阅读说明：本技术 一种无人机航空伽马能谱探测和数据处理系统及其处理方法 (A kind of detection of unmanned plane multi-element combination parameters and data processing system and its processing method ) 是由 曾国强 杨小峰 罗明涛 赖茂林 胡传皓 严磊 卿松 余鹏 于 2019-08-05 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种无人机航空伽马能谱探测和数据处理系统,多晶体组合探头依次连接<Sup>241</Sup>Am放射源硬件稳谱装置、能谱控制与处理系统,多晶体组合探头原始能谱传递给<Sup>241</Sup>Am放射源硬件稳谱装置；<Sup>241</Sup>Am放射源硬件稳谱装置转化的能谱数据传递给能谱控制与处理系统；晶体温度监测装置安装在晶体上；多晶体组合探头、晶体温度监测装置、<Sup>241</Sup>Am放射源硬件稳谱装置均与能谱控制与处理系统连接,接受能谱控制与处理系统发出的命令,并返回状态或者数据信息。本发明可以使探测到的数据更为真实、稳定、可靠,且可以实现数据的实时在线分析和离线分析。(The present invention provides a kind of detection of unmanned plane multi-element combination parameters and data processing system, polycrystal coupling probe are sequentially connected 241 Am radioactive source hardware spectrum-stabilizing device, power spectrum control and processing system, the original power spectrum of polycrystal coupling probe pass to 241 Am radioactive source hardware spectrum-stabilizing device； 241 The gamma-spectrometric data of Am radioactive source hardware spectrum-stabilizing device conversion passes to power spectrum control and processing system；Crystal temperature effect monitoring device is mounted on crystal；Polycrystal coupling probe, crystal temperature effect monitoring device, 241 Am radioactive source hardware spectrum-stabilizing device is controlled with power spectrum and is connect with processing system, receives the order that power spectrum control is issued with processing system, and return to state or data information.It is more true, stable, reliable that the present invention can make the data detected, and the on-line analysis and off-line analysis of data may be implemented.)

一种无人机航空伽马能谱探测和数据处理系统及其处理方法

技术领域

本发明属于无人机探测技术领域，具体涉及一种无人机航空伽马能谱探测和数据处理系统及其处理方法。

背景技术

近年来，随着国土资源大调查的启动，航空物探工作在全国大面积开展，工作难度日益加大，直接导致飞行作业的安全风险增加。航空物探行业内已经发生数次飞机坠毁事故，造成相当数量的人员伤亡。另外还发生过多次飞行作业事故险情，虽然没有造成人员伤亡，但飞机及装载的仪器设备也造成了不同程度的损坏，加重了航空作业人员的心理负担。因此发展无人机航空物探技术迫在眉睫。

现有的地面辐射监测设备几乎全部只能在有道路、人员可进入的条件下实现地面测量，在一些复杂环境条件或核设施上空，测量效率低、灵敏度不高，甚至无法开展测量，不能完全满足地质勘查、辐射环境质量监测的要求。

无人机航空伽玛能谱勘查系统能与车载伽玛能谱仪、航空伽玛能谱仪、测井伽玛能谱仪、地面伽玛能谱仪形成技术互补，构成深地、地表、低空、空中立体式无盲区的放射性监控；能够在人员、车辆无法到达且急需关注区域伽玛放射性核素信息情况下快速出动，完成特定区域超低空、快速扫描测量和定点测量任务，提高相关工作效率且保证工作人员辐射安全。

探测器的探测效率和分辨率，以及谱线的稳定情况等都是伽马能谱测量效果的重要衡量条件。一般来说，同种探测器，大体积的晶体探测效率要远高于小体积的晶体。此外，空中不同高度的气温也会发生变化，温度的变化会引起谱线的漂移。由于无人机航空伽玛能谱测量系统受到无人机载重无法承受体积较大的探测器、空中温度变化引起谱漂等问题的限制，往往导致所测量的数据不理想,不能有效地进行数据分析计算等。

可见，如何实现无人机航空伽马能谱测量系统在有限的载重量内和变化不定的温度中获得更理想、更准确、更真实的谱线数据，如何将数据进行有效的分析计算，是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种无人机航空伽马能谱探测和数据处理系统及其处理方法，可以使探测到的数据更为真实、稳定、可靠，且可以实现数据的实时在线分析和离线分析。

具体的技术方案为：

一种无人机航空伽马能谱探测和数据处理系统，该系统主要包括多晶体组合探头、晶体温度监测装置、²⁴¹Am放射源硬件稳谱装置、能谱控制与处理系统；所述的能谱控制与处理系统包括能谱在线处理和离线处理模块；

所述的多晶体组合探头依次连接²⁴¹Am放射源硬件稳谱装置、能谱控制与处理系统，多晶体组合探头原始能谱传递给²⁴¹Am放射源硬件稳谱装置；²⁴¹Am放射源硬件稳谱装置转化的能谱数据传递给能谱控制与处理系统；

晶体温度监测装置安装在晶体上；

多晶体组合探头、晶体温度监测装置、²⁴¹Am放射源硬件稳谱装置均与能谱控制与处理系统连接，接受能谱控制与处理系统发出的命令，并返回状态或者数据信息。

所述的晶体温度监测装置包括传感器，均匀贴在晶体四个侧面，每条晶体共贴8个温度传感器，取8个温度传感器的平均值作为该晶体的温度值，采用单线组网的DS18B20实现温度测量。

所述的多晶体组合探头，包括碘化钠晶体和溴化镧晶体，晶体外设有晶体保温层。

发明提供该系统的无人机航空伽马能谱探测和数据处理方法，包括能谱在线处理方法，所述的能谱在线处理方法包括以下步骤：

(1)将同种晶体测得的谱线合成一条后，对其用多项式最小二乘拟合法进行光滑去噪，用一个n次多项式与W＝2m+1个谱数据点逐次分段进行拟合，从而达到光滑去噪的目的；

(2)用对称零面积法对光滑后的谱线进行寻峰，将面积为零的对称“窗”函数与实验谱数据进行褶积变换，对线性基底的褶积变换将为零，只有存在峰的地方不为零，因此对原始谱数据的对称零面积变换谱反映了峰型的变化，用变换谱的标准偏差为单位找峰，当变换谱与它的标准偏差之比出现正极值，且超过给定找峰阈值时，就认为是峰；

(3)得到谱线的峰位后，即进行核素识别；

(4)在内部调用suffer成图软件将测量数据绘制成等高图和路径图，其中等高度是利用 GPS信息和能谱计数率或含量值绘制成区域等高图，路径图则是利用GPS信息和时间信息绘制飞机飞行路径图。

其中步骤(3)包括以下过程：

核素识别方法为特征峰匹配方法，将寻峰结果与核素库中的特征峰数据进行匹配，计算吻合置信度，舍弃吻合置信度小于0.1的数据，记录剩下的数据的峰位信息和与之匹配的核素库信息，将数据结果与核素库中的核素数据进行匹配，计算置信度，将置信度大小满足已设置的阈值条件的数据保留为核素识别的结果，记录其峰位道址、核素名称、类型及置信度，并计算其特征峰净计数率和活度，若活度值小于系统的最小可探测活度值(MDA)，则认为该核素为误识别核素，将其所有信息从识别结果中剔除，最终留下的核素信息即为核素识别最终的结果；

该无人机航空伽马能谱探测和数据处理方法，还包括离线处理方法，所述的离线处理方法包括以下步骤：

(1)能谱离线处理模式下，对谱线的光滑去噪方式采用统计方法来降低谱线噪声，，利用主成分(PC)类型的分析方法从原始伽马能谱数据集里提取出主要的谱形状(PC's)；

(2)将这些主要谱形状用于重构谱线数据集，重构后的各条谱线都保留了原始信号并不含噪声；若谱线道址为n道，则需要m条谱线(m≥n)组成m×n的矩阵运行NASVD算法；

离线处理模式的其余步骤与在线处理模式相同。

本发明提供的一种无人机航空伽马能谱探测和数据处理系统，具有以下技术优势：

采用探测效率高的碘化钠(NaI)晶体和分辨率高的溴化镧(LaBr₃)晶体组成组合探头实现了无人机在有限的载重量内由多种晶体配合测量，探测到更为理想的能谱数据，避免了在高放射性背景下，只选用碘化钠(NaI)晶体探测，得到的谱线产生堆积的情况；也避免了只选用溴化镧(LaBr₃)晶体，虽然分辨率较高，但探测效率不够，探测到的谱线计数过少的情况。

晶体保温层和晶体温度监测装置，对每条晶体进行保温，实时监测晶体温度并实时将温度反馈到后端的²⁴¹Am放射源硬件稳谱装置和地面站能谱控制与处理软件，能够时刻保证晶体工作在其正常工作的范围内，避免了因对温度的忽略而导致的晶体损坏，同时也可为稳谱提供参考，帮助判断晶体测到的谱线是否发生温漂。

²⁴¹Am放射源硬件稳谱装置，解决了在温度变化不定的情况下谱线发生温漂的问题，避免了传统的伽马能谱测量系统中在谱线发生漂移后只能手动进行稳谱的情况。

能谱控制与处理系统，用于在线测量和处理能谱数据，还用于离线能谱数据处理，即在非测量状态下，导入现有的能谱数据，对批量能谱数据进行离线分析计算，形成了完成的数据测量和处理系统，避免了手动导出数据和人工处理数据中易出现的错误。

说明书附图

图1所示为本发明的总体系统框图；

图2为本发明多晶体组合探头示意图俯视结构示意图；

图3为本发明多晶体组合探头立体示意图；

图4为本发明晶体温度监测装置示意图；

图5为本发明DS18B20单总线网络；

图6为本发明一体化数字能谱仪总体结构；

图7为本发明稳谱流程示意图；

图8为本发明面积比寻峰示意图；

图9为本发明能谱在线处理流程；

图10为本发明成图的等高图

图11为本发明成图的路径图

图12为本发明NASVD方法降噪示意图。

具体实施方式

结合附图说明本发明的具体技术方案。

如图1所示，一种无人机航空伽马能谱探测和数据处理系统，该系统主要包括多晶体组合探头、晶体温度监测装置、²⁴¹Am放射源硬件稳谱装置、能谱控制与处理系统；所述的能谱控制与处理系统包括能谱在线处理和离线处理模块；

所述的多晶体组合探头依次连接²⁴¹Am放射源硬件稳谱装置、能谱控制与处理系统，多晶体组合探头原始能谱传递给²⁴¹Am放射源硬件稳谱装置；²⁴¹Am放射源硬件稳谱装置转化的能谱数据传递给能谱控制与处理系统；

晶体温度监测装置安装在晶体上；

多晶体组合探头、晶体温度监测装置、²⁴¹Am放射源硬件稳谱装置均与能谱控制与处理系统连接，接受能谱控制与处理系统发出的命令，并返回状态或者数据信息。

多晶体组合探头如图2和图3所示，其中包括1条1升碘化钠(NaI)晶体①、1条2升碘化钠(NaI)晶体②)和两个1.5英寸溴化镧(LaBr₃)晶体③，光电倍增管和相关线路-④，以及减震泡沫⑤等，每条探测器输出1路信号，共4路信号。由于大体积的碘化钠(NaI)晶体探测效率高，但分辨率不够好，且在高放射性等的特殊背景下，碘化钠(NaI)晶体测得的谱线容易产生堆积，严重影响测量效果；溴化镧(LaBr₃)晶体分辨率高，谱线不易发生堆积，但由于生长工艺和造价等问题，目前溴化镧(LaBr₃)晶体还无法做到大体积，所以探测效率较低。使探头能同时拥有高探测效率、高分辨率的优势，以及能适应更多测量环境，还考虑了无人机挂载重量限制的情况。

(2)晶体保温层

晶体保温层是采用2mm厚度的保温硅胶垫作为保温和减震材料，共包裹三层在晶体外侧，另外在晶体箱其他空间填满聚氨酯泡沫。由于不同晶体都有其对应的温度范围要求，温度的变化会道址谱线的漂移，甚至损坏晶体；同时，在不同季节和空中不同高度的温度也有所差异。因此，保证在环境温差较大的环境中晶体箱内部温度相对稳定是至关重要的。

(3)晶体温度监测装置

晶体温度监测装置是在晶体每个侧面均匀贴合2个温度传感器，每条晶体共贴8个温度传感器，如图4所示，取8个温度传感器的平均值作为该晶体的温度值，为减小系统的电路尺寸与功耗，选取可单线组网的DS18B20实现温度测量，如图5所示。这样设计的目的是为了全面监测每条晶体的温度，及时将温度信息反馈到后端的稳谱装置，使其可以在谱线发生温漂的情况下及时对谱线进行校正，同时温度信息也会反馈到能谱控制与处理软件，并将其显示出来，方便用户随时观测晶体的状态，如果出现异常情况，可以及时停止测量。

(4)²⁴¹Am放射源硬件稳谱装置

²⁴¹Am放射源硬件稳谱装置由一体化数字能谱仪来实现，其总体框图如图6所示的，通过程控高压给光电倍增管提供偏压，光电倍增管的输出电流经过电荷灵敏前置放大器放大，然后再进行微分处理调节脉宽，最后进入多道模拟前端电路。高速高精度的16bit分辨率ADC 对原始脉冲信号进行快速数字化，ADC输出的数字信号通过1.8V低压LVCMOS通信传入 FPGA中完成数据的拼接、滤波成形、幅度提取等。提取后的幅度信息通过并行口传输至ARM 中成谱和谱线暂存以及自动稳谱，同时ARM也负责整个系统的流程控制和通信命令响应。通信可通过RS232或高速USB2.0完成。

图7所示为稳谱流程示意图，开启稳谱时首先设定谱仪的测量能量范围，谱仪会自动通过这个能量范围计算出参考源²⁴¹Am的59.5keVγ射线的理论峰位，然后在实测谱中寻找并识别出²⁴¹Am的全能峰，计算出²⁴¹Am的全能峰峰位，随后与理论峰位进行比较和判断谱漂程度，如谱漂达到修正阈值则调整能谱仪的软件增益使参考峰峰位稳定，从而使待测能区也稳定。

本发明使用峰面积比的方式进行峰位确定，使用峰面积比寻找峰位可以在谱线发生轻微单侧展宽时就识别到谱漂的发生。具体实现方法如下，首先通过简单比较法寻得Am-241全能峰的大概峰位，在峰区寻得最大值Pmax。Am-241全能峰最顶端可近似为高斯峰，故理论上峰形左右对称。如图8所示，在实际程序设计上截取Am-241全能峰的顶部15％的谱线用作稳谱参考峰，设截取的峰形左边界为CH_L，右边界为CH_R，精确的浮点数峰位为CH_P，总计数为A。则，

其中为浮点数峰位道址向下取整数，为浮点数峰位道址向上取整数，为CH_L道址处的计数。

通过公式(3)可获得峰位的精确道址为：

相对于简单比较法计算峰位，峰面积比确定峰位的方法对峰位变化响应更灵敏，寻找峰位精度更高。通过上述面积比我们已经可以获得精确的参考峰峰位信息，接下来就要对峰位进行校正。峰位校正通过公式(5)进行：

其中G_N为峰位校正后的系统软件增益，CH_SET为设定的Am-241的理论峰位，CH_P为当前实际测得Am-241峰位，G_P为校正前的系统软件增益。每次计算出新的软件增益后则立即更新谱仪的增益，以达到快速自动稳谱的目的。

为了保证参考峰位校正的高灵敏度和高准确度，谱仪采用逐次逼近理论峰位的方法进行峰漂校正。在谱仪内部算法中谱仪始终使用65536道进行稳谱，第一次进入谱漂校正的条件为参考峰位道址处计数大于500，此时判断实测参考峰位与理论值的差值，若相差超过16道则立刻校正，否则继续累积参考峰位计数到1000再判断参考峰位与理论峰位的差值，若大于 8道则立刻校正，否则继续累积到2000再判断峰漂程度，以此类推，直到峰漂小于0.5道时停止校正，并清空Am-241形成的谱线重新开始统计并计算和校正参考峰位。

(5)能谱控制与处理系统

①能谱在线处理功能

能谱在线处理流程如图9所示，将同种晶体测得的谱线合成一条后，对其用多项式最小二乘拟合法进行光滑去噪，该方法的基本思想是用一个n次多项式与W＝2m+1个谱数据点逐次分段进行拟合，从而达到光滑去噪的目的；然后用对称零面积法对光滑后的谱线进行寻峰，其基本思想是将面积为零的对称“窗”函数与实验谱数据进行褶积变换(本系统中采用高斯函数作为“窗”函数)，对线性基底的褶积变换将为零，只有存在峰的地方不为零，因此对原始谱数据的对称零面积变换谱反映了峰型的变化，用变换谱的标准偏差为单位找峰，当变换谱与它的标准偏差之比出现正极值，且超过给定找峰阈值时，就认为是峰。得到谱线的峰位后，即进入核素识别过程，该系统的核素识别方法为特征峰匹配方法，将寻峰结果与核素库中的特征峰数据进行匹配，计算吻合置信度，舍弃吻合置信度小于0.1的数据，记录剩下的数据的峰位信息和与之匹配的核素库信息等，将这些数据结果与核素库中的核素数据进行匹配，计算置信度，将置信度大小满足已设置的阈值条件的数据保留为核素识别的结果，记录其峰位道址、核素名称、类型及置信度，并计算其特征峰净计数率和活度，若活度值小于系统的最小可探测活度值(MDA)，则认为该核素为误识别核素，将其所有信息从识别结果中剔除，最终留下的核素信息即为核素识别最终的结果。天然放射性核素²³⁸U、²³²Th、⁴⁰K的含量计算是利用剥离系数法，核素活度的计算是将探测效率、净计数率等带入公式计算得出。能谱控制与处理软件可以在内部调用suffer成图软件将测量数据绘制成等高图和路径图，其中等高度是利用GPS信息和能谱计数率或含量值绘制成区域等高图，在等高图中可以对测量区域的放射性含量一目了然，如图10所示；路径图则是利用GPS信息和时间信息绘制飞机飞行路径图，在路径图中可以对测量时间内飞机飞过的路径和测量的范围一目了然，如图11所示。

②能谱离线处理功能

能谱离线处理模式下，对谱线的光滑去噪方式不同于在线处理模式，离线模式采用统计方法来降低谱线噪声，即NASVD(Noise Adjusted Singular Value Decomposition)方法，如图12 所示。该方法利用主成分(PC)类型的分析方法从原始伽马能谱数据集里提取出主要的谱形状 (PC's)，然后将这些主要谱形状用于重构谱线数据集，重构后的各条谱线都保留了绝大部分的原始信号而几乎不含噪声。其特点是，若谱线道址为n道，则需要m条谱线(m≥n)组成m×n 的矩阵运行NASVD算法，该方法光滑去噪效果优于最小二乘拟合法，但运算速度较慢，不适于用于在线实时处理谱线。除此之外，离线处理模式的其余步骤，包括寻峰、天然放射性核素238U、232Th、40K的含量计算、核素活度的计算、等高图和路径图的绘制，均与在线处理模式相同，请参见①能谱在线处理功能中所述内容。