本發(fā)明涉及核安全領(lǐng)域，具體的說是一種放射源智能搜尋器及其工作方法。
背景技術(shù)：
隨著輻射技術(shù)的發(fā)展，放射源的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，覆蓋工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科研的方方面面。各種類型和各種強(qiáng)度的放射源被應(yīng)用到醫(yī)學(xué)診斷、工業(yè)探傷、液位物料測量、集裝箱檢測、輻照育種、食品保鮮等大量領(lǐng)域。隨著各個(gè)行業(yè)使用的放射源的數(shù)量越來越多，雖然核安全的意識理念、放射源使用管理規(guī)章制度也有了很大發(fā)展，但依然因?yàn)楣ぷ魅藛T操作不當(dāng)或企業(yè)監(jiān)管缺失等因素造成各種放射源丟失事件不斷發(fā)生。
放射源一旦發(fā)生丟失，其尋找和回收往往非常困難，由于涉及的可能區(qū)域多，搜索面積大，傳統(tǒng)的放射源搜尋方法使用人員攜帶便攜式劑量率監(jiān)測儀表，對懷疑區(qū)域進(jìn)行地毯式搜索，往往數(shù)小時(shí)、數(shù)天甚至更長時(shí)間都難有進(jìn)展，而丟失的放射源往往活度較強(qiáng)，危險(xiǎn)性大，搜尋時(shí)間越長，其產(chǎn)生的輻射危害越大，因此當(dāng)放射源丟失事件發(fā)生時(shí)，快速高效的找到并回收放射源，減少其暴露時(shí)間，是降低事故后果的重要途徑。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種放射源智能搜尋器，其自帶飛行器、輻射劑量率探測器和放射源位置靈敏探測器，借助智能化搜尋算法可實(shí)現(xiàn)快速高效的自動化的放射源搜尋工作。
本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)措施來實(shí)現(xiàn)的。
一種放射源智能搜尋器，包括飛行器、輻射劑量率探測器、放射源位置靈敏探測器、信號處理分析模塊、遠(yuǎn)程通訊模塊、紅外雷達(dá)、視頻攝像頭、鋰電池組、監(jiān)視控制模塊。
飛行器由4個(gè)螺旋槳、飛行控制模塊、高速電機(jī)配變速齒輪、設(shè)備運(yùn)載臺架組成。飛行控制模塊進(jìn)行飛行模式控制，包括飛行高度、飛行速度和飛行方向；高速電機(jī)通過軸承和齒輪組合連接螺旋槳提供飛行動力，設(shè)備運(yùn)載臺架進(jìn)行其他組件的安裝固定，并安裝了報(bào)警燈。
輻射劑量率探測器包括輻射探測元件、信號前置放大電路和金屬探測器殼體。輻射探測元件采用小體積高靈敏的常溫半導(dǎo)體進(jìn)行環(huán)境γ輻射劑量率實(shí)時(shí)快速測量，采用多層能量補(bǔ)償結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)均一的能量響應(yīng)，多層能量補(bǔ)償結(jié)構(gòu)依次由鉛、錫、鐵、鋁、聚乙烯層疊組成，使用蒙特卡羅模擬軟件結(jié)合輻射能響試驗(yàn)確定每種材料的厚度和開孔率，這種能量補(bǔ)償結(jié)構(gòu)可以解決探測器由于靈敏層薄引起的不同能量γ輻射劑量率響應(yīng)不同的問題，將探測器對不同能量γ輻射劑量率響應(yīng)的偏差控制在20%以內(nèi)；信號前置放大電路進(jìn)行輻射信號的放大處理，并將信號發(fā)送給信號處理分析模塊。金屬探測器殼體包容各個(gè)組件并進(jìn)行電磁屏蔽和環(huán)境防護(hù)。
放射源位置靈敏探測器由探測元件陣列、光電轉(zhuǎn)換器件陣列、多路信號前置放大模塊、準(zhǔn)直器和金屬探測器殼體組成。探測元件陣列采用能譜性能優(yōu)異的LaBr3探測元件陣列，內(nèi)部各個(gè)晶體相互獨(dú)立并配置光隔離涂層；光電轉(zhuǎn)換器件陣列采用小體積、低電壓、高增益的硅光電管陣列和LaBr3探測元件陣列耦合進(jìn)行輻射測量和光電轉(zhuǎn)換，每個(gè)硅光電管和探測元件一一對應(yīng)，多路信號前置放大模塊可同時(shí)放大處理所有硅光電管輸出信號，并將信號發(fā)送給信號處理分析模塊。準(zhǔn)直器采用高屏蔽效能的鎢合金并配置錐形孔進(jìn)行輻射探測區(qū)域定向。金屬探測器殼體包容各個(gè)組件并進(jìn)行電磁屏蔽和環(huán)境防護(hù)。
遠(yuǎn)程通訊模塊使用基于TCP/IP協(xié)議的無線通訊模塊，從信號處理分析模塊讀取通訊數(shù)據(jù)并對外發(fā)送，可快速大數(shù)據(jù)量進(jìn)行測量劑量率、飛行器視野信息、設(shè)備工作參數(shù)的實(shí)時(shí)通訊，并在放射源定位時(shí)實(shí)時(shí)傳輸放射源位置測量二維信息。遠(yuǎn)程通訊模塊也為人工控制飛行器提供通訊接口。
所述紅外雷達(dá)設(shè)置于飛行器上下左右前后共6個(gè)方向上，紅外雷達(dá)實(shí)時(shí)探測飛行器周圍障礙物信息，當(dāng)某一方向的紅外雷達(dá)探測到障礙物（如距離小于1m）時(shí)，將觸發(fā)報(bào)警信息發(fā)送給信號處理分析模塊，飛行控制模塊控制飛行器按照規(guī)避算法繞過障礙物。
所述視頻攝像頭懸掛式安裝于飛行器底部中央位置，視頻攝像頭默認(rèn)拍攝飛行正前方，并支持360度自由旋轉(zhuǎn)、自動調(diào)焦和縮放，在信號處理分析模塊控制下可以自由拍攝各個(gè)方向的視野，并根據(jù)需要調(diào)整視野焦距和圖像縮放。
信號處理分析模塊進(jìn)行設(shè)備內(nèi)部各個(gè)信號的處理分析及控制，包括輻射劑量率探測信號、放射源位置靈敏探測信號（多路）、紅外雷達(dá)和視頻攝像信號、飛行控制信號和遠(yuǎn)程通訊信息。信號處理分析模塊內(nèi)部各個(gè)功能單元按照功能獨(dú)立，模塊化設(shè)計(jì)，分區(qū)布置。
監(jiān)視控制模塊包括無線通訊器、飛行器控制手柄、裝有監(jiān)控軟件的手提電腦。無線通訊器用于接收無線信號并發(fā)送給手提電腦。飛行器控制手柄用于手動控制模式對飛行器飛行進(jìn)行人工控制，其通過連接手提電腦后通過無線通訊器發(fā)送控制指令，手提電腦可實(shí)時(shí)顯示輻射劑量率測量結(jié)果、放射源二維位置圖、攝像頭視頻信號和搜尋器工作參數(shù)數(shù)據(jù)。
鋰電池組給信號處理分析裝置和飛行器模塊提供低壓直流工作電源。
所述信號處理分析模塊分別與視頻攝像頭、紅外雷達(dá)、放射源位置靈敏探測器、輻射劑量率探測器、飛行控制模塊、遠(yuǎn)程通訊模塊連接通訊，遠(yuǎn)程通訊模塊與監(jiān)視控制模塊無線通訊。
本發(fā)明還提供了放射源搜尋的工作方法，包括以下步驟：
（1）通過監(jiān)視控制模塊根據(jù)搜索區(qū)域地形特點(diǎn)設(shè)定飛行高度，設(shè)定搜索參數(shù)：飛行搜索范圍，即長×寬，如500米×500米、最大飛行速度，如2m/s、劑量率閾值，如0.2μGy/h等；
（2）飛行器根據(jù)設(shè)定值開始搜索飛行。首先按照輸入的搜索范圍進(jìn)行遍歷搜索，并實(shí)時(shí)測量飛行路徑上的環(huán)境劑量率水平；
（3）一旦發(fā)現(xiàn)異常環(huán)境劑量率點(diǎn)，則立刻變更搜索模式為劑量率趨向性搜索，找到飛行路徑上的劑量率最大點(diǎn)，并在該點(diǎn)改變飛行路徑，改變路徑后的飛行高度與原先飛行高度一致，飛行方向?yàn)樵蕊w行方向的垂直方向，按照劑量率增大模式逐步飛行前進(jìn)，并找到路徑上的最大劑量率點(diǎn)；
（4）在最大劑量率點(diǎn)處使用位置靈敏探測器進(jìn)行放射源位置二維圖測量，找到放射源準(zhǔn)確位置，并根據(jù)測量能譜確定核素種類，根據(jù)距離地面高度估算放射源大概活度；
（5）找到放射源后飛行器懸停在放射源上方并閃爍報(bào)警燈，直到控制人員切換到人工控制模式進(jìn)行飛行器回收。
本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便，工作高效，自動化程度高，設(shè)備組件都采用模塊化設(shè)計(jì)，易維護(hù)保養(yǎng)，可對丟失的放射源進(jìn)行快速準(zhǔn)確的定位，確保找源工作的高效快捷。其主要創(chuàng)新性有以下幾點(diǎn)：
一是飛行器、輻射劑量率探測器和放射源位置靈敏探測器相互配合的放射源搜尋技術(shù)，搜尋器借助飛行器組件緊貼地面飛行，同時(shí)使用快響應(yīng)的輻射劑量率探測器快速的探測經(jīng)過區(qū)域的輻射劑量率水平，在高劑量率區(qū)域搜尋器懸停并使用放射源位置靈敏探測器進(jìn)行放射源精確定位，并測量放射性能譜，甄別出放射性核素種類。
二是智能化搜尋算法，地毯式搜索和劑量率趨向性搜索相結(jié)合，在環(huán)境劑量率沒有超過設(shè)定閾值的區(qū)域快速進(jìn)行地毯式搜索，一旦發(fā)現(xiàn)劑量率超過設(shè)定閾值的區(qū)域，則降低搜尋速度并變更搜尋方式為劑量率趨向性搜索，降低飛行速度，準(zhǔn)確找出路徑上最大劑量率點(diǎn)，然后沿垂直方向找出新路徑的最大劑量率點(diǎn)為懷疑放射源丟失區(qū)域。
三是自動化飛行技術(shù)，設(shè)備前后左右上下都配置紅外雷達(dá)，飛行過程中保持高度穩(wěn)定，自動進(jìn)行障礙物探測，可繞過障礙物后保持搜尋路徑，并根據(jù)需要調(diào)整飛行速度。
附圖說明
圖1 是本發(fā)明放射源智能搜尋器的結(jié)構(gòu)示意圖。
其中：1．視頻攝像頭，2.紅外雷達(dá)，3．飛行器，4．信號處理分析模塊，5．鋰電池組，6．遠(yuǎn)程通訊模塊，7．監(jiān)視控制模塊，8．放射源位置靈敏探測器，9．輻射劑量率探測器。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
如圖1所示，為本發(fā)明的放射源智能搜尋器典型結(jié)構(gòu)示意圖。
本實(shí)施例中，飛行器3由4個(gè)螺旋槳、飛行控制模塊、高速電機(jī)及設(shè)備運(yùn)載臺架組成，飛行控制模塊進(jìn)行飛行模式控制，包括飛行高度、飛行速度和飛行方向；高速電機(jī)通過軸承和齒輪組合連接螺旋槳提供飛行動力，設(shè)備運(yùn)載臺架用于安裝固定輻射劑量率探測器、放射源位置靈敏探測器、信號處理分析模塊、遠(yuǎn)程通訊模塊、紅外雷達(dá)、視頻攝像頭、鋰電池組，設(shè)備運(yùn)載臺架上安裝報(bào)警燈；飛行器3與信號處理分析模塊4連接通訊，飛行器3將當(dāng)前的搜尋器飛行狀態(tài)信息發(fā)送給信號處理分析模塊4，信號處理分析模塊4向飛行器3發(fā)送飛行控制指令，飛行器3將飛行指令轉(zhuǎn)化為控制參數(shù)對搜尋器飛行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。
本實(shí)施例中，紅外雷達(dá)2與信號處理分析模塊4連接通訊，紅外雷達(dá)2設(shè)置于飛行器的上下左右前后6個(gè)位置，分別探測6個(gè)不同方向的障礙物信息，一旦探測到障礙物距離搜尋器距離小于設(shè)定值，紅外雷達(dá)將發(fā)送報(bào)警信息給信號處理分析模塊4，信號處理分析模塊4根據(jù)該報(bào)警信息控制飛行器3對飛行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。
本實(shí)施例中，視頻攝像頭1在飛行器底部中央位置懸掛式安裝，默認(rèn)拍攝飛行正前方，并支持360度自由旋轉(zhuǎn)、自動調(diào)焦和縮放，視頻攝像頭1與信號處理分析模塊4連接通訊，視頻攝像頭1將拍攝到的搜尋器視野視頻信息發(fā)送給信號處理分析模塊4。
本實(shí)施例中，鋰電池組5與信號處理分析模塊4和飛行器3連接，為其提供低壓直流工作電源。
本實(shí)施例中，輻射劑量率探測器9包括輻射探測元件、信號前置放大電路和金屬探測器殼體，輻射探測元件采用常溫半導(dǎo)體進(jìn)行環(huán)境γ輻射劑量率實(shí)時(shí)測量，采用多層能量補(bǔ)償結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)均一的能量響應(yīng)，多層能量補(bǔ)償結(jié)構(gòu)依次由鉛、錫、鐵、鋁、聚乙烯層疊組成，使用蒙特卡羅模擬軟件結(jié)合輻射能響試驗(yàn)確定每種材料的厚度和開孔率，這種能量補(bǔ)償結(jié)構(gòu)可以解決探測器由于靈敏層薄引起的不同能量γ輻射劑量率響應(yīng)不同的問題，將探測器對不同能量γ輻射劑量率響應(yīng)的偏差控制在20%以內(nèi)，信號前置放大電路進(jìn)行輻射信號的放大處理，并將信號發(fā)送給信號處理分析模塊，金屬探測器殼體進(jìn)行電磁屏蔽和環(huán)境防護(hù)；輻射劑量率探測器9與信號處理分析模塊4連接，輻射劑量率探測器9從信號處理分析模塊4獲得工作用低壓直流電源，并將放大處理后的輻射信號發(fā)送給信號處理分析模塊4進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理，結(jié)合校準(zhǔn)因子和修正系數(shù)轉(zhuǎn)化為輻射劑量率信息。
本實(shí)施例中，放射源位置靈敏探測8包括探測元件陣列、光電轉(zhuǎn)換器件陣列、多路信號前置放大模塊、準(zhǔn)直器和金屬探測器殼體組成，探測元件陣列采用LaBr3探測元件陣列，內(nèi)部各個(gè)晶體相互獨(dú)立并配置光隔離涂層；光電轉(zhuǎn)換器件陣列采用硅光電管陣列和LaBr3探測元件陣列耦合進(jìn)行輻射測量和光電轉(zhuǎn)換，每個(gè)硅光電管和探測元件一一對應(yīng)，多路信號前置放大模塊同時(shí)放大處理所有硅光電管輸出信號，并將信號發(fā)送給信號處理分析模塊，準(zhǔn)直器采用鎢合金并配置錐形孔進(jìn)行輻射探測區(qū)域定向，金屬探測器殼體進(jìn)行電磁屏蔽和環(huán)境防護(hù)；放射源靈敏探測器8和信號處理分析模塊4連接，放射源靈敏探測器8從信號處理分析模塊4獲得低壓直流工作電源，并將測量的多路輻射信號發(fā)送給信號處理分析模塊4，信號處理分析模塊4利用特定二維位置反演算法計(jì)算出二維的放射源位置信息。
本實(shí)施例中，信號處理分析模塊4和遠(yuǎn)程通訊模塊6相連，信號處理分析模塊4為遠(yuǎn)程通訊模塊6提供工作電源，并將輻射劑量率信息、放射源位置測量信息、搜尋器工作狀態(tài)信息等打包發(fā)送給遠(yuǎn)程通訊模塊6。遠(yuǎn)程通訊模塊6將接收的人工指令發(fā)送給信號處理分析模塊4。
本實(shí)施例中，遠(yuǎn)程通訊模塊6和監(jiān)視控制模塊7實(shí)現(xiàn)無線通訊，遠(yuǎn)程通訊模塊6將輻射劑量率信息、放射源位置測量信息、搜尋器工作狀態(tài)信息等打包發(fā)送給監(jiān)視控制模塊7，監(jiān)視控制模塊7將人工控制指令發(fā)送給遠(yuǎn)程通訊模塊6。監(jiān)視控制模塊7包括無線通訊器、飛行器控制手柄、裝有監(jiān)控軟件的手提電腦，無線通訊器用于接收無線信號并發(fā)送給手提電腦；飛行器控制手柄用于手動控制模式對飛行器飛行進(jìn)行人工控制，其通過連接手提電腦后通過無線通訊器發(fā)送控制指令，手提電腦實(shí)時(shí)顯示輻射劑量率測量結(jié)果、放射源二維位置圖、攝像頭視頻信號和搜尋器工作參數(shù)數(shù)據(jù)。
本實(shí)施例放射源搜尋器的工作方法，包括以下步驟：
（1）通過監(jiān)視控制模塊根據(jù)搜索區(qū)域地形特點(diǎn)設(shè)定飛行高度，設(shè)定搜索參數(shù)：飛行搜索范圍，即長×寬，如500米×500米、最大飛行速度，如2m/s、劑量率閾值，如0.2μGy/h等；
（2）飛行器根據(jù)設(shè)定值開始搜索飛行。首先按照輸入的搜索范圍進(jìn)行遍歷搜索，并實(shí)時(shí)測量飛行路徑上的環(huán)境劑量率水平；
（3）一旦發(fā)現(xiàn)異常環(huán)境劑量率點(diǎn)，則立刻變更搜索模式為劑量率趨向性搜索，找到飛行路徑上的劑量率最大點(diǎn)，并在該點(diǎn)改變飛行路徑，改變路徑后的飛行高度與原先飛行高度一致，飛行方向?yàn)樵蕊w行方向的垂直方向，按照劑量率增大模式逐步飛行前進(jìn)，并找到路徑上的最大劑量率點(diǎn)；
（4）在最大劑量率點(diǎn)處使用位置靈敏探測器進(jìn)行放射源位置二維圖測量，找到放射源準(zhǔn)確位置，并根據(jù)測量能譜確定核素種類，根據(jù)距離地面高度估算放射源大概活度；
（5）找到放射源后飛行器懸停在放射源上方并閃爍報(bào)警燈，直到控制人員切換到人工控制模式進(jìn)行飛行器回收。
本說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容，屬于本專業(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。