一种多旋翼飞行式核素探测识别仪的制作方法

专利名称:一种多旋翼飞行式核素探测识别仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种多旋翼飞行式核素探测识别仪，该识别仪包括：核辐射谱仪单元、多旋翼飞行单元和地面控制单元；所述地面控制单元通过无线方式连接所述核辐射谱仪单元；所述核辐射谱仪单元包括核素识别探测器、前端读出电路与数字多道脉冲幅度分析器、激光高度计及谱仪数据无线传输单元；所述核素识别探测器为共平栅结构式碲锌镉核辐射探测器；该碲锌镉核辐射探测器具有两个收集电极，并通过电荷灵敏放大器将两个电极差分信号输出连接至数字多道脉冲幅度分析器；所述激光高度计与所述数字多道脉冲幅度分析器相连；所述多旋翼飞行单元中多旋翼飞行器内置有GP S接收器。
【专利说明】
-种多旋翼飞行式核素探测识别仪
技术领域
[0001] 本实用新型设及核素探测识别仪，尤其设及一种多旋翼飞行式核素探测识别仪。
【背景技术】
[0002] 快速移动式核福射测量技术从福射测量载体的不同，可分为固定翼式(直升机)福 射测量、地面车载能谱测量、机器小车福射测量、无人机福射测量、多旋翼无人飞行器测量。
[0003] 1、其中固定翼式(直升机)福射测量通常采用固定翼式飞机或直升飞机搭载大体 积的NaI(Tl)晶体与高分辨率的高纯错作为探测器，该测量方式主要用W广域测量，飞行速 度快，空间分辨率较低，化I(Tl)晶体能量分辨率低，核素识别效果差，尤其是对中、低能射 线的测量效果很差(譬如UiI ,I37CS),而高纯错探测器虽然能量分辨率高，但因体积较小，探 测效率低，且无法长时间室溫工作，成本极其高昂（用于核应急测量场合通常需要千万元 级）。固定翼/直升机的每次飞行测量都需要提出航空申请，每次的飞行成本极高，因此作为 日常的核电站监测运行带来的成本极高，可行性不大，目前主要有美国的PICO公司，法国的 RMDW及国内的成都理工大学、河北航测遥感中屯、、中国国±资源航空物探遥感中屯、可提供 相关仪器，因此不满足今后全国范围内的核设施日常监测运行的需求。
[0004] 2、地面车载能谱测量方式通常在越野车顶部安装有1-2条化的NaI(化)探测器，能 量分辨率低，核素识别效果不理想，而且容易被周围环境中的建筑物遮挡，故不太适合在复 杂环境下进行福射测量，且在复杂环境下越野车体积较大，也可能无法进入，当泄露的核福 射存在于设施的顶部，而周围有建筑物屏蔽则地面车载能谱仪无能为力。目前主要有国外 的SAIC公司、国内的西北核技术研究所、中国原子能研究院、成都理工大学有相关产品。
[0005] 3、机器小车测量方式。机器小车虽然体积较小可进入一些复杂环境，但不能做区 域的福射测量，比较适合于进入建筑物内部进行测量，续航时间较短，机械手臂，行走机构 的设计都有极高要求，否则无法应对建筑物内部的复杂环境，而机器人小车通常只是搭载 简易的福射剂量测量装置，较少搭载可实现核素识别的福射测量单元，主要用W放射源的 处置，因此价格低辄屯八十万，高辄几百万，且其维护成本也较高，只能用于单一功能的福 射测量场合。
[0006] 4、无人机福射测量方式。该方式目前美国、日本与中国都有相应的测量系统。无人 机的载重量尽管不如固定翼飞机与直升机，但因可W无人操作，降低了测量的危险性，且可 W工作更长的时间，目前主要用W资源勘查譬如中国地质调查局开发的彩虹-3无人机航空 测量系统，该系统搭载了航空放射性、电磁、重力等测量装置，主要是为了弥补固定翼式飞 行测量的不足，提高安全性，提高连续测量的时间，但也牺牲了载重量，使探测效率有所降 低，但也如同固定翼飞行一样，成本高昂，无法长时间悬停测量。
[0007] 5、多旋翼无人飞行器测量。该测量方式能够任意悬停在核设施的周围及上空，即 可实现有针对性的顶点测量，也可W实现区域的巡测。多旋翼无人飞行器通常体积较小仅 为60cm*60cm*25cm，体积小巧，方便携带，即可与车载巡测仪互补构成立体式放射性监控， 也可替代机器人进入一些环境复杂的环境快速确定核事故的位置与级别。在进行放射源捜 索时，车载能谱仪往往因为体积大，而福射探测器无法脱离车体运动，而存在较多的盲点， 捜索放射源的效率较低，而配合上多旋翼无人飞行器，则可W实现全覆盖式测量，具有优异 的测量效果。主要对比如下：
[000引
[i


【发明内容】

[0010] 为解决上述技术问题，本实用新型的目的是提供一种多旋翼飞行式核素探测识别 仪。
[0011] 本实用新型的目的通过W下的技术方案来实现：
[0012] -种多旋翼飞行式核素探测识别仪，包括:核福射谱仪单元、多旋翼飞行单元和地 面控制单元;所述地面控制单元通过无线方式连接所述核福射谱仪单元；
[0013] 所述核福射谱仪单元包括核素识别探测器、前端读出电路与数字多道脉冲幅度分 析器、激光高度计及谱仪数据无线传输单元；
[0014] 所述核素识别探测器为共平栅结构式蹄锋儒核福射探测器;该蹄锋儒核福射探测 器具有两个收集电极，并通过电荷灵敏放大器将两个电极差分信号输出连接至数字多道脉 冲幅度分析器；
[0015] 所述激光高度计与所述数字多道脉冲幅度分析器相连；
[0016] 所述多旋翼飞行单元中多旋翼飞行器内置有GI^接收器。
[0017] 与现有技术相比，本实用新型的一个或多个实施例可W具有如下优点：
[0018] 1、通过多旋翼飞行器与核素识别仪的结合，构建完备的低空放射性核应急测量体 系。
[0019] 2、解决现有移动式放射性监测技术的不足，本课题的成果可与现有的多种放射性 测量方法形成互补，构成立体式无盲区的放射性监测。
[0020] 3、解决目前各种城市、街道、复杂核设施环境中缺乏有效快速放射性测量方法的 问题。
[0021] 4、解决缺乏核应急低空放射性测量技术手段与仪器装备的问题。
[0022] 5、解决目前核设施泄露的放射性烟羽测量不准确，尤其是中低能射线与核素的探 测识别能力弱的问题。
【附图说明】

[0023] 图1是多旋翼飞行式核素探测识别仪结构示意图；
[0024] 图2是核素识别与填图软件模块结构示意图。
【具体实施方式】
[0025] 为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例及附图对 本实用新型实施方式作进一步详细的描述。
[0026] 如图1所示为多旋翼飞行式核素探测识别仪结构，包括:核福射谱仪单元、多旋翼 飞行单元和地面控制单元;所述地面控制单元通过无线方式连接所述核福射谱仪单元；
[0027] 所述核福射谱仪单元包括核素识别探测器、前端读出电路与数字多道脉冲幅度分 析器、激光高度计及谱仪数据无线传输单元；
[0028] 所述核素识别探测器为共平栅结构式蹄锋儒核福射探测器;该蹄锋儒核福射探测 器具有两个收集电极，并通过电荷灵敏放大器将两个电极差分信号输出连接至数字多道脉 冲幅度分析器；
[0029] 所述激光高度计与所述数字多道脉冲幅度分析器相连；
[0030] 所述多旋翼飞行单元中多旋翼飞行器内置有GI^接收器。
[0031 ]核福射谱仪单元为低功耗轻便型核福射谱仪单元:其中，核素识别探测器部件:采 用了蹄锋儒、漠化铜及漠化姉=种核福射探测器作为谱仪单元的探测器件。其中蹄锋儒化 合物半导体材料具有比化I (Tl)闪烁体更高的能量分辨率及更高的探测效率，其能量分辨 率针对（137CS的0.662MeV)可达0.1-3.0%，仅次于高纯错半导体探测器，在同体积下探测 效率相对化I闪烁体为245%，由于探测射线直接在探测器内部电离成电子空穴对，直接电 荷收集，故量子效率远高于化I闪烁体，属于直接型探测器。但由于蹄锋儒材料的空穴载流 子寿命迁移率较低，存在空穴拖尾效应，故大体积时无法保证能量分辨率，故本发明采用共 平栅结构的蹄锋儒探测器，可克服空穴拖尾效应，保证在1立方厘米体积下，能量分辨率可 优于3.0%。本发明还可选配漠化铜、漠化姉等探测器，为了适合飞行式核素识别仪的设计 需要，采用了阵列SiPM器件替代传统的光电倍增管实现对漠化铜、漠化姉闪烁体的光信号 探测。
[0032] 前端读出电路与数字多道脉冲幅度分析器:共平栅式蹄锋儒探测器具有两个收集 电极，故本发明设计差分式电荷灵敏放大器将两个电极的电荷差分收集后输出信号到数字 多道脉冲幅度分析器。数字多道脉冲幅度分析器将差分电荷前放输出信号预放大后由高速 模数转换器离散为数字量，核福射谱仪单元电路集成于FPGA忍片内，并在FPGA忍片内设置 有数字上升时间甄别器。在FPGA忍片内部通过双通道数字梯形成形滤波器成形滤波，快通 道信号作为时基信号，慢通道信号作为幅度信号，数字脉冲幅度可准确估计并扣除数字基 线，并获得脉冲幅度大小。为了克服空穴拖尾效应，上述FPGA内部设计数字上升时间甄别 器，通过离线实验获取上升时间值与快慢通道幅度比值的关系曲线，存入FPGA内部存储器， 在实时运行时则调取该参数值，从而可实现数字上升时间内甄别，从而进一步提高蹄锋儒 探测器的能量分辨率。针对漠化铜与漠化姉探测器本专利采用了 SiPM禪合方式转换光信 号，并采用单通道的电荷灵敏放大器将SiPM的电流脉冲信号放大转换为电压脉冲信号。
[0033] 低压与高压电源：由电池电源转换得到多路不同大小的低压电源提供谱仪单元电 路工作，采用高频开关升压方式获得2500V左右的偏压电源提供蹄锋儒探测器、漠化铜、漠 化姉等核福射探测器所需偏压。
[0034] 微型化激光高度计:选取无人机上常用的迷你轻巧型激光高度计实现精确的高度 测量。为了实现高精度的=维放射性剂量分布图，核素分布图，需要有准确的=维位置信 息，其中X，Y坐标信息可由多旋翼飞行器的内置GPS获得，而GPS的高度信息误差较大，故选 择激光高度计实现高度测量。
[0035] 谱仪数据无线传输单元设计:为了不影响多旋翼飞行器自身的无线通信，采用独 立的低功耗2.4G通信技术实现核福射谱仪单元能谱数据的下发与地面控制中屯、控制命令 的上传。
[0036] 上述多旋翼飞行单元包括飞行组件和外围单元组件;所述飞行组件包含六轴飞行 骨架、无刷电机、电调模块和飞控模块;所述外围单元包含GPS接收机、微型摄像头、五组视 觉超声波避障部件和无线通信部件；
[0037] 所述地面控制单元包括无线接收发送器、多旋翼飞行测控软件模块、核福射谱仪 控制软件模块和核素识别与填图软件模块。
[0038] 无线接收发送器设计：由于多旋翼飞行器与谱仪单元各自采用独立的无线通信， 因此地面控制单元设置有两套独立的无线接收发送器，采用2.4G高速无线数据通信方式， 最高通信距离可达1-2公里，最高通信速度可达54Mbps，实现准实时获取视频图像信息与核 福射能谱仪谱线数据。
[0039] 多旋翼飞行测控软件模块设计：该软件模块实现对多旋翼飞行器的各种远程遥 控，并实现实时获取多旋翼飞行器的=维位置信息、视频图像信息等。
[0040] 核福射谱仪控制软件模块设计:该软件模块实现对空中的核福射谱仪单元实现远 程操控，并实现谱线的实时下载。
[0041] 核素识别与填图软件模块设计:根据国际原子能机构的核素识别标准，在软件模 块内部内置4种核素库，总共30种核素，并根据该国际标准设计完善的核素识别算法，先经 过能谱曲线的预处理(光滑，寻峰)后，实现核素识别。除了核素识别，本发明还需要将识别 核素、探测到的放射性剂量信息与=维坐标信息、将空中谱仪单元下发的谱线数据与=维 坐标信息、地面建筑实物图片整合在一起构成五维图（如图2所示），为核事故应急快速处置 提供可靠有利的技术支持。
[0042] 虽然本实用新型所掲露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本实用 新型而采用的实施方式，并非用W限定本实用新型。任何本实用新型所属技术领域内的技 术人员，在不脱离本实用新型所掲露的精神和范围的前提下，可W在实施的形式上及细节 上作任何的修改与变化，但本实用新型的专利保护范围，仍须W所附的权利要求书所界定 的范围为准。
【主权项】
1. 一种多旋翼飞行式核素探测识别仪，其特征在于，所述识别仪包括：核辐射谱仪单 元、多旋翼飞行单元和地面控制单元;所述地面控制单元通过无线方式连接所述核福射谱 仪单元； 所述核辐射谱仪单元包括核素识别探测器、前端读出电路与数字多道脉冲幅度分析 器、激光高度计及谱仪数据无线传输单元； 所述核素识别探测器为共平栅结构式碲锌镉核辐射探测器;该碲锌镉核辐射探测器具 有两个收集电极，并通过电荷灵敏放大器将两个电极差分信号输出连接至数字多道脉冲幅 度分析器； 所述激光高度计与所述数字多道脉冲幅度分析器相连； 所述多旋翼飞行单元中多旋翼飞行器内置有GPS接收器。2. 如权利要求1所述的多旋翼飞行式核素探测识别仪，其特征在于，所述核辐射谱仪单 元电路集成于FPGA芯片内，并在FPGA芯片内设置有数字上升时间甄别器。
【文档编号】G01T1/38GK205720695SQ201620006325
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年1月5日
【发明人】曾国强, 葛良全, 郎军, 魏世龙, 赖茂林
【申请人】成都理工大学