專利名稱:一種多旋翼飛行式核素探測識別儀的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種多旋翼飛行式核素探測識別儀，該識別儀包括：核輻射譜儀單元、多旋翼飛行單元和地面控制單元；所述地面控制單元通過無線方式連接所述核輻射譜儀單元；所述核輻射譜儀單元包括核素識別探測器、前端讀出電路與數(shù)字多道脈沖幅度分析器、激光高度計(jì)及譜儀數(shù)據(jù)無線傳輸單元；所述核素識別探測器為共平柵結(jié)構(gòu)式碲鋅鎘核輻射探測器；該碲鋅鎘核輻射探測器具有兩個(gè)收集電極，并通過電荷靈敏放大器將兩個(gè)電極差分信號輸出連接至數(shù)字多道脈沖幅度分析器；所述激光高度計(jì)與所述數(shù)字多道脈沖幅度分析器相連；所述多旋翼飛行單元中多旋翼飛行器內(nèi)置有GP S接收器。
【專利說明】
-種多旋翼飛行式核素探測識別儀
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型設(shè)及核素探測識別儀，尤其設(shè)及一種多旋翼飛行式核素探測識別儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 快速移動式核福射測量技術(shù)從福射測量載體的不同，可分為固定翼式(直升機(jī))福 射測量、地面車載能譜測量、機(jī)器小車福射測量、無人機(jī)福射測量、多旋翼無人飛行器測量。
[0003] 1、其中固定翼式(直升機(jī))福射測量通常采用固定翼式飛機(jī)或直升飛機(jī)搭載大體 積的NaI(Tl)晶體與高分辨率的高純錯(cuò)作為探測器，該測量方式主要用W廣域測量，飛行速 度快，空間分辨率較低，化I(Tl)晶體能量分辨率低，核素識別效果差，尤其是對中、低能射 線的測量效果很差(譬如UiI ,I37CS),而高純錯(cuò)探測器雖然能量分辨率高，但因體積較小，探 測效率低，且無法長時(shí)間室溫工作，成本極其高昂（用于核應(yīng)急測量場合通常需要千萬元 級）。固定翼/直升機(jī)的每次飛行測量都需要提出航空申請，每次的飛行成本極高，因此作為 日常的核電站監(jiān)測運(yùn)行帶來的成本極高，可行性不大，目前主要有美國的PICO公司，法國的 RMDW及國內(nèi)的成都理工大學(xué)、河北航測遙感中屯、、中國國±資源航空物探遙感中屯、可提供 相關(guān)儀器，因此不滿足今后全國范圍內(nèi)的核設(shè)施日常監(jiān)測運(yùn)行的需求。
[0004] 2、地面車載能譜測量方式通常在越野車頂部安裝有1-2條化的NaI(化)探測器，能 量分辨率低，核素識別效果不理想，而且容易被周圍環(huán)境中的建筑物遮擋，故不太適合在復(fù) 雜環(huán)境下進(jìn)行福射測量，且在復(fù)雜環(huán)境下越野車體積較大，也可能無法進(jìn)入，當(dāng)泄露的核福 射存在于設(shè)施的頂部，而周圍有建筑物屏蔽則地面車載能譜儀無能為力。目前主要有國外 的SAIC公司、國內(nèi)的西北核技術(shù)研究所、中國原子能研究院、成都理工大學(xué)有相關(guān)產(chǎn)品。
[0005] 3、機(jī)器小車測量方式。機(jī)器小車雖然體積較小可進(jìn)入一些復(fù)雜環(huán)境，但不能做區(qū) 域的福射測量，比較適合于進(jìn)入建筑物內(nèi)部進(jìn)行測量，續(xù)航時(shí)間較短，機(jī)械手臂，行走機(jī)構(gòu) 的設(shè)計(jì)都有極高要求，否則無法應(yīng)對建筑物內(nèi)部的復(fù)雜環(huán)境，而機(jī)器人小車通常只是搭載 簡易的福射劑量測量裝置，較少搭載可實(shí)現(xiàn)核素識別的福射測量單元，主要用W放射源的 處置，因此價(jià)格低輒屯八十萬，高輒幾百萬，且其維護(hù)成本也較高，只能用于單一功能的福 射測量場合。
[0006] 4、無人機(jī)福射測量方式。該方式目前美國、日本與中國都有相應(yīng)的測量系統(tǒng)。無人 機(jī)的載重量盡管不如固定翼飛機(jī)與直升機(jī)，但因可W無人操作，降低了測量的危險(xiǎn)性，且可 W工作更長的時(shí)間，目前主要用W資源勘查譬如中國地質(zhì)調(diào)查局開發(fā)的彩虹-3無人機(jī)航空 測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)搭載了航空放射性、電磁、重力等測量裝置，主要是為了彌補(bǔ)固定翼式飛 行測量的不足，提高安全性，提高連續(xù)測量的時(shí)間，但也犧牲了載重量，使探測效率有所降 低，但也如同固定翼飛行一樣，成本高昂，無法長時(shí)間懸停測量。
[0007] 5、多旋翼無人飛行器測量。該測量方式能夠任意懸停在核設(shè)施的周圍及上空，即 可實(shí)現(xiàn)有針對性的頂點(diǎn)測量，也可W實(shí)現(xiàn)區(qū)域的巡測。多旋翼無人飛行器通常體積較小僅 為60cm*60cm*25cm，體積小巧，方便攜帶，即可與車載巡測儀互補(bǔ)構(gòu)成立體式放射性監(jiān)控， 也可替代機(jī)器人進(jìn)入一些環(huán)境復(fù)雜的環(huán)境快速確定核事故的位置與級別。在進(jìn)行放射源捜 索時(shí)，車載能譜儀往往因?yàn)轶w積大，而福射探測器無法脫離車體運(yùn)動，而存在較多的盲點(diǎn)， 捜索放射源的效率較低，而配合上多旋翼無人飛行器，則可W實(shí)現(xiàn)全覆蓋式測量，具有優(yōu)異 的測量效果。主要對比如下：
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型的目的是提供一種多旋翼飛行式核素探測識別 儀。
[0011] 本實(shí)用新型的目的通過W下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
[0012] -種多旋翼飛行式核素探測識別儀，包括:核福射譜儀單元、多旋翼飛行單元和地 面控制單元;所述地面控制單元通過無線方式連接所述核福射譜儀單元；
[0013] 所述核福射譜儀單元包括核素識別探測器、前端讀出電路與數(shù)字多道脈沖幅度分 析器、激光高度計(jì)及譜儀數(shù)據(jù)無線傳輸單元；
[0014] 所述核素識別探測器為共平柵結(jié)構(gòu)式蹄鋒儒核福射探測器;該蹄鋒儒核福射探測 器具有兩個(gè)收集電極，并通過電荷靈敏放大器將兩個(gè)電極差分信號輸出連接至數(shù)字多道脈 沖幅度分析器；
[0015] 所述激光高度計(jì)與所述數(shù)字多道脈沖幅度分析器相連；
[0016] 所述多旋翼飛行單元中多旋翼飛行器內(nèi)置有GI^接收器。
[0017] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例可W具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0018] 1、通過多旋翼飛行器與核素識別儀的結(jié)合，構(gòu)建完備的低空放射性核應(yīng)急測量體 系。
[0019] 2、解決現(xiàn)有移動式放射性監(jiān)測技術(shù)的不足，本課題的成果可與現(xiàn)有的多種放射性 測量方法形成互補(bǔ)，構(gòu)成立體式無盲區(qū)的放射性監(jiān)測。
[0020] 3、解決目前各種城市、街道、復(fù)雜核設(shè)施環(huán)境中缺乏有效快速放射性測量方法的 問題。
[0021] 4、解決缺乏核應(yīng)急低空放射性測量技術(shù)手段與儀器裝備的問題。
[0022] 5、解決目前核設(shè)施泄露的放射性煙羽測量不準(zhǔn)確，尤其是中低能射線與核素的探 測識別能力弱的問題。
【附圖說明】

[0023] 圖1是多旋翼飛行式核素探測識別儀結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖2是核素識別與填圖軟件模塊結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合實(shí)施例及附圖對 本實(shí)用新型實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
[0026] 如圖1所示為多旋翼飛行式核素探測識別儀結(jié)構(gòu)，包括:核福射譜儀單元、多旋翼 飛行單元和地面控制單元;所述地面控制單元通過無線方式連接所述核福射譜儀單元；
[0027] 所述核福射譜儀單元包括核素識別探測器、前端讀出電路與數(shù)字多道脈沖幅度分 析器、激光高度計(jì)及譜儀數(shù)據(jù)無線傳輸單元；
[0028] 所述核素識別探測器為共平柵結(jié)構(gòu)式蹄鋒儒核福射探測器;該蹄鋒儒核福射探測 器具有兩個(gè)收集電極，并通過電荷靈敏放大器將兩個(gè)電極差分信號輸出連接至數(shù)字多道脈 沖幅度分析器；
[0029] 所述激光高度計(jì)與所述數(shù)字多道脈沖幅度分析器相連；
[0030] 所述多旋翼飛行單元中多旋翼飛行器內(nèi)置有GI^接收器。
[0031 ]核福射譜儀單元為低功耗輕便型核福射譜儀單元:其中，核素識別探測器部件:采 用了蹄鋒儒、漠化銅及漠化姉=種核福射探測器作為譜儀單元的探測器件。其中蹄鋒儒化 合物半導(dǎo)體材料具有比化I (Tl)閃爍體更高的能量分辨率及更高的探測效率，其能量分辨 率針對（137CS的0.662MeV)可達(dá)0.1-3.0%，僅次于高純錯(cuò)半導(dǎo)體探測器，在同體積下探測 效率相對化I閃爍體為245%，由于探測射線直接在探測器內(nèi)部電離成電子空穴對，直接電 荷收集，故量子效率遠(yuǎn)高于化I閃爍體，屬于直接型探測器。但由于蹄鋒儒材料的空穴載流 子壽命遷移率較低，存在空穴拖尾效應(yīng)，故大體積時(shí)無法保證能量分辨率，故本發(fā)明采用共 平柵結(jié)構(gòu)的蹄鋒儒探測器，可克服空穴拖尾效應(yīng)，保證在1立方厘米體積下，能量分辨率可 優(yōu)于3.0%。本發(fā)明還可選配漠化銅、漠化姉等探測器，為了適合飛行式核素識別儀的設(shè)計(jì) 需要，采用了陣列SiPM器件替代傳統(tǒng)的光電倍增管實(shí)現(xiàn)對漠化銅、漠化姉閃爍體的光信號 探測。
[0032] 前端讀出電路與數(shù)字多道脈沖幅度分析器:共平柵式蹄鋒儒探測器具有兩個(gè)收集 電極，故本發(fā)明設(shè)計(jì)差分式電荷靈敏放大器將兩個(gè)電極的電荷差分收集后輸出信號到數(shù)字 多道脈沖幅度分析器。數(shù)字多道脈沖幅度分析器將差分電荷前放輸出信號預(yù)放大后由高速 模數(shù)轉(zhuǎn)換器離散為數(shù)字量，核福射譜儀單元電路集成于FPGA忍片內(nèi)，并在FPGA忍片內(nèi)設(shè)置 有數(shù)字上升時(shí)間甄別器。在FPGA忍片內(nèi)部通過雙通道數(shù)字梯形成形濾波器成形濾波，快通 道信號作為時(shí)基信號，慢通道信號作為幅度信號，數(shù)字脈沖幅度可準(zhǔn)確估計(jì)并扣除數(shù)字基 線，并獲得脈沖幅度大小。為了克服空穴拖尾效應(yīng)，上述FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)數(shù)字上升時(shí)間甄別 器，通過離線實(shí)驗(yàn)獲取上升時(shí)間值與快慢通道幅度比值的關(guān)系曲線，存入FPGA內(nèi)部存儲器， 在實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)則調(diào)取該參數(shù)值，從而可實(shí)現(xiàn)數(shù)字上升時(shí)間內(nèi)甄別，從而進(jìn)一步提高蹄鋒儒 探測器的能量分辨率。針對漠化銅與漠化姉探測器本專利采用了 SiPM禪合方式轉(zhuǎn)換光信 號，并采用單通道的電荷靈敏放大器將SiPM的電流脈沖信號放大轉(zhuǎn)換為電壓脈沖信號。
[0033] 低壓與高壓電源：由電池電源轉(zhuǎn)換得到多路不同大小的低壓電源提供譜儀單元電 路工作，采用高頻開關(guān)升壓方式獲得2500V左右的偏壓電源提供蹄鋒儒探測器、漠化銅、漠 化姉等核福射探測器所需偏壓。
[0034] 微型化激光高度計(jì):選取無人機(jī)上常用的迷你輕巧型激光高度計(jì)實(shí)現(xiàn)精確的高度 測量。為了實(shí)現(xiàn)高精度的=維放射性劑量分布圖，核素分布圖，需要有準(zhǔn)確的=維位置信 息，其中X，Y坐標(biāo)信息可由多旋翼飛行器的內(nèi)置GPS獲得，而GPS的高度信息誤差較大，故選 擇激光高度計(jì)實(shí)現(xiàn)高度測量。
[0035] 譜儀數(shù)據(jù)無線傳輸單元設(shè)計(jì):為了不影響多旋翼飛行器自身的無線通信，采用獨(dú) 立的低功耗2.4G通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)核福射譜儀單元能譜數(shù)據(jù)的下發(fā)與地面控制中屯、控制命令 的上傳。
[0036] 上述多旋翼飛行單元包括飛行組件和外圍單元組件;所述飛行組件包含六軸飛行 骨架、無刷電機(jī)、電調(diào)模塊和飛控模塊;所述外圍單元包含GPS接收機(jī)、微型攝像頭、五組視 覺超聲波避障部件和無線通信部件；
[0037] 所述地面控制單元包括無線接收發(fā)送器、多旋翼飛行測控軟件模塊、核福射譜儀 控制軟件模塊和核素識別與填圖軟件模塊。
[0038] 無線接收發(fā)送器設(shè)計(jì)：由于多旋翼飛行器與譜儀單元各自采用獨(dú)立的無線通信， 因此地面控制單元設(shè)置有兩套獨(dú)立的無線接收發(fā)送器，采用2.4G高速無線數(shù)據(jù)通信方式， 最高通信距離可達(dá)1-2公里，最高通信速度可達(dá)54Mbps，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)實(shí)時(shí)獲取視頻圖像信息與核 福射能譜儀譜線數(shù)據(jù)。
[0039] 多旋翼飛行測控軟件模塊設(shè)計(jì)：該軟件模塊實(shí)現(xiàn)對多旋翼飛行器的各種遠(yuǎn)程遙 控，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)獲取多旋翼飛行器的=維位置信息、視頻圖像信息等。
[0040] 核福射譜儀控制軟件模塊設(shè)計(jì):該軟件模塊實(shí)現(xiàn)對空中的核福射譜儀單元實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn) 程操控，并實(shí)現(xiàn)譜線的實(shí)時(shí)下載。
[0041] 核素識別與填圖軟件模塊設(shè)計(jì):根據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)的核素識別標(biāo)準(zhǔn)，在軟件模 塊內(nèi)部內(nèi)置4種核素庫，總共30種核素，并根據(jù)該國際標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)完善的核素識別算法，先經(jīng) 過能譜曲線的預(yù)處理(光滑，尋峰)后，實(shí)現(xiàn)核素識別。除了核素識別，本發(fā)明還需要將識別 核素、探測到的放射性劑量信息與=維坐標(biāo)信息、將空中譜儀單元下發(fā)的譜線數(shù)據(jù)與=維 坐標(biāo)信息、地面建筑實(shí)物圖片整合在一起構(gòu)成五維圖（如圖2所示），為核事故應(yīng)急快速處置 提供可靠有利的技術(shù)支持。
[0042] 雖然本實(shí)用新型所掲露的實(shí)施方式如上，但所述的內(nèi)容只是為了便于理解本實(shí)用 新型而采用的實(shí)施方式，并非用W限定本實(shí)用新型。任何本實(shí)用新型所屬技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技 術(shù)人員，在不脫離本實(shí)用新型所掲露的精神和范圍的前提下，可W在實(shí)施的形式上及細(xì)節(jié) 上作任何的修改與變化，但本實(shí)用新型的專利保護(hù)范圍，仍須W所附的權(quán)利要求書所界定 的范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種多旋翼飛行式核素探測識別儀，其特征在于，所述識別儀包括：核輻射譜儀單 元、多旋翼飛行單元和地面控制單元;所述地面控制單元通過無線方式連接所述核福射譜 儀單元； 所述核輻射譜儀單元包括核素識別探測器、前端讀出電路與數(shù)字多道脈沖幅度分析 器、激光高度計(jì)及譜儀數(shù)據(jù)無線傳輸單元； 所述核素識別探測器為共平柵結(jié)構(gòu)式碲鋅鎘核輻射探測器;該碲鋅鎘核輻射探測器具 有兩個(gè)收集電極，并通過電荷靈敏放大器將兩個(gè)電極差分信號輸出連接至數(shù)字多道脈沖幅 度分析器； 所述激光高度計(jì)與所述數(shù)字多道脈沖幅度分析器相連； 所述多旋翼飛行單元中多旋翼飛行器內(nèi)置有GPS接收器。2. 如權(quán)利要求1所述的多旋翼飛行式核素探測識別儀，其特征在于，所述核輻射譜儀單 元電路集成于FPGA芯片內(nèi)，并在FPGA芯片內(nèi)設(shè)置有數(shù)字上升時(shí)間甄別器。
【文檔編號】G01T1/38GK205720695SQ201620006325
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年1月5日
【發(fā)明人】曾國強(qiáng), 葛良全, 郎軍, 魏世龍, 賴茂林
【申請人】成都理工大學(xué)