多能区信号处理装置及多能区辐射探测系统和方法与流程

本申请涉及辐射成像领域，具体地，涉及一种多能区信号处理装置及多能区辐射探测系统和方法。

背景技术：

利用x射线成像技术的成像检测装置，已为人们所知，例如在地铁、机场和汽车站利用此装置对乘客的个人行李包等物件进行检测，查看是否有诸如放射源、爆炸物、毒品等非法运输的物品。当前人类受恐怖组织的威胁比较严峻，因此在成像检测装置中物质识别能力的准确性十分重要。

近年来，随着半导体技术的发展，室温半导体探测器被应用于在许多领域，例如，核物理、x射线探测、γ射线探测、天文探测、环境监测、医学成像等领域。具体地，碲锌镉(cdznte，简写为czt)由于具有较好的能量分辨率、较高的探测效率以及能在室温下工作的优点，而被认为是最有潜力的辐射探测材料。

与积分型和间接型辐射探测器相比，采用czt半导体探测器的光子计数成像具有较高的探测效率、较高的信噪比和较高的能量分辨率，因此，可以实现多能区的图像显示且可以通过多能区信息实现物质识别。目前已经提出了多能区的成像检测装置，不同的能区划分可以应用到图像显示中和物质识别中。具体地，能区的划分方式可以包括等能区划分、精细能区划分、优化的能区划分等。

传统的多能区辐射探测系统的一种实现方式如图1所示。具体地，在图1所示的多能区辐射探测系统中，采用将阈值器和计数器相结合的方法。当作为探测对象的射线与探测器相互作用后，产生电子和空穴，在电场的作用下，分别在阳极和阴极产生信号。该信号经过放大和滤波成形后被传送至由多个阈值器和多个计数器构成的探测通路。具体地，如果该信号的幅度大于阈值器设置的阈值，则计数器加1。因此，可以通过设置不同的阈值，来获得对应能区的计数值。也就是说，通过增加阈值器和计数器的个数能够得到更多能区的计数值。然而，此方法的不足之处在于asic设计复杂，阈值器与计数器的组合不仅带来更多的功耗，而且会增加系统的噪声，因此，实际上无法实现探测较多能区的辐射探测系统。

为了实现较多能区的探测，人们开发了例如图2所示的辐射探测系统。这种方法通过向单个通路添加adc或令多通路复用一个adc来实现多能区探测。具体地，在图2所示的系统中，探测信号在经过预处理之后被传送至模数转换器(adc)，且经过adc处理后，被传送至fpga以便使之到达电脑，其中所述预处理包括对探测信号的前置放大和滤波成形等处理。由于该方案采用了adc，因此能够实现较多的能区，且其能量分辨率与adc的精度有关。应注意，图2仅示出了传统多能区辐射探测系统的单个通路，且辐射探测系统可以包括多个通路。应注意，尽管此方法原理简单，但是实际实施的过程中问题较多。具体地，在辐射探测系统中，往往由于通道数较多，需要较多的adc；且由于信号的速度较快，对adc的速度要求也比较高，从而导致辐射探测系统的成本往往较高。此外，在电路设计中，由于加入众多的adc，fpga就需要更多的端口，这不仅增加了系统整体的功耗，在实际电路设计中也较为复杂，带来的不确定性也比较大，因此实际应用性较差。

因此，需要一种多能区信号处理装置及多能区辐射探测系统和方法，所述多能区处理装置可以将模拟和数字分开，提高系统的能量分辨率，并使设计简单化。

技术实现要素：

为了至少解决上述问题中的至少一个，本发明提供了一种多能区信号处理装置及多能区辐射探测系统和方法，所述多能区处理装置可以将模拟和数字分开，提高系统的能量分辨率，并使设计简单化。

根据本发明的一个方面，提供了一种多能区信号处理装置，所述多能区信号处理装置可以包括：第一处理模块，配置为接收来自探测器的信号，并对接收到的信号进行处理以产生门控信号，其中门控信号的开启时段表示接收到的信号的幅度；以及第二处理模块，配置为从第一处理模块接收门控信号，根据门控信号的开启时段确定所述信号所属的能区，以针对多个能区中的每一个计算该能区中的信号数目。

优选地，所述第一处理模块可以包括：寻峰单元，配置为寻找所述信号的峰值点；衰减单元，配置为根据预定衰减方案，从所述峰值点开始对所述信号执行衰减；以及门控信号产生单元，配置为根据衰减后的信号以及预定阈值，产生门控信号，其中所述门控信号自所述信号的幅度达到峰值点时开启且到所述信号被衰减至预定阈值时关闭。

优选地，所述第一处理模块可以实现为专用集成电路asic。

优选地，所述第二处理模块可以包括：时钟单元，配置为产生时钟信号；计数器单元，配置为从第一处理模块接收门控信号，并在门控信号的开启时段内按照所述时钟信号的时钟频率进行计数，其中计数器的计数值确定所述信号所属的能区；以及多个能区寄存器单元，分别对应于多个能区且与计数器单元相连，并配置为根据计数器的计数值，令在所述多个能区寄存器单元中的与所确定的能区相对应的能区寄存器单元的寄存值加1。

优选地，所述第二处理模块可以被实现为现场可编程门阵列fpga。

优选地，所述预定衰减方案可以包括根据指定线性度对所述信号进行线性衰减。

优选地，所述预定衰减方案可以包括对所述信号进行指数衰减，且所述门控信号产生单元还配置为对所产生的门控信号进行修正。

优选地，所述第一处理模块还可以包括放大单元和/或滤波成形单元。

根据本发明的另一方面，提供了一种多能区辐射探测系统，所述系统可以包括：探测器，配置为接收透过探测对象的射线并产生信号；以及多能区信号处理装置，其中所述多能区信号处理装置包括：第一处理模块，配置为接收来自探测器的信号，并对接收到的信号进行处理以产生门控信号，其中门控信号的开启时段表示接收到的信号的幅度；以及第二处理模块，配置为从第一处理模块接收门控信号，根据门控信号的开启时段确定所述信号所属的能区，以针对多个能区中的每一个计算该能区中的信号数目。

根据本发明的另一方面，提供了一种多能区辐射探测方法，所述方法可以包括：接收信号；对接收到的信号进行处理以产生门控信号，其中门控信号的开启时段表示接收到的信号的幅度；以及根据门控信号的开启时段确定所述信号所属的能区，以针对多个能区中的每一个计算该能区中的信号数目。

附图说明

以下结合附图，将更清楚本发明的示例实施例的上述和其它方面、特征以及优点，附图中：

图1示出了传统的多能区辐射探测系统的一种实现方式；

图2示出了传统的多能区辐射探测系统的另一实现方式；

图3示出了根据本发明示例性实施例的多能区辐射探测系统的结构图；

图4示出了根据本发明示例性实施例的多能区信号处理装置的详细结构图；以及

图5示出了根据本发明示例性实施例的多能区辐射探测系统的波形图。

具体实施方式

以下参考附图描述了本发明的示例实施。本发明提供了一种多能区信号处理装置及多能区辐射探测系统和方法，所述多能区信号处理装置可以将模拟和数字分开，提高系统的能量分辨率，并使设计简单化。

应清楚，尽管在以下描述中采用了能够在温室下工作且具有较高的能量分辨率和探测效率的czt探测器，然而本发明不限于czt探测器，且可以采用其他探测器，例如cdmnte(cadmiummanganesetelluride)、hgi2(mercuriciodide)、tlbr(thalliumbromide)、pbi2(leadiodide)、gaas(galliumarsenide)、ge(germanium)等探测器。

此外，应注意，尽管本发明的实施例中基于物体识别系统来实现多能区，然而本发明不限于此，可以将本发明的构思应用到工业ct(computedtomography)、医学成像、牙科ct等设备领域中。

因此，本发明在于提供一种多能区信号处理装置及多能区辐射探测系统和方法，所述多能区信号处理装置可以将模拟和数字分开，提高系统的能量分辨率，并使设计简单化。

具体地，图3示出了根据本发明示例性实施例的多能区辐射探测系统的结构图。如图3所示，根据本发明示例性实施例的多能区辐射探测系统包括探测器10和多能区信号处理装置30，其中所述探测器10可以配置为接收透过探测对象的射线并产生信号，且所述多能区信号处理装置30可以包括第一处理模块310和第二处理模块320。更具体地，所述第一处理模块310可以配置为接收来自探测器的信号，并对接收到的信号进行处理以产生门控信号，其中门控信号的开启时段表示接收到的信号的幅度，例如，可以将第一处理模块310实现为asic模块。所述第二处理模块320可以配置为从第一处理模块接收门控信号，根据门控信号的开启时段确定所述信号所属的能区，以针对多个能区中的每一个计算该能区中的信号数目，例如，可以将所述第二处理模块320实现为fpga模块。本领域技术人员应认识到，尽管下文以asic模块作为第一处理模块310并以fpga模块作为第二处理模块320示例性地描述了本发明的示例实施例，然而本发明不限于此，第一处理模块310和第二处理模块320还可以被实现为其他现有的或将来可能研发的处理模块。

根据本发明的示例性实施例，通过采用asic与fpga的组合结构来实现多能区辐射探测。在所示结构中，采用了新的asic设计结构，能够降低asic的设计难度，通过简单的电路结构就能够实现多能区辐射探测系统。具体地，将来自czt10的探测信号传送至asic模块310，其中所述asic模块310配置为接收探测信号并对接收到的信号进行处理以产生门控信号，所述处理可以包括对信号的放大、滤波成形、寻峰、线性衰减以及生成门控信号。此外，所产生的门控信号的开启时段表示接收到的信号的幅度。随后，将经过asic模块310处理过的信号传送至fpga模块320，其中fpga模块320配置为根据门控信号的开启时段确定与接收到的信号相对应的能区，以便针对多个能区中的每一个计算该能区中的信号数目。在对整个系统的设计中，确保第一处理模块310内不存在数字信号且在第二处理模块320中完成数字部分的处理，因此，避免了由于引入时钟、计数器反转等数字部件引起的额外噪声。

下面将参考图4来描述根据本发明示例性实施例的多能区信号处理装置的详细结构图。具体地，如图4所示，根据本发明示例实施例的多能区信号处理装置包括第一处理模块410和第二处理模块420。已参考图3描述了第一处理模块和第二处理模块的功能，在此将不再进行赘述。下文将参考图4描述根据本发明的多能区信号处理装置的一种实施例。

具体地，在图4所示的实施例中，单个通路内的第一处理模块410可以包括寻峰单元411，配置为对从探测器接收到的信号执行寻峰处理，以便寻找峰值点；衰减单元412，配置为根据预定衰减方案和寻峰处理的结果，从所述峰值点开始对所述信号执行衰减；以及门控信号产生单元413，配置为根据衰减后的信号以及预定阈值，产生门控信号，其中所述门控信号自所述信号的幅度达到峰值点时开启且到所述信号被衰减至预定阈值时关闭。备选地，所述门控信号的开启时段与从探测器接收到的探测信号成正比。另外，所述第一处理模块410还可以包括预处理模块414，其中所述预处理模块414可以对接收到的探测信号进行例如放大和滤波成形等的预处理，即，预处理模块414可以包括放大单元和/或滤波成形单元。此外，预定衰减方案可以包括根据指定线性度对所述信号进行线性衰减以及对所述信号进行指数衰减。当预定衰减方案为指数衰减时，所述门控信号产生单元413还配置为对所产生的门控信号进行修正，使得门控信号的开启时段与信号幅度成正比。

此外，根据本示例性实施例，所述第二处理模块420可以包括：时钟单元421，配置为产生时钟信号；计数器单元422，配置为从第一处理模块410接收门控信号，并在门控信号的开启时段内按照所述时钟信号的时钟频率进行计数，以及根据计数结果来确定所述信号所属的能区；以及多个能区寄存器单元423，与计数器单元422相连，并配置为根据计数器的计数值，令在所述多个能区寄存器单元中的与所确定的能区相对应的能区寄存器单元的寄存值加1，从而实现针对多个能区的每一个计算该能区中的信号数目。最终，存储计数结果并将该结果输出给用户。在一个实施例中，相应能区寄存器的计数值即为该能区的计数值，且能区的个数与能区寄存器的个数相同。在采用线性衰减方案的实施例中，门控信号的开启时段与信号的幅度成正比，且系统的分辨率与时钟的频率成正比。此外，在该情况下，可将系统能区个数n计算如下：

n＝t*f，

其中f表示时钟频率；t表示最大值信号的衰减时间。也就是说，当最大值信号的衰减时间为t为500ns，且时钟频率为f为100m时，能区数目n为50。

以上参考图4示出了根据本发明的多能区信号处理装置的一种具体实施例。然而应理解，根据本发明的多能区信号处理装置不限于上述实现方案，第一处理模块和第二处理模块可以实现为其他方式，只要所述第一处理模块可以根据接收到的信号产生门控信号，其中门控信号的开启时段表示接收到的信号的幅度，且第二处理模块可以根据所产生的门控信号的开启时段确定从探测对象透射的信号所属的能区，以针对多个能区中的每一个计算该能区中的信号数目。

下面将参考图5来描述根据本发明示例实施例的多能区辐射探测方法的原理。图5通过采用线性衰减方案示例性地示出了多能区辐射探测系统的信号波形图。

具体地，假设多能区信号处理装置的第一处理模块被实现为asic模块，且第二处理模块被实现为fpga模块，下图中列出了单个通路多能区的实现原理。图5a为asic中信号的脉冲波形图；图5b为当脉冲到达峰值后，信号按照指定的线性度进行衰减后的波形图；图5c表示针对上述探测信号产生的门控信号，其中当信号到达峰值后，门控信号的开启，在峰值信号衰减到设定阈值时门控信号关闭；以及图5d表示在门控信号开启时段中计数器按照时钟频率进行计数，其中计数值即为能区值。响应于计数器结束在门控信号开启时段内的计数，即，当结束本次计数或确定了所述信号所属的能区时，根据计数器的计数值，令在所述多个能区寄存器单元中的与所确定的能区相对应的能区寄存器单元的寄存值加1。

因此，在该示例实施例中，通过第一处理模块实现幅度到时间的转换，随后经由第二处理模块得到不同能区内的信号数目。辐射信号经过探测器转换后被电路的放大成形，asic采到峰值信号后，开启门控信号，同时峰值信号按照线性衰减，当低于设定阈值时，关闭门控信号。在门控信号开启的时间内，计数器按照时钟频率开始计数，在门控信号时间内计数值即为能区数，此时对应的能区计数值加1，实现多能区计数。通过采用上述方案，能够在简化asic设计难度的同时减少了系统对元器件的过多需求，在设计pcb电路的时候也比较容易，也提高了系统信噪比。

以上方案仅是示出本发明构思的一个具体实现方案，本发明不限于上述实现方案。可以省略或跳过上述实现方案中的一部分处理，而不脱离本发明的精神和范围。

前面的方法可以通过多种计算机装置以可执的程序命令形式实现并记录在计算机可读记录介质中。在这种情况下，计算机可读记录介质可以包括单独的程序命令、数据文件、数据结构或其组合。同时，记录在记录介质中的程序命令可以专门设计或配置用于本发明，或是计算机软件领域的技术人员已知应用的。计算机可读记录介质包括例如硬盘、软盘或磁带等磁性介质、例如压缩盘只读存储器(cd-rom)或数字通用盘(dvd)等光学介质、例如光磁软盘的磁光介质以及例如存储和执行程序命令的rom、ram、闪存等硬件装置。此外，程序命令包括编译器形成的机器语言代码和计算机通过使用解释程序可执行的高级语言。前面的硬件装置可以配置成作为至少一个软件模块操作以执行本发明的操作，并且逆向操作也是一样的。

尽管以特定顺序示出并描述了本文方法的操作，然而可以改变每个方法的操作的顺序，使得可以以相反顺序执行特定操作或使得可以至少部分地与其它操作同时来执行特定操作。此外，本发明不限于上述示例实施例，它可以在不脱离本公开的精神和范围的前提下，包括一个或多个其他部件或操作，或省略一个或多个其他部件或操作。

以上已经结合本发明的优选实施例示出了本发明，但是本领域的技术人员将会理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改、替换和改变。因此，本发明不应由上述实施例来限定，而应由所附权利要求及其等价物来限定。