無人機航空伽瑪測量地質(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程中放射性污染與治理關(guān)系到經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。以往礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查主要依靠調(diào)查人員實地踏勘，但是現(xiàn)有的地面輻射監(jiān)測設(shè)備存在只能在有道路、人員可進入條件下實現(xiàn)地面測量，其耗費時間長、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，無法開展測量，且測量效率低、靈敏度不高，不能完全滿足我國地質(zhì)勘查要求的現(xiàn)象[1]。

現(xiàn)今在“地質(zhì)+”的經(jīng)營理念上，延伸提出“無人機+”新思路，結(jié)合自身物探提出無人機航空伽瑪能譜勘查系統(tǒng)應(yīng)用研究，完成無人機航空物探測量系統(tǒng)的實用化。并且與車載伽瑪能譜儀、地面伽瑪能譜儀形成技術(shù)互補，構(gòu)成深地、地表、低空、空中立體式無盲區(qū)的放射性監(jiān)控與勘察[2，3]。完成特定區(qū)域低空、快速掃描測量和專項定點測量任務(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)

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

核輻射測量系統(tǒng)選用碘化鈉（NaI）晶體作為核信號采集單元，減少了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重量，大幅降低無人機平臺費用。還可實現(xiàn)放射性數(shù)據(jù)測量、GPS定位、視屏信息采集以及這些測試結(jié)果的數(shù)據(jù)下傳。

圖1 無人機航空伽瑪能譜測量系統(tǒng)總體框圖

地面控制中心可實現(xiàn)儀器測量自檢、測量控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)實時顯示、核素識別、色差能譜顯示、環(huán)境劑量填圖、劑量超標報警等功能。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)測等提供可靠數(shù)據(jù)支持。

1.2 系統(tǒng)電源設(shè)計

無人機航空伽瑪能譜測量系統(tǒng)空中供電電源采用無人機接口提供，28V直流，系統(tǒng)最大工作功耗為25W左右。為滿足核輻射探測系統(tǒng)、GPS模塊、數(shù)據(jù)傳數(shù)電臺、控制板等供電每個模塊都有單獨的電源通路設(shè)計，電源設(shè)計采用開關(guān)型電源芯片做成模塊，實現(xiàn)28V輸入的電源電壓的降壓調(diào)節(jié)。保證整個系統(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)計框圖如圖2，系統(tǒng)電源板實物如圖3。

圖2 電源系統(tǒng)設(shè)計框

圖3 系統(tǒng)電源板實物

1.3 無人機選型

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

表1 無人機飛行平臺優(yōu)缺點對比

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

圖4 系統(tǒng)實物圖（左）分辨率測試圖（右）

表2 空中與地面U、Th、K含量測試數(shù)據(jù)

2 測試

2.1 儀器測試

經(jīng)過中國測試技術(shù)研究院完成對無人機航空伽瑪能譜測量系統(tǒng)分辨率、探測能量范圍的測試。NaI（Tl）晶體核輻射測量系統(tǒng)分辨率測試：由下圖4可知分辨率是7.40%；碘化鈉合成譜測量的伽瑪射線能量范圍優(yōu)于15keV～3.0MeV。

2.2 現(xiàn)場實地測試

通過無人機航空伽瑪能譜勘查系統(tǒng)在江西某地現(xiàn)場測試（如圖5），將空中測量的U、Th、K含量與地面測試的U、Th、K含量進行對比，測試數(shù)據(jù)記錄在表2中。

圖5 無人機航空伽瑪測量系統(tǒng)現(xiàn)場測試圖

圖6 全譜空地含量變化趨勢

由表2可知三組空地含量數(shù)據(jù)的相對偏差在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，空地測試的含量變化趨勢是基本一致的。能夠很好滿足我國鈾礦地區(qū)地質(zhì)勘查、輻射環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測的要求。

3 總結(jié)

本文采用由無人機飛行平臺和供電與動力系統(tǒng)負責(zé)飛行和供電；核輻射測量系統(tǒng)負責(zé)進行能譜測量；定位系統(tǒng)及地面控制中心負責(zé)傳輸數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)。最終組成該無人機航空伽瑪能譜測量系統(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，與地面的測量結(jié)果相差不大，能夠完全滿足我國鈾礦地區(qū)地質(zhì)勘查、輻射環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測的要求。

針對礦區(qū)地質(zhì)調(diào)查工作方式，采用無人機航空伽瑪測量技術(shù)變得更加高效和便捷，改變過去人工拉網(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)查無法到達的盲區(qū)。

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