便携式检测仪和方法与流程

本发明涉及一种便携式检测仪和一种用于测量辐射的方法。更特别地，本发明的实施例涉及一种用于在诸如核设施的区域内收集空间上配准的辐射测量结果的自主便携式检测仪。

背景技术：

当运行或停止使用包含放射性物质的设施时，时常需要了解活性的分布，这样可以确定该设施对环境或任何进入该环境的人的影响。经常的情况是还需要确定这种设施的物理特性。用于确定该信息的传统方法典型地包括庞大装备并且依赖于围绕设施的各种位置处的诸如标记或固定参考点的外部参考。这在潜在受污染的环境中经常是不允许的或不实用的。

在记录位置和测量结果的同时，可执行设施的放射性检测。在稍后的时间点，可希望重复检测以确定辐射的分布如何变化。放射性测量对执行放射性测量所处的位置敏感。因此重要的是，在重复检测中做出的测量是从与先前检测相同的位置执行的。

技术实现要素：

本发明旨在通过提供一种方法来解决这个问题，该方法以独立于正在被检测的设施的方式收集空间数据和放射性数据，并且可以在不依赖于任何外部输入或参考的情况下被采用。

因此，本发明的一方面提供了一种用于测量辐射的便携式检测仪，该便携式检测仪包括：

辐射探测器，该辐射探测器被配置成执行辐射的测量；

范围传感器，该范围传感器被配置成在至少两个维度上测量从便携式检测仪到现实世界结构的距离的范围数据；以及

处理单元，该处理单元被配置成将所测量的范围数据与参考范围数据对准(align)，以便确定便携式检测仪相对于作为固定参考系的现实世界结构在至少两个维度中的瞬时位置，由此在已知的位置处执行每个测量。

本发明的另一方面提供了一种用于测量辐射的方法，该方法包括：

使用便携式检测仪执行辐射的测量；

在至少两个维度上测量从便携式检测仪到现实世界结构的距离的范围数据；以及

将测量的范围数据与参考范围数据对准，以便确定便携式检测仪相对于作为固定参考系的现实世界结构在至少两个维度中的瞬时位置，由此在已知的位置处执行每个测量。

从属权利要求中限定了本发明的其他可选的方面。

本发明的实施例使得与传统的辐射检测所允许的相比能够在检测中更准确地记录放射性测量的空间位置。本发明的实施例期望提高重复检测的准确性。

附图说明

现将参照附图仅以示例的方式描述本发明的实施例，在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明的实施例的便携式检测仪；和

图2示意性地示出了根据本发明的实施例的便携式检测仪的lidar的扫描平面。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据本发明的实施例的便携式检测仪。可选地，该便携式检测仪用于测量辐射。可选地，该便携式检测仪用于检查放射性污染。替代地，该便携式检测仪可用于在嘈杂工业工作场所周围进行可重复的噪声等级检测(即测量声音强度)。

便携式检测仪可用在用于收集空间上配准的放射性测量结果的方法中。可选地，该便携式检测仪包括辐射探测器7。替代地，该便携式检测仪可包括噪声探测器，该噪声探测器被配置成执行声音强度的噪声测量。

可选地，辐射探测器7被配置成执行电离辐射的测量(即放射性测量)。辐射探测器7是一种测量电离辐射等级的装置。另外地或替代地，辐射探测器7被配置成执行非电离辐射的测量。

可选地，便携式检测仪包括范围传感器1、2。范围传感器1、2被配置成在至少两个维度上测量从便携式检测仪到现实世界结构的距离的范围数据。范围数据由算法解释，以确定该便携式检测仪相对于作为固定参考系的现实世界结构在至少两个维度中的瞬时位置。范围传感器与运行算法的软件结合，以确定该便携式检测仪相对于现实世界结构的位置。因此，每个放射性测量在已知的位置处被执行。

与软件结合的范围传感器1、2是一种确定便携式检测仪(也可称为探测器)相对于便携式检测仪周围的现实世界结构在至少两个维度中的瞬时位置的装置。

每个范围传感器1、2被配置成测量从便携式检测仪到诸如墙体的现实世界物体的距离(即范围)。范围传感器1、2被配置成测量关于便携式检测仪在不同方向上距离现实世界结构有多远的时变范围数据。特别地，第一范围传感器1被配置成在xy平面中测量到现实世界物体的范围。然后，范围数据用于确定便携式检测仪相对于现实世界物体的位置。这可通过将范围数据与关于现实世界结构的已知信息对准来完成。

例如，范围数据可提供关于从便携式检测仪到房间的一系列点的距离的信息。然后，可通过将范围数据与房间的地图对准来确定便携式检测仪的位置。房间的地图是关于现实世界结构的布局的已知信息的示例。因此，测量的范围数据被解释成提供相对于现实世界结构的位置信息。该解释由运行算法的软件执行，该算法被配置成通过将范围数据与参考范围数据(例如地图)对准来推断出便携式检测仪的运动。

通过将测量的范围数据与参考范围数据(例如现实世界结构的地图)对准，可确定便携式测量仪相对于作为固定参考系的现实世界结构的位置。这不同于探测位置的其他装置，诸如gps、无线电信标方法和qr码读取器。gps、无线电信标方法和qr码读取器依赖于测量到在坐标系中具有已知位置的卫星、信标或qr码的距离。读取器的位置可以通过测量到多个卫星、信标或qr码的距离并求解方程式来确定，从而确定读取器在该坐标系中的位置。这些方法不涉及将测得的到卫星、信标或qr码的距离与参考范围数据对准。

本发明不需要为了位置确定的目的而对任何现实世界物体进行安装。特别地，本发明不需要任何卫星、信标或qr码。现实世界结构不是卫星、信标或qr码。相反，范围传感器1、2测量到恰好出现在那里的物体的范围。不需要知道物体在另一坐标系中的位置。测量的范围数据与参考范围数据对准，使得现实世界结构自身成为固定参考系。

范围数据的对准可通过能够计算当前范围数据与参考范围数据中的一个或多个示例之间的转换的任何算法来实现。在本申请中，为了使辐射测量设备的物理空间和功率需求保持较低，优选的是将这种算法设计成使计算需求保持到最小。描述一种尤其适合于对准水平平面范围数据的算法：

1)水平平面范围数据(当前的或参考的)的每个示例都是基于数据的内在特性而不是通过与参考数据比较来“旋转归一化的”。这将对准问题空间的维度从三个维度(x、y、θ)降低到两个维度(x、y)。在人造环境中的内在取向(intrinsicorientation)的良好测量是施加候选旋转、计算范围数据的x值和y值的一维直方图h、然后计算该直方图的熵(近似为h乘以h的自然对数的和)。内在取向是使熵得分最小化的取向。注意，仅需要在90度的取向范围内搜索，因为取向的这种测量对于90度的旋转是不变的。

2)然后，可以通过比较当前范围数据和参考范围数据的x直方图和y直方图将二维搜索降低成两个一维搜索。为了将当前数据的x轴线与参考扫描对准，搜索关于xo的f(rx(x)，cx(x+xo))的最大值就足够了，其中，f是相似性测量函数，当直方图对准时，该相似性测量函数的输出最大化，rx(x)是参考数据的x值的直方图，cx(x)是当前数据的直方图，并且xo是参考数据和当前数据之间的x偏移量的候选值。f可以是直方图或概率分布之间相似性的任何测量；最简单的方法是两个输入直方图的点积。因为该方法在计算方面廉价，所以通常可以通过穷举搜索使f(rx(i)，cx(i+xo))最大化。注意，由于关于90度旋转的取向归一化步骤的对称性，将cx(i)与rx(i)进行比较和将cy(i)与ry(i)进行比较是不够的，因为在参考数据和当前数据之间可能存在90度的倍数的取向移位。这可通过独立地对准所有的四个可能的取向并采用具有最高对准得分的取向作为真实取向来解决。四个对准可以通过对以下项目组进行比较来实现：cx(i)与rx(i)、cy(i)与ry(i)；cx(i)与ry(i)、cy(i)与rx(-i)；cx(i)与rx(-i)、cy(i)与ry(-i)；以及cx(i)与ry(-i)、cy(i)与rx(i)。

如果步骤2仅限于竖直维度，则上述有关算法也适用于竖直激光雷达数据。如上所述，该算法受限于当前数据与参考数据显著重叠的情况。在不是这种情况的应用中，可以通过引入关键帧(key-frame)的概念来扩展该算法。当发现当前范围数据从参考数据偏移一些预定距离阈值时，或者当相似性得分下降到预定阈值以下时，当前帧被指定为“关键帧”。随后的范围数据将与最近的关键帧而不是原始参考数据配准。然后，通过将当前数据和当前关键帧之间的转换与当前关键帧和参考帧之间的转换(参考帧自身取决于其他中间关键帧的转换)结合可推导出原始参考数据和当前数据的对准。

可选地，便携式检测仪包括连续记录空间数据的装置，使得当便携式检测仪围绕该区域移动时可以产生3d模型。

放射性数据和几何数据的测量可以使用传感器(例如，辐射探测器7和范围传感器1、2)的组合来实现。提供几何数据的传感器可被配置成确定便携式检测仪相对于现实世界结构在六个自由度中的位置和取向。然而，情况并不必然如此。提供几何数据的传感器可被配置成确定便携式检测仪在两个自由度(例如，水平平面)、三个自由度(例如，水平平面和竖直平面)、四个自由度(例如，水平平面和竖直平面以及便携式检测仪的偏航)或五个自由度(例如，水平平面和竖直平面以及便携式检测仪的俯仰和偏航)中的位置。

如图1所示，便携式检测仪可选地包括两个范围传感器1、2。然而，情况并不必然如此。在替代实施例中，便携式检测仪仅包括一个范围传感器1或两个以上的范围传感器。

可选地，第一范围传感器1被配置成在水平(xy)平面中测量从便携式检测仪到现实世界结构的距离的范围数据。可选地，范围传感器1、2被配置成使用光探测和测距(lightdetectionandranging，lidar)、声音导航和测距(soundnavigationandranging，sonar)或无线电探测和测距(radiodetectionandranging，radar)测量范围数据。第一范围传感器1可以是lidar仪器、sonar仪器或radar仪器。第一范围传感器1能够测量从便携式检测仪到围绕便携式检测仪的现实世界结构的距离。

当第一范围传感器1是lidar仪器时，该lidar仪器被配置成围绕z轴线旋转，使得与x轴线形成角度θ，如图2中所示的。第一范围传感器1被配置成扫描xy平面，使得基于由lidar仪器发出并被反射离开表面的激光脉冲的飞行时间，在角度θ处对到最近表面的距离进行一系列测量。便携式检测仪的位置随时间的变化可以通过计算使当前范围数据与先前(例如，初始)范围数据最佳地对准的平移和旋转来测量。与测量的范围数据对准的参考范围数据可以是在开始检测时测量的初始范围数据。因此，不需要知道待检测的区域的地图。即使没有这样的地图，也可以在检测期间建立该区域的模型。

本发明的检测仪被设计成便携式的。该便携式检测仪可以是手持式的。结果，该便携式检测仪在整个检测期间有可能不会保持固定在xy平面中，和/或该便携式检测仪可以竖直移动。此外，该便携式检测仪可以倾斜，这给人一种对周围世界的错误认识。可选地，为了抵消这一点，如下所述，来自第一范围传感器1(也可称为水平位置测量设备)的输出针对倾斜而被校正。

可选地，该便携式检测仪包括取向探测器3。取向探测器3被配置成确定便携式检测仪相对于现实世界结构的瞬时偏航、瞬时滚转和瞬时俯仰中的至少一个。取向探测器3被配置成测量便携式检测仪的倾斜，使得校正因子可以应用到xy数据以确保xy数据表示更准确的水平平面。可选地，取向探测器是惯性测量单元(inertialmeasurementunit，imu)，该惯性测量单元被配置成测量至少六个自由度。可选地，便携式检测仪包括用于提高取向准确性的磁力计。

可选地，便携式检测仪包括机械稳定器设备。可选地，该机械稳定器设备被安装到便携式检测仪的其余部分以防止或减少任何倾斜。

可选地，便携式检测仪包括位置反馈提供器。该位置反馈提供器被配置成向用户输出信息以帮助用户将便携式检测仪移动到相对于现实世界结构的目标位置和/或取向。可选地，位置反馈提供器被配置成向用户输出信息以帮助用户将便携式检测仪的偏航、滚转和俯仰中的至少一个分别改变为相对于现实世界结构的目标偏航、目标滚转和目标俯仰。可选地，位置反馈提供器被配置成提供反馈以允许用户手动校正任何倾斜。

如果imu用作取向探测器3，则便携式检测仪的瞬时俯仰、瞬时滚转和瞬时偏航可以被测量，使得当与由第一范围传感器1测量的数据结合时，六个自由度中的五个是已知的(x、y、俯仰、滚转和偏航)。

为了确定探测器在z方向上的位置或在地面上方的高度，需要另一个传感器，即第二范围传感器2。可选地，可以使用第二lidar探测器、sonar探测器或radar探测器。可选地，便携式检测仪包括处理单元4(也称为主要处理单元)。假设地面是平坦的且一旦知道便携式检测仪(远离竖直方向)的角度，就可以用三角学计算便携式检测仪的高度。可选地，处理单元4被配置成基于由取向探测器3测量的便携式检测仪的角度来计算便携式检测仪的高度。可选地，第二范围传感器2刚性地附接到第一范围传感器1。由范围传感器1、2输出的数据可用于建立3d模型。当已知所有六个自由度时，便携式检测仪在3d模型中的位置可由处理单元4精确地标绘。可选地，处理单元4被配置成从第一范围传感器1接收范围数据，并且如果提供第二范围传感器2，也从第二范围传感器2接收范围数据。处理单元4被配置成将范围数据与先前范围数据(可能是初始范围数据)进行比较。处理单元4被配置成计算使当前范围数据与先前(例如，初始)范围数据最佳地对准的平移和旋转，以便测量便携式检测仪的位置和/或取向随时间的变化。替代地，比较范围数据以及计算平移和旋转以测量位置变化的过程可以由位于便携式检测仪远程位置的处理器执行。

另外地或替代地，便携式检测仪包括高度探测器，该高度探测器被配置成确定便携式检测仪在地板上方的瞬时高度。可选地，高度探测器是直接测量如下特性的传感器，该特性可预见地随着z方向上的位置的变化而变化。例如，可选地，便携式检测仪包括大气压力传感器。

使用合适的辐射探测器7来收集放射性数据，辐射探测器例如为盖革-弥勒管(geiger-mullertube)、总计数探测器或闪烁器。测量的辐射的类型可以不限于伽马射线，而可以是电离辐射或非电离辐射的任何一种类型或多种类型。该设备收集由范围传感器1、2和上述软件确定的在配准位置处的辐射场的一系列测量。可选地，辐射探测器7刚性地附接范围传感器1、2。

来自范围传感器1、2中的每一个范围传感器、软件以及辐射探测器7的输出提供设施的二维或三维模型、一系列辐射测量以及描述模型中每个辐射测量的位置的一组坐标(该组坐标可选地针对便携式检测仪的取向被校正)。可选地，便携式检测仪包括本地存储器。本地存储器被配置成记录便携式检测仪与放射性测量相关的位置，在该位置处，执行每个放射性测量。该信息存储在便携式检测仪上且存储在合适的存储设备上，使得可以在以后的时间检索该信息以用于进一步处理或操作。

可选地，便携式检测仪包括数据上传器。该数据上传器被配置成将指示每个放射性测量的信息和便携式检测仪的执行放射性测量所在的位置发送到外部存储器。

该过程中的可选最后阶段是利用由上述便携式检测仪搜集的信息预测设施内的放射源的分布。为此，可以使用欧洲专利2074442中概述的方法。

图1所示的便携式检测仪是一种包括作为范围传感器1、2的两个lidar传感器的器械，这两个lidar传感器被安装成使得一个范围传感器扫描xz竖直平面而另一个范围传感器扫描xy水平平面。不是必需具有两个范围传感器1、2。在替代实施例中，便携式检测仪仅包括一个范围传感器1，使得便携式检测仪的位置可以在二维(即xy平面)中确定。可选地，便携式检测仪包括高度探测器，该高度探测器被配置成测量便携式检测仪的高度。在这些实施例中，lidar数据用于提高滚转校正的准确性和稳定性，如下所述：在每次扫描期间，直方图由连续的lidar回波之间的矢量构成。峰值以90度间隔出现在直方图中，表示地板/天花板和墙体为现实世界结构。假设周围区域的结构在扫描之间没有根本变化，那么从连续扫描获得的直方图将是相似的，但是会因为单元的滚转角度的任何变化而偏移。因此，这提供了一种探测和校正滚转角度的变化的装置，该装置用于改进从作为取向探测器3的imu获得的数据。

在其他实施例中，可以使用sonar、radar或其他形式的扫描或凝视距离测量传感器。在该实施例中，盖革-米勒管用作辐射探测器7(也称为辐射测量传感器)。然而，在其他实施例中，辐射探测器7可以是例如非准直的总计数伽马辐射传感器、非准直的总吸收剂量辐射传感器或本申请所需的任何其他类型的辐射探测器。可选地，辐射探测器7被配置成通过探测在预定时间段内从任何方向接收的辐射量来执行辐射测量。由辐射探测器7探测的辐射不限于伽马辐射，但可以是电离辐射或非电离辐射的任何一种类型或多种类型。

可选地，辐射探测器7、范围传感器1、2和取向探测器3安装在一起。可选地，便携式检测仪包括框架11。辐射探测器7、范围传感器1、2和取向探测器3可以安装在框架11上，使得辐射探测器7、范围传感器1、2和取向探测器3相对于彼此固定。框架11可以是手持式的。框架11可以安装在远程部署平台上，例如在长杆或诸如具有机械臂的远程可控制平台或四轴飞行器的远程操作载具上。如果需要在预期辐射等级太高而不允许人类进入的区域中部署，那么这可能是特别有利的。

如上所述，可选地，便携式检测仪包括位置反馈提供器。可选地，便携式检测仪包括显示器8，该显示器可以形成位置反馈提供器的一部分。显示器8可以安装到框架11，使得显示器8可以显示引导用户到下一个目标位置(即测量点)的命令。

可选地，位置反馈提供器被配置成向用户输出信息以帮助用户将便携式检测仪的高度改变为相对于地板的目标高度。

可选地，辐射探测器7被配置成当便携式检测仪的瞬时位置和目标位置之间的差小于阈值位置差时自动执行放射性测量。换句话说，一旦便携式检测仪足够接近预定位置(即目标位置)，就自动触发测量。然而，自动执行测量不是必须的。

可选地，便携式检测仪包括输入设备，该输入设备被配置成允许用户命令辐射探测器7在便携式检测仪的当前位置处执行放射性测量。在图1所示的实施例中，输入设备是触发器10。触发器10被设置成使得一旦在正确的位置处，用户就可以提供输入，该输入使便携式检测仪进行空间上标记的辐射测量。替代地，测量可以通过其他用户输入装置而被触发。

可选地，辐射探测器7被配置成在与软件结合的范围传感器1、2确定便携式检测仪的瞬时位置的同时执行放射性测量。因此，每个辐射测量是在空间上标记的。每个辐射测量与关于便携式检测仪的位置和可选取向的信息一起被存储。

可选地，便携式检测仪包括手柄5。该手柄使得用户在设施周围移动以进行检测时更容易稳定地握持便携式检测仪。

可选地，便携式检测仪包括电池6。电池6被设置成作为便携式检测仪的电源。可选地，便携式检测仪包括开关9。开关9是便携式检测仪的电源开关。

便携式检测仪被带到待建模的设施，并使用开关9打开。完成加电序列后，可以自动开始检测。便携式检测仪开始记录位置数据，如下所述：范围传感器1、2记录到其各自的测量平面内的现实世界结构的距离，并且取向探测器3连续地记录相对位置和取向。该数据存储在处理单元4中的存储介质上，并且还使用算法实时处理该数据以建立被检测区域的2d模型。可选地，处理单元4包括软件，该软件被配置成将测量的范围数据与参考范围数据对准，以便确定便携式检测仪相对于作为固定参考系的现实世界结构在至少两个维度中的瞬时位置。

在处理中使用了曼哈顿(manhattan)世界假设，即结构与沿z轴线紧密间隔的观察点几乎没有区别。该模型保存在处理单元4中。处理单元4还加载有相对于设施结构的一系列目标位置(即一组检测地点)。

可选地，便携式检测仪包括目标位置设定单元，该目标位置设定单元可体现在处理单元4中。一旦2d模型已经建立到足以使处理单元4将其自身定位在设施结构内，则到下一个检测地点的方向和距离被指示在显示器8上。可选地，目标位置设定单元被配置成在辐射探测器7已经在目标位置执行放射性测量后，从一系列目标位置中设定新的目标位置。可选地，目标位置设定单元被配置成当根据用户命令跳过目标位置时，从一系列目标位置中设定新的目标位置。

在其他实施例中，测量的顺序可能是不重要的，便携式检测仪可以将用户引导到最接近的测量点而不是按顺序的下一个测量点。一旦便携式检测仪处于期望的检测点，测量就会自动进行或基于用户按下触发器10的需要进行。实施例可以具有软件互锁的特征，以防止当单元离测量点太远时进行测量，或者实施例可以消除用户输入以利于当传感器在所需检测地点的可接受距离内时进行自动触发测量。

可选地，辐射探测器7被配置成当便携式检测仪的瞬时位置与目标位置之间的差小于阈值位置差，并且便携式检测仪的瞬时偏航、瞬时滚转和瞬时俯仰中的至少一个分别与目标偏航、目标滚转和目标俯仰之间的差分别小于阈值偏航差、阈值滚转差和阈值俯仰差时，自动执行放射性测量。

可选地，辐射探测器7被配置成当便携式检测仪的瞬时位置与目标位置之间的差小于阈值位置差，并且便携式检测仪的瞬时高度与目标高度之间的差小于阈值高度差时，自动执行放射性测量。

实施例可以向操作者提供视觉、听觉或其他感官反馈以指示测量的进展和完成情况。当每个辐射测量完成时，每个辐射测量被标记有相对于2d区域模型的如下位置，该位置根据lidar传感器和imu计算并且存储在附接到处理器4的存储器中。

该设施可以是单个房间、建筑物中的多个房间、建筑墙体的外部表面或实际上包含放射性物质的未知分布的任何三维环境，在该三维环境中，可以使用内置的几何传感器(即范围传感器1、2和取向探测器3)确定位置和取向。一般术语“区域”用于旨在确定放射性物质的分布所针对的任何这样的设施或空间。

所需的观测数量将由操作者的检测要求确定，但当与现有的手动技术相比时，由该单元提供的自动空间配准和用户反馈有助于在同一时间记录更多数量的检测点。

在数据收集完成之后，将数据从器械传送到单独的计算机系统以供分析。收集的数据提供检测区域中多个位置处的剂量信息。该数据在本质上类似于通过手动进行的辐射检测获得的数据，在手动进行的辐射检测中，每个测量的位置仅近似地标记在设施的楼层平面图上，但是通过使用本发明的该实施例，与传统的辐射检测所允许的相比能够更准确地记录每个测量的空间位置。

图1中使用的附图标记列表：

1、第一范围传感器

2、第二范围传感器

3、取向探测器

4、处理单元

5、手柄

6、电池

7、辐射探测器

8、显示器

9、开关

10、触发器

11、框架