增加图像数据动态范围的方法及图像采集系统.pdf

本发明提供了一种增加图像采集系统的图像数据动态范围的方法，该方法包括如下步骤：从探测器电路接收信号；对所接收的信号进行积分放大；对经积分放大的信号进行A/D变换；以及将系统参数值与该A/D变换结果的组合一起作为图像数据存储。此外本发明还提供了一种图像采集系统以及包括该图像采集系统的射线检查系统。

1、  一种增加图像采集系统的图像数据动态范围的方法，该图像采集系统包括探测器电路、积分放大电路和A/D变换电路，该方法包括如下步骤：
(a)从探测器电路接收信号；
(b)利用积分放大电路对所接收的信号进行积分放大；
(c)利用A/D变换电路对经积分放大的信号进行A/D变换；以及
(d)将符合系统要求的系统参数值与A/D变换结果的组合作为图像数据存储。

2、  根据权利要求1的方法，其中所述系统参数包括积分放大参数，并且该方法还包括如下步骤：在所述系统参数值与所述A/D变换结果的组合不符合系统要求时，根据所述系统参数值与所述A/D变换结果产生新的系统参数值，并根据该新的系统参数值执行步骤(b)-(d)。

3、  根据权利要求2的方法，其中所述积分放大参数为积分时间、积分电容、或者它们的任何组合。

4、  根据权利要求3的方法，其中所述积分时间的值为时间值或预定义值，并且所述积分电容的值为电容值或预定义值。

5、  根据权利要求1的方法，其中所述系统参数为A/D变换参数，并且该方法还包括如下步骤：在所述系统参数值与所述A/D变换结果的组合不符合系统要求时，根据所述系统参数值与所述A/D变换结果产生新的系统参数值，并根据该新的系统参数值执行步骤(c)-(d)。

6、  根据权利要求5所述的方法，其中所述A/D变换参数为A/D器件参数、有效位个数、或者其组合。

7、  一种图像采集系统，包括：
探测器电路，用于将射线转换为电信号；
积分放大电路，用于对探测器输出的信号进行积分放大；以及
A/D变换电路，用于对积分放大电路的输出进行A/D变换；
其特征在于，将符合系统要求的系统参数值与A/D变换结果的组合作为图像数据存储。

8、  根据权利要求7的系统，还包括算法电路，用于判断所述系统参数值与所述A/D变换结果的组合是否符合系统要求；以及在所述组合不符合系统要求时，根据所述系统参数值与所述A/D变换结果计算新的系统参数值。

9、  根据权利要求8的系统，其中所述系统参数是积分放大参数、A/D变换参数、或者积分放大参数与A/D变换参数的组合，并且所述算法电路将所述新的系统参数值提供给所述积分放大电路和/或所述A/D变换电路，用于再一次进行积分放大和A/D变换，或者用于再一次进行A/D变换。

10、  根据权利要求7的系统，其中所述探测器电路包括多个探测器电路，所述积分放大电路包括每一个与所述多个探测器电路中每个电连接的多个积分放大电路，并且该系统还包括：多个采样保持电路，每一个与该多个积分放大电路中每一个电连接，用于对相应积分放大电路的输出进行保持；与该多个采样保持电路电连接的多路模拟开关，用于将所述多个积分放大电路的输出传送到所述A/D变换电路以生成多个A/D变换结果；以及算法电路，用于判断每一探测器电路的A/D变换结果与系统参数值的组合是否满足系统要求，以及在存在不满足系统要求的组合时，根据当前系统参数值和所有当前不满足系统要求的组合中的A/D变换结果，生成新的系统参数值。

11、  根据权利要求10的系统，其中所述系统参数是积分放大参数、A/D变换参数、或者积分放大参数与A/D变换参数的组合，所述算法电路将所述新的系统参数值提供给所述积分放大电路和/或所述A/D变换电路，用于再一次进行积分放大和A/D变换，或者用于再一次进行A/D变换；并且所述算法电路还用于记录上一次不满足系统要求的组合对应的编号，并且对于该再一次的A/D变换结果，该算法电路仅对与所记录的编号对应的A/D变换结果和当前系统参数值的组合进行判断，以及根据所述当前系统参数值与所判断的不符合系统要求的组合中的A/D变换结果，计算新的系统参数值。

12、  根据权利要求9或11的系统，其中所述积分放大参数为积分时间、积分电容、或者其组合；所述A/D变换参数为A/D器件参数、有效位个数、或者其组合。

13、  根据权利要求12的方法，其中所述积分时间的值为时间值或预定义值，并且所述积分电容的值为电容值或预定义值.

14、  一种射线检查系统，包括如权利要求7所述的图像采集系统。

增加图像数据动态范围的方法及图像采集系统
技术领域
本发明涉及一种增加图像采集系统的图像数据动态范围的方法，并且涉及应用该方法的图像采集系统以及包括该图像采集系统的射线检查系统。
背景技术
常见的射线检查系统的图像采集电路结构如图1所示。上述射线检查系统中，由于被检测物体对射线的吸收程度差别很大，因此需要图像采集电路能够提供很大的动态范围。但是目前电子器件能够提供的动态范围有限，无法满足上述要求，因此需要采用其他技术手段来增加图像采集电路的动态范围。
目前常见的方案可分为两大类，第一类是通过模拟方法对探测器输出的信号进行处理。发明名称为“Photodiode preamplifier withprogrammable gain amplification”的国际专利公开WO 94/22216公开了一种采用可变增益前放电路的方案，该方案通过控制前放电路的积分电容的大小来实现增益的调整。由于通过分立元件组成，结构复杂、体积较大、精度较低，该方案已不适合当前高密度系统的要求，同时该方案也未涉及前放增益调整的条件。发明名称为“Digital charge balancingcurrent integration in penetrating radiation detection system”的国际专利公开WO 90/13829公开了一种采用电荷泵的方案。在该方案中将探测器的电流积分放大后，输出信号接入一个比较器，该比较器的初始输入电压可以通过电荷泵进行预设，将比较结果通过一个计数器进行寄存，从而实现对某一敏感信号的测量.虽然该方案避免了使用采样保持电路和A/D(模拟-数字)变换电路引入的误差，并且能够通过设定比较器的输入初始值来增大输入信号的动态范围，然而该方案需要针对每路探测器输出配备一套计数电路，增大了系统成本和模块体积。
上述两个技术方案的特点总结起来包括：
a)上述方案是在每路探测器电路的模拟输出端采用专用硬件电路的方式实现，增加了采集系统的成本和体积。
b)上述操作需要提供相应的控制信号，而对于大型设备而言，更多的引线是非常不方便的。
第二类方法是通过图像采集系统的多次采样并配合相应算法进行处理。发明名称为“METHOD FOR IMPROVING THE DYNAMIC RANGEOF AN IMAGING SYSTEM”的国际专利公开WO92/00574公开了采用双次采样方式增加动态范围的方案。该方案通过双次曝光技术(dualexposure technology)获得两次采样时间不等的图像数据，然后根据相应的算法对上述数据进行处理，从而达到增加动态范围的效果。上述方案分析特点有以下几点：
a)通过双次采样的结果配合相应算法，能够提供适合的图像数据；
b)方案中设定的双次采样时间是相对固定的，对于动态范围变化较大的系统效果将会受到很大影响；
c)方案中存在两次采样结果都不符合要求的情况，需要通过算法进行调整。
随着射线检查系统朝着小型、高速、高密度方向发展，传统的通过调整系统参数来增大图像数据的方法，受到设备体积、成本等诸多限制，已经不能满足当前需求。
发明内容
考虑到上述问题，本发明提供了一种增加图像采集系统的图像数据动态范围的方法，该图像采集系统包括探测器电路、积分放大电路和A/D变换电路，该方法包括如下步骤：
(a)从探测器电路接收信号；
(b)利用积分放大电路对所接收的信号进行积分放大；
(c)利用A/D变换电路对经积分放大的信号进行A/D变换；以及
(d)将符合系统要求的系统参数值与A/D变换结果的组合作为图像数据存储。
所述系统要求是图像采集系统的设计指标规定的图像数据的数值范围。例如，在将前置放大电路的积分时间t_int和A/D变换结果的组合作为图像数据存储时，图像数据格式为(t_int，d)，其中d是A/D变换得到的数字码值。则(t_int，d)作为系统参数的组合得到数据应在规定的图像数据的数值范围内。上面的说明仅仅是示例性的，本发明的图像数据还可以是其它系统参数与A/D变换结果的组合。
本发明也提供了一种图像采集系统，其包括：探测器电路，用于将射线转换为电信号；积分放大电路，用于对探测器输出的信号进行积分放大；以及A/D变换电路，用于对积分放大电路的输出进行A/D变换；该方法的特征在于，将符合系统要求的系统参数值与A/D变换结果的组合作为图像数据存储。
此外本发明还提供了一种射线检查系统，该设备包括上述图像采集系统。
将相关电路参数作为图像数据的一部分进行存储，使得本发明的图像数据具有特定物理的含义，能够反映图像采集系统的特性。由于系统参数之间的关联性，本发明的图像数据具有比较大的调整范围，例如在探测器输出信号相同的情况下，减小积分电容的同时增大积分时间，相应的A/D变换结果会明显变大；而且由于既可以单独调整某个参数，也可以同时调整某几个参数，本发明的图像数据能够使用多种调整手段进行调整，从而能够在更短的时间、更少的采集次数内得到满足系统要求的图像数据。
本发明所提出的增加图像动态范围的方法，不需要对现有模拟电路进行更改，就可以解决器件性能限制与系统需求之间的问题。所述增加图像动态范围的方法通过调整有关电路参数，采用在每次采集周期进行至少一次积分和/或A/D变换的方式，保证所有的图像数据都满足系统要求，避免了由于图像数据不满足要求而对其进行算法校正。
附图说明
图1示意性示出了现有技术的射线检查系统的图像采集系统的电路结构图；
图2A和B示意性示出了根据本发明的用于增加图像采集系统的图像数据动态范围的方法的流程图，其中图2A描述了只有一路探测器电路的情况，图2B表示探测器电路为多路的情况。
图3示意性示出了根据本发明的一个实施例的图像采集系统的示意性框图；
图4示意性示出了根据本发明另一实施例的图像采集系统的示意性框图；
图5示意性示出了根据本发明的射线检查系统。
具体实施方式
下面参考附图通过实施例对本发明进行进一步的详细描述。附图仅仅是示意性的，省略了与本发明无直接关联并且为本领域技术人员所熟知的那些部分，以免不必要地混淆本发明。下述具体描述并不意图限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书限定。
图2A和2B示意性示出了根据本发明的用于增加图像采集系统的图像数据动态范围的方法的流程图。在图2A中描述了对于只有一路探测器电路的图像采集系统的情况。在步骤200，从探测器电路接收电信号。在步骤202，对所接收的信号进行积分放大。接着，对经积分放大的信号进行A/D变换，如步骤204所示。然后，在步骤206判断系统参数值与A/D变换结果的组合是否满足系统要求.如果所述组合满足系统要求，则将该组合作为图像数据存储(步骤210)，并且该方法结束。如果所述组合不满足系统要求，则根据所述系统参数值和A/D变换结果计算新的系统参数值，如步骤208所示。
在作为图像数据存储的系统参数是积分放大参数，或者是积分放大参数与A/D变换参数的组合的情况下，该过程返回步骤202，直至得到满足系统要求的系统参数值与A/D变换结果的组合。
在作为图像数据存储的系统参数是A/D变换参数的情况下，该过程返回步骤204，直至得到满足系统要求的系统参数值与A/D变换结果。
图2B示出了存在多路探测器电路的情况。在图2B的方法中，步骤202-204与图2A中的相同，区别在于以下详细描述的步骤。
在步骤205中判断是否存在任一路探测器电路的A/D变换结果与系统参数值的组合不符合系统要求。如果判断步骤205的结果为“否”，则将每一路的A/D变换结果与系统参数值的组合作为图像数据存储，并且该方法结束。而如果判断步骤205的结果为“是”，则该方法继续进行步骤209，在步骤209中一方面将当前判断中符合系统要求的A/D变换结果与系统参数值的组合作为图像数据存储，另一方面记录不符合系统要求的组合所对应的编号，并根据当前判断中不符合系统要求的组合中的A/D变换结果与当前系统参数值，计算新的系统参数值。
接着在步骤211，根据当前提供的(新)系统参数值进行积分放大，在步骤212中根据当前提供的系统参数值进行A/D变换。然后，在步骤214中判断对应于所记录编号的A/D变换结果与当前系统参数值的组合中，是否存在不符合系统要求的.如果步骤214的判断结果为“否”，则存储所有对应当前记录编号的A/D结果与当前参数值的组合(步骤216)，并且该方法结束。而如果步骤214的判断结果为“是”，则该方法回到步骤209。
注意，步骤211的虚线表示，如果作为图像数据记录的系统参数仅包含A/D变换参数，则省略此步骤。
在图2A和B的方法中，所述积分放大参数例如可以为积分时间、积分电容等、或者它们的任何组合。所述A/D变换参数例如可以是A/D器件参数、有效位个数等、或者它们的任何组合。所述系统参数的值可以是具体的数值，例如对于积分时间，其值可以是微秒数、毫秒数，对于积分电容其值可以是pF数、uF数等，也可以是自定义的数值，例如1表示100us，2表示16pF等。
图3示意性示出了根据本发明的一个实施例的图像采集系统的示意性框图，该系统包括探测器电路1、积分放大电路2、A/D变换电路3、算法电路4、控制电路5、图像数据缓存电路6和图像工作站7。
如图3所示的图像采集系统的工作过程如下：在进行图像采集时，图像工作站7发送开始采集命令给控制电路5，控制电路5据此产生周期性的采集信号。当采集信号有效时，控制电路5控制积分放大电路2，使其根据由算法电路4提供的系统参数的第一值p₁对探测器电路1的输出信号进行积分放大，同时控制电路5控制A/D变换电路3，使其将积分放大电路2的输出变换成相应的数字码值d₁。随后，将上述数字码值d₁发送给算法电路4，算法电路4利用已知的算法判断该系统参数第一值p₁与该数字码值d₁的组合是否符合系统要求，即，是否满足系统的动态范围要求.如果上述参数值p₁和数字码值d₁的组合符合系统要求，则算法电路4将该数字码值d₁与系统参数第一值p₁一起作为图像数据存放到图像数据缓存电路6中，供图像工作站7使用；如果算法电路4的判断结果为系统参数值p₁和数字码值d₁的组合不符合系统要求，则由算法电路4利用已知算法根据系统参数值p₁和数字码值d₁计算系统参数的第二值p₂。根据该系统参数值p₂开始新的积分操作，并最终得到A/D变换结果d₂。算法电路4判断d₂和p₂的组合是否符合要求，来决定是采用d₂与p₂的组合作为本次采集的图像数据，还是产生新的系统参数值进行下次积分以及A/D变换。重复上述操作，直到系统参数值p_n和相应的A/D变换结果d_n的组合满足系统对图像数据的要求为止。
所述与A/D变换结果一起作为图像数据存储的系统参数可以是与积分放大电路2相关的参数(以下称为积分放大参数)，例如积分时间、积分电容等、或者它们的任何组合.所述系统参数也可以是与A/D变换有关的参数(以下称为A/D变换参数)，例如A/D器件参数、有效位个数等、或者它们的任何组合。或者，所述系统参数也可以是若干积分放大参数和若干A/D变换参数的组合。
在所述系统参数为多个参数的组合时，系统参数值p_n为多个数值的组合。
在所述系统参数仅包括A/D变换参数时，如果当前变换结果与系统参数值的组合不符合系统要求，则由A/D变换电路3根据由算法电路4提供的新的A/D变换参数，对积分放大电路2的输出再次进行A/D变换，而并不再次进行积分放大操作。直至得到符合系统要求的系统参数值与A/D变换结果的组合。
此外，所述系统参数的值可以是具体的数值，例如对于积分时间，其值可以是微秒数、毫秒数，对于积分电容其值可以是pF数、uF数等，也可以是自定义的数值，例如1表示100us，2表示16pF等。
算法电路4中的算法可以是一个与系统参数值pn和A/D变换结果d_n相关的函数，表示为p_n+1＝f(p_n，d_n)，用于判断系统参数值p_n和相应的A/D变换结果d_n是否满足相应要求，并用于根据p_n和d_n的数值决定第n+1次的积分变换(或A/D变换)的系统参数值p_n+1。例如，如果p_n+1不等于零，则表明p_n和d_n不符合要求；否则，表明p_n和d_n符合系统要求，并将其作为图像数据输出。
算法电路4可以由数字信号处理器DSP实现。
本实施例中所示图像采集系统适用于输入信号变化范围大的情况。通过算法利用当前A/D变换的结果对下一次的积分(和/或A/D变换)的参数进行调整，能够快速找到符合系统要求的系统参数p和相应的A/D变换结果d组成的图像数据，从而有效的避免了由于一次输入信号过大导致信号超限、使得图像数据无效等情况的发生。
如图4示意性示出了根据本发明另一实施例的图像采集系统的框图。该实施例中的图像采集系统与图2所示实施例的相似，不同之处在于该系统包括m(m>1)个探测器电路1_i(i＝1-m)、m个积分放大电路2_i(i＝1-m)、以及与该m个积分放大电路中的每个电连接的采样保持电路10_i(i＝1-m)，并且还包括多路模拟开关11。其中，该m个积分放大电路由同一个积分放大信号控制。
与图3中相同，与A/D变换结果一起作为图像数据存储的系统参数可以是积分放大参数，例如积分时间、积分电容等、或者它们的任何组合。所述系统参数也可以是A/D变换参数，例如A/D器件参数、有效位个数等、或者它们的任何组合。或者，所述系统参数也可以是若干积分放大参数和若干A/D变换参数的组合。在所述系统参数为若干参数的组合时，系统参数值为若干个数值的组合。
如图4所示的图像采集系统的工作过程如下：在进行图像采集时，图像工作站7发送开始采集命令给控制电路5，控制电路5据此产生周期性的采集信号。当采集信号有效时，控制电路5控制积分放大电路2_i(i＝1-m)，使其根据由算法电路4提供的系统参数的第一值p₁对探测器电路1_i(i＝1-m)的输出信号进行积分放大；在完成本次积分后，将相应积分电路2_i(i＝1-m)的输出通过采样保持电路10_i(i＝1-m)进行保持；之后控制电路5控制多路开关11依次选通各模拟通道，将相应采样保持电路10_i(i＝1-m)的输出信号传送到A/D变换电路3，变换成数字码值d_{1_i}(i＝1-m)，将这些数字码值将依次送入算法电路4。
然后，算法电路4根据已知的算法判断系统参数第一值p₁与接收到的每一数字码值d_{1_i}的组合是否满足系统要求，即，是否满足系统的动态范围要求；如果上述系统参数值p₁和每一数字码值d_{1_i}的组合都符合系统要求，则算法电路4将系统参数第一值p₁和每一数字码值d_{1_i}的组合分别作为图像数据存放到图像数据缓存电路6的相应地址中，供图像工作站7使用。
如果算法电路4的判断结果为系统参数值p₁与其中一些数字码值的组合不符合系统要求，则算法电路4一方面将符合系统要求的组合存放到图像数据缓存电路6的相应地址中，供图像工作站7使用；另一方面，记录不符合要求的组合对应的模拟通道编号，并且利用已知算法根据系统参数值p₁和这些不符合要求的数字码值计算新的系统参数值p₂。
为了方便说明，作为一个例子，在这里假设系统参数值p₁与A/D变换结果d_{1_1}的组合、与A/D变换结果d_{1_3}的组合、与A/D变换结果d_{1_5}的组合，不符合系统要求，则由算法电路4记录所对应的通道编号1、3、5，并根据系统参数值p₁和数字码值d_{1_1}、d_{1_3}和d_{1_5}生成系统参数值p₂。上面的例子仅仅是说明性的，不符合系统要求的组合可以是系统参数值与d_{1_i}中任何一个或多个的组合。
当所述系统参数仅包括积分放大参数时，或者所述系统参数为积分放大参数与A/D变换参数的组合时，则控制电路5控制积分放大电路2_i(i＝1到m)，使其根据系统参数值p₂再次对探测器输出信号进行积分放大，并且A/D变换电路3将积分放大结果变换成数字值d_{2_i}(当所述系统参数仅包括A/D变换参数时，控制电路控制A/D变换3使其根据系统参数值p₂进行A/D变换，而不进行积分放大操作)，然后算法电路4根据已知算法以及之前记录的通道编号，仅判断d_{2_1}.d_{2_3}和d_{2_5}各自与系统参数p₂的组合是否符合系统要求。如果这些组合都符合系统要求，则将它们存放到图像数据缓存电路6的相应地址中，供图像工作站7使用。如果有任何组合，例如，d_{2_3}与系统参数p₂的组合、d_{2_5}与系统参数p₂的组合，不符合系统要求，则算法电路4一方面将d_{2_1}与系统参数p₂的组合存放到图像数据缓存电路6的相应地址中，供图像工作站7使用；另一方面，记录下通道编号3和5，并利用已知算法根据d_{2_3}、d_{2_5}和系统参数值p₂计算新的系统参数值p₃。
重复上述操作，直至存储了符合系统要求的每一探测器电路的A/D变换结果与相应系统参数的组合。
该实施例中，算法电路4中的算法可以是一个与系统参数值p_n和A/D变换结果d_{n_i}相关的函数，表示为p_n+1＝f(p_n，d_{n_i})，用于判断系统参数值p_n和相应的A/D变换结果d_{n_i}是否满足相应要求，并用于根据p_n和d_{n_i}的数值决定第n+1次的积分变换(和/或A/D变换)的系统参数值p_n+1.例如，如果p_n+1不等于零，则表明p_n和d_{n_i}不符合要求；否则，表明p_n和d_{n_i}符合系统要求，并将其作为图像数据输出。
本电路适用于多路信号的同步采集，即所有前放需要根据同一个信号开始积分，以保证所有的积分信号属于同一个时间段的信息，从而在成像时这些图像数据可以作为一列数据进行处理。
图5示出了根据本发明一个实施例的射线检查系统的示意性框图。该射线检查系统包括用于发射射线的射线源3、图3或图4所示的图像采集系统4、以及图像工作站5.当被检物2在传送装置1上传送经过射线源3和图像采集系统4之间时，由图像采集系统4接收经过被检物2的射线，由此采集被检物2的图像信息以对被检物2进行检查。