無(wú)人機(jī)航空伽瑪測(cè)量地質(zhì)調(diào)查應(yīng)用研究

楊慶華，郭生良，鐘經(jīng)華，余 鵬，羅明濤

（1 江西省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院，江西 南昌 330038；2.成都新核泰科科技有限公司，四川 成都 610051；3.成都理工大學(xué)，四川 成都 610059）

我國(guó)的鈾礦和稀土礦（含伴生放射性）是重要的戰(zhàn)略資源，鈾礦與稀土礦的勘查過(guò)程中放射性污染與治理關(guān)系到經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。以往礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查主要依靠調(diào)查人員實(shí)地踏勘，但是現(xiàn)有的地面輻射監(jiān)測(cè)設(shè)備存在只能在有道路、人員可進(jìn)入條件下實(shí)現(xiàn)地面測(cè)量，其耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、觀察效率低。在一些復(fù)雜環(huán)境條件或核設(shè)施上空等條件下，無(wú)法開(kāi)展測(cè)量，且測(cè)量效率低、靈敏度不高，不能完全滿足我國(guó)地質(zhì)勘查要求的現(xiàn)象[1]。

現(xiàn)今在“地質(zhì)+”的經(jīng)營(yíng)理念上，延伸提出“無(wú)人機(jī)+”新思路，結(jié)合自身物探提出無(wú)人機(jī)航空伽瑪能譜勘查系統(tǒng)應(yīng)用研究，完成無(wú)人機(jī)航空物探測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)用化。并且與車載伽瑪能譜儀、地面伽瑪能譜儀形成技術(shù)互補(bǔ)，構(gòu)成深地、地表、低空、空中立體式無(wú)盲區(qū)的放射性監(jiān)控與勘察[2，3]。完成特定區(qū)域低空、快速掃描測(cè)量和專項(xiàng)定點(diǎn)測(cè)量任務(wù)，提高相關(guān)工作效率且保證工作人員輻射安全[4]。

1 技術(shù)路線圖

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

無(wú)人機(jī)航空伽瑪能譜測(cè)量系統(tǒng)總體框圖組成如圖1，該無(wú)人機(jī)航空伽瑪能譜測(cè)量系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)、供電與動(dòng)力系統(tǒng)、核輻射測(cè)量系統(tǒng)、定位系統(tǒng)及地面控制中心組成。

核輻射測(cè)量系統(tǒng)選用碘化鈉（NaI）晶體作為核信號(hào)采集單元，減少了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重量，大幅降低無(wú)人機(jī)平臺(tái)費(fèi)用。還可實(shí)現(xiàn)放射性數(shù)據(jù)測(cè)量、GPS定位、視屏信息采集以及這些測(cè)試結(jié)果的數(shù)據(jù)下傳。

圖1 無(wú)人機(jī)航空伽瑪能譜測(cè)量系統(tǒng)總體框圖

地面控制中心可實(shí)現(xiàn)儀器測(cè)量自檢、測(cè)量控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、核素識(shí)別、色差能譜顯示、環(huán)境劑量填圖、劑量超標(biāo)報(bào)警等功能。該系統(tǒng)將為尋找放射性礦產(chǎn)及非放射性伴生礦、地質(zhì)填圖及環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)等提供可靠數(shù)據(jù)支持。

1.2 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)航空伽瑪能譜測(cè)量系統(tǒng)空中供電電源采用無(wú)人機(jī)接口提供，28V直流，系統(tǒng)最大工作功耗為25W左右。為滿足核輻射探測(cè)系統(tǒng)、GPS模塊、數(shù)據(jù)傳數(shù)電臺(tái)、控制板等供電每個(gè)模塊都有單獨(dú)的電源通路設(shè)計(jì)，電源設(shè)計(jì)采用開(kāi)關(guān)型電源芯片做成模塊，實(shí)現(xiàn)28V輸入的電源電壓的降壓調(diào)節(jié)。保證整個(gè)系統(tǒng)需要提供400V、12V、9V、5V、3.3V和高壓模塊的電壓供給。電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2，系統(tǒng)電源板實(shí)物如圖3。

圖2 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)框

圖3 系統(tǒng)電源板實(shí)物

1.3 無(wú)人機(jī)選型

無(wú)人機(jī)作為一門新興行業(yè)，一開(kāi)始的僅僅應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，到近幾年快速爆發(fā)的應(yīng)用于民用。所謂無(wú)人機(jī)，即不載人的飛行器。按照技術(shù)來(lái)劃分，無(wú)人飛行器主要可分為無(wú)人固定翼、無(wú)人直升機(jī)、無(wú)人多旋翼飛行器等三大類，并得到廣泛的應(yīng)用[5]。（無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1）。

表1 無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

根據(jù)上述優(yōu)缺點(diǎn)以及實(shí)際情況的需求，本套機(jī)載輻射探測(cè)系統(tǒng)選用燃油無(wú)人直升機(jī)來(lái)搭配大體積NaI（Tl）晶體核輻射測(cè)量系統(tǒng)。燃油無(wú)人直升機(jī)飛行穩(wěn)定性及有效載重有提高，能夠?qū)嵭谐涂诊w行及懸停測(cè)量，更加有助于鈾礦與稀土礦的勘查。

圖4 系統(tǒng)實(shí)物圖（左）分辨率測(cè)試圖（右）

表2 空中與地面U、Th、K含量測(cè)試數(shù)據(jù)

2 測(cè)試

2.1 儀器測(cè)試

經(jīng)過(guò)中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院完成對(duì)無(wú)人機(jī)航空伽瑪能譜測(cè)量系統(tǒng)分辨率、探測(cè)能量范圍的測(cè)試。NaI（Tl）晶體核輻射測(cè)量系統(tǒng)分辨率測(cè)試：由下圖4可知分辨率是7.40%；碘化鈉合成譜測(cè)量的伽瑪射線能量范圍優(yōu)于15keV～3.0MeV。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)試

通過(guò)無(wú)人機(jī)航空伽瑪能譜勘查系統(tǒng)在江西某地現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試（如圖5），將空中測(cè)量的U、Th、K含量與地面測(cè)試的U、Th、K含量進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試數(shù)據(jù)記錄在表2中。

圖5 無(wú)人機(jī)航空伽瑪測(cè)量系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖

圖6 全譜空地含量變化趨勢(shì)

由表2可知三組空地含量數(shù)據(jù)的相對(duì)偏差在20%以內(nèi)，所有數(shù)據(jù)的偏差都在100%以內(nèi)，偏差最大值是21.01%，最小值是2.32%。

由圖6可知，空地測(cè)試的含量變化趨勢(shì)是基本一致的。能夠很好滿足我國(guó)鈾礦地區(qū)地質(zhì)勘查、輻射環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)的要求。

3 總結(jié)

本文采用由無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)和供電與動(dòng)力系統(tǒng)負(fù)責(zé)飛行和供電；核輻射測(cè)量系統(tǒng)負(fù)責(zé)進(jìn)行能譜測(cè)量；定位系統(tǒng)及地面控制中心負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)。最終組成該無(wú)人機(jī)航空伽瑪能譜測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)的分辨率為7.40%，伽瑪射線能量范圍優(yōu)于15keV～3.0MeV，與地面的測(cè)量結(jié)果相差不大，能夠完全滿足我國(guó)鈾礦地區(qū)地質(zhì)勘查、輻射環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)的要求。

針對(duì)礦區(qū)地質(zhì)調(diào)查工作方式，采用無(wú)人機(jī)航空伽瑪測(cè)量技術(shù)變得更加高效和便捷，改變過(guò)去人工拉網(wǎng)式的調(diào)查方式，提高了調(diào)查工作效率，而且能夠覆蓋人工調(diào)查無(wú)法到達(dá)的盲區(qū)。

可實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)周邊地質(zhì)地貌的大范圍快速普查，具有重大意義[6]。