基于球形準直的x射線光子計數(shù)成像系統(tǒng)及其成像方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于球形準直的X射線光子計數(shù)成像系統(tǒng)，包括X射線單光子計數(shù)器，X射線單光子計數(shù)器用于探測X射線光子，將探測的光脈沖信號輸出至光子計數(shù)信息讀出模塊；光子計數(shù)信息讀出模塊用于記錄X射線光子的計數(shù)值，并輸出至信息處理單元；信息處理單元產(chǎn)生隨機觀測矩陣并控制數(shù)控隨機快門陣列的開閉，信息處理單元的輸出端連接數(shù)控隨機快門陣列；球形X射線準直器用于收集來自空間不同方向的X射線，其輸出端連接數(shù)控隨機快門陣列；數(shù)控隨機快門陣列用于控制球形X射線準直器每個通道的開閉，當快門打開時該快門對應的通道中的X射線沿直線傳播至X射線單光子計數(shù)器。解決了現(xiàn)有技術中X射線成像系統(tǒng)視場小、制造工藝難度大的問題。
【專利說明】
基于球形準直的X射線光子計數(shù)成像系統(tǒng)及其成像方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于X射線天文成像技術領域，涉及一種基于球形準直的X射線光子計數(shù)成 像系統(tǒng)及其成像方法。
【背景技術】
[0002] 現(xiàn)有天文X射線源成像方法，主要有兩類:第一類是透射成像，在沒有反射和折射 元件的時候，針孔成像是一種最簡單、最古老、同時也是最實用的成像方法，最初應用于可 見光波段，后來在X射線波段針孔結(jié)構(gòu)被一直沿用，孔越小，像的分辨率越高，但是在進行天 文觀測的時候，過小的孔徑又限制了 X射線平均光子數(shù)，因而后來發(fā)展為多針孔的編碼孔徑 成像，通過增加孔的個數(shù)來增加單位時間的光子計數(shù)值，這種成像系統(tǒng)對于單一 X射線源有 較好效果，但是針對多X射線源的成像過程變得復雜，而且探測部分需要用到面積較大的X 射線探測陣列。
[0003] 第二類是反射成像，在正常情況下，X射線在光滑表面上基本不反射，只有掠入射 的情況下入射角接近于90度，才會有可利用的反射率，投入到空間高能觀測應用的主要有 KB結(jié)構(gòu)和Wolter型光學系統(tǒng)（包括Wolter I型、Wolter Π 型、Wolter ΙΠ 型），其中Wolter I 型在空間高能X射線成像的應用最為廣泛，在實際應用中，一般通過采用不同口徑的反射鏡 嵌套組合使用，以增大系統(tǒng)的有效集光面積。不論是KB結(jié)構(gòu)，還是Wolter I型結(jié)構(gòu)的X射線 成像系統(tǒng)，均是采用掠入射成像機理，對掠入射表面的加工精度都有極其嚴苛的要求。此 外，近年來基于仿生學發(fā)展起來的龍蝦眼X射線光學系統(tǒng)具有寬視場成像的特點，但龍蝦眼 X射線光學系統(tǒng)也是基于反射成像的機理，其采用的平整聚焦表面也需要進行拋光，對加工 工藝方面的要求同KB結(jié)構(gòu)和Wolter I型結(jié)構(gòu)一致，而且隨著觀測能級的增加，相應的加工 精度要求也會相應提高，而且龍蝦眼X射線光學系統(tǒng)通常需要面積較大的探測器陣列，探測 器陣列的本底噪聲對空間X射線弱源的探測也提出了挑戰(zhàn)。
[0004] 現(xiàn)有X射線成像系統(tǒng)的主要問題總結(jié)如下：
[0005] (1)X射線聚焦存在加工工藝上的困難。在X射線波段，材料的折射率略小于1，而且 X光有穿透作用在物體表面上不反射，只有在掠入射的情況下才顯示出可用的反射率，但是 為防止X射線的散射而引起成像質(zhì)量的下降，對于反射表面的粗糙度要求很高，粗糙度均方 根為?；蚴畮讉€埃的數(shù)量級，鏡面加工困難；
[0006] (2)寬視場成像與大面陣探測技術存在矛盾?，F(xiàn)有的空間X射線成像裝置的視場通 常只有幾個角分，龍蝦眼X射線光學系統(tǒng)具有較寬的視場，但龍蝦眼X射線光學系統(tǒng)通常需 要大面積X射線陣列探測器，而現(xiàn)有的微通道板探測器(Micro Channel Plate detector， MCP)、正比計數(shù)器(Proportional Counter，PC)等通常具有較強的本底噪聲，也增加了探測 空間弱X射線源的難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了達到上述目的，本發(fā)明提供一種基于球形準直的X射線光子計數(shù)成像系統(tǒng)，利 用其自身的物理結(jié)構(gòu)特點收集來自不同方向的X射線，對空間多個X射線源進行同時觀測， 避免使用X射線聚焦技術，大大降低了裝備的制造工藝難度，節(jié)約了技術成本，且運用壓縮 感知技術，不用大面陣X射線探測器，而僅使用小面積的X射線計數(shù)器就可完成對空間X射線 源分布的成像，在壓縮數(shù)據(jù)的同時，降低對探測器設計的成本和要求，解決了現(xiàn)有技術中X 射線成像系統(tǒng)視場小、制造工藝難度大的問題。
[0008] 本發(fā)明的另一目的是，提供一種采用上述基于球形準直的X射線光子計數(shù)成像系 統(tǒng)的成像方法。
[0009] 本發(fā)明所采用的技術方案是，一種基于球形準直的X射線光子計數(shù)成像系統(tǒng)，包 括：
[0010] 高壓電源模塊，用于為X射線單光子計數(shù)器提供電壓，其輸出端連接X射線單光子 計數(shù)器；
[0011] X射線單光子計數(shù)器，用于探測X射線光子，將探測的光脈沖信號輸出至光子計數(shù) 信息讀出模塊；
[0012] 光子計數(shù)信息讀出模塊，用于記錄X射線光子的計數(shù)值，并輸出至信息處理單元；
[0013] 信息處理單元，產(chǎn)生隨機觀測矩陣并控制數(shù)控隨機快門陣列的開閉，并根據(jù)壓縮 感知算法將一維的X射線光子的計數(shù)值信息進行二維圖像重建;信息處理單元的輸出端連 接數(shù)控隨機快門陣列；
[0014] 球形X射線準直器，用于收集來自空間不同方向的X射線，允許空間不同方向的X射 線沿準直通道到達球心，其輸出端連接數(shù)控隨機快門陣列；
[0015] 數(shù)控隨機快門陣列用于控制球形X射線準直器每個通道的開閉，依照程序設定控 制X射線光子的通過或吸收；當快門閉合時，該快門對應的通道中的X射線被吸收，當快門打 開時，該快門對應的通道中的X射線沿直線傳播至X射線單光子計數(shù)器。
[0016] 本發(fā)明的特征還在于，進一步的，球形X射線準直器為內(nèi)部空心的球體，球形X射線 準直器上設有準直通道，球形X射線準直器的輸出端與對X射線具有強吸收作用的材料制成 的數(shù)控隨機快門陣列連接，數(shù)控隨機快門陣列安裝于球形X射線準直器內(nèi)，數(shù)控隨機快門陣 列的每個快門與準直通道--對應，數(shù)控隨機快門陣列的接收端朝向X射線的入射方向，數(shù) 控隨機快門陣列的出射端朝向X射線單光子計數(shù)器，X射線單光子計數(shù)器置于球形X射線準 直器的球心處;X射線單光子計數(shù)器與光子計數(shù)信息讀出模塊連接，光子計數(shù)信息讀出模塊 與信息處理單元的輸入端連接，信息處理單元的輸出端與數(shù)控隨機快門陣列連接。
[0017] 進一步的，球形X射線準直器的形狀為球形的一部分時，基于球形準直的X射線光 子計數(shù)成像系統(tǒng)還包括X射線屏蔽腔，用于屏蔽空間高能粒子以及X射線、γ射線對X射線光 子計數(shù)的影響，球形X射線準直器、數(shù)控隨機快門陣列和X射線單光子計數(shù)器均安裝在X射線 屏蔽腔內(nèi)。
[0018] 進一步的，準直通道是沿球形X射線準直器的球面至球心所在直線上的圓形通孔， 準直通道均勻布滿球形X射線準直器的球面。
[0019] 進一步的，準直通道的圓形通孔之間互不接觸，沿球形X射線準直器的中心方向打孔 形成定位孔，沿任意方向旋轉(zhuǎn)角度α由上到下依次打孔形成初始通孔，
以定位孔所在的軸線為旋轉(zhuǎn)軸，從每一層的初始通孔開始，依次旋轉(zhuǎn)角度β打孔形成層級通 孔
其中d為圓形通孔直徑，r為球形X射線準直器（1)的內(nèi)部空心球半 徑，INT符號表示向下取整，V為初始通孔的軸線與內(nèi)部空心球面的交點到定位孔所在軸線 的距離。
[0020] 進一步的，準直通道的長度L由角度α確定，其關系為
其 中，R為球形X射線準直器的外球半徑，d為準直通道的直徑。
[0021] 進一步的，X射線單光子計數(shù)器的X射線探測部分為球形，X射線探測部分的半徑與 球形X射線準直器的內(nèi)部空心球半徑r相等。
[0022] 本發(fā)明提供的另一技術方案是，一種基于球形準直的X射線光子計數(shù)成像系統(tǒng)的 成像方法，具體按照以下步驟進行：
[0023] 步驟一，確定基于球形準直的X射線光子計數(shù)成像系統(tǒng)的姿態(tài)，根據(jù)不同準直通道 的球面空間分布，確定每個準直通道的空間指向；
[0024] 步驟二，根據(jù)不同X射線源的特征信息和所需的X射線源的平均信噪比確定所 觀測X射線源的觀測時間t
，nSx射線探測的 量子效率，η。為單位時間到達的X射線光子數(shù)，Ad為暗計數(shù)平均流量；
[0025]步驟三，信息處理單元控制數(shù)控隨機快門陣列進行隨機采樣；
[0026] 步驟四，光子計數(shù)信息讀出模塊記錄每次隨機觀測下的X射線光子計數(shù)值，輸出至 信息處理單元，每次隨機觀測下的X射線光子計數(shù)值除以觀測時間t，得到單位時間內(nèi)所有 通道上總的平均光子數(shù)；
[0027] 步驟五，由球形X射線準直器的一個準直通道開始，對球形X射線準直器的N個準直 通道進行編碼；
[0028] 步驟六，設定平均光子數(shù)與灰度值的對應關系，用灰度值信息模擬每次觀測的平 均光子數(shù)信息；
[0029] 步驟七，對空間進行Μ次觀測，計算機處理單元共得到觀測值y的Μ維列向量，通道 數(shù)為Ν，記錄觀測矩陣Φ為ΜΧΝ維，通過壓縮感知技術完成信號的重構(gòu)，得到每個準直通道 的平均光子數(shù)，進而得到每個準直通道對應的灰度值信息；
[0030] 步驟八，球形X射線準直器的每個準直通道對應的灰度值信息與該視場內(nèi)的X射線 源信息對應，建立球面與平面的投影關系模型，結(jié)合步驟七得到的灰度值信息，繪制X射線 源的空間分布圖像。
[0031] 進一步的，步驟三中，信息處理單元控制數(shù)控隨機快門陣列進行隨機采樣的方法 為:信息處理單元根據(jù)準直通道的數(shù)量和需要進行隨機觀測的次數(shù)，設計由隨機數(shù)0和1組 成隨機觀測矩陣，隨機觀測矩陣每執(zhí)行一次即完成一次觀測采樣。
[0032] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明實現(xiàn)了 X射線的寬視場、不同方向的X射線源的同步 空間觀測，使得探測器處在凝視狀態(tài)下即可完成對空間的成像觀測，直接獲取X射線源空間 分布圖像，為空間天文觀測提供技術手段；同時通過對X射線源的特征識別能夠得到X射線 源的空間位置分布，進而為進行航天器姿態(tài)信息估計提供數(shù)據(jù)支持，以進一步應用于高能X 射線天文定姿和導航。
[0033] 本發(fā)明與現(xiàn)有的X射線成像系統(tǒng)相比，具有如下優(yōu)點：
[0034] (1)本發(fā)明由于采用了球形X射線準直結(jié)構(gòu)，使整個成像系統(tǒng)具有極寬的成像視場 (能夠設計為360度全視場）。
[0035] (2)本發(fā)明由于采用了球形X射線準直結(jié)構(gòu)，X射線通過球形X射線準直器的準直通 道進入位于球心位置的X射線計數(shù)器，避免了通過聚焦X射線成像的方法，無需復雜和難度 極高的加工工藝，以降低技術成本和加工成本。
[0036] (3)本發(fā)明由于采用了壓縮感知技術，通過檢測球形X射線準直器的準直通道中的 平均光子數(shù)，即可實現(xiàn)空間X射線圖像的重構(gòu)，避免大面陣X射線成像陣列，降低成本的同 時，也降低了大面陣X射線成像陣列本底噪聲對X射線成像的影響。
【附圖說明】
[0037] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn) 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以 根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0038]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0039]圖2a是本發(fā)明的球形X射線準直器為1/2球形的俯視圖。
[0040] 圖2b是本發(fā)明的球形X射線準直器為1/2球形的仰視圖。
[0041] 圖3是本發(fā)明的球形X射線準直器的半徑R、空心球體的半徑r、初始通孔的軸線與 內(nèi)部空心球面的交點到定位孔所在的軸線的距離V、準直通道的直徑d、通道長度L、角度α 的幾何關系不意圖。
[0042] 圖4是本發(fā)明的球形X射線準直器定位頂孔的示意圖。
[0043] 圖5是本發(fā)明的球形X射線準直器以定位頂孔為基準打孔形成初始通孔的示意圖。
[0044] 圖6是本發(fā)明的球形X射線準直器以初始通孔為基準進行分層打孔形成層級通孔 的的不意圖。
[0045] 圖中，1.球形X射線準直器，2.數(shù)控隨機快門陣列，3. X射線單光子計數(shù)器，4.高壓 電源模塊，5.X射線屏蔽腔，6.光子計數(shù)信息讀出模塊，7.信息處理單元，8.定位頂孔，9.準 直通道，91.初始通孔，92.層級通孔。
【具體實施方式】
[0046] 下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；?本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0047] 本發(fā)明的基于球形準直的X射線光子計數(shù)成像系統(tǒng)，如圖1-2所示，由球形X射線準 直器1、數(shù)控隨機快門陣列2、Χ射線單光子計數(shù)器3、高壓電源模塊4、Χ射線屏蔽腔5、光子計 數(shù)信息讀出模塊6和信息處理單元7組成;球形X射線準直器1為內(nèi)部空心的球體，球形X射線 準直器1上設有準直通道9,準直通道9是沿球形X射線準直器1的球面至球心所在直線的圓 形通孔，準直通道9均勻布滿球形X射線準直器1的球面，使得空間不同方向的X射線沿準直 通道9到達球形X射線準直器1的球心;球形X射線準直器1的輸出端與數(shù)控隨機快門陣列2連 接，數(shù)控隨機快門陣列2安裝于球形X射線準直器1內(nèi)，并與球形X射線準直器1上的準直通道 9一一對應，用以控制準直通道9的開閉；數(shù)控隨機快門陣列2的每個快門的接收端朝向X射 線的入射方向，數(shù)控隨機快門陣列2的每個快門的出射端朝向X射線單光子計數(shù)器3的X射線 探測部分;X射線單光子計數(shù)器3置于球形X射線準直器1的球心處，X射線單光子計數(shù)器3的X 射線探測部分為球形，X射線探測部分的半徑與球形X射線準直器1的內(nèi)部空心球半徑r相 等，X射線單光子計數(shù)器3與高壓電源模塊4的輸出端連接，高壓電源模塊4為X射線單光子計 數(shù)器3提供電壓，其電壓通常為幾keV到幾十keV;X射線單光子計數(shù)器3與光子計數(shù)信息讀出 模塊6連接，光子計數(shù)信息讀出模塊6與信息處理單元7的輸入端連接，信息處理單元7的輸 出端與數(shù)控隨機快門陣列2連接，用以控制數(shù)控隨機快門陣列2的開合，進而控制X射線光子 是否通過準直通道9傳播至X射線單光子計數(shù)器3。
[0048] 球形X射線準直器1本身就形成屏蔽作用，以屏蔽空間高能粒子以及X射線、γ射線 等對X射線光子計數(shù)器3的影響。
[0049] 其中，當球形X射線準直器1的形狀為球形的一部分時，如1 /2球形、1 /4球形、1 /8球 形等，球形X射線準直器1、數(shù)控隨機快門陣列2和X射線單光子計數(shù)器3均安裝在X射線屏蔽 腔5內(nèi)，X射線屏蔽腔5用于屏蔽空間高能粒子以及X射線、γ射線等對X射線光子計數(shù)器3的 影響。
[0050] 球形X射線準直器1通過準直通道9收集來自空間不同方向的X射線，數(shù)控隨機快門 陣列2的材料對X射線具有強吸收作用，如金、鉛、鎳等，當數(shù)控隨機快門陣列2的某個快門閉 合時，該快門對應的準直通道9中的X射線被吸收，當數(shù)控隨機快門陣列2的某個快門打開 時，該快門對應的準直通道9中的X射線沿直線傳播至X射線單光子計數(shù)器3;Χ射線單光子計 數(shù)器3用于探測、計數(shù)X射線光子，并將探測的光脈沖信號輸出至光子計數(shù)信息讀出模塊6， 光子計數(shù)信息讀出模塊6用于記錄X射線光子的計數(shù)值，并將計數(shù)結(jié)果輸出至信息處理單元 7,信息處理單元7產(chǎn)生隨機觀測矩陣并控制數(shù)控隨機快門陣列2的開閉，并根據(jù)壓縮感知算 法將一維的X射線光子的計數(shù)值信息進行二維圖像重建。
[0051] 球形X射線準直器1上的準直通道9的加工方法，具體按照以下步驟進行:準直通道 9的圓形通孔之間互不接觸，且圓形通孔通過以下步驟實現(xiàn)，如圖4-6所示，首先沿球形X射 線準直器(1)的中心方向打孔形成定位孔(8)，并且夾緊工件，沿任意方向旋轉(zhuǎn)刀具，以角度 α由上到下依次打孔形成初始通孔(91)，
，其中d為圓形通孔的直徑，r為 球形X射線準直器（1)的內(nèi)部空心球半徑，INT符號表示向下取整;然后以定位孔(8)所在的 軸線為旋轉(zhuǎn)軸，從每一層初始通孔(91)開始，依次旋轉(zhuǎn)角度β進行打孔形成層級通孔(92)，
，其中V為初始通孔(91)的軸線與內(nèi)部空心球面的交點到定位孔(8)所在 的軸線的距離。最后，依次逐層進行打孔，直至布滿整個球形X射線準直器(1)的球面。
[0052] 如圖3,準直通道9的長度L由角度α確定，
其中，R 為球形X射線準直器1的外球半徑，d為準直通道9的直徑。
[0053] 一種采用上述基于球形準直的X射線光子計數(shù)成像系統(tǒng)的成像方法，具體按照以 下步驟進行：
[0054]步驟一，確定基于球形準直的X射線光子計數(shù)成像系統(tǒng)的姿態(tài)，根據(jù)不同準直通道 9的球面空間分布，確定每個通道的空間指向；
[0055]步驟二，根據(jù)不同X射線源的特征信息和所需X射線源的平均信噪比麗_確定所觀 測X射線源的觀測時間t;
，nSx射線探測的量 子效率，η。為單位時間到達的X射線光子數(shù)，為暗計數(shù)平均流量；
[0056]步驟三，信息處理單元7控制數(shù)控隨機快門陣列2進行隨機采樣:信息處理單元7根 據(jù)球形X射線準直器1的準直通道9的數(shù)量和需要進行隨機觀測的次數(shù)，設計由隨機數(shù)0和1 組成隨機觀測矩陣，隨機觀測矩陣每執(zhí)行一次即完成一次觀測采樣，由于觀測矩陣的隨機 性，數(shù)控隨機快門陣列2中每個快門的開合狀態(tài)也具有隨機性；
[0057] 步驟四，光子計數(shù)信息讀出模塊6記錄每次隨機觀測下的X射線光子計數(shù)值，輸出 至信息處理單元7,每次隨機觀測下的X射線光子計數(shù)值除以觀測時間t，得到單位時間內(nèi)所 有通道上總的平均光子數(shù)；
[0058] 步驟五，由球形X射線準直器1的定位頂孔8開始，對球形X射線準直器1的N個準直 通道9進行編碼；
[0059] 步驟六，設定平均光子數(shù)與灰度值的對應關系，用灰度值信息模擬每次觀測的平 均光子數(shù)信息；
[0060] 步驟七，對空間進行Μ次觀測，計算機處理單元7共得到觀測值y的Μ維列向量，通道 數(shù)為Ν，記錄觀測矩陣Φ為Μ X Ν維，通過壓縮感知技術完成信號的重構(gòu)，得到每個準直通道9 的平均光子數(shù)，進而得到每個準直通道9對應的灰度值信息；
[0061 ]步驟八，球形X射線準直器1的每個準直通道9對應的灰度值信息與該視場內(nèi)的X射 線源信息對應，建立球面與平面的投影關系模型，結(jié)合步驟七得到的灰度值信息，繪制X射 線源的空間分布圖像。
[0062]需要說明的是，在本文中，術語"包括"、"包含"或者其任何其他變體意在涵蓋非排 他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而 且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有 的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句"包括一個……"限定的要素，并不排除在包括所 述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。
[0063]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在 本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本發(fā)明的保護范圍 內(nèi)。
【主權項】
1. 一種基于球形準直的X射線光子計數(shù)成像系統(tǒng)，其特征在于，包括： 高壓電源模塊(4)，用于為X射線單光子計數(shù)器(3)提供電壓，其輸出端連接X射線單光 子計數(shù)器(3); X射線單光子計數(shù)器(3)，用于探測X射線光子，將探測的光脈沖信號輸出至光子計數(shù)信 息讀出板塊(6); 光子計數(shù)信息讀出模塊（6)，用于記錄X射線光子的計數(shù)值，并輸出至信息處理單元 (7); 信息處理單元(7)，產(chǎn)生隨機觀測矩陣并控制數(shù)控隨機快口陣列（2)的開閉，并根據(jù)壓 縮感知算法將一維的X射線光子的計數(shù)值信息進行二維圖像重建;信息處理單元(7)的輸出 端連接數(shù)控隨機快口陣列(2); 球形X射線準直器（1)，用于收集來自空間不同方向的X射線，允許空間不同方向的X射 線沿準直通道到達球屯、，其輸出端連接數(shù)控隨機快口陣列(2); 數(shù)控隨機快口陣列（2)用于控制球形X射線準直器（1)每個通道的開閉，依照程序設定 控制X射線光子的通過或吸收；當快口閉合時，該快口對應的通道中的X射線被吸收，當快口 打開時，該快口對應的通道中的X射線沿直線傳播至X射線單光子計數(shù)器(3)。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于球形準直的X射線光子計數(shù)成像系統(tǒng)，其特征在于， 所述球形X射線準直器（1)為內(nèi)部空屯、的球體，球形X射線準直器（1)上設有準直通道(9)，球 形X射線準直器（1)的輸出端與對X射線具有強吸收作用的材料制成的數(shù)控隨機快口陣列 (2)連接，數(shù)控隨機快口陣列(2)安裝于球形X射線準直器(1)內(nèi)，數(shù)控隨機快口陣列(2)的每 個快口與準直通道(9)一一對應，數(shù)控隨機快口陣列(2)的接收端朝向X射線的入射方向，數(shù) 控隨機快口陣列（2)的出射端朝向X射線單光子計數(shù)器(3)，X射線單光子計數(shù)器(3)置于球 形X射線準直器（1)的球屯、處;X射線單光子計數(shù)器(3)與光子計數(shù)信息讀出模塊(6)連接，光 子計數(shù)信息讀出模塊(6)與信息處理單元(7)的輸入端連接，信息處理單元(7)的輸出端與 數(shù)控隨機快口陣列(2)連接。3. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于球形準直的X射線光子計數(shù)成像系統(tǒng)，其特征在于， 所述球形X射線準直器（1)的形狀為球形的一部分時，所述基于球形準直的X射線光子計數(shù) 成像系統(tǒng)還包括X射線屏蔽腔(5)，用于屏蔽空間高能粒子W及X射線、丫射線對X射線光子 計數(shù)的影響，球形X射線準直器(1)、數(shù)控隨機快口陣列(2)和X射線單光子計數(shù)器(3)均安裝 在X射線屏蔽腔(5)內(nèi)。4. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于球形準直的X射線光子計數(shù)成像系統(tǒng)，其特征在于， 所述準直通道(9)是沿球形X射線準直器（1)的球面至球屯、所在直線上的圓形通孔，準直通 道(9)均勻布滿球形X射線準直器(1)的球面。5. 根據(jù)權利要求4所述的一種基于球形準直的X射線光子計數(shù)成像系統(tǒng)，其特征在于，所 述準直通道(9)的圓形通孔之間互不接觸，沿球形X射線準直器（1)的中屯、方向打孔形成定 位孔(8)，沿任意方向旋轉(zhuǎn)角度α由上到下依次打孔形成初始通手IW定位孔(8)所在的軸線為旋轉(zhuǎn)軸，從每一層的初始通孔(91)開始，依次旋轉(zhuǎn)角度β打孔形 成層級通孔其中d為圓形通孔直徑，r為球形X射線準直器（1)的內(nèi) 部空屯、球半徑，INT符號表示向下取整，為初始通孔(91)的軸線與內(nèi)部空屯、球面的交點到 定位孔(8)所在軸線的距離。6. 根據(jù)權利要求5所述的一種基于球形準直的X射線光子計數(shù)成像系統(tǒng)，其特征在于， 所述準直通道(9)的長度L由角度α確定，其關系^癢中，R為球形X 射線準直器(1)的外球半徑，d為準直通道(9)的直徑。7. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于球形準直的X射線光子計數(shù)成像系統(tǒng)，其特征在于， 所述X射線單光子計數(shù)器(3)的X射線探測部分為球形，X射線探測部分的半徑與球形X射線 準直器(1)的內(nèi)部空屯、球半徑r相等。8. -種采用如權利要求1-7任意一項所述的基于球形準直的X射線光子計數(shù)成像系統(tǒng) 的成像方法，其特征在于，具體按照W下步驟進行： 步驟一，確定基于球形準直的X射線光子計數(shù)成像系統(tǒng)的姿態(tài)，根據(jù)不同準直通道(9) 的球面空間分布，確定每個準直通道(9)的空間指向； 步驟二，根據(jù)不同X射線源的特征信息和所需的X射線源的平均信噪比HI確定所觀測 X射線源的觀測時|1η為X射線探測的量子 效率，η。為單位時間到達的X射線光子數(shù)，Ad為暗計數(shù)平均流量； 步驟Ξ，信息處理單元(7)控制數(shù)控隨機快口陣列(2)進行隨機采樣； 步驟四，光子計數(shù)信息讀出模塊(6)記錄每次隨機觀測下的X射線光子計數(shù)值，輸出至 信息處理單元(7)，每次隨機觀測下的X射線光子計數(shù)值除W觀測時間t，得到單位時間內(nèi)所 有通道上總的平均光子數(shù)； 步驟五，由球形X射線準直器（1)的一個準直通道(9)開始，對球形X射線準直器（1)的N 個準直通道(9)進行編碼； 步驟六，設定平均光子數(shù)與灰度值的對應關系，用灰度值信息模擬每次觀測的平均光 子數(shù)信息； 步驟屯，對空間進行Μ次觀測，計算機處理單元(7)共得到觀測值y的Μ維列向量，通道數(shù) 為Ν，記錄觀測矩陣Φ為ΜΧΝ維，通過壓縮感知技術完成信號的重構(gòu)，得到每個準直通道(9) 的平均光子數(shù)，進而得到每個準直通道(9)對應的灰度值信息； 步驟八，球形X射線準直器（1)的每個準直通道(9)對應的灰度值信息與該視場內(nèi)的X射 線源信息對應，建立球面與平面的投影關系模型，結(jié)合步驟屯得到的灰度值信息，繪制X射 線源的空間分布圖像。9. 根據(jù)權利要求8所述的一種基于球形準直的X射線光子計數(shù)成像系統(tǒng)的成像方法，其 特征在于，所述步驟Ξ中，信息處理單元(7)控制數(shù)控隨機快口陣列（2)進行隨機采樣的方 法為:信息處理單元(7)根據(jù)準直通道(9)的數(shù)量和需要進行隨機觀測的次數(shù)，設計由隨機 數(shù)0和1組成隨機觀測矩陣，隨機觀測矩陣每執(zhí)行一次即完成一次觀測采樣。
【文檔編號】G01N23/083GK106093088SQ201610730192
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月25日
【發(fā)明人】孫海峰, 李小平, 劉彥明, 方海燕, 李鐵, 薛夢凡, 沈利榮
【申請人】西安電子科技大學