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A comprehensive framework toward the seamless integration of muon reconstruction algorithms with machine learning

Sattler, Felix und Alameddine, Jean-Marco und Bueno Rodriguez, Angel und Stephan, Maurice und Barnes, Sarah (2025) A comprehensive framework toward the seamless integration of muon reconstruction algorithms with machine learning. Journal of Applied Physics, 138 (14). American Institute of Physics (AIP). doi: 10.1063/5.0288348. ISSN 0021-8979.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
3MB

Offizielle URL: https://dx.doi.org/10.1063/5.0288348

Kurzfassung

Muon-scattering tomography (MST) utilizes naturally occurring cosmic-ray muons to reveal the three-dimensional composition of concealed volumes, such as cargo containers in the maritime domain, reducing the need for artificial radiation sources. The reconstruction methods of current state-of-the-art systems rely on geometry based approaches, such as the Point of Closest Approach (PoCA) algorithm, whose strong heuristics blur fine structures and introduce high frequency noise. Statistical Expectation-Maximization (EM) reconstruction methods can recover these lost details but are traditionally ruled out for real-time application given their high computational and numerical demands. We introduce a comprehensive framework for MST reconstruction in PyTorch, including traditional and fast, but inaccurate geometry-based methods, as well as a highly optimized EM solver within a single, end-to-end differentiable pipeline. Using parallelism and graphics processing unit (GPU) acceleration, our framework overcomes the aforementioned computational obstacles. As a benchmark, the EM solver is tested on several MST scenarios generated with Geant4. Image quality metrics shows its superiority over traditional reconstruction algorithms, while retaining a per-iteration latency of 0.8s at a 1cm voxel resolution on standard GPUs.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/221639/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:A comprehensive framework toward the seamless integration of muon reconstruction algorithms with machine learning
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Sattler, FelixFelix.Sattler (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-8869-282X203995688
Alameddine, Jean-Marcojean-marco.alameddine (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-9534-9189203995691
Bueno Rodriguez, Angelangel.bueno (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Stephan, MauriceMaurice.Stephan (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Barnes, SarahSarah.Barnes (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:13 Oktober 2025
Erschienen in:Journal of Applied Physics
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:138
DOI:10.1063/5.0288348
Verlag:American Institute of Physics (AIP)
ISSN:0021-8979
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Machine learning, Cosmic rays, Optimization algorithms, Computer simulation, EM algorithm, Leptons, Tomography
HGF - Forschungsbereich:keine Zuordnung
HGF - Programm:keine Zuordnung
HGF - Programmthema:keine Zuordnung
DLR - Schwerpunkt:keine Zuordnung
DLR - Forschungsgebiet:keine Zuordnung
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):keine Zuordnung
Standort: Bremerhaven
Institute & Einrichtungen:Institut für den Schutz maritimer Infrastrukturen > Maritime Sicherheitstechnologien
Hinterlegt von: Sattler, Felix
Hinterlegt am:29 Jan 2026 10:50
Letzte Änderung:02 Feb 2026 12:23

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