。 毳睁鲁釜 ik 二“ 图22x 射线管结构图23x 射线管剖面翻 2 加速器 加速器是一种使带电粒子增加速度和动能的装置。加速器在放射性医学，放 射性化学，无损检锢i 等领域获得了广泛的应用，加速器是用人工的方法把带电粒 子加速到较高的能量的设备，加速器可以产生各种能量的电子，质子等，同时还 可以使这些被加速的带电粒子与物质相互作用，可以产生很多种其他的次级粒 子。例如中子，超子，反粒子等。 加速器的结构一般可分为三个部分： ( 1 ) 粒子源：提供需要加速的粒子，如电子，质子等。 忑 i7 第二章x 射线成像理论与c t 技术 ( 2 ) 真空加速系统：是加速电场，为了防止粒子受到空气分子散射的影 响，所以采用真空度很高的真空室。 ( 3 ) 导引，聚焦系统：是已引导系统，为了是粒子束能够沿着预定的轨道 被电场加速，要用一定形态的电磁场来引导并加以约束。 圈薯恸 图24 加速器 圄25 加速器中引出x 射线 212x 射线谱 x 射线强度随着波长变化的关系曲线，称之为x 射线光诺，由于高速运动的 电子流与阳极靶材相互作用的机理不同，产生的x 射线可分为连续光谱x 射线和 特征光谱x 射线。 l 连续谱 连续谱x 射线：顾名思义，若高速运动的电子流与靶材发生相互作用时产生 的x 射线的波长不是一固定值而是在某一个波长范围内分布的，这便是连续x 射线谱。 连续谱x 射线与可见光是相类似的，因此一般也叫作为多色x 射线。它的最 小波长只和外加电压有关，它是在极限的情况下，高速运动的电子流中能量为州 的某个电子把其自身的全部的能量都转换成光予而得到的电磁波此时的最小的 波长成为短波极限k 。，则由如下的关系式： g v = h v 一= 罢 1 ) m 即： = 等( n m ) “z ， 由公式( 22 ) 可知产生的连续x 射线谱中最短波长极限只与所加的最大电 压值有关。 连续x 射线谱的产生机理：当电子束被高速加速后电子束附件的电磁场势 第二章x 射线成像理论与c t 技术 必会发生显著的变化，这时必然会产生电磁波，或者产生电磁脉冲，因为电子束 中电子数目相当之大，电子束到达阳极靶材的时间和条件不可能完全一样，电子 束中的有些电子可能会与阳极靶材发生多次碰撞，所以此时产生的电磁波中x 射 线的波长和能量不可能是一定值，而是在一个频率和波长范围内分布的，这也就 形成连续x 射线谱。 2 特征谱 特种谱线f 它是由处于较高能级处的电子发生跃迁到较低能级处产生的能量 之差转换而成的电磁波，特征x 射线谱的产生与阳极靶材的原子内部结构关系非 常密切，原子核内的电子遵循能量最低原理分布在各个能级上，高速运动的电子 束轰击阳极靶材时，当电子束中处于某个能量级处的某个电子将阳极靶材原子核 的内层电子击出时，此时便会在较低低能级处出现空位，这样便会使原子核能量 变高，使其处于不稳定的激发状态，较高能级处的电子会向较低能级处的空位发 生跃迁，此时产生的能量之差会以光子的形式向外辐射出特征x 射线，对于某种 给定的物质，该物质的原子结构是一定的，两高低能间的能量之差也是一定值， 所以会辐射出波长一定的特征x 射线，但是只有当x 射线管的电压超过某一个临 界值时候，这种特种谱线才会出现，此时当x 射线管的电压继续增加时，连续谱 和特征谱的强度都将增大，但是特种谱对应的波长却保持不变。 原子核电子层按照其能量大小可分为很多层，由内往外分别用k ，l ，m ，n 等 字母表示电子层名字，即k 代表第一层，依次类推。如果处于k 层的电子被击 发出去，则成为k 激发，l 层的电子被击出去称为l 激发，其他层类似。当k 层 的电子被击出，处于l 层的电子跃迁至k 层来填充空位时，产生k 。辐射，当m 层电子填充k 层的空位时i 产生k 疗辐射，由