一种应用于小型无人机的放射源定位方法技术

本发明专利技术公开了一种应用于小型无人机的放射源定位方法，属于辐射源探测领域。该方法包括：利用搭载于无人机的探测系统分别探测待探测区域与无辐射区域的辐射信号计数并作比较；将待探测区域离散化为若干等大小的网格单元，并根据计数比较结果的不同情况，基于GEANT4蒙特卡洛方法和泊松分布，计算每个网格单元对应的预期计数和放射源分布概率；在待探测区域进行逐次多点测量，并重复网格计数和分布概率计算过程，进而迭代计算分布概率并进行归一化处理，得到放射源在探测区域内的位置信息，实现放射源的定位。本发明专利技术将小型无人机载探测系统与简单高效的定位算法相结合，可实现较大范围的放射源定位，提高了放射源定位的精度，并缩短了估算的时间。

A Radiation Source Location Method for Small UAV

The invention discloses a method for locating a radiation source applied to a small UAV, belonging to the field of radiation source detection. The method includes: detecting and comparing the radiation signal counts of the unmanned aerial vehicle (UAV) detection system in the undetected area and the non-radiated area respectively; discretizing the undetected area into several large and large grid elements, and calculating the expected counts and radiations of each grid element based on the GEANT4 Monte Carlo method and Poisson distribution according to the different counting results. Source distribution probability; multi-point measurements are carried out successively in the area to be detected, and the calculation process of grid counting and distribution probability is repeated. Then the distribution probability is calculated iteratively and normalized to obtain the location information of the radiation source in the detection area, so as to realize the location of the radiation source. The invention combines a small UAV on-board detection system with a simple and efficient location algorithm, realizes a wide range of radioactive source location, improves the accuracy of radioactive source location, and shortens the estimation time.

【技术实现步骤摘要】
一种应用于小型无人机的放射源定位方法
本专利技术涉及辐射探测领域，具体涉及一种应用于小型无人机的放射源定位方法。技术背景随着核能开发与核技术综合利用的快速发展，涉核设施、涉核行业和人群越来越多，核应急、核退役、核安全与核防护愈显重要；截止目前，全球500余个反应堆中，有120多个运行时间超过30年，有10多个超过40年；同时，我国现约有放射性同位素与辐射技术应用的各类放射源一万余枚，其中，废源约有万枚，“失联孤儿源”约千余枚,由于经济条件限制和核知识的普及等原因，不可能每位公民都配备昂贵的专业核辐射探测仪，而过量的电离辐射对人类会有致命的伤害，因此当放射性核泄漏或放射源丢失，潜在危害不断扩大时，社会公众往往会极度恐慌。在对核事故、核泄漏、核电站等等有危险的环境进行探测时，人员往往不能直接进入现场，而通过驾驶防护车辆进入，并通过加载在车上的探测设备进行现场探测；但是，这种防护措施效果有限，无法保障监测人员的人身安全。此外，在地面搜寻放射源时，由于地形因素，地面的探测车在一些特殊地形无法进行放射源搜寻，从而限制了放射源的搜寻效率，增加了定位难度。鉴于地面搜索存在的问题，人们开发了通过无人机搭载放射源定位系统进行放射源监测的方法，有效保障监测人员的安全；无人机载探测系统具备获取环境图像，收集辐射测量结果能力，可有效的识别出已知活度、种类信息的放射源的位置信息，为放射源搜索团队提供宝贵的数据。但是，由于目前的无人机载荷有限，而搭载的探测设备、硬件装置的重量和体积都较大，导致无人机探测系统的续航能力非常有限；另外，现有的无人机定位算法较为复杂，严重影响到定位系统的效率。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出了一种应用于小型无人机的放射源定位方法。该方法通过搭载于无人机的小型碘化钠辐射探测器探测辐射信号并计数，接着，通过基于泊松分布的迭代算法实现对放射源的定位，实现无人值守或人类无法操作的高强度辐射环境中放射源的准确、快捷定位。本专利技术所采用的技术方案为：一种应用于小型无人机的放射源定位方法，包括如下步骤：一、通过搭载于小型无人机上的小型辐射探测系统，在无辐射区域内、固定的高度H，测量辐射信号的总计数并发送至地面基站，作为本底计数；二、在相同高度H下，测量待探测区域的辐射信号的总计数并发送至地面基站；将测量的总计数与本底计数进行比较；三、将待探测区域离散化为若干大小相同的网格单元，根据步骤二的计数比较结果，计算每个网格单元对应的预期计数和放射源分布概率；四、在同一高度H下，移动小型无人机，在待探测区域内进行逐次多点测量，重复步骤二至四，迭代计算分布概率并进行归一化处理，直至某个网格单元的放射源分布概率大于设置值，则认为放射源存在于该网格单元，实现放射源的定位。进一步地，步骤一中，所述的小型辐射探测系统包括：碘化钠闪烁体、与所述碘化钠闪烁体耦合连接的光电倍增管、与所述光电倍增管连接的嵌入式计算机模块和与所述嵌入式计算机模块连接的远距离WIFI模块；γ射线与所述碘化钠闪烁体发生光电效应、康普顿散射和电子对效应产生电子，该电子被电离激发，并在迁移过程中被碘化钠闪烁体的发光中心俘获，发出位于可见波段的辐致荧光光子；可见辐致荧光光子进入光电倍增管的光阴极，光阴极在高压下向真空中激发出光电子，该光电子按聚焦极电场进入倍增系统，并通过进一步的二次发射得到倍增放大；经过倍增的光电子，达到嵌入式计算机中电子元件所需的电压水平，嵌入式计算机将光电子信号转化成计数信息，并由远距离WIFI模块将计数信息发送至地面基站。进一步地，所述碘化钠闪烁体为球状晶体，以减小无人机探测系统在空中探测过程中由高度引起的方向性误差；所述光电倍增管为阵列式。进一步地，步骤三中，采用GEANT4蒙特卡洛方法，计算各个网格单元存在某种放射源时的预期计数(模拟总计数)；测量到的计数数量是从自变量λ＝I的泊松分布中提取的，其中，I是探测到的总计数数量；因此，从具有λ个总计数的放射源准确测量x个计数的离散概率由以下公式给出设定POISSPDF和POISSCDF，分别代表给定值x和参数λ的概率密度函数PDF和累积分布函数CDF；概率密度函数累积分布函数CDF＝∑f(X＜x，λ)；通过基于泊松分布的概率密度函数PDF以及累积分布函数CDF，实现对各个网格单元存在放射源的可能性评估。进一步地，步骤三中，根据步骤二中测量的总计数与本底计数的比较结果，计算每个网格单元对应的预期计数和放射源分布概率的过程包括以下两种情况：a、若探测总计数高于本底计数，则认为放射源已被检测到；在这种情况下，分别计算放射源在每个网格单元时的预期计数；根据泊松分布规律，此时，放射源在某个网格单元的概率＝POISSPDF(x＝探测到的总计数，λ＝模拟计数)＝(放射源在该网格单元时的模拟计数^测量计数)×exp(-放射源在该网格单元时的模拟计数))/测量计数的阶乘；b、若探测总计数小于或等于本底计数，则假定放射源未被观察到，再次计算每个网格单元的模拟计数；此时，放射源在某个网格单元的概率＝POSSCDF(x＝本底计数，λ＝该网格单元的预期计数)＝∑0本底计数((放射源在该网格单元时的模拟计数^本底计数)×exp(-放射源在该网格单元时的模拟计数))/本底计数的阶乘；进一步地，步骤四中的迭代运算具体为：将每次计算的网格单元中放射源存在的概率进行累乘运算并归一化处理，多次迭代运算直至某个网格单元的放射源存在概率大于90％，则认为放射源存在于该网格位置，实现放射源的定位。本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术的定位算法基于总计数进行放射源的粗略定位，基于蒙特卡洛方法模拟计算得出的计数信息进行概率估算，并通过迭代和归一化处理，实现准确定位；该算法简单，可操作性强，其与无人机载探测器结合，可有效的减小由地形因素以及位置差异引起的探测误差，提高估算精度和探测效率；(2)本专利技术中所使用的探测系统结构简单，适宜于小型无人机载平台搭配，简单廉价，易于推广使用；同时，低的载荷使得无人机探测系统具备较强的续航能力，从而可以实现较大范围的搜索；(3)本专利技术中的探测系统中所采用的球状碘化钠闪烁晶体，可减小探测区域中网格点与无人机载探测器之间由于相对位置差异引起的测量误差。附图说明图1为本专利技术的放射源定位方法示意图；图2为本专利技术中，无人机载辐射探测系统的结构示意图；图3为Geant4蒙特卡洛方法程序模拟计算放射源在每个网格单元时的预期计数的模型示意图；图4为本专利技术中，步骤二至四的流程示意图；图5为本专利技术中，计算单个网格单元放射源存在概率的运算过程示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的详细说明。参照图1和图4，本专利技术的放射源定位方法包括如下步骤：一、通过搭载于小型无人机上的小型辐射探测系统，在无辐射区域内、固定的高度H下，测量辐射信号的总计数并发送至地面基站，作为本底计数；搭载于无人机上的小型辐射探测系统参照图1-3，其包括：球状碘化钠闪烁晶体、与球状碘化钠闪烁晶体耦合连接的阵列式光电倍增管、与阵列式光电倍增管连接的嵌入式计算机模块以及与嵌入式计算机模块连接的WIFI模块；球状碘化钠闪烁晶体将伽马射线转换为可见光光子，阵列式光电倍增管将晶体中闪光的光子放大到适合传统电子元件的电压水平，嵌入式计算机将探测信号转换为计本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应用于小型无人机的放射源定位方法，其特征在于，包括如下步骤：一、通过搭载于小型无人机上的小型辐射探测系统，在无辐射区域、固定的高度H，测量辐射信号的总计数并发送至地面基站，作为本底计数；二、在相同高度H下，测量待探测区域的辐射信号的总计数并发送至地面基站；将所测总计数与本底计数进行比较；三、将待探测区域离散化为若干大小相同的网格单元，根据步骤二的计数比较结果，计算每个网格单元对应的预期计数和放射源分布概率；四、在同一高度H下，移动小型无人机，在待探测区域内进行逐次多点测量，重复步骤二至四，迭代计算分布概率并进行归一化处理，直至某个网格单元的放射源分布概率大于设置值，则认定放射源存在于该网格单元，实现放射源的定位。

【技术特征摘要】
1.一种应用于小型无人机的放射源定位方法，其特征在于，包括如下步骤：一、通过搭载于小型无人机上的小型辐射探测系统，在无辐射区域、固定的高度H，测量辐射信号的总计数并发送至地面基站，作为本底计数；二、在相同高度H下，测量待探测区域的辐射信号的总计数并发送至地面基站；将所测总计数与本底计数进行比较；三、将待探测区域离散化为若干大小相同的网格单元，根据步骤二的计数比较结果，计算每个网格单元对应的预期计数和放射源分布概率；四、在同一高度H下，移动小型无人机，在待探测区域内进行逐次多点测量，重复步骤二至四，迭代计算分布概率并进行归一化处理，直至某个网格单元的放射源分布概率大于设置值，则认定放射源存在于该网格单元，实现放射源的定位。2.根据权利要求1所述的应用于小型无人机的放射源定位方法，其特征在于，步骤一中，所述的小型辐射探测系统包括：碘化钠闪烁体、与所述碘化钠闪烁体耦合连接的光电倍增管、与所述光电倍增管连接的嵌入式计算机模块和与所述嵌入式计算机模块连接的远距离WIFI模块；所述碘化钠闪烁体探测到γ射线并发出辐致荧光光子，该辐致荧光光子进入所述光电倍增管倍增放大，接着，经嵌入式计算机模块转化为计数信号，并由远距离WIFI模块发送至地面基站。3.根据权利要求2所述的应用于小型无人机的放射源定位方法，其特征在于，所述碘化钠闪烁体为球状晶体；所述光电倍增管为阵列式。4.根据权利要求2或3所述的应用于小型无人机的放射源定位方法，其特征在于，步骤三中，采用GEANT4蒙特卡洛方法，计算各个网格单元存在某种放射源时的预期计数(模拟总计数)；测量到的计数数量是从自变量λ＝I的泊松分布中提取的，其中，I是探测到的总计数数量；因此，从具有...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤晓斌，龚频，张起虹，王鹏，朱晓翔，郭潇，周程，王国旗，陶盛辉，蒋若澄，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32