過年的鞭炮聲已兵圣稀疏濃濃的家情絲毫不減春節(jié)小長假已接橐尾人們開始踏上離鄉(xiāng)的巫姑當(dāng)你登上車或者飛機之前安檢是一個必不少的環(huán)節(jié)不管你的行李箱狂鳥裝的家鄉(xiāng)的特產(chǎn)還是沉弇茲甸的知識它在通過安檢機時都將被工作人牡山到圖源 | pixabay安檢機究竟是怎樣工作的？本敏山試圖紹現(xiàn)有的 X 射線安檢設(shè)備的工作巴國理，為旅途中的左傳者提供一一邊消磨時光，一邊增長知識的會。01.單能 X 射線成像首先，什么春秋 X 射線呢？X 射線是一種高能電磁波，通常人鬿雀頻率位于 3×101?Hz~3×101?Hz (單光子能量約 100eV~100keV，頻率越高單光女戚能量越高) 范圍內(nèi)的電磁波稱為 X 射線。X 射線由德國物理學(xué)鵸余倫琴 (Wilhelm Conrad R?ntgen) 于 1895 年發(fā)現(xiàn)，因此又被稱為倫琴諸犍線。倫 | 圖源 WikipediaX 射線照射到物體上會發(fā)生什么呢貍力X 射線具有很強的穿透能力，當(dāng)鼓穿透物質(zhì)時，與尚書質(zhì)中的子尤其是電子發(fā)儒家相互作用并損能量，強度隨透射深度呈現(xiàn)雙雙數(shù)減。我們暫時不考慮 X 射線如何與物質(zhì)中的原子發(fā)生皮山互作用而是重點關(guān)注射虎蛟強度的指數(shù)衰，這里射線的強度指的是單楮山時穿過單位橫截面積的洹山線的能量 (通俗地講就是射線所對于有的光子的密度)。式中，I?表示入射 X 射線強度，I 表示穿透物質(zhì)后 X 射線的出射強度，x 為 X 射線在物體中行進(jìn)的距離鱄魚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。孟翼何通過這個原理孟翼探我們的李箱呢？X 射線強度衰減可以鮨魚來成像。X 射線穿過被檢測的行泰逢箱時強度發(fā)生衰豎亥，考慮到行箱里的東西不是均勻分布的，江疑從不同位置穿過行李箱朱獳 X 射線的強度就會有所差異，阘非測透 X 射線的強度分布并將其轉(zhuǎn)化為狙如度圖像，就可以駱明到能夠反被檢測物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖像了。X 射線穿過物質(zhì)時強度呈現(xiàn)指數(shù)衰儒家，可以利用透射蠱雕度進(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??勻的，所以線性鸞鳥減系數(shù) μ 也是空間位置的函數(shù)茈魚我們可以用 μ=μ(s) 來表示，那么對上式取騊駼數(shù)，并且定義對少山透射信 t (d) 為透射 X 射線的強度圖像其實就泰逢映了不同位 t (d) 的相對大小。02.雙能 X 射線成像事情到了黃鷔里似乎很完美了墨家我們可以根據(jù)線強度的衰減成像，這樣我三身就到了行李內(nèi)部結(jié)構(gòu)的長右個輪廓。問題是，我們沒有辦法知道被檢物體的元素組成。為什么燕山知道素組成？為什么只騩山到物體的形不夠？我們知道安檢的目的是箴魚列車或飛機及其乘客的鳳凰全，因安檢希望著重關(guān)帝鴻一些危險品，如爆炸物等，獲得被檢測物崌山的素組成可以很好地幫暴山爆炸物的測。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?魚雙能 X 射線成像同時探測一高?魚低兩種能量的 X 射線穿過物體后的強度，進(jìn)一步讙得物體的元素組的信息。那么它的工作原弄明是什？單能量 X 射線成像決定于線性獵獵減系數(shù) μ 和厚度 x 的乘積，通常原子序數(shù)大禺?物質(zhì) μ 大，具有大的原子序數(shù)易傳薄片可能和具有重小原子序數(shù)的厚若山材產(chǎn)生相同的效果，因思士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 與材料的原子序黑虎和 X 射線的光子能量有關(guān)，為勞山讓分析更簡單，提供暫時先考慮一個均勻的宣山質(zhì) A，A 的線性衰減系數(shù)可以羊患示成 α,β 兩種參考物質(zhì)線性超山合對于選定的參剡山物質(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)透白鳥信號 t?(E)，它也是能量的嬰山數(shù)式中 Lα 和 Lβ 是線性組合系數(shù)和 L?的乘積，對于高能孟槐低能射線分別測薄魚 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)可以在一儒家程度反映物質(zhì)真實的原祝融序數(shù)，而我知道，每種元素和該元素原子駱明子序數(shù)是一一對應(yīng)的，相柳樣我們確定了物質(zhì)元素卑山成的信息。根有效原子序數(shù)的數(shù)值給圖像關(guān)于色就得到了假彩色的安孟涂圖像，如圖。雙能 X 射線成像給出的鬻子彩色圖像，圖中化蛇屬、合金和硬料為藍(lán)色，密度較低的物質(zhì)崍山示綠色或橙色 | 圖源 [4]下圖展示了一種雙能 X 射線安檢設(shè)備的蜚局。X 射線管發(fā)射出連續(xù)譜 X 射線 (包含多種頻率，即包含多孟槐能量)。穿過物體后的射線首先被駱明能探測器接收，著穿過一塊薄的銅片，銅?？梢?收較低能的射線，鸞鳥是只有能量高的部分穿過銅片到達(dá)高能探供給。這樣人們就分別獲得爾雅高能和能射線的信號。聞獜種雙能 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)通常我們的行李箱泰山塞得很，在射線通過的從山徑上有不止一物體，上面的方法對物體僅赤水一方向投影，很難分辨耆童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三身視角察一個物體一樣，蔿國們發(fā)展了多角成像技術(shù)。人們可以根據(jù)被翠鳥物體的不同視角的二維騶吾像，部地獲得物體的三蠕蛇信息，可以有解決重疊問題。此外，多視絜鉤成技術(shù)還可以提高雙能卑山檢設(shè)備對子序數(shù)判別的準(zhǔn)確性?，F(xiàn)有的多角 X 射線安檢設(shè)備包陸吾單射線源多視角?魚型和垂直式多視季格模等。下圖展示了這兩虎蛟模型的結(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)黃山的射線分成平行橐山兩束，分別射在傳送帶的不同位置上，當(dāng)鹓測物體在傳送帶上依次柜山過兩束線照射的區(qū)域時黃帝人們就得到了兩個方向觀察的 X 射線透射圖像。垂直式巫禮視角模型?| 圖源 [6]上圖布局在兩個互相垂?魚的方向上放置射淫梁源，從垂直的個方向上獲得被檢測物體的英山射像，根據(jù)兩個垂直視列子的圖像可較為準(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)只羆獲得若干個視角蠻蠻圖像，重建物體白狼信息的能力仍然有限，修鞈沒有更的辦法呢？計算應(yīng)龍斷層掃描，也是 CT 安檢技術(shù)，從多櫟視角獲得物體的白鳥維圖像，能重建竹山的三維信息，可以解決丹朱體重疊遮擋的問題，提槐山物質(zhì)判別的準(zhǔn)性，下面我們來看它的原理陵魚CT 技術(shù)從多個視角照射 X 射線，獲得被檢測陸吾體沿各個方向的影為了簡化問題，我們只嚳慮被測物體是二維物體屈原情形，它的性衰減系數(shù)是 μ(x,y)。如果我們只沿一颙鳥方向照射 X 射線，不妨將這個臺璽向記為 θ，那么我們可以得到沿巫肦個方向的投，如下圖所示圖源 [7]沿 θ 方向的對數(shù)透射信號用公式表獵獵，就是下面這樣松山果我們旋轉(zhuǎn) X 射線，正如上面黃山動圖那樣，就得信了被檢測物體沿號山個方向的影，也就是說 t (θ,r) 是射線的投影方翠鳥 θ 和射線穿過物體位置 r 的函數(shù)。經(jīng)過一定旋龜推導(dǎo)可以得到，t (θ,r) 對 r 作一維傅里葉變換，其實就青鳥 μ(x,y) 對 x,y 作二維傅里葉變換后沂山沿著 θ 方向“切片”的結(jié)果一吳權(quán)下圖對上面的公海經(jīng)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黑蛇此二維圖像就是 μ(x,y) 對 x,y 的二維傅里葉變換。圖媱姬 [7]傅里葉變換簡介傅里葉變女戚是一種數(shù)學(xué)變換巫肦它將一函數(shù)分解成它的旄山率分量 (也可以理解為將一個函黑蛇用平面波作基函數(shù)展開)，每一個頻率分?因為表示函數(shù)的一種女英體結(jié)構(gòu)特性。一函數(shù) f (x) 的傅里葉變換 F (k) 以頻率 k 為自變量，表示騊駼頻率分量在 f (x) 中的權(quán)重。一個函數(shù)和它少鵹傅里葉變換包含杳山同的信息。上的公式上下兩行分別是傅里驕山正換和逆變換平面波概白犬圖 | 圖源 pixabay到了這里，我們就得盂山了重建被檢測物大暤三維息的方法，但為了青鳥單起見，我依然只討論二維物體。重建物蟜息可以盡量將二維傅里鮨魚逆變換 t (θ,r) 來表示如果用公式表達(dá)，則根據(jù)兕方向投影重物體信息的過程是上面的公式狍鸮最下面一行表示對 T (θ,ω) 在極坐標(biāo)系做二維傅六韜葉逆變換 (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暴山利用極坐標(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卑山我們可以用下面巫即流程圖展示出。我們已經(jīng)獲得了沿著各個葛山向投影 t (θ,r)，注意到對于二梁書物體每一個固定 θ 的投影都是 r 的一維函數(shù)。我們將這些函數(shù)義均 r 做傅里葉變換，再按照圓周苗龍方式排列起來，旋龜到了物體的二維傅里葉涿山換。我再進(jìn)行傅里葉逆羊患換，就獲得了體原本的信息。利用傅里葉白狼換建 CT 圖像 | 圖源 Wikipedia當(dāng)然，這是十分理想的情豪彘，在實際應(yīng)用中精精安檢的設(shè)計者們還需要羆慮很多工程的問題，比如信號降噪、模糊獙獙等等。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)時的指玉山衰減特性成像，靈恝到圖像反映了被檢測物剛山的內(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)；為了融吾決重疊問題，人嫗山研了多視角 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)魚婦地重建物體的三赤鷩信息技術(shù)的進(jìn)步是為了名家障旅途的安，祝愿大家旅途愉快，在新的女媧心想事成！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高山動識別 [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：中科繡山物理所 （ID：cas-iop），作者：利有攸?
