Содержание к диссертации
Введение и термины 5
Глава 1 Конфигурация системы радиационного контроля 9
1.1 Типовая конфигурация системы радиационного контроля 9
1.1.1 Концепция 9
1.1.2 Базовая конфигурация 9
1.1.3 Компоненты 1.1.3.1 Ускоритель электронов 13
1.1.3.2 Система коллимации 13
1.1.3.3 Система детектирования
1.1.3.3.1 Особенности детекторной линейки 16
1.1.3.3.2 Функциональная схема
1.2 Альтернативная конфигурация системы томографического контроля 20
1.3 Оптимизация интроскопических систем методом Монте Карло 21
Глава 2 Коррекция и реконструкция данных 28
2.1 Пространственная и временная коррекция данных 28
2.1.1 К общей постановке задачи двумерной линейной коррекции 31
2.1.1.1 Идеальный случай 31
2.1.1.2 Обобщение для реальной зашумленной функции 32
2.1.1.3 Практическая реализация
2.1.2 Устранение двумерных нелинейных трендов 35
2.1.3 Нелинейная коррекция
2.1.3.1 Простые модели 36
2.1.3.2 АВ и ABC коррекция 39
2.1.3.3 Сплайн коррекция нелинейности детекторов 40
2.1.3.4 Коррекция по теоретической прозрачности барьеров 40
2.1.3.5 Оценка граничной энергии гамма квантов 41
2.1.3.6 Демонстрация алгоритма 43
2.1.3.7 Crab коррекция. Аппаратная и программная реализация в системе 45
2.1.3.8 Визуализация нелинейностей 47
2.1.3.9 Fall коррекция. Программная реализация в системе 49
2.1.4 Биологическая модель зрения. Био-коррекция 50
2.2 Реконструкция изображений по функции рассеяния точки 54
2.2.1 Математическая модель 54
2.2.2 Известные методы 55
2.2.3 Метод синтетической PSF функции
2.2.4 Программная реализация в системе 60
Глава 3 Фильтрация шумов Xray изображений 62
3.1 Спектр шума 62
3.2 Непрерывная вейвлет трансформация
3.2.1 Математическая нотация 64
3.2.2 Диадическая нецелочисленная шкала переменной масштаба 67
3.2.3 Краевой эффект и Snake CWT трансформация 68
3.2.4 Кластерная фильтрация поля вейвлет коэффициентов 69
3.2.5 Практическая реализация 69
3.2.6 Изотропная фильтрация и Stack CWT трансформация 71
3.2.7 Практическая реализация 73
3.2.8 Анизотропная фильтрация и Stack CWT Ridges трансформация 74
3.2.9 Практическая реализация
3.2.10 Ренормированная вейвлет трансформация 76
3.2.11 Сравнение с "a trous" алгоритмом 77
3.2.12 Кластерная фильтрация реконструированных изображений 78
Глава 4 Метод дуальной энергии 80
4.1 Метод дуальной энергии в 4 - 10 МэВ диапазоне. Численный эксперимент 80
4.1.1 Математическая нотация 80
4.1.2 Визуализация 81
4.2 Особенности метода дуальной энергии в диапазоне 4 -10 МэВ 85
4.2.1 Известные системы и патенты 85
4.2.2 Предлагаемый метод 88
4.2.3 Базовые физические зависимости 88
4.2.4 Математическая модель идентификации материала для гомогенного барьера..
4.2.4.1 Система уравнений 90
4.2.4.2 Метод решения 91
4.2.4.3 Замечание по гетерогенной среде
4.2.5 Дискриминационный эффект 93
4.2.6 Экспериментальные результаты 94
4.2.7 Кластерная фильтрация дуальных изображений 97
Глава 5 Практические результаты 103
5.1 Таможенный контроль 103
5.2 Распознавание материалов внутри контейнера 106
5.3 Интроскопия крзшногабаритных объектов 108
5.3.1 Плотностное и пространственное разрешение по стандарту ASTM 108
5.3.2 Коллимация и фактор накопления 108
5.3.3 Экспериментальные результаты на 15 МэВ ускорителе ПО
5.3.3.1 Случай малых толщина 113
5.3.3.2 Случай больших толщина 116
5.3.4 Краткое резюме 118
5.4 Томография крупногабаритных объектов 118
Заключение 120
Литература 123
Приложение 1 Программа Монте Карло. Математическая модель 130
Приложение 2 Иллюстрации 138
Приложение 3 Функции программного комплекса XrayScan 145
Приложение 4 Билатеральная фильтрация 1
Введение к работе
Термин "интроскопия" определен в словаре Вебстера как "Direct observation of objects opaque to light by means of some other form of radiant energy, as the Roentgen rays". Аналогичное определение дает также словарь American Heritage® Dictionary: "Examination of the inner structure of optically opaque objects by x-rays or other penetrating radiation". В таком определении в понятие интроскопии должна быть включена также и томография как средство визуализации внутренней структуры объекта. В западных странах чаще употребляется термин radioscopy, который используется также для обозначения и аналоговых методов визуализации. В диссертации под термином интроскопия будет пониматься только цифровая интроскопия (digital radioscopy).
В понятие "крупногабаритные объекты" в диссертации включены не только объемные конструкции, подлежащие радиационному контролю, например автомобильные и морские контейнеры с относительно низкой средней плотностью, но и массивные сильно поглощающие детали атомного машиностроения со средней плотностью, близкой к стали. Наибольшая группа объектов, подлежащая инспекции, имеет промежуточную или высокую плотность. Согласно гистограмме интернет ссылок в этой области - это инспекция турбин авиационных двигателей, топливных отсеков ракет, а также предметов античной ценности, от саркофагов и мумий до античных колонн значительного диаметра.
Перечисленные объекты с точки зрения интроскопии характеризуются значительным поглощением гамма-квантов, исчисляемым величиной 10"3 - 10 4 от первичной интенсивности. Учитывая также существенное ужесточение спектра прошедшего излучения, радиационное изображение будет характеризоваться также значительным квантовым шумом. Далее, если поглощение в объекте составляет 10"3 - 10 4, то для того, чтобы иметь диапазон яркостей прошедшего излучения хотя бы 10 , необходимо иметь динамический диапазон системы регистрации не менее 105 - 106. Кроме значительного динамического диапазона, как будет показано ниже в задаче распознавания материалов внутри контейнера, система регистрации должна позволять производить абсолютные измерения прозрачности инспектируемой субстанции (величины обратной поглощению) с тремя верными значащими цифрами.
Термины "высокоэнергетичная интроскопия и томография " вытекают из требования высокой проникающей способности гамма-квантов для достижения статистически значимой плотности потока фотонов на детекторной линейке, при которой шумовая составляющая изображения может быть отфильтрована рассматриваемыми ниже методами. Практически необходимая граничная энергия гамма-квантов должна, в зависимости от поглощения объекта, лежать в диапазоне 4-15 МэВ, причем верхняя граница определяется допустимой величиной наведенной активности в облучаемых деталях системы.
Очевидно, что требуемые параметры системы не могут быть достигнуты на сегодняшний день только аппаратными средствами. Например, существующий технологический процесс производства сцинцилляторов с фотодиодами не обеспечивает идентичность сквозных характеристик лучше нескольких процентов вместо требуемых сотых долей процента. Имеются также препятствия физического характера, в частности, при указанных величинах поглощения объекта доля рассеянного излучения даже при тщательно сконструированной системе коллимации значительно превышает долю не рассеянных квантов, несущих полезную информацию.
Естественным выходом из этой ситуации является, на первой стадии, математическая коррекция "сырых" данных, полученных от несовершенной аппаратуры. Рутинными операциями этой стадии являются нивелирование отклика детекторов (устранение разброса коэффициентов передачи на высоком уровне сигнала и вычитание темнового тока), коррекция отсчетов аномальных (дефектных) детекторов, нормировка к желаемому динамическому диапазону. Главным на этой стадии является принцип "не навреди", иными словами, в процессе такой обработки не должен быть потерян ни один бит "драгоценной " информации от детекторной линейки за счет некорректного округления или потери высокочастотной составляющей сигнала. Результатом такой обработки является так называемое рафинированное (refined) изображение, пригодное для дальнейших глобальных операций.
На второй стадии обработки используются более мощные математические методы, в частности линеаризация отклика детекторов во всем динамическом диапазоне, реконструкция неискаженного изображения с помощью обратной свертки (deconvolution) искаженного изображения с функцией рассеяния точки (PSF), устранение двумерных линейных и нелинейных трендов (глобальных неоднородностей). Результатом такой обработки является в общем случае уже целенаправленно измененное изображение, в котором искомые особенности (дефекты структуры, малоконтрастные объекты) специально подчеркнуты для дальнейшего анализа.
На третьей стадии обработки используются наиболее мощные, в том числе и новейшие методы обработки, в том числе непрерывная вейвлет трансформация (continuous wavelet transformation - CWT) для эффективного подавления шумов, кластерный анализ (для выделения структур), био-коррекция (алгоритмы, свойственные органам зрения живых существ), методы распознавания материалов внутри контейнера (дуальная энергия). На этой стадии обработки исходное рафинированное изображение целенаправленно изменяется в соответствии с выбранной стратегией для получения интеллектуального результата в виде найденных и выделенных дефектов структуры (неоднородностей, пустот, инородных включений), запрещенных к перевозке грузов (не отраженных в декларации), подозрительных субстанций (которые могут быть взрывчаткой или наркотиком), а также оружия.
Актуальность работы подтвердим лишь некоторыми фактами, приведенными в журнале "Aviation security "
Решительные шаги ИКАО по борьбе с терроризмом на воздушном транспорте вылились в требование до 31 декабря 2002 года внедрить 100% интроскопию перевозимого багажа. Решение 38 стран было принято после взрыва Боинга 747 над Локерби 28 декабря 1988 г.
В мире уже построено около 30 таможенных систем контроля трейлеров и крупногабаритных морских контейнеров, проектируются новые системы.
Стало очевидным, что для сокращения времени досмотра багажа и грузов имеют смысл только самые эффективные высокотехнологичные интроскопические средства досмотра и контроля. Последующие события сентября 2001 года подтвердили это.
Цель диссертационной работы заключается в создании прецизионных систем радиационного контроля крупногабаритных объектов за счет оптимизации существующих решений, а также разработки новых аппаратных и математических средств повышения пространственного и плотностного разрешения систем.
Новые научные результаты, представленные в диссертации, в основном связаны с упомянутыми тремя стадиями обработки информации, с другой стороны, созданные интроскопические и томографические системы являются результатом скрупулезной оптимизации всех компонентов системы, аппаратных и программных. Основным инструментом оптимизации систем является специально разработанная программа, реализующая метод Монте-Карло прослеживания треков гамма-квантов в веществе и адаптированная для задач интроскопии. Систематические статистические испытания проектируемых и изготовленных узлов в реальной геометрии позволили создать систему коллимации пучка гамма-квантов с оптимальными параметрами и достичь приемлемой доли не рассеянных (информативных) гамма-квантов на детекторной линейке. Представляемая работа отражает многолетний опыт автора по созданию современных радиационно-физических комплексов на базе мощных линейных ускорителей для задач таможенного контроля, интроскопии и томографии крупногабаритных изделий. Использованные в разработках идеи и математические методы частично заимствовались из интернет публикаций по астрофизике, космической аэрофотосъемке, геофизике, частично рождались в процессе исследований автора и его коллег на опытных установках, а также появлялись в результате переосмысливания хорошо известных методов и их адаптации к новым задачам.
Замечание. В отличие от сквозной нумерации литературных ссылок, принятой в диссертации, рисунки и формулы нумеруются по главам. Приложения имеют собственную нумерацию и ссылки.
