基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的伽瑪譜系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐煜洲，陳 雪，雷晨曦，鄧 偉

（中核戰(zhàn)略規(guī)劃研究總院，北京）

1 無(wú)人機(jī)選型和系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

1.1 無(wú)人機(jī)選型

針對(duì)不同的無(wú)人機(jī)，在飛行過(guò)程中存在不少的差異，為了更好地使軟件與硬件相輔相成，需要確定采用一種既能夠適應(yīng)大范圍飛行，又能兼顧較為優(yōu)秀的續(xù)航和輕便能力的無(wú)人機(jī)，因此研究中對(duì)無(wú)人直升機(jī)、固定翼無(wú)人機(jī)、多旋翼飛行器、無(wú)人飛艇、太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)等常見(jiàn)的無(wú)人機(jī)在構(gòu)型、載重能力、飛行速度、尺寸重量、續(xù)航、飛行高度、飛行距離、輕便能力等方面進(jìn)行了分析和比對(duì)。

通過(guò)調(diào)研比對(duì)和分析，本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用固定翼無(wú)人機(jī)。選擇的無(wú)人機(jī)的內(nèi)部代號(hào)為T(mén)C-01，最大有效載荷為80 kg，電壓為直流28 V，輸出功率為680 W，相對(duì)地面的最低飛行高度為75 m，航速為120 km/h～180 km/h，測(cè)控半徑為20 km（飛行80 m 高度下），最大航行時(shí)間為6 h，最大航程為800 km[1]。

1.2 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

表1 不同無(wú)人機(jī)的性能對(duì)照

無(wú)人機(jī)的伽馬譜探測(cè)分析和尋源空中部分主要包括能譜探測(cè)模塊、地圖導(dǎo)航信息模塊、云臺(tái)運(yùn)動(dòng)攝像設(shè)備、主控模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、能力補(bǔ)償模塊、多核處理器模塊、鋰電池組等。系統(tǒng)框架如圖1 所示。

圖1 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)框架

根據(jù)本次無(wú)人機(jī)伽馬譜探測(cè)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，無(wú)人機(jī)空中部分其下側(cè)探測(cè)器的體積不小于4.5×10-1m3，上測(cè)探測(cè)器體積不應(yīng)當(dāng)小于5.2×10-2m3。晶體的分辨率采用峰值的1/2 處的寬度（FWHM）與最大峰值能量之比的百分?jǐn)?shù)，以137Cs 為參考，應(yīng)在0.662 MeV峰時(shí)，晶體分辨率應(yīng)優(yōu)于12%，測(cè)試系統(tǒng)連續(xù)工作10小時(shí)之后，系統(tǒng)分辨率的測(cè)評(píng)值變化波動(dòng)在最初測(cè)量值的±0.5%之內(nèi)。儀器死時(shí)間應(yīng)不大于8 μs，能譜非線(xiàn)性應(yīng)不大于1.5%，能譜儀的標(biāo)準(zhǔn)窗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，雷達(dá)高度計(jì)量范圍在0 m～600 m，氣壓高度計(jì)測(cè)量范圍在0 m～4 600 m，GPS 采 用 航 空型，測(cè)量精度為米級(jí)及以上，照相、錄像設(shè)備采用航空型相機(jī)，數(shù)據(jù)收錄設(shè)備選用帶有多通道、數(shù)據(jù)校準(zhǔn)、處理分析等功能的數(shù)據(jù)自動(dòng)收錄設(shè)備和模擬數(shù)據(jù)收錄設(shè)備，數(shù)字測(cè)溫計(jì)范圍在零下45 ℃～120 ℃。無(wú)人機(jī)地面基站功能包含對(duì)機(jī)載測(cè)量系統(tǒng)所收錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查、質(zhì)量評(píng)價(jià)、格式轉(zhuǎn)換、復(fù)制、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)等功能的處理[2]。

2 探測(cè)器選擇

對(duì)于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的伽馬譜探測(cè)和尋源來(lái)說(shuō)，能譜探頭是無(wú)人機(jī)伽馬譜探測(cè)系統(tǒng)的核心部分，特別是在飛行過(guò)程中，收集由地面放射出的輻射能量，并通過(guò)物理性能將輻射光子轉(zhuǎn)換成為模擬脈沖信號(hào)，從而為計(jì)算機(jī)模塊提供可供處理的信息。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，均以采集和分析該信號(hào)為主。

由于本研究采用的無(wú)人機(jī)具有一定較高的行駛速度，為了能夠確保無(wú)人機(jī)平臺(tái)的伽馬譜探測(cè)到地面的有效放射源，以100 km/h 速度的無(wú)人機(jī)為例，則需要探測(cè)器擁有每1.2 s 采集1 次的能力。由于采集的時(shí)間非常有限，同時(shí)還需要采集的信息足夠精確，則選擇的探測(cè)器探頭擁有的靈敏度要達(dá)到一定水平。

無(wú)人機(jī)伽馬譜探測(cè)器能夠根據(jù)收集到的放射性信號(hào)，有效地將K、U、Th 等元素的特征峰進(jìn)行識(shí)別。

在本系統(tǒng)中采用閃爍體探測(cè)器，其中，閃爍體探測(cè)器可以區(qū)分為3 種晶體，分別是BGO 晶體、LaBr3（Ce）閃爍體和NaI（T1）晶體，表2 對(duì)其中的3 種晶體的性能指標(biāo)進(jìn)行了分析。

表2 各晶體的性能指標(biāo)

通過(guò)分析，并就以下實(shí)驗(yàn)需求進(jìn)行綜合考慮：

（1） 為了能夠?qū)^低能量的放射源進(jìn)行探測(cè)，并有效地對(duì)其伽馬譜全面分析，無(wú)人機(jī)伽馬譜探測(cè)分析和尋源的晶體探測(cè)器應(yīng)當(dāng)具有較高的分辨率；

（2） 在對(duì)伽馬譜能量進(jìn)行探測(cè)時(shí)，受探測(cè)時(shí)間的影響和能量的影響之間的線(xiàn)性范圍要大；

（3） 由于飛行的環(huán)境較為復(fù)雜，其晶體探測(cè)器的發(fā)光衰減時(shí)間應(yīng)該盡可能的更短，同時(shí)還能保證伽馬譜能量的轉(zhuǎn)換率不會(huì)過(guò)低，溫度系數(shù)也較??；

（4） 具有較強(qiáng)的防震能力，以防在劇烈飛行過(guò)程中產(chǎn)生劇烈的碰撞，導(dǎo)致晶體破損；

（5） 具有操作簡(jiǎn)單、維護(hù)簡(jiǎn)單和低成本等特性。

綜上，在無(wú)人機(jī)伽馬譜探測(cè)分析和尋源的伽馬譜探測(cè)中，選擇NaI（Tl）晶體作為探測(cè)器。

3 主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 主控系統(tǒng)選型

無(wú)人機(jī)平臺(tái)的伽馬譜探測(cè)中的主控系統(tǒng)可以采用半數(shù)字化能譜主控系統(tǒng)和全數(shù)字化能譜主控系統(tǒng)兩種設(shè)計(jì)方案。本次設(shè)計(jì)采用更為全面的全數(shù)字化能譜主控系統(tǒng)，主要考慮到其具備以下優(yōu)點(diǎn)：

一是抗高計(jì)數(shù)率和脈沖堆積能力較強(qiáng)。因?yàn)椴捎昧舜蟪叽绲腘aI 晶體，其脈沖通過(guò)率的基礎(chǔ)性能并不高，較大體積的能夠讓脈沖同時(shí)到達(dá)形成脈沖重疊的概率提高數(shù)倍，通過(guò)采用活度較大的放射源，能夠保障其脈沖通過(guò)率甚至高過(guò)上述方案；在脈沖通過(guò)率31 k 時(shí)，全數(shù)字化能譜主控系統(tǒng)的能譜采集器在210 kHz 的脈沖通過(guò)率下仍能運(yùn)行。二是能量分辨率相對(duì)較高。因?yàn)閺椀捞潛p的減小，數(shù)字濾波器帶來(lái)了更好的濾波效果，故譜線(xiàn)的能量分辨率也更好。三是溫度穩(wěn)定性獲得了巨大提升。全數(shù)字化能譜主控系統(tǒng)的模擬部件關(guān)鍵在于前置放大器，產(chǎn)生譜線(xiàn)的漂移的主要原因就是晶體和前置放大器的溫度系數(shù)。四是屬于松散耦合，故障率大幅降低。全數(shù)字化能譜主控系統(tǒng)中每個(gè)晶體對(duì)應(yīng)的能譜采集器完全相同，交換簡(jiǎn)單，有效提升了故障尋源和修復(fù)的效率。

3.2 主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本次無(wú)人機(jī)伽馬譜探測(cè)分析和尋源的主控系統(tǒng)如圖2 所示。系統(tǒng)使用的NaI（T1）晶體探測(cè)器。能譜采集器都通過(guò)專(zhuān)屬的RS232 接口與安裝于中央控制器上的PCI 轉(zhuǎn)多路串口卡通信，從而實(shí)現(xiàn)中央控制器對(duì)能譜采集器的控制與譜線(xiàn)獲取，中央控制器可通過(guò)巡檢命令檢測(cè)實(shí)際生產(chǎn)時(shí)采用的晶體數(shù)量，方便生產(chǎn)的需要。通過(guò)磁耦合串口隔離電路與DC-DC 隔離變換電源模塊實(shí)現(xiàn)了本系統(tǒng)與無(wú)人機(jī)上電源系統(tǒng)的隔離，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。電源變換電路實(shí)現(xiàn)將單路航空直流電源變換為多路模擬電源、數(shù)字電源等功能。高壓模塊提供光電倍增管工作所需的穩(wěn)定負(fù)高壓，為了提供光電倍增管輸出信號(hào)的信噪比，采用了多級(jí)電子濾波器電路，很好地抑制了高壓電源中的交流噪聲，提高了信噪比。光電倍增管輸出的電流信號(hào)通過(guò)設(shè)計(jì)的電流反饋型前置放大器，送入Y/U 雙通道16 位數(shù)控增益放大電路，通過(guò)兩個(gè)16 位分辨率的DAC 控制高速精密乘法器實(shí)現(xiàn)譜漂的精密調(diào)節(jié)。能譜采集器的核心是由高速ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換器和CPLD 可編程邏輯器件組成的數(shù)字能譜儀。由于采用了高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，因此省略了傳統(tǒng)模擬能譜儀中的峰值采樣保持電路、成形放大器、基線(xiàn)恢復(fù)電路等，并可顯著減小系統(tǒng)的死時(shí)間，避免了模擬能譜儀溫漂的影響，提高了穩(wěn)定性，且由于采用數(shù)字化設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)的靈活性[3]。

圖2 無(wú)人機(jī)伽馬譜探測(cè)分析和尋源主控系統(tǒng)

本次無(wú)人機(jī)伽馬譜探測(cè)系統(tǒng)采用了基于FPGA的數(shù)字化脈沖幅度分析器的設(shè)計(jì)思路，并考慮從最優(yōu)化濾波器理論角度進(jìn)行設(shè)計(jì)。其輸入信號(hào)于噪聲信號(hào)疊加后經(jīng)過(guò)濾波器系統(tǒng)并輸出有用信號(hào)于噪聲信號(hào)的示意如圖3 所示。

圖3 輸入輸出信號(hào)示意

圖3 中Si（ω）為噪聲的譜密度函數(shù)；h（t）為濾波器系統(tǒng)的傳遞函數(shù)；H（ω）為濾波器系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)；vi（t）、vo（t）分別為輸入信號(hào)和輸出信號(hào)；Vi（ω）、Vo（ω）分別為輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的頻率響應(yīng)函數(shù)；Vn2為噪聲均方值。

由圖可知，輸出信號(hào)可表示為：

既定輸出信號(hào)v0（t）的峰值在tm，信噪比的平方可表示為：

將A（ω）=kB*（ω）帶入，信噪比η 取最大值，此時(shí)可得到針對(duì)任意輸入信號(hào)的最佳濾波器輸出信號(hào)頻譜為：

當(dāng)考慮噪聲影響，且噪聲不是白噪聲時(shí)，最佳匹配濾波器的頻率響應(yīng)和信噪比分別為式（5）和式（6）；式中τc為噪聲轉(zhuǎn)角時(shí)間，τc=a/b，Q/cf為Vi（t）的電壓u(t)常數(shù)。

根據(jù)式（6）可推斷，想要提高信噪比，可以采取以下幾種方式：一是選擇低頻噪聲小的器件；二是選擇柵極漏電流小的場(chǎng)效應(yīng)管；三是選用介質(zhì)損耗較低的電容；四是減少冷電容的使用；五是利用探測(cè)器的反向漏電流在低溫下可以降低；六是通過(guò)降低溫度減少熱噪聲。

因此將上述現(xiàn)象作為一個(gè)比較，把其濾波器的信噪比與實(shí)際濾波器的最佳信噪比的比值定義為信噪比劣值系數(shù)F，因此其濾波器的信噪比為

給定實(shí)際濾波器輸出信號(hào)的信噪比為η，其劣質(zhì)系數(shù)為F，F(xiàn)=η∞/η，F(xiàn)＞1，即F 趨近于1 時(shí)，濾波器的效果則越好。給定脈沖寬度tx約束下獲得最佳信噪比，可以得到該濾波器的輸出信號(hào)為

4 總結(jié)

通過(guò)對(duì)各類(lèi)無(wú)人機(jī)的性能進(jìn)行了分析，基于固定翼無(wú)人機(jī)作為設(shè)計(jì)對(duì)象，同時(shí)對(duì)無(wú)人機(jī)探測(cè)器進(jìn)行了對(duì)比分析，以NaI（Tl）晶體探測(cè)器作為探測(cè)器設(shè)計(jì)模塊，對(duì)主控系統(tǒng)的關(guān)鍵電路，脈沖幅度分析器進(jìn)行了信號(hào)推算。