超低空無人機航空γ 能譜測量在鈾礦異常檢查中的應(yīng)用
——以內(nèi)蒙古阿巴嘎旗為例

管少斌，高國林，唐曉川，胡明考，李江坤

（1.核工業(yè)航測遙感中心，河北 石家莊 050002；2.中核集團(tuán)鈾資源地球物理勘查技術(shù)中心（重點實驗室），河北 石家莊 050002）

航空放射性測量一直在地質(zhì)調(diào)查、物探勘查、環(huán)境調(diào)查及核應(yīng)急等大型放射性測量工程中發(fā)揮著重要作用［1-9］。采用無人直升機平臺開展鈾礦勘查航空γ 能譜測量工作，具有起降方便、場地限制少、操作靈活等優(yōu)點［10］，是航空放射性測量技術(shù)發(fā)展的重要方向。但目前的無人機平臺普遍存在有效載荷小、飛行高度低、航程短、覆蓋范圍小，能夠搭載的探測器數(shù)量有限等短板。與現(xiàn)有大型有人機載航空γ 能譜儀相比，無人機航空γ 能譜測量因其飛行高度限制，無法開展3 000～4 600 m 的高高度校準(zhǔn)，宇宙射線、飛機儀器本底修正系數(shù)的校準(zhǔn)存在困難；無法搭載配有上測探測器的γ 能譜儀，大氣氡修正方法尚不成熟。

針對上述情況，我們研制了一種適用于超低空（<60 m）測量的無人機航空γ 能譜測量技術(shù)，通過校準(zhǔn)技術(shù)開發(fā)和野外應(yīng)用試驗，查明了2 個已知鈾礦異常點的分布范圍，得到了異常區(qū)的鉀、鈾、釷元素含量，為進(jìn)一步開展鈾資源勘查工作提供了重要線索。通過研究工作，證明了利用無人直升機平臺搭載小型航空γ 能譜儀在小覆蓋范圍、大比例尺航空γ 能譜測量工作中的實用性。

1 測量方法

1.1 無人機和儀器

選用賽鷹120H 無人機作為儀器搭載平臺，采用核工業(yè)航測遙感中心自主研制的UGRS-10型無人機航空γ 能譜儀開展研究工作［11］。機載設(shè)備重34 kg，配有1 條4.2 L（4 ″×4 ″×16 ″）的CsI（Na）晶體探測器，有獨立的GPS 及氣壓、溫度和濕度傳感器，可利用GPS 高度數(shù)據(jù)和地形高程數(shù)據(jù)提取離地飛行高度，見圖1。

圖1 無人機航空γ 能譜儀安裝示意圖Fig.1 Schematic Installation diagram of UAV-borne γ spectrometer

1.2 儀器校準(zhǔn)

將宇宙射線、飛機和儀器本底、大氣氡在探測器中產(chǎn)生的計數(shù)率作為綜合本底，在黃壁莊水庫水面上空進(jìn)行綜合本底修正系數(shù)校準(zhǔn)。參照J(rèn)JG（軍工）26-2012《航空γ 能譜儀檢定規(guī)程》，在航空放射性測量模型標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行能窗剝離系數(shù)和地面靈敏度修正系數(shù)的校準(zhǔn)。通過蒙特卡洛模擬計算，得到探測器靈敏度隨飛行高度變化的高度衰減修正系數(shù)。并通過動態(tài)測試帶陸地不同高度測量和地面定值進(jìn)行誤差檢驗［12］。

1.3 應(yīng)用試驗

根據(jù)2020 年《內(nèi)蒙古二連浩特地區(qū)1：5 萬航空物探調(diào)查》項目獲得的有人機航空γ 能譜測量數(shù)據(jù)，在內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟阿巴嘎旗某地開展無人機航空γ 能譜測量應(yīng)用試驗。通過對有人機航空γ 能譜測量數(shù)據(jù)進(jìn)行異常篩選、踏勘檢查，確定對HF-08、HF-09 進(jìn)行無人機航空γ 能譜測量進(jìn)行測線布置和現(xiàn)場測量，同時地面使用便攜式γ 能譜儀進(jìn)行比對測量。

1.3.1 異常選擇

使用無人機航空γ 能譜儀對2020 年度有人機航空物探調(diào)查（1：5 萬）發(fā)現(xiàn)的HF-08、09號異常進(jìn)行檢查，見圖2。有人機航空物探使用了C208BEX 固定翼飛機搭載AGRS-10 航空γ能譜儀，探測器配有14條4 ″×4 ″×16 ″的Na（ITl）晶體探測器，其中下測12 條，上測2 條。測量時，飛機在異常上空的平均飛行高度在93～120 m，飛行速度在204～211 km/h。

圖2 HF-08、HF-09 號異常無人機航空γ 能譜測量范圍Fig.2 Location and area of abnormal HF-08 and HF-09 measured by the UAV-borne γ spectrometry

1.3.2 測線布置

根據(jù)有人機航放測線方向和異常特征，在HF-08、09 號異常上布置測線間距50 m，北東45°的測線。HF-08 布置測線13 條，每條測線長1.5 km；HF-09 布置測線17 條，每條測線長1.6 km。

1.3.3 現(xiàn)場測量

無人機航空γ 能譜測量飛行按照圖3 開展具有工作。準(zhǔn)備好異常區(qū)飛行空域許可、油料、儀器設(shè)備、飛行計劃、飛行保障等工作條件后，前往異常區(qū)選定飛機起降點。儀器安裝調(diào)試正常后，完成能譜儀早測試。無人機起飛后，原地爬升到50 m 以上前往測區(qū)。進(jìn)入測線前，將飛行高度調(diào)整到50 m，飛行姿態(tài)平穩(wěn)后進(jìn)入測線。測線飛行時，飛行速度控制在30 km/h 以內(nèi)。完成測量飛行后，返航著陸，進(jìn)行能譜儀晚測試，檢查儀器工作是否正常，并根據(jù)工作安排開展下一步工作。為保證飛行安全，除起降外，無人機飛行高度不低于30 m。

圖3 無人機航空γ 能譜測量工作流程Fig.3 Workflow of UAV-borne γ spectrometry measurement

1.3.4 地面測量

為了對無人機航空γ能譜測量結(jié)果進(jìn)行評價，使用ARD 便攜式γ 能譜儀對HF-08 異常進(jìn)行了地面同步測量。地面測量布置測線4 條（圖4），其中3 條與無人機航空γ 能譜測量測線重合，1 條垂直，測點間距為50 m，測量過程中發(fā)現(xiàn)異常明顯增高時，將測點間距加密到了25 m。

圖4 HF-08 異常地面測線布置Fig.4 Layout of ground survey lines for abnormal HF-08

1.4 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)無人機航空γ 能譜儀修正參數(shù)和異常區(qū)現(xiàn)場測量結(jié)果，采用圖5 的數(shù)據(jù)修正流程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖5 無人機航空γ 能譜測量數(shù)據(jù)處理流程Fig.5 Workflow of UAV-borne γ spectrometry data process

1.4.1 綜合本底修正

對飛機、儀器、宇宙射線及大氣氡產(chǎn)生的本底計數(shù)率進(jìn)行綜合修正：

式中：ni—無人機航空γ 能譜儀測量地面天然放射性核素時，記錄的第i個能窗原始計數(shù)率，s-1；nb—第i能窗綜合本底修正系數(shù)，s-1；Ni—第i能窗綜合本底修正結(jié)果，s-1。

1.4.2 STP 高度計算

無人機航空γ能譜測量過程中，大氣層密度會受環(huán)境溫度和大氣壓力影響，造成探測器對地面核素的響應(yīng)發(fā)生變化。因此需將飛行離地高度修正到標(biāo)準(zhǔn)溫度和大氣壓高度（STP）上，從而獲得更加準(zhǔn)確的STP 離地高度：

式中：hstp—環(huán)境溫度0 ℃（即273.15 K）、大氣壓力101.325 kPa 狀態(tài)下，探測器的離地高度，m；hobs—實際測量環(huán)境中，探測器的離地高度值，m；T—實際測量環(huán)境中的大氣溫度值，℃；P—測量環(huán)境中的大氣壓力值，kPa。

當(dāng)采用海拔高度表示大氣壓力環(huán)境時，需要進(jìn)行大氣壓力換算：

式中：H—實際測量環(huán)境的海拔高度，m；R—摩爾氣體常量，取8 314.472（m3·kPa）/（mol·K）；T—熱力學(xué)溫度，K；g為重力加速度，通常為9.8 m/s2；M—氣體的摩爾質(zhì)量，干燥空氣的摩爾質(zhì)量為28.963 4 g/mol；P0—標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，取為101.325 kPa；P為所在海拔高度上的氣壓值，kPa。

1.4.3 能窗剝離修正

為消除來自地面U 系、Th 系子體核素及40K 的γ 射線之間的相互干擾，采用能窗剝離法進(jìn)行計算，得到無人機飛行高度上的能窗凈計數(shù)率：

式 中：nk.k、nu.u、nt.t—修正后的K、U、Th凈計數(shù)率，cps；nk、nu1、nt1—本底修正后的能窗計數(shù)率，cps；α、β、γ、a、b、g—能窗剝離系數(shù)；△α（hstp）、△β（hstp）、△γ（hstp）、△a（hstp）、△b（hstp）、△g（hstp）—能窗剝離系數(shù)隨高度的變化函數(shù)，國際原子能機構(gòu)推薦△α（hstp）、△β（hstp）、△γ（hstp）采用線性函數(shù)［13］，即：

△a（hstp）、△b（hstp）、△g（hstp）取0 值。

1.4.4 高度衰減修正

根據(jù)能窗計數(shù)率與測量高度近似于指數(shù)衰減規(guī)律，將凈計數(shù)率歸一到h0高度上時采用公式（6）計算［13-15］：

式中：hstp—測量飛行離地高度換算到STP 狀態(tài)時的高度值，m；n0.i—第i能窗在STP 高度為h0時的凈計數(shù)率，s-1；nh.i—第i能窗在hstp高度上的凈計數(shù)率，s-1；μi—第i能窗的高度衰減系數(shù)，m-1。

1.4.5 靈敏度換算

將歸一化高度h0上的能窗計數(shù)率換算為含量：

式中：Qi—第i種元素的含量，K 含量的單位一般為%，U、Th 為10-6，TC 為Ur；si—第i種元素的探測靈敏度，K 含量的單位一般為s-1/%，U、Th為s-1/10-6，TC 為s-1/Ur。

2 測量結(jié)果

通過無人機航空γ 能譜測量，獲得了HF-08 異常K、U、Th 元素及放射性總量TC 分布，見圖6。其中異常與K、Th 無關(guān)，為純U 異常，TC分布與U 基本一致。

無人機測量結(jié)果與其他方式的測量結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)：

1）無人機航空γ 能譜測量結(jié)果詳細(xì)反應(yīng)了有人機航空物探測量結(jié)果，見圖7。異常形態(tài)、規(guī)模、幅度比有人機測量結(jié)果更加清楚，見表1。這與無人機航空γ 能譜測量相對飛行高度低（平均49.7 m）、速度慢（平均27.6 km/h）、測線間距短（50 m）有關(guān)。

表1 無人機與有人機航空γ 能譜測量異常特征比較Table 1 Abnormal characteristic comparison of UAV-borne and airborne γ spectrometry results

圖7 無人機與有人機航空γ 能譜測量結(jié)果對比Fig.7 Comparison of UAV-borne and airborne γ spectrometry results

2）異常區(qū)，無人機航空γ 能譜測量本底中，TC 在（10～14）Ur，K 在2.1%～3.2%，U 在（0.5～3.5）×10-6，Th 在（5～14）×10-6。與有人機航空γ 能譜測量在該地區(qū)的平均值［16］（TC=11 Ur，K=2%，U=1.6×10-6，Th=7×10-6）基本一致。

3）經(jīng)統(tǒng)計，無人機航空γ 能譜測量與地面γ 能譜測量的平均值相對偏差在-25.5%～26.9%之間，見表2。無人機航空γ 能譜測量與地面γ能譜儀測量結(jié)果基本一致，見圖8。而且無人機航空γ 能譜測量的某些異常細(xì)節(jié)更加細(xì)致，這與無人機實際采樣間距在7.7 m 左右，遠(yuǎn)小于地面的50 m 點距有關(guān)。

圖8 HF-08 異常8040 測線空地測量結(jié)果對比曲線圖Fig.8 Results comparison of line 8040 in HF-08 anomaly by airborne and ground measurement

表2 無人機、有人機航空γ 能譜測量及地面γ 能譜測量結(jié)果統(tǒng)計Table 2 Statistics of UAV-borne,airborne and ground γ spectrometry survey results

4）從項目組到達(dá)工作現(xiàn)場到完成全部測量并著陸，無人機航空γ能譜測量完成測線27.2 km，獲取有效測量數(shù)據(jù)6 746 組，用時4 h 39 min。地面測量完成測線4 條，長2.3 km，有效測量數(shù)據(jù)67組（每組測量時間90 s），用時4 h 44 min。無人機航空γ 能譜測量效率明顯高于地面測量。

3 結(jié)論

通過新開發(fā)的超低空（<60 m）無人機航空γ 能譜測量技術(shù)，在鈾礦異常上成功獲取了無人機航空γ 能譜測量數(shù)據(jù)。利用無人機航空γ能譜儀校準(zhǔn)系數(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實現(xiàn)了對鈾礦異常的檢查，提供了的異常形態(tài)、規(guī)模、幅度等關(guān)鍵信息。通過上述研究，形成初步結(jié)論如下：

1）超低空無人機航空γ 能譜測量與地面測量結(jié)果基本一致，將該技術(shù)應(yīng)用于鈾礦異常檢查可行。

2）超低空無人機航空γ 能譜測量工作效率遠(yuǎn)高于地面便攜式γ 能譜測量，隨著技術(shù)的不斷成熟，有望替代地面便攜式γ 能譜測量在草原、沙漠這種適合無人機進(jìn)行超低空飛行的區(qū)域開展鈾礦異常查證工作。但目前可用于開展航空γ 能譜測量的無人機平臺缺少自動避讓功能，在地面分布有高樓、信號發(fā)射塔、風(fēng)電等高大建筑以及地形復(fù)雜的山區(qū)開展測量飛行還存在安全風(fēng)險，因此尚需無人機平臺的進(jìn)一步發(fā)展。