过年的鞭炮声已经稀稀拉拉。

对家乡的深情不减。

春节假期即将结束。

人们开始离开他们的家园。

在你登上火车或飞机之前。

安检是必不可少的环节。

不管你的行李箱里装的是什么都是你家乡的特产。

还是重知识。

当他们通过安检机时，

会被员工看到

皮沙贝

安检机是怎么工作的本文试图介绍现有X射线安检设备的工作原理，为读者提供一个增长见识的同时消磨时间的机会

01.单能量X射线成像

首先，什么是x光。

x射线是一种高能电磁波通常，人们把频率在3× 10赫兹到3× 10赫兹之间的电磁波称为X射线

x射线是由德国物理学家伦琴在1895年发现的，所以也叫伦琴射线。

当X射线击中物体时会发生什么。

x射线有很强的穿透能力当它穿透一种物质时，它与物质中的原子，尤其是电子相互作用，并损失能量强度随穿透深度呈指数下降

我们暂且不考虑X射线是如何与物质中的原子发生相互作用的，而是重点研究射线强度的指数衰减，其中射线强度是指单位时间内通过单位截面积的射线的能量。

式中，I代表入射的X射线强度，I代表穿透物质后出射的X射线强度，X代表X射线在物体中行进的距离，μ为线性衰减系数上述公式表明，X射线在穿透物质时呈指数衰减

如何通过这个原理窥探我们的行李箱。

x射线强度衰减可用于成像当X射线穿过手提箱时，其强度会衰减考虑到行李箱内的东西分布不均匀，x光从不同位置穿过行李箱的强度会有所不同通过检测透射X射线的强度分布并将其转换为灰度图像，可以获得能够反映被检测物体内部结构的图像

当X射线穿过物质时，强度呈指数下降，因此我们可以利用透射强度来成像，显示物质的内部结构。

考虑到被探测物体是不均匀的，线性衰减系数μ也是空间位置的函数，可以用μ = μ表示，那么

对数取上述公式，并将对数传输信号T定义为

透射X射线的强度图像实际上反映了不同位置t的相对大小

02.双能X射线成像

这里一切似乎都很完美我们可以根据辐射强度的衰减来成像，这样就可以得到行李内部结构的轮廓

但问题是我们没有办法知道被探测物体的元素组成。

为什么想知道元素的构成为什么只看到物体的形状是不够的

我们知道安检的目的是为了保护火车或飞机及其乘客的安全，所以安检希望把重点放在一些危险品上，比如爆炸物等获取被探测物体的元素组成有助于爆炸物的探测

那么什么技术可以帮助我们获得物质元素组成的信息呢。

双能X射线成像同时检测一个高能和一个低能的X射线穿过物体后的强度，进一步获得物体的元素组成信息。

那么它是如何工作的呢。

单能X射线成像依赖于线衰减系数μ和厚度X的乘积，一般原子序数大的材料μ大，原子序数大的薄片可能和原子序数小的厚材料效果相同，所以单能成像很难分辨出材料的元素组成，如图所示。

物质的线性衰减系数μ与物质的原子序数和X射线的光子能量有关为了使分析更简单，我们暂且考虑均匀物质A的线性衰减系数可以表示为α和β参考物质的线性组合

对于所选的参考材料，μ α和μ β已知，用上式两边同时乘以L得到对数透射信号T，也是能量的函数。

其中Lα和Lβ是线性组合系数和L的乘积，通过分别测量高能和低能射线的T，求解Lα和Lβ，可以根据比值Lβ/Lα确定图像上一点的有效原子序数。

有效原子序数在一定程度上可以反映一种物质的真实原子序数，而我们知道每种元素都与该元素的原子的原子序数有一一对应的关系，因此可以确定该物质的元素组成的信息根据有效原子序数的值给图像上色，就得到假彩色安检图像，如下图

双能X射线成像给出一个虚假的彩色图像，其中金属，合金和硬塑料为蓝色，密度较低的物质显示为绿色或橙色。

下图显示了双能X射线安检设备的布局X射线管发射连续光谱的X射线穿过物体的射线首先被低能探测器接收，然后穿过薄铜片，薄铜片可以吸收较低能量的射线，所以只有较高能量的部分穿过铜片到达高能探测器这样，人们分别得到高能和低能射线的信号

通常我们的行李箱都是满的，光线经过的路径上不止一个物体上述方法仅在一个方向上投影对象，因此很难区分重叠的对象

那么如何解决对象重叠的问题呢。

就像人眼可以从不同角度观察一个物体一样，人们发展了多角度成像技术人们可以根据被检测物体不同视角的二维图像，部分获得物体的三维信息，可以有效解决重叠问题此外，多视角成像技术还可以提高双能安检设备的原子序数判别精度

现有的多视角X射线安检设备包括单射线源多视角模型和垂直多视角模型下图显示了这两个模型的结构

单一射线源的多视图模型

上图中的布局是将同一个射线源发出的射线分成两条平行的光束，分别照射在传送带的不同位置上当被检测物体在传送带上依次通过两束光照射的区域时，人们得到的是从两个方向观察到的X射线透射图像

垂直多视图模型

上图的布局是将辐射源放置在两个相互垂直的方向上，从两个相互垂直的方向上获得被检测物体的透射图像，并能根据两个相互垂直视角的图像精确重建被检测物体的三维信息。

04.CT安全技术

多视角X射线成像技术只能获得多个视角的图像，其重建物体三维信息的能力仍然有限有没有更好的办法

计算机断层扫描，即CT安检技术，可以从多个视角获取物体的二维图像，重建物体的三维信息，解决物体的重叠和遮挡问题，提高物质辨别的准确性我们来看看它的原理

CT技术从多个视角照射X射线，获得被检测物体在各个方向的投影。

为简化问题，我们只考虑被探测物体为二维物体的情况，其线性衰减系数为μ如果只照射一个方向的X射线，不妨把这个方向写成θ，那么就可以得到沿着这个方向的投影，如下图所示

土元

沿着θ方向的对数透射信号由公式表示，如下所示。

如果我们旋转X射线，就像上面的动图一样，可以得到被探测物体在各个方向的投影，也就是说T是射线的投影方向θ和射线穿过物体的位置r的函数。

经过一番推导，可以得出T到R的一维傅里叶变换，实际上与μ对X和Y进行二维傅里叶变换，然后沿θ方向切片的结果是一致的。

下图生动地说明了上述公式从左到右，沿θ方向X射线成像得到T，沿θ方向放置T得到二维图像

土元

傅立叶变换简介

傅立叶变换是一种数学变换，它将一个函数分解成它的频率分量，每个频率分量代表该函数的一个整体结构特征函数f 的傅里叶变换F 以频率k为自变量，表示f 中频率分量的权重一个函数和它的傅立叶变换包含相同的信息

上式的上下两行分别是傅立叶正变换和逆变换。

图像源pixabay

这里我们得到了重建被检测物体三维信息的方法，但为了简单起见，我们仍然只讨论二维物体重构的物体信息尽可能用T表示，而不是二维傅立叶逆

如果用公式表示，根据所有方向上的投影来重建对象信息的过程如下

上式中，最下面一行表示T在极坐标中的二维傅里叶逆变换，上面两行表示F 的二维傅里叶逆变换。

利用傅里叶变换函数在极坐标系中的对称性，T =T ，上面的公式可以改成

我们可以用下面的流程图来展示这种方法。

我们得到了沿所有方向的投影t，注意到对于一个二维物体，每个固定的θ投影都是r的一维函数。

我们把这些函数傅里叶变换到R，然后循环排列，得到物体的二维傅里叶变换通过傅里叶逆变换可以得到物体的原始信息

用傅里叶变换重建CT图像

当然，这是理想情况在实际应用中，安检机的设计者还需要考虑许多工程问题，如信号降噪，模糊校正等

介绍了单能X射线成像技术，它利用X射线通过物质时的指数衰减特性进行成像，得到的图像反映了被检测物体的内部结构。

为了区分物质的元素组成，发展了双能X射线成像技术为了解决重叠问题，人们开发了多角度X射线安检技术，并将CT技术应用于安检，帮助人们准确地重建物体的三维信息

技术的进步是为了保证旅途的安全。祝你旅途愉快，新年心想事成！

参考资料:

X射线检测技术的现状无损检测电子期刊，2013，18: 01

Macdonald R D R .用于机场安全应用中有机材料检测的双能X射线成像系统的设计和实现//机器视觉在工业检测中的应用SPIE，2001年，4301: 31—41

好的，坏的和丑陋的:使用真实的和合成的合成X射线图像评估用于违禁物品检测的卷积神经网络arXiv预印本arXiv:1909.11508，2019

用于安全检查的三维X射线成像安全期刊，2005，18: 19—28

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