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、前端讀出電路與數字多道脈沖幅度分析器、激光高度計及譜儀數據無線傳輸單元；所述核素識別探測器為共平柵結構式碲鋅鎘核輻射探測器；該碲鋅鎘核輻射探測器具有兩個收集電極，并通過電荷靈敏放大器將兩個電極差分信號輸出連接至數字多道脈沖幅度分析器；所述激光高度計與所述數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
技術領域
[0001] 本實用新型設及核素探測識別儀，尤其設及一種多旋翼飛行式核素探測識別儀。
【背景技術】
[0002] 快速移動式核福射測量技術從福射測量載體的不同，可分為固定翼式(直升機)福 射測量、地面車載能譜測量、機器小車福射測量、無人機福射測量、多旋翼無人飛行器測量。
[0003] 1、其中固定翼式(直升機)福射測量通常采用固定翼式飛機或直升飛機搭載大體 積的NaI(Tl)晶體與高分辨率的高純錯作為探測器，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，且無法長時間室溫工作，成本極其高昂（用于核應急測量場合通常需要千萬元 級）。固定翼/直升機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及國內的成都理工大學、河北航測遙感中屯、、中國國±資源航空物探遙感中屯、可提供 相關儀器，因此不滿足今后全國范圍內的核設施日常監(jiān)測運行的需求。
[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 雜環(huán)境下進行福射測量，且在復雜環(huán)境下越野車體積較大，也可能無法進入，當泄露的核福 射存在于設施的頂部，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、國內的西北核技術研究所、中國原子能研究院、成都理工大學有相關產品。
[0005] 3、機器小車測量方式。機器小車雖然體積較小可進入一些復雜環(huán)境，但不能做區(qū) 域的福射測量，比較適合于進入建筑物內部進行測量，續(xù)航時間較短，機械手臂，行走機構 的設計都有極高要求，否則無法應對建筑物內部的復雜環(huán)境，而機器人小車通常只是搭載 簡易的福射劑量測量裝置，較少搭載可實現核素識別的福射測量單元，主要用W放射源的 處置，因此價格低輒屯八十萬，高輒幾百萬，且其維護成本也較高，只能用于單一功能的福 射測量場合。
[0006] 4、無人機福射測量方式。該方式目前美國、日本與中國都有相應的測量系統。無人 機的載重量盡管不如固定翼飛機與直升機，但因可W無人操作，降低了測量的危險性，且可 W工作更長的時間，目前主要用W資源勘查譬如中國地質調查局開發(fā)的彩虹-3無人機航空 測量系統，該系統搭載了航空放射性、電磁、重力等測量裝置，主要是為了彌補固定翼式飛 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施的周圍及上空，即 可實現有針對性的頂點測量，也可W實現區(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構成立體式放射性監(jiān)控， 也可替代機器人進入一些環(huán)境復雜的環(huán)境快速確定核事故的位置與級別。在進行放射源捜 索時，車載能譜儀往往因為體積大，而福射探測器無法脫離車體運動，而存在較多的盲點， 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實現全覆蓋式測量，具有優(yōu)異 的測量效果。主要對比如下：
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【發(fā)明內容】

[0010] 為解決上述技術問題，本實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] 本實用新型的目的通過W下的技術方案來實現：
[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、前端讀出電路與數字多道脈沖幅度分 析器、激光高度計及譜儀數據無線傳輸單元；
[0014] 所述核素識別探測器為共平柵結構式蹄鋒儒核福射探測器;該蹄鋒儒核福射探測 器具有兩個收集電極，并通過電荷靈敏放大器將兩個電極差分信號輸出連接至數字多道脈 沖幅度分析器；
[0015] 所述激光高度計與所述數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置有GI^接收器。
[0017] 與現有技術相比，本實用新型的一個或多個實施例可W具有如下優(yōu)點：
[0018] 1、通過多旋翼飛行器與核素識別儀的結合，構建完備的低空放射性核應急測量體 系。
[0019] 2、解決現有移動式放射性監(jiān)測技術的不足，本課題的成果可與現有的多種放射性 測量方法形成互補，構成立體式無盲區(qū)的放射性監(jiān)測。
[0020] 3、解決目前各種城市、街道、復雜核設施環(huán)境中缺乏有效快速放射性測量方法的 問題。
[0021] 4、解決缺乏核應急低空放射性測量技術手段與儀器裝備的問題。
[0022] 5、解決目前核設施泄露的放射性煙羽測量不準確，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構示意圖；
[0024] 圖2是核素識別與填圖軟件模塊結構示意圖。
【具體實施方式】
[0025] 為使本實用新型的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合實施例及附圖對 本實用新型實施方式作進一步詳細的描述。
[0026] 如圖1所示為多旋翼飛行式核素探測識別儀結構，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、前端讀出電路與數字多道脈沖幅度分 析器、激光高度計及譜儀數據無線傳輸單元；
[0028] 所述核素識別探測器為共平柵結構式蹄鋒儒核福射探測器;該蹄鋒儒核福射探測 器具有兩個收集電極，并通過電荷靈敏放大器將兩個電極差分信號輸出連接至數字多道脈 沖幅度分析器；
[0029] 所述激光高度計與所述數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0.1-3.0%，僅次于高純錯半導體探測器，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部電離成電子空穴對，直接電 荷收集，故量子效率遠高于化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，故大體積時無法保證能量分辨率，故本發(fā)明采用共 平柵結構的蹄鋒儒探測器，可克服空穴拖尾效應，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計 需要，采用了陣列SiPM器件替代傳統的光電倍增管實現對漠化銅、漠化姉閃爍體的光信號 探測。
[0032] 前端讀出電路與數字多道脈沖幅度分析器:共平柵式蹄鋒儒探測器具有兩個收集 電極，故本發(fā)明設計差分式電荷靈敏放大器將兩個電極的電荷差分收集后輸出信號到數字 多道脈沖幅度分析器。數字多道脈沖幅度分析器將差分電荷前放輸出信號預放大后由高速 模數轉換器離散為數字量，核福射譜儀單元電路集成于FPGA忍片內，并在FPGA忍片內設置 有數字上升時間甄別器。在FPGA忍片內部通過雙通道數字梯形成形濾波器成形濾波，快通 道信號作為時基信號，慢通道信號作為幅度信號，數字脈沖幅度可準確估計并扣除數字基 線，并獲得脈沖幅度大小。為了克服空穴拖尾效應，上述FPGA內部設計數字上升時間甄別 器，通過離線實驗獲取上升時間值與快慢通道幅度比值的關系曲線，存入FPGA內部存儲器， 在實時運行時則調取該參數值，從而可實現數字上升時間內甄別，從而進一步提高蹄鋒儒 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換為電壓脈沖信號。
[0033] 低壓與高壓電源：由電池電源轉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:選取無人機上常用的迷你輕巧型激光高度計實現精確的高度 測量。為了實現高精度的=維放射性劑量分布圖，核素分布圖，需要有準確的=維位置信 息，其中X，Y坐標信息可由多旋翼飛行器的內置GPS獲得，而GPS的高度信息誤差較大，故選 擇激光高度計實現高度測量。
[0035] 譜儀數據無線傳輸單元設計:為了不影響多旋翼飛行器自身的無線通信，采用獨 立的低功耗2.4G通信技術實現核福射譜儀單元能譜數據的下發(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、電調模塊和飛控模塊;所述外圍單元包含GPS接收機、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)送器設計：由于多旋翼飛行器與譜儀單元各自采用獨立的無線通信， 因此地面控制單元設置有兩套獨立的無線接收發(fā)送器，采用2.4G高速無線數據通信方式， 最高通信距離可達1-2公里，最高通信速度可達54Mbps，實現準實時獲取視頻圖像信息與核 福射能譜儀譜線數據。
[0039] 多旋翼飛行測控軟件模塊設計：該軟件模塊實現對多旋翼飛行器的各種遠程遙 控，并實現實時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計:該軟件模塊實現對空中的核福射譜儀單元實現遠 程操控，并實現譜線的實時下載。
[0041] 核素識別與填圖軟件模塊設計:根據國際原子能機構的核素識別標準，在軟件模 塊內部內置4種核素庫，總共30種核素，并根據該國際標準設計完善的核素識別算法，先經 過能譜曲線的預處理(光滑，尋峰)后，實現核素識別。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=維坐標信息、將空中譜儀單元下發(fā)的譜線數據與=維 坐標信息、地面建筑實物圖片整合在一起構成五維圖（如圖2所示），為核事故應急快速處置 提供可靠有利的技術支持。
[0042] 雖然本實用新型所掲露的實施方式如上，但所述的內容只是為了便于理解本實用 新型而采用的實施方式，并非用W限定本實用新型。任何本實用新型所屬技術領域內的技 術人員，在不脫離本實用新型所掲露的精神和范圍的前提下，可W在實施的形式上及細節(jié) 上作任何的修改與變化，但本實用新型的專利保護范圍，仍須W所附的權利要求書所界定 的范圍為準。
【主權項】
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、前端讀出電路與數字多道脈沖幅度分析 器、激光高度計及譜儀數據無線傳輸單元； 所述核素識別探測器為共平柵結構式碲鋅鎘核輻射探測器;該碲鋅鎘核輻射探測器具 有兩個收集電極，并通過電荷靈敏放大器將兩個電極差分信號輸出連接至數字多道脈沖幅 度分析器； 所述激光高度計與所述數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置有GPS接收器。2. 如權利要求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，并在FPGA芯片內設置有數字上升時間甄別器。
【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, 葛良全, 郎軍, 魏世龍, 賴茂林
【申請人】成都理工大學