一种γ放射源增强现实方法及系统与流程

本发明涉及核技术领域，尤其是一种γ放射源增强现实方法及系统。

背景技术：

随着核能技术的不断发展，核能作为可持续发展清洁能源的重要组成部分，由于核能裂变释放的能量巨大，核能反应过程无空气污染物产生，已逐步用于发电、潜艇等领域。但是，核能也存在巨大的风险，如放射辐射、放射性废料处理等，给社会带来经济利益的同时也给社会、生态环境造成不小的困扰。由于其放射源辐射将影响电子、通讯正常工作，因此，在交通运输行业，尤其是在港口、航空、铁路等领域严禁携带放射物品。更有甚者，违法携带放射源，在重要场所制造骚乱，破坏社会公共秩序。

因此，在港口、航空、铁路等领域设置安检机以检查违禁物品，但是只能是所检物品通过安检机才能发现，无法实现自动准确定位和跟踪的放射源。目前，放射源采用的定位一般可分为已知放射源的监控、定位和跟踪，另一类即是未知源的探测定位；如专利申请号为200810056795.2，名称为“一种对放射源自动监管及实时监控的方法和系统”的中国发明专利，该方法通过在放射源上安装固化有源档案信息的定位终端，通过前段阅读读取源信息并通过无线通讯、gps定位等技术定位，此方法显然不适用于重要安全监管区域对未知的放射源进行定位，gps定位误差较大，而且，无线传输容易受到放射干扰。又如专利申请号为201410592818.7，名称为“一种放射源定位方法及系统”的中国发明专利，其采用移动通讯终端对未知放射源进行探测，但是存在以下不足：第一，移动移动通讯终端精度较低，不能实现准确定位，第二，无法实现实时跟踪，尤其在交通运输安检监控领域，放射源携带者是在不停移动。

综上，急需对未知移动放射源准确定位、自动跟踪以及直观显示进行研发，实现提前预判放射源的类别、位置和强度，建立自动、实时、直观的监测预警和放射源增强现实能力，可高效、准确的发现在交通运输出入口、大型会议、重大赛事等重要场所非法放射源活动事件，为事件后续应急响应提供保障，降低非法放射物质在人群密集区域的安全风险，使放射源得到有效的监管。

技术实现要素：

针对上述不足，本发明的目的在于提供一种γ放射源增强现实方法及系统，主要解决现有技术中存在的无法实现移动未知放射源的准确定位和跟踪，以及放射源的增强现实功能等问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种γ放射源增强现实系统，主要包括：

闪烁体探测器，配置至少4个且采用离散方式分布在二维或三维空间内；

摄像机，设置在该空间区域边缘处、用于对该空间内进行视频图像拍摄；

工控机，分别与闪烁体探测器和摄像机连接，用于采集闪烁体探测器探测的计数率c和能谱，放射源的核素识别和定位，以及视频图像坐标转换；

终端机，与工控机连接，用于三维定位坐标和二维视频图像坐标转换，放射源图标与视频图像融合，存储显示视频图像和放射源参数。

该γ放射源增强现实方法，包括以下步骤：

第一步，在二维或三维空间内采用离散方式分布至少4个闪烁体探测器，并以空间内任意点作为原基准点，建立闪烁体探测器笛卡尔坐标，将该坐标系的参数输入工控机中；在该空间区域边缘处安装用于对该空间内进行视频图像拍摄的摄像机，利用dlt算法建立该空间的成像模型。

具体地，选取该空间坐标系的原基准点，利用蒙特卡罗方法确定所有闪烁体探测器的等效探测点，获得闪烁体探测器的等效三维坐标。

第二步，利用标准源对闪烁体探测器进行效率刻度和能量刻度，由于制造工艺的细微差异，每个闪烁体探测器的效率不尽相同，因此，需对闪烁体探测器的效率进行归一处理，使所有闪烁体探测器对同一放射源在相同测量距离的净计数率ci相同，其中，标准源常采用²⁴¹am、¹³⁷cs和⁴⁰k。其中，能量刻度公式为：

e＝a×channel+b'①

其中，a、b'为能量刻度系数，channel为多道道址，e为能量；

标定闪烁体探测器效率与测量角度的关系，其表达式为：

f＝b4×a⁴+b3×a³+b2×a²+b1×a+b②

其中，b、b1、b2、b3、b4为效率刻度系数，a为闪烁体探测器前表面法线方向与放射源和探测器前表面中心连线的夹角；

测量闪烁体探测器所处空间内的本底计数率c0和本底能谱s0，用于扣除闪烁体探测器本身差异带来的探测误差。

第三步，工控机控制闪烁体探测器每间隔时间t进行计数率c采集，根据净计数率ci公式：ci＝c-c0，计算获取该空间内所有闪烁体探测器的净计数率ci，判断任一的闪烁体探测器的净计数率ci与预设的探测下限at数值关系，若净计数率ci大于探测下限at，则工控机发出报警信号并进入第四步，否则继续循环第三步；

第四步，根据计算出闪烁体探测器净计数率ci，求得放射源的三维位置坐标，闪烁体探测器与放射源距离ri和净计数率ci关系，其表达式为：

其中，k为比例常数；

在三维坐标系中，闪烁体探测器与放射源的距离计算公式为：

其中，ri为放射源距i个闪烁体探测器距离，x、y、z为放射源的三维坐标，xi、yi、zi为第i个闪烁体探测器的三维坐标；

在该空间区域内安装有4个及以上的闪烁体探测器，将这i个方程看做一个三维无约束优化问题，根据nelder-mead单纯形法求得该方程的最优解，利用这个最优解和闪烁体探测器效率与测量角度的关系②对净计数率进行修正，然后用修正后的净计数率求解上述三维无约束优化问题，即可求得该放射源准确的三维空间位置。

与此同时，工控机开始累积闪烁体探测器的能谱s，识别放射源的类别，计算放射源表面剂量率，启动摄像机视频图像录制。放射源类别的识别，具体包括以下步骤：

(1)对于某闪烁体探测器，该闪烁体探测器的净能谱si为闪烁体探测器探测能谱减去该闪烁体探测器的本底能谱s0；

(2)累积识别的能谱s为所有在该空间内的闪烁体探测器的净能谱si之和；

(3)利用该能谱s，寻找该能谱中最显著的峰，利用公式①确定谱峰对应的γ射线能量，并与核素库中特征能量对比，确定该放射源的类别。采用闪烁体探测器可在较短的时间(小于1s)范围内实现工业、医疗和核材料中的24种常见放射性核素识别。

放射源表面剂量率计算，根据探测器截面积计算每个探测器各自的射线通量，单位cps/cm²s，即每平方厘米每秒的计数率。然后根据国际辐射防护标准推荐的能量为60kev的伽马射线的剂量通量转换系数，计算出探测器位置的剂量率，单位rem/h，即雷姆每小时，再根据探测器通量与放射源距离平方成反比的规律，推出放射源表面的剂量率，并在终端机上显示其数值，表面剂量率单位为usv/h。

第五步，将放射源的三维坐标、类别、表面剂量率以及实时图像存储至终端机，终端机依据该放射源的三维位置坐标，并结合摄像机成像模型，将放射源的三维坐标转换成视频图像坐标系中的平面坐标，获得与该放射源融合后的视频图像。进而，在终端机上直观、可视化显示放射源的类别和强度。其中，将视频图像三维坐标转换为图像平面坐标的方法常采用空间域算法、变换域算法、贝叶斯法，d-s证据法和表决法等现有成熟技术，在此不予赘述。

第六步，终端机利用directx标记放射源在平面坐标的坐标点，显示放射源的类别、表面剂量率以及空间位置。重复第四步，进行放射源的连续定位和视频图像录制。在终端机的视频图像中能直观显示放射源的位置、放射源的类别、表面剂量率，如此一来，便能进行放射源的实时跟踪、显示。

进一步地，摄像机接收报警信号，进行视频图像录制并存储，视频图像录制信息包括版本号、总帧数、编码格式、视频宽、视频高、帧率、录制时间和帧数据。其中，版本号用于升级识别和不同版本兼容的录像文件；总帧数用于估算视频时长；编码格式用于回放的视频解码；视频宽、高用于回放时设置缓冲区大小；帧率用于回放时使用与录制时相同的速度播放；录制时间用于回放时获得文件录制时间。

充分考虑闪烁体探测器计数率波动、工控机计算的工作量和放射源跟踪的连续性等因素，闪烁体探测器一般每间隔50～1000ms采集一次。在该空间内形成放射源的移动轨迹点，若采集时间间隔充分小，便能构成放射源的连续坐标点，如此一来，即能实时监控该区域内放射源的移动路线，为安全监管提供了响应时间和应急处理的保障措施。

在该系统中，闪烁体探测器可采用有机和无机闪烁体，实现入射γ射线的的探测。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明巧妙地在二维或三维的一定空间范围内采用离散方式安装4个及以上的闪烁体探测器，利用能量刻度的闪烁体探测器进行常见放射源核素的识别，确定对应放射源的类别。通过净计数率和放射源与闪烁体探测器距离的关系，并结合闪烁体探测器探测角效率的修正，实现放射源的准确定位。终端机将放射源的三维位置坐标与摄像机拍摄的视频图像融合，并在视频图像中标注其位置，实现在终端机上实时处理和显示该放射源的信息。更进一步，将融合后的视频图像进行存储，有利于对放射源的信息进行回放查询。该系统具备自动、实时、直观的检测预警和放射源增强现实能力，为非法携带放射源事故响应提供应急处理的保障。

(2)本发明通过对闪烁体探测器进行能量刻度和效率刻度，不仅能快速准确的识别常见放射性核素类别，还能对放射源进行准确定位，克服闪烁体探测器制造工艺的差异带来的误差。利用探测器处射线通量估算出此处的剂量率，再根据反比关系，推算出放射源表面处的剂量率，为科学响应监控事件提供定量依据。而且，在均匀间隔的时间内进行连续探测，形成放射源携带者的移动轨迹，如此一来，便能实时监控放射源的移动轨迹，为交通运输出入口、大型会议、重大赛事等重要场所放射源监管监控提供保障。

(3)另外，本发明通过设定闪烁体探测器探测下限，仅某一个闪烁体探测器的净计数率大于探测下限，该系统启动核素识别、放射源定位、放射源表面剂量率计算和视频图像录制，可有效避免因放射源强度较弱，不能触发所有探测器探测下限的问题，实现对较弱放射源也能有效探测的目的。而且，该闪烁体探测器具有探测效率高、分辨时间短、使用方便、适用性广等特点，适用于未知放射源类型的探测。

(4)本发明的闪烁体探测器探测时间间隔优选设置50～1000ms，既能保证放射源的连续探测定位，实现放射源的移动轨迹跟踪，又能匹配放射源定位工控机的计算工作量，使得定位跟踪运算更流畅。

(5)本发明巧妙的利用了摄像机视频融合技术，将空间三维坐标转换成可视化的视频图像的平面坐标，在视频图像画面上直观的显示该放射源的类别、和携带者的移动轨迹，方便在人口密集区域进行放射源的准确定位和查找。

(6)本发明合理地使用nelder-mead单纯形法对三维线性规划问题的数值求解，一方面无需对比例系数进行预先取值，便能求解由闪烁体探测器距离构成的三维无约束优化问题，另外一方面，求解获得的最优解还能用于净计数率修正，进而，得到该放射源的准确三维空间位置。

(7)不仅如此，本发明通过对每个闪烁体探测器进行效率刻度和能量刻度，并测量每个闪烁体探测器的本底计数率和本底能谱，在采集运算中，扣除闪烁体探测器本身的基数影响，免除探测过程中的外界干扰，如此便可提高放射源定位的准确精度。

附图说明

图1为本发明增强现实流程图。

图2为放射源核素识别流程图。

图3为放射源定位流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图1至图3所示，本发明提供了一种γ放射源增强现实方法及系统，以保证港航站、大型会议、重大赛事等重要区域的社会秩序，实现放射源有效监管。本实施例仅以三维空间内设置6个nai(t1)闪烁体探测器为例进行说明，其他设置大于等于4个有机或无机闪烁体探测器的情况与本实施例的过程相同，在此不予赘述。

在三维空间内选定一点作为笛卡尔坐标系基准原点，其中，6个闪烁体探测器的等效三维位置坐标如表1：

表1闪烁体探测器三维等效坐标

以²⁴¹am标准源进行闪烁体探测器效率刻度为例，使得每个闪烁体探测器在等距离条件下测量的净计数率ci均相等，减小因制造工艺的细微差异致使探测结果存在误差。效率刻度是确定辐射探测器记录入射粒子的效率，通常采用一系列已知核素类别和活性的标准放射源直接刻度，也可利用蒙特卡洛方法进行计算机刻度，其效率刻度为现有成熟技术。

将视频图像拍摄的摄像机安装在该区域的边缘处，并利用dlt算法建立该空间的成像模型。

利用¹³⁷cs、²⁴¹am、⁴⁰k任意两个标准源对闪烁体探测器的能量刻度，其表达式为：

e＝a×channel+b'①

本实施例中6个闪烁体探测器的能量刻度系数a分别为1.74、1.63、1.68、1.7、1.75和1.735；能量刻度系数b'分别为-8.373、-5.95、-7.78、-8.54、-10.51和-8.177。

标定1～6号闪烁体探测器效率f与测量角度的关系，其表达式为：

f＝b4×a⁴+b3×a³+b2×a²+b1×a+b②

其中，效率刻度系数b、b1、b2、b3、b4分别取值为0.99764、-0.00108、5.4095e-4、-1.13584e-5、6.22842e-8。a为闪烁体探测器前表面法线方向与放射源和探测器前表面中心连线的夹角。计算放射源的位置(x、y、z)，放射源在x-y平面与每个探测器的距离：

若z＞zi,则，若z＜zi，则在本实施例中，1～6号闪烁体探测器的夹角a分别为94.56°、94.25°、19.47°、93.28°、22.98°、93.37°。

在无放射源的条件下，测量1～6号闪烁体探测器所处三维空间内的本底计数率c0，其中，6个闪烁体探测器的本底计数率c0分别为678、664、702、690、681、698。设定每个闪烁体探测器的探测下限值(即净计数率)280，闪烁体探测器每间隔300ms进行一次计数率采集。将放射源置于该三维空间中任意点，此时，1～6号闪烁体探测器探测的计数率c分别为4944、4523、3370、3326、3041、3071，1～6号闪烁体探测器的净计数率ci分别为4266、3859、2668、2636、2360、2373。此时，1～6号闪烁体探测器的净计数率ci均大于探测下限。工控机启动放射源定位、核素识别、计算表面剂量率和摄像机视频拍摄。

在核素识别中，对于某闪烁体探测器，该闪烁体探测器的净能谱si为闪烁体探测器探测能谱减去该闪烁体探测器的本底能谱s0。工控机累积识别的能谱s为所有在该空间内的闪烁体探测器的净能谱si之和，即利用该能谱s，寻找该能谱中最显著的峰，利用公式①确定谱峰对应的γ射线能量，并与核素库对比，并与核素库中特征能量对比，确定该放射源的能量为60kev，确认该放射源为²⁴¹am。

在该放射源定位中，利用1～6号闪烁体探测器的净计数率ci求得放射源在该空间的三维坐标，第i个闪烁体探测器与放射源距离ri与净计数率ci关系式为：

其中，放射源与第i个闪烁体探测器的距离ri的三维计算表达式为：

在该空间区域内安装有6的闪烁体探测器，建立6个距离ri无约束优化方程，根据nelder-mead单纯形法求得该方程的最优解，利用最优解和闪烁体探测器效率与测量角度的关系②对净计数率ci进行修正，即归一到同一角度，然后利用修正后的净计数率求解公式④，结合表达式⑤求得该放射源准确的三维空间位置为(0.62，1.75，0.74)。

与此同时，摄像机接收到工控机发出的报警信息，启动视频图像拍摄，并结合摄像机成像模型，终端机将放射源的三维坐标点(0.62，1.75，0.74)转换成摄像机拍摄视频图像坐标系中的平面坐标(图像为1080×720)(538，288)，平面坐标即是图像中二维的坐标点。获得放射源与视频图像融合后的视频图像，通过闪烁体探测器反复采集与视频进行融合，形成放射源可视化的视频。巧妙地，终端机利用directx技术标记放射源在平面坐标的坐标点，视频图像中能凸显放射源的位置以及放射源强度。再根据探测器通量与放射源距离平方成反比的规律，推算出²⁴¹am放射源表面剂量率为76.04usv/h，并将该数值显示在终端机上，为科学响应监控事件提供定量依据。其中，dlt算法、视频图像融合涉及的算法以及directx技术均为现成熟技术，在本发明中不再详尽阐述其计算过程。

本发明充分考虑到进行数据运算的工控机的计算工作量以及对放射源跟踪的连续跟踪，闪烁体探测器采集时间一般为50～1000ms，经反复试验验证，采集时间为300ms时为最优，放射源的跟踪效果最佳。本发明适用于对未知放射源进行定位跟踪、增强现实，在港口、航空和车站等公共区域作用凸显更为明显，在放射源携带者进入该区域内便能准确定位该放射源，通过放射源类型和表面剂量率采取相应的应对办法，为安全管理人员及时处理提供技术支撑。本发明巧妙的利用间隔均匀时间进行采集运算，获得连续的移动轨迹，如此一来，便能发挥其跟踪功能，为安全监管提供了响应时间和应急处理的技术保障。而且，设置在该区域的摄像机还能将放射源的三维坐标清晰准确地显示在视频图像中，以便对放射源进行可视化管理。综上所述，本发明具有定位准确、核素识别、连续跟踪、可视化实时显示等优点，与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，在核技术领域具有广阔的市场前景。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。