背景技術(shù)：

本發(fā)明涉及本發(fā)明的用于物質(zhì)識別的設(shè)備，具體地應(yīng)用于針對一個或多個類型的物質(zhì)檢查貨物或行李。

用于貨物和行李篩查的x射線系統(tǒng)使用廣頻譜x射線生成器來照亮待篩查的物品。在物品的相對側(cè)的檢測器陣列用于測量通過物品的x射線通量的強度。較大的系統(tǒng)可以選擇具有兩個或更多個x射線源，以便同時收集通過貨物的兩個或更多個投射。x射線篩查系統(tǒng)使用低能量和高能量x射線的差分吸收來生成對篩查物質(zhì)的非常粗略的分類，并且然后使用該粗略分類來生成“偽彩色”圖像以供顯示。少數(shù)顏色（在大多數(shù)現(xiàn)有系統(tǒng)中只有3種顏色）用于表示物質(zhì)分類。

傳統(tǒng)的檢測器以1xn陣列被布置，該陣列最通常包括磷或si-pin二極管，以實現(xiàn)在物品通過掃描系統(tǒng)時逐行捕獲n行和m列的圖像。可以通過陣列中約2,000個檢測器來實現(xiàn)1-2mm的圖像分辨率。然而，這些系統(tǒng)僅基于被篩查物品的內(nèi)容的積分密度（沿著x射線源和檢測器之間的視線）產(chǎn)生圖像。使用兩個不同的檢測器陣列來生成單個圖像，一個檢測器用于生成高能量圖像，并且另一個檢測器用于生成低能量圖像。這提供了對積分密度的改進(jìn)估計和將物品識別為有機或金屬的基本能力。在目標(biāo)是識別“違禁品”或其他感興趣物品的篩查應(yīng)用中，不正確地落入“違禁品”分類的物質(zhì)的范圍較大。這樣，可能需要熟練的操作者從大量偽警報中識別可能的威脅物質(zhì)。

需要改進(jìn)的貨物和行李篩查系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的第一廣泛方面，提供了一種用于篩查貨物或行李的一個或多個物品的設(shè)備，包括：

入射輻射源，被配置成照射一個或多個物品；

多個檢測器，被適配為檢測從所述一個或多個物品內(nèi)或通過所述一個或多個物品發(fā)出的輻射分組作為被入射輻射照射的結(jié)果，每個檢測器被配置為產(chǎn)生由所檢測到的分組引起的電脈沖，所述電脈沖具有取決于所述分組的能量的特征尺寸或形狀；

一個或多個數(shù)字處理器，被配置為處理每個電脈沖以確定所述特征尺寸或形狀，并且從而針對每個檢測器生成所檢測到的分組的能量的檢測器能量頻譜，并且基于所述檢測器能量頻譜來表征與所述一個或多個物品相關(guān)聯(lián)的物質(zhì)。

在一個實施例中，每個輻射分組是光子，并且所述多個檢測器包括一個或多個檢測器，每個檢測器由閃爍物質(zhì)和脈沖產(chǎn)生元件組成，所述閃爍物質(zhì)被適配為通過來自所述光子的閃爍產(chǎn)生電磁輻射，所述脈沖產(chǎn)生元件被適配為從所述電磁輻射產(chǎn)生電脈沖。所述脈沖產(chǎn)生元件可以包括光敏物質(zhì)，并且所述多個檢測器可以被并排布置在所述閃爍物質(zhì)的個體閃爍體元件的一個或多個檢測器陣列中，每一個閃爍體元件由圍繞其側(cè)面的反射物質(zhì)覆蓋并且被設(shè)置在光敏物質(zhì)上方并且與光敏物質(zhì)光學(xué)耦合。閃爍物質(zhì)可以是氧正硅酸镥-釔（lyso）。光敏物質(zhì)可以是硅光電倍增器（sipm）。所述檢測器陣列中的一個或多個檢測器陣列的個體閃爍體元件可以對入射輻射呈現(xiàn)大于??1.0平方毫米的橫截面積。所述橫截面積可以大于2平方毫米并且小于5平方毫米。

在一個實施例中，一個或多個數(shù)字處理器進(jìn)一步被利用堆積恢復(fù)算法來配置，堆積恢復(fù)算法適配為確定與兩個或更多個重疊脈沖相關(guān)聯(lián)的能量。

在一個實施例中，其中所述一個或多個數(shù)字處理器被配置為至少部分地基于對應(yīng)的檢測器能量頻譜來計算針對所述檢測器中的至少一些的每一個的有效原子數(shù)z。一個或多個數(shù)字處理器可以被配置為通過下述操作來計算針對所述檢測器中的至少一些的每一個的有效原子數(shù)z：考慮到從所述檢測器能量頻譜推導(dǎo)的估計的物質(zhì)厚度和針對有效原子數(shù)z的參考質(zhì)量衰減數(shù)據(jù)，來確定針對具有有效原子數(shù)z的物質(zhì)的預(yù)測能量頻譜；以及將所預(yù)測的能量頻譜與所述檢測器能量頻譜進(jìn)行比較。一個或多個數(shù)字處理器可以被配置為通過下述操作來計算針對所述檢測器中的至少一些的每一個的有效原子數(shù)z：考慮到通過測量已知成分的一個或多個物質(zhì)所形成的校準(zhǔn)表，來確定針對具有有效原子數(shù)z的物質(zhì)的預(yù)測能量頻譜；以及將所預(yù)測的能量頻譜與所述檢測器能量頻譜進(jìn)行比較。

在一個實施例中，所述一個或多個數(shù)字處理器被配置為：通過計算成本函數(shù)來執(zhí)行所述比較步驟，所述成本函數(shù)取決于所述檢測器能量頻譜與針對具有有效原子數(shù)z的物質(zhì)的預(yù)測能量頻譜之間的差異。

在一個實施例中，單獨地對每個檢測器執(zhí)行增益校準(zhǔn)，以提供所述檢測器之間的能量確定的一致性，并且所述一個或多個數(shù)字處理器進(jìn)一步被配置為在考慮到所述增益校準(zhǔn)的情況下，針對每個檢測器計算檢測器能量頻譜。

在一個實施例中，執(zhí)行計數(shù)速率相關(guān)校準(zhǔn)，所述計數(shù)速率相關(guān)校準(zhǔn)包括針對計數(shù)速率相關(guān)移位適配所述檢測器能量頻譜。

在一個實施例中，對所述檢測器能量頻譜執(zhí)行系統(tǒng)參數(shù)相關(guān)校準(zhǔn)，所述系統(tǒng)參數(shù)相關(guān)校準(zhǔn)包括針對時間、溫度或其他系統(tǒng)參數(shù)的適配。

在一個實施例中，所述一個或多個數(shù)字處理器進(jìn)一步被配置為：通過如下操作來減小與所述檢測器能量頻譜的處理或存儲相關(guān)聯(lián)的通信帶寬或存儲器使用：執(zhí)行對所述能量頻譜的快速傅立葉變換并且移除快速傅立葉變換的如下倉（bin）：所述倉幾乎沒有或沒有用于產(chǎn)生減小的變換的檢測器能量頻譜的信號。一個或多個數(shù)字處理器可以進(jìn)一步被配置為對減小的變換的檢測器能量頻譜應(yīng)用快速傅立葉反變換，以提供重建的檢測器能量頻譜。一個或多個數(shù)字處理器可以進(jìn)一步被利用特定快速傅立葉變換窗口來配置，所述特定快速傅立葉變換窗口被優(yōu)化以最小化快速傅立葉變換的振鈴效應(yīng)。

在一個實施例中，一個或多個數(shù)字處理器進(jìn)一步被利用基線偏移移除算法來配置，以在進(jìn)一步處理之前移除電脈沖的數(shù)字信號的基線。

在一個實施例中，一個或多個數(shù)字處理器進(jìn)一步被配置為產(chǎn)生一個或多個物品的圖像，所述圖像由表示所述一個或多個物品的不同部分的特征的像素組成，所述特征從所述檢測器能量頻譜推導(dǎo)出。

在一個實施例中，一個或多個數(shù)字處理器還被配置為基于針對所述多個檢測器確定的有效原子數(shù)來執(zhí)行如下各項中的一項或多項：平鋪、集群、邊緣檢測或移動平均。

在一個實施例中，一個或多個數(shù)字處理器進(jìn)一步被配置為基于目標(biāo)物質(zhì)的一個或多個類型來執(zhí)行威脅檢測。

根據(jù)本發(fā)明的第二個廣泛方面，提供了一種篩查貨物或行李的一個或多個物品的方法，所述方法包括下述步驟：

使用入射輻射源照射所述一個或多個物品；

使用多個檢測器來檢測從所述一個或多個物品內(nèi)或通過所述一個或多個物品發(fā)出的輻射分組作為被入射輻射照射的結(jié)果，每個檢測器被配置為產(chǎn)生由所檢測到的分組引起的電脈沖，所述電脈沖具有取決于所述分組的能量的特征尺寸或形狀；

使用一個或多個數(shù)字處理器處理每個電脈沖以確定所述特征尺寸或形狀；

針對每個檢測器生成所檢測到的分組的能量的檢測器能量頻譜；以及

基于所述檢測器能量頻譜來表征與所述一個或多個物品相關(guān)聯(lián)的物質(zhì)。

在包括權(quán)利要求的整個說明書中，除非上下文另有要求，否則詞語“包括”及其變體將被理解為暗示了包括所述整體或步驟或整體或步驟組，但不排除任何其他整體或步驟或者整體或步驟組。

在包括權(quán)利要求的整個說明書中，除非上下文另有要求，否則詞語“貨物或行李”包括包裹、信件、郵資、個人物品、貨物、包含消費物或其他貨品的箱子以及運輸?shù)乃衅渌浧?，它們期望或者有必要針對某些類型的物質(zhì)進(jìn)行掃描，這些類型的物質(zhì)包括但不限于違禁品以及由于犯罪、恐怖活動或軍事活動而可能意外放置或故意放置的危險或爆炸性物質(zhì)。

在包括權(quán)利要求的整個說明書中，除非上下文另有要求，否則關(guān)于入射輻射的術(shù)語“分組”包括個體無質(zhì)量子粒子，諸如x射線、伽馬射線或其他光子；中子或其他大粒子；并且在其最廣泛的方面還擴展到可以定義和檢測每個微粒的能量的任何其他微粒輻射。

在包括權(quán)利要求的該整個說明書中，除非上下文另有要求，否則關(guān)于特定檢測器的詞語“能量頻譜”是指從接受調(diào)查的部分物品發(fā)出或經(jīng)過所述部分物品的個體輻射分組的能量值的生成，該能量值從特定檢測器以一定時間間隔被檢測到，該能量值可以包括通常連續(xù)的范圍內(nèi)的值，并且可以被表示為檢測計數(shù)與多個限定的能量倉的直方圖，倉數(shù)目表示期望的或可實現(xiàn)的能量分辨率并且構(gòu)成至少10個倉但優(yōu)選地大于50、100或200個能量倉。

附圖說明

圖1和10示出了根據(jù)兩個優(yōu)選實施例的可以用于貨物和行李篩查的形式的x射線系統(tǒng)的高級概覽。

圖2圖示了根據(jù)實施例的x射線室的內(nèi)部的示例圖。

圖3示出了根據(jù)實施例的檢測系統(tǒng)和處理電子裝置的更具體的視圖。

圖4圖示了根據(jù)實施例的由脈沖處理電子裝置所計算的全能量頻譜的有效z處理方法的流程圖。

圖5是圖示根據(jù)實施例的從頻譜中移除兩個脈沖的堆積的曲線圖。

圖6是圖示根據(jù)另一實施例的從頻譜中移除兩個和三個脈沖的堆積的曲線圖。

圖7是圖示根據(jù)實施例的在假定僅兩個脈沖堆積時從頻譜中部分移除兩個和三個脈沖的堆積的曲線圖。

圖8是圖示根據(jù)實施例的在使用矩形窗口或升余弦脈沖窗口時的頻譜平滑化濾波器的形狀的曲線圖。

圖9圖示了根據(jù)實施例的在另一后處理和圖像顯示之前如何將數(shù)據(jù)布置和構(gòu)建成掃描樣本的圖像。

圖10圖示了圖1的系統(tǒng)的無線變體。

圖11是圖示根據(jù)實施例的來自多個檢測器的未校準(zhǔn)接收頻譜的曲線圖。

圖12是圖示根據(jù)實施例的基于校準(zhǔn)過程計算的檢測器增益集合的曲線圖。

圖13是圖示在基于圖12中所示的檢測器增益設(shè)置檢測器的數(shù)字增益之后來自多個檢測器的接收頻譜的曲線圖。

圖14圖示了根據(jù)實施例的針對10%透射率情況的有效z內(nèi)插過程的結(jié)果。

圖15圖示了針對根據(jù)實施例測試的一系列物質(zhì)樣本的對強度（百分比透射率）繪制的有效z。

圖16a、16b、16c圖示了根據(jù)實施例的包括檢測器陣列的檢測器子系統(tǒng)，其中將閃爍晶體的線性陣列耦合到硅光電倍增器形式的脈沖產(chǎn)生元件的陣列。

圖16d和16e圖示了根據(jù)實施例的包括單個閃爍晶體的檢測器子系統(tǒng)，閃爍晶體通過插入在閃爍晶體和硅光電倍增器之間的光耦合層個體耦合到硅光電倍增器形式的脈沖產(chǎn)生元件的陣列。

圖17圖示了根據(jù)實施例的將光子轉(zhuǎn)換成用于脈沖處理的電壓脈沖的檢測器子系統(tǒng)。

圖18圖示了根據(jù)實施例的使用伽瑪射線以進(jìn)行物質(zhì)識別的篩查系統(tǒng)。

圖19圖示了根據(jù)實施例的集群的形成的示例，其中忽略單個圖塊。

圖20圖示了根據(jù)實施例的有效z處理步驟的示例。

圖21圖示了根據(jù)實施例的與對列加索引的邊緣掩碼l（c）有關(guān)的表。

圖22圖示了根據(jù)實施例的當(dāng)移動平均值越過邊緣過渡時移動平均值的行為。

具體實施方式

在此關(guān)于具體優(yōu)選實施例描述本發(fā)明是方便的。然而，本發(fā)明適用于廣泛的方法和系統(tǒng)，并且應(yīng)當(dāng)理解，其他構(gòu)造和布置也被認(rèn)為落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。對本文所述的構(gòu)造和布置的各種修改、變更、變化和/或添加也被認(rèn)為落入本發(fā)明的范圍和界限內(nèi)。

本發(fā)明涉及用于使用用于分析的一系列輻射類型的物質(zhì)識別的方法和裝置。具體地，本文例示的裝置和方法可以應(yīng)用于x射線篩查，然而，應(yīng)當(dāng)理解，裝置和方法可以容易地針對其他類型的入射輻射（諸如中子或伽馬射線）或其他類型的發(fā)出輻射進(jìn)行修改，具體地是通過替換不同形式的檢測器單元，來檢測例如電磁、中子、伽馬射線、光、聲或其他。這些修改在本發(fā)明的最廣泛的方面內(nèi)。

除了x射線在透射通過物質(zhì)時被衰減之外，通過物質(zhì)的x射線經(jīng)由多個形式與該物質(zhì)相互作用，該多個形式包括：從晶面散射，從元件的電子結(jié)構(gòu)內(nèi)引起熒光x射線發(fā)射；以及從被掃描的物質(zhì)內(nèi)的納米級結(jié)構(gòu)散射。這些形式的相互作用稍微修改了透射的x射線束的能量頻譜并且通過檢測和分析能量頻譜的這種改變，能夠推導(dǎo)關(guān)于x射線束所通過的物品的元素特定信息。

下面描述的實施例之一的系統(tǒng)提供一種檢測系統(tǒng)，所述檢測系統(tǒng)能夠估計在檢測器處接收的個體x射線光子的能量。這是使用每個x射線源的單個檢測器陣列實現(xiàn)的，陣列中的每一個檢測器均由耦合到光電倍增器的適當(dāng)檢測器物質(zhì)構(gòu)成，產(chǎn)生包括一系列脈沖的模擬信號——每個檢測到的x射線一個脈沖，這些脈沖當(dāng)在檢測器處被接收時可能重疊或可能不重疊。檢測器陣列可以類似于現(xiàn)有技術(shù)的貨物或行李篩查系統(tǒng)來布置，以便逐行構(gòu)建物品特征的圖像。與現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)不同，檢測器陣列能夠測量每個被檢測光子的能量。

然后，使用脈沖處理系統(tǒng)來針對每個單個檢測器生成直方圖。該直方圖由在給定時間間隔內(nèi)落入每個直方圖倉的x射線數(shù)目的計數(shù)組成。直方圖倉表示接收到的x射線的能量范圍，并且因此，直方圖是接收到的x射線束的能量頻譜。可能存在大量的直方圖倉（例如多達(dá)512個分離的能量帶或更多），它們表示對在現(xiàn)有掃描系統(tǒng)內(nèi)粗略的雙能量帶測量的巨大增強。

所描述的實施例的系統(tǒng)使用該全高分辨率能量頻譜，以獲得對被篩查物質(zhì)的有效原子數(shù)（有效z）的更準(zhǔn)確的估計，導(dǎo)致對被篩查物質(zhì)的非常優(yōu)異的分類。

高級概述

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的x射線貨物和行李篩查系統(tǒng)的高級概述。

該系統(tǒng)的主要特征如下：

1.x射線室（100），在其中掃描樣本（101）。該室被設(shè)計為包含（一個或多個）x射線源和相關(guān)的檢測器硬件，并且確保x射線不會被發(fā)射超出室，以確保操作者的安全。

2.用于在被篩查樣本（101）和x射線室（100）之間引起相對運動的構(gòu)件。在一個實施例中，這將包括用于將待篩查的樣本（101）輸送（102）到x射線室中的構(gòu)件。在典型的系統(tǒng)中，這可以是輸送帶、輥系統(tǒng)等，但是本公開中描述的系統(tǒng)將在任何輸送構(gòu)件情況下同樣良好地運行。一個優(yōu)選實施例是使樣本通過隧道，在隧道中（一個或多個）x射線源和（一個或多個）檢測器陣列位于固定位置。然而，在替代實施例中，（一個或多個）x射線源和（一個或多個）檢測器陣列可以移動經(jīng)過樣本。

3.在x射線室（100）內(nèi)，存在：

a.一個或多個x射線源（200，201）

b.x射線檢測器的一個或多個陣列（202、209），每個x射線源對應(yīng)至少一個檢測器陣列。

c.如果希望實現(xiàn)，則x射線檢測器陣列（202、209）可以進(jìn)一步被劃分成較小的檢測器陣列。本公開中描述的系統(tǒng)不取決于檢測器陣列的具體布置和/或細(xì)分。

d.用于處理從檢測器陣列（202、209）接收的x射線脈沖的數(shù)字處理器（203、210）。根據(jù)實現(xiàn)架構(gòu)，數(shù)字處理器可以：

i.駐留在與檢測器子系統(tǒng)相同的板上。

ii.駐留在分離硬件上，該分離硬件被容納在x射線掃描器外殼內(nèi)或外部

iii.形成主機系統(tǒng)的一部分，或

iv.以上各項的組合。

通常，存在諸如主機計算機（103）或如圖10中所示的無線控制和顯示系統(tǒng)（104）之類的合適構(gòu)件，用于控制和配置x射線篩查系統(tǒng)以及顯示和后處理從x射線掃描系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)。

在執(zhí)行自動威脅檢測的一些系統(tǒng)配置中，可能不需要控制/顯示子系統(tǒng)，而替代地需要報告檢測到的威脅的一些構(gòu)件。

圖2圖示了x射線室內(nèi)部的示例圖，圖2示出了：

1.x射線源（200）和（201），x射線（204）和（206）從x射線源入射在待測樣本（208）上。

2.檢測器陣列（202）和（209），用于檢測入射在檢測器陣列上的x射線（205）和（207）。

3.來自每個檢測器陣列的信號被連接到數(shù)字處理器（203）和（210）。數(shù)字處理器可以被安裝在x射線室的內(nèi)部或外部，并且可以部分地與主機系統(tǒng)組合。

4.數(shù)字處理器的輸出（211）被傳送到主機以供顯示，而主機向/從數(shù)字處理器發(fā)送/接收控制信號（212）。

圖2中的組件的定位僅僅是說明性的，并且不指示對源或檢測器的數(shù)目的具體要求，也沒有指定放置源或檢測器的要求。本公開中描述的檢測和處理系統(tǒng)將在任何數(shù)量的源和檢測器陣列情況下成功運行，并且不論這些源如何被放置。關(guān)鍵點是來自源1的x射線通過測試樣本并在檢測器陣列1處被接收，并且來自源2到n的x射線通過樣本并在檢測器陣列2到n處被接收（即系統(tǒng)可以在任何數(shù)目的源和任何數(shù)目的檢測器陣列情況下運行，該數(shù)目可以等于或不等于源的數(shù)目）。

圖3示出了檢測系統(tǒng)和處理的更詳細(xì)的視圖。該圖示出了單個檢測器的步驟。有效z可以利用并且圖像后處理將需要訪問來自所有檢測器的頻譜。

對于每個檢測器陣列中的每個檢測器，存在檢測系統(tǒng)和處理電子裝置，該檢測系統(tǒng)和處理電子裝置包括：

1.針對每個個體檢測器元件（具有針對1xn檢測器陣列的n個這樣的子系統(tǒng)）的檢測器子系統(tǒng)（301），檢測器子系統(tǒng)包括：

a.用于檢測入射的x射線（300）并將每個檢測到的x射線轉(zhuǎn)換成光脈沖的檢測器物質(zhì)

b.光電倍增器，用于接收入射光脈沖并把入射光脈沖放大成包括可以重疊或可以不重疊的脈沖（312）的模擬信號

c.可能包括過濾的適當(dāng)?shù)哪M電子裝置，

d.可選的可變增益放大器（302）。也可以使用固定模擬增益，或者可能不希望對光電倍增器使用附加增益。

2.模數(shù)轉(zhuǎn)換器（303），用于將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字值（313）。

3.可變數(shù)字增益（304），用于在處理之前適當(dāng)調(diào)整數(shù)字信號電平。

4.針對每個檢測器子系統(tǒng)（301）的高速率脈沖處理（305），例如美國專利no.7383142、美國專利no.8812268和wo/2015/085372中公開的脈沖處理系統(tǒng)，其中脈沖處理包括：

a.基線跟蹤和移除，或固定基線移除。

b.檢測到來的脈沖。

c.計算每個檢測到的脈沖的能量。

d.把計算的能量值累積成能量直方圖（能量直方圖）（315）。

e.每次接收到選通信號時，輸出累積的直方圖值。

f.在下一收集間隔中重新設(shè)置直方圖值。

5.選通信號源（306），其以規(guī)則的預(yù)先配置間隔輸出選通信號（314）。

a.選通間隔是恒定短間隔，該恒定短間隔確定直方圖累積時段。

b.該選通間隔還確定得到的x射線圖像中的像素間距。像素間距按照選通間隔x樣本速度給出。例如，10ms的選通間隔和以0.1m/s在輸送機上移動的樣本導(dǎo)致行進(jìn)方向上的像素間距為1mm。

6.在沒有選通信號源和選通信號的情況下，可以使用另一適當(dāng)?shù)臉?gòu)件來控制和同步所有檢測器的能量直方圖收集的定時。例如，可以使用適當(dāng)精確的網(wǎng)絡(luò)定時信號而不是選通信號。

7.校準(zhǔn)系統(tǒng)（307），其從適當(dāng)?shù)哪M和數(shù)字信號接收輸入，并且然后將期望的校準(zhǔn)參數(shù)傳送回各種處理塊。校準(zhǔn)系統(tǒng)執(zhí)行：

a.脈沖參數(shù)識別

b.增益校準(zhǔn)

c.能量校準(zhǔn)

d.基線偏移校準(zhǔn)（其中使用固定基線）

e.計數(shù)速率相關(guān)的基線移位。

8.有效z計算（308），其在每個選通間隔期間采用每個檢測器中的計算能量頻譜，并且確定樣本的有效z。這進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)生有效z圖像。

9.強度圖像生成包括：

a.強度圖像（309），基于能量頻譜上的總接收能量。

b.通過對從全能量頻譜中選擇的能量帶的積分確定的高穿透性或高對比度圖像（310）。

10.圖像后處理和顯示（311），其特征可能包括下述各項中的一項或多項：

a.圖像銳化

b.邊緣檢測和/或銳化

c.圖像過濾

d.基于識別的物質(zhì)，應(yīng)用有效z顏色映射來對圖像像素進(jìn)行著色。

e.針對每個檢測器陣列的2d圖像的選擇、顯示和覆蓋

i.有效z

ii.強度

iii.高穿透性/高對比度圖像

f.在適當(dāng)?shù)谋O(jiān)視器或其他顯示設(shè)備上顯示圖像。

如上所述并且在圖9中圖示，針對顯示而產(chǎn)生的圖像包括針對n個檢測器元件（501）中的每一個和針對選通間隔（500）記錄的多個數(shù)據(jù)元素。

在選通間隔j期間針對檢測器i獲得的數(shù)據(jù)用于產(chǎn)生有效z、強度和高穿透性/高對比度圖像，如圖9中所示。在處理期間，以每個像素（502）來記錄多個元素，包括下述各項中的一項或多項：

1.x射線能量頻譜

2.計算的有效z值

3.強度值（全頻譜求和）

4.從一個或多個能量帶的積分計算的高穿透性/高對比度強度值。

圖9圖示了在進(jìn)一步的后處理和圖像顯示之前如何將該數(shù)據(jù)布置和構(gòu)建成被掃描樣本的圖像。

檢測器子系統(tǒng)

在針對工業(yè)和安全應(yīng)用二者的普通x射線掃描機中使用的檢測器子系統(tǒng)利用耦合到pin二極管陣列的閃爍體（諸如磷光體）將透射的x射線轉(zhuǎn)換成光，并且隨后轉(zhuǎn)換為電信號。

為了實現(xiàn)大約1-2mm的分辨率，使用超過2000個檢測器像素。需要兩個分離的檢測器陣列（和電子讀出電路）來檢測低能量x射線和高能量x射線。

當(dāng)x射線撞擊檢測器時，它在檢測器中產(chǎn)生與x射線的能量成比例的電子電荷，其中能量越高，檢測器中感生的電荷就越多。然而，對檢測器陣列的更詳細(xì)的檢查已經(jīng)說明了檢測器系統(tǒng)不具有檢測個體x射線光子的分辨率，而是替代地在給定時間段內(nèi)將檢測器像素產(chǎn)生的所有電荷積分并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。在檢測器像素上的x射線的瞬時通量大的情況下，產(chǎn)生大的數(shù)字值（圖像中的亮像素），并且其中少量x射線撞擊檢測器，產(chǎn)生小的數(shù)字值（圖像中的暗像素）。

該實施例的檢測器子系統(tǒng)包括：

a)檢測器物質(zhì)

b)使用適當(dāng)構(gòu)件耦合到檢測器物質(zhì)的光電倍增器物質(zhì)

c)模擬電子裝置。

檢測器物質(zhì)可以具有尺寸x×y×z或某種其他形狀。光電倍增器可以是硅光電倍增器（sipm），并且耦合構(gòu)件可以是光學(xué)油脂或光耦合物質(zhì)的形式。可能期望使用支架或護(hù)罩的形式來將檢測器相對于光電倍增器保持在適當(dāng)?shù)奈恢?。光電倍增器需要適當(dāng)?shù)碾娫春推秒妷阂陨伤枰碾娖絹矸糯蟊粰z測信號。

在x射線掃描應(yīng)用中，需要大量單個元件檢測器子系統(tǒng)來產(chǎn)生每個檢測器陣列。根據(jù)特定x射線掃描器要求，可能期望以適當(dāng)?shù)姆绞綄λ鰡蝹€元件檢測器子系統(tǒng)進(jìn)行聚集。檢測器物質(zhì)的個體元件可以被聚集成具有m個檢測器的短陣列。具有m個檢測器元件的小群組可以被安裝到單個檢測器板上，例如2、4個或更多個具有m個檢測器元件的群組被安裝到一個板上。然后，完整的檢測器陣列由一定數(shù)目的檢測器板組成，所述數(shù)目的檢測器板是實現(xiàn)每個陣列具有總數(shù)n個檢測器元件所需要的。

檢測器子系統(tǒng)可以以多種不同的配置來布置，這些配置包括：1×n個設(shè)備的線性陣列；n×m個設(shè)備的正方形或矩形陣列；或l形、交錯、人字形或交織陣列。用于將到來的輻射光子轉(zhuǎn)換成電信號的檢測設(shè)備的一個示例是閃爍晶體耦合到硅光電倍增器（sipm）或多像素光子計數(shù)器（mppc）的組合。

在這種檢測設(shè)備中，諸如lsyo（1701）的閃爍晶體用于將到來的輻射光子（1700）轉(zhuǎn)換成uv光子（1703）。在lyso閃爍物質(zhì)的情況下，uv光子的峰值發(fā)射在420nm處發(fā)生，如表1中列出的那些其他閃爍物質(zhì)可能具有不同的發(fā)射峰值。在輻射光子（1700）與閃爍晶體（1701）相互作用以產(chǎn)生uv光子（1703）之后，在uv區(qū)域具有靈敏度的多像素光子計數(shù)器或硅光電倍增器（1704）（諸如具有表2中的性能度量）可以用于檢測這些光子并且產(chǎn)生電信號。

圖16a描繪了lyso閃爍晶體（1600）的線性陣列，指示單個檢測設(shè)備可以如何接合在一起以形成線性陣列。在該指示示例中，個體lyso晶體（1600）具有1.8mm的橫截面和5mm的高度，個體lyso晶體（1600）圍繞反射物質(zhì)的側(cè)面纏繞以幫助收集所有uv光子。該示例性陣列的間距為2.95mm，長度為79.2mm，并且陣列的寬度為2.5mm。

圖16b和16c分別從俯視圖和側(cè)視圖描繪了檢測器陣列，檢測器陣列包括耦合到襯底（1605）上的電脈沖產(chǎn)生元件（1604）的16a中描繪的lyso晶體的線性陣列。電脈沖產(chǎn)生元件可以包括硅光電倍增器（sipm）。增強鏡面反射體（esr）或鋁或其他反射箔（1601）被設(shè)置在閃爍晶體的側(cè)表面周圍，以將閃爍光子引導(dǎo)到硅光電倍增器物質(zhì)（1604）上，并且防止相鄰檢測設(shè)備之間的光泄漏（串?dāng)_）?？蛇x地，光耦合（1606）可以介于lyso晶體和sipm之間，并且可以包括任何數(shù)目的已知適當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)，例如薄的光透明粘合劑層。

在另一實施例中，如圖16d和圖16e所描繪的，閃爍晶體（1607）可以單獨地耦合到電脈沖產(chǎn)生元件（1604）。耦合可以通過許多方法實現(xiàn)，例如在閃爍晶體（1607）和電脈沖產(chǎn)生元件（1604）之間插入光學(xué)透明粘合劑膜（1609）或光學(xué)耦合物質(zhì)，其中電脈沖產(chǎn)生元件（1604）可以包括sipm或mpcc。耦合可以通過“拾取和放置”組裝機來執(zhí)行，以單獨對準(zhǔn)并且耦合組件和耦合物質(zhì)。閃爍晶體可以被纏繞在諸如箔或esr物質(zhì)（1608）的反射物質(zhì)中以幫助捕獲光子。

在任何實施例中，lsyo晶體（1600、1607）通?？梢跃哂写蠹s1-2mm的橫截面（寬度），大約1-2mm的深度和大約3-5mm的高度，其中反射或esr膜（1601、1608）的厚度約為0.05mm-0.1mm。在圖16d中所示的檢測器的優(yōu)選實施例中，橫截面為1.62mm，深度為1.24mm，高度約為4.07mm，并且esr膜厚度為0.07mm。閃爍體物質(zhì)的橫截面積優(yōu)選地大于1平方毫米，并且可以大于2平方毫米和小于5平方毫米。

雖然示例性檢測器子系統(tǒng)設(shè)計使用了緊湊、穩(wěn)健、成本有效和非吸濕性的閃爍體，但是在本發(fā)明的最廣泛方面，可以考慮其他檢測器子系統(tǒng)。這些包括使用交替無機或無機閃爍體物質(zhì)的檢測器子系統(tǒng)，一些這樣的物質(zhì)的特征在表1中提供。用于將輻射光子轉(zhuǎn)換成電信號的其他機制也可以被考慮用于檢測器子系統(tǒng)。其他檢測器物質(zhì)的一些示例包括：

a）高純度鍺（hpge）：實現(xiàn)針對處于5.9ke的vfe55x射線的線的120ev的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”分辨率，檢測器可以被制造成厚度>10mm，從而檢測高達(dá)幾百的kev的能量x射線。

b）硅漂移二極管（sdd）：測量相對低能量輻射的sdd檢測器。對于處于5.9kev的相同fe55線，sdd檢測器具有大約130ev的分辨率。此外，這些檢測器可以以比hpge檢測器更高的計數(shù)速率并且在剛好低于室溫下進(jìn)行操作。

c）pin二極管：針對高達(dá)60kev的x射線的檢測效率明顯高于sdd檢測器，并且針對高于150kev的x射線能量，其檢測效率下降到約1%。這些檢測器可以在室溫下操作，然而分辨率通過散熱而提高，5.9kev線的分辨率為大約180ev，

d）碲化鋅鎘：是用于直接檢測中等能量x射線和伽馬射線輻射的室溫固態(tài)輻射檢測器。其針對60kevx射線具有非常接近100%的檢測效率，并且甚至針對能量為150ev的x射線光子，檢測效率保持大于50%。

e）銫碘（csi（tl））：這是在醫(yī)學(xué)成像和診??斷應(yīng)用中用于檢測x射線的閃爍物質(zhì)。該閃爍物質(zhì)用于將x射線轉(zhuǎn)換成光的光子，該光子通常隨后由光電倍增管轉(zhuǎn)換成電信號。csi是便宜且致密的物質(zhì)，并且對于達(dá)到幾百kev的x射線和伽瑪射線具有良好檢測效率。

表1-一系列閃爍體物質(zhì)的屬性。

表2-lyso閃爍體的性能數(shù)據(jù)。

這里描述的閃爍體和光電倍增器實施例的特定優(yōu)點是檢測元件的可擴展性，從而容易適應(yīng)于大的掃描系統(tǒng)，諸如適用于大的貨物物品，該物品可以是直線尺寸為兩米或更多米。這與諸如碲化鋅鎘的直接轉(zhuǎn)換物質(zhì)相反，直接轉(zhuǎn)換物質(zhì)隨著個體檢測器元件面積增加而具有不可接受的死區(qū)時間。

處理步驟

以下部分概述了處理各種算法的每個特定階段所涉及的步驟。

1.校準(zhǔn)

掃描系統(tǒng)包括大量個體檢測器。盡管每個檢測器和關(guān)聯(lián)的電子裝置理想地被設(shè)計成對入射輻射具有相同響應(yīng)，但是實際上這將是不可能的。檢測器之間的這些變化導(dǎo)致能量頻譜輸出方面檢測器之間的變化。通過對檢測系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)和完全的校準(zhǔn)，可以對從脈沖處理數(shù)字處理器輸出的能量頻譜進(jìn)行適當(dāng)?shù)男?zhǔn)，使得它們表示在已知窄能量倉中的接收的x射線強度。

1.1檢測器脈沖校準(zhǔn)

檢測器脈沖校準(zhǔn)用于識別脈沖處理系統(tǒng)所需要的每個檢測器的脈沖特征。所需要的確切參數(shù)可能會根據(jù)檢測系統(tǒng)而變化。對于使用美國專利no.7383142和美國專利no.8812268中公開的脈沖處理方法的典型應(yīng)用，該脈沖被建模為以下形式的平均雙指數(shù)：

(等式1)

其中α和β分別是下降沿和上升沿時間常數(shù)，t0是脈沖到達(dá)時間，ta是脈沖平均窗口，并且a是與脈沖能量相關(guān)的脈沖縮放因子。

該處理需要兩個參數(shù)α和β以及脈沖形式p（t），它們可以經(jīng)由適當(dāng)?shù)男?zhǔn)方法或從檢測子系統(tǒng)的設(shè)計知識獲得。下面描述用于從接收的脈沖估計α、β和p（t）的適當(dāng)方法。

1.2檢測器增益校準(zhǔn)

與模數(shù)轉(zhuǎn)換器組合的每個檢測器子系統(tǒng)將由于制造變化而具有稍微不同的特征。作為這種組件變化的結(jié)果，能量頻譜將被不同地縮放。除了增益縮放以外的變化在基線偏移校準(zhǔn)或能量校準(zhǔn)中內(nèi)被處理。

增益校準(zhǔn)的目的是實現(xiàn)由在所有檢測器上的脈沖處理電子裝置輸出的能量頻譜對準(zhǔn)。如果應(yīng)用按檢測器的能量校準(zhǔn)，則可以減少或消除絕對精度的需要。

增益校準(zhǔn)可以以多種方式實現(xiàn)?？梢圆捎靡韵路椒ǎ?/p>

1.設(shè)置已知的x射線源。

a.具有特定特征的物質(zhì)可以被插入射束中。例如，鉛（pb）在88kev處具有已知的吸收邊界。

b.利用由自身檢測到的檢測器物質(zhì)（例如lyso）的已知輻射（自身頻譜）。

2.測量由脈沖處理電子裝置輸出的關(guān)于每個檢測器的能量頻譜。

3.確保獲得足夠的數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)具有最小噪聲的平滑頻譜。

4.選擇要執(zhí)行對準(zhǔn)的一個或多個特征。例如，

a.頻譜中的特定峰值

b.吸收邊界（對于pb的情況）

c.整個頻譜形狀（適合于lyso自身頻譜）。

5.計算對應(yīng)于每個檢測器的特征位置的直方圖倉。

6.計算所有檢測器上的這些特征位置倉的中值。

7.然后，將每個檢測器所需要的增益計算為中值位置與特定檢測器特征位置的比率。注意：選擇中值或其他適當(dāng)?shù)膮⒖迹ɡ?，最大值或最小值）。中值被選擇為使得一些通道被放大，并且一些通道被衰減，而不是將所有通道衰減到最小幅度。

8.然后，將增益應(yīng)用于每個檢測器通道。根據(jù)特定系統(tǒng)功能，該增益可以被應(yīng)用作為模擬增益、數(shù)字增益或二者的組合。為了最佳效果，增益的至少一部分是數(shù)字增益，其中可以實現(xiàn)任意細(xì)微的增益變化。

9.重新測量關(guān)于每個檢測器的能量頻譜并且確認(rèn)已經(jīng)實現(xiàn)所需要的對準(zhǔn)。

10.如果需要，則計算針對每個檢測器的更新的/細(xì)化的增益校準(zhǔn)，并且將更新的校準(zhǔn)應(yīng)用于每個檢測器。

11.視需要頻繁重復(fù)步驟9和10，以實現(xiàn)來自所有檢測器的頻譜之間所需要的對應(yīng)關(guān)系。

對于本公開中概述的有效z計算的方法，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可以實現(xiàn)達(dá)到1-2%內(nèi)的頻譜對準(zhǔn)并且該頻譜對準(zhǔn)是針對準(zhǔn)確和一致的有效z結(jié)果所期望的。

在檢測子系統(tǒng)的實際實現(xiàn)中，可以存在多個檢測器卡，每一個具有多個檢測器。檢測器的總數(shù)可以是數(shù)千或更多。這里呈現(xiàn)了這種檢測器板的一個示例的結(jié)果。示例板包括108個檢測器，在該情況下，lyso用作閃爍體物質(zhì)。這些檢測器被打包成具有27個檢測器的線性陣列。然后，每個檢測器板使用4×27個檢測器陣列來實現(xiàn)總共108個檢測器。

當(dāng)x射線入射在檢測器上時，基于入射的x射線的能量由lyso發(fā)射光子。每個檢測器被放置在sipm上方，并且sipm檢測和放大發(fā)射的光子。檢測器經(jīng)由光學(xué)油脂耦合到sipm。每個sipm的增益由所施加的偏置電壓和sipm擊穿電壓確定。由于lyso物質(zhì)的變化、在lyso和sipm之間的耦合的質(zhì)量以及在sipm增益和sipm物質(zhì)屬性的變化，針對給定的入射x射線能量，接收脈沖能量方面可能存在相當(dāng)大的差異。

檢測到的脈沖能量的變化的影響是來自所有檢測器的能量頻譜不相同。這可以在圖11中看出，圖11中繪制了來自所有108個檢測器的未校準(zhǔn)的接收頻譜。測量這些能量頻譜，其中鉛（pb）的樣本處于x射線束中，并且清楚地看到pb頻譜的結(jié)構(gòu)?？梢钥闯觯芰款l譜的尾部跨大約150個直方圖倉的范圍擴展。這意味著每個倉的實際能量針對每個檢測器是相當(dāng)不同的。

通過遵循上面概述的增益校準(zhǔn)過程，計算檢測器增益集合，如圖12中所示。根據(jù)該圖，校準(zhǔn)增益值的范圍為約0.75至1.45。

在將數(shù)字增益設(shè)置為等于圖12中的檢測器增益之后，來自108個檢測器的能量頻譜被重新測量，如圖13中所示。清楚的是，能量頻譜現(xiàn)在被很好地對準(zhǔn)，指示增益校準(zhǔn)成功。不同的頻譜幅度水平反映可能影響得到的能量頻譜的上述因素范圍。在這種情況下，一些檢測器正在捕獲由較高的頻譜幅度指示的、比其他檢測器總體更大數(shù)目的x射線。然而，根據(jù)需要，頻譜特征的對準(zhǔn)是非常好的。

1.3基線偏移校準(zhǔn)

每個檢測器子系統(tǒng)可以具有略微不同的基線電平，如在模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出處測量的。為了使脈沖處理電子裝置準(zhǔn)確地估計接收的脈沖的能量，基線被估計并被移除?？梢允褂萌魏芜m當(dāng)?shù)姆椒?，包括例如?/p>

1.基線偏移的離線測量（關(guān)閉x射線）：

a.記錄并平均來自檢測器的一系列樣本

b.使用該平均值作為要從所有數(shù)據(jù)中減去的基線偏移

2.在線基線偏移跟蹤和適配：

a.使用脈沖處理輸出來估計和跟蹤基線偏移

b.過濾（有噪聲的）被跟蹤基線值，并且相應(yīng)地更新基線偏移寄存器

c.使用關(guān)閉x射線情況下初始收斂時段，然后在x射線開啟時持續(xù)適配。

1.4能量校準(zhǔn)

脈沖處理電子裝置將產(chǎn)生未校準(zhǔn)的能量頻譜。也就是說，輸出將包括直方圖倉集合中的多個計數(shù)，但是這些直方圖倉的精確能量是未知的。為了實現(xiàn)準(zhǔn)確有效的z結(jié)果，需要知道每個倉的能量。

這實現(xiàn)如下：

1.使用具有已知頻譜峰值的源。一個適當(dāng)?shù)氖纠莃a133源，其頻譜峰值處于31、80、160、302和360kev。

2.測量未校準(zhǔn)的能量頻譜。

3.確定對應(yīng)于已知頻譜峰值的直方圖倉。

代替使用具有多個峰值的單個源，還能夠使用具有可變（但已知）能量的窄帶源，并且根據(jù)能量范圍的能量來測量直方圖倉。

一旦已經(jīng)測量了直方圖倉和能量之間的關(guān)系，就能夠進(jìn)行下述操作中的任何一個：

1.針對每個直方圖倉的能量創(chuàng)建查找表。

2.估計適當(dāng)?shù)暮瘮?shù)形式的參數(shù)。對于lyso/sipm組合，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)二次模型非常好地擬合觀察到的參數(shù)。這給出了以下形式的結(jié)果：

直方圖倉=a*能量^2+b*能量+c(等式2)

其中a、b和c是從測量的ba133頻譜確定的常數(shù)。該公式被倒轉(zhuǎn)以將能量定義為以相同的a、b和c表達(dá)的直方圖的函數(shù)。

如果檢測器之間的變化足夠?。ㄐ枰己玫慕M件匹配和良好的增益校準(zhǔn)），則單個能量校準(zhǔn)可以應(yīng)用于所有檢測器。在該情況下，跨暴露于ba133源的多個檢測器對校準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行平均將產(chǎn)生對能量校準(zhǔn)參數(shù)的優(yōu)異估計。

替代地，可以針對每個檢測器生成個體校準(zhǔn)表/校準(zhǔn)參數(shù)。

1.5計數(shù)速率相關(guān)的基線移位

取決于檢測器/光電倍增器組合，可能期望補償計數(shù)速率相關(guān)的基線移位。這種移位的結(jié)果是：隨著計數(shù)速率的增加，能量頻譜右移。為了適當(dāng)?shù)貞?yīng)用能量校準(zhǔn)，頻譜向左回移指定數(shù)目的倉/能量。所需的校準(zhǔn)是以下任一項：

a)查找表，定義每個計數(shù)速率的基線移位，其中經(jīng)由內(nèi)插獲得中間結(jié)果。

b)函數(shù)形式，其中基線偏移被表達(dá)為計數(shù)速率的函數(shù)。

可以使用任何適當(dāng)?shù)姆椒ㄓ糜谠撔?zhǔn)，所述方法包括注入可變計數(shù)速率的已知源頻譜，以及記錄隨著計數(shù)速率增加的頻譜移位。理想地，源具有窄能量帶，所以可以清楚地測量所述移位以及也測量可變能量，因此如果需要，偏移可以作為能量的函數(shù)被校準(zhǔn)。

如果使用在線基線偏移跟蹤和移除，則可以減少或甚至消除對計數(shù)速率相關(guān)的基線移位的移除的需要。

1.6殘余頻譜校準(zhǔn)

在射束中具有大量物質(zhì)的情況下測量殘余頻譜，所述大量物質(zhì)（諸如大厚度的鋼）足以完全阻擋x射線束。實際上，無論根據(jù)散射還是其他機制，小量的能量仍然到達(dá)檢測器陣列，并且必須測量該殘余頻譜，以便可以在正常操作期間從接收的頻譜中將殘余頻譜移除。

然后，通過在射束中具有阻塞質(zhì)量的情況下對在多個選通間隔內(nèi)接收的頻譜進(jìn)行平均來測量殘余頻譜。

1.7堆積參數(shù)

堆積參數(shù)可以以幾種方式被校準(zhǔn)，例如：

a)從接收頻譜的性質(zhì)估計堆積參數(shù)。

b)從信號的知識、接收的脈沖計數(shù)速率、adc采樣速率和脈沖檢測方法來估計堆積參數(shù)。

c)測量堆積參數(shù)，如下：

i.使用窄能量源，其中能量和計數(shù)速率可以是變化的。

ii.隨著源能量和計數(shù)速率的變化測量接收的頻譜。

iii.直接測量接收的2脈沖和3脈沖堆積與主信號峰值的比率。

iv.作為計數(shù)速率和能量的函數(shù)來形成2脈沖和3脈沖堆積的查找表。

2.高速率脈沖處理

諸如美國專利no.7383142、美國專利no.8812268或wo/2015/085372中公開的那些高速率脈沖處理系統(tǒng)（305）被分配給每個檢測器子系統(tǒng)，以對從模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字化脈沖信號執(zhí)行下述操作：

a）基線跟蹤和移除或固定基線移除。

b）檢測到來的脈沖。

c）計算每個檢測到的脈沖的能量。

d）把所計算的能量值累積成能量直方圖（能量直方圖）

e）每次接收到選通或其他定時信號時，輸出累積的直方圖值

f）重新設(shè)置針對下一收集間隔的直方圖值。

3.強度圖像

根據(jù)下式，從針對在每個選通間隔j的每個檢測器i生成的能量頻譜計算強度值，或更具體地，透射率值：

(等式3)

其中針對所接收的能量頻譜（i（b））和參考能量頻譜（io（b）），對所有直方圖倉b（或等效地，對所有能量e）執(zhí)行求和。

強度圖像內(nèi)的元素可以被分類為：

a)如果r（i，j）<rlow，并且設(shè)置為0，則不可穿透。

b)如果r（i，j）>rhigh，并且設(shè)置為1，則射束中為空或者沒有東西。

閾值rlow和rhigh可以是預(yù)先設(shè)置的或用戶可配置的。

4.高對比度圖像

通過使用全能量頻譜，基于跨不同能量帶對接收頻譜進(jìn)行積分來生成具有不同對比度的強度圖像。在現(xiàn)有的雙能量x射線掃描器中，該系統(tǒng)只能能夠只利用檢測器物質(zhì)中固有的廣泛能量范圍。當(dāng)全能量頻譜可用時，可以使用任意能量范圍來在該能量范圍中生成關(guān)聯(lián)的強度圖像。然后，可以限定特定能量范圍，以便最佳地隔離和顯示特定物質(zhì)類型，其中能量范圍例如針對有機物質(zhì)、無機物質(zhì)或輕質(zhì)、中間或重金屬被調(diào)整。

根據(jù)下式，針對在每個選通間隔j的每個檢測器i生成高對比度/高穿透性圖像：

(等式4)

其中e1和e2是能量范圍e12的下限和上限。能量帶可以是用戶定義的或預(yù)先配置的。一個、兩個或更多個不同的能量帶可以被配置為使得用戶能夠在感興趣的圖像之間進(jìn)行選擇。

5.有效z處理

有效z處理涉及使用由脈沖處理電子裝置計算的全部能量頻譜，與能量校準(zhǔn)相結(jié)合，以計算樣本物質(zhì)的有效z的估計值。針對每個檢測器執(zhí)行有效z處理，并且針對每個檢測器進(jìn)行如下（因此對于1×n檢測器陣列，該過程被重復(fù)n次）。為了減少計算需求，僅針對未被聲明為不可穿透也未被聲明為空的選通間隔j和接收的檢測器i執(zhí)行有效z處理。

5.1主要操作

1.參考圖4，使用fft壓縮能量頻譜數(shù)據(jù)（400），并且丟棄除了前n個倉之外的所有倉（前n個倉被選擇使得丟棄的倉包含幾乎沒有或沒有信號）。注意：該步驟是可選的，但是對于在中央處理計算機上計算有效z的系統(tǒng)配置，它實現(xiàn)顯著的通信帶寬減少。針對512點直方圖的32個復(fù)fft倉的傳輸僅需1/8的通信帶寬。

2.通過對數(shù)目2s+1個接收的經(jīng)過fft的能量頻譜進(jìn)行平均，執(zhí)行頻譜積分（402）。該頻譜積分增加了可用于計算有效z的測量時間，而不降低空間分辨率，以所述空間分辨率計算強度圖像。在選通間隔j-s≤j≤j+s上進(jìn)行積分，以執(zhí)行以選通間隔j為中心的移動平均。如果不需要積分，則設(shè)置s=0。

3.執(zhí)行堆積減少（403）。fft是堆積減少的第一階段，如果已經(jīng)使用fft實現(xiàn)了數(shù)據(jù)壓縮，則不需要fft。堆積減少可以通過如下所概述的適當(dāng)算法來實現(xiàn)。

4.如果需要，應(yīng)用fft域相移（404）以實現(xiàn)能量頻譜的期望的橫向移位。在存在計數(shù)速率特定的基線移位的情況下，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)該步驟是合乎期望的。注意：在fft域中乘以線性增加（在fft倉情況下）的相位項導(dǎo)致ifft之后的橫向移位。橫向移位的程度由線性增加的斜率確定。

5.在ifft之前，應(yīng)用頻域窗口（405）。該窗口可以用于設(shè)計期望的能量頻譜的平滑化。窗口設(shè)計過程以下概述。良好的窗口被設(shè)計成實現(xiàn)能量頻譜的平滑過濾。能量頻譜中的噪聲的過濾允許在有效的z計算中使用減少數(shù)目的能量倉的可能性，以便總體上提高計算效率。

6.零填充fft數(shù)據(jù)，將復(fù)共軛插入fft緩沖器的后半部分（406），并且應(yīng)用ifft（407）。此時，以直方圖的形式獲得平滑化的能量頻譜。

零填充插入在fft后被截斷的數(shù)據(jù)。對于所有截斷的倉插入零并不是必要的。例如，填充較少的零可以產(chǎn)生較小的fft緩沖器，這對于計算ifft是更加計算高效的。

對于實向量x和fft大小2n，fft輸出的元素n+2到2n是元素2到n的復(fù)共軛。這里n+1將是通過零填充設(shè)置為零的元素之一。

7.減去針對每個檢測器的殘余頻譜。如前所述，這移除了即使存在完全阻擋物質(zhì)時也將存在的任何頻譜。

8.應(yīng)用能量校準(zhǔn)曲線/函數(shù)（408）以將直方圖倉轉(zhuǎn)換為能量值。注意：替代地，能量校準(zhǔn)可以在有效z例程本身中應(yīng)用。在該階段，輸出是平滑校準(zhǔn)的能量頻譜（409）。

9.如果需要，在相鄰檢測器上執(zhí)行頻譜積分，使得對針對檢測器i-p≤i≤i+p的2p+1個能量頻譜進(jìn)行積分。盡管可以在fft域中執(zhí)行對選通間隔的積分，但是可以僅在已經(jīng)應(yīng)用能量校準(zhǔn)之后執(zhí)行對相鄰檢測器的積分，因為相鄰檢測器的原始直方圖倉可能不對應(yīng)于相同的能量。通過執(zhí)行2d頻譜積分，與對單個像素執(zhí)行有效z處理相比，可以提高物質(zhì)識別性能。

5.2參考頻譜測量

為了計算有效z（以及還有強度/高對比度圖像），可以在x射線開啟的情況下但是樣本到達(dá)x射線束之前獲得參考頻譜。在給定機器設(shè)計內(nèi)，在x射線開啟時間和樣本到達(dá)x射線束之間將存在延遲，在該延遲期間可以收集參考頻譜。過程如下：

1.打開x射線。

2.等待x射線束穩(wěn)定。這可以通過時間延遲或通過濾波x射線計數(shù)直至變化減小到低于指定閾值來實現(xiàn)。

3.在脈沖處理電子裝置的輸出處收集和求和n個x射線能量頻譜i0（e，n）（即，收集n個接續(xù)的選通間隔結(jié)束時記錄的能量頻譜）。

4.將頻譜的總和除以n，以計算平均參考頻譜，使得

(等式5)

其中i0（e）是能量e處的計數(shù)的參考數(shù)，n是選通間隔的數(shù)目，并且e是x射線的能級。

如果在參考采集期間的任何時間在x射線束中檢測到樣本，則參考頻譜的累積停止，并且m個收集的頻譜的平均值可以用于參考，或者如果m是不足則終止測量。

5.3加載或創(chuàng)建質(zhì)量衰減常數(shù)表

針對給定的有效z和給定能量的質(zhì)量衰減常數(shù)定義了給定物質(zhì)z將把具有能量e的x射線衰減到的程度。特別地，處于特定能量的接收能量的強度將由下式給出：

(等式6)

其中i（e）是能量e處接收的計數(shù)數(shù)目，i0（e）是能量e處的參考計數(shù)數(shù)目，ma（z，e）是能量e處針對具有有效原子數(shù)z的物質(zhì)的質(zhì)量衰減常數(shù)，ρ是物質(zhì)密度，并且x是相對于在創(chuàng)建質(zhì)量衰減數(shù)據(jù)時使用的參考厚度的物質(zhì)厚度。

質(zhì)量衰減數(shù)據(jù)可在有限（?。?shù)量的能量（可能每10、20或50kev）處獲得，而由本公開中所公開的方法創(chuàng)建的能量頻譜可以以小至1kev或甚至更小的能量間隔被生成。實際上，有限數(shù)目的這些能量值將被選擇用于有效z計算。

為了在能量頻譜中的所有能量處實現(xiàn)平滑的質(zhì)量衰減表，使用三次樣條內(nèi)插或其他適當(dāng)?shù)膬?nèi)插方法來獲得針對每個z的中間能量的數(shù)據(jù)。作為能量的函數(shù)的質(zhì)量衰減值被認(rèn)為足夠平滑，使得三次樣條是適用的良好內(nèi)插方法。

5.4有效z計算

然后，有效z處理如下進(jìn)行：

1.對于每個檢測器以及每個選通時段（在定義所得圖像中的像素的指定選通時段處指定的檢測器），將按照在“初步操作”部分中概述的那樣來測量校準(zhǔn)的能量頻譜。對于被分類為不可穿透或空的能量頻譜不執(zhí)行有效z處理。

2.確定要用于有效z計算的能量倉集合。

a.根據(jù)接收到的頻譜，識別接收到足夠計數(shù)的能量區(qū)域。

b.這些將是計數(shù)超過某個預(yù)定閾值的頻譜倉。

c.替代地，確定透射率（接收到的與參考頻譜的比率）超過閾值的能量。

3.對于在能量倉中的每一個處可獲得質(zhì)量衰減數(shù)據(jù)的每個z值，執(zhí)行以下操作：

a.估計針對假定z的物質(zhì)厚度。一種可能的方法是根據(jù)下式來估計在一個能量值e處的厚度

(等式7)

其中i（e）是在能量e處接收的計數(shù)次數(shù)，i0（e）是在能量e處參考計數(shù)次數(shù)，ma（z，e）是在能量e處具有有效原子數(shù)z的物質(zhì)的質(zhì)量衰減常數(shù)，ρ是物質(zhì)密度，并且x是相對于在創(chuàng)建質(zhì)量衰減數(shù)據(jù)中使用的參考厚度的物質(zhì)厚度。

通過在多個能量處對厚度估計進(jìn)行平均可以獲得改進(jìn)的厚度估計，以減少單個能量處噪聲的影響。不希望明確地估計x，組合參數(shù)ρx就足夠了。

b.基于先前記錄的參考頻譜、厚度參數(shù)和ma表根據(jù)下式來計算針對該z的預(yù)測頻譜：

(等式8)

在所有選擇的能量e處計算，其中i（z，e）是預(yù)測頻譜。

c.計算針對該z的成本函數(shù)作為在物質(zhì)z的假設(shè)下接收頻譜與預(yù)測頻譜之間的平方誤差之和

(等式9)

其中c（z）是成本函數(shù)，并且w（e）表示針對所接收頻譜和預(yù)測頻譜之間的平方誤差的每個和的權(quán)重。

權(quán)重w（e）可以被選擇為單位1，或者替代地，w（e）=i（e）將產(chǎn)生如下成本函數(shù)：該成本函數(shù)對計數(shù)次數(shù)小的所接收頻譜的區(qū)域給予較低的權(quán)重，并且對接收更多計數(shù)的區(qū)域給予較大權(quán)重。

4.對于該像素（構(gòu)成在特定選通時段期間從特定檢測器接收的能量頻譜），將估計的有效z計算為使成本函數(shù)最小化的z值：

(等式10)

應(yīng)當(dāng)注意，沒有特別要求有效z是整數(shù)，并且實際上質(zhì)量衰減表可以包含表示復(fù)合物質(zhì)的z的非整數(shù)值的值。然而，顯然不可能的是，在有限表中表示連續(xù)的可能z值。為了將z計算為任意精度，可以使用適當(dāng)?shù)膬?nèi)插算法將成本函數(shù)內(nèi)插到所需分辨率。然后，所選擇的z值是使內(nèi)插的成本函數(shù)最小化的值。成本函數(shù)c（z）是平滑函數(shù)，并且因此可以經(jīng)由某種形式的內(nèi)插從曲線可靠地預(yù)測使該平滑函數(shù)最小化的z的實際浮點或連續(xù)值。

此外，還注意，上述步驟3指示針對質(zhì)量衰減表中的所有可用z值計算成本函數(shù)。實際上，根據(jù)成本函數(shù)的行為，可以采用有效的搜索方法來減少計算需求。這種方法包括下述各項中的一項或多項：

1.梯度搜索

2.最佳第一搜索

3.某種形式的模式搜索。

成本函數(shù)形式被選擇為對頻譜上的噪聲相對不敏感。

6.使用物質(zhì)校準(zhǔn)的有效z處理

在實踐中，由于可能難以表征的檢測器和處理特征，可能難以在所有檢測器、所有計數(shù)速率和所有頻譜倉上實現(xiàn)準(zhǔn)確的能量校準(zhǔn)。

已經(jīng)開發(fā)了替代方法，由此使用已知物質(zhì)的變化厚度樣本來校準(zhǔn)系統(tǒng)。目的是校準(zhǔn)作為物質(zhì)、物質(zhì)厚度和能量直方圖倉的函數(shù)的預(yù)期接收頻譜。這避免了對絕對能量校準(zhǔn)的需要，并且還大大地避免了由計數(shù)速率對頻譜移位的影響（如果存在的話）。也可以消除對堆積移除的需要。

物質(zhì)（自身）校準(zhǔn)過程

理想地，通過良好的增益校準(zhǔn)，從所有檢測器接收的頻譜彼此一致，并且因此僅需要在一個檢測器處獲得校準(zhǔn)數(shù)據(jù)以供在所有檢測器處使用。實際上，根據(jù)檢測器之間的一致性，可能需要獲得具有相鄰檢測器的群組或可能每個檢測器的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

校準(zhǔn)過程中的第一步驟是獲得在每個直方圖倉b處的參考頻譜i0(b)，其中在針對（一個或多個）檢測器的x射線束中沒有物質(zhì)要被校準(zhǔn)。直方圖倉現(xiàn)在將由b而不是e來表示，以表示不需要按照倉的精確能量校準(zhǔn)所述倉。

然后，對于每個物質(zhì)，進(jìn)行校準(zhǔn)：

1.確定物質(zhì)的有效z（通過獨立測量或通過物質(zhì)純度的規(guī)定）。

2.獲得物質(zhì)的“階梯光楔”。也就是說，物質(zhì)樣本包括已知厚度x的一系列階梯。理想地，最大階梯足以將x射線束降低到它可以被認(rèn)為是不可穿透的水平。注意：可以使用其他物質(zhì)樣本，但是這種階梯光楔是用于對照校準(zhǔn)的方便形式。

3.在所需的檢測器位置處掃描階梯光楔。結(jié)果將是沿著物質(zhì)的每個階梯記錄的一系列未校準(zhǔn)的能量頻譜（頻譜的數(shù)目將取決于樣本尺寸、掃描速度和選通時段）。

4.對在每個階梯上接收到的頻譜進(jìn)行求和，以最小化頻譜中的噪聲。這些頻譜被表示為i（z，b，x），因為它們與物質(zhì)、直方圖倉和物質(zhì)厚度相關(guān)。還注意，i（z,b,0）僅僅是參考頻譜i0（b）。

5.如下計算針對所有物質(zhì)、直方圖倉和厚度的透射率特征

(等式11)

6.如下作為z和x的函數(shù)計算總透射率

(等式12)

再次注意，對于所有z，r（z，0）=1。

tx（z,b,x）和r（z,x）的表一起形成校準(zhǔn)表，該校準(zhǔn)表用于估計每個像素（檢測器/選通間隔）處的有效z。如前所述，根據(jù)來自所有檢測器的數(shù)據(jù)的等效性，它們也可以是或者可以不是檢測器的函數(shù)。

顯然，期望對照所有可能物質(zhì)的樣本進(jìn)行校準(zhǔn)，然而實際上，可能僅對物質(zhì)和混合物的全部連續(xù)體（continuum）的子集進(jìn)行采樣。為了實現(xiàn)中間z值的表條目，期望將tx和r函數(shù)二者內(nèi)插到z的中間值以擴展表覆蓋。

在已經(jīng)獲得了校準(zhǔn)表的情況下，現(xiàn)在能夠如下面那樣估計針對未知物質(zhì)樣本的有效z。

6.2初步操作

初步操作與上面描述的基本相同，具有以下注釋：

1.可能不期望執(zhí)行堆積移除。

2.可能不期望執(zhí)行橫向頻譜移位來補償計數(shù)速率相關(guān)的基線移位存在。

3.在ifft之前仍然需要頻域窗口。

4.由于在該方法情況下不需要絕對能量校準(zhǔn)，但是可能仍然需要移除殘余頻譜，因此不應(yīng)用能量校準(zhǔn)曲線。

5.頻譜的積分可以跨選通間隔并且跨檢測器執(zhí)行，如下所述。

6.所接收的頻譜將被表示為i（b），在一系列直方圖倉b中的強度。使用b與以前部分中使用e的區(qū)別在于，直方圖倉按照其實際能量被校準(zhǔn)。

6.3參考頻譜測量

參考頻譜以與上述方式完全相同的方式被獲得，但是現(xiàn)在被表示為i0(b)，表示直方圖倉而不是能量的使用。

6.4有效z計算

然后，有效z處理如下進(jìn)行：

1.對于每個檢測器以及每個選通時段（在定義所得到圖像中的像素的指定選通時段處的指定檢測器），將按照在“初步操作”部分中概述的那樣來測量未校準(zhǔn)的能量頻譜i(b)。再次。對于被分類為不可穿透或空的能量頻譜不執(zhí)行有效z處理。

2.確定要用于有效z計算的能量倉集合：

a.基于接收到的頻譜，識別接收到足夠計數(shù)的區(qū)域。

b.這些將是其中計數(shù)超過某個預(yù)定閾值的頻譜倉。選擇b：i(b)>imin

c.替代地，確定其中透射率（接收到的頻譜與參考頻譜的比率）超過閾值的倉。

d.替代地，使用所有可用的直方圖倉，并且在成本函數(shù)中應(yīng)用加權(quán)，以從成本計算中移除不需要的倉。

e.注意：最終減少所處理的直方圖倉總數(shù)將實現(xiàn)提高的計算效率，因此每個倉的使用是不理想的。

3.計算總的接收的x射線作為與參考的比率。

(等式13)

4.針對校準(zhǔn)數(shù)據(jù)可供之使用的每個z值，執(zhí)行以下操作：

a.從針對該物質(zhì)z的總接收的透射率r和r（z，x）的校準(zhǔn)表值來估計物質(zhì)厚度。這經(jīng)由下述方式實現(xiàn)

i.在r的測量值處經(jīng)由例如三次樣條內(nèi)插對r（z，x）的曲線進(jìn)行內(nèi)插，以獲得對應(yīng)的。

ii.從校準(zhǔn)的r（z，x）獲得函數(shù)形式x=f（r，z），以根據(jù)物質(zhì)和透射率計算x。

b.從r（z，x）的表中找到x1和x2，使得r（z，x1）≤r<r（z，x2）。注意，x1=0對應(yīng)于參考頻譜，并且如果接收到的透射率r小于表條目，則針對x1和x2使用最后的2個條目，并且結(jié)果將是對較厚物質(zhì)的外插。

c.現(xiàn)在使用校準(zhǔn)的透射率表tx（z，b，x）來根據(jù)下式確定針對每個直方圖倉的局部質(zhì)量衰減系數(shù)：

(等式14)

d.然后根據(jù)下式計算預(yù)期的接收頻譜

(等式15)

該預(yù)期的接收頻譜是最接近的兩個校準(zhǔn)頻譜之間的內(nèi)插接收頻譜，但是基于在每個倉處觀察到的不同衰減?？梢允褂妙l譜之間的其他形式的內(nèi)插，但是這里使用的物質(zhì)特定內(nèi)插提供了優(yōu)異的內(nèi)插結(jié)果。

e.作為在物質(zhì)z的假設(shè)下接收頻譜和預(yù)測頻譜之間的平方誤差之和來計算針對該z的成本函數(shù)c（z）：

(等式16)

權(quán)重w（b）可以被選擇為單位1，或者替代地w（b）=i（b）將產(chǎn)生如下成本函數(shù)：該成本函數(shù)對于其中計數(shù)次數(shù)小的接收頻譜的區(qū)域給予較低的權(quán)重，并且對于其中接收更多計數(shù)的區(qū)域給予較大權(quán)重。

5.對于該像素（構(gòu)成在特定選通時段期間從特定檢測器接收的能量頻譜），將估計的有效z計算為使成本函數(shù)最小化的z值：

(等式17)

應(yīng)當(dāng)注意，沒有特別要求有效z是整數(shù)，并且實際上，自校準(zhǔn)表可以包含表示復(fù)合物質(zhì)的z的非整數(shù)值的值。然而，顯然不可能在有限表中表示可能的z值的連續(xù)體。為了將z計算為任意精度，能夠使用適當(dāng)?shù)膬?nèi)插算法將成本函數(shù)內(nèi)插到所需分辨率。然后，所選擇的z值是使內(nèi)插的成本函數(shù)最小化的值。成本函數(shù)c（z）是平滑函數(shù)，并且因此可以經(jīng)由某種形式的內(nèi)插從曲線可靠地預(yù)測使該平滑函數(shù)最小化的z的實際浮點或連續(xù)值。

可以使用相同形式的高效搜索方法來減少計算，并且避免對校準(zhǔn)表中的所有物質(zhì)z的詳盡搜索。

6.5系統(tǒng)適配

一些系統(tǒng)參數(shù)將隨時間變化，因此系統(tǒng)進(jìn)行適配以隨時間保持校準(zhǔn)：

1.增益校準(zhǔn)更新

a.在x射線關(guān)閉的時段期間測量校準(zhǔn)頻譜

b.根據(jù)在測量的頻譜中觀察到的改變來更新增益

c.增益是a*舊增益+b*新增益，其中a+b=1，并且b將較小，以避免噪聲并允許緩慢適配。

2.脈沖校準(zhǔn)更新

a.可以周期性地執(zhí)行新的脈沖校準(zhǔn)，但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)脈沖參數(shù)隨時間保持足夠恒定，可能需要最多每天或可能每周或每月重新校準(zhǔn)脈沖參數(shù)。

3.基線偏移更新

a.這可以以與執(zhí)行初始校準(zhǔn)相同的方式在x射線關(guān)閉的時段期間完成——基線偏移需要較短的數(shù)據(jù)集。

b.經(jīng)由以下所述的基線跟蹤算法來連續(xù)地適配。

4.能量校準(zhǔn)、計數(shù)速率相關(guān)的頻譜移位、堆積參數(shù)和殘余頻譜可能需要偶爾的離線重新校準(zhǔn)。還可能發(fā)現(xiàn)，對于給定的機器，這些很少（如果有的話）需要重新校準(zhǔn)。

7.有效z處理示例

以下是用于校準(zhǔn)檢測器板的過程的概述，具體地，實現(xiàn)自校準(zhǔn)過程并且具有使用“浮點”有效z計算的選項：

1.獲得已知物質(zhì)（理想地是純或接近純的元素）的校準(zhǔn)光楔。對于當(dāng)前校準(zhǔn)，使用3種物質(zhì)：

a.碳（z=6）

b.鋁（z=13）

c.不銹鋼（z約26）

2.考慮以下步驟來選擇階梯尺寸：

a.使用30cm的寬度來確保可以用1次校準(zhǔn)掃描來校準(zhǔn)大量檢測器。

i.投影模式用于有效增加可以被校準(zhǔn)的像素的數(shù)目

ii.在30cm光楔的情況下，2個校準(zhǔn)高度可以覆蓋5個檢測器板，5個檢測器板具有足夠的重疊，以避免邊緣效應(yīng)。

b.確定階梯高度以便嘗試從透射率<0.5%到95%得到合理均勻的透射率間隔。

i.對于碳，實現(xiàn)小于0.5%的透射率需要如300mm的物質(zhì)的某物。

ii.對于較重金屬，實現(xiàn)95%的透射率需要非常薄的樣本，0.5mm以下。對于諸如錫的金屬（這里未使用），這是非常困難的。

c.階梯長度為50mm。當(dāng)以4%的正常速度掃描時，掃描速度是每秒8mm，因此可以從每個階梯收集大約6秒的數(shù)據(jù)。在給定根據(jù)最終有效z處理所需的準(zhǔn)確度情況下，這對確保非常準(zhǔn)確的校準(zhǔn)頻譜是必要的。

3.物質(zhì)光楔被掃描，并且得到的數(shù)據(jù)在matlab中離線處理如下：

a.對于每次掃描的每個像素，確定階梯的開始和結(jié)束位置

b.允許一些裕量，以避免接近階梯邊緣的任何影響

c.對于所識別的每個階梯：

i.在階梯的每個薄片處提取對應(yīng)于所測量的頻譜的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

ii.積分所有數(shù)據(jù)，以建立非常準(zhǔn)確的頻譜（具有>5秒的數(shù)據(jù)）

iii.計算對應(yīng)的總強度（相對于在束中沒有東西的同一校準(zhǔn)運行期間測量的源頻譜的長期平均值）

d.針對每個物質(zhì)的每個階梯（強度）創(chuàng)建表，該表包含：

i.階梯厚度到階梯強度的映射。該表用于將任何測量的頻譜內(nèi)插成等效物質(zhì)厚度。

ii.一系列校準(zhǔn)頻譜，包括參考頻譜。每個頻譜表示物質(zhì)厚度，可以從該物質(zhì)厚度內(nèi)插針對中間物質(zhì)厚度的頻譜。

針對具有z=6、13、26的3種物質(zhì)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)足以產(chǎn)生3色圖像，從而將物質(zhì)分類為有機物（接近z=6）、無機/輕金屬（接近于z=13）或金屬（接近z=26）。為了實現(xiàn)如下核心目標(biāo)：準(zhǔn)確估計有效z以將物質(zhì)分離成下至+/-0.2z或更佳，有必要從更大的一組物質(zhì)獲得校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，從而隨后可以從其獲得z的連續(xù)估計。對于z=3到z=92的所有物質(zhì)運行校準(zhǔn)掃描是不實際的，因此通過內(nèi)插獲得一系列附加校準(zhǔn)數(shù)據(jù)集。從碳和鋁數(shù)據(jù)集的內(nèi)插/外插獲得z=3至z=13的校準(zhǔn)集。可以從鋁和不銹鋼數(shù)據(jù)集的內(nèi)插獲得有效z=13到z=50的校準(zhǔn)集。

對于掃描器中的每個像素，用于獲得附加校準(zhǔn)數(shù)據(jù)集的過程如下：

1.對于z=6、13、26中的每一個，將校準(zhǔn)頻譜內(nèi)插成一組新的強度。對于當(dāng)前的示范，使用如下強度（以百分比表示）：95、90、80、70、60、50、40、30、20、15、10、6、4、2、1、0.5、0.2。此時，現(xiàn)在存在針對處于一組公共強度處的每個物質(zhì)的校準(zhǔn)表。現(xiàn)在過程是針對處于那些同一組公共強度處的其他物質(zhì)創(chuàng)建校準(zhǔn)表。

2.對于當(dāng)前的示范，一組所需的物質(zhì)是z=3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、16、18、20、22、24、26、30、30。按照直方圖b，處于厚度x（這里對應(yīng)于所定義的透射率水平之一）的物質(zhì)z的頻譜被表示為i（z，b，x）。對于每種所需物質(zhì)，對于每個強度，獲得新的內(nèi)插物質(zhì)頻譜如下：

a.如果z_new<=13

b.如果z_new>13

。

3.然后，將新的表包括在用于有效z處理的總的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)集中。

4.所有校準(zhǔn)表都以適用于對pocc軟件的輸入的文件格式被保存。

這里要注意一些要點：

1.對于z<6，該過程是外插而不是內(nèi)插——其中一個系數(shù)為負(fù)，而另一個大于1。雖然它似乎已經(jīng)可接受地地良好運行為下降到z=3，但是需要注意外插，因為它可能會快速發(fā)散。

2.類似地，對于z>26，該過程是外插。這里將最好包括針對錫sn的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，并且然后也包括鉛pb以填寫可用的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。在這些較高z物質(zhì)情況下的挑戰(zhàn)是在90%透射率得到明顯的校準(zhǔn)曲線——物質(zhì)樣本必須非常薄以實現(xiàn)該透射率。

3.通過包括低于3的z值，成本函數(shù)在z=6周圍的感興趣區(qū)域中表現(xiàn)相當(dāng)好。這確保了計算連續(xù)/浮點有效z的過程能夠正確地確定大約為6的z值——基本上避免邊緣處的異常，或者至少將它們推送到感興趣的范圍外的z值。

4.可能需要更復(fù)雜的內(nèi)插以避免常見的交點——這對于較低的z是可接受的，但是在移到金屬時不再成立?？赡苄枰獌?nèi)插幾個頻譜以獲得每個新的經(jīng)內(nèi)插的物質(zhì)。

5.整體性能稍微受到僅使用3個實際測量物質(zhì)的限制。實際上，非常值得注意的是，在給定校準(zhǔn)物質(zhì)的間隔情況下，已經(jīng)實現(xiàn)了這樣優(yōu)異的性能。

6.諸如鉛pb的較高z物質(zhì)具有吸收邊界，并且因此，如果要實現(xiàn)在高有效z情況下的準(zhǔn)確性能，則最終需要考慮這些物質(zhì)。為此，吸收邊界沒有被特別地包含到模型中。

成本函數(shù)c（z）是平滑函數(shù)，并且因此，可以經(jīng)由某種形式的內(nèi)插從所述曲線預(yù)測使該平滑函數(shù)最小化的z的實際浮點或連續(xù)值。

對于10%透射率的情況，內(nèi)插過程的結(jié)果在圖14中示出?？梢钥闯?，所有物質(zhì)都存在非常平滑的行進(jìn)，并且這導(dǎo)致有效z處理的辨別力。有效z范圍內(nèi)的任何被測量的物質(zhì)可以被放置在該組曲線中的某處，其中與校準(zhǔn)曲線的精確位移用于確定物質(zhì)有效z的非常準(zhǔn)確的估計。

浮點有效z的實現(xiàn)已經(jīng)基于二次內(nèi)插，使用使成本函數(shù)最小化的z值以及所述z值任一側(cè)的z值處的成本函數(shù)值，其中在邊緣處有一些特殊考慮。該方法產(chǎn)生了有效z結(jié)果，該有效z結(jié)果（具有足夠的頻譜積分）具有準(zhǔn)確解析的物質(zhì)，該物質(zhì)中已知有效z的差小于0.2。

用于計算有效z的連續(xù)/浮點估計的過程如下：

1.計算校準(zhǔn)表中每個z值處的成本函數(shù)c（z）。

2.找出使c（z）最小化的z值。

3.找出z值和針對使c（z）最小化的z值的任何一側(cè)的z值的相關(guān)成本函數(shù)值。

4.估計二次模型的系數(shù)，其中最小值的區(qū)域中的模型為：

其中，n是成本函數(shù)上的噪聲。這進(jìn)而以矩陣等式形式針對3個z值z1、z2和z3和相關(guān)聯(lián)的成本函數(shù)值c1、c2和c3被建模，其中

并且其中

并且經(jīng)由矩陣求逆獲得解：

一般形式inv（h'h）h'c用于適應(yīng)使用多于3個z和c值來估計二次系數(shù)的情況。

5.計算使二次函數(shù)最小化的z值。轉(zhuǎn)折點所位于的z值簡單地是：

通過設(shè)計，z值中的一個（通常為z2，除了在邊緣處）是最小值，因此，得到的最佳z可以被假定為最小值而不是最大值。在邊緣處，可能存在問題，但是這需要被單獨處理。

在所公開的實施例中，進(jìn)行以下觀察：

1.通過設(shè)計，z值之一（通常是z2，除了在邊緣處）是最小值，因此，得到的最佳z可以被假定為最小值而不是最大值。在邊緣處，可能存在問題，但這需要被單獨處理。

2.如果使成本函數(shù)最小化的z的值在任一邊緣處，則需要對最小z值的一側(cè)使用2個值。然后，浮點計算可以成為對校準(zhǔn)表中z值范圍外的點的外插。當(dāng)這發(fā)生時，z估計可以快速發(fā)散，因此則需要注意限制最大或最小z值估計（即允許多少外插）。

3.包括低于6和高于26的z值被設(shè)計為確保上述邊緣效應(yīng)不會對z估計產(chǎn)生不利影響，特別是在z=6附近的感興趣區(qū)域中。

4.可能存在更有計算效率的方法來獲得二次系數(shù)和最小值的相關(guān)估計。這在現(xiàn)階段尚未探討。

5.實際上，對于給定的一組z值，所有必需的矩陣和逆可以被離線計算和存儲以供更高效的使用，因為它們僅取決于z值和z間隔，而不是測量的頻譜和成本函數(shù)。

6.二次模型是可接受的，其中成本函數(shù)表現(xiàn)良好、平滑和相對無噪聲。在非常短的積分時間用于收集能量頻譜直方圖時，成本函數(shù)可能變得有噪聲，并且由于噪聲而會收斂在局部最小值上。在這種情況下，并且通常，可能需要更復(fù)雜的內(nèi)插模型來平滑化成本函數(shù)并避免噪聲影響。這可能涉及內(nèi)插過程中的多于3個點。

二次模型僅僅是用于確保針對特定物質(zhì)獲得一致有效z的模型。不期望其是成本函數(shù)特性的精確函數(shù)模型，并且不被認(rèn)為是必要的。主要目標(biāo)是獲得針對特定物質(zhì)保持一致的有效z的估計值，并且實現(xiàn)緊密間隔物質(zhì)的可靠分離。二次模型實現(xiàn)了該目標(biāo)。

在一系列物質(zhì)樣本上測試浮點有效z算法，并且還在公文包上廣泛測試浮點有效z算法。有幾個關(guān)于性能進(jìn)行的觀察。

1.在高透射率值（對應(yīng)于非常薄/低的衰減樣本），成本函數(shù)可能變得有噪聲，并且針對較高z的校準(zhǔn)曲線通常也不良地被內(nèi)插到>90%的透射率。結(jié)果，輸出趨向于過于強調(diào)較高的z值。

2.在非常低的透射率，且在透射率水平改變大的附近（諸如金屬塊邊緣附近），在接收的頻譜中可能存在一些散射，導(dǎo)致輸出偏向有機，即使當(dāng)已知物質(zhì)是金屬時。

3.可能有效z的先驗知識給出以下啟發(fā)：

a.高透射率更可能是有機或較低z的物質(zhì)，因為非常大

b.低透射率更可能是較高z的物質(zhì)，因為將需要非常大厚度的低z物質(zhì)。

作為這些觀察的結(jié)果，引入加權(quán)v（z，i），以便根據(jù)強度和z二者調(diào)節(jié)成本函數(shù)。這些成本函數(shù)權(quán)重被調(diào)節(jié)以確保有效z輸出是如已知測試樣本所要求的。在pocc中，實現(xiàn)僅限于3個離散區(qū)域：

1.高透射率，i>高閾值

對于高透射率，當(dāng)相當(dāng)薄的有機物質(zhì)被掃描時，輸出被發(fā)現(xiàn)稍微偏向高z。因此，針對有機物的成本權(quán)重較低，并且在較高z時增加。

2.中間透射率，低閾值<i<高閾值

在透射率的中間范圍內(nèi)，輸出通常與預(yù)期的有效z一致，因此僅應(yīng)用非常輕微的成本函數(shù)加權(quán)。

3.低透射率，i<低閾值

在非常低的透射率下，發(fā)現(xiàn)較高z的物質(zhì)偶爾被誤認(rèn)為低z物質(zhì)。這在金屬塊邊緣附近尤其如此，在金屬塊邊緣處散射可以允許過量的低能量x射線到達(dá)檢測器。結(jié)果，在低透射率時，成本權(quán)重被設(shè)計為增加低z物質(zhì)的成本，以更一致地產(chǎn)生較高z輸出。這種方法的一個副作用是非常厚的有機物質(zhì)開始被識別為低透射率的金屬。這只能通過移除誤識別的根本原因來克服，即接收頻譜中的過量低能量x射線。

8.有效z處理實現(xiàn)

以下部分更詳細(xì)地概述了個體處理階段和算法。圖20指示可以在本方法中實現(xiàn)的各種可選處理階段的概述。

8.1平鋪

平鋪算法實際上是塊平均函數(shù)。平鋪算法的目的是在一面積（mm²）上對浮動有效z圖像進(jìn)行平均，該面積表示需要檢測的具有恒定強度和物質(zhì)組成的最小對象。平鋪算法生成具有50%重疊的圖塊，以確保我們始終捕獲感興趣的對象。平鋪算法估計浮動有效z圖像中矩形圖塊上的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。圖塊寬度和高度由用戶定義。在垂直和水平維度上，圖塊重疊50%。給定圖像尺寸nr乘nc個像素，以及平鋪尺寸tr乘tc個像素，垂直維度中的圖塊數(shù)目為floor（nr/tr）*2。圖塊尺寸必須是均值的，以確保50%的重疊。平鋪算法執(zhí)行索引到每個圖塊中的循環(huán)，并計算圖塊中所有像素的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。

圖塊尺寸的選擇基本上歸結(jié)于以下各項之間的折衷：

1.必須檢測的最小對象的尺寸，以及

2.需要的有效z分辨率。已經(jīng)觀察到有效z方差隨著平均的有效z像素的數(shù)量而幾乎線性地減小，因此較大的面積產(chǎn)生更好的有效z分辨率。

此外，已經(jīng)使用平鋪和集群的原理來避免在此時需要實現(xiàn)復(fù)雜的圖像分割。認(rèn)為為了獲得準(zhǔn)確的有效z測量，在任何情況下都將需要大的均勻物質(zhì)的連續(xù)塊，因此平鋪和集群方法將僅略差于全圖像分割。然而，圖像分割可能最終證明對于高度不規(guī)則形狀是有利的，特別是在可以結(jié)合有效z測量使用一些更復(fù)雜的對象識別方法時。

8.2集群

集群算法聚集具有公共有效z并且在空間上連接的圖塊。集群算法的目的是檢測跨越大于最小對象尺寸的區(qū)域的對象，最小對象尺寸由圖塊尺寸定義，參見第2.1部分。連接沿邊緣被定義。連接的圖塊被指派公共集群id。集群算法的輸出是集群映射和集群表。集群映射是具有關(guān)聯(lián)集群id的被連接的圖塊的矩陣。集群表保持關(guān)于每個集群id的信息，包括集群中的圖塊的數(shù)目以及每個集群的垂直和水平范圍。

集群算法執(zhí)行平鋪圖像的逐行掃描。如果圖塊p（r，c）被連接到集合a={p（r，c-1），p（r-1，c+1），p（r-1，c）p（r-1，c-1））}中的圖塊，則向圖塊p（r，c）指派集群id。如果p（r，c）沒有被連接到集合a，而是連接到集合b={p（r，c+1），p（r+1，c-1），p（r+1，c），p（r+1，c+1）}中的圖塊，則對該圖塊指派新的集群id。在與集合a中的圖塊連接的情況下，p（r-1，c+1）能夠具有與集合中的其他圖塊不同的集群id。在這種情況下，執(zhí)行集群合并。這是通過簡單地將一個集群id替換為另一個來實現(xiàn)的，具體順序不重要。集合a和b在八個邊界條件下被適配，四個邊界條件沿著圖像邊緣并且四個在圖像頂點。

圖19描繪了集群的形成，其中忽略單個圖塊。

8.3威脅檢測

威脅檢測算法是最近鄰居分類器。該算法對個體圖塊進(jìn)行分類。在算法中存在兩個步驟，訓(xùn)練和分類。訓(xùn)練階段建立查找表，查找表將歸一化強度映射到針對稱為“威脅”的一系列物質(zhì)的浮動有效z。該術(shù)語“威脅”沒有任何后果。查找表僅包含感興趣的物質(zhì)。在當(dāng)前實現(xiàn)中，查找表被近似為二次擬合，只存儲針對二次擬合的二次系數(shù)（參見threat.cpp）。

在分類階段期間，輸入是歸一化的測量的圖塊強度（imeas）、測量的圖塊浮動有效z（zmeas）和最大有效z分類誤差（deltaz）。對于訓(xùn)練集中的每個物質(zhì)，在下述情況時，分類器聲明正（positive）：

abs(ci(imeas)-zmeas)<deltaz，

其中ci是與第i威脅物質(zhì)相關(guān)聯(lián)的二次函數(shù)。

在威脅簡檔中使用強度和有效z是這種方法的重要方面。有效z通常與物質(zhì)厚度不一致，并且因此包括強度（與厚度相關(guān)）提供二維測試，二維測試具有比單獨使用有效z更優(yōu)的區(qū)分。

圖15示出了針對所測試的物質(zhì)樣本范圍的有效z對強度以及二次內(nèi)插。這里，有效z隨著強度的變化是清楚的。

8.4邊緣檢測

邊緣檢測算法的目的是確保第2.5部分中的移動平均窗口不跨物質(zhì)邊界。邊緣檢測使用強度圖像中的幅度轉(zhuǎn)變來聲明物質(zhì)邊緣。對邊緣檢測算法的輸入是強度圖像。僅在水平維度上檢測邊緣。不在垂直維度上檢測邊緣的原因是移動平均窗口僅在水平維度上運行。針對每個檢測器計算強度圖像中的邊緣。一階梯度算子用于檢測邊緣。梯度算子掩碼寬度和梯度閾值由用戶定義。給定如圖23中所描繪的在列上索引的以下邊緣掩碼l（c），則梯度是g=sum(l(c).*inorm(c))，其中inorm是歸一化強度，參見第2.6部分。當(dāng)abs（g）>g時，聲明邊緣，其中g(shù)是用戶定義的閾值。

8.5移動平均

移動平均算法的目的是過濾針對每個檢測器的強度直方圖，以便增加有效信噪比。通過在以薄片k為中心的對稱窗口上對測量的強度直方圖進(jìn)行平均，該算法針對每個檢測器生成薄片k的過濾強度直方圖。邊緣檢測器在確保移動平均窗口不跨不同物質(zhì)方面發(fā)揮重要作用。如果窗口與邊緣重疊，則平均值僅被計算到邊緣邊界。窗口的寬度可以由用戶設(shè)置。在邊緣上，不執(zhí)行平均。圖22圖示了當(dāng)移動平均在邊緣上轉(zhuǎn)變時所述移動平均的行為。

可以更有計算效率的一個實施例是自適應(yīng)移動平均方法：

1.在存在邊緣的情況下，在每個薄片上計算有效z。

2.基于移動平均窗口的50%重疊計算有效z（例如，每5個像素對應(yīng)于11個像素ma長度）。

這可以根據(jù)精確配置提供3-5倍的計算速度改進(jìn)。

附加細(xì)節(jié)

1.伽瑪射線攝影實施例

本發(fā)明的另一個實施例是伽馬射線攝影的實施例。在這種應(yīng)用中，可以使用諸如鈷60的伽馬射線源（1800）來用伽馬射線光子照射掃描器（1801）的隧道。伽馬射線源（1800）可以被屏蔽（1802），并且準(zhǔn)直儀（1803）也可以用于創(chuàng)建伽馬射線的扇形束（1804）。輥（1805）或其他設(shè)備（諸如輸送機）的系統(tǒng)可以用于傳送貨物（1806）、包裹、袋子或其他感興趣的物品通過伽馬射線的扇形束（1804）。伽馬射線光子將經(jīng)由一系列相互作用（包括吸收、散射和反沖）與貨物（1806）相互作用。

可以通過檢測器子系統(tǒng)在掃描器的另一側(cè)檢測穿過貨物的伽馬射線光子。這種檢測器子系統(tǒng)（1807）可以是耦合到硅光電倍增器以產(chǎn)生電信號的閃爍檢測器陣列。替代地，陣列可以由諸如高純度鍺（hpge）的半導(dǎo)體物質(zhì)組成，該半導(dǎo)體物質(zhì)能夠?qū)①ゑR射線光子直接轉(zhuǎn)換成電荷。

2.高速率脈沖處理

原則上，在本文描述的實施例中可以使用任何適當(dāng)?shù)母咚俾拭}沖處理方法。然而，在典型的x射線篩查系統(tǒng)中存在的高x射線通量導(dǎo)致高脈沖計數(shù)速率以及接收到重疊x射線脈沖的高可能性。

脈沖堆積長期以來一直是在高速率輻射頻譜學(xué)應(yīng)用中抗?fàn)幍膯栴}。用于脈沖整形的傳統(tǒng)方法使用線性濾波器來縮短脈沖持續(xù)時間，這可以顯著降低snr，并且因此被限制為幾百kc/s的輸出速率。處理來自輻射檢測器的數(shù)據(jù)的替代方法是基于如下原理：對被脈沖堆積破壞的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模并求解所需模型參數(shù)。通過恢復(fù)而不是丟棄由脈沖堆積破壞的數(shù)據(jù)，該技術(shù)實現(xiàn)高吞吐量、低死區(qū)時間的脈沖處理，而沒有傳統(tǒng)的能量分辨率損失。

國際專利公開wo2006029475、wo2009121130、wo2009121131、wo2009121132、wo2010068996、wo2012171059和wo2015085372的公開內(nèi)容在本發(fā)明中可用于在降低脈沖堆積拒絕的情況下實現(xiàn)高速率脈沖處理，并且這些專利公開全部通過引用將其整體并入本文，就好像被逐字重復(fù)一樣用于本發(fā)明的實施例，并且申請人保留將在上述國際專利公開中公開的任何術(shù)語和概念納入本申請中的未來權(quán)利要求語言修改中的權(quán)利。

以下考慮包括從適用于本發(fā)明的上述國際專利公開中公開的技術(shù)的選擇，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，所有這些技術(shù)都可能是有用的，并且在替代方法中的選擇通過滿足各種相抵觸的性能約束（包括處理速度、能量確定準(zhǔn)確度和最大計數(shù)速率）來引導(dǎo)。

2.1基于模型的高吞吐量脈沖處理-方法1

這里簡要描述的并且在wo2006029475（通過引用并入）中更詳細(xì)地描述的用于處理來自輻射檢測器的數(shù)據(jù)的算法是基于模型的實時信號處理算法，該算法如下所示那樣表征輻射檢測器的輸出y[n]：

(等式18)

數(shù)字化輻射檢測器時間序列（y）被建模為未知數(shù)目的輻射事件（n）的求和以及與噪聲過程（ω）求和，該輻射事件具有與輻射檢測器相互作用的幅度（α）和隨機到達(dá)時間（τ），該輻射事件具有預(yù)期的脈沖形狀（h）。

因此，為了完全表征輻射檢測器的數(shù)字化輸出，期望估計：檢測器的預(yù)期脈沖響應(yīng)；數(shù)字化檢測器時間序列中的事件的數(shù)目；那些輻射事件中的每一個的到達(dá)時間；以及每個事件的個體能量。一旦確定了這些參數(shù)，數(shù)字化檢測器數(shù)據(jù)就可以準(zhǔn)確地分解成個體組件事件，并且確定每個事件的能量。

系統(tǒng)表征

檢測器的校準(zhǔn)是算法的第一階段；其將檢測器時間序列數(shù)據(jù)作為輸入，并確定檢測器的單位脈沖響應(yīng)（來自檢測器的預(yù)期脈沖形狀）。有關(guān)脈沖校準(zhǔn)過程的更詳細(xì)的總結(jié)，請參閱脈沖參數(shù)校準(zhǔn)。

脈沖定位

在確定了檢測器的單位脈沖響應(yīng)之后，脈沖定位階段使用它來確定數(shù)字化檢測器數(shù)據(jù)流中的事件數(shù)目及它們相對于彼此的toa。

通過將指數(shù)模型擬合到固定數(shù)目的數(shù)據(jù)點來實現(xiàn)數(shù)字化檢測器波形中的事件檢測。在系統(tǒng)表征階段之后，脈沖尾部的指數(shù)衰減被很好地表征。通過將指數(shù)曲線擬合到指定數(shù)目的數(shù)據(jù)點來形成檢測度量（用于最終決定脈沖是否到達(dá)的信號）。該固定長度的“檢測窗口”在數(shù)字化檢測器數(shù)據(jù)上被連續(xù)運行，并且計算誤差的平方和（這也可以被認(rèn)為是擬合殘差的平方和）。該操作產(chǎn)生三種不同的操作模式：

1.基線操作：當(dāng)不存在信號時處理數(shù)據(jù)樣本。由于數(shù)據(jù)可以通過指數(shù)被相當(dāng)準(zhǔn)確地建模，所以誤差的平方和處于最小值并保持完全不變。

2.事件檢測：當(dāng)輻射事件進(jìn)入檢測窗口時，數(shù)據(jù)可能不再被準(zhǔn)確地建模為指數(shù)（在t=0時（輻射事件的精確到達(dá)時間），數(shù)據(jù)可能被認(rèn)為是非差分的）。因此，誤差的平方和將增加。該檢測度量將繼續(xù)增加，直至輻射事件位于檢測窗口的中間。

3.尾部操作：當(dāng)處理輻射事件尾部上的數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)點被非常準(zhǔn)確地建模為指數(shù)。因此，誤差的平方和返回到與基線操作模式相同的水平。

在數(shù)字化檢測器上使用這樣的指數(shù)脈沖擬合操作產(chǎn)生理想的檢測度量。它在基線期間保持為低，響應(yīng)于事件到達(dá)而迅速上升，并且一旦輻射事件的上升沿消失則迅速衰減。此外，通過增加固定長度檢測窗口中adc樣本的數(shù)目，能夠抑制檢測器噪聲并準(zhǔn)確地檢測非常低的能量事件。然而，檢測度量（樣本中）的寬度與檢測窗口成比例地變化。因此，隨著檢測窗口變寬，區(qū)分兩個緊密分離的脈沖的能力減弱。

二次峰值檢測

脈沖定位的最后階段是對檢測器數(shù)據(jù)流中輻射事件的準(zhǔn)確數(shù)目和每一個輻射事件的到達(dá)時間做出決定。一種方法可以是將簡單閾值應(yīng)用于檢測度量，并聲明脈沖達(dá)到距閾值交叉最近的樣本處。然而，簡單的閾值交叉易受噪聲影響，并且僅在確定脈沖到達(dá)時間時提供±0.5的樣本準(zhǔn)確度。為了具有更準(zhǔn)確的脈沖到達(dá)時間并且能夠?qū)υ肼暦€(wěn)健（在處理接近噪聲下限的低能量信號時特別重要），可以使用二次峰值檢測算法。這種方法將二次方程擬合到檢測度量的n個樣本的滑動窗口（n可以等于5）。為了聲明峰值，我們檢查分解，并且如果曲率在允許范圍內(nèi)，常數(shù)超過閾值，并且線性項已經(jīng)從正變?yōu)樨?fù)，則聲明峰值。系數(shù)也可以用于確定到達(dá)的子樣本時間。

脈沖能量估計

脈沖能量估計階段確定檢測器數(shù)據(jù)流中所有輻射事件的能量。作為其輸入，它使用：檢測器單元脈沖響應(yīng)的先驗知識；事件的數(shù)目；及其個體到達(dá)時間數(shù)據(jù)。等式1（y[n]）的數(shù)字化檢測器數(shù)據(jù)也可以以矩陣形式被寫成：

(等式19)

其中a是m×n矩陣，其條目由下式給出

(等式20)

因此，矩陣a的列包含檢測器的單位脈沖響應(yīng)的多個版本。對于個體列中的每一個列，信號形狀的起始點由信號時間位置定義。例如，如果數(shù)據(jù)中的信號到達(dá)位置2、40、78和125，則矩陣a的列1在第一行中、在第二行中的單位脈沖響應(yīng)的第一數(shù)據(jù)點、在第3行中的單位脈沖響應(yīng)的第2個數(shù)據(jù)點等將具有'0'。第2列將具有“0”直至第39行，之后是信號形式。第三列將具有'0'直至第77行；第四列將具有“0”直至第124行，并且然后是信號形式。因此，矩陣a的大小由所識別的信號的數(shù)目（其變?yōu)榱械臄?shù)目）來確定，而行數(shù)取決于“時間序列”中的樣本數(shù)目。

一旦已經(jīng)創(chuàng)建了系統(tǒng)矩陣，就能夠通過計算矩陣a的偽逆來求解每個輻射事件使用的期望能量：

(等式21)。

數(shù)據(jù)驗證

實時信號處理算法的最后功能階段是驗證階段。在該階段，已經(jīng)由先前算法階段估計的所有參數(shù)（脈沖形狀、事件數(shù)目、到達(dá)時間和事件能量）被組合以重建檢測器數(shù)據(jù)的“無噪聲”模型。

通過從實際數(shù)字化檢測器時間序列中減去該檢測器數(shù)據(jù)的模型，可以確定所估計的參數(shù)的準(zhǔn)確度。非常類似于檢查來自數(shù)據(jù)集的直線擬合的殘差，如果殘差的量值小，則參數(shù)很好地描述該數(shù)據(jù)。然而，如果觀察到大的殘差，則檢測器數(shù)據(jù)被不良地估計，并且該部分?jǐn)?shù)據(jù)可能被拒絕。

2.2基于模型的高吞吐量脈沖處理-方法2

本文簡單描述并且在wo2010068996（通過引用并入）中更詳細(xì)描述的用于處理來自輻射檢測器的數(shù)據(jù)的算法是基于模型的實時信號處理算法，其中信號處理至少部分地在變換空間中進(jìn)行。

在一個實施例中，用于解析檢測器輸出數(shù)據(jù)中的個體信號的方法包括：

作為數(shù)字序列（諸如數(shù)字時間序列或數(shù)字化頻譜）獲得或表達(dá)檢測器輸出數(shù)據(jù)；

獲得或確定數(shù)據(jù)中存在的信號的信號形式（或等效地是脈沖響應(yīng)）；

通過根據(jù)數(shù)學(xué)變換對信號形式進(jìn)行變換來形成經(jīng)變換的信號形式；

通過根據(jù)數(shù)學(xué)變換對數(shù)字序列進(jìn)行變換來形成經(jīng)變換的序列，所述經(jīng)變換的序列包括經(jīng)變換的信號；

評估至少經(jīng)變換的序列和經(jīng)變換的信號形式（以及可選地，經(jīng)變換的信號的至少一個參數(shù)）的函數(shù)，并且由此提供函數(shù)輸出；

根據(jù)模型對所述函數(shù)輸出進(jìn)行建模（諸如通過將函數(shù)輸出建模為多個正弦曲線）；

基于所述模型確定所述函數(shù)輸出的至少一個參數(shù)；以及

從所述函數(shù)輸出的至少一個確定的參數(shù)來確定所述信號的參數(shù)。

技術(shù)人員將理解，檢測器輸出數(shù)據(jù)中的個體信號還可以被描述為檢測器輸出或檢測器輸出信號中的個體脈沖（在該情況下，信號形式可以被稱為脈沖形式）。

信號形式通?？梢员徽J(rèn)為表征檢測器和已經(jīng)或者正在用于收集數(shù)據(jù)的輻射（或其他檢測到的輸入）之間的相互作用。信號形式可以被確定，或者如果從先前測量、校準(zhǔn)等已知，則可以從（例如）數(shù)據(jù)庫獲得。

在一些實施例中，根據(jù)數(shù)學(xué)變換對數(shù)字序列進(jìn)行變換包括形成數(shù)字序列的模型并且根據(jù)數(shù)學(xué)變換來變換數(shù)字序列的模型。

在某些實施例中，該方法包括確定經(jīng)變換的信號的多個參數(shù)，諸如頻率和幅度。

在某些特定實施例中，變換是傅立葉變換，諸如快速傅立葉變換或離散傅立葉變換或小波變換。實際上，在某些實施例中，所述變換可以分別與信號形式和數(shù)字序列稍有不同地被應(yīng)用。例如，在一個實施例中，數(shù)學(xué)變換是傅立葉變換，但是信號形式被利用離散傅立葉變換來變換，并且用快速傅立葉變換來變換數(shù)字序列。

在一個實施例中，變換是傅立葉變換，并且該函數(shù)可表示為

(等式22)

其中x（k）是經(jīng)變換的序列，并且h（k）是經(jīng)變換的信號形式。

因此，該方法試圖確定信號的參數(shù)，并且因此確定盡可能多的數(shù)據(jù)的參數(shù)，但是應(yīng)當(dāng)理解，對于一些數(shù)據(jù)（這被稱為“受損數(shù)據(jù)”）可能不可以這樣做，如下所述。應(yīng)當(dāng)理解，術(shù)語“信號”在該上下文中與“脈沖”是可互換的，因為它指的是對應(yīng)于個體檢測事件的輸出，而不是包括個體信號總和的總體輸出信號。還將理解，可以以各種方式測量或表達(dá)信號的時間位置（或定時），所述方式諸如是根據(jù)信號的最大值或信號的前沿的時間（或時間軸上的位置）。通常這被描述為到達(dá)時間（“到達(dá)的時間”）或檢測時間。

還將理解，術(shù)語“檢測器數(shù)據(jù)”指的是源自檢測器的數(shù)據(jù)，無論是否隨后被檢測器內(nèi)部或外部的關(guān)聯(lián)或其他電子裝置處理。

信號形式（或脈沖響應(yīng)）可以通過校準(zhǔn)過程來確定，該校準(zhǔn)過程涉及測量檢測器對一個或多個信號事件檢測的脈沖響應(yīng)（諸如時域響應(yīng)或頻域響應(yīng)）以從該數(shù)據(jù)得出信號形式或脈沖反應(yīng)。然后，該信號形式的函數(shù)形式可以通過用適當(dāng)函數(shù)內(nèi)插該數(shù)據(jù)（或擬合到該數(shù)據(jù)）來獲得，適當(dāng)函數(shù)諸如是多項式、指數(shù)或樣條。然后，可以從該檢測器信號形式構(gòu)建濾波器（例如逆濾波器）。對信號參數(shù)的初始估計可以通過來自檢測器的輸出數(shù)據(jù)與濾波器的卷積來進(jìn)行。特別感興趣的信號參數(shù)包括信號的數(shù)目和每一個信號的時間位置（或到達(dá)時間）。

然后，可以進(jìn)一步改善感興趣的特定信號參數(shù)。

可以通過將檢測器數(shù)據(jù)流的模型（由信號參數(shù)和檢測器脈沖響應(yīng)的知識構(gòu)建）和實際檢測器輸出作比較來確定或“驗證”參數(shù)估計的準(zhǔn)確度。如果該驗證過程確定某些參數(shù)的準(zhǔn)確度不足，則丟棄這些參數(shù)。在使用該方法的頻譜分析中，被認(rèn)為足夠準(zhǔn)確的能量參數(shù)可以被表示為直方圖。

數(shù)據(jù)可以包括不同形式的信號。在該情況下，該方法可以包括確定每一個信號的可能信號形式。

在一個實施例中，該方法包括：從數(shù)據(jù)中順次減去如下那些信號：所述信號可接受地符合多個信號形式中的接續(xù)信號形式；以及拒絕如下那些信號：所述信號不可接受地符合多個信號形式中的任何一個。

2.3基于模型的高吞吐量脈沖處理-方法3

本文簡單描述并且在wo2012171059（通過引用并入）中更詳細(xì)描述的用于處理來自輻射檢測器的數(shù)據(jù)的算法是基于模型的實時信號處理算法，其中，確定信號內(nèi)脈沖的位置和幅度通過將函數(shù)擬合到檢測器輸出數(shù)據(jù)來實現(xiàn)。

該方法還可以包括：通過以下步驟檢測所述檢測器輸出數(shù)據(jù)中的一個或多個脈沖：

將跨數(shù)據(jù)的窗口滑動到接續(xù)窗口位置；

通過在每個窗口位置處執(zhí)行對窗口中數(shù)據(jù)的脈沖擬合來識別可能的脈沖；

確定可能的脈沖中的哪一個具有在相應(yīng)窗口位置開始之前和附近下降的脈沖開始以及超過相應(yīng)窗口位置處的窗口中的噪聲的標(biāo)準(zhǔn)偏差的峰值幅度；以及

把所述可能脈沖中的那些可能脈沖識別為脈沖或輸出那些可能脈沖：所述那些可能脈沖在相應(yīng)窗口位置的開始之前具有下降一個、兩個或三個樣本的脈沖開始以及超過在相應(yīng)窗口位置處的窗口中的噪聲的標(biāo)準(zhǔn)偏差的峰值幅度。

在許多實施例中，所述一個或多個函數(shù)是時間的函數(shù)。

然而，在那些實施例中的一些實施例中，技術(shù)人員將理解，所述一個或多個函數(shù)可能不僅僅是時間的函數(shù)。

該方法可以包括在將所述一個或多個函數(shù)擬合到檢測器輸出數(shù)據(jù)之前，以數(shù)字形式提供檢測器輸出數(shù)據(jù)或者將檢測器輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式。

在一個實施例中，所述一個或多個函數(shù)具有以下形式：

(等式23)

在該實施例中，v(t)可以諸如通過下述公式被數(shù)值計算

(等式24)

其中t=0、1、2……(其中v(0)=0)。

盡管在數(shù)學(xué)上，只要β≠α，則，上述公式可以用于數(shù)值評估v（t）。此外，即使當(dāng)α=β時，上述公式仍然是正確的，在這種情況下減少到。

在一個實施例中，一個或多個函數(shù)具有以下形式：

(等式25)

并且該方法包括利用包括下述步驟的方法來確定脈沖的位置和幅度：

將參考脈沖p（t）定義為與的卷積（如附錄中進(jìn)一步討論的），

從確定f（t）的位置τ和幅度a，其中τ≤0。

技術(shù)人員將理解，本發(fā)明的本方面考慮了該方法的不同但是數(shù)學(xué)上等同的表達(dá)。

技術(shù)人員還將理解：

當(dāng)α≠β時，并且

當(dāng)α=β時，。

擴展給出兩個等式：

,(等式26)

,(等式27)

其中。在β等于α?xí)r的限制中，常數(shù)γ變?yōu)?，并且等式（1）變?yōu)?imgfile="136429dest_path_image047.gif"wi="43"he="26"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>。因此，該形式適用于用于計算τ的數(shù)值穩(wěn)定方法。

如果|β-α|非常小，在計算γ情況下需要注意。這可以通過對泰勒展開中的前幾項求和來完成：

(等式28)。

求解等式（1）可以數(shù)值地進(jìn)行，諸如用二等分法，具體是因為左手側(cè)在τ中是單調(diào)的。確定針對τ的不同值的左手側(cè)可以通過任何合適的技術(shù)來完成，該技術(shù)諸如是利用針對小τ的泰勒級數(shù)展開。（實際中，τ的值通常會很小，因為噪聲通常會排除在過去遠(yuǎn)處開始的脈沖的準(zhǔn)確表征）。

等式（1）的τ中的線性近似為，并且如果β=α，則是精確的。確切的一般解（理論上）是，其泰勒級數(shù)展開為：

(等式29)

這在|x|<1時是有效的。

該方法可以包括通過要求來約束τ。因此，因為等式的左手側(cè)在τ中是單調(diào)的，所以約束相當(dāng)于對a和b的約束0≤b≤ca，其中標(biāo)量c由下式給出

(等式30)

(等式31)

實際上，如果，則

因此，能夠提供約束優(yōu)化。

該約束可以用α和β不是負(fù)的并且α>β的約束來實現(xiàn)。

該方法還可以包括約束脈沖的幅度。這可以用于例如防止擬合的脈沖過小或過大。實際上，參考上述等式（2），如果τ被約束在-1和0之間，則a位于γ^-1a和γ^-αe^βa之間。約束a因此約束幅度a。

根據(jù)另一具體實施例，函數(shù)f是具有三個指數(shù)的函數(shù)的形式。在本實施例的特定示例中，時間常數(shù)τ1，...，τ3是已知的，并且是不相似的（因此產(chǎn)生數(shù)值不精確的問題更少），并且該方法包括擬合曲線：

(等式32)

在該實施例的另一示例中，時間常數(shù)τ1，...，τ3是已知的，并且按升序使得τ1≤τ2≤τ3，并且擬合函數(shù)f包括使用基本向量：

(等式33)

(等式34)

(等式35)。

為了參考，如果時間常數(shù)不同，則

和

其中。

然而，注意，與先前的“雙指數(shù)”情況（其中存在兩個未知數(shù)（即脈沖的位置和幅度）和兩個等式（來自兩個基本向量））不同，在該“三指數(shù)”的情況中存在兩個未知數(shù)，但有三個等式。因此，存在許多不同的方法來對這些等式求逆（從而恢復(fù)脈沖的位置和幅度），并且一般地，這將是對噪聲具有穩(wěn)健性的策略。

在另一具體實施例中，函數(shù)f具有下述形式：

,(等式36)

其中α和β是標(biāo)量系數(shù)，并且該方法包括確定a和b。

該方法可能不適用于其中的應(yīng)用，但是在一些應(yīng)用中，可能知道這不太可能發(fā)生，使得該實施例是可接受的。

在該實施例的一個示例中，確定位置包括確定位置，其中：

(等式37)。

應(yīng)當(dāng)理解，使用和的該實施例具有以下缺點：當(dāng)β接近α?xí)r這些項收斂（與在上述實施例中保持不同的項v(t)和不同。實際上，可能被認(rèn)為對應(yīng)于在-∞處發(fā)生的脈沖的尾部（而v(t)表示在時間0發(fā)生的脈沖））。

函數(shù)f可以是多個函數(shù)的疊加。

該方法可以包括通過評估在處的f=f（t）來確定脈沖幅度。

因此，本發(fā)明一般地涉及用于從檢測器輸出數(shù)據(jù)的存在噪聲的觀測中估計脈沖總和的位置和幅度的方法和裝置。其將最大似然估計值提供作為基準(zhǔn)（因為噪聲為加性白高斯噪聲，所以最大似然估計值等同于最小均方誤差估計值）。

該方法可以包括在擬合所述一個或多個函數(shù)之前對數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波。

然而，在一個實施例中，該方法包括適配所述一個或多個函數(shù)以允許檢測器輸出數(shù)據(jù)中的低頻偽像。在一個示例中，這可以通過將所述一個或多個函數(shù)表達(dá)為三個指數(shù)函數(shù)的線性組合（諸如）來完成。

在某個實施例中，該方法包括強制具有在窗口內(nèi)開始的脈沖的任何估計在窗口的邊界處開始。

在具體實施例中，該方法包括：最大化窗口尺寸或改變窗口尺寸。

在一個實施例中，該方法包括：通過在將所述一個或多個函數(shù)擬合到經(jīng)變換的檢測器輸出數(shù)據(jù)之前的變換來變換檢測器輸出數(shù)據(jù)。

，則這種方法如下應(yīng)用中可能是合乎期望的：在該應(yīng)用中，如果在變換空間中進(jìn)行分析則該分析被簡化。在這種情況下，該方法還可以包括隨后對所述一個或多個函數(shù)應(yīng)用反變換，但是在一些情況下，可能可以在變換空間中獲得期望的信息。

變換可以是拉普拉斯變換、傅立葉變換或其他變換。

在一個實施例中，估計峰值的位置包括使窗口開始和脈沖開始之間的偏移最小化。

在具體實施例中，該方法還包括：通過下述方式來檢測數(shù)據(jù)中的一個或多個脈沖：

將跨數(shù)據(jù)的窗口滑動到接續(xù)的窗口位置；

通過在每個窗口位置處執(zhí)行對窗口中的數(shù)據(jù)的脈沖擬合來識別可能的脈沖；

確定可能的脈沖中的哪一個具有在相應(yīng)窗口位置開始之前和附近下降的脈沖開始以及超過相應(yīng)窗口位置處的窗口中的噪聲的標(biāo)準(zhǔn)偏差的峰值幅度；以及

把所述可能脈沖中的那些可能脈沖識別為脈沖或輸出那些可能脈沖：所述那些可能脈沖在相應(yīng)窗口位置的開始之前具有下降一個、兩個或三個樣本的脈沖開始以及超過在相應(yīng)窗口位置處的窗口中的噪聲的標(biāo)準(zhǔn)偏差的峰值幅度。

根據(jù)第二廣泛方面，本發(fā)明提供了一種用于在檢測器輸出數(shù)據(jù)中定位脈沖的方法，包括：

將多個函數(shù)擬合到數(shù)據(jù)；

確定最佳擬合的函數(shù)，該最佳擬合的函數(shù)是當(dāng)對所述數(shù)據(jù)建模時使所選擇的度量優(yōu)化的所述函數(shù)中的任何一個；以及

從所述最佳擬合函數(shù)確定所述脈沖的峰值的位置和幅度。

在一個實施例中，所述一個或多個函數(shù)中的每一個是多個函數(shù)的疊加。

4.基于模型的高吞吐量脈沖處理-方法4

本文簡單描述并且在wo2015085372（通過引用并入）中更加詳細(xì)描述的用于處理來自輻射檢測器的數(shù)據(jù)的算法是基于模型的實時信號處理算法，其中，解析檢測器輸出數(shù)據(jù)中的個體信號包括變換檢測器數(shù)據(jù)以產(chǎn)生階梯化數(shù)據(jù)，或者使用已經(jīng)處于階梯形式的數(shù)據(jù)，并且至少部分地基于階梯化數(shù)據(jù)來檢測至少一個信號并估計信號的參數(shù)。

該方法包括：變換檢測器輸出數(shù)據(jù)以產(chǎn)生階梯化數(shù)據(jù)或積分?jǐn)?shù)據(jù)，檢測至少一個事件，以及估計與該事件相關(guān)聯(lián)的脈沖能量。

在一些實施例中，檢測至少一個事件通過將預(yù)期脈沖形狀與經(jīng)變換的脈沖形狀數(shù)據(jù)的滑動窗口段擬合而發(fā)生。

在一些實施例中，該方法還包括檢測信號中的峰值的步驟，其中將檢測度量應(yīng)用于經(jīng)變換的數(shù)據(jù)。在一些實施例中，將檢測度量與簡單閾值進(jìn)行比較——如果度量小于閾值，則不認(rèn)為存在脈沖——如果度量超過閾值，則可能存在一個或多個脈沖。如果峰值的斜率從正改變到負(fù)指示事件，則聲明檢測度量中的顯著峰值。

應(yīng)當(dāng)理解，可能不可以充分地表征所有數(shù)據(jù)（未表征的數(shù)據(jù)被稱為“受損數(shù)據(jù)”）；這種受損數(shù)據(jù)可能可選地被拒絕。應(yīng)當(dāng)理解，術(shù)語“信號”在本上下文中與“脈沖”是可互換的，因為它指代對應(yīng)于個體檢測事件的輸出而不是包括個體信號之和的總體輸出信號。還將理解，可以以各種方式測量或表達(dá)信號的時間位置（或定時），諸如根據(jù)信號的最大值或信號的前沿的時間（或時間軸上的位置）。通常，這被描述為到達(dá)時間（“到達(dá)的時間”）或檢測時間。

還將理解，術(shù)語“檢測器數(shù)據(jù)”是指源自檢測器的數(shù)據(jù)，無論隨后是否被檢測器內(nèi)部或外部的關(guān)聯(lián)或其他電子裝置處理。

該方法可選地包括刪除在上升沿周圍的一組窗口內(nèi)的樣本，以確保從計算中排除每個脈沖的如下邊緣區(qū)域：在該邊緣區(qū)域，實際變換的脈沖數(shù)據(jù)與理想變換的脈沖不同。

該方法可選地包括：評估數(shù)據(jù)中的能量估計的方差以及驗證建模的數(shù)據(jù)。

該方法可以包括：從經(jīng)處理的數(shù)據(jù)輸出構(gòu)建數(shù)據(jù)的模型，并且基于檢測器輸出數(shù)據(jù)和模型之間的比較來確定建模的準(zhǔn)確性。

在方法4的一個示例性實施例中，該方法包括：使用信號參數(shù)結(jié)合檢測器脈沖響應(yīng)來創(chuàng)建檢測器輸出的模型。在另一示例性實施例中，該方法可以包括：通過將實際檢測器輸出與檢測器輸出的模型進(jìn)行比較，諸如通過使用最小二乘法，來執(zhí)行錯誤檢測。

該方法可以包括丟棄被認(rèn)為不夠準(zhǔn)確的能量估計。在一個實施例中，該方法包括：在直方圖中呈現(xiàn)所有足夠準(zhǔn)確的能量估計。

3.脈沖堆積減少

即使在使用適當(dāng)?shù)母咚俾拭}沖處理方法的情況下，將仍然存在無法區(qū)分緊密間隔的脈沖到達(dá)的情況。當(dāng)在脈沖檢測算法能夠確定不同脈沖的到達(dá)的窗口內(nèi)多個脈沖到達(dá)時，會出現(xiàn)這種情況。根據(jù)adc采樣速率，脈沖到達(dá)統(tǒng)計和檢測器電子裝置、堆積的總量在1mc/s時仍然可能是約5%。堆積可以是把2個脈沖檢測作為單個脈沖的結(jié)果，然而還可能是把3個脈沖檢測作為1個脈沖的結(jié)果，而把4個或更多個脈沖檢測作為1個脈沖是可能的，但是不太可能。

3.1問題解決方案-雙脈沖堆積移除

如果基礎(chǔ)x射線能量頻譜被表示為x，則具有雙脈沖堆積的頻譜是：

(等式38)

其中*表示卷積，并且k1是根據(jù)數(shù)據(jù)觀察估計或根據(jù)理論計算的堆積系數(shù)。為了估計基礎(chǔ)頻譜x，執(zhí)行以下過程：

1.采取每側(cè)的fft，其中卷積現(xiàn)在變?yōu)槌朔?，所?/p>

(等式39)

2.在每個fft倉n處，求解二次方程，考慮到x（n）和y（n）都是復(fù)數(shù)。解是

(等式40)

3.要取得的正確解是“正”的解。它還依賴于將正確的解應(yīng)用到復(fù)平方根。

4.現(xiàn)在通過取得x的逆fft來計算沒有堆積的頻譜。

(等式41)

使用正確的堆積系數(shù)，表明堆積被完全移除。

3.2問題解決方案-雙和三脈沖堆積移除

在實踐中，對于在x射線掃描系統(tǒng)上測量的頻譜，當(dāng)僅移除雙脈沖堆積時，觀察到在較高能量處仍然存在一些殘余堆積。這表明在這些較高能量處存在一些未被移除的三（或更多）脈沖堆積。為了移除該殘余堆積中的一些，并且希望移除大部分，該模型現(xiàn)在擴展到包括3脈沖堆積，所以接收的頻譜由下式給出：

(等式42)

其中*表示卷積，并且k1和k2分別針對雙脈沖堆積和三脈沖堆積的堆積系數(shù)。為了估計基礎(chǔ)頻譜x，執(zhí)行以下過程：

1.采取每側(cè)的fft，其中卷積現(xiàn)在變?yōu)槌朔?，所?/p>

(等式43)

2.對于fft中的n個倉中的每一個，求解三次等式

(等式44)

考慮x和y是復(fù)數(shù)。類似于二次等式，存在封閉型求解，然而對三次等式的求解要復(fù)雜得多，如下：

a.全部除以k2，所以每個等式現(xiàn)在具有如下形式

(等式45)

注意x（n）和c（n）是復(fù)數(shù)。

b.計算

(等式46)

c.計算

(等式47)

d.檢查p，并且如果合乎期望則變符號。如果re（conj(r).p）<0，則p=-p。這是為了確保在下一步獲得正確的立方根。

e.計算

(等式48)

f.計算

(等式49)

g.計算三次方程的3個解：

(等式50)

3.選擇分配給的解。正確的解是r2和r3中的具有最小量值的解。

(等式51)

4.現(xiàn)在通過取得的逆fft來計算沒有堆積的頻譜

(等式52)

使用正確的堆積系數(shù)，在圖6中示出了堆積被完全移除。如果相同的數(shù)據(jù)用僅假設(shè)雙脈沖堆積的二次求解器進(jìn)行處理，則在圖7中可以看出，在較高能量值處，頻譜中仍然存在殘余堆積，而在較低能量處存在頻譜的輕微變形。

4.最佳頻譜平滑化窗口設(shè)計

能量頻譜的平滑化在x射線篩查系統(tǒng)中特別有用，在x射線篩查系統(tǒng)中頻譜測量的持續(xù)時間可能非常短，以便于在樣本圖像中實現(xiàn)高空間分辨率。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由寬能量x射線掃描系統(tǒng)產(chǎn)生的典型能量頻譜傾向于幾乎僅具有低頻分量。最初為了減小通信帶寬，但也為了減少計算需求并提供使頻譜平滑化的附加益處，頻譜數(shù)據(jù)經(jīng)過fft。

在fft之后，大部分fft倉被丟棄，因為僅需要保留大約1/8的fft倉，以便準(zhǔn)確地重建能量頻譜。例如，如果存在計算的512個直方圖倉，則僅保留32個復(fù)數(shù)fft倉。最后的32個復(fù)數(shù)fft倉恰好是這些倉的復(fù)共軛，并且其余的448個倉（幾乎）不包含信息。

丟棄這些fft倉的效果是：

1.提供噪聲抑制。

2.過濾重建頻譜（ifft之后）。

然而，如果應(yīng)用矩形fft窗口，則在ifft之后，所測量的頻譜實質(zhì)上與正弦函數(shù)卷積。由于正弦函數(shù)的長范圍和大的振鈴而導(dǎo)致這是不合乎期望的。

為了改善fft窗口函數(shù)設(shè)計，采用以下方法：

1.指定期望的“時域”窗口。在該示例中，使用升余弦脈沖。

2.取得期望窗口的fft（使得期望窗口關(guān)于0對稱，以便僅給出實數(shù)fft輸出）。

3.將該結(jié)果僅乘以現(xiàn)有矩形窗口。

4.進(jìn)一步將結(jié)果乘以在邊緣略微漸縮的窗口，以進(jìn)一步減少由乘以矩形窗口所產(chǎn)生的振鈴。

圖8圖示了所實現(xiàn)的結(jié)果。如果獨立使用矩形窗口，則矩形窗口導(dǎo)致所測量的頻譜與正弦函數(shù)卷積，中間幅度的寬度為大約10個樣本，但有顯著的振蕩——在第一個負(fù)峰值處約22%。通過仔細(xì)定義用戶窗口w，能夠?qū)崿F(xiàn)性質(zhì)上近似是升余弦的“時”域響應(yīng)，具有極小的振蕩性——約為0.2%。然而，中間幅度的寬度增加到約20個樣本。

雖然使用fft和數(shù)據(jù)截斷來減小通信和計算負(fù)擔(dān)，但是適當(dāng)設(shè)計的窗口函數(shù)的附加益處是在處理之前平滑化所接收的能量頻譜，導(dǎo)致有效z估計中噪聲的顯著降低，并且可能在實現(xiàn)類似結(jié)果的同時在有效z估計中使用較少的倉。

5.脈沖參數(shù)校準(zhǔn)

以下是用于校準(zhǔn)針對以下形式的脈沖的所接收脈沖參數(shù)α和β的適當(dāng)方法：

(等式53)

其中α和β分別是下降沿和上升沿時間常數(shù)，t0是脈沖到達(dá)時間，ta是脈沖平均窗口，并且a是與脈沖能量相關(guān)的脈沖縮放因子。

可以從數(shù)字化檢測器信號的時間序列捕獲來估計脈沖參數(shù)如下：

1.獲得在x射線開啟的時段期間獲得的數(shù)字化檢測器信號的樣本數(shù)目，并且總脈沖速率足夠低，使得可以提取隔離脈沖。根據(jù)脈沖參數(shù)，在快速脈沖情況下，在100mhz采樣速率和每秒鐘高達(dá)500k脈沖的計數(shù)速率下使用大約500k個樣本是足夠的。

2.提取長度為（nump0x采樣速率/標(biāo)稱計數(shù)速率）的樣本塊。對于nump0=40、采樣速率100ms/s、標(biāo)稱計數(shù)速率100kcs，這是40,000個樣本。

3.計算噪聲閾值nthr

a.使數(shù)據(jù)塊直方圖化——對于14位有符號數(shù)據(jù)，直方圖倉是采樣數(shù)據(jù)+/-2^13范圍內(nèi)的整數(shù)。

b.找到具有最高值的倉。這是估計的噪聲平均值。

c.找到水平下降到峰值的0.63的倉。與峰值的差異是估計的噪聲標(biāo)準(zhǔn)偏差（σ）

d.將噪聲閾值設(shè)置在距離平均值為2σ處。nthr=噪聲平均值+2x噪聲σ。根據(jù)應(yīng)用，還可以使用2以外的因子。

4.計算信號閾值sthr

a.利用形式為[-1-1-10111]的“跳躍”濾波器來過濾數(shù)據(jù)塊

b.將檢測閾值設(shè)置為nthr，并以4x噪聲σ的階梯遞增。

c.以經(jīng)過濾的數(shù)據(jù)為閾值，并確定其中數(shù)據(jù)超過sthr的流數(shù)目?！傲鳌笔侨砍^sthr的樣本的連續(xù)序列，每個末端都以低于sthr的樣本終止。

d.繼續(xù)遞增檢測閾值，直至在階梯k，nruns（k）-nruns（k-1）>=-1。也就是說，直至樣本流數(shù)目停止減少。（注意：這種停止準(zhǔn)則在較高計數(shù)速率可能會產(chǎn)生不利閾值）。

e.在階梯k將sthr設(shè)置為當(dāng)前閾值。

5.將計數(shù)速率估計為nruns（k）/（緩沖器長度/采樣速率）。

6.可選步驟：如果計數(shù)速率估計值小于標(biāo)稱計數(shù)速率的一半或大于其二倍，則利用從計數(shù)速率估計值計算的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)長度重新進(jìn)行噪聲和信號閾值計算，以得到更接近nump0的檢測到的脈沖。

7.實現(xiàn)脈沖檢測狀態(tài)機。首先，檢測nump1=50個脈沖以估計脈沖長度lenp（初始設(shè)置lenp為0）。然后，針對全參數(shù)估計和優(yōu)化，檢測nump2=600個脈沖。經(jīng)加工的脈沖檢測狀態(tài)如下：

a.在“seekpulse”狀態(tài)進(jìn)入

b.當(dāng)值超過sthr時，進(jìn)入“detpulse”狀態(tài)

c.在“detpulse”狀態(tài)中，尋找低于sthr的值。進(jìn)入“seekendpulse”狀態(tài)

d.在“seekendpulse”狀態(tài)中

i.如果值>sthr，則在脈沖結(jié)束之前發(fā)生新的檢測。進(jìn)入“pulsepileup”狀態(tài)

ii.如果值<nthr并且脈沖長度>lenp，則檢測到有效脈沖的結(jié)束——記錄脈沖開始/結(jié)束/長度參數(shù)并重新進(jìn)入“seekpulse”狀態(tài)

e.在“pulsepileup”狀態(tài)中，尋找低于sthr的值，然后進(jìn)入“seekendpileup”狀態(tài)

f.在“seekendpileup”中，改變狀態(tài)

i.如果值>sthr，則在堆積事件結(jié)束之前發(fā)生新的檢測，以指示另外的堆積。返回到“pulsepileup”狀態(tài)。

ii.如果值<nthr和脈沖長度>lenp，則達(dá)到堆積事件的結(jié)束。記錄脈沖細(xì)節(jié)并標(biāo)記為堆積，因此它不用于校準(zhǔn)。在實踐中，有關(guān)該脈沖事件的所有細(xì)節(jié)可能被丟棄，因為它不會用于校準(zhǔn)。

8.對于第一nump1有效（隔離）脈沖，執(zhí)行以下操作：

a.計算到達(dá)時間（t0）、上升沿指數(shù)（β）、下降沿指數(shù)（α）、平均時間（ta）、最大信號（smax）、最大時間（tmax）、脈沖能量（e）。

b.如果出現(xiàn)實際上存在多于一個脈沖（未檢測到的堆積），則一些脈沖在該點可能被拒絕——這在經(jīng)過濾數(shù)據(jù)的導(dǎo)數(shù)中由多個過零點指示（零導(dǎo)數(shù)=局部最大位置/最小位置）。

c.將脈沖長度估計值設(shè)置為7/median（α）。這產(chǎn)生了樣本近似值，脈沖將在該樣本近似值處下降到峰值的0.001。如果需要，可以使用α和β獲得更準(zhǔn)確的計算，但是在任何情況下，0.001閾值一定程度上是任意的，并且在尾部，脈沖緩慢地收斂到零。

9.返回步驟8并且獲得nump2個脈沖。nump2=600已經(jīng)被使用，但是這一定程度上是任意的，并且基于測試數(shù)據(jù)中實際有多少個脈沖，這些脈沖中只有一半將最終用于校準(zhǔn)，所以在校準(zhǔn)過程中，nump2需要是所需（期望）脈沖數(shù)的兩倍。

10.對于nump2個脈沖中的每一個：

a.計算到達(dá)時間（t0）、上升沿指數(shù)（β）、下降沿指數(shù)（α）、平均時間（ta）、最大信號（smax）、最大時間（tmax）、脈沖能量（e）。再次，如果一些脈沖顯示是未被檢測到的堆積，則這些脈沖可能被拒絕。

b.將脈沖分類成增加的能量序列。

c.計算上和下四分位能量值。丟棄處于上和下四分位值的脈沖。這有效地從樣本中移除異常值能量值，但是在脈沖能量的混合中，這可能不是最好的方式。實際上，可能更好的是基于α、β或最小二乘成本函數(shù)進(jìn)行分類，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行丟棄?，F(xiàn)在，能量類別似乎是足夠的。

d.對于剩余的脈沖，現(xiàn)在只有nump2的一半（因此如果nump2=600，則約300）

i.從參數(shù)α、β、ta、t0計算估計的脈沖形狀。

ii.按照其能量對實際的接收的脈沖進(jìn)行歸一化。

iii.計算成本函數(shù)=估計脈沖和實際脈沖之間的平方差之和（估計脈沖和實際脈沖都?xì)w一化為標(biāo)稱單位能量）。

iv.執(zhí)行迭代最小二乘優(yōu)化以獲得α、β、ta的最佳估計值以及針對最小二乘優(yōu)化器收斂的迭代次數(shù)和最終成本函數(shù)。注意：已經(jīng)實現(xiàn)了近似高斯牛頓ls優(yōu)化器。代替完整的3x3雅可比行列式，計算每個維度上的一系列1d雅可比行列式。這些是數(shù)值導(dǎo)數(shù)，因此可能會經(jīng)受實質(zhì)性錯誤。這意味著軌跡并不總是處于最佳方向，如果函數(shù)沒有良好地起作用，就存在更大的發(fā)散風(fēng)險。不建議使用該形式的函數(shù)，但是如果高效ls優(yōu)化器不可用，則可以提供更穩(wěn)健的實現(xiàn)方式。

11.從最小二乘優(yōu)化的結(jié)果中，設(shè)置α、β、ta的最終值。這可以是優(yōu)化參數(shù)的中值或平均值。t0的值可以被任意設(shè)置，使得：a）t0=0（并且因此，對于樣本k<0，脈沖具有某種信號）或b）t0=ceil(ta)，在該情況下，脈沖在k=0時為零，并且從k>=1開始具有正值。

12.脈沖形式p（t）可以直接從公式和估計的ta、α和β計算。

6.基線跟蹤方法

為了正確地確定脈沖的能量，期望計及來自檢測器的信號中的dc偏移（或可互換地使用的，信號基線）。該dc偏移可能從各種源產(chǎn)生，該各種源包括模擬電子裝置的偏置電平、模數(shù)轉(zhuǎn)換和檢測器本身?？刂评碚摫砻鳎和ㄟ^生成與信號的積分成比例的反饋信號可以跟蹤dc偏移誤差并將其減小到零——然而，在脈沖處理的情況下存在顯著的問題。脈沖將附加特征引入具有非零平均值的信號。這引入了取決于脈沖能量、計數(shù)速率和脈沖形狀的偏差，該偏差會損壞反饋信號并阻止標(biāo)準(zhǔn)控制環(huán)路跟蹤成功地移除dc偏移。

為了克服該問題，檢測器信號輸出被數(shù)字處理以移除由模擬電子裝置引入的脈沖整形效應(yīng)。當(dāng)不存在dc偏移時，該經(jīng)處理的信號導(dǎo)致如下信號形狀，該信號形狀在脈沖到達(dá)之間的區(qū)域中具有恒定值并且在脈沖到達(dá)處具有值的快速變化。如果檢測器信號中存在殘余dc偏移，則經(jīng)處理的信號在脈沖到達(dá)之間的區(qū)域中隨著時間線性地改變?？梢酝ㄟ^取得兩個樣本之間的差來形成與該信號的斜率成比例的誤差反饋信號。這些樣本不必是相繼的，而是可以在時間上分離開“n”個樣本。通過為“n”選擇適當(dāng)?shù)闹?，可以找到具有適當(dāng)信噪比的信號來驅(qū)動反饋環(huán)路。

為了減小由脈沖事件引入的偏差的影響，當(dāng)在用于生成反饋誤差信號的兩個樣本之間脈沖已經(jīng)到達(dá)時，基線跟蹤環(huán)路不被更新。

當(dāng)脈沖在用于生成反饋誤差信號的樣本的任一側(cè)的保護(hù)區(qū)域內(nèi)到達(dá)時，通過阻止基線跟蹤環(huán)路更新，可以進(jìn)一步降低偏差的影響。

應(yīng)當(dāng)注意，由于由脈沖到達(dá)引起的偏差，每當(dāng)脈沖到達(dá)時，經(jīng)處理的檢測器信號的值增加。這最終導(dǎo)致用于存儲信號的值的內(nèi)部寄存器溢出。監(jiān)視經(jīng)處理的信號的值，并且當(dāng)檢測到溢出時，阻止基線跟蹤環(huán)路更新，直至溢出的影響已經(jīng)過去。

將樣本n處的經(jīng)處理的脈沖信號表示為x（n），以下步驟總結(jié)了用于計算對dc偏移估計值的更新（表示為dc(n)）的過程：

1.計算分離開n個樣本的信號樣本之間的差

2.確定是否要應(yīng)用更新。在下述情況下，不應(yīng)用dc更新

a.在樣本n和樣本n+n之間的樣本處檢測到脈沖到達(dá)。

b.來自先前檢測到的脈沖的瞬態(tài)尚未衰減。瞬態(tài)可以被認(rèn)為在檢測到脈沖后持續(xù)m個樣本。

c.經(jīng)處理的信號x(n)即將達(dá)到正溢出并且回繞到大的負(fù)值。如果x(n)在正或負(fù)溢出的閾值δ內(nèi)，則不進(jìn)行處理。

3.如果要應(yīng)用dc更新，則計算dc偏移更新如下

(等式54)

其中k<<1是更新增益，并且被選擇以在快速響應(yīng)和dc估計值上的噪聲之間實現(xiàn)期望平衡。

最后，相同的硬件可以用于在時分復(fù)用方案中跟蹤多個通道中的多個基線偏移。針對每個通道的跟蹤環(huán)路變量的值在通道之間切換時被存儲/加載。阻止基線跟蹤環(huán)路更新，直至檢測器通道改變的瞬態(tài)效應(yīng)已經(jīng)過去。

7.準(zhǔn)直

可以在掃描器內(nèi)使用非常嚴(yán)格的準(zhǔn)直，以便最小化散射對所測量的頻譜的影響。這在從高到低或從低到高的強度轉(zhuǎn)變發(fā)生時特別重要。系統(tǒng)的整體結(jié)果表明，散射已經(jīng)通過包括嚴(yán)格準(zhǔn)直在很大程度上得到解決。

8.參考計算

參考計算的目的是建立針對每個檢測器的平均強度。該值用于將所有強度直方圖縮放為單位能量。這通常被稱為歸一化。針對每個檢測器計算參考強度。參考強度被計算為掃描中前n個薄片的平均強度。強度是fft中的第一個倉或fft向量中所有復(fù)值元素的和。

還存在以相同的方式計算的參考直方圖——通過對針對前n個薄片所測量的能量直方圖進(jìn)行平均。參考直方圖用于歸一化所有測量的直方圖，以確保x射線通量的任何運行之間的變化不會影響有效z計算。

參考是在間隔期間被測量的，其中：

1.x射線是穩(wěn)定的，因此x射線通量不變，并且在掃描持續(xù)時間中將不會變化（實際上，史密斯源確實變化（特別是在下落時），并且這可能影響結(jié)果）

2.在被測樣本到達(dá)之前。

當(dāng)前的實現(xiàn)方式使用按薄片測量的持續(xù)時間。例如，當(dāng)薄片速率降低到低于5ms時，可能會引起問題——參考收集可能會運行到被測樣本中。這需要通過兩種方式被校正以完全穩(wěn)健：

1.使用配置的薄片速率和掃描速度來計算收集參考的持續(xù)時間而不是針對設(shè)置數(shù)目的薄片的持續(xù)時間。

2.合并對象檢測信號，以確保在參考持續(xù)時間結(jié)束之前檢測到樣本時立即停止參考收集——當(dāng)出現(xiàn)這種情況時應(yīng)該警告用戶，因為性能將不能被保證。

如果使用更長的參考收集持續(xù)時間，則可以獲得更準(zhǔn)確和一致的有效z。