Разработка систем таможенного и промышленного радиационного цифрового контроля крупногабаритных объектов на базе линейных электронных ускорителей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

Введение и термины.

Глава 1 Конфигурация системы радиационного контроля.

1.1 Типовая конфигурация системы радиационного контроля.

1.1.1 Концепция.

1.1.2 Базовая конфигурация.

1.1.3 Компоненты.

1.1.3.1 Ускоритель электронов.

1.1.3.2 Система коллимации.

1.1.3.3 Система детектирования.

1.1.3.3.1 Особенности детекторной линейки.

1.1.3.3.2 Функциональная схема.

1.2 Альтернативная конфигурация системы томографического контроля.

1.3 Оптимизация интроскопических систем методом Монте Карло.

Глава 2 Коррекция и реконструкция данных.

2.1 Пространственная и временная коррекция данных.

2.1.1 К общей постановке задачи двумерной линейной коррекции.

2.1.1.1 Идеальный случай.

2.1.1.2 Обобщение для реальной зашумленной функции.

2.1.1.3 Практическая реализация.

2.1.2 Устранение двумерных нелинейных трендов.

2.1.3 Нелинейная коррекция.

2.1.3.1 Простые модели.

2.1.3.2 AB и ABC коррекция.

2.1.3.3 Сплайн коррекция нелинейности детекторов.

2.1.3.4 Коррекция по теоретической прозрачности барьеров.

2.1.3.5 Оценка граничной энергии гамма квантов.

2.1.3.6 Демонстрация алгоритма.

2.1.3.7 Crab коррекция. Аппаратная и программная реализация в системе.

2.1.3.8 Визуализация нелинейностей.

2.1.3.9 Fall коррекция. Программная реализация в системе.

2.1.4 Биологическая модель зрения. Био-коррекция.

2.2 Реконструкция изображений по функции рассеяния точки.

2.2.1 Математическая модель.

2.2.2 Известные методы.

2.2.3 Метод синтетической PSF функции.

2.2.4 Программная реализация в системе.

Глава 3 Фильтрация шумов Хгау изображений.

3.1 Спектр шума.

3.2 Непрерывная вейвлет трансформация.

3.2.1 Математическая нотация.

3.2.2 Диадическая нецелочисленная шкала переменной масштаба.

3.2.3 Краевой эффект и Snake CWT трансформация.

3.2.4 Кластерная фильтрация поля вейвлет коэффициентов.

3.2.5 Практическая реализация.

3.2.6 Изотропная фильтрация и Stack CWT трансформация.

3.2.7 Практическая реализация.

3.2.8 Анизотропная фильтрация и Stack CWT Ridges трансформация.

3.2.9 Практическая реализация.

3.2.10 Ренормированная вейвлет трансформация.

3.2.11 Сравнение с "à trous" алгоритмом.

3.2.12 Кластерная фильтрация реконструированных изображений.

Глава 4 Метод дуальной энергии.

4.1 Метод дуальной энергии в 4 - 10 МэВ диапазоне. Численный эксперимент.

4.1.1 Математическая нотация.

4.1.2 Визуализация.

4.2 Особенности метода дуальной энергии в диапазоне 4-10 МэВ.

4.2.1 Известные системы и патенты.

4.2.2 Предлагаемый метод.

4.2.3 Базовые физические зависимости.

4.2.4 Математическая модель идентификации материала для гомогенного барьера.

4.2.4.1 Система уравнений.

4.2.4.2 Метод решения.

4.2.4.3 Замечание по гетерогенной среде.

4.2.5 Дискриминационный эффект.

4.2.6 Экспериментальные результаты.

4.2.7 Кластерная фильтрация дуальных изображений.

Глава 5 Практические результаты.

5.1 Таможенный контроль.ЮЗ

5.2 Распознавание материалов внутри контейнера.

5.3 Интроскопия крзшногабаритных объектов.

5.3.1 Плотностное и пространственное разрешение по стандарту ASTM.

5.3.2 Коллимация и фактор накопления.

5.3.3 Экспериментальные результаты на 15 МэВ ускорителе.

5.3.3.1 Случай малых толщин.

5.3.3.2 Случай больших толщин.

5.3.4 Краткое резюме.

5.4 Томография крупногабаритных объектов.

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.

Заключение

В диссертации обобщены многолетние исследования автора в области разработки и создания радиационных систем неразрушающего контроля крупногабаритных объектов. Основной акцент этих исследований падает на математические методы обработки Хгау информации, что связано с техническими, технологическими и экономическими ограничениями при попытке создания совершенных аппаратных средств систем радиационного контроля. Поэтому поиск разумного компромисса между аппаратной сложностью системы и объемом математической обработки данных и является основным при разработке комплекса. Другим ключевым моментом при создании подобных систем является конкурентоспособность продукта. Для того, чтобы занять достойную экономическую нишу на рынке, необходимо предложить систему с уникальными метрологическими параметрами, что, по-видимому, достигнуто посредством мощных математических методов, реализованных в программном продукте XrayScan. В частности, полученное разрешение 1-1Т по стандарту ASTM Е747 для толщин 400 мм стали является уникальным.

К новым научным результатам, представляемым к защите, автор относит:

• математические и аппаратные методы нелинейной коррекции двумерных Хгау полей

• развитие и реализацию методов реконструкции и фильтрации интроскопических изображений с помощью синтетической функции рассеяния точки, модифицированной непрерывной вейвлет трансформации и кластерного вейвлет анализа

• разработку и реализацию распознавания групп материалов в контейнере методом дуальной энергии в диапазоне 4-10 МэВ

• оптимизацию трактов коллимации и радиационной защиты интроскопических систем методом Монте Карло

Апробацией результатов диссертации являются действующие системы -разработанные, изготовленные и поставленные заказчику:

• Интроскоп-томограф с энергией 8 МэВ, г. Сиань, КНР, 1998 г.

• Интроскоп-томограф с энергией 15 МэВ, г. Пекин, КНР. 2002 г.

• Локальная защита ускорителя мобильной таможенной системы на энергию 2.5 МэВ, фирма Heimann, ФРГ, 2001 г.

• Полномасштабный прототип стационарной таможенной системы с энергией 8 МэВ, РФ, Петербург, НИИЭФА им. Д.В. Ефремова, 1996 г.

• Программный продукт XrayScan для таможенных, интроскопических и томографических систем. Версия II, 2001 г. (описание в приложении 3)

• Публикации по теме диссертации: [52] - [63] и [70].

В 2001 году за работу под названием "Разработка и развитие прецизионных радиационных методов контроля уникальных изделий атомного машиностроения " комиссия СУИСП (Союз ученых, инженеров и специалистов производства) в составе 12-ти академиков и членов корреспондентов РАН присвоила автору в результате конкурса звание Почетный Инженер Санкт-Петербурга. Врученный диплом-сертификат, удостоверяет, что работы выполнены на высшем научно-техническом уровне. Актовая речь прочитана автором 21 марта 2002 года.

123

1. Бурмистенко Ю.Н. Фотоядерный анализ состава вещества, М. :Энергоатомиздат, 1986

2. Основные санитарные правила обеспечения радиационной безопасности (ОСПОРБ-99), Минздрав России, 2000

3. Deepa Kundur. Blind deconvolution of still images using recursive inverse filtering. Departament of Electrical and Computer Engineering, 1995. University of Toronto.

4. Cornwell T.J. Image Restoration// Proc. NATO Advanced Study Institute on Diffraction-Limited Imaging with Very Large Telescopes, Cargese, 1988. p. 273-292,

5. Van Cittert P.H. Z. Physik, 1931, Vol. 69, p. 298.

6. FriedenB.R. Image Enhancement and Restoration// Topics in Applied Physics, -Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, 1975. Vol. 6, pp 177-249.

7. Landweber L. An iteration formula for Fredholm integral equations of the first kind// Am. J. Math., 1951, Vol. 73, 615-624.

8. TikhonovA.N. and ArseninV.Y. Solution of Ill-Posed Problems, Winston, Washington, D.C., 1977.

9. Galatsanos N.P. and Katsaggelos A.K. Methods for Choosing Regularization Parameter and Estimating the Noise in Image Restoration and their Relation// IEEE Trans, on Image Processing, July 1992.

10. James 0. Gouge, An alternative approach to the design of image processing algorithms. Summerville, Georgia 1996. http://www.biocomputer.com/Thesis.html

11. Fligge M. and Solanki S.K. Noise reduction in astronomical spectra using wavelet packets Institut fiir Astronomie, ETH-Zentrum, CH-8092 Zurich, Switzerland19. http://www.mathworks.com/access/helpdesk/help/toolbox/wavelet/wavelet.shtml

12. René A. Carmona, Wen L. Hwang, Bruno Torrésani, Characterization Of Signals By The Ridges Of Their Wavelet Transforms (1995), IEEE Transactions on Signal Processing http://citeseer.nj.nec.com/13783.html

13. Murtagh F., Starck J.L. and Bijaoui A.

14. Standard Practice for Design, Manufacture and Material Grouping Classification of Wire Image Quality Indicators (IQI) Used for Radiology. http://www.astm.org

15. Shiff L. // J. Phis. Rev. 1951. V. 83, №2.

16. Storm E. and Israel H. Photon Cross Section from 0.001 to 100 MeV for Elements 1 through 100, Los Alamos Scientific Laboratory, New Mexico, 1967

17. David W. Hannum, Dr. John E. Parmeter Survey of Commercially Available Explosives Detection Technologies and Equipment,

18. For: The National Law Enforcement and Corrections Technology Center, a Program of the National Institute of Justice, U.S. Department of Justice, Sept. 1998, http ://www.nlectc.org/

19. Naumann D. et al. Method of processing images for material recognition by x-rays, US Patent 6,198,795 Bl; Mar.6,2001

20. Geuss G. and Foos K. Dual voltage x-ray generator, UK Patent Application, GB 2 333 681 A, 28.07.1999.

21. Dönges G. et al. Examination of sea freight containers using modern electron linear accelerators, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, B68 (1992) 68-72.

22. Moore J.F., Ravi ChandranV.C. and Reiter R.F., "Better imaging: the key to better cargo inspection", Port Technology International, 10th Edition, 4, 113, http://www.porttechnology.org/journals/edl O/download/PTl 0-04l .pdf

23. Neale W.W. et al. Material identification using x-rays, US Patent 5,524,133; Jun. 4, 1996.

24. Neale W.W. et al, Improvements in and relating to material identification using x-rays, International Patent WO 93/14419, 22 July 1993.

25. Bjorkholm P.J., Material discrimination using single energy x-ray imaging system, US Patent 6,069,936; May 30, 2000.

26. Perion D. et al. System for differentiating between organic and inorganic substances, International Patent WO 00/43760; July 27, 2000.

27. Lecoindre F. and Ogier C. Heimann Cargo Vision: vision of the future // Port Technology International, 10th Edition, 4, 121, http://www.porttechnology.org/journals/edl0/download/PT10-042.pdf

28. Browser G. and HusemannR. Physics and software: the keys to effective cargo inspection // Port Technology International, 13th Edition, 11, 209, http://www.porttechnology.org/journals/edl3/ptl3downloads/ptl3209.pdf

29. Browser G. and Husemann R. Technology advances help solve cargo inspection challenges // Port Technology International, 9th Edition, 3, 79, http://www.porttechnology.org/journals/ed9/download/09.079.pdf

30. Cargo Xcanner (TM). Solve Your Import-Export Delays L&W Research, Inc. Precision X-ray Systems, 112 Front Ave.West Haven, CT 06516 http://www.lwresearch.com/cargox.htm

31. Fligge M. and Solanki S.K. Noise reduction in astronomical spectra using wavelet packets // A&A Supplement Ser., vol. 124, September 1997, 579-587.

32. Огородников C.A. Дискриминация материалов в системе таможенной инспекции на базе линейного ускорителя электронов с дуальной энергией, Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Санкт-Петербург, 2002.

33. Sobania A. The automatic extraction of 3-D information from stereoscopic dual-energy X-ray Images, 3D imaging group, The Nottingham Trent University, 1999, http://eee.ntu.ac.uk/research/vision/asobania/index.html

34. Varian Inc., Linatron. High Energy X-ray Applications for Nondestructive Testing, Technical Report.

35. Fraley C. and Raftery A.E. "How many clusters? Which clustering method? Answers via model-based cluster analysis", technical report No. 329, 1998, appeared in the Computer Journal 41(1998): 578-588.

36. Everitt B. "Cluster analysis". Heinemann Educational Books, London, 1980.

37. Arjen van Ooyen "Theoretical aspects of pattern analysis", http://www.anc.ed.ac.uk/~arjen/

38. Gisler G. and Theiler J. A contiguity-enhanced k-means clustering algorithm for unsupervised multispectral image segmentation // Proc. SPIE 3159, p. 108-118, (1997)

39. Späth H. Cluster-Analyse-Algorithmen zur Objektklassifizierung und Datenreduktion, R.Oldenbourg Verlag GmbH München, Wien, 1977

40. Carper W.J., Lillesand T.M. and Kiefer R.W. The use of Intensity-Hue-Saturation transformations for merging SPOT panchromatic and multispectral image data, Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, vol. 56, No. 4, 1990

41. Капустин A.A., Петрунин В.И., Севергин Ю.П. Ахроматичные магнитоптические системы с варьируемым углом поворота пучка заряженных частиц // ЖТФ №8,1989г. стр. 45-51

42. NovikovV.L., Ogorodnikov S.A., and PetruninV.I. Dual energy method of material recognition in high energy introscopy systems // Problems of atomic science and technology, 1999, Харьков, изд. ХФТИ, №4, p. 93-95.

43. См. также http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/e00/index.html)

44. См. также http://www.slac.stanford.edu/econf/C000821/proceedings.html)

45. Хермен Г. Восстановление изображений по проекциям. Основы реконструктивной томографии. Москва: Мир, 1983г.

46. Heimann CargoVision X-ray inspestion systems http://www.heimannsystems.com/http://www.heimannsystems.com/ALL/graphics/fiinctionb.gif

47. ARACOR CT Systems. The Eagle,™ A Mobile X-Ray Inspection Systemhttp://www.aracor.com/pages/products/ct.html67. http://www.as-e.com/technology/technology.html

48. Münker M., Schwarz J., Flor Т. High Resolution Computed Tomography on Large-Sized Objects// HAPEG, Germany. NDTnet 1998 Aug, Vol.3 No.8 http://www.ndt.net/abstract/ecndt98/422.htm70. http://www.xraylab.sp.ru.