1 测量系统介绍

无人旋翼机机载放射性监测系统由机载平台、逻辑控制单元、辐射测量单元3部分组成。机载平台提供系统动力与电源供应。逻辑控制单元负责控制命令执行与发送、数据处理与传输，主要包括嵌入式ARM控制模块、Compute stick微型处理器、电源转换模块、GPS模块、数据传输模块等。其中ARM模块负责系统逻辑控制与测量数据打包处理，Compute stick微型处理器负责环境放射性测量数处理，电源转换模块负责系统各单元电力分配工作，GPS模块负责实时地理信息获取，数传模块负责系统数据的发送与接收。辐射探测单元包括NaI（T1）伽马谱仪、GM计数管双探测器系统，主要负责环境放射性剂量率与能谱的同时测量。整套监测系统预留有多个通用串行总线接口、RS232串行通信接口、XT30电源接口等，方便后续机载探测系统的进一步升级与完善。图1所示为无人旋翼机机载放射性监测系统整体设计，整机性能参数如表1所示。

图1 无人旋翼机机载放射性监测系统

Fig.1 Unmanned rotorcraft airborne radioactivity monitoring system

2 系统控制模块设计

系统ARM控制模块主要负责系统逻辑控制与测量数据打包处理。控制系统核心部件为LPC控制芯片，具有高性能、低成本、低功耗等特点。通过Cadence硬件设计，实现了系统剂量率数据采集、温度数据获取、系统电压获取、地理信息获取、数传模块等外围电路的设计与制作，逐个实现了不同模块的功能。

2.1 CPU模块硬件设计

系统核心CPU选择NXP公司的LPC系列芯片，该芯片内核基于ARM Cortex-M3处理器，工作频率为72 MHz，内置4 KB的EEPROM，满足嵌入式系统的数据存储需求。控制模块所需实现功能主要为：（1）控制GM管工作状态的切换；（2）实时获取地理位置信息、温度值以及GM管测量数据；（3）发送基于MAESTRO软件SDK的程序指令，从Compute Stick中获取γ能谱测量信息；（4）获取数据的预处理与传输。基于此，设计控制模块系统架构如图2所示。

图2 控制模块系统架构

Fig.2 System architecture of the control module

LPC芯片外围有丰富的I/O接口，通过开关矩阵（Swtich matrix,SWM）模块可以将芯片功能动态分配到任意引脚上，合理的功能引脚分配可以避免逻辑冲突，提高系统运算效率。图3所示为LPC芯片功能引脚分配设计。分配ADC0_10引脚连接GM管信号采集模块，实现脉冲计数的统计；时钟输入（Test clock input,TCK）、数据输入（Test data input,TDI）、数据输出（Test data output,TDO）、模式选择（Test mode selection input,TMS）引脚分别连接JTAG电路四线接口，完成PC机与芯片之间的数据通信与时钟输入，以实现ARM程序的烧写与调试；MCU_RX0接收引脚与MCU_TX0发送引脚分别连接GPS芯片的TXD和RXD端口，以实现GPS数据的获取与发送。

图3 LPC芯片功能引脚分配设计

Fig.3 Design of LPC chip pin allocation

2.2 GM管控制模块硬件设计

系统中GM管负责环境伽马计数的测量，其逻辑控制电路在LPC芯片外围电路设计中极其重要^[13]。GM管信号采集电路将GM管输出电流信号转换成具有一定脉宽与幅值的电压信号，利用9013小功率三极管作为门控电路，通过基极与发射极之间的死区电压设定信号阈值VT，以实现对GM管脉冲信号的监测。

GM计数管读出电路设计如图4所示。硅三极管死区电压为0.6~0.7 V，设定信号阈值VT为0.65 V。三极管基极与发射极并联电阻R₃₇，使得两极间电压差Vbe为零，此时三极管处于截止状态。当GM计数管有信号输出时，基极产生电压信号如图5（a）所示，其值大于信号阈值VT，使得基极与发射极之间的电压差Vbe大于0，三极管导通，此时集电极由高电平转换为低电平，当电压信号消失时，集电极立刻恢复至高电平状态，在此期间，集电极产生一个由高电平到低电平再到高电平的脉冲信号，如图5（b）所示，脉冲信号传输到LPC芯片引脚并由计数器记录，以此实现对核信号的计数。

图4 GM管读出电路原理图

Fig.4 Schematic diagram of GM tube readout circuit

图5 三极管基极脉冲信号和三极管集电极脉冲信号

Fig.5 Triode base pulse signal and triode collector pulse signal

GM计数管的工作电压需设定在坪区内，为保证最佳工作状态，选取工作电压为500 V。系统平台提供12 V直流电源输入，通过MAX641升压型DC/DC转换器完成500 V升压转换电路的设计^[14]。GM管升压电路原理如图6所示。芯片V_out引脚接12 V直流电流输入，V_FB引脚接R₃₈，R₃₉，R₄₀分压电阻构成分压电路，其电压输出满足式

再经过由二极管和高压电容组成的倍压电路，使得GM管正极接线端的电压可以达到500 V。

图6 GM管升压电路原理图

Fig.6 Schematic diagram of GM tube step-up circuit

3 系统探测灵敏度测定

为表征无人旋翼机机载放射性监测系统整体探测性能，定义表示探测器探测远距离放射源能力的物理量：最大探测距离（Maximum detectable distance）。最大探测距离表示在探测器可以探测到放射源的情况下，两者之间存在的最大距离。最大探测距离的大小与放射源的特性（种类、活度等）以及探测器特性（晶体材质、尺寸等）有关。

实验设置如图7所示：放射源置于地表面一点，与放射源到探测器之间的距离相比，源自身尺寸的大小可忽略不计，因此可视为点源。射线从放射源的各个方向均匀出射，在空间形成一个球缺（除去射入地下的部分），其半径设为r。设定a，b，c三点为探测系统测量位置，其中a测量点距放射源距离为L₁，b测量点距放射源距离为L₂，c测量点距放射源距离为L₃。假设只有当测量点与放射源之间的距离L≤r时，放射源才可能被探测到。图中所示只有当探测器处于a和b测量点时，放射源才可能被探测到，c测量点不能探测到放射源信息。

图7 源与探测器的相对位置示意图

Fig.7 Schematic diagram of the relative position of the so-urce and detector

本研究利用MCNP5软件对最大探测距离进行模拟计算，得到不同探测条件下系统最大可探测距离和源活度之间的关系。对Co-60和Cs-137两种源的计算结果进行拟合，得到源活度-最大可探测距离关系曲线，结果如图8所示。

图8 源活度-最大可探测距离关系曲线

Fig.8 Relationship curves between source activity and the maximum detectable distance

4 实验测试

4.1 户外放射源定位分析测试

根据空间中γ辐射场强度与距离的平方反比规律，测量点x,y,z处的辐射强度I(x,y,z)与放射源强度I0存在以下关系

本系统采用的放射源定位算法基于平方反比公式（2），在空间进行多点测量后的探测数据与探测距离应满足

即每个测量点的辐射强度乘以与放射源的距离构成的数组在统计学上标准差为零，经过多次迭代计算，当标准差值达到最小时，即可最终确定放射源所在位置。实际放射源定位实验使用活度为1 mCi实验用标准¹³¹I放射源，放置于水平草地上，如图9所示；探测系统位于地面上方两米处进行采样探测，每个探测点的探测时间设置为10 s。

图9 放射源定位实验

Fig.9 Radioactive source localization experiment

实验区域设定为10 m×10 m，并在该区域上方选取了10个测量点作为计算样本，迭代计算中分别针对测量点数量为6，7，8，9，10个的情况进行寻源计算，即共得到5个定位结果，实验分析结果如图10和表2所示。测量点数量从6到10时，定位误差从1.78 m缩小到0.49 m，最小定位误差为0.42 m。定位误差与场地大小的百分比小于5%，表明定位算法用于无人机机载辐射监测系统时，具有较好的实际定位能力。

图10 实际测试结果示意图

Fig.10 Schematic diagram of the test results in the actual operation

4.2 辐射场剂量率绘图测试

由于无人旋翼机飞行时间有限，无法对目标区域进行精确采样，本系统提出在对目标区域初略采样后采用克里金插值法对离散分布的剂量率点进行差值绘图^[15]。克里金插值算法内置于上位机软件内，通过C#语言对官方数据库文件的重新编译，使其完美结合到上位机软件库中。旋翼机在执行辐射测量任务时，通过数据传输将剂量率和百度地图的经纬度数据传输到上位机软件，上位机利用克里金插值算法对数据进行迭代绘图，如图11所示。本系统能够对150 m×80 m目标区域中两个放射源位置进行很好的区分，并将其热点位置与卫星地图结合，为放射源的搜寻工作提供了大力支持。

图11 无人旋翼机机载放射性监测装置测量辐射热点图

Fig.11 Radiation heat map of unmanned rotorcraft airborne radioactivity monitoring system

5 结 论

本文介绍了一套自主研发用于辐射环境监测的无人旋翼机机载辐射监测系统，从系统构成、模块设计以及系统测试3个方面验证了系统的合理性与科学性。该系统基于小型无人旋翼机的良好机动性，结合核探测、信号处理、GPS定位、无线通信等技术实现了大范围环境放射性实时监测，并通过无线数传模块实现了机载监测系统与地面控制站的数据交互，上位机软件实时获取测量数据并处理后，显示当前测量环境的辐射热点图。此外，本系统采用了GM管和NaI（T1）伽马谱仪两种辐射探测设备，可以同时实现环境剂量率和能谱测量；采用寻源迭代算法对放射源进行精确定位，通过实际放射源定位实验验证了该算法的可行性；采用克里金插值算法进行剂量率绘图，勾勒出放射性环境下的热点区域，对于放射源的搜寻工作以及放射性泄漏排查都具有重要的意义。

通过各项实验测试，该机载监测系统具备真实环境辐射监测能力。对于放射源定位算法以及剂量率绘图算法的优化与完善，将在后续工作中进一步研究与测试。相信随着科学技术的不断发展，更高集成化和高精度的辐射监测系统将集成在小型无人旋翼机上，为环境辐射监测提供更为准确、高效的机载放射性监测技术。

参考文献