辐射成像装置的制作方法

本发明涉及一种辐射成像装置、辐射成像方法以及计算机程序。更具体地，本发明的实施例涉及一种自主便携式辐射测量建模工具，用于在诸如核设施的区域内采集空间记录的、准直的辐射测量并且分析该辐射测量以识别辐射源在设施内的分布。

背景技术：

当操作或者停止使用包含辐射材料的设施时，通常有必要理解该材料的分布，使得可以确定其对环境和进入该环境的任何人的影响。通常情况是，也需要确定这种设施的物理性质。用于确定该信息的传统方法通常包括庞大的设备，并且依赖于围绕设施的各个位置处的外部参考(诸如标记或固定的参考点)。这通常在潜在受污染的环境中是不允许或不切实际的。

技术实现要素：

本发明的目的在于通过提供一种装置和方法来缓解这一问题，该装置和方法以完全独立于所调查的设施并可以在不依赖于任何外部输入或参考的情况下部署的方式采集空间和辐射数据。

相应地，本发明的一个方面提供了一种辐射成像装置，该辐射成像装置包括：

光学成像装置，该光学成像装置被构造成使现实世界结构成像；

位置和方位探测器，该位置和方位探测器被构造成确定相对于作为固定参考系的现实世界结构以六个自由度表示的辐射成像装置的瞬时位置和方位；

辐射探测器，该辐射探测器被构造成探测电离辐射；

辐射源确定部分，该辐射源确定部分被构造成基于由辐射探测器探测的准直电离辐射的数据结合相对于现实世界结构的辐射成像装置的位置和方位的数据来确定辐射源的分布；和

图像生成器，该图像生成器被构造成生成组合图像的数据，该组合图像包括由光学成像装置成像的现实世界结构的光学图像和基于来自辐射源确定部分的数据表示辐射源分布的叠加图像。

本发明的另一个方面提供了一种辐射成像方法，该辐射成像方法包括：

使用辐射成像装置使现实世界结构成像，以提供现实世界结构的光学图像；

确定相对于作为固定参考系的现实世界结构以六个自由度表示的辐射成像装置的瞬时位置和方位；

使用辐射成像装置探测电离辐射；

基于由辐射探测器探测的准直电离辐射的数据结合相对于现实世界结构的辐射成像装置的位置和方位的数据来确定辐射源的分布；和

生成组合图像的数据，该组合图像包括现实世界结构的光学图像和基于辐射源分布的确定表示辐射源分布的叠加图像。

本发明的另一个方面提供了一种计算机程序，该计算机程序包括计算机可执行代码，该计算机可执行代码在计算机系统上执行时使该计算机系统执行辐射成像方法，该方法包括：

使现实世界结构成像，以提供现实世界结构的光学图像；

确定相对于作为固定参考系的现实世界结构以六个自由度表示的计算机系统的瞬时位置和方位；

探测电离辐射；

基于准直电离辐射的数据结合相对于现实世界结构的计算机系统的位置和方位的数据来确定辐射源的分布；和

生成组合图像的数据，该组合图像包括现实世界结构的光学图像和基于辐射源分布的确定表示辐射源分布的叠加图像。

从属权利要求中限定了本发明的其它可选的方面。

本发明的实施例使得能够以独立于所调查的设施并可以在不依赖于任何外部输入或参考的情况下部署的方式采集空间和辐射数据。

附图说明

现在将参照附图仅以示例的方式对本发明的实施例进行描述，在附图中：

图1示意性地描绘了根据本发明的实施例的辐射成像装置；和

图2示意性地描绘了根据本发明的实施例的辐射成像装置的lidar的扫描平面。

具体实施方式

图1示意性地描绘了根据本发明的实施例的辐射成像装置。辐射成像装置可以在用于采集空间记录的辐射测量的方法中使用。

可选地，辐射成像装置包括辐射探测器7。可选地，辐射探测器7被构造成探测电离辐射。辐射探测器7是测量电离辐射水平的装置。可选地，辐射探测器7被构造成测量准直电离辐射的量级。

可选地，辐射成像装置包括位置和方位探测器1-3。可选地，位置和方位探测器1-3被构造成确定相对于作为固定参考系的现实世界结构以六个自由度表示的辐射成像装置的瞬时位置和方位。然而，没有必要用位置和方位探测器1-3确定以六个自由度表示的辐射成像装置的位置和方位。位置和方位探测器1-3是确定相对于包围辐射成像装置的现实世界结构以至少两个维度表示的辐射成像装置的瞬时位置的装置。相应地，位置和方位探测器1-3可以以两个自由度、三个自由度、四个自由度或五个自由度探测辐射成像装置的位置。

可选地，辐射成像装置包括光学成像装置12。光学成像装置12被构造成使现实世界结构成像。包括位置和方位探测器1-3与光学成像装置12的辐射成像装置是连续地记录空间数据的装置，使得随着辐射成像装置围绕区域移动可以生成3d模型。

辐射和几何数据的测量通过使用传感器的组合来实现，该传感器被构造成确定精确地建立相对于现实世界结构的辐射成像装置的位置和方位所需的六个自由度。如图1所描绘的，辐射成像装置的位置和方位探测器1-3可选地包括两个范围传感器1、2和方位探测器3。然而，情况不一定如此。在替代性实施例中，辐射成像装置的位置和方位探测器1-3仅包括一个范围传感器1，或包括多于两个范围传感器。

每个范围传感器1、2被构造成测量以至少两个维度表示的从辐射成像装置到现实世界结构的距离的范围数据。该范围数据被算法解译以确定相对于作为固定参考系的现实世界结构以至少两个维度表示的辐射成像装置的瞬时位置。范围传感器1、2结合运行算法的软件以确定相对于现实世界结构的辐射成像装置的位置。相应地，每次辐射测量在已知位置处执行。软件包括位置和方位探测器1-3的一部分。可选地，软件实施于辐射成像装置的处理单元4中。

每个范围传感器1、2被构造成测量从辐射成像装置到现实世界物体(诸如墙壁)的距离(即范围)。每个范围传感器1、2被构造成测量关于辐射成像装置在不同方向上到现实世界结构的距离有多远的时变范围数据。具体地，第一范围传感器1被构造成测量现实世界物体在xy平面上的范围。然后，范围数据用于确定辐射成像装置相对于现实世界物体的位置。这可以通过将范围数据与关于现实世界结构的已知信息对齐来完成。

例如，范围数据可以提供关于从辐射成像装置到房间的一系列点的距离的信息。然后，辐射成像装置的位置可以通过将范围数据与房间的地图对齐来确定。房间的地图是关于现实世界结构的布局的已知信息的示例。因此，测量的范围数据被解译以提供相对于现实世界结构的位置信息。这种解译通过运行算法的软件来执行，该算法被构造成通过将范围数据与参考范围数据(例如地图)对齐来推断辐射成像装置的动作。

通过将测量的范围数据与参考范围数据(例如，现实世界结构的地图)对齐，可以确定相对于作为固定参考系的现实世界结构的辐射成像装置的位置。这不同于其他探测位置的装置，诸如gps、无线电信标方法和qr码阅读器。gps、无线电信标方法和qr码阅读器依赖于测量与在另一个坐标系上具有已知位置的卫星、信标或qr码的距离。阅读器的位置可以通过测量与多个卫星、信标或qr码的距离并通过求解方程式以确定该阅读器在该坐标系内的位置来确定。这些方法不涉及将测量的与卫星、信标或qr码的距离与参考范围数据对齐。

本发明不需要为了位置确定的目的而安装任何现实世界物体。具体地，本发明不需要任何卫星、信标或qr码。现实世界结构不是卫星、信标或qr码。作为替代，每个范围传感器1、2测量与恰好在那里的物体的范围。不需要知道在另一个坐标系内的物体的位置。将测量的范围数据与参考范围数据对齐，使得现实世界结构自身成为固定参考系。

范围数据的对齐可以通过任何算法来实现，该算法能够计算当前范围数据与参考范围数据的一个或多个示例之间的变换。在本申请中优选的是，这种算法被设计为将计算需求保持在最小值以便辐射测量装置的物理空间和功率要求可以保持较低。特别适用于对齐水平平面范围数据的算法被描述为：

1)水平平面范围数据(当前或参考)的每个示例是基于数据的固有属性(而不是通过与参考数据进行比较)来“旋转归一化”。这将对齐问题空间的维度从三维(x，y，θ)缩小为二维(x，y)。在人造环境中很好地测量固有方位是应用候选旋转，计算范围数据的x值和y值的一维直方图h，然后计算该直方图的熵(近似为h的和乘以h的自然对数)。固有方位是使熵的得分最小化的方位。请注意，只需要在90度范围的方位内搜索，因为这种方位的测量对于90度的旋转来说是不变的。

2)然后，二维搜索可以通过比较当前范围数据和参考范围数据的x和y直方图而缩小为两个一维搜索。为了将当前数据的x轴与参考扫描对齐，搜索相对于xo的f(rx(x),cx(x+xo))的最大值就足够了，其中f是相似性测量函数，当直方图对齐时，f的输出最大化，rx(x)是参考数据的x值的直方图，cx(x)是当前数据的直方图，xo是参考数据和当前数据之间的x偏移的候选值。f可以是直方图或概率分布之间的任何相似性测量；最简单的方法是两个输入直方图的点积。因为这种方法计算成本低，所以通常可以通过穷举搜索来最大化f(rx(i),cx(i+xo))。请注意，由于方位归一化步骤相对于90度旋转的对称性，将cx(i)与rx(i)进行比较和将cy(i)与ry(i)进行比较是不够的，因为可能存在参考数据和当前数据之间的成90度的倍数的方位偏移。这可以通过独立地对齐全部四个可能的方位并将具有最高对齐得分的方位作为真实方位来解决。四个对齐可以通过如下比较来实现：cx(i)与rx(i)进行比较和cy(i)与ry(i)进行比较；cx(i)与ry(i)进行比较和cy(i)与rx(-i)进行比较；cx(i)与rx(-i)进行比较和cy(i)与ry(-i)进行比较；和cx(i)与ry(-i)进行比较和cy(i)与rx(i)进行比较。

如果步骤2仅限于垂直维度，则上述相关算法也适用于垂直激光雷达数据。如所描述的，算法限于当前数据与参考数据显著重叠的情况。在不是这种情况的应用中，算法可以通过引入关键帧的概念来扩展。当发现当前范围数据从参考数据偏移某个预定距离阀值时，或者当相似性得分下降到预定阀值以下时，当前帧被指定为“关键帧”。后续范围数据将被记录到最近的fey帧而不是原始参考数据。然后，原始参考数据和当前数据之间的对齐可以通过将当前数据和当前关键帧之间的变换与当前关键帧和参考帧(其自身可以取决于其他中间关键帧的变换)之间的变换组合起来来推断。

可选地，第一范围传感器1被构造成测量在水平(xy)平面上从辐射成像装置到现实世界结构的距离的范围数据。可选地，每个范围传感器1、2被构造成使用激光检测与测距(lidar)、声音导航与测距(sonar)或无线电探测与测距(radar)测量从辐射成像装置到现实世界结构的距离的范围数据。第一范围传感器1可以是lidar仪器、sonar仪器或radar仪器。每个范围传感器1、2能够测量从辐射成像装置到包围该辐射成像装置的现实世界结构的距离。

当第一范围传感器1是lidar仪器时，该lidar仪器被构造成围绕z轴旋转(如图2所示)，z轴与x轴形成角度θ，其中θ＝角速度×时间。第一范围传感器1被构造成扫描xy平面，基于由lidar仪器发射并从表面反射的激光脉冲的飞行时间对与最近表面成角度θ的距离进行一系列测量。辐射成像装置随着时间的位置变化可以通过计算最好地使当前范围数据与先前(例如初始)范围数据对齐的平移和旋转来测量。与测量的范围数据对齐的参考范围数据可以是在调查开始时测量的初始范围数据。因此，不需要知道要调查的区域的地图。即使没有这样的地图，在调查期间可以建立该区域的模型。

如图1所描绘的，辐射成像装置可选地包括两个范围传感器1、2。然而，情况不一定如此。在替代性实施例中，辐射成像装置仅包括一个范围传感器1，或包括多于两个范围传感器。

辐射成像装置是便携式的。辐射成像装置随着其移动形成图像。可选地，辐射成像装置是手持式的。在整个调查中，辐射成像装置不会保持固定在xy平面中，并且其可以垂直地移动。辐射成像装置可能会倾斜，给人一种对周围世界的错误印象。可选地，为了抵消这一点，来自第一范围传感器1(即水平范围感测装置)的输出如下文所述对倾斜进行校正。

可选地，辐射成像装置的位置和方位探测器1-3包括方位探测器3。方位探测器3被构造成确定相对于现实世界结构的辐射成像装置的瞬时偏航、瞬时滚动和瞬时俯仰中的至少一个。方位探测器3被构造成测量辐射成像装置的倾斜，使得校正系数可以应用于xy数据以确保其表示更精确的水平平面。可选地，方位探测器3是被构造成测量至少六个自由度的惯性测量单元(imu)。可选地，辐射成像装置包括用于提高方位精确度的磁力计。

可选地，辐射成像装置包括机械稳定器装置。可选地，机械稳定器装置被安装到辐射成像装置的其余部分上以便防止或减少任何倾斜。

可选地，辐射成像装置包括位置反馈提供器。位置反馈提供器被构造成向用户输出信息以协助用户将辐射成像装置移动到相对于现实世界结构的目标位置和/或方位。可选地，位置反馈提供器被构造成向用户输出信息以协助用户将辐射成像装置的偏航、滚动、俯仰中的至少一个分别地改变为相对于现实世界结构的目标偏航、目标滚动和目标俯仰。可选地，位置反馈提供器被构造成提供反馈以允许用户对任何倾斜进行手动校正。

如果imu用作方位探测器3，则可以测量辐射成像装置的瞬时俯仰、滚动和偏航，使得当与由第一范围传感器1测量的数据结合时，六个自由度中的五个是已知的(x，y，俯仰，滚动和偏航)。

为了确定探测器在z方向上的位置，或在地面上方的高度，需要另一个传感器，即第二范围传感器2。可选地，可以使用第二lidar、sonar或radar探测器。可选地，辐射成像装置包括处理单元4(也称为主处理单元)。利用地面是平坦的假设，并且一旦辐射成像装置的角度(远离垂向)是已知的，可以使用三角法计算辐射成像装置的高度。可选地，处理单元4被构造成基于由方位探测器3测量的辐射成像装置的角度来计算辐射成像装置的高度。可选地，第二范围传感器2固接到第一范围传感器1。由范围传感器1、2输出的数据可用于构建3d模型。这通过将由lidar、sonar或radar感测装置(即范围传感器1、2)捕获的工作空间几何形状的每个平面横截面放置在公共参考系中来实现。多个横截面的这种聚合导致工作空间的3d模型，在最原始的意义上这是光栅扫描的3d变体。随着辐射成像装置移动通过工作空间，更多横截面被捕获，使得3d模型更完整地表示工作空间。当已知所有六个自由度时，3d模型内的辐射成像装置的位置可以被处理单元4精确地绘制。可选地，辐射成像设备包括3d模型生成器，该3d模型生成器被构造成基于来自位置和方位探测器1-3的数据限定现实世界结构的3d模型。

可选地，处理单元4被构造成从第一范围传感器1接收范围数据，并且如果提供第二范围传感器2，则处理单元4还从第二范围传感器2接收范围数据。处理单元4被构造成将范围数据与先前范围数据(可能是初始范围数据)进行比较。处理单元4被构造成计算最好地使当前范围数据与先前(例如初始)范围数据对齐的平移和旋转，以便测量辐射成像装置随着时间的位置和/或方位的变化。可替代地，比较范围数据与计算平移和旋转以测量位置变化的过程可以由远离辐射成像装置定位的处理器来执行。

除此之外或可替代地，辐射成像装置包括高度探测器，该高度探测器被构造成确定该辐射成像装置在地板上方的瞬时高度。可选地，高度探测器是直接测量随着z方向上的位置变化而可预测地变化的特性的传感器。例如，可选地，辐射成像装置包括大气压力传感器。

可选地，辐射成像装置包括准直器。准直器被构造成使电离辐射准直。辐射探测器7被构造成探测由准直器准直的电离辐射。将准直器与辐射探测器7组合以采集辐射数据。可选地，准直器和辐射探测器7的功能体现在同一装置中，例如康普顿摄像机或准直伽马能谱仪。康普顿摄像机被构造成在不使用准直器的情况下确定所接收的辐射的方向。所测量的辐射的类型可以不限于伽玛射线，而是可以是任何类型的电离或非电离辐射。装置采集从一组已知位置的特定方向发出的辐射场的一系列测量值，该一组已知位置由上述的位置和方位探测器1-3确定。可选地，辐射探测器7固接到位置和方位探测器1-3(即空间探测器)。

可选地，光学成像装置12是摄像机。光学成像装置12被构造成捕获环境的视频表示，供演示使用。

来自上述位置和方位探测器1-3、辐射探测器7和光学成像装置12的输出是设施的三维(3d)模型，一系列辐射测量、设施的一系列图像和一组坐标(可选地对辐射成像装置的方位进行了校正)描述该3d模型内的每个辐射测量和图像的位置和方位。可选地，辐射成像装置包括用于在辐射成像装置上存储这些信息的合适的存储装置，使得该信息可以被提取用于进一步处理或操纵。

可选地，由上述辐射成像装置收集的信息用于预测在设施内辐射源的分布。可选地，可以使用欧洲专利2074442中概述的方法。该计算可以在辐射成像装置上实时地(例如通过处理单元4)完成，例如以便允许辐射源的表示叠加在从使用光学成像装置捕获的图像计算的被调查区域的图形表示上，或者该计算可以在捕获后离线地完成。可选地，辐射源被限定为限制到3d模型中现实世界结构的表面。

可选地，处理单元4包括辐射源确定部分。辐射源确定部分被构造成基于由辐射探测器7探测的准直电离辐射的数据结合相对于现实世界结构的辐射成像装置的位置和方位的数据来确定辐射源的分布。可选地，辐射源确定部分被构造成确定辐射源的放射性。可选地，辐射源确定部分被构造成至少部分地基于先前由辐射探测器7探测并存储在本地存储器中的准直电离辐射的数据来确定辐射源的分布。

可选地，处理单元4包括图像生成器，该图像生成器被构造成生成组合图像的数据，该组合图像包括由光学成像装置12成像的现实世界结构的光学图像和基于来自辐射源确定部分的数据表示辐射源分布的叠加图像。可选地，图像生成器被构造成生成组合图像的数据，使得叠加图像基于来自辐射源确定部分的数据表示辐射源的放射性。可选地，辐射成像装置包括显示器8，该显示器被构造成基于由图像生成器生成的数据显示组合图像。然而，辐射成像装置不需要包括显示器8。可选地，辐射成像装置包括图像数据输出装置，该图像数据输出装置被构造成将由图像生成器生成的数据输出到外部装置。可选地，图像生成器被构造成生成组合图像的数据，使得光学图像是由光学成像装置12成像的现实世界结构的实时光学图像。

可选地，图像生成器被构造成生成组合图像的数据，使得叠加图像被添加作为由辐射探测器7探测的准直辐射的更多数据，这些数据被辐射源确定部分使用以确定辐射源的分布。

模型的实时表示为执行调查的操作员提供了即时反馈，由此捕获后分析通过使用在整个调查中获得的所有几何传感器信息(而不仅仅是可用于“实时”模式的子集，即直到当前时间获得的信息)而允许更精确的设施模型的创建。

图1所示的辐射成像装置包括两个lidar传感器，两个lidar传感器安装成使得一个lidar传感器扫描xz垂直平面同时另一个lidar传感器扫描xy水平平面，作为位置和方位探测器1-3的几何测量装置。具有两个范围传感器1、2是不重要的。在替代性实施例中，辐射成像装置仅包括一个范围传感器1，使得可以以二维(即在xy平面上)确定该辐射成像装置的位置。可选地，辐射成像装置包括高度探测器，该高度探测器被构造成测量辐射成像装置的高度。在这些实施例中，lidar数据用于提高滚动校正的精确度和稳定性，如下：直方图由连续lidar回波之间的向量组成。出现在直方图中的峰值相隔90度，表示地板/天花板和墙壁为现实世界结构。假设周围区域的结构不会在扫描之间根本地变化，从连续扫描获得的直方图将是相似的，但是以单元的滚动角度的任何变化来偏移。因此，这提供了探测和校正滚动角度的变化的装置，该装置用于改善从作为位置和方位探测器1-3的方位探测器3的imu获得的数据。

范围传感器1、2不需要是lidar仪器。在其他实施例中，可以使用sonar、radar或其他形式的扫描或凝视距离测量传感器。可选地，辐射探测器7(也称为辐射传感器)是盖革-米勒管(geiger-mullertube)。然而，在其他实施例中，辐射探测器7例如是非准直的总计数伽马辐射传感器、非准直的总吸收剂量辐射传感器或应用所需的任何其他类型的辐射传感器。由辐射探测器7探测的辐射不限于伽马辐射，而是可以是任何类型的电离或非电离辐射。

可选地，辐射成像装置包括框架11。可选地，辐射探测器7与位置和方位探测器1-3安装在一起，例如，安装在框架11上，使得它们相对于彼此固定。可选地，框架11是手持式的或者然后可以安装在远程部署平台上，例如长杆或远程操作车辆，诸如具有机械臂的远程控制平台或四轴飞行器。如果需要在预期辐射水平太高以至于不允许人类进入的区域中进行部署，则这是特别有利的。可选地，辐射成像装置包括手柄5。

可选地，显示器8安装在框架11上，使得显示器8可以显示指示用户到下一个测量点的指令。可选地，辐射成像装置包括触发器10。可以提供触发器10，使得一旦在正确位置处，用户就可以提供输入，使得辐射成像装置进行空间标记的辐射测量。在其他实施例中，一旦辐射成像装置足够接近预期位置，测量可以被自动触发，或者由其他用户输入装置触发。

可选地，光学成像装置12刚性地安装在框架11上，使得能够捕获设施的图像，使得处理后的辐射源数据可以叠加在设施的摄像机表示上。可选地，辐射成像装置包括电池6，该电池被构造成为辐射成像装置提供电力。

可选地，辐射成像装置包括开关9。在使用中，将辐射成像装置带到要建模的设施，并且使用开关9开启辐射成像装置。在完成加电序列后，调查将自动开始。辐射成像装置开始如下记录位置数据：范围传感器1和2在它们各自的测量平面内记录与现实世界结构的距离，并且方位探测器3连续地记录相对位置和方位。

该数据存储在处理单元4内的存储介质上，并且还使用算法实时处理以建立被调查区域的2d模型。可选地，处理单元4包括软件，该软件被构造成将测量的范围数据与参考范围数据对齐，以便确定相对于作为固定参考系的现实世界结构以至少两个维度表示的辐射成像装置的瞬时位置。

曼哈顿世界假设(即结构与沿z轴紧密间隔的观测点几乎没有区别)被用于处理。该模型保持在处理单元4中。处理单元4还装载有相对于设施结构的一组调查位置。

辐射测量以预定间隔进行。在用户选择的方位处的附加测量可以使用触发器10捕获。当每个辐射测量完成时，它被标记有相对于2d区域模型的位置，该位置从范围传感器1、2和方位探测器3计算，并且存储在连接到主处理单元4的存储器中。

设施可以是建筑物中的单个房间、多个房间，建筑物墙壁的外表面或者实际上包含未知的辐射材料分布的任何三维环境，其中可以使用内置式位置和方位探测器1-3确定位置和方位。一般术语“区域”用于任何这样的设施或空间，其旨在确定辐射材料的分布。所需的观测数量可以通过被调查区域的规模和复杂程度确定，但对于小区域通常可能是50-200。

在数据采集完成之后，使用欧洲专利2074442中描述的方法将该数据从装置传送到独立的计算机系统进行分析。在其他实施例中，数据可以在装置上实时分析，以产生适合于叠加在由光学成像装置12提供的实时图像数据上的假彩色“热点”地图。

图1中使用的附图标记列表：

1.第一范围传感器

2.第二范围传感器

3.方位探测器

4.处理单元

5.手柄

6.电池

7.辐射探测器

8.显示器

9.开关

10.触发器

11.框架

12.光学成像装置