基于无人机平台的伽玛谱系统设计.pdf
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1、2023.22 科学技术创新基于无人机平台的伽玛谱系统设计徐煜洲,陈雪,雷晨曦,邓伟(中核战略规划研究总院,北京)1无人机选型和系统框架设计1.1无人机选型针对不同的无人机,在飞行过程中存在不少的差异,为了更好地使软件与硬件相辅相成,需要确定采用一种既能够适应大范围飞行,又能兼顾较为优秀的续航和轻便能力的无人机,因此研究中对无人直升机、固定翼无人机、多旋翼飞行器、无人飞艇、太阳能无人机等常见的无人机在构型、载重能力、飞行速度、尺寸重量、续航、飞行高度、飞行距离、轻便能力等方面进行了分析和比对。通过调研比对和分析,本次实验设计采用固定翼无人机。选择的无人机的内部代号为 TC-01,最大有效载荷为
2、 80 kg,电压为直流 28 V,输出功率为 680W,相对地面的最低飞行高度为 75 m,航速为 120km/h180 km/h,测控半径为 20 km(飞行 80 m 高度下),最大航行时间为 6 h,最大航程为 800 km1。1.2无人机系统框架设计无人机的伽马谱探测分析和寻源空中部分主要包括能谱探测模块、地图导航信息模块、云台运动摄像设备、主控模块、数据传输模块、能力补偿模块、多核处理器模块、锂电池组等。系统框架如图 1 所示。根据本次无人机伽马谱探测需求进行设计,无人机空中部分其下侧探测器的体积不小于 4.510-1m3,上测探测器体积不应当小于 5.210-2m3。晶体的分辨率
3、采用峰值的 1/2 处的宽度(FWHM)与最大峰值能量之比的百分数,以137Cs 为参考,应在 0.662 MeV峰时,晶体分辨率应优于 12%,测试系统连续工作 10小时之后,系统分辨率的测评值变化波动在最初测量值的0.5%之内。仪器死时间应不大于 8 s,能谱非线性应不大于 1.5%,能谱仪的标准窗数据稳定,雷达高 度 计 量 范 围 在 0 m600m,气压高度计测量范围在 0m4 600 m,GPS 采 用 航 空型,测量精度为米级及以上,照相、录像设备采用航空型相机,数据收录设备选用带有多通道、数据校准、处理分析等功能的数据自动收录设备和模拟数据收录设备,数字测温作者简介:徐煜洲(1
4、994-),男,硕士研究生,助理工程师,研究方向:电子与通信工程。摘要:随着传统的化石能源的日益紧缺和污染问题的加剧,核能发电受到越来越高度的重视。核能作为一种具有高能效比的清洁能源,需要使用的燃料与火力发电相比少之又少。然而核能的使用也存在着一定的风险,其中不仅包括了核电站的事故,还有放射事故,应对这些事故的发生,航空伽马谱探测是最佳的选择。针对目前日益提升的信息化水平,航空伽马谱探测显然还没有一同进步。本文在此背景下,对无人机系统、伽玛谱探测器、主控系统进行了设计。关键词:伽玛谱;无人机;伽马探测中图分类号院TL81文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2023冤22-0211-04
5、特性 类型 最快速度 飞行距离 飞行高度 续航 主要应用 固定翼无人机 较快 50 km 较高 1 h 测绘、地质、石油、农林等 无人直升机 150 km/h 600 km 高 5 h 应急救援、物资投送、安保消防、森林防火、海事监管、核辐射和化学侦察等 多旋翼无人机 30 km/h 20 km 中 30 min 教育科研领域、航拍领域、军用领域、警用安全领域、农业领域等 无人飞艇 较慢 1 000 km 高 10 h 生态环境、资源勘探、农业作业、城市规划、公共安全、国防事业等领域 太阳能无人机 20 km/h 极长 高 3 个月 自然灾害预警、高空巡视监管、应急抢险救灾、反恐维稳、移动通信
6、等 表 1不同无人机的性能对照211-科学技术创新 2023.22计范围在零下 45 120。无人机地面基站功能包含对机载测量系统所收录的数据进行检查、质量评价、格式转换、复制、校准数据等功能的处理2。2探测器选择对于无人机平台的伽马谱探测和寻源来说,能谱探头是无人机伽马谱探测系统的核心部分,特别是在飞行过程中,收集由地面放射出的辐射能量,并通过物理性能将辐射光子转换成为模拟脉冲信号,从而为计算机模块提供可供处理的信息。本文设计的系统,均以采集和分析该信号为主。由于本研究采用的无人机具有一定较高的行驶速度,为了能够确保无人机平台的伽马谱探测到地面的有效放射源,以 100 km/h 速度的无人机
7、为例,则需要探测器拥有每 1.2 s 采集 1 次的能力。由于采集的时间非常有限,同时还需要采集的信息足够精确,则选择的探测器探头拥有的灵敏度要达到一定水平。无人机伽马谱探测器能够根据收集到的放射性信号,有效地将 K、U、Th 等元素的特征峰进行识别。在本系统中采用闪烁体探测器,其中,闪烁体探测器可以区分为 3 种晶体,分 别是 BGO 晶体、LaBr3(Ce)闪烁体和 NaI(T1)晶体,表 2 对其中的 3 种晶体的性能指标进行了分析。通过分析,并就以下实验需求进行综合考虑:(1)为了能够对较低能量的放射源进行探测,并有效地对其伽马谱全面分析,无人机伽马谱探测分析和寻源的晶体探测器应当具有
8、较高的分辨率;(2)在对伽马谱能量进行探测时,受探测时间的影响和能量的影响之间的线性范围要大;(3)由于飞行的环境较为复杂,其晶体探测器的发光衰减时间应该尽可能的更短,同时还能保证伽马谱能量的转换率不会过低,温度系数也较小;(4)具有较强的防震能力,以防在剧烈飞行过程中产生剧烈的碰撞,导致晶体破损;(5)具有操作简单、维护简单和低成本等特性。综上,在无人机伽马谱探测分析和寻源的伽马谱探测中,选择 NaI(Tl)晶体作为探测器。3主控系统设计3.1主控系统选型无人机平台的伽马谱探测中的主控系统可以采用半数字化能谱主控系统和全数字化能谱主控系统两种设计方案。本次设计采用更为全面的全数字化能谱主控系
9、统,主要考虑到其具备以下优点:一是抗高计数率和脉冲堆积能力较强。因为采用了大尺寸的 NaI 晶体,其脉冲通过率的基础性能并不高,较大体积的能够让脉冲同时到达形成脉冲重叠的概率提高数倍,通过采用活度较大的放射源,能够保障其脉冲通过率甚至高过上述方案;在脉冲通过率 31k 时,全数字化能谱主控系统的能谱采集器在 210kHz 的脉冲通过率下仍能运行。二是能量分辨率相对较高。因为弹道亏损的减小,数字滤波器带来了更好的滤波效果,故谱线的能量分辨率也更好。三是温度稳定性获得了巨大提升。全数字化能谱主控系统的模拟部件关键在于前置放大器,产生谱线的漂移的主要图 1无人机系统框架晶体类型 发光效率 发光衰减时
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