過年的鞭聲已經(jīng)稀濃濃的家情絲毫不春節(jié)小長已接近尾人們開始上離鄉(xiāng)的當你登上車或者飛之前安檢一個必不少的環(huán)節(jié)管你的行箱中裝的家鄉(xiāng)的特還是沉甸的知識它在通過安機時都將工作人員到圖源 | pixabay安檢機究竟是樣工作的本文試圖紹現(xiàn)有的 X 射線安檢設(shè)備的作原理，旅途中的者提供一一邊消磨光，一邊長知識的會。01.單能 X 射線成像先，什么 X 射線呢？X 射線是一種能電磁波通常人們頻率位于 3×101?Hz~3×101?Hz (單光子能量 100eV~100keV，頻率越高單子能量越) 范圍內(nèi)的電磁波為 X 射線。X 射線由德國理學(xué)家倫 (Wilhelm Conrad R?ntgen) 于 1895 年發(fā)現(xiàn)，因此被稱為倫射線。倫 | 圖源 WikipediaX 射線照射到物體會發(fā)生什呢？X 射線具有很的穿透能，當它穿物質(zhì)時，物質(zhì)中的子尤其是子發(fā)生相作用并損能量，強隨透射深呈現(xiàn)指數(shù)減。我們時不考慮 X 射線如何與物質(zhì)的原子發(fā)相互作用而是重點注射線強的指數(shù)衰，這里射的強度指是單位時穿過單位截面積的線的能量 (通俗地講就是射線含有的光的密度)。式中，I?表示入射 X 射線強度，I 表示穿透物后 X 射線的出射度，x 為 X 射線在物體中進的距離μ 為線性衰減系數(shù)上式表明 X 射線穿透物質(zhì)時現(xiàn)指數(shù)衰。如何通這個原理探我們的李箱呢？X 射線強度衰減可以來成像。X 射線穿過被檢測的李箱時強發(fā)生衰減考慮到行箱里的東不是均勻布的，因從不同位穿過行李的 X 射線的強度會有所差，探測透 X 射線的強度分并將其轉(zhuǎn)為灰度圖，就可以到能夠反被檢測物內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像了。X 射線穿過物質(zhì)時強呈現(xiàn)指數(shù)減，可以用透射強進行成像展示物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu) | 圖源 [2]考慮到被檢測體并不是勻的，所線性衰減數(shù) μ 也是空間位的函數(shù)，們可以用 μ=μ(s) 來表示，那么對式取對數(shù)并且定義數(shù)透射信 t (d) 為透射 X 射線的強度圖其實就反了不同位 t (d) 的相對大小。02.雙能 X 射線成像事情到了里似乎很美了，我可以根據(jù)線強度的減成像，樣我們就到了行李部結(jié)構(gòu)的個輪廓。問題是，們沒有辦知道被檢物體的元組成。為么要知道素組成？什么只看物體的形不夠？我知道安檢目的是保列車或飛及其乘客安全，因安檢希望重關(guān)注一危險品，如爆炸物，獲得被測物體的素組成可很好地幫爆炸物的測。那么么技術(shù)可幫助我們得物質(zhì)的素組成的息？雙能 X 射線成像同時探一高一低種能量的 X 射線穿過物體后強度，進步獲得物的元素組的信息。么它的工原理是什？單能量 X 射線成像決定于性衰減系 μ 和厚度 x 的乘積，通原子序數(shù)的物質(zhì) μ 大，具有大的原子數(shù)的薄片能和具有小原子序的厚的材產(chǎn)生相同效果，因單能成像難分辨物的元素組，如圖所物質(zhì)的線衰減系數(shù) μ 與材料的原子序和 X 射線的光子量有關(guān)，了讓分析簡單，我暫時先考一個均勻物質(zhì) A，A 的線性衰減系數(shù)以表示成 α,β 兩種參考物線性組合于選定的考物質(zhì)?α(E) 和 μβ(E) 是已知的，上兩邊同時 L?就得到了對數(shù)射信號 t?(E)，它也是能的函數(shù)式 Lα 和 Lβ 是線性組合數(shù)和 L?的乘積，于高能和能射線分測量 t?(E)，并且解出 Lα 和 Lβ，可以據(jù)比值 Lβ/Lα 確定圖像某一點的效原子序。有效原序數(shù)可以一定程度反映物質(zhì)實的原子數(shù)，而我知道，每元素和該素原子的子序數(shù)是一對應(yīng)的這樣我們確定了物元素組成信息。根有效原子數(shù)的數(shù)值圖像上色就得到了彩色的安圖像，如圖。雙能 X 射線成像給出的彩色圖像圖中金屬合金和硬料為藍色密度較低物質(zhì)展示綠色或橙 | 圖源 [4]下圖展示了種雙能 X 射線安檢設(shè)備的布。X 射線管發(fā)射出續(xù)譜 X 射線 (包含多種頻，即包含個能量)。穿過物體的射線首被低能探器接收，著穿過一薄的銅片銅片可以收較低能射線，于只有能量高的部分過銅片到高能探測。這樣人就分別獲了高能和能射線的號。一種能 X 射線安檢設(shè)的布局 | 圖源 [3]03.多視角 X 射線安檢技術(shù)通荀子們的行李被塞得很，在射線過的路徑有不止一物體，上的方法對體僅沿一方向投影很難分辨疊的物體那么如何決物體的疊問題呢就像人的眼可以從同的視角察一個物一樣，人發(fā)展了多角成像技。人們可根據(jù)被檢物體的不視角的二圖像，部地獲得物的三維信，可以有解決重疊題。此外多視角成技術(shù)還可提高雙能檢設(shè)備對子序數(shù)判的準確性現(xiàn)有的多角 X 射線安檢設(shè)包括單射源多視角型和垂直多視角模等。下圖示了這兩模型的結(jié)。單射線多視角模?| 圖源 [5]上圖布局將一射線源出的射線成平行的束，分別射在傳送的不同位上，當被測物體在送帶上依通過兩束線照射的域時，人就得到了兩個方向察的 X 射線透射像。垂直多視角模?| 圖源 [6]上圖布局在個互相垂的方向上置射線源從垂直的個方向上得被檢測體的透射像，根據(jù)個垂直視的圖像可較為準確重建出被測物體的維信息。04.CT 安檢技術(shù)視角 X 射線成像術(shù)只能獲若干個視的圖像，建物體三信息的能仍然有限有沒有更的辦法呢計算機斷掃描，也是 CT 安檢技術(shù)從多個視獲得物體二維圖像能重建物的三維信，可以解物體重疊遮擋的問，提高物判別的準性，下面們來看它原理。CT 技術(shù)從多個視角照 X 射線，獲得被測物體沿個方向的影為了簡問題，我只考慮被測物體是維物體的形，它的性衰減系是 μ(x,y)。如果我們只一個方向射 X 射線，不妨這個方向為 θ，那么我們可得到沿這方向的投，如下圖示圖源 [7]沿 θ 方向的對數(shù)透射信用公式表，就是下這樣如果們旋轉(zhuǎn) X 射線，正如上面的圖那樣，得到了被測物體沿個方向的影，也就說 t (θ,r) 是射線的影方向 θ 和射線穿過物體位 r 的函數(shù)。經(jīng)過定的推導(dǎo)以得到，t (θ,r) 對 r 作一維傅里葉變換其實就和 μ(x,y) 對 x,y 作二維傅里葉換后再沿 θ 方向“切片”結(jié)果一致圖對上面公式進行形象地說，從左至分別是沿 θ 方向進行 X 射線成像到 t (θ,r)、將 t (θ,r) 沿 θ 方向放置得二維圖像此二維圖就是 μ(x,y) 對 x,y 的二維傅里葉變換圖源 [7]傅里葉變換簡介傅葉變換是種數(shù)學(xué)變，它將一函數(shù)分解它的頻率量 (也可以理解為一個函數(shù)平面波作基函數(shù)展)，每一個頻率分量示函數(shù)的種整體結(jié)特性。一函數(shù) f (x) 的傅里葉變 F (k) 以頻率 k 為自變量，表該頻率分在 f (x) 中的權(quán)重。一函數(shù)和它傅里葉變包含相同信息。上的公式上兩行分別傅里葉正換和逆變平面波概圖 | 圖源 pixabay到了這里，們就得到重建被檢物體三維息的方法但為了簡起見，我依然只討二維物體重建物體息可以盡將二維傅葉逆變換 t (θ,r) 來表示如果公式表達則根據(jù)各向投影重物體信息過程是上的公式中最下面一表示對 T (θ,ω) 在極坐標系做二傅里葉逆換 (這里的極坐標 v=-ωsinθ，和慣例不同)，上面兩則表示對 F (u,v) 的二維傅里葉變換。利極坐標系傅里葉變函數(shù)的對性，T (θ,ω)=T (θ+π,-ω) ，上面的公式可以成這個方我們可以下面的流圖展示出。我們已獲得了沿各個方向投影 t (θ,r)，注意到于二維物每一個固 θ 的投影都是 r 的一維函數(shù)。我們這些函數(shù) r 做傅里葉變換再按照圓的方式排起來，就到了物體二維傅里變換。我再進行傅葉逆變換就獲得了體原本的息。利用里葉變換建 CT 圖像 | 圖源 Wikipedia當然，這是十分想的情況在實際應(yīng)中，安檢的設(shè)計者還需要考很多工程的問題，如信號降、模糊修等等。本介紹了單 X 射線成像技術(shù)利用 X 射線穿過質(zhì)時的指衰減特性像，得到圖像反映被檢測物的內(nèi)部結(jié)。為了便判別物質(zhì)元素組成人們研發(fā)雙能 X 射線成像術(shù)；為了決重疊問，人們研了多視角 X 射線安檢技術(shù)； CT 技術(shù)被應(yīng)用安檢，幫人們準確重建物體三維信息技術(shù)的進是為了保旅途的安，祝愿大旅途愉快在新的一心想事成參考資料[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 射線成像的禁物品自識別 [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本文來自微信眾號：中院物理所 （ID：cas-iop），作者：利有攸展開
