双能量X射线多级检查设备设计

何春红，任　斌

（1．广东守门神科技集团有限公司，广东 东莞523000；2．东莞理工学院电子工程与智能化学院，广东 东莞523808）

1　双能量技术和工作原理

1.1　双能量技术原理

由于物质对X射线的吸收作用，不同类型的材质对X射线的吸收和穿透能量不同，被探测器探测到能量的大小也是不同的。利用X射线这一特性，可以把X射线运用在安检设备上进行多级检查。

X射线穿过物质时，其总吸收系数μ为[1，2]：

其中，∑为宏观界面，N为单位体积原子核数，σ为总吸收截面，σph为光电吸收截面，σc为康普顿散射截面，σr为瑞利散射截面，σK为电子对截面，A为原子质量数，NA为阿伏加德罗常数，ρ为物质密度。

通过公式（1）可以推导出，物质对高能X射线衰减与对低能X射线衰减的比值K与物质原子序数Z密切相关。K值与物质原子序数Z之间的关系如图1所示。

图1　高、低能衰减系数比值与原子序数关系

由图1可知，物质原子序数Z数值小于26时，物质原子序数Z值与衰减比值K值是单调变化的，也就是物质原子序数Z值的不同导致物质衰减比值K值的不同。

1.2　双能量探测系统工作原理

本公司自主研发的双能量、单能X射线多级检查设备，融合了单能X射线法、双能X射线法，综合了数字图像处理技术和高效半导体探测器的优点。

具体工作原理如下：

在检测被测物时，将被测物放到输送部分上，就能全自动完成整个检测过程。

首先，当输送带把被测物品送入到检测通道后，光障检测装置就会侦测到有被测物进入，控制单元就会收到光障检测装置的信号。

然后，X射线源马上开始工作，发射出X射线，X射线经准直器调节后就会形成相当窄并且是扇形的射线束，通过被测物后被探测器探测到。

然后，高效半导体探测器把探测到的X射线光电信号通过光电转换器转变为电信号，电信号经放大器被放大后进行系统量化，通过数据总线传输至工控计。

最后，经过数字繁多运算和数字图像处理以后，就可以在工控机的显示器上看到品质和像素较高的图像，系统的整个自动检测过程结束。

2　硬件系统设计

硬件系统分为：被测物输送、X射线源及控制单元、信号采集处理传输、图像处理和电气控制五大模块。系统组成如图2所示。

图2　硬件系统组成框图

2.1　系统结构

（1）X射线源

X射线源由X射线管、高压发生器和准直器三部分组成。

（2）探测器阵列盒

探测器阵列盒由形成L形状的两个探测器阵列组成，探测器阵列包含有多块探测器板，每块探测器板都有32个通道组成。

（3）电子控制部分

工业控制计算机的指令是由电子控制部分负责接收，电子控制部分控制电机运转，并同时监测光障的随时状态；当电子控制部分监测发现到X射线控制模块异常，不正常工作时，则就会自动报警。

（4）图像处理系统

当计算机通过电子控制部分接收到来自探测器的信号后，图像处理系统对其进行数据处理及数据的存储和检索。设备提供边缘增强、图像增强、反色、彩色显示、局部增强等图像处理。

（5）光障装置

光障，又名对射式光电开关，安装在通道的入口处，用于探测进入检查通道的被测物。若被测物阻断光障发射端发出的射线，控制单元由X射线源发射出X射线。

2.2　设备的电气结构

（1）电气控制

电气系统是本系统的一个重要的组成部分，整个系统的电源主要由电气系统供给，如果系统当运行中有其它不正常情况时，电气系统还能能为整个系统进行相应的电气保护，以免烧坏系统。

（2）过流保护

过流电路在过流运行的情况下，断路器能瞬间脱扣，起到保护系统设备的作用。设备短路可分为内部绝缘层老化短路，端子连接松脱引起的电源短路和人为因素短路。

（3）紧急情况保护

紧停按钮安装在操作台和安检设备系统的外壳上面，如果突发事件发生时会被按下，系统这时候也会立刻断电。

（4）权限控制

设备仅供培训合格的专职人员操作。为避免非专职人员误触发设备，设备通过电气和软件两种方案进行权限控制。

（5）远程启动控制

远程启动控制功能通过设备延长线进行远程控制（不超过10 m）。

（6）电机正反转控制

在系统经常使用过程中有时候需要把输送带的电机进行正反转动；看不清楚被测物，输送带要倒转以便重测物品。这个功能是在电路部分安装中间换向继电器实现的。

（7）电机热保护

设备电机有热保护功能。电机长时间运转或负载过重均会导致过流，严重时会损坏电机，热保护功能可有效防止电机烧坏情况发生。

3　软件系统设计

软件由专用驱动程序及用户控制界面两部分组成。由软件将接收到的信号进行有效的数据信号处理，把处理后的清晰图像完整的显示在屏幕上，操作人员对图像进一步的辨别和处理。

软件操作菜单分登录/注册、文件设置、探点设置、实时曲线、图像设置、功能设置、硬件配置、信息提示等8个子菜单，功能及使用说明如下。

（1）“登录/注册”菜单

“登陆/注册”菜单，可实现用户登陆、用户注册及软件注册等功能。用户登陆后，菜单状态条上会显示用户ID；用户注册时，只能注册比当前用户低一级的用户权限；软件注册功能，能方便未获得设备完整所有权的用户，以获得更长的设备使用时间。如图3所示。

图3　操作菜单界面

（2）“实时曲线”菜单

“实时曲线”菜单，能够以曲线形式查看每个探测器的响应状态。该曲线是对图像缺陷诊断的辅助调试，曲线中表示的数据和图像的质量有一定相关性。如图4所示。

图4　实时曲线界面图

（3）“图像设置”菜单

利用“图像设置”菜单，可以对图像配置的相关参数进一步设置。设置的界面如图5所示。

图5　图像设置参数界面图

（4）“文件设置”菜单

在“文件设置”菜单中，能够按条件查询，回调保存的历史图像。界面如图6所示。

图6　文件设置参数界面图

4　结果分析

4.1　图像处理结果分析

（1）彩色/黑白显示

X光机可明确鉴测被测物成分种类。彩色显示功能可将鉴测出的被测物种类按三种颜色在高分辨率显示器完美呈现。其中橙色代表有机物，蓝色代表无机物，绿色代表混合物。

黑白显示功能，可将被测物由纯黑到纯白，分256级灰度显示。被测物对X射线吸收率不同，对应的灰度等级也不同。图像区域越白就表示对X射线的吸收率越低，如图7所示，表示有更多的射线穿透，相反，越暗表示该区域对X射线的吸收率越多。

图7　彩色和黑白图像对比图

（2）图像反色

图像正常显示时，X射线吸收率高的物体呈深黑色，吸收率低物体呈亮白色。反色显示时正好相反，较小或较细的高密度物体反色显示时会变得更加清晰。如图8所示。

图8　正常/反色图像对比图

（3）边缘增强（边增）

边缘增强功能，可对彩色图像或灰度图像的边缘进行操作。

当需要对图像中物体边缘进行进一步判别时，点击相应的“边增”按钮，则图像的物体边缘就会被突出显示，清晰度进一步地提升，更有利于检测人员区分出不同的物体。效果如图9所示。

图9　图像边缘增强效果图

（4）图像局部增强（局增）

图像中较暗的区域可以用图像局部增强功能进行增亮的处理，把在图像中隐藏在厚重物质后面物体清晰明亮的显示出来，而且其它正常的图像区域一点也不受到影响。

（5）高穿透力加强（高穿）

强穿透力区域亮度较亮，不易观察。点击“高穿”按钮，将提升整个穿透区域对比度，从而使强穿透力区域图像清晰；但同时正常区域会受到影响，亮度变低，图像清晰度下降。效果如图10所示。

图10　高穿透力加强效果图

（6）低穿透力加强（低穿）

强穿透力区域亮度较亮，相反低穿透力的区域图像的亮度较暗，也不易观察。这时候要点击“低穿”按钮，将提升整个穿透区域亮度，从而使低穿透力区域图像清晰；但同时正常区域会受到影响，亮度更高，图像清晰度下降。效果如图11所示。

图11　低穿透力加强效果图

（7）图像放大

图像放大功能，可以对整个图像进行连续放大，放大的同时在图像的右下角会显示出一个增幅图像的缩图，在放大显示的时候，图像中会有个方框把当前的全屏显示的区域进行标示显示出来。也可以继续使用方向键进行上下撒上看移动进行显示图像的放大区域。效果如图12所示。

图12　图像放大效果图

4.2　典型图像分析

（1）标准模块的图像

彩色显示功能可将鉴测出的被测物种类按三种颜色在高分辨率显示器完美呈现。其中蓝色代表无机物，如铁、钢等原子序数较大的金属；橙色代表的是有机物，如有机玻璃、水等这样原子的序数相对来说比较小的物质；绿色颜色是代表介于无机物和有机物之间的物质，如铝等。

（2）典型违禁品的图像

典型违禁品包括刀具、打火机、鞭炮、液体等，其成像效果如图13所示。

图13　典型违禁品的图像

5　结束语

本系统综合了单能和双能X射线法技术，研制出了X射线多级检查系统，有效降低了传统检测系统的误报率，而且还可在高安全等级的环境使用及多级检查。双能量安检机系统提高了X射线安检设备的综合性能，包括检测的灵敏度、实时性、准确性、抗干扰能力、自诊断和智能控制能力，扩大了设备的实用价值。