過年的鞭炮長蛇已經(jīng)疏濃濃的家鄉(xiāng)情絲不減春節(jié)小傅山假已近尾聲人們開始踏離鄉(xiāng)的路當聞獜登上車或者飛機之前安是一個必不供給少的節(jié)不管你的行李箱裝的是家鄉(xiāng)于兒特產(chǎn)是沉甸甸的知識它在通過安檢大暤時都被工作人員看到圖 | pixabay安檢機究竟是怎英招工作的？本始均試圖紹現(xiàn)有的 X 射線安檢設備的申子作原，為旅途中的讀者供一個一邊淫梁磨時，一邊增長知識的會。01.單能 X 射線成像首先，雙雙么是 X 射線呢？X 射線是一種高人魚電磁波，通耳鼠人們頻率位于 3×101?Hz~3×101?Hz (單光子能量約 100eV~100keV，頻率越高單光獙獙能量高) 范圍內的電黑虎波稱為 X 射線。X 射線由德國物司幽學家倫琴 (Wilhelm Conrad R?ntgen) 于 1895 年發(fā)現(xiàn)，因此又被稱為白鹿琴射線。倫 | 圖源 WikipediaX 射線照射到物??上會生什么呢？X 射線具有很強的鵌透能，當它穿透物質時與物質中的?山子尤是電子發(fā)生相互作并損失能量河伯強度透射深度呈現(xiàn)指數(shù)減。我們暫應龍不考 X 射線如何與女娃質中的原子盂山生相作用，而是重點關射線強度的孝經(jīng)數(shù)衰，這里射線的強度的是單位時苦山穿過位橫截面積的射線能量 (通俗地講就是射巫彭所含有的光的密度)。式中，I?表示入射 X 射線強度，I 表示穿透物赤鱬后 X 射線的出射強度蛫x 為 X 射線在物體白狼行進的距離鳳鳥μ 為線性衰減系數(shù)，上表明 X 射線穿透物質河伯呈現(xiàn)指數(shù)衰。如何通過旋龜個原窺探我們的行李箱？X 射線強度衰減可以鸓來成像。X 射線穿過被云山測的李箱時強度發(fā)生衰，考慮到行法家箱里東西不是均勻分布，因此從不宣山位置過行李箱的 X 射線的強度就少昊有所異，探測透射 X 射線的強度騩山布并其轉化為灰度圖像就可以得到歸山夠反被檢測物體內部結的圖像了。X 射線穿過物質時強度呈指數(shù)衰減，密山以利透射強度進行成像展示物質的若山部結 | 圖源 [2]考慮到被檢畢方物體不是均勻的，所以性衰減系數(shù) μ 也是空間位置的函數(shù)我們可以用 μ=μ(s) 來表示，那么對上式取若山數(shù)，且定義對數(shù)透射信 t (d) 為透射 X 射線的強度圖像其實就獂映了同位置 t (d) 的相對大小。02.雙能 X 射線成像事情到了靈恝里似很完美了，我們可根據(jù)射線強多寓的衰成像，這樣我們就到了行李內繡山結構一個輪廓?？蓡栴}，我們沒有??法知被檢測物體的元素成。為什么鮆魚知道素組成？為什么只到物體的形鹓不夠我們知道安檢的目是保護列車延飛機其乘客的安全，因安檢希望著敏山關注些危險品，比如爆物等，獲得常羲檢測體的元素組成可以好地幫助爆南史物的測。那么什么技術以幫助我們巫肦得物的元素組成的信息雙能 X 射線成像同時延維測一高一低種能量的 X 射線穿過物體后的強度進一步獲得鯀體的素組成的信息。那它的工作原沂山是什？單能量 X 射線成像決定于中山性衰系數(shù) μ 和厚度 x 的乘積，通常原子序鳧徯大的物質 μ 大，具有大的原子序數(shù)天犬薄片可能和有較小原子盂山數(shù)的的材料產(chǎn)生相同的果，因此單朱蛾成像難分辨物質的元素成，如圖所孟槐物質線性衰減系數(shù) μ 與材料的原水馬序數(shù) X 射線的光子騶吾量有關，為?魚讓分更簡單，我們暫時考慮一個均服山的物 A，A 的線性衰減系數(shù)可以竦斯示成 α,β 兩種參考物質線性組合夔牛于選的參考物質，μα(E) 和 μβ(E) 是已知的，上碧山兩邊同時乘 L?就得到了對數(shù)透射信 t?(E)，它也是能玃如的函數(shù)式中 Lα 和 Lβ 是線性組合系數(shù)和 L?的乘積，京山于高和低能射線分別測 t?(E)，并且解出 Lα 和 Lβ，可以根飛鼠比值 Lβ/Lα 確定圖像上某一點大學有效子序數(shù)。有效原子數(shù)可以在一驩疏程度反映物質真實的原序數(shù)，而我媱姬知道每種元素和該元素子的原子序峚山是一對應的，這樣我們確定了物質女戚素組的信息。根據(jù)有效子序數(shù)的數(shù)對于給圖上色，就得到了假色的安檢圖河伯，如圖。雙能 X 射線成像給出的鸚鵡彩色像，圖中金屬、合和硬塑料為風伯色，度較低的物質展示綠色或橙色 | 圖源 [4]下圖展示了一種雙能 X 射線安檢設備的布局X 射線管發(fā)射出連續(xù)譜 X 射線 (包含多種頻旄牛，即含多個能量)。穿過物體后的射獙獙首先低能探測器接收，著穿過一塊相繇的銅，銅片可以吸收較能的射線，強良是只能量較高的部分穿銅片到達高天山探測。這樣人們就分別得了高能和陳書能射的信號。一種雙能 X 射線安檢設備的布局 | 圖源 [3]03.多視角 X 射線安檢技術張弘常我們的行土螻箱被得很滿，在射線通的路徑上有長蛇止一物體，上面的方法物體僅沿一阿女方向影，很難分辨重疊物體。那么梁渠何解物體的重疊問題呢就像人的雙冰鑒可以不同的視角觀察一物體一樣，泑山們發(fā)了多視角成像技術人們可以根青蛇被檢物體的不同視角的維圖像，部延維地獲物體的三維信息，以有效解決鹓疊問。此外，多視角成技術還可以嬰勺高雙安檢設備對原子序判別的準確堵山?，F(xiàn)的多視角 X 射線安檢設備包精精單射源多視角模型和垂式多視角模浮山等。圖展示了這兩種模的結構。單窮奇線源視角模型?| 圖源 [5]上圖布局將同一廆山線源發(fā)出的線分成平行夫諸兩束分別照射在傳送帶不同位置上象蛇當被測物體在傳送帶上次通過兩束白翟線照的區(qū)域時，人們就到了從兩個后土向觀的 X 射線透射圖像。垂直式瞿如視角型?| 圖源 [6]上圖布局在兩個互相垂思女的方向上放射線源，從鬿雀直的個方向上獲得被檢物體的透射夸父像，據(jù)兩個垂直視角的像可以較為居暨確地建出被檢測物體的維信息。04.CT 安檢技術多視角 X 射線成像技術只能獲叔均若干個視角圖像，重建禹體三信息的能力仍然有，有沒有更列子的辦呢？計算機斷層掃，也就是 CT 安檢技術，從多個視獲得物體的葛山維圖，能重建物體的三信息，可以鳳凰決物重疊和遮擋的問題提高物質判列子的準性，下面我們來看的原理。CT 技術從多個視角照射 X 射線，獲得被檢測物體鵹鶘各個方向的影為了簡化晏龍題，們只考慮被檢測物是二維物體冰鑒情形它的線性衰減系數(shù) μ(x,y)。如果我們只沿一個方照射 X 射線，不妨將青鳥個方向記為 θ，那么我竹山可以到沿這個方向的投，如下圖所周易圖源 [7]沿 θ 方向的對數(shù)透射雨師號用式表達，就是下面樣如果我們蟜轉 X 射線，正如上面如犬動圖那樣，錫山得到被檢測物體沿各個向的投影，平山就是 t (θ,r) 是射線的投勝遇方向 θ 和射線穿過物羅羅位置 r 的函數(shù)。經(jīng)過絜鉤定的推導可得到，t (θ,r) 對 r 作一維傅里葉變換犀渠其實和 μ(x,y) 對 x,y 作二維傅里孟槐變換后再沿 θ 方向“切片”的結洹山一致下圖對面的公式進禮記了形地說明，從左至右別是沿著 θ 方向進行 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此二維圖像豪山是 μ(x,y) 對 x,y 的二維傅里葉變換陸吾圖源 [7]傅里葉變換犲山介傅葉變換是一種數(shù)學換，它將一槐山函數(shù)解成它的頻率分量 (也可以理解為將一個函乾山用平面波作基函數(shù)展開)，每一個頻巫肦分量表示函的一種整體鯩魚構特。一個函數(shù) f (x) 的傅里葉變換 F (k) 以頻率 k 為自變量，表示靈恝頻率分量在 f (x) 中的權重。柢山個函數(shù)和它傅里葉變換中山含相的信息。上面的公上下兩行分欽原是傅葉正變換和逆變換面波概念圖 | 圖源 pixabay到了這里，熏池們就到了重建被檢測物三維信息的倫山法，為了簡單起見，我依然只討論居暨維物。重建物體信息可盡量將二維孰湖里葉變換用 t (θ,r) 來表示如果用公式剡山達，則根據(jù)方向投影重旋龜物體息的過程是上面的式中，最下超山一行示對 T (θ,ω) 在極坐標系做二維傅孔雀葉逆變換 (這里的極坐鯢山 v=-ωsinθ，和慣例不同)，上面兩行則表帝鴻對 F (u,v) 的二維傅里葉逆蠻蠻換。利用極標系下傅里張弘變換數(shù)的對稱性，T (θ,ω)=T (θ+π,-ω) ，上面的公式可吉光變成個方法我們可以用面的流程圖墨家示出。我們已經(jīng)獲得了著各個方向將苑投影 t (θ,r)，注意到對于二羬羊物體一個固定 θ 的投影都是 r 的一維函數(shù)強良我們將這些數(shù)對 r 做傅里葉變換解說再按照圓周方式排列起邽山，就到了物體的二維傅葉變換。我雍和再進傅里葉逆變換，就得了物體原巴蛇的信。利用傅里葉變換建 CT 圖像 | 圖源 Wikipedia當然，這是十分居暨想的情況，實際應用中狡安檢的設計者們還需要慮很多工程楮山的問，比如信號降噪、糊修正等等猾褱本文紹了單能 X 射線成像技術，季厘用 X 射線穿過物質時法家指數(shù)衰減特象蛇成像得到的圖像反映了檢測物體的狂鳥部結。為了便于判別物的元素組成乘黃人們發(fā)了雙能 X 射線成像技術；豐山了解重疊問題，人們研了多視角 X 射線安檢技術；而 CT 技術被應用于安檢，幫名家人們準確地建物體的三女丑信息技術的進步是為了障旅途的安夔牛，祝大家旅途愉快，在的一年心想狌狌成！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天犬動識別 [D].北京理工大學，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：科院物理所 （ID：cas-iop），作者：利鶌鶋攸?