大型客體輻射成像檢測技術的發展與趨勢

吳志芳，董 濤,*

(1.清華大學 核能與新能源技術研究院，北京 100084； 2.核檢測技術北京市重點實驗室，北京 100084)

進入21世紀以來，世界經濟飛速發展，經濟全球化趨勢不可阻擋，國家或地區間商品流通日益頻繁。目前，全球約90%的貨物貿易是以集裝箱方式完成的[1]。2017年，我國進出口海運集裝箱及內部港口間駁運集裝箱的總吞吐量超過2.368億TEU(20英尺標準集裝箱)[2]，而目前我國海關進出口貨物查驗率只有5%左右[3]。利用集裝箱等大型客體進行的走私、恐怖襲擊、廢物非法轉移等非法活動日益猖獗，對維持國際貿易秩序、維護世界和平提出了巨大挑戰。

20世紀80年代后期，法、德、英等國家開始研制大型客體輻射成像無損檢測系統，均采用加速器X射線源以獲得較高的穿透本領。1991年，法國研制的SYCOSCAN系統在巴黎戴高樂機場投入運行，是世界上首臺正式運行的集裝箱檢測系統。1992年，我國引進德、英兩國的首臺檢測系統，均在1995年前后投運。1995年底，我國研制成功首臺加速器型檢測系統。1997年7月，清華大學核能與新能源技術研究院研發并建成首臺60Co集裝箱檢測系統全規模樣機，既擺脫了加速器系統高昂的成本等困擾，又獲得了良好的檢測性能。1998年6月，海關總署啟動“H986工程”，開始大規模裝備集裝箱檢測系統。1999年12月，60Co型檢測系統正式交付馬尾海關使用，這是投入運行的首臺國產系統。2000年3月，首臺國產加速器型檢測系統交付天津海關使用。此外，20世紀90年代中期，德、美等國家嘗試研制X射線機和銫-137型檢測系統，但其穿透本領較低，無法用于滿載集裝箱查驗。

目前，大型客體輻射成像檢測系統已廣泛應用于海運集裝箱、航空集裝箱、鐵路貨車、滾裝貨運、船只、小型車輛及綠色通道車輛安全檢查等眾多領域。隨著射線源、探測器、核電子學和計算機技術的飛速發展，X/γ射線透視成像、背散射成像、CT成像及快中子透視照相、共振照相等技術正不斷深入發展，大型客體輻射成像檢測系統實現貨物查驗的依據不再局限于物體的形狀和密度信息，正向著元素分析的方向發展，如有效原子序數、電子密度及元素絕對/相對濃度(甚至更好的是分子結構)等的精確計算，為大型客體的安全檢查提供更有力的技術保障。此外，為了提高對可疑物品的識別率、實現自動檢查及報警，諸多學者提出了基于機器學習、神經網絡的自動識別技術[4-5]，推動大型客體100%安全檢查和智能查驗技術的發展。本文對大型客體輻射成像技術及其應用研究進行介紹，并論述基于X/γ射線分析的透視成像、背散射成像、CT成像及快中子成像等技術的成像原理、技術特點、發展現狀與趨勢等。

1 傳統透視成像技術

1.1 工作原理

中高能X/γ射線與物質的主要相互作用機制為：光電效應、康普頓散射和電子對效應，通過分析射線穿過物質后的衰減情況，可實現對大型客體的快速無損檢測。當忽略散射光子的影響且具備良好的準直條件(如窄束)時，透射光子數的變化遵循Beer-Lambert定律：

I=I0e-μmρt

(1)

式中：I0、I分別為入射和出射的射線強度；μm為物質對入射X/γ射線的質量吸收系數；ρ為物質密度；t為所經物質的幾何厚度。通常采用透射射線強度I表示像素灰度，也可對其取對數，即灰度線性化。由于透視圖像的灰度主要由透射射線所經路徑上物質對射線的質量吸收系數、物質密度及幾何厚度所決定，因此，透視成像有利于對高密度、X/γ射線吸收能力強的物質進行甄別。

1.2 系統分類

目前，普遍應用的傳統透視集裝箱檢測系統均采用點源-扇形射線束、一維陣列探測器及平移掃描方式。根據射線種類的不同，傳統透視集裝箱檢測系統可分為兩類：X射線集裝箱檢測系統和γ射線集裝箱檢測系統，每類系統包括固定式、組合移動式和車載移動式等3種布置方式。

1) X射線集裝箱檢測系統

X射線集裝箱檢測系統分為加速器型和X射線機型。由于X射線機最大能量一般不超過450 keV，平均能量小于150 keV，穿透本領約為50～60 mm鐵[6]。而滿載的40英尺標準集裝箱的平均質量厚度為125 mm鐵[7]，因此該類系統一般用于空載集裝箱/貨車檢查。目前，X射線集裝箱檢測系統均采用加速器X射線源，主要有電子直線加速器、感應加速器等，其性能參數參考文獻[8]。

固定式檢測系統性能優異，但單次掃描的輻射劑量較高，需配備較大的輻射防護區域；組合移動式和車載移動式系統的射線能量及強度較低，輻射安全性較好，但其檢測性能明顯降低。車載移動式系統由于具有機動靈活、反應迅速等優點，常用于集裝箱/貨車的快速、機動檢查。

加速器型集裝箱檢測系統通常具有射線能量較高、輻射強度可控、斷電即無輻射、穿透能力強等優點，但存在以下不足：1) 產生的韌致輻射型X射線為連續譜分布、空間分布不均勻、能量及輻射水平不穩定，這將導致系統校準工作更加困難，會增大系統誤差，影響系統性能；2) 加速器系統對環境條件(如振動、溫度、濕度等)要求較高，往往需高標準的輔助裝置來保證系統正常工作；3) 存在較多耗損件，其成本及維護費用較高、工作壽命較短，需要配備專業的操作人員；4) 由于加速器產生的射線束張角較小，源與探測器距離較遠，為保持良好的系統性能，需增大射線強度，這將帶來更大的輻射安全隱患，并需較長的掃描通道。

2) γ射線集裝箱檢測系統

γ射線集裝箱檢測系統均采用放射性同位素作為γ射線源，主要是60Co和137Cs。其中，60Co源半衰期為5.27 a，平均射線能量為1.25 MeV，相當于最大能量約為4 MeV的加速器X射線源，穿透本領較高。由于射線能量及比活度低的限制，137Cs大型客體檢測系統的穿透本領和空間分辨率較差，一般不用于滿載集裝箱的查驗。如美國SAIC公司研發的137Cs檢測系統[9]，主要用于在空載集裝箱或油罐車中查出走私汽車或違禁物品等。文獻[10]給出了固定式及車載移動式60Co集裝箱檢測系統的主要性能參數。

γ射線集裝箱檢測系統具有單色性好或能量值分立等優點，有利于簡化校準工作，減少系統誤差的影響因素；射線源使用壽命長、故障率極低，可有效降低系統成本，如60Co系統正常運行率在98%以上，源更換周期一般為7～8 a[11]；全周向輻射均勻分布，射線束張角大(約60°)，有利于減小源與探測器的間距(一般為5～6 m)；射線源輻射水平遠低于加速器型X射線源，有利于減小掃描通道的占地面積[12]。但γ射線集裝箱檢測系統也存在以下不足：適用的放射性同位素種類有限，射線能量選擇性小；同位素射線源的比活度受限；同位素射線源的使用及管理程序較為繁瑣，人因成本高；在設備停止運行期間，仍需對放射源進行屏蔽防護。

2 雙能透視成像技術

由于透視圖像同時反映物體成分與厚度等變化，傳統透視成像無法單獨確定其中的某一物理量。若采用兩種或多種不同能量的射線源，獲得兩幅或多幅幾何參數相同的輻射圖像，經過解析運算后可獲得有效原子序數(將射線通路上的物體假設為單質所對應的原子序數)的近似值，從而實現對物質的簡單區分。

在雙能透視成像檢測系統中，高、低能X/γ射線穿過被檢客體的平均衰減系數之比R為：

(2)

X/γ射線與物質的3種主要相互作用機制對射線衰減系數μ的相對貢獻與射線能量E和物質原子序數Z相關。在低能區段內，光電效應占優勢，μ對Z的依賴性較強；在中能區段內，康普頓效應占優勢，μ與Z基本無關；當光子能量Eγ≥1.02 MeV時，將出現電子對效應，μ與Z近似線性相關。

在行包安全檢查系統中，通常采用X射線機作為射線源，射線的最高能量一般不超過120 keV，因此R與Zeff的相關性較強，物質分辨能力較強。在集裝箱檢測系統中，加速器輸出的X射線能量可高達9 MeV，康普頓散射占優，并存在電子對效應，R與Zeff的相關性明顯減弱，系統靈敏度變差。文獻[16]提出了基于能譜整形及圖像相似性聚類的高能雙能成像及材料識別方法，將材料分為4類：有機物、無機物、輕金屬及重金屬。雙能系統成像效果參見文獻[17]。

目前，雙能集裝箱檢測系統均采用雙能交替的加速器型X射線源(圖1a)。脈沖寬度tRF一般為μs量級，脈沖頻率最高為400 Hz[18]，則Δt=2.5 ms。當物體移動速度為30 km/h時，雙能脈沖之間物體位移為2 cm，這將導致材料的區分被限制在更大的均勻物體上，降低了對物體結構及成分的區分能力。現代系統需5 mm或更高的空間分辨率，所以交替雙能檢測系統需平衡檢測速度和空間分辨率等性能。文獻[19-21]提出了多種脈沖內能量調制的加速器方案，利用tRF時間內產生的射線束(圖1b、c)對物體進行雙能分析，削弱空間分辨率對掃描速度的依賴。

圖1 射線脈沖示意圖Fig.1 Ray pulse diagram

雙能集裝箱檢測系統雖能按照物質性質實現粗略分類，但也存在諸多缺陷：1) 低能射線的穿透本領弱，將限制系統的物質識別能力；2) 在材料前后重疊時，雙能物質識別算法也可能失效，如高Z物質和低Z物質前后重疊時，在輻射圖像中可能被認為是中等大小的有效原子序數的物質，從而產生誤判。為減弱集裝箱外殼對內部材料識別的影響，文獻[22-23]分別提出了虛擬剝離算法和動態材料辨別算法。

3 雙視角透視成像技術

大型客體輻射圖像分析的一項主要障礙是由于裝載物品的多樣性及堆放形式的復雜性而產生的圖像結構復雜性，這對于檢查人員提出了很高的要求，尤其是在圖像分析時間很短的情況下。事實證明，同一貨物的多個視圖對于解決圖像結構復雜性問題是非常有利的，如雙視角成像技術。

圖2 雙視角集裝箱檢測系統示意圖Fig.2 Diagram of dual-perspective container inspection system

根據射線源及探測裝置的不同布置，雙視角成像系統主要有兩類設計方案，如圖2所示。方案a：采用兩個不同位置上的獨立射線源、兩組探測器陣列，但由于采用兩套輻射成像系統，其存在系統生產、運行、維護及輻射防護等成本較高的問題。方案b：采用1個射線源和雙狹縫準直器，產生兩個具有一定夾角θ的扇形射線束，配合兩組探測器陣列實現雙視角成像分析。

圖3 雙視角集裝箱檢測系統虛擬3D圖像Fig.3 Virtual 3D image generated by dual-perspective container inspection system

經驗表明，當圖像分析時間很短時，檢查人員通常很難綜合分析兩幅截然不同的圖像并做出準確判斷，特別是對于大型客體的復雜圖像。因此，雙視角成像技術需設計特殊的圖像分析算法。2002年，Evans[24]提出了一種單X射線源雙視角立體成像算法，將輻射圖像分為6層，通過兩幅圖像的視差分析和殘差分析，識別并剔除大型物體，突出顯示小型物體。2007年，澳大利亞科學與工業研究組織與同方威視合作研發的AC6015XN系統[25]應用了這一技術。2012年，薛岳等[26]提出一種基于60Co單射線源的雙視角虛擬3D成像技術，其成像原理為：當θ滿足一定范圍(一般為5～10°)時，根據潘農融合區理論，將左、右視圖調制后分別投射到人的左、右眼中，大腦將其融合為單一立體圖像并提取深度信息，從而消除透視投影的重疊模糊，達到立體觀測效果。通常可采用色差法(圖3)、偏振法或快門交替法投射左右視圖，該方法直觀、迅速，可大幅提高圖像觀測效率。苗積臣等[27]提出了一種解析算法，可提高可疑物體的定位精度和掏箱檢查效率。目前，清華大學核能與新能源技術研究院研制的雙視角60Co集裝箱檢測系統已在多個口岸裝備運行。

4 背散射成像技術

康普頓散射是X/γ射線與物質的主要相互作用方式之一，其中，散射角θ為180°左右的散射過程稱為背散射。背散射成像是通過探測物體表層背散射光子強度的空間分布來進行成像分析的技術。背散射成像原理如圖4a所示，利用筆形射線束照射物體，若不考慮多次相互作用過程，則在距物體表面l范圍內產生并進入探測器的背散射光子數為：

dNs=(N0e-μ l)σΩ(ρesdl)e-μ′l/cos θ

(3)

(4)

背散射光子強度與被檢客體的ρe及μ、μ′等密切相關。ρe=NAρZ/A，其中，NA為阿伏伽德羅常數，ρ、Z和A分別為物質的密度、原子序數和原子質量。由于低原子序數物質的Z/A較大，且對射線的衰減較弱，探測器陣列將記錄到更多的散射光子，所以背散射圖像對低原子序數物質(如有機物等)具有自動加亮功能，該特點有利于識別塑性武器、爆炸物、毒品等高危物品；另一方面，由于背散射光子能量較低，產生于物體深處的背散射光子難以透射物體并被探測器接收，所以背散射成像更適用于讀取被檢客體的淺表層信息。

目前，背散射成像技術主要有兩類設計方案：點掃描(筆形射線束)和線掃描(扇形射線束)。圖4b為美國AS&E公司提出的飛點掃描技術[28]，即通過飛輪上的發射狀準直器輸出筆形射線束對被檢客體進行周期性垂直掃描，利用位于被檢客體兩側的探測器分別對散射光子及透射光子進行測量，再配合被檢客體或掃描裝置的平移運動，同時獲得二維透視圖像和背散射圖像。圖4c為清華大學核能與新能源技術研究院為提高成像速度、增加可探測深度而提出的設計方案，采用鈷源發射的扇形射線束對被檢客體進行線掃描，并用配備柵形準直器的陣列探測器來記錄物體不同位置處的背散射光子數，生成背散射圖像[29-30]。

考慮到透視成像對高密度物質具有較高的辨識能力且穿透本領較高，而背散射成像技術很好地利用了X射線對弱吸收物質成像的能力，所以通常將兩種成像技術相結合，以獲得更豐富的被檢客體的特征信息[17]。此外，由于背散射成像的射線源及探測器位于被檢客體的同一側，因此可將輻射探測系統與可移動裝置結合，組合成移動式檢測系統，利用其隱蔽性和機動性進行突發應急檢查和反恐排查等。

圖4 背散射成像原理示意圖Fig.4 Diagram of backscatter imaging

5 CT成像技術

無論是透視成像技術還是背散射成像技術，由于成像原理的限制，均存在圖像形變失真或物體影像重疊等問題，難以清晰地呈現出集裝箱內復雜的結構信息。由于CT成像技術能提供清晰的三維結構信息，消除物體重疊的影響；根據CT圖像灰度和材料密度的相關性可進行物性判別，有助于提高安全檢查的準確率。

CT成像算法主要有兩類： 1) 基于中心切片定理的解析重建算法，主要有濾波反投影、超短掃描、PI線重建、Cone-parallel、FDK等近似的三維圖像重建算法及Katsevich等精確的三維圖像重建算法；2) 迭代重建算法，即將圖像重建問題等效為線性方程組求解問題，通過建立物理模型、引入先驗知識、迭代計算等過程獲得最優解，主要有代數迭代、統計迭代及基于稀疏表示的迭代重建算法等[17，31]。2003年，清華大學核能與新能源技術研究院研制成功60Co集裝箱CT檢測系統1∶1規模樣機[11，32]，旨在對進出機場等重要場合的大型客體(集裝箱、車輛等)進行爆炸物等危險品檢查，尤其是能對車輛底盤等傳統輻射成像技術難以識別的復雜組合部位進行清晰成像。

傳統透視成像檢測系統的通過率一般為30 TEU/h，而CT技術的發展始終受到成像速度慢(主要是掃描過程)的制約。對于大型海運集裝箱，尤其是內部結構復雜、高原子序數物質堆疊較多的情況下，部分探測器輸出信號將可能趨近于0，相當于部分信號采集通道失效，這將導致重建圖像中出現較多偽影，嚴重影響圖像分析能力。Fuchs等[33]嘗試應用基于壓縮感知理論的迭代算法實現基于少數投影的CT圖像重建；Mouton等[34]對比分析了4類主流CT金屬偽影校正算法對行包安檢圖像的改善效果，并提出通過非局部去噪、閾值約束方法進行金屬偽影校正。上述措施有助于增強大型客體CT檢測的適用性，拓展其應用范圍，目前該類設備最可能應用于特殊場所的二次掃描或重點排查。

6 雙能CT和能譜成像技術

單能CT重建圖像能反映物體內部的三維結構及密度信息，但密度不是物質的唯一屬性。為了能更為細致準確地進行被檢物體的分類，雙能CT及能譜成像等技術應運而生。雙能CT利用雙能射線束對物體進行三維掃描，結合雙能分解和CT重建算法獲得被檢物質的有效原子序數和電子密度的空間分布。常用的雙能分解算法為雙效應分解算法和基材料分解算法，雙能CT重建算法主要有前處理重建算法[35]、后處理重建算法[36]和迭代重建算法[37-39]。由于大部分物品的有效原子序數和電子密度是確定的，且爆炸物、毒品等違禁品明顯處于和常見物品不同的區域[17]，雙能CT可更準確地發現并定位被檢客體中隱藏的違禁品，實現自動智能檢測及報警功能。

隨著具有能量分辨能力的光子計數探測器等技術的發展，人們提出了能譜成像技術。相對于雙能CT成像技術，能譜成像可利用完全沒有重疊的不同能區進行成像分析，得到的探測數據更加接近單能的情況，極大地克服了能譜硬化的影響，有助于獲得更精確的有效原子序數和電子密度的空間分布，從而提高物質識別的準確度，實現自動智能查驗。但能譜成像技術的關鍵在于獲得每種能量X射線的衰減情況，即能譜曲線。在低能區段內，物質對X射線的衰減系數基本由光電吸收系數所決定，散射光子的影響可忽略，因此，可認為探測器記錄到的光子數就是對應能量的透射光子數；而在中能區段內，康普頓散射占優勢，探測器難以準確區分散射光子和透射光子。因此，利用寬譜X射線的能譜成像技術在采用低能射線的醫學檢查和行包安檢中具有很大的應用價值，而在大型客體檢測領域卻困難重重，還需創新突破。

7 快中子成像技術

當窄束單能中子穿過單一物質時，中子注量率的變化遵循指數衰減規律：

I=BI0e-Σx

(5)

式中：I0、I分別為入射和出射的中子注量率；Σ為物質對入射中子的吸收系數(宏觀截面)；x為中子束穿過的物體厚度；B為中子散射積累因子。

根據中子透射被檢客體后的衰減情況，獲得反映其內部結構及成分信息的圖像，這就是中子照相技術。目前，熱中子照相技術較成熟，在各領域中的應用也最為普遍。與快中子相比，熱中子能量較低，穿透能力有限；熱中子照相一般采用反應堆中子源，而小型化、高通量熱中子源很難實現。所以，在大型客體安全檢測領域，主要研究快中子照相技術。

與X/γ射線的衰減系數隨物質原子序數單調遞增不同，中子只對特定的元素敏感。一些低原子序數的物質(如H、3He、6Li、10B等)和少數高原子序數的物質(Cd、Ga、In、Ag等)對中子有很大的吸收系數，而大多數高原子序數的物質(Fe、Pb、U等)對中子的吸收系數卻較小。因此，中子照相技術更易檢查出重金屬等高原子序數材料中包裹的低原子序數物質(有機物、炸藥、毒品等)。

由于中子與X/γ射線成像技術存在一定的互補關系，快中子與X/γ射線相結合的成像技術被提出。當不考慮散射影響時，中子及高能X(或γ)射線與單一物質相互作用截面的比值為：

(6)

式中：μn、μX分別為物質對中子和X/γ射線的吸收系數；In0、In分別為中子束穿過物質前后的中子強度；IX0、IX分別為X/γ射線穿過物質前后的射線強度。

文獻[25，44]給出的多種常見物質的比值R的實驗數據顯示，與雙能X射線成像技術相比，中子/γ射線成像技術對低原子序數物質的區分具有顯著優勢。2005年，澳大利亞CSIRO研制的第1臺中子/γ射線航空集裝箱檢測系統商業樣機在布里斯班國際機場建成，并開展測試；2007年，CSIRO與同方威視聯合研發了快中子/X射線成像系統AC6015XN，現已滿足商業應用條件[25]。

目前，爆炸物、毒品等違禁品的自動識別是集裝箱檢查領域的一項亟須解決的技術難題，其關鍵在于組成元素及含量分析。二者主要由C、H、O、N等4種元素組成，爆炸物一般富含N、O，毒品一般富含H、C[45]。瞬發伽馬快中子分析是工業領域成分分析的重要手段，但其靈敏度對中子注量率的依賴性較強，且散射中子有可能引起新的活化過程，導致活化分析的空間分辨率變差。由于在1～10 MeV能區內，4種元素對中子存在明顯的共振吸收現象，利用共振峰的位置、通量變化與元素的對應關系，可準確測定感興趣核素的分布及含量，即快中子共振照相，該技術將有助于提高對隱藏危險品的準確檢測能力。近年來，諸多學者采用中低能緊湊型中子源及高能白光中子源進行了中子共振照相實驗測試[46-48]。

盡管存在多種中子成像方法[49]，但在公共安全檢查領域尚未獲得廣泛應用。除了受到潛在的中子活化威脅、中子屏蔽困難等因素限制外，小型化低成本高通量的可靠中子源，具有注量分布均勻且γ射線污染程度低等優良特性的快中子準直束，兼顧探測效率、空間分辨率和能量分辨率的高性能探測器及現有的X射線安全檢測系統的成熟程度等均是關鍵的制約因素。由于每種成像技術均有其局限性，運用復雜技術的昂貴系統應融合多種分析手段，利用所有可用信息，以獲得最佳的檢測性能。如充分利用中子傳輸、前向散射、背向散射和非彈性散射(包括發射的γ光子)之間的關聯，提供一種技術融合解決方案[45，50]。Lehnert等[51]在技術融合方面開展了模擬分析，采用11組中子、γ探測器環繞布置，獲得了初步的分析結果。

8 總結及展望

本文對集裝箱檢查中輻射成像技術及其應用研究進行系統性的介紹，對各種技術的成像原理、技術特點、研究進展等進行了概括整理，并對新技術的發展趨勢進行了分析。

隨著全球貿易活動的不斷增加及反恐形勢的加劇，各類場所對集裝箱檢查率、檢查速度、物質識別能力等提出更高的要求。因此，新型探測器、自動識別和物性判別技術將是未來的研究熱點。具有光子計數能力的探測器技術的發展，有助于改善查驗系統的檢測性能，并推動能譜成像技術的應用，提高物質識別的準確性。由于雙能或能譜CT技術具有較高的材質識別能力，將有可能在二次掃描或機場等特殊場合中獲得更大的應用空間。快中子/X射線成像技術在物質識別方面具有不錯的表現，但由于系統安全性和成本等原因，該類系統尚未得到推廣；快中子共振照相及其他中子成像分析技術還將受制于中子源、探測器、成像分析算法等，短期內在集裝箱檢查領域也難以獲得大的突破。為滿足未來實現集裝箱100%安全檢查的需求，自動識別技術將受到廣泛關注，但是自動識別的能力及可信度不僅依賴于成像技術，還受限于自動識別算法。由于成像原理的限制，各類成像技術在查驗速度、查驗準確率、空間分辨率、穿透本領、物質識別能力、輻照劑量、禁區面積、設備制造及維護成本等方面均存在不同程度的局限性，多種技術的融合及多層次分級查驗也將是未來集裝箱/車輛等大型客體檢查的發展趨勢之一。