辐射探测装置、方法以及数据处理方法和处理器与流程

本发明涉及辐射探测技术领域，特别是一种辐射探测装置、方法以及数据处理方法和处理器。

背景技术：

在辐射探测成像系统的应用中，往往需要探测尺寸、物质种类有很大差距的物品。当被测物体的质量厚度较大时，探测器接收到的散射X射线较多，甚至散射信号强度可能会大于透射信号强度，干扰严重，影响辐射探测成像系统的物质分辨能力。

现有技术中往往通过提高入射射线能量或增大射线剂量的方式来保证探测效果。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提出一种提高探测识别度的辐射探测方案。

根据本发明的一个方面，提出一种辐射探测装置，包括：射线探测器；与射线探测器相连接的高速ADC(Analog-to-Digital Converter，模数转化器)；和，与高速ADC连接的数据处理器；其中，射线探测器把透射X射线与闪烁体作用后产生的光信号转化为电信号；高速ADC对电信号进行波形采样，获取波形数据并发送给数据处理器；数据处理器根据波形数据确定单光子信号个数，根据单光子信号个数确定采用波形数据的积分信号和/或计数信号进行成像。

可选地，射线探测器包括SiPM(Silicon photomultiplier，硅光电倍增管)射线探测器。

可选地，数据处理器根据单光子信号个数确定采用波形数据的积分信号和/或计数信号进行成像包括：数据处理器将单光子信号个数与预定低门限和预定高门限比较；若单光子信号个数小于预定低门限，则将波形数据的积分信号作为成像信号，以便根据积分信号成像；若单光子信号个数大于预定高门限，则将波形数据的计数信号作为成像信号，以便根据计数信号成像；若单光子信号个数介于预定低门限和预定高门限之间，则将计数信号和积分信号的加权值作为成像信号进行成像。

可选地，数据处理器根据波形数据确定单光子信号个数包括：数据处理器根据波形数据获取单光子信号识别参数，单光子信号识别参数包括波峰幅度、波峰个数和/或积分面积大小；数据处理器根据单光子信号识别参数确定波形数据中的单光子信号个数。

可选地，数据处理器对超过预定幅度阈值的脉冲波形数据信号求和，获得波形数据的积分信号。

可选地，数据处理器对超过预定幅度阈值的脉冲波形数据信号寻峰确定脉冲个数和脉冲幅度，获得波形数据的计数信号。

可选地，还包括：位于射线探测器与高速ADC之间的快速放大器；快速放大器将来自射线探测器的电信号进行放大处理后发送给高速ADC。

可选地，还包括：与SiPM射线探测器相连接的温度补偿器；温度补偿器根据SiPM射线探测器的温度变化调整SiPM射线探测器的工作偏置电压。

可选地，数据处理器包括计数器、积分器、比较器、加法器和乘法器。

可选地，数据处理器包括FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)。

由于在穿透质量厚度小的物质时积分信号强，当穿透质量厚度大的物质时，信号积分特征弱，计数信号强，这样的装置能够根据波形数据确定单光子信号个数，通过单光子信号个数判断被测物体的质量厚度，进而判断采用波形数据的积分信号、计数信号或者将两者相结合进行成像，从而提高对不同质量厚度的被测物体的辐射探测成像质量，提高探测识别度。

根据本发明的另一个方面，提出一种辐射探测方法，包括：射线探测器获取透射X射线并转化为电信号；对电信号进行波形采样，获取波形数据；根据波形数据确定单光子信号个数；根据单光子信号个数确定采用波形数据的积分信号和/或计数信号进行成像。

可选地，射线探测器包括SiPM射线探测器。

可选地，根据单光子信号个数确定采用波形数据的积分信号和/或计数信号进行成像包括：将单光子信号个数与预定低门限和预定高门限比较；若单光子信号个数小于预定低门限，则将波形数据的积分信号作为成像信号，以便根据积分信号成像；若单光子信号个数大于预定高门限，则将波形数据的计数信号作为成像信号，以便根据计数信号成像；若单光子信号个数介于预定低门限和预定高门限之间，则将计数信号和积分信号的加权值作为成像信号进行成像。

可选地，根据波形数据确定单光子信号个数包括：根据波形数据获取单光子信号识别参数，单光子信号识别参数包括波峰幅度、波峰个数和/或积分面积大小；根据单光子信号识别参数确定波形数据中的单光子信号个数。

可选地，还包括：对超过预定幅度阈值的脉冲波形数据信号求和，获得波形数据的积分信号；对超过预定幅度阈值的脉冲波形数据信号寻峰确定脉冲个数和脉冲幅度，获得波形数据的计数信号。

可选地，还包括：通过快速放大器将来自射线探测器的电信号进行放大处理后发送给高速ADC。

可选地，还包括：根据SiPM射线探测器的温度变化通过温度补偿器调整SiPM射线探测器的工作偏置电压。

通过这样的方法，能够根据波形数据确定单光子信号个数，通过单光子信号个数判断被测物体的质量厚度，进而判断采用波形数据的积分信号、计数信号或者将两者相结合进行成像，从而提高对不同质量厚度的被测物体的辐射探测成像质量，提高探测识别度。

根据本发明的又一个方面，提出一种辐射探测数据处理器，包括：单光子信号个数确定单元，用于根据波形数据确定单光子信号个数；成像信号确定单元，用于根据单光子信号个数确定采用波形数据的积分信号和/或计数信号进行成像。

可选地，成像信号确定单元具体用于：将单光子信号个数与预定低门限和预定高门限比较；若单光子信号个数小于预定低门限，则将波形数据的积分信号作为成像信号，以便根据积分信号成像；若单光子信号个数大于预定高门限，则将波形数据的计数信号作为成像信号，以便根据积分信号成像；若单光子信号个数介于预定低门限和预定高门限之间，则将计数信号和积分信号的加权值作为成像信号进行成像。

这样的数据处理器能够根据波形数据确定单光子信号个数，通过单光子信号个数判断被测物体的质量厚度，进而判断采用波形数据的积分信号、计数信号或者将两者相结合进行成像，从而提高对不同质量厚度的被测物体的辐射探测成像质量，提高探测识别度。

根据本发明的再一个方面，提出一种辐射探测数据处理方法，包括：根据波形数据确定单光子信号个数；根据单光子信号个数确定采用波形数据的积分信号和/或计数信号进行成像。

可选地，根据单光子信号个数确定采用波形数据的积分信号和/或计数信号进行成像包括：将单光子信号个数与预定低门限和预定高门限比较；若单光子信号个数小于预定低门限，则将波形数据的积分信号作为成像信号，以便根据积分信号成像；若单光子信号个数大于预定高门限，则将波形数据的计数信号作为成像信号，以便根据积分信号成像；若单光子信号个数介于预定低门限和预定高门限之间，则将计数信号和积分信号的加权值作为成像信号进行成像。

可选地，根据波形数据确定单光子信号个数包括：根据波形数据获取单光子信号识别参数，单光子信号识别参数包括波峰幅度、波峰个数和/或积分面积大小；根据单光子信号识别参数确定波形数据中的单光子信号个数。

通过这样的方法，能够根据波形数据确定单光子信号个数，通过单光子信号个数判断被测物体的质量厚度，进而判断采用波形数据的积分信号、计数信号或者将两者相结合进行成像，从而提高对不同质量厚度的被测物体的辐射探测成像质量，提高探测识别度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的辐射探测装置的一个实施例的示意图。

图2为本发明的辐射探测数据处理器的一个实施例的示意图。

图3为本发明的辐射探测装置的另一个实施例的示意图。

图4为本发明的辐射探测装置的又一个实施例的电路原理示意图。

图5为本发明的辐射探测装置的再一个实施例的应用场景示意图。

图6为本发明的辐射探测方法的一个实施例的流程图。

图7为本发明的辐射探测数据处理方法的一个实施例的流程图。

图8为本发明的辐射探测方法的另一个实施例的流程图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明的辐射探测装置的一个实施例的示意图如图1所示。其中，射线探测器101在X射线透射探测过程中把透射X射线与闪烁体作用后产生的光信号转化为电信号；高速ADC102对电信号进行波形采样，获取波形数据并发送给数据处理器；数据处理器103根据波形数据确定单光子信号个数，根据单光子信号个数确定采用波形数据的积分信号、计数信号或用两者的加权值进行成像显示。在一个实施例中，数据处理器103可以先根据波形数据获取积分信号以及计数信号，再根据波形数据确定单光子信号个数。由于X射线穿透质量厚度较小的物质时单光子信号个数少且积分信号强；当穿透质量厚度较大的物质时单光子信号个数相对较多且信号积分特征弱，计数信号强，因此根据单光子信号个数选择与被测物质质量厚度对应的较强的信号进行显示。在一个实施例中，数据处理器103可以为FPGA，也可以由计数器、积分器、比较器、加法器、乘法器连接配置而成。

这样的装置能够根据波形数据确定单光子信号个数，通过单光子信号个数判断采用波形数据的积分信号、计数信号或者将两者相结合进行成像，从而提高对不同质量厚度的被测物体的辐射探测成像质量，提高探测识别度。

本发明的辐射探测数据处理器的一个实施例的示意图如图2所示。其中，单光子信号个数确定单元201能够根据波形数据确定单光子信号个数。成像信号确定单元202能够根据单光子信号个数确定采用波形数据的积分信号、计数信号或兼顾两者进行成像，如在检测到单光子特征信号少时以积分信号为主进行成像，在检测到较多单光子信号时以计数信号为主进行成像。

这样的数据处理器能够根据波形数据确定单光子信号个数，通过单光子信号个数判断被测物体的质量厚度，进而判断采用波形数据的积分信号、计数信号或者将两者相结合进行成像，从而提高对不同质量厚度的被测物体的辐射探测成像质量，提高探测识别度。

一个实施例中，成像信号确定单元202能够将单光子信号个数与预定低门限和预定高门限比较，预定高门限和预定低门限可以由配置人员根据经验、实际应用进行配置和调整。

若单光子信号个数小于预定低门限，则说明被测物体质量厚度较小，积分信号较强，可以将波形数据的积分信号作为成像信号，以便成像装置根据积分信号进行成像。

若单光子信号个数大于预定高门限，则说明被测物体质量厚度较大，计数信号较强，可以将波形数据的计数信号作为成像信号，以便成像装置根据计数信号进行成像。

若单光子信号个数介于预定低门限和预定高门限之间，则将计数信号和积分信号的加权值作为成像信号进行成像。在一个实施例中，可以根据公式：

Z＝A*X+B*Y

确定成像信号Z。其中，X为计数信号，Y为积分信号，A为计数信号的权值，B为积分信号的权值。在一个实施例中，A、B可以是配置人员根据经验、实际应用配置和调整的定值，也可以是与单光子信号个数成一定运算关系的数值，A与单光子信号个数正相关，B与单光子信号个数负相关。成像信号确定单元202可以基于预定策略根据单光子信号个数计算得到A、B，进而计算得到成像信号Z。

这样的数据处理器能够根据预定低门限和预定高门限对单光子信号个数进行定量判断，确定成像信号，从而提高判断的准确度，确定最为适合用于成像的信号，优化成像效果。

在一个实施例中，单光子信号个数确定单元201可以根据波形数据获取单光子信号识别参数，单光子信号识别参数包括波峰幅度、波峰个数、积分面积大小等；再根据单光子信号识别参数确定波形数据中的单光子信号个数，如若积分面积小于预定面积阈值，波峰幅度小于预定单光子幅度阈值等时，则认为出现单光子信号。

这样的数据处理器能够根据波形数据确定单光子信号个数，以便根据单光子信号个数判断被测物体的质量厚度，进而判断采用波形数据的积分信号、计数信号或者将两者相结合进行成像。

在一个实施例中，射线探测器可以包括SiPM射线探测器。在一个实施例中，可以采用纯碘化铯或钨酸铅闪烁体耦合SiPM，多个闪烁体排列成线阵列或面阵列，与同等间距排列的多个SiPM耦合成探测器部件。在探测过程中，从X射线发生器发射出来的X射线通过被测物体后，与探测器(纯碘化铯或钨酸铅晶体阵列)相互作用产生光子，光子被SiPM吸收倍增后转换为电荷信号，通过处理该电荷信号进行成像。在一个实施例中，可以在射线探测器的中间位置等预定灵敏区域布置更多的、更密集的SiPM元件，从而增加灵敏区的探测像素，进一步提高成像的精准度。

在射线探测成像系统中，穿透力是衡量系统性能的重要指标，而光电器件和闪烁体是影响系统穿透力指标的重要因素之一。选择合适的光电器件和闪烁体对提高成像系统的穿透力指标具有重要作用。目前传统的X射线探测器多采用“闪烁体耦合光电二极管”，但是传统的光电二极管不能甄别出散射X射线，无法降低散射对成像的影响，同时其测量范围较小。SiPM由于极高的灵敏度受到重视，已在单光子计数领域得到迅速应用。通过闪烁体耦合SiPM的方式，利用SiPM的倍增功能进行X射线探测成像，能够提升图像中的信噪比；SiPM具备单光子的探测能力，散射信号与有用信号能谱具有显著的区别，因此能够更好的甄别出单光子信号，从而便于选择积分、计数信号进行成像，提高了辐射探测装置的抗干扰能力，提升图像的清晰程度，提高系统的物质分辨能力，同时，与现有技术相比，可以在保证成像效果的前提下降低X射线剂量，降低辐射防护要求，提高安全性且达到节能的效果。

在一个实施例中，采用SiPM射线探测器时，数据处理器还能够根据波形数据计算积分信号和计数信号。可以设置预定幅度阈值，低于预定幅度阈值的波形数据可以认为是散射信号数据，在生成积分信号和计数信号时，需要排除散射信号数据的影响。数据处理器可以对超过预定幅度阈值的脉冲波形数据信号求和，获得波形数据的积分信号；对超过预定幅度阈值的脉冲波形数据信号寻峰确定脉冲个数和脉冲幅度，获得波形数据的计数信号。

由于X射线穿透较大物质质量厚度后，射线得到硬化，有用信号的能量沉积高，往往大于1MeV，散射信号能量较低，一般在0.2MeV以下，SiPM具备单光子的探测能力，因此数据处理器能够甄别出散射信号数据并在计算积分信号和计数信号时进行排除，从而提升成像的准确度。

在一个实施例中，数据处理器可以先确定单光子信号个数，确定成像信号的种类，进而选择性的生成积分信号、计数信号，从而减少数据的运算量和存储量，且提高处理效率。

在一个实施例中，数据处理器也可以先生成积分信号和计数信号，再根据成像信号的种类在已生成的信号中进行选择。数据处理器可以包括FPGA单元和计算机处理装置，由FPGA单元进行采样数据缓存，生成积分信号和计数信号，并将积分信号、计数信号以及波形数据发送给计算机处理装置；计算机处理装置根据波形数据确定单光子信号个数，进而根据确定的成像信号的种类在积分信号和计数信号中选择或计算成像信号。这样的装置能够在现有的FPGA单元基础上进行改进，利用计算机处理装置实现数据处理，易于实现。

本发明的辐射探测装置的另一个实施例的示意图如图3所示。其中，射线探测器301与高速ADC302之间包括快速放大器304。快速放大器304能够将来自射线探测器的电信号进行放大处理后发送给高速ADC，从而保证高速ADC能够进行波形采样，提高波形数据质量，保证数据处理器303的数据处理的准确度。在一个实施例中，射线探测器301还可以连接温度补偿器305。在一个实施例中，温度补偿器305可以通过FPGA实现。由于SiPM对温度敏感，SiPM的增益也与其偏置电压相关，温度补偿器305能够根据SiPM的温度变化调整其偏置电压，从而实现对SiPM的增益进行校正，维持增益恒定，提高探测的准确度。

本发明的辐射探测装置的又一个实施例的电路原理示意图如图4所示。其中，辐射探测装置可以分为探测器模块40和控制模块41，由时序、控制电路42进行探测器模块40和控制模块41的时序同步控制，时序控制指令可以由FPGA设备404产生。探测器模块40包括SiPM射线探测器401、快速放大器402、高速ADC403、FPGA设备404，通过接口电路405与控制模块41的接口电路411相连接。控制模块41的控制、网络传输模块412能够通过时序、控制电路42向探测器模块40下发控制指令，并将从FPGA设备404获取的数据通过网络，如千兆以太网或光纤网络，发送给计算机43进行进一步数据处理、显示。FPGA设备404可以只进行波形数据积分、计数操作，得到积分信号和计数信号，将积分信号、计数信号和波形数据发送给计算机43，由计算机43确定成像信号并成像，从而降低对硬件电路的要求，提高硬件反应速度且易于实现；FPGA设备404也可以直接确定成像信号并发送到计算机43，计算机43只起到显示器的作用，这样的装置达到了更好的设备集成效果，更加适用于可移动的测试环境，且提高了用户友好度。

本发明的辐射探测装置的再一个实施例的应用场景示意图如图5所示。其中，被测物体502位于X射线源501与SiPM射线探测器503之间，保证SiPM射线探测器503更好的获取透射射线。X射线源501产生的X射线透射穿过被测物体502，到达SiPM射线探测器503。SiPM射线探测器503将探测结果发送给高速ADC504进行波形采样后发送给数据处理器505进行处理，数据处理器505根据波形数据确定单光子信号个数，根据单光子信号个数确定采用波形数据的积分信号、计数信号或用两者的加权值进行成像显示。

这样的装置能够根据波形数据确定单光子信号个数，进而判断采用波形数据的积分信号、计数信号或者将两者相结合进行成像，从而提高对不同质量厚度的被测物体的辐射探测成像质量。

本发明的辐射探测方法的一个实施例的流程图如图6所示。

在步骤601中，在X射线透射探测过程中把透射X射线与闪烁体作用后产生的光信号转化为电信号。

在步骤602中，对电信号进行波形采样，获取波形数据。

在步骤603中，根据波形数据确定单光子信号个数。

在步骤604中，根据单光子信号个数确定采用波形数据的积分信号、计数信号或用两者的加权值进行成像显示。由于X射线穿透质量厚度较小的物质时单光子信号个数少且积分信号强；当穿透质量厚度较大的物质时单光子信号个数多且积分信号弱，计数信号强，因此可以根据单光子信号个数选择与被测物质质量厚度对应的较强的信号进行显示。

通过这样的方法，能够根据波形数据确定单光子信号个数，通过单光子信号个数判断采用波形数据的积分信号、计数信号或者将两者相结合进行成像，从而提高对不同质量厚度的被测物体的辐射探测成像质量，提高探测识别度。

本发明的辐射探测数据处理方法的一个实施例的流程图可以如图6的实施例中步骤603、604所示，先根据波形数据确定单光子信号个数，再根据单光子信号个数确定采用波形数据的积分信号、计数信号或兼顾两者进行成像，如在未检测到单光子信号时以积分信号为主进行成像，在检测到单光子信号时以计数信号为主进行成像。

通过这样的辐射探测数据处理方法，能够根据波形数据确定单光子信号个数，通过单光子信号个数判断被测物体的质量厚度，进而判断采用波形数据的积分信号、计数信号或者将两者相结合进行成像，从而提高对不同质量厚度的被测物体的辐射探测成像质量，提高探测识别度。

本发明的辐射探测数据处理方法的另一个实施例的流程图如图7所示。

在步骤701中，根据波形数据确定单光子信号个数。在一个实施例中，可以根据波形数据获取单光子信号识别参数，单光子信号识别参数包括波峰幅度、波峰个数、积分面积大小等；再根据单光子信号识别参数确定波形数据中的单光子信号个数，如若积分面积小于预定面积阈值，波峰幅度小于预定单光子幅度阈值，则认为出现单光子信号。

在步骤702中，将单光子信号个数与预定低门限和预定高门限比较。若单光子信号个数小于预定低门限，则执行步骤703；若单光子信号个数大于预定高门限，则执行步骤704；若单光子信号个数介于预定低门限和预定高门限之间，则执行步骤705。

在步骤703中，将波形数据的积分信号作为成像信号，以便成像装置根据积分信号进行成像。

在步骤704中，将波形数据的计数信号作为成像信号，以便成像装置根据计数信号进行成像。

在步骤705中，将计数信号和积分信号的加权值作为成像信号进行成像。在一个实施例中，可以根据公式：

Z＝A*X+B*Y

确定成像信号Z。其中，X为计数信号，Y为积分信号，A为计数信号的权值，B为积分信号的权值。在一个实施例中，A、B可以是配置人员根据经验、实际应用配置和调整的定值，也可以是与单光子信号个数成一定运算关系的数值，A与单光子信号个数正相关，B与单光子信号个数负相关。成像信号确定单元202可以基于预定策略根据单光子信号个数计算得到A、B，进而计算得到成像信号Z。

通过这样的方法，能够根据预定低门限和预定高门限对单光子信号个数进行定量判断，确定成像信号，从而提高判断的准确度，确定最为适合用于成像的信号，优化成像效果。

在一个实施例中，射线探测器可以包括SiPM射线探测器。在一个实施例中，可以采用纯碘化铯或钨酸铅闪烁体耦合SiPM，多个闪烁体排列成线阵列或面阵列，与同等间距排列的多个SiPM耦合成探测器部件。在一个实施例中，可以在射线探测器的中间位置等预定灵敏区域布置更多的、更密集的SiPM元件，从而增加灵敏区的探测像素，进一步提高成像的精准度。

由于SiPM的灵敏度极高，已在单光子计数领域得到迅速应用。通过闪烁体耦合SiPM的方式，利用SiPM的倍增功能进行X射线探测成像，能够提升图像中的信噪比；SiPM具备单光子的探测能力，散射信号与有用信号能谱具有显著的区别，因此能够更好的甄别出单光子信号，从而便于选择积分、计数信号进行成像，提升图像的清晰程度，提高系统的物质分辨能力，同时，与现有技术相比，可以在保证成像效果的前提下降低X射线剂量，降低辐射防护要求，提高安全性且达到节能的效果。

本发明的辐射探测方法的另一个实施例的流程图如图8所示。

在步骤801中，在X射线透射探测过程中把透射X射线与闪烁体作用后产生的光信号转化为电信号。

在步骤802中，对电信号进行波形采样，获取波形数据并发送给数据处理器。

在步骤803中，对超过预定幅度阈值的脉冲波形数据信号求和，获得波形数据的积分信号。

在步骤804中，对超过预定幅度阈值的脉冲波形数据信号寻峰确定脉冲个数和脉冲幅度，获得波形数据的计数信号

在步骤805中，根据波形数据确定单光子信号个数。

在步骤806中，根据单光子信号个数确定采用波形数据的积分信号、计数信号或用两者的加权值进行成像显示。

由于散射信号能量较低，一般在0.2MeV附近，SiPM具备单光子的探测能力，通过这样的方法，能够甄别出散射信号数据并在计算积分信号和计数信号时进行排除，提高了信噪比，提高了系统的穿透力指标，进而提升成像的准确度。

在一个实施例中，可以先确定单光子信号个数，确定成像信号的种类，进而选择性的生成积分信号、计数信号，从而减少数据的运算量和存储量，且提高处理效率。

在一个实施例中，还可以先生成积分信号和计数信号，再根据成像信号的种类在已生成的信号中进行选择。这样的处理方式更具有通用性，可以由FPGA单元生成积分信号和计数信号，并将积分信号、计数信号以及波形数据发送给计算机处理装置，由计算机处理装置根据波形数据确定单光子信号个数，进而根据确定的成像信号的种类在积分信号和计数信号中选择或计算成像信号，便于在现有的FPGA单元基础上进行改进，利用计算机处理装置实现数据处理，易于实现。

在一个实施例中，还可以先通过快速放大器将来自射线探测器的电信号进行放大处理后再发送给高速ADC进行波形采样，从而保证高速ADC能够进行波形采样，提高波形数据质量，保证数据处理的准确度和成像质量。

在一个实施例中，由于SiPM对温度敏感，SiPM的增益也与其偏置电压相关，可以利用温度补偿器根据SiPM的温度变化调整SiPM射线探测器的工作偏置电压，从而实现对SiPM的增益进行校正，维持增益恒定，提高探测的准确度。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。