一种利用吸收式μ介子放射线照相法检测和定位结构的方法与流程

本发明涉及一种μ介子放射线照相方法，特别是一种适用于探测地质结构或空腔中的结构的介子放射线照相方法，亦或者，涉及一种用于探测分散在大量具有不同特性的另一种材料中的物体，能够从探测点处测量该物体的大小和距离的方法。

背景技术：

介子吸收x射线是一种成像技术，其研究是基于分析宇宙射线中自然介子流在穿过物体后的衰减。目前在火山学领域，大气μ介子在成像中的应用已经成熟，其中该技术通常用于绘制火山的内部结构。地球大气层中不断产生μ介子，主要来自由初级宇宙射线与氮或氧原子核相互作用产生的π介子和k介子的衰变。作为极具穿透性的粒子，μ介子容易地到达地球表面，并且当它们穿过数百米的岩石时会被吸收到不同程度。通过测量吸收程度，可以重建不同特性材料的密度分布。

火山学中的一种典型场景是采用一平方米的探测器镜头，其放置在火山的一侧，大致水平地面向火山锥。由于所涉及的距离远远大于探测器镜头的尺寸，因此完全可以将探测器镜头视为一个点，其在视场中提供由测量μ介子吸收情况获取的二维图。

目前，虽然μ介子放射成像在火山学领域已经成熟，通常用于火山锥的最内层结构的成像，但其在其他学科(例如考古学)中的应用前景也正在研究中。火山学中μ介子射线照相技术与其在其他领域的应用之间的重要区别通常在于与所检测的对象的结构的典型距离和尺寸有关。

如前所述，在涉及火山学的应用中，至少就火山锥的大小和距离而言，通常可以将检测用的探测器镜头视为点对象。因此，只有显示出来的μ介子的运动轨迹包含有关火山成像的有用信息，而在第一次近似中，μ介子对探测器镜头的撞击点不起重要作用。如果探测器镜头入口区域的尺寸大约为1平方米，则该近似值就为图像的分辨率引入了1平方米数量级的不确定性，相对于火山的大小和基于探测器镜头特性重建的图像分辨率，这个不确定通常可以忽略不计。由于角分辨率约为10mrad，因此利用电流测量系统获得的空间分辨率最多大约为20m。然而，这种把探测器镜头视为点探测器镜头，在相近的其他领域并不适合，考古学当中便是如此。事实上，在考古学中，一个典型的案例研究可能涉及识别1米大小的物体，该物体位于地下几米处并距探测器镜头10米处。通过观察撞击探测器镜头的μ介子并考虑那些穿过被探测物体的特定点的μ介子，可以看出，天顶角和它们的运动方向的差异可能远大于探测器镜头的角分辨率。相反，在不同点穿过物体的μ介子可以以相同的角度到达探测器镜头。因此，仅使用所计算的μ介子运动轨迹的角度信息将导致重建图像的比较模糊，原因在于探测器镜头的尺度量级的不确定性，其通常远大于由探测器镜头的角分辨率决定的空间分辨率，可以达到是10厘米到10米的尺度量级。

在考古、采矿以及地球物理勘探等其他领域，往往需要提前确定挖掘工作是否有必要。因此，能够指示从何处开始大规模挖掘的成像工具，可以节约很多事情。在这些领域中，可以应用断层成像摄影技术，例如电阻率断层摄影术，地质雷达或多散射断层摄影术。然而，这些技术存在一些缺点。例如，gpr技术是最常用的技术之一，但是它由于需要到达目标物的整个表面，但是该表面又由于许多原因而无法进入，例如由于植被的存在，或高水平的土壤湿度，因此，gpr并不总是切实可行的。另一方面，多次散射断层扫描需要同时使用两个独立的探测器镜头，并且仅用于探测两个探测器镜头之间的物体，因此，只能检测体积相对较小的物体。

因此，目前需要一种测量方法，使其用于被包裹在大量其他物质中的物体的检测、定位以及几何重建，尤其是隐藏的腔体类物质或重物，同时还具有更高的精度。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述的缺陷，其提供一种μ介子放射成像法，用于探测由特定密度的特定性质的结构的存在，其中该结构存在于大数量的密度显著不同折其他材料或媒介当中。该结构可以是物体或腔体。

本发明的另一个目的是提供一种用于测量到检测点的尺寸和距离以及以特定密度为特征的结构的图像的重建方法，该结构置于大量的具有不同的密度的物体或媒介之间。

本发明提供了一种用于检测具有第一密度并被具有不同于第一密度的第二密度的介质包围的结构的方法，其中提供了处理器和探测器镜头，为检测和跟踪通过预定体积的μ介子的装置，所述方法包括以下步骤：

(1)将探测器镜头放在中间的预定位置，使用探测器镜头获取在预定时间间隔内通过所述预定体积的μ介子，由处理器对检测到的μ介子的运动轨迹进行重建，以获得检测到的μ介子的第一组轨迹；

(2)生成假设预定体积内不存在相关结构的模拟情况，其中处理器模拟在所述预定时间间隔中通过所述预定体积的μ介子，在假设将探测器镜头放置在所述预定位置的情况下，获得模拟情况下μ介子运动轨迹的重建，以获得模拟的μ介子的第二组轨迹；

(3)通过处理器将第一组轨迹和第二组轨迹表示在预定数量的、每个与探测器镜头相距预定距离的平面上，确定第一组轨迹和第二组轨迹与所述平面的交点，分别在每个所述平面上表示μ介子真实分布情况和模拟分布情况，从每个表面的真实分布情况中减去模拟分布情况，反之亦然，以提供差值的映射，该差值表示在距探测器镜头的每个预定距离处真实分布情况与模拟分布情况的偏差，在考虑所有所述平面的情况下识别所述差值的映射区域，其中所述差值与预定参考值不同，并识别映射区域的边界以获得信号区域；

(4)确定函数λ(x)，其描述相对于探测器镜头的中心对准信号区域的角度幅度，其中x是后投影表面和探测器镜头的中心之间的距离，通过确定函数λ(x)的相对最小值来识别结构与探测器镜头的中心之间的距离d，在所述距离d处生成所述信号区域的重建图像，计算通过信号区域的结构的大小和形状。

特别地，步骤(3)中涉及对于每个平面构造二维直方图，其中每个类具有等于所包含事件的数量的值。

换句话说，本发明提供了一种μ介子放射线照相法，其中提供了一个探测器镜头来跟踪μ介子的运动轨迹并利用完全重建的μ介子运动轨迹的后投影来展示不易观察到的地下结构。在该技术中，考虑事件或图的二维分布，其从进入探测器镜头的μ介子的重建几何轨迹的交叉点获得，垂直平面与探测器镜头的距离不同或者以探测器镜头中心为中心的球面。基本思想是将用测量的二维地图与用均匀地形假设得到的模拟地图进行比较，该假设出的模拟地图中不存在地下或隐藏结构，通过减去两个地图然后寻找比统计波动幅度更大的任何凸起或偏差来获得该比较结果。

凸起可能是由于未知结构的密度大于或小于围绕它们的介质，介质可以是地面或岩石，并且对应于所需信号。

凸起的幅度不仅取决于结构的尺寸，关键地还取决于探测器镜头距离后投影表面的距离。相对于探测器镜头中心所针对的角度，基于测量的幅度和投影表面距探测器镜头的距离计算，当投影表面在某一点穿过隐藏结构时具有最小值，这取决于形状和结构本身的方向。因此，该方法利用一种聚焦算法，可以估计出所识别结构的位置。

优选的，本发明的方法能够使用由安装在一固定位置的探测器镜头检测的一组μ介子迹线来估计结构的尺寸，以及结构本身与探测器镜头的实际距离。

本发明的方法不仅可以应用于考古领域，还可应用在地球物理调查、土木工程等方面，从而节约成本。事实上，本发明所提出的方法可以应用于诸多领域，其目的是寻找以一定密度为特征的结构，这些结构被放置在具有不同平均密度的结构中。

优选的，该方法适用于检测介质中的物体和空腔。

附图说明

图1为本发明的第一实施例的情况一的原理图。

图2为本发明的第一实施例的情况二的原理图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参照图1和2，下面将结合附图具体描述本发明的第一实施例的两个例子。

参考图1，在第一实例的第一种情况中，立方体11被认为具有长度l的边，表示结构，其可以是所需要测量的物体或空腔，例如被土壤包围的埋藏立方体空腔。为了简单起见，立方体的中心沿x轴的方向设置，x轴垂直于探测器镜头的前面10。沿着x轴从前面10到立方体11的距离用附图标记d表示。为简单起见，前面10表示为直线，具有长度lr并且位于轴线z上，轴线z垂直于轴线x。未示出的x轴，z轴和另外的y轴限定了具有由箭头指示的正方向的笛卡尔坐标系。

本发明中，所描述的坐标建立方式之外的任何方式都是可以的。

例如，本发明中的探测器镜头可以定位在立方体的水平面下方，以便在天顶角减小时使μ介子流增加而便于测量。

然而，图1中所示的几何结构配置方式使本文使用的公式的得以进行特定的简化。

由于立方体11的存在仅影响穿过其体积的μ介子，因此较为地容易验证仅观察到与预期相比流动强度变化的迹线是哪些撞击探测器镜头并位于直线r1，r2，r3和r4内的迹线。考虑到二维方式的表示，所述直线由前面10的两个端部7,8和立方体11的面12的两个端部13,14限定，该两个端部靠近并平行于前面10，其中第一个13和第二个14端分别在前面10的第一端8的近和远处。

在本实施例中，直线r1穿过正面10的第一端8和面12的第一端13，直线r2穿过正面10的第一端8和面12的第二端14，直线r3穿过正面10的第二端7和面12的第一端13，直线r4穿过正面10的第二端7和面12的第二端14。所以，代替地面的空腔的存在通过来自从这些线界定的信号的限定区域的μ介子迹线的数量的增加来表示。超过均匀地面的μ介子迹线的数量就是要测量的信号。考虑穿过面12并平行于z轴的线，探测器镜头右侧的所有空间(x>0)可以分成两个区域，以识别信号区域的界限由不同的直线对划定：在区域1中，即前面10附近的区域，极限由直线r1和r4限定，而在远离正面10的区域中，极限由直线r2和r3限定。考虑到与其垂直的线，即与z轴平行的线，以及由这些线与信号区域的交点定义的线段，这些线段之一的长度对应于给定线圈中信号区域的宽度w(x)沿x轴的位置。角度λ，表示相对于探测器镜头中心，距离探测器镜头中心一定距离的重建图像所对应的角度，被确定为信号区域的空间区域，其中，缺少或超出在实际情况下相对于模拟情况的迹线，就可以认定存在相关的结构或空腔。

本发明的方法中，也可以选择除其中心之外的探测器镜头点。如果考虑相对于探测器镜头的中心6对着这些区段的角度λ，则该角度取决于沿着所选区段的x轴的位置，即函数λ＝λ(x)成立。具体的，角度λ减小，而选定的垂直线，例如图1中的直线20，从探测器镜头朝向物体移动，在物体的前面达到最小值，针对x＝d-(l/2)，随着向右移动而增加。该角度λ(x)可以定义为信号区域的角度幅度。

本发明中，首先通过确定函数λ＝λ(x)的相对最小值来识别物体的精确位置。由μ介子迹线过量或缺少引起的信号可以通过在平面(例如平行于yz平面的垂直平面或者与探测器镜头的纵轴垂直的平面)上距离探测器镜头为x处检测到的μ介子的后投影来测量，然后通过减法比较所得到的撞击点的分布的二维图与预期撞击点的分布。这种预期分布是从在均匀土壤成分假设中进行的真实模拟中获得的，并且尽可能接近所考虑的配置以再现所有相关的物理参数，即为每个表面构建二维直方图，其中每个类具有同样多的到包含的影响点的数量。

因此，可以粗略计算出距离x处的信号的幅度，并且通过简单的三角法确定其相对于探测器镜头的中心的角度幅度λ(x)或距离x处的λ值。函数λ(x)的重建可以通过重复与从探测器镜头到后投影平面的距离x变化相同的过程来完成。

具体的，由于需要考虑到所述的探测器镜头尺寸与物体本身的尺寸，本发明的方法允许重建物体的尺寸。简便起见，探测器镜头的不同部分从不同的角度观察物体，这就可以对物体进行一种三维重建。从这个角度来看，使用大型探测器镜头也可以提高性能。为了求解信号区域的角度幅度λ(x)的表达式，建议如下定义线路r1，r2，r3，r4的等式：

其中z1，z2，z3，z4是分别表示r1，r2，r3，r4处的点的变量x的某个值的z坐标。

使用线路r1，r2，r3，r4的方程，可以分别为区域1和区域2求得沿z轴的信号区域的宽度w(x)，或者线r1和线r1之间的距离，或者区域1的r4和区域2的直线r2和r3。

特别地，区域1的信号幅度用w1(x)表示，区域2的信号幅度用w2(x)表示，各个方程式如下：

现在可以通过以下等式将信号区域的角度幅度λ(x)表示为信号区域的宽度w(x)的函数：

其中，dr是沿x轴在探测器镜头的前面10和后面10'之间的距离。为简单起见，后表面10'也表示为平行于前表面10的线。

表示λ(x)的导数用λ′(x)表示，表达式如下：

如果在距探测器镜头一定距离内存在物体，则可以通过进一步计算找到最小值，特别是具有物理意义的最小值。

更详细地说，该最小值位于过渡区域中的x值，在区域1和区域2之间用数字标号15的虚线表示，从而给出关于位置对象的精确信息。

因此，函数λ(x)的最小值可用于测量探测器镜头与埋藏的物体之间的距离。只需测得了该距离，就可以构建一个后投影的信号图，位于待检测对象所应位于的精确距离外的平面上。

有利地，该距离可以通过单次测量来测量，甚至可以通过探测器镜头的单次放置来测量。

对多余轨道的空间分布的分析将提供关于对象大小的精确信息。

参考图2，在第一实施例的第二种情况中，考虑沿着探测器镜头的轴放置的对象的更一般的情况。本领域技术人员可以理解，前一个例子中讨论的例子仍然有效。

如图2所示，由于包围投影图像的线在具有不同x坐标的两个点处相交，其定义了三个不同的空间区域。此外，x的值很明显存在一个范围，其长度等于立方体的边(即根据图2，dx-l/2＜x＜dx+l/2，其中dx是x坐标，立方体的中心)，其中函数λ(x)在其最小值附近近似恒定。

第二实施例，提供了一种不同的方法，可产生类似的结果，并且包括为每个二维图定义类的幅度，该幅度随着探测器镜头距后投影平面的距离d线性增加。因此，对应于信号区域的角度幅度λ(x)可以用宽度w1或w2与类的幅度之间的比率来近似。这种近似在物体沿探测器镜头轴放置并且其尺寸远小于其距探测器镜头的距离的情况下是有效的。

第三实施例，可以使用固定的角度幅度等级。考虑以探测器镜头中心为球心的球体并将其划分为角度扇区更为方便。撞击探测器镜头的μ介子被后投射到给定半径的球体。从球体上的交叉点的位置，计算相关的球面坐标和填充的角度扇区。

如上所述，可以使用二维角度图来研究交叉点的角度分布，一个是测量的，另一个是模拟的，然后通过差异进行比较。由于存在掩埋物体而导致的信号峰值的宽度可以作为用于后投影的球面的半径的函数来追踪。如果球体的半径具有与探测器镜头和物体的假设位置之间的距离大致相同的值，则所得函数具有最小值。因此，一旦获得了不同半径的球体的交叉点的二维分布，具有角度振幅函数的简单相关程序，可以估算出“真实”距离并因此估算出探测器镜头所看到的结构的角宽度。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。