基于數(shù)據(jù)融合的航空γ能譜特征峰信息提取技術(shù)研究

花永濤 葛良全 羅耀耀 熊 超

(成都理工大學(xué) 成都 610059)

航空γ能譜測量儀一般采用多條大體積NaI(Tl)閃爍體作為探測器進(jìn)行并行測量，然后將每條晶體同一時刻的譜線數(shù)據(jù)按某種“標(biāo)準(zhǔn)”進(jìn)行合成，從而獲得上視合成譜和下視合成譜[1,2]，通過讀感興趣的幾個窗口數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，獲得相應(yīng)結(jié)果，在地質(zhì)勘查時，一般取K窗、U窗、Th窗的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[2]。

航空γ能譜儀在高空飛行時，采樣周期一般為1 s，其形成的譜線受統(tǒng)計漲落的影響較大，所以，一般將多條探測器獲得的譜線數(shù)據(jù)進(jìn)行合成。在進(jìn)行譜數(shù)據(jù)合成過程中，希望航空能譜儀每一條晶體取得的譜線特性完全相同，才能準(zhǔn)確反映出測量對象的γ射線分布情況。目前，有文獻(xiàn)可查的多路γ能譜合成的方法有計數(shù)率疊加法、特征峰疊加法、能量坐標(biāo)合成法三種，其中殷經(jīng)鵬等[3,4]對前兩種方法進(jìn)行了比較分析，取得了一定成果。本文采用基于數(shù)據(jù)融合的方法對航空γ能譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其擬合度提高，取得了良好的效果。

1 數(shù)據(jù)融合技術(shù)

數(shù)據(jù)融合(data fusion)即通過對多個同質(zhì)或異質(zhì)傳感器獲得的數(shù)據(jù)(其中包括互補(bǔ)信息、冗余信息)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，得到滿意檢測結(jié)果。數(shù)據(jù)融合的過程被定義為：將許多傳感器和信息源進(jìn)行聯(lián)合、相關(guān)、組合和估值的處理[5]，以達(dá)到對目標(biāo)的準(zhǔn)確估計。目前，最廣泛被接受的是3層融合結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)層、特征層、決策層。根據(jù)航空γ能譜的特點[6]，采用了基于特征層融合的方法。

2 算法的推演與實現(xiàn)

2.1 基于最小二乘原理的融合方法

設(shè)n個探測器對某性能參數(shù)的觀測方程為：

式中，x為估計參數(shù)，Y為n維測量向量，e為n維測量噪聲向量，H為已知的n維常向量，最小二乘法估計的準(zhǔn)則是使誤差平方和取極小值。

由于ei和ej(i≠j)相互獨立，故有：

式(4)和式(8)即為基于最小二乘法原理的數(shù)據(jù)融合方法的計算公式。

2.2 測量方差的估計探測

由式(3)可知，各探測器的權(quán)系數(shù)由其測量方差決定。探測器測量數(shù)據(jù)的方差準(zhǔn)確與否直接影響估計的準(zhǔn)確性。一般條件下，測量方差并不是已知的，通常是預(yù)先通過大量的測量結(jié)果進(jìn)行估計。本文采用局部方差作為最小二乘融合方法權(quán)值的粗略分配的依據(jù)，即根據(jù)相鄰幾個狀態(tài)的數(shù)據(jù)對權(quán)值進(jìn)行調(diào)整，獲得實際的權(quán)值[7,8]。首先，設(shè)定一個滑動窗，窗口長度為m、時間為t時，各探測器的算術(shù)平均值為：

第i個探測器在t+1時刻測量方差的估計分配為：

實驗表明，m=5時結(jié)果較滿意。由此，根據(jù)式(10)可以得到系統(tǒng)的權(quán)值。

2.3 軟件框圖

根據(jù)以上公式，按航空γ能譜儀探測器特點，將單條探測器取得的譜線進(jìn)行光滑降噪后，對單條晶體探測器的能譜特征進(jìn)行提取，在航空γ能譜勘察中，提取的是K窗口、U 窗口、Th窗口的數(shù)據(jù)，根據(jù)標(biāo)定后獲得的標(biāo)定系數(shù)得到當(dāng)前的含量，其處理流程如圖1所示。

圖1 航空γ能譜儀譜特征提取Fig.1 Spectra characteristics of airborne gamma-ray spectrometer.

3 實驗與分析

3.1 航空γ能譜儀性能指標(biāo)

經(jīng)初步測試，航空數(shù)字γ能譜測量系統(tǒng)的分辨率256/512/1024可選，自動穩(wěn)譜下譜漂<±0.5道/512道時，±1道/1024道；能量范圍 0.0–10.0 MeV，能量起始閾值20 keV；脈沖計數(shù)通過率>100 k/s，當(dāng)脈沖數(shù)<100 k/s 時，死時間可忽略；單晶體能譜采集器功耗<2.5 W；單晶體能量分辨率優(yōu)于8.0%(對0.661 MeV的γ射線)。

3.2 數(shù)據(jù)分析

利用航空γ能譜儀在河北石家莊大郭村機(jī)場模型站的本底坪、鉀坪、鈾坪、釷坪、混合坪上進(jìn)行康普頓散射系數(shù)標(biāo)定，其中航空γ能譜儀由10條10.16 cm×10.16 cm×40.64 cm大體積NaI(Tl)的γ譜儀探測器組成。其中，2條上視晶體用于監(jiān)測大氣中氡濃度的變化，8條下視晶體主要用于獲取來自地面的射線。在每條探測器一致性特佳條件下，多條晶體的譜合成方式一般采用計數(shù)率疊加法，從而獲得上視合成譜和下視合成譜。計數(shù)率疊加法是假設(shè)不同NaI(Tl)探測器輸出的能譜特征一樣，各峰位對應(yīng)的道址可很好地對應(yīng)，或者只相差幾道(對1024道)，那么可以將兩個或多個能譜數(shù)據(jù)的各道計數(shù)相加得到“合成譜”，此方法要求探測儀器的一致性特別好。

獲得窗口數(shù)據(jù)的方法可分為以下幾種：(1) 多條探測器的原始譜直接疊加得到合成譜，計算窗口面積并得到含量，簡稱為特征峰疊加法；(2) 多條探測器的原始譜疊加得到合成譜，經(jīng)降噪后，計算窗口面積并得到含量，簡稱為光滑后的特征峰疊加法；(3) 提取單條探測器原始譜的窗口數(shù)據(jù)，根據(jù)最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，簡稱為數(shù)據(jù)融合法。

模型站的本底坪、鉀坪、鈾坪、釷坪、混合坪上依次進(jìn)行測定，其中本底坪6 min，鉀坪、鈾坪、釷坪、本底坪各5 min。按照《航空伽瑪能譜規(guī)范》，根據(jù)康普頓散射本底系數(shù)的求取方法，分別計算康普頓散射系數(shù)。由康普頓散射系數(shù)和相應(yīng)的峰面積可獲得含量，并與標(biāo)準(zhǔn)含量對比，圖2為特征峰疊加法和數(shù)據(jù)融合法在混合坪上的標(biāo)準(zhǔn)誤差情況。

圖2 特征峰疊加法和數(shù)據(jù)融合法得到的K含量與參考含量的相對誤差Fig.2 Relative deviation of the potassium content about the characteristic peaks synthesis method and data fusion method.

由圖2，采用特征峰疊加法，其1 s測量計數(shù)率經(jīng)計算后，K含量的相對誤差范圍在[–17%, +17%]內(nèi)；對其獲得的譜線進(jìn)行光滑后，其相對誤差范圍未明顯改善；而采用最小二乘數(shù)據(jù)融合的方法對能譜特征進(jìn)行提取后，單秒測量的含量誤差范圍在[–12%, +12%]內(nèi)，其誤差有所改善。

表1為幾種方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在300 s內(nèi)的平均含量與標(biāo)準(zhǔn)偏差，可以看出：經(jīng)數(shù)據(jù)融合的方法處理后，U和Th的平均值比其他方法更加接近于標(biāo)準(zhǔn)值，其偏差范圍也有所減小，雖然K的平均含量比其他方法獲得的平均含量有所減小，但是其標(biāo)準(zhǔn)偏差有所縮小。

表1 鉀、鈾、釷300 s含量的均值和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差Table 1 Results of the content average and standard deviation in the kernel for potassium, uranium and thorium.

4 結(jié)語

航空γ能譜儀在測量過程中，受探測器本身特性和環(huán)境變化的影響，各探測器的測量結(jié)果可能會發(fā)生變化，為此采用數(shù)據(jù)融合的方法對航空γ能譜儀的特征峰信息特征進(jìn)行了提取研究與實驗驗證。最小二乘原理的航空 γ能譜數(shù)據(jù)融合方法計算簡單，數(shù)據(jù)融合后，含量的誤差范圍有所改善，結(jié)果準(zhǔn)確度也得到提高，但仍有提升空間，可進(jìn)一步研究。該方法可用于車載掃描搜索系統(tǒng)等多探測器的單次測量中，具有良好的應(yīng)用前景。

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