СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОБЪЁМНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ В РЕНТГЕНОВСКИХ ДОСМОТРОВЫХ КОМПЛЕКСАХ Российский патент 2011 года по МПК G01N23/04 

Изобретение относится к области технических средств для неразрушающего рентгеновского контроля объектов и может использоваться для обнаружения в них незаконных скрытых вложений, например наркотиков, оружия и др., в таможенных и милицейских пунктах пропуска: на границе, в вокзалах, в аэропортах и т.п.

Известен проекционный способ просвечивания контролируемых объектов [1, с.39-43]. В устройствах, реализующих данный способ [2], объект контроля располагается на поворотном столике между источником рентгеновского излучения и флюоросцентным экраном. Изображение объекта рассматривается и анализируется непосредственно оператором на экране, либо преобразуется с помощью электронно-оптической или телевизионной систем в световое изображение для дальнейшего анализа. Эти установки очень просты, однако имеют следующие недостатки:

- двухмерное (плоское) рентгеновское изображение объекта;

- ограниченные геометрические размеры досматриваемых объектов;

- низкая производительность просвечивания объектов.

В настоящее время для контроля объектов широко применяются цифровые рентгеновские системы, использующие известный способ сканирования объекта веерообразным пучком рентгеновских лучей [1, с.43-48].

Способ сканирования имеет очень высокую производительность контроля, обеспечивает простой способ записи рентгеновского изображения в цифровой форме, обеспечивает максимальную радиационную безопасность людей и контролируемых объектов, позволяет досматривать групногабаритные грузы и транспортные средства, а также имеет высокие разрешающую способность и контрастную чувствительность.

Устройства, реализующие этот способ [1, с.142-147 и 3, 4, 5], 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 электрический сигнал и для представления изображения объекта на экран монитора.

При всех своих достоинствах способ однопроекционного сканирования имеет один существенный недостаток - также двухмерное (плоское) рентгеновское изображение контролируемого объекта. Этот недостаток не позволяет однозначно выявлять (распознавать) незаконные скрытые вложения, что может привести к пропуску контрабанды.

Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому изобретению является способ двухпроекционного сканирования [1, с.48-50].

В установку, выполненную по способу, принятому за прототип, дополнительно вводится второй источник рентгеновского излучения с соответствующей детекторной линейкой, а управляющая аппаратура спроектирована так, чтобы она могла обрабатывать и отображать две теневые (рентгеновские) картины одного просвеченного объекта. Причем источники излучения для наибольшего эффекта должны располагаться друг относительно друга под углом 90°. Такая компоновка источников излучения повышает вероятность распознавания предметов, находящихся в контролируемых объектах, до 60%, что является важным достоинством.

Способ двухпроекционного сканирования включает в себя следующие операции:

1. Формирование двух неподвижных узких веерообразных пучков рентгеновских лучей из соответствующих источников излучения, расположенных в одной плоскости под углом 90° друг относительно друга.

2. Равномерное перемещение ОК относительно источников рентгеновского излучения в досмотровом туннеле.

3. Облучение объекта контроля одновременно обоими веерообразными пучками рентгеновских лучей.

4. Регистрация прошедших через контролируемый объект обоих рентгеновских лучей и их преобразование в соответствующие аналоговые электрические сигналы.

5. Преобразование аналоговых электрических сигналов в цифровые коды, адекватные интенсивности рентгеновского излучения вдоль линий пересечения рентгеновских пучков и просвечиваемого объекта.

6. Формирование двух плоских рентгеновских изображений всего объекта контроля: вид сбоку и вид сверху.

7. Анализ полученных двух плоских изображения на экране монитора.

Главным недостаткам прототипа является возможность получения хотя и двух, но все равно плоских рентгеновских изображений контролируемого объекта.

Задачей предлагаемого изобретения является получение на экране монитора объемного рентгеновского изображения предметов, находящихся в контролируемых объектах после проведения процесса их сканирования. Это позволит существенно повысить вероятность распознавания предметов.

Поставленная задача решена за счет того, что:

1. В способе вместо двух используется один источник рентгеновского излучения.

2. Равномерное линейное перемещение ОК относительно источника рентгеновского излучения в досмотровом тоннеле должно быть возвратно-поступательным.

3. Внутри досмотрового тоннеля по дуге с переменным фиксированным шагом перемещается от 0° до 90° источник рентгеновского излучения и элементы, формирующие веерообразный пучок лучей.

4. Взаимное расположение дуги и объекта контроля должно обеспечивать получение изображения предметов сбоку при 0° и сверху - при 90°.

5. Получение в цифровых кодах серии из N плоских изображений, сделанных под разными углами расположения источника излучения относительно ОК через выбранный оператором шаг.

6. Программная обработка цифровых кодов серий плоских изображений с целью получения трехмерного объемного изображения предметов, находящихся в объекте контроля.

7. Анализ полученного объемного изображения на экране монитора.

Структурная схема рентгеновского досмотрового комплекса (РДК), реализующего предлагаемый способ, представлена на чертеже.

Комплекс состоит из досмотрового тоннеля 1 прямоугольной формы. На нижней и одной из боковых стенок тоннеля закреплена одна детекторная линейка 2 в форме прямого угла. Напротив детекторной линейки установлена жесткая дуга 3, по которой с помощью соответствующего реверсивного электрического привода 4 может перемещаться с фиксированным изменяющимся шагом источник рентгеновского излучения с коллиматором (щелевой диафрагмой) 5. В центре дуги (окружности) располагается конвейерная система 6 с расположенным на ней объектом контроля 7. Длина дуги составляет четверть окружности, что позволяет источнику рентгеновского излучения перемещаться от 0° до 90°, причем при угле 0° источник располагается строго сбоку от объекта контроля, а при угле 90° источник располагается строго сверху контролируемого объекта. Длина сторон детекторной линейки и ее расположение в досмотровом тоннеле таковы, что она должна фиксировать веерный рентгеновский пучок в любом положении источника излучения 5 на дуге 3. Ограничивают перемещение конвейерной системы с объектом контроля на ней соответствующие два световых барьера 8 с двух сторон от объекта контроля, сигнал с которых поступает на блок управления (БУ) 9 и на включение (выключение) источника рентгеновского излучения 5. На блок управления поступают также команды с пульта управления (НУ) (клавиатуры) 10, с которым взаимодействует оператор 11. В свою очередь БУ 9 связан с реверсивным электрическим приводом 4 и электрическим (также реверсивным) приводом (не показан), который приводит в движение конвейерную систему 6. Положение привода 4 на дуге 3 регистрируется, 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 поступают сигналы для преобразования с элементов детекторной линейки 2, а выход АЦП 12 связан с информационным входом БПОИ 13. Результаты работы БПОИ отображаются на мониторе 14, по которому оператор 11 осуществляет анализ полученных изображений.

Детекторная линейка 2 состоит из нескольких тысяч 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 в нескольких сантиметров выше конвейерной ленты. При движении конвейера установленный на нем 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 5 находится в положении «1», т.е. строго сбоку от ОК 7. Сам объект контроля расположен по одну сторону плоскости распространения веерных пучков за лучами световых барьеров 8.

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 светобарьера включается источник рентгеновского излучения 5 и процесс сканирования начинается. Веерообразный пучок попадает на объект контроля и пересекает его по линии. Прошедший объект пучок, несущий в себе информацию о поглощении рентгеновских лучей вдоль 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 в АЦП 12 в цифровые коды, поступающие в БПОИ 13. Полученные коды адекватны интенсивности рентгеновского излучения вдоль линии пересечения рентгеновского пучка и просвечиваемого объекта, т.е. в БПОИ в кодах формируется один столбец теневого изображения объекта.

При дальнейшем перемещении объекта 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.

После выхода ОК из зоны действия световых барьеров 8 ими формируются команды на выключение источника излучения 5 и в блок управления 9. Блок 9 подает команду на электропривод 4 и электропривод конвейера 6. При этом привод 4 перемещает вверх по дуге 3 источник излучения 5 на какой-то заранее выбранный оператором шаг (Ш₁), а электропривод конвейера включается на реверс, в результате чего ОК начинает перемещаться в противоположную сторону.

При пересечении ОК первого (но уже с другой стороны) луча светобарьера вновь включается источник излучения 5 и процесс сканирования начинается, но уже под углом источника излучения по отношению к ОК (0°+Ш₁). Все проходит аналогично описанному выше. В результате в память БПОИ записывается в кодах второе изображение ОК, полученное при угле (0°+Ш₁).

После выхода ОК из зоны действия световых барьеров ими также формируются команды на выключение источника 5 и в блок управления 9. При этом привод 4 перемещает источник 5 по дуге еще на один шаг Ш₁, а электропривод конвейера включается на реверс. ОК начинает перемещаться в другую сторону.

При пересечении ОК первого луча светобарьера опять включается источник рентгеновского излучения и процесс сканирования начинается, но уже под углом (0°+2Ш₁). В результате в память БПОИ записывается в кодах третье изображение ОК, полученное при угле (0°+2Ш₁).

Далее все происходит аналогично вплоть до угла положения источника излучения, равного 90°; при этом каждый раз новый угол отличается от предыдущего на один шаг Ш₁. Сигнал в БУ о достижении источником излучения крайнего верхнего положения (угла 90°) может формироваться опять же соответствующими концевыми контактами.

После записи в память БПОИ всех N плоских изображений объекта контроля 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. 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 4 реверсивный. Плоские изображения в кодах будут получаться:

- первое при угле 90°;

- второе при угле (90° - Ш₁);

- третье при угле ((90° - 2Ш₁) 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) излучение после объекта неизбежно должно проникнуть через конвейер, чтобы попасть на соответствующие части детекторной линейки. Конвейер в этом месте не должен иметь металлических частей, которые будут заметно поглощать рентгеновские лучи. В этом месте должна оставаться только движущаяся конвейерная лента, которая не будет вносить заметных искажений в рентгеновское изображение.

Кроме того, фон от конвейера для каждого фиксированного положения источника излучения будет постоянным; его можно преобразовать и записать в цифровом виде в память без нахождения на ленте ОК. При сканировании ОК записанный для каждого положения фон можно вычитать из полученных в цифровом виде реальных соответствующих 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 зависит производительность РДК. При описанном алгоритме время получения объемного изображения предметов будет, безусловно, больше времени получения плоских изображений по известным способам. Однако для ускорения процесса получения объемного изображения, т.е. для повышения производительности РДК, можно предложить следующие пути:

1. Первоначально источник излучения устанавливается в исходное положение (угол равен 0°), производится однопроекционное сканирование и на экран монитора выводится одно плоское боковое изображение ОК. Если никаких подозрений у оператора не возникло, то процесс анализа на этом заканчивается.

2. Если при анализе 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 ОК - вид сверху. Если в этом случае у оператора никаких подозрений не возникло, то процесс анализа на этом заканчивается.

3. Если при анализе этого 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 проводит сканирование ОК и получает на экране монитора объемное изображение предметов, находящихся в ОК. Очевидно, что именно в этом случае оператор однозначно сможет определить наличие (или отсутствие) незаконных скрытых вложений в ОК.

5. Можно сразу получать объемное изображение ОК, применяя при этом большой шаг перемещения источника излучения. В случае появления подозрений шаг перемещения источника необходимо сделать минимальным 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.

Рассмотренные выше пути уменьшения времени процесса сканирования можно расценивать и как широкие возможности предложенного способа, позволяющего выявлять скрытые незаконные вложения любыми удобными для оператора приемами.

Таким образом, предложенный способ получения объемного изображения в рентгеновских досмотровых комплексах позволит существенно повысить вероятность обнаружения контрабандных предметов в объектах, пересекающих границу, и тем самым повысить экономическую безопасность страны.

Источники информации

1. Кошелев В.Е. Рентгеновские методы и технические средства таможенного контроля: Учебное пособие - М.: ООО "Бином-Пресс", 2003.

2. Рентгеновский флюороскоп. Патент РФ на изобретение №2122725, 1998.

3. Рентгенографическая установка сканирующего типа (варианты). Патент РФ на изобретение №2257639, 2005.

4. Комплекс рентгенографической инспекции. Патент РФ на изобретение №2256905, 2005.

5. Рентгено-телевизионное устройство. Патент РФ на изобретение №2204122, 2003.

Использование: для получения объемного изображения в рентгеновских досмотровых комплексах. Сущность: заключается в том, что формируют один неподвижный узкий веерообразный пучок рентгеновских лучей, облучают этим пучком объект контроля, перемещающийся с постоянной скоростью относительно источника рентгеновского излучения, региструют прошедшие через объект контроля рентгеновские лучи, получая аналоговые электрические сигналы, с последующим преобразованием аналоговых сигналов в цифровые коды, адекватные интенсивности рентгеновского излучения вдоль линии пересечения рентгеновских пучков и просвечиваемого объекта, формируют на экране монитора плоского изображения объект контроля, при этом внутри досмотрового тоннеля по дуге длиной, равной четверти окружности, реверсивно перемещается с изменяющимся шагом источник рентгеновского излучения с элементами, формирующими веерообразный пучок лучей, которым облучают объект контроля под разными задаваемыми углами в диапазоне 0°…90°, в результате чего получается и запоминается в цифровых кодах серия из N плоских изображений, которые программным методом преобразуются в одно объемное изображение всего объекта контроля, отображаемое на экране монитора, причем при угле 0° формируется плоское изображение сбоку, а при угле 90° - плоское изображение сверху объекта контроля, при этом процесс облучения объекта контроля осуществляется при его движении относительно источника излучения в обе стороны. Технический результат: обеспечение возможности более точного распознавания предметов. 1 ил.

Способ получения объемного изображения в рентгеновских досмотровых комплексах, состоящий в формировании одного неподвижного узкого веерообразного пучка рентгеновских лучей, облучении этим пучком объекта контроля, перемещающегося с постоянной скоростью относительно источника рентгеновского излучения, регистрации прошедших через объект контроля рентгеновских лучей и преобразовании их в аналоговые электрические сигналы, с последующим преобразованием аналоговых сигналов в цифровые коды, адекватные интенсивности рентгеновского излучения вдоль линии пересечения рентгеновских пучков и просвечиваемого объекта, формировании на экране монитора плоского изображения всего объекта контроля, отличающийся тем, что внутри досмотрового тоннеля по дуге длиной, равной четверти окружности, реверсивно перемещается с изменяющимся шагом источник рентгеновского излучения с элементами, формирующими веерообразный пучок лучей, которым облучают объект контроля под разными задаваемыми углами в диапазоне 0…90°, в результате чего получается и запоминается в цифровых кодах серия из N плоских изображений, которые программным методом преобразуются в одно объемное изображение всего объекта контроля, отображаемое на экране монитора, причем при угле 0° формируется плоское изображение сбоку, а при угле 90° - плоское изображение сверху объекта контроля, при этом процесс облучения объекта контроля осуществляется при его движении относительно источника излучения в обе стороны.