液体检测方法和系统与流程

本发明涉及物质识别领域，更具体地涉及一种液体检测方法和系统。

背景技术：

在现有的辐射成像技术中，实现无损检测的一种主要手段是衍射成像技术，即利用不同分子结构的物质会产生不同的X射线衍射(X-Ray Diffraction，简称XRD)图谱这一原理，实现对液体物质的非侵入式检查。

技术实现要素：

本发明提供了一种液体检测方法和系统、以及用在液体检测系统中的前准直器和后准直器。

根据本发明实施例的液体检测方法，包括：通过旋转装有液体的容器使得来自相同的射线源的X射线扫描通过容器中的液体的一层或多层液面中的每层液面的整个区域，在该一层或多层液面上同时进行CT成像和XRD成像；以及根据CT图像和XRD图像生成针对容器中的液体的物质识别结果，其中，CT成像和XRD成像在相同或者不同的液面层进行。

根据本发明实施例的液体检测系统，包括：射线源，被配置为发射X射线；前准直器，设置在射线源的下游，被配置为从来自射线源的X射线形成用于CT成像的射线部分和用于XRD成像的射线部分；CT成像装置，被配置为利用用于CT成像的射线部分进行CT成像；XRD成像装置，被配置为利用用于XRD成像的射线部分进行XRD成像；承载装置，被配置为对装有液体的容器进行旋转，从而使得来自射线源的X射线扫描通过容器中的液体的一层或多层液面中的每层液面的整个区域，其中CT成像装置和XRD成像装置在该一层或多层液面上同时进行CT成像和 XRD成像，并且CT图像和XRD图像被用来生成针对容器中的液体的物质识别结果。

根据本发明实施例的用在液体检测系统中的后准直器，包括：位于中心位置的小孔；以及以该小孔为中心的多个圆弧缝隙，其中，多个圆弧缝隙的半径相同或者不同。

根据本发明实施例的用在液体检测系统中的前准直器，包括：形成用于CT成像的射线部分的CT细缝或者小孔；以及形成用于XRD成像的射线部分的XRD小孔，其中CT细缝或者小孔与XRD小孔位于同一平面内的同一条直线上、或者位于同一平面内的上下相距预定距离的不同直线上。

根据本发明实施例的液体检测方法和系统利用相同的射线源在在一层或多层液面上同时进行CT和XRD检测，从而可以快速且准确地确定液体包含的物质成分。

附图说明

从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明，其中：

图1是示出根据本发明实施例的液体检测方法的流程图；

图2是示出根据本发明实施例的液体检测系统的结构示意图；

图3是示出在图2所示的液体检测系统中使用的后准直器的示意图；

图4是示出利用图3所示的后准直器进行XRD检测的原理图；

图5是示出在图2所示的液体检测系统中使用的前准直器(即，在相同液面层进行XRD检测和CT检测时使用的前准直器)的示意图；

图6是示出利用图3所示的后准直器和图5所示的前准直器进行XRD检测的原理图；

图7是示出在两个不同液面层进行CT检测和XRD检测的原理图；

图8是示出在两个不同液面层进行XRD检测和CT检测时使用的前准直器的第一示例的示意图；

图9是示出利用图8所示的前准直器进行XRD检测的原理图；

图10是示出在两个不同液面层进行XRD检测和CT检测时使用的前准直器的第二示例的示意图；

图11是示出利用图10所示的前准直器进行XRD检测的原理图；

图12是示出在图2所示的液体检测系统中使用的XRD探测器的第一示例的示意图；

图13是示出在图2所示的液体检测系统中使用的XRD探测器的第二示例的示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本发明造成不必要的模糊。

对于液体安检技术而言，如何更好地识别液体物质中的违禁物品是其核心内容。现有的透视成像技术(例如，双能电子计算机断层扫描(CT)/多能CT)具有局限性，安检误报率很高。现有的XRD检测技术具有很高的物质识别能力，结合双能CT/能谱CT可以有效地提高检测准确率，但是依旧存在较多问题。

一方面，XRD信号较弱，检测效率比较低。在现有的XRD检测技术中，采用锥形散射结构的设计虽然可以有效提高信号强度，但是其基于逐点测量的方式需要探测器和射线源多个方向的相对运动才能扫描整个探测平面，探测效率较低。其他提高XRD检量效率的方式，都大大增加了射线源和探测器的使用量，前后准直器的设计、加工难度也很高，成本较高。目前，没有针对液体检测的高效率、高质量、低成本的小型XRD检测系统。

另一方面，在现有的液体安检技术中，为了提高检测准确率，可以将CT/双能CT/多能CT和XRD结合起来，采用多级检测的策略。这使得整个XRD检测系统操作复杂、效率降低并体积庞大，成本较高。

鉴于以上所述的液体检测技术中存在的一个或多个问题，本发明提供了一种新颖的液体检测方法和系统。这里，为了更准确地识别液体中含有的物质成分，将结合使用DR、CT、以及XRD技术。下面，结合附图，详细描述根据本发明实施例的液体检测方法和系统。

图1示出了根据本发明实施例的液体检测方法的流程图。如图1所示，该液体检测方法包括：S102，通过旋转装有液体的容器使得来自相同的射线源的X射线扫描通过容器中的液体的一层或多层液面中的每层液面的整个区域，在该一层或多层液面上同时进行CT成像和XRD成像；S104，根据CT图像和XRD图像生成针对液体的物质识别结果，其中CT成像和XRD成像可以在相同或者不同的液面层进行。在本实施例中，可以在CT成像和XRD成像之前进行DR成像从而根据DR图像来选择该一层或多层液面，也可以由用户根据需要指定该一层或多层液面(该一层或多层液面也被称为一个或多个液面层)。由于在该一个或多个液面层上进行CT检测和XRD检测，所以该一层或多层液面也被称为CT检测平面和/或XRD检测平面。

图2示出了根据本发明实施例的液体检测系统的结构示意图。如图2所示，该液体检测系统包括射线源202、探测器系统204、检测通道206、以及载物台208。其中，射线源202可以是单源，也可以是分布式射线源，设置在检测通道206的外围；探测器系统204与射线源202相对，设置在检测通道206的外围，包括CT探测器部分和XRD探测器部分；检测通道206在射线源202和探测器系统204中间；载物台208在检测通道206内，用于承载着物体在检测通道206内升降或旋转。

具体地，XRD探测器部分可用来接收透射光子以及散射光子，可以包括一个或多个XRD探测/后准直模块；CT探测器部分可以包括一个或多个CT探测器；射线源202的下游设置有前准直器；XRD探测/后准直模块包括XRD探测器和后准直器；后准直器设置在XRD探测器上游，以使 XRD探测器测量满足一定几何条件的X射线。

根据本发明实施例的液体检测系统可完成DR成像、XRD成像、以及CT/双能CT/能谱CT成像(为了简洁，下面将CT成像、双能CT成像、以及能谱CT成像统称为CT成像)，从而实现对液体所包含的物质成分的准确识别。具体地，当装有液体的容器被放置在载物台208后，载物台208承载着容器沿检测通道206下降，在此过程中完成DR成像。根据DR图像，自动选取例如中间液面层(或者，提示检测员手动选取感兴趣的一个液面层)，并调节载物台208升降从而将所选取的液面层调节到XRD/CT检测平面(在图2所示的实施例中，XRD检测平面和CT检测平面是同一个检测平面，即所选取的液面层)。射线源202发射X射线，同时探测器系统204接收数据，载物台208承载着容器旋转，完成对所选取的液面层的扫描，从而得到XRD图像和CT图像；综合XRD图像和CT图像，得出针对液体的物质识别结果。这里，可以使用CT探测器部分进行DR成像，根据DR图像得到液体的最高液面层，并且自动或者提示检测员手动选取例如，中间液面层用于后续的XRD检测和CT检测。

图3示出了在图2所示的液体检测系统中使用的后准直器的示意图。在任意一个XRD探测/后准直模块中，后准直器与XRD探测器的位置相对固定，对着某一条分布在XRD检测平面内的入射线。后准直器由具有X射线高屏蔽能力的材料(例如，钨)制成。如图3所示，后准直器主要分为两部分：细缝和小孔。位于中间的小孔对着透射线(和入射线共线)，透射线通过该孔进入XRD探测器用于测量透射能谱。以中间的小孔为圆心，一定距离为半径处有两部分的圆环。不同的半径对应不同的散射角，两部分圆环可对应同样或者不同的半径。两圆环细缝在靠近Y轴方向处断开，一方面原因是为了材料的连接，另一方面是为了避免来自相邻入射线的散射线的干扰。后准直器具有一定的厚度，足够屏蔽不需要的入射线，且使得XRD检测器具有足够的角度分辨率。

图4示出了利用图3所示的后准直器进行XRD检测的原理图(该图示出了笔束-锥面型XRD检测方式)。如图4所示，在前准直器的限制下，来自射线源的用于XRD检测的一条入射线形成一条笔束射线照射到 物体，并在散射中心处发生散射。以散射中心为顶点，预定散射角的散射线组成一个圆锥面，中轴线为入射线(透射线)，散射线分布在圆锥面表面(对应于圆锥面的母线)。XRD探测器在后准直器的限制下，测量对应圆锥面上的散射线以及透射线的能谱(后准直器开有细缝和小孔，允许透射线和预定散射角的散射线进入XRD探测器，其他射线将被屏蔽)。散射中心在射线源和XRD探测器中间某固定位置，受到散射角、后准直器、XRD探测器尺寸等限制。

这种笔束-锥面型XRD检测方式相比笔束-笔束型XRD检测方式(入射线和散射线均为一条笔束射线，两者相交，成一定的夹角)信号强度得到大幅度的增加。XRD探测器只需要两部分的输出：透射能谱和散射能谱。这里，XRD探测器可以将圆锥面上的散射信息叠加在一起输出，也可以将圆锥面上的不同母线处的散射能谱分别输出(此时，XRD探测器为像素级的能谱探测器)。

图5示出了在图2所示的液体检测系统中使用的前准直器(即，在相同液面层进行XRD检测和CT检测时使用的前准直器)的示意图。如图5所示，前准直器上对应于CT的细缝(或小孔)与对应于XRD的小孔处于同一直线上，与Y轴方向平行。虽然图5示出的对应于XRD的相邻小孔之间在Y方向的间距相等，但是它们之间在Y方向的间距也可以不相等。前准直器也是由具有X射线高屏蔽能力的材料制成，且具有足够的厚度屏蔽不需要的射线。

图6示出了利用图3所示的后准直器和图5所示的前准直器进行XRD检测的原理图。如图6所示，CT检测和XRD检测在同一检测平面进行(即，CT检测平面和XRD检测平面重合，在所选取的一个液面层进行CT检测和XRD检测)。在CT/XRD检测平面内，检测区域被分为了两部分：左边为CT检测区，采用半探测器测量方式进行CT检测；右边为XRD检测区，散射中心仅分布在右边。当装有液体的容器旋转后，两部分都可以得到完整的数据。

需要说明的是，虽然在图6所示的实施例中位于CT/XRD检测平面右边的XRD检测区内的多个散射中心分布在一条弧线上，但是实际上散射 中心也可以分布在一条穿过载物台的旋转中心的直线上，或者其他曲线上。这里，散射中心的具体位置取决于XRD探测/后准直模块、以及前准直器上的对应于XRD的小孔的几何位置、相对位置、以及尺寸。另外，相邻散射中心(即，测量点)可以是等距离的，也可以不是等距离的。

虽然图2-图6描述了在同一个检测平面进行XRD检测和CT检测(即，XRD检测和CT检测在所选取的液面层进行)的情况，但是实际上XRD检测和CT检测可以分别在根据DR图像选取的液面层上方和下方的两个液面层进行。考虑到液体的均一性，虽然XRD检测和CT检测在不同液面层进行，但是仍可以认为XRD检测和CT检测是针对同一物质的。XRD检测平面可以在CT检测平面上方或者下方或者上方下方都有。也就是说，可以有一个或多个CT检测平面、和/或一个或多个XRD检测平面。在CT检测和XRD检测在不同检测平面进行时，图3所示的后准直器的上下圆环在靠近Z轴的部分也可以断开，这样在CT检测平面与XRD检测平面距离较近时可以有效避免来自用于CT检测的入射线的散射干扰。

图7示出了在两个不同液面层进行CT检测和XRD检测的原理图。如图7所示，射线源发射的X射线在前准直器的限制下被分为两部分：在Z轴方向偏移的射线部分、和与X轴平行的射线部分。这里，与X轴平行的射线部分为用于CT检测的入射线，可以为平行束或者扇形束。在Z轴方向偏移的射线部分为用于XRD检测的入射线，可以包括复数条笔束射线(这些笔束射线可以形成平行束或者扇形束)。用于XRD检测的每条入射线对应一个XRD探测/后准直模块。在后准直器的限定下，XRD探测器可测量透射线以及固定散射角下的散射线能谱。从同一个散射中心以相同角度散射的散射线组成一个圆锥面，通过后准直器进入XRD探测器。

如图7所示，用于XRD检测的散射中心与用于CT检测的断层在Z方向上存在一定的距离。该距离可足够远，以保证用于XRD检测的散射线的延长线与用于CT检测的入射线(即，CT检测平面内的入射线)不相交(如图3所示)。该距离也可以相对较近，此时其延长线与用于CT检测的入射线相交的散射线将不被用于XRD检测。

如图7所示，X射线在Y方向扩展开，用于XDR检测的散射中心也 可沿着Y轴方向延伸开。载物台承载着装有液体的容器旋转，一方面可同时满足CT成像的需要；另一方面多个散射中心扫描通过整个液面层从而可以满足XRD成像的需要(即，可以得到整个液面层内各个点的XRD信息)。

图8示出了在两个不同液面层进行XRD检测和CT检测时使用的前准直器的第一示例的示意图。如图8所示，用于CT检测的入射线通过前准直器下方的细缝形成扇形束(在其他实施例中，也可以是若干小孔，配合分布式射线源形成平行束)。用于XRD检测的入射线通过前准直器上的小孔，形成笔束。小孔处于同一直线上，平行于Y轴方向，在Z方向距离下方的细缝一定的距离(h，此处可以认为是Z方向的高度差，也可以认为是相对射线源的张角)。相邻小孔之间在Y方向的间距相等(a，此处可认为是Y方向的横向距离，也可以是相对射线源的张角)。

图9示出了利用图8所示的前准直器进行XRD检测的原理图。这里，为了描述与作图的方便，使用于XRD的入射线平行于X-Y平面，即入射线平面与XRD检测平面重合。实际情况下，如图7所示，用于XRD的入射线与XRD检测平面(即，散射中心扫描过的平面)存在一定的夹角，散射中心正分布在入射线平面与检测平面的交线上。此处的基本原理、思想以及系统功能是一致的，图9的作图并不影响理解。在XRD检测平面内，在前准直器的限制下(前准直器在射线源和载物台之间，图中未示出)，用于XRD的入射线被分为若干条笔束射线，这些笔束射线组成一个扇面。在其他实施例中，也可以采用分布式射线源，此时笔束射线可形成平行束等其他形式。后准直器和相应的探测器组成后准直/探测模块，每个模块对应一条笔束射线，并且XRD探测器在后准直器的限定下测量一定角度的散射线(分布在圆锥面上)以及透射线。散射中心分布在探测区域(载物台上方的液面上，平行于X-Y平面)中，在射线源和探测器之间。

如图9所示，散射中心分布在一条经过探测区域中心的弧线上。后准直/探测模块仅需要跟在每一条入射线后方一定距离处即可，距离与后准直器开缝半径大小、散射角选择等有关。

载物台承载着装有液体的容器旋转(沿着图中弧形箭头所示方向或反方向)，这样如图9中虚线圆所示，散射中心扫过整个液面层，获得该液面层内各像素的XRD信息。同时测得的每一时刻每条透射线的能谱，可用于XRD图像的能谱校正。

图10示出了在两个不同液面层进行XRD检测和CT检测时使用的前准直器的第二示例的示意图。如图10所示的前准直器的其他结构同图8所示和说明，并且它们之间的不同仅在于：在XRD对应的小孔处，左边和右边都是等距离的小孔，而左边相对右边有一定的偏移(如图中中间两孔的距离为b，而非a，此处b可以为a的1.5倍)，使得散射中心扫描轨迹错开，提高了XRD检测的空间分辨率。

图11示出利用图10所示的前准直器进行XRD检测的原理图。如图11所示，中心线将XRD检测平面分为两部分：左边和右边。在右半区，散射中心等距离(或对应射线源等角)分布，当物体旋转的过程中，在检测平面内形成如图虚线所示的检测轨迹。在左半区，散射中心也是等距离(或对应射线源等角)分布，间距和右边一样，但是在中间相邻右边散射中心处产生一个偏移，使得左边散射中心的检测轨迹同右边的检测轨迹错开，如图中的实线圆圈所示。这种设计可缩小XRD检测平面内的采样间隔，使空间分辨率提高。

图12和图13分别示出了在图2所示的液体检测系统中使用的XRD探测器的第一示例和第二示例的示意图。在图12所示的示例中，XRD探测器被分为两部分，中间的圆形区域为透射探测器单元，用于测量透射线的能谱，具体单元形状可以不为圆形。透射探测器单元可以是单像素，也可以分为多个像素。散射探测器单元在透射探测器单元的外圈，在图12所示的实施例中，透射探测器单元被分为多个像素，分别输出以不同方向散射的散射线能谱。在图13所示的示例中，透射探测器单元同图12，而散射探测器单元为一整个像素，所有的散射线能谱加和后输出。

这里，充分利用液体的均一性质，通过DR照射选择感兴趣的液面层并对所选择的液面层进行XRD检测和CT检测。XRD检测和CT检测共用一套射线源，通过物体的旋转，同时完成对所选择的液面层的扫描。结合 XRD图像和CT图像来准确识别液体所包含的物质成分，从而对液体进行安全检查。CT检测和DR检测可用同一套射线源和探测器。XRD和CT、DR共用同一套射线源，同时扫描，相比多级液体检测系统，减少了射线源的用量和系统体积。另外，根据本发明实施例的液体检测系统中的CT检测和XRD检测均仅需一列(若干个)探测器单元，相比面阵列的探测器大大减少了探测器的用量，降低了成本。XRD检测所采用的笔束-锥面测量模式大大提高了信号的强度，物体旋转扫描的方式也使得该方法可以简单的完成整个液面的测量，同CT扫描一同完成，节省了整个液体检测系统的测量时间。

但是，需要明确，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神之后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。

以上所述的液面层的选择、利用探测器得到的DR信息、CT信息、和XRD信息进行DR成像、CT成像、和XRD成像的处理、以及根据CT图像和XRD图像生成物质识别结果的处理可以由图中未示出的功能模块实现。这里，这些功能模块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。

本发明可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本 发明的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明的范围之中。