Исследование влияния квантовых шумов на качество распознавания материалов методом дуальных энергий при досмотровом контроле объектов

Актуальность темы. Радиационные методы неразрушающего контроля и
диагностики на современном этапе своего развития являются высокоразвитым
научно-техническим направлением, охватывающим разнообразные сферы
жизнедеятельности человека – промышленность, медицину, досмотр (с целью
обеспечения безопасности пассажирских и грузовых перевозок) и т.д.
Для проведения досмотра, а также для дефектоскопии и диагностики
материалов и изделий на сегодняшний день широко используются, а во многих
случаях и явно преобладают по частоте применения, многоканальные
сканирующие системы цифровой рентгенографии (МССЦР). Принцип действия
данных систем состоит в том, что объект контроля (ОК) в процессе своего
перемещения просвечивается веерным пучком излучения, а прошедшее через ОК
излучение регистрируется линейкой детекторов.
В ряде задач досмотрового контроля возникает необходимость
распознавания материала ОК с целью выявления его принадлежности к классу
объектов, перемещение которых запрещено или строго регламентировано.
Требуемая эффективность досмотрового контроля во многих случаях
достигается посредством применения специализированных физических методов.
Одним из них в настоящее время является метод дуальных энергий (МДЭ).
Сущность этого метода состоит в том, что ОК подвергается просвечиванию
дважды – при двух разных напряжениях на рентгеновской трубке, а результаты
регистрации излучения обрабатываются по определенному алгоритму для
получения оценки атомного номера (либо эффективного атомного номера)
материала ОК, на основании которой принимается решение об опасности (либо
неопасности) ОК. Существуют различные модификации в реализации данного
метода, например, – однократное просвечивание ОК при одновременной
регистрации излучения двумя детекторами, которые располагаются друг за
другом по ходу рентгеновских лучей, или использование вместо рентгеновских
аппаратов высокоэнергетических источников тормозного излучения (линейные
ускорители и бетатроны).
Вполне очевидно, что совершенствование МДЭ позволит увеличить
надежность обнаружения с использованием МССЦР запрещенных предметов в
ОК, а значит – повысить уровень безопасности, что, несомненно, является весьма
актуальной задачей.
Степень разработанности темы. Исследованию реализаций МДЭ,
основанных на декомпозиции массового (либо линейного) коэффициента
ослабления излучения на составляющие, соответствующие фотоэффекту и
эффекту Комптона, посвящены работы Lehman L.A., Alvarez R.E., Macovski A.,
Brody W.R., Pelc N.J., Riederer S.J. Hall A.L., S. Chang, H. K. Lee, G. Cho,
Zhengrong Ying, Ram Naidu, Carl R. Crawford и др.
Исследованию реализаций МДЭ, основанных на декомпозиции массового
(либо линейного) коэффициента ослабления излучения на составляющие,
соответствующие коэффициентам ослабления излучения для двух выбранных
(базисных) материалов, посвящены работы S. Chang, H. K. Lee, G. Cho и др.
Исследованию высокоэнергетических реализаций МДЭ, основанных на
построении таблиц соответствия между параметрами объекта (атомный номер и
массовая толщина) и его радиационными прозрачностям для низкой и высокой
максимальных энергиях, посвящены работы Огородникова С.А., Петрунина В.И.,
Гавриша Ю.Н., Бердникова Я.А., Спирина Д.О., Передерия А.Н., Сафонова М.В.,
И.В. Романова И.В и др.
Исследованию высокоэнергетических реализаций МДЭ, основанных на
декомпозиции массового (либо линейного) коэффициента ослабления излучения
на составляющие, соответствующие эффекту Комптона и эффекту рождения пар,
посвящены работы Осипова С. П., Чахлова С.В., Штейна А.М. и др.
Исследованию неоднозначности распознавания материалов по атомному
номеру высокоэнергетическим МДЭ (на основе линейных ускорителей
электронов или бетатронов) посвящены работы Sanjeevareddy Kolkoori, Norma
Wrobel, Andreas Deresch, Bernhard Redmer, Uwe Ewert, Спирина Д.О., Бердникова
А.Я., Маркова С.И., Сафонова А.С, Ишханова Б.С., Курилика А.С., Руденко Д.С.,
Стопани К.А., Шведунова В.И. и др.
Исследованию проблематики оценки эффективного атомного номера
материала многокомпонентного объекта посвящены работы Park J.S., Kim J.K.,
Alves H., Lima I., Lopes R.T., Anne Bonnin, Philippe Duvauchelle, Valérie
Kaftandjian, Pascal Ponard., Taylor M.L., Smith R.L., Dossing F., Franich R.D.,
Горшкова В.А. и др.
Качество распознавания материалов методом дуальных энергий
определяется большой совокупностью разнообразных факторов, среди которых
одним из наиболее существенных является наличие статистических флуктуаций
результатов регистрации излучения, обусловленных квантовой природой
излучения (квантовые шумы). Несмотря на отдельные значимые результаты
различных авторов, исследовавших в той или иной степени влияние квантовых
шумов на точность определения атомного номера материала ОК с помощью МДЭ,
на сегодняшний день в научной литературе не представлен детально описанный
алгоритм для оценки такого влияния. Разработка такого алгоритма является
весьма важной задачей, неразрывно связанной с созданием более эффективных
систем рентгеновского досмотрового контроля и с разработкой обоснованных
правил их практического применения.
Объект исследования – МССЦР для досмотрового контроля объектов.
Предмет исследования – распознавание материалов методом дуальных
энергий при радиационном контроле объектов с использованием МССЦР.
Цель работы – количественная оценка влияния квантовых шумов на
качество распознавания материалов методом дуальных энергий при досмотровом
контроле с использованием МССЦР.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
основные задачи:
1. Разработать математическую модель изображения, сформированного
МССЦР, которая учитывает трансформацию энергетического спектра
рентгеновского излучения объектом контроля и шум, обусловленный квантовой
природой излучения.
2. Провести сравнительный анализ различных определений понятия
эффективного атомного номера материала многокомпонентного объекта.
3. Разработать математическую модель радиационной прозрачности объекта
контроля с учѐтом квантового шума.
4. Разработать алгоритм статистической оценки влияния квантовых шумов
на качество распознавания материалов контролируемых объектов методом
дуальных энергий.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработана математическая модель изображения, сформированного
МССЦР, которая учитывает трансформацию энергетического спектра
рентгеновского излучения объектом контроля и шум, обусловленный квантовой
природой излучения.
2. Разработана математическая модель радиационной прозрачности объекта
контроля с учѐтом квантового шума.
3. Предложено понятие множества допустимых решений для метода
дуальных энергий, которое учитывают технические возможности системы
досмотрового контроля и ее назначение.
4. Разработан алгоритм статистической оценки влияния квантовых шумов
на качество распознавания материалов контролируемых объектов методом
дуальных энергий.
Практическая значимость работы заключается в возможности
использования разработанного алгоритма для оценки потенциальной точности
метода дуальных энергий, определяемой квантовыми шумами, при распознавании
материалов контролируемых объектов с использованием МССЦР.
Методы исследования. При решении поставленных задач использованы:
методы решения систем интегрально-параметрических уравнений; методы теории
вероятностей и математической статистики; методы математического
моделирования; методы обработки экспериментальных данных.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель изображения, сформированного МССЦР, которая
учитывает немоноэнергетичность рентгеновского излучения и квантовый шум.
2. Формальные определения понятия эффективного атомного номера
применительно к материалу многокомпонентного объекта с известной массовой
толщиной для случаев его однократного или двукратного просвечивания
немоноэнергетическим излучением.
3. Математическая модель экспериментальной радиационной прозрачности
объекта контроля.
4. Понятие множества допустимых решений для метода дуальных энергий с
использованием нижних и верхних порогов, устанавливаемых для эффективного
атомного номера распознаваемых материалов и их радиационных прозрачностей.
5. Алгоритм статистической оценки влияния шумов, обусловленных
квантовой природой излучения, на качество распознавания материалов
контролируемых объектов методом дуальных энергий.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов
обеспечена корректным использованием математического аппарата и основных
положений взаимодействия рентгеновского излучения с веществом, а также их
согласованностью с экспериментальными данными и результатами, полученными
другими исследователями. В процессе расчетов и анализа математических
зависимостей применялось сертифицированное программное обеспечение,
позволяющее обрабатывать информацию.
Личный вклад автора заключается: в разработке математической модели
изображения, сформированного МССЦР, с учетом немоноэнергетичности
рентгеновского излучения и квантового шума; в формальных определениях
понятия эффективного атомного номера применительно к материалу
многокомпонентного объекта с известной массовой толщиной для случаев его
однократного или двукратного просвечивания немоноэнергетическим
излучением.; в разработке математической модели радиационной прозрачности
объекта контроля с учѐтом квантового шума и обработке экспериментальных
данных с целью ее проверки; в предложенном понятии множества допустимых
решений для метода дуальных энергий; в разработке алгоритма статистической
оценки влияния квантовых шумов на качество распознавания материалов
контролируемых объектов методом дуальных энергий; в проведении
математического моделирования с целью апробации разработанного алгоритма
применительно к досмотровому контролю с использованием МССЦР.
Реализация результатов работы. Результаты выполненных исследований
использованы: при чтении курса лекций и проведении практических занятий для
студентов по дисциплинам «Радиационные методы контроля», «Радиационный
контроль и диагностика» отделения контроля и диагностики ИШНКБ ТПУ; в
«МИРЭА – Российский технологический университет» в инженерно-научном
производственном центре «Средства неразрушающего контроля» в рентгеновской
установке для досмотрового контроля легковых автомобилей и микроавтобусов,
снабженной функцией распознавания материалов методом дуальных энергий.
Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, докладывались
и обсуждались на следующих российских и международных конференциях:
1) V Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов
и молодых ученых «Неразрушающий контроль: электронное
приборостроение, технологии, безопасность» 25-29 мая 2015, г. Томск.
2) III Всероссийская с международным участием научно-практическая
конференция по инновациям в неразрушающем контроле SibTest 27-31
июля 2015, Горный Алтай, п. Катунь.
3) VI Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов
и молодых ученых «Неразрушающий контроль: электронное
приборостроение, технологии, безопасность» 23-27 мая 2016, г. Томск.
4) V Международная конференция школьников, студентов, аспирантов,
молодых ученых «Ресурсоэффективные системы в управлении и контроле:
взгляд в будущее» 3-8 октября 2016, г. Томск.
5) V Международный молодежный Форум ‘Инженерия для освоения космоса’
18-20 апреля 2017, г. Томск.
6) IV Международная конференция по инновациям в неразрушающем
контроле SibTest 28-30 июня 2017, г. Новосибирск.
7) VI Международная конференция школьников, студентов, аспирантов,
молодых ученых «Ресурсоэффективные системы в управлении и контроле:
взгляд в будущее» 9-14 октября 2017, г. Томск.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, из
которых 4 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК, 3 статьи,
индексируемые в SCOPUS, и 5 статей в сборниках трудов конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех
глав, заключения, списка используемой литературы, включающего 149
источников. Объем диссертации составляет 166 страниц машинописного текста,
28 рисунков и 19 таблиц.
Основное содержание работы