一种用于开放场的放射性物质三维定位方法和系统

本发明属于核辐射探测，具体涉及一种用于开放场的放射性物质三维定位方法和系统。

背景技术：

1、随着核技术的不断发展，各类放射性物质在科研、工业、农业、医学等领域应用愈发广泛，但因管控不当导致放射性物质丢失的情况时有发生，且因人们认知有限，容易引发社会恐慌。在放射性物质丢失后，为了快速、准确的定位放射性物质，需要动用大量的人力物力。应急搜索人员长时间进入未知辐射水平的区域内操作，可能会受到大剂量照射，从而引发放射病。因此一种能够快速远距离实现对放射性物质三维定位方法和系统显得十分必要。

2、放射性物质按其产生的射线类型分为：α源，β源，γ源和中子源，α源，β源由于发射出来是带电粒子，穿透能力较弱，射程短，不能用于远距离测量定位，中子源比较昂贵，应用较少，也不是放射性物质定位研究的重点，而γ源为光子源，其穿透能力强，被广泛的应用于生产生活的各个方面，本专利是针对具有γ放射性物质的定位研究。

3、对放射性物质定位的场景大致可分为室内和开放场，在进行室内核探测和开放场核探测时，需要考虑受影响的因素有所区别。室内核探测需要考虑的影响因素包括：一、混凝土、钢筋、墙壁等建筑材料或设施设备等对放射性物质的屏蔽作用，可能会减少部分探测器接收到的信号强度，但室内的背景辐射水平通常较低；二、室内空间相对封闭，探测器的布置和移动可能受到限制，影响探测覆盖范围和灵活性，但温度和湿度相对稳定，可以忽略温度和湿度对探测设备的影响；三、受混凝土、钢筋、墙壁等建筑材料影响，卫星定位信号弱，探测器自身位置的定位存在困难。开放场核探测需要考虑的受影响因素包括：一、开放场的背景辐射水平较高，特别是有来自宇宙射线和天然本底的干扰；二、气压、温度和湿度等环境因素会影响射线的衰减系数，从而影响探测结果。因此在进行放射性物质三维定位时应该区分室内和开放场的不同情形，本专利重点研究开放场的定位问题。

4、现有技术中对放射性物质定位的方法主要有以下三种，第一种方法是基于探测器计数和位置关系的定位方法，通常是利用单个或多个探测器采集计数和位置信息，通过相应算法比如轮廓映射法、最大似然估计、贝叶斯估计、马尔科夫链蒙特卡罗（mcmc）等，实现放射性物质的定位，但为提高探测效率需要的测量点位多，耗时长，且离放射性物质越近，数据价值越高，但对测量人员的照射量也会越大；第二种方法是基于γ相机的成像定位，其主要是通过γ相机与光学相机的对焦，实现放射性物质定位，但γ相机是基于小孔成像原理制成的，其采集视野小，效率低，为了提高采集效率每更换一次场景都要进行对焦，操作不方便，而且在开放场应用时，需要避免强光，否则会破坏图像的清晰度和色彩饱和度。第三种方法是基于方向探测器的放射性物质定位，可以在一定距离外实现对放射性物质的定位，减少搜源人员受照时间，是一种安全高效的搜源方法，比如准直器、三晶体耦合探测器、四单元nai晶体方向探测器等，具体是通过多个方向探测器的数据采集，经数据处理实现放射性物质的定位，操作比较繁琐，系统误差和人为误差较大，为后续数据处理带了极大的麻烦。

5、为了快速有效的定位放射性物质位置，需要提供一种能用于开放场的放射性物质三维定位方法和系统。

技术实现思路

1、为解决上述背景技术中提出的问题，本发明提供了一种用于开放场的放射性物质三维定位方法和系统，能够通过飞行器携带探测器进行开放场所的放射性物质搜索，再通过探测器自身的位置信息和探测器与放射性物质的相对位置信息、剂量率、环境信息来反演放射性物质在坐标系空间的位置，可以提高开放场核放射性物质的搜索效率和定位精度，为引导快速回收放射性物质提供位置引导信息。

2、为实现上述目的，本发明的第一个方面，提供了一种用于开放场的放射性物质三维定位方法，包括：

3、步骤s1，制定飞行计划，对待搜索开放场区域进行栅格化划分，制定飞行计划，确定飞行器的飞行高度和步进的栅格距离，飞行器携带核探测器依次经飞每个栅格；

4、步骤s2，数据采集，启动探测器和激光测距仪，连续检测开放场的辐射水平，记录所检测到的剂量率、探测点的北斗定位地理坐标，以及飞行器的飞行高度生成五元数组，其中为核探测器在开放场空间的三维坐标数据，单位为，为飞行器的飞行高度，单位为，为核探测器测量的剂量率，丢失放射性物质为点源、线源、面源或体源中的一种；

5、步骤s3，环境信息采集，启动温度传感器、压力传感器和湿度传感器，采集对待搜索开放场区域的温度、压力、和湿度；

6、步骤s4，数据回传，通过核探测器的5g模块，温度传感器、压力传感器和湿度传感器的5g模块，以及5g移动通信技术体制的低轨卫星物联网将采集到数据回传到远程中央数据处理模块；

7、步骤s5，数据过滤和预处理，中央数据处理模块对接收到的数据进行过滤，删除噪声和无效数据，建立环境信息与衰减系数的关系式；

8、步骤s6，反演求解，在放射性物质定位过程中，源与探测装置的距离通常较远，远大于10倍探测装置尺寸，此时放射性物质对探测装置所展开的空间角较小，因此，可近似认为到达探测装置表面的源γ射线为平行束，此时、和，满足：

9、（1）

10、步骤s7，反演求解，同理、和，满足：

11、（2）

12、步骤s8，确定方位角和仰角，探测器a、b、c沿x轴运动，且探测器a的窗口面与xy水平面垂直，与xz垂直面重合时，方位角，仰角；

13、步骤s9，确定放射性物质的在球坐标系中的坐标为，驱动激光测距仪按照反演出的方位角和俯仰角进行偏转，测出放射性物质距离探测器的距离，即放射性物质在球坐标系的坐标为。

14、作为上述技术方案的进一步描述：所述步骤s1确定飞行器的巡飞高度和步进的栅格距离，还包括以下步骤：

15、步骤s101，估算探测器有效探测器距离，使用探测器获取待搜索区域的天然本底平均计数，为确保良好的探测分辨率，探测器在有效探测距离对待搜索放射性物质的计数需至少为天然本底计数的3倍，在不考虑空气对γ射线的衰减前提下，估算探测器有效探测器距离，满足：

16、（3）

17、式中，为探测器的探测效率，为探测器的面积，为放射性物质的活度为搜索区域的天然本底平均计数，飞行器的飞行高度为，其中飞行器的飞行高度小于探测距离；

18、步骤s102，确定探测器在地面上探测区域的有效半径，满足：

19、（4）

20、步骤s103，确定步进栅格距离，满足：

21、（5）

22、作为上述技术方案的进一步描述：所述步骤s2采集的剂量率还包括以下步骤：

23、步骤s201，采集的剂量率包括水平方向上同一位置两个相邻固定夹角探测器a和探测器b的剂量率，探测器a采集到的剂量率为，探测器b采集到的剂量率为，探测器a和探测器b之间的夹角为，探测器a和探测器b水平方向上探测器a与放射性物质的夹角为，探测器b与放射性物质的夹角为；

24、步骤s202，采集的剂量率还包括垂直方向上同一位置两个相邻固定夹角探测器a和探测器c的剂量率，探测器a采集到的剂量率为，探测器c采集到的剂量率为，探测器a和探测器c之间的夹角为，垂直方向上探测器a与放射性物质的夹角为，探测器c与放射性物质的夹角为。

25、作为上述技术方案的进一步描述：所述步骤s5建立环境信息与衰减系数的关系式，还包括以下步骤：

26、步骤s501，建立温度衰减调节系数，温度衰减调节系数满足：

27、（6）

28、其中，是标准温度、压力和湿度下的衰减系数，是温度系数，是实际温度，是标准温度；

29、步骤s502，建立压力衰减调节系数，压力衰减调节系数满足：

30、（7）

31、其中，是标准温度、压力和湿度下的衰减系数，是标准压力是实际温度，是标准温度；

32、步骤s503，建立湿度衰减调节系数，温度衰减调节系数满足：

33、（8）

34、其中，是标准温度、压力和湿度下的衰减系数，是温度系数，是相对湿度；

35、步骤s504，建立环境信息与衰减系数的综合关系式为：

36、（9）

37、作为上述技术方案的进一步描述：所述步骤s6还包括以下步骤：

38、步骤601，确定方程：

39、（10）

40、其中，为相对剂量率；

41、步骤602，输入夹角为的初始猜测值，初始猜测值是选择的开始点，通常选择中一个经验角度值作为初始近似值；

42、步骤603，确定函数，函数可表示为：

43、（11）

44、步骤604，确定导数，导数可表示为：

45、（12）

46、步骤605，迭代计算，通过下式对次的进行迭代计算：

47、（13）

48、其中，为第次迭代的的近似值，是函数在处的值，是函数的导数在处的值；

49、步骤606，收敛判断，设定误差容限，如果，令输出，结束迭代计算，否则返回步骤605。

50、作为上述技术方案的进一步描述：所述步骤s7还包括以下步骤：

51、步骤701，确定方程：

52、（14）

53、其中，为相对剂量率；

54、步骤702，输入夹角为的初始猜测值，初始猜测值是选择的开始点，通常选择中一个经验角度值作为初始近似值；

55、步骤703，确定函数，函数可表示为：

56、（15）

57、步骤704，确定导数，导数可表示为：

58、（16）

59、步骤705，迭代计算，通过下式对次的进行迭代计算：

60、（17）

61、其中，为第次迭代的的近似值，是函数在处的值，是函数的导数在处的值；

62、步骤706，收敛判断，设定误差容限，如果，令输出，结束迭代计算，否则返回步骤705。

63、本发明的第二个方面，一种用于开放场的放射性物质三维定位系统，其特征在于，用于如上所述的开放场的放射性物质三维定位方法，包括：飞行器、探测器模块、激光测距仪、数控角度调整基座、5g移动通信模块、5g移动通信技术体制的低轨卫星物联网、远程中央数据处理模块，其特征在于：

64、所述的探测器模块还包括放射性射线隔离基座、探测器、前置放大器、主放大器、多道分析仪、微控制器模块、北斗卫星定位模块，探测器的数量为，且，探测器设置放射性射线隔离基座的周面中央，每对相邻的探测器之间的安置夹角相等且大于90°，且被放射性射线隔离基座隔开，前置放大器、主放大器、多道分析仪、微控制器模块，安置在放射性射线隔离基座腔内，5g移动通信模块和北斗卫星定位模块安置在放射性射线隔离基座腔外；

65、所述的激光测距仪通过数控角度调整基座安置到放射性射线隔离基座上且在每对探测器之间对称轴中心位置；

66、所述探测器通过前置放大器、主放大器、多道分析仪再电连接至微控制器模块；

67、所述激光测距仪、数控角度调整基座、5g移动通信模块，电连接至微控制器模块；

68、所述微控制器模块通过5g移动通信模块和5g移动通信技术体制的低轨卫星物联网与远程数据处理终端相连。

69、作为上述技术方案的进一步描述：所述放射性射线隔离基座包括底座、腔体和环盖，底座为三个两两相互垂直的正十二棱柱的一部分，且彼此相交的侧面完全重合，水平和竖直方向为十二棱柱侧面相连的7个面，底面圆周为完整的正十二棱柱，每个面为边长为12cm的正方形，底座顶面上设有多个探测器安装孔，探测器安装孔正面为边长10cm的正方形，位于每个正十二棱柱侧面的中央，探测器安装孔沿放射性射线隔离基座球心方向延伸，腔体为嵌在底座内的半径为15cm的球壳。

70、本发明提供了一种用于开放场的放射性物质三维定位方法和系统，用于远程搜索开放场所的放射性物质，通过飞行器携带探测器进行开放场所的放射性物质搜索，再通过探测器自身的位置信息和探测器与放射性物质的相对位置信息、剂量率、环境信息来反演放射性物质在坐标系空间的位置，可以提高开放场核放射性物质的搜索效率和定位精度，为引导快速回收放射性物质提供位置引导信息。