多功能海洋放射性污染剂量率检测方法及装置与流程

本发明属于核辐射检测技术领域，具体涉及一种多功能海洋放射性污染剂量率检测方法及装置。

背景技术：

核能是一种新型能源，被广泛地应用于电力领域，核电站的安全运行不仅能够解决用电问题，还能够促进环境友好型社会的发展。但是，核技术是一把双刃剑，核电站一旦出现强辐射物质泄漏情况，将会给周边生态环境带来巨大灾难。例如，前苏联切尔诺贝利重大核事故、美国三哩岛事件及日本福岛核事故的发生，对周边环境带来了很大影响，特别是日本福岛核事故的发生对海洋生态造成了巨大影响，甚至影响到相邻国家的海洋生态环境安全。目前国内外在建的及正在运行的核电站大多为滨海核电站，核电站一旦出现辐射物质泄漏将会破坏海洋的生态环境和周边居民的人身财产安全，所以，及时有效的检测放射性污染及剂量率对保障环境安全和人身安全有重要的意义。

海洋放射性污染的海域扩散范围广、转移变化快、持续性强，现有的检测方法和装置存在量程窄、速度慢的缺点，不能满足核辐射检测应急情况下的监测预警需求。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种多功能海洋放射性污染剂量率检测方法与装置，在极短时间内检测海洋放射性污染剂量率和具体污染方位，解决海洋放射性污染剂量率快速检测的难题。

为实现上述目的，本发明首先提供了一种多功能海洋放射性污染剂量率检测方法，包括以下步骤：

1)用剂量率探测器获得海洋放射性物质的信号；

2)将步骤1)的信号进行放大滤波去除本底噪声得到清晰的波形；

3)将步骤2)得到的信号通过adc转换得到数字信号，并用设有阈值的fpga芯片检测输入脉冲信号的幅值是否到达设定的阈值，若没有达到，则控制剂量率探测器用nai闪烁体晶体探测器进行探测，若达到阈值则控制剂量率探测器用半导体探测器进行探测；

4)通过cpu对步骤3)数字信号的波形进行计数，得到放射性核素的脉冲信号的计数值，并根据上述计数值在cpu中处理得到核素剂量率值；

5)利用姿态传感器、方位传感器、全球定位系统通过一定的运动策略，结合步骤4)的核素剂量率值，最终判断出事故海域的方位角。

进一步地，上述多功能海洋放射性污染剂量率检测方法，所述步骤1)的剂量率探测器同时搭载半导体探测器和nai闪烁体晶体探测器，由其中一种探测器将探测到海洋放射性物质的辐射信号转化成脉冲信号。

进一步地，上述多功能海洋放射性污染剂量率检测方法，所述步骤2)具体利用前置电流放大器和后置电压放大器将得到的脉冲信号进行放大，然后经过卡尔曼滤波方法滤波，得到信噪比较高的脉冲信号波形。

进一步地，上述多功能海洋放射性污染剂量率检测方法，所述步骤4)cpu根据脉冲数与剂量率的关系经过计算得到当前的污染源核素剂量率，并存储位置信息、姿态信息和核剂量率的信息到存储器中，等待后面对数据的计算。

进一步地，上述多功能海洋放射性污染剂量率检测方法，所述步骤5)利用姿态传感器、方位传感器、全球定位系统通过一定的运动策略，实时检测海水放射污染物的剂量率信息，计算模拟出事故海域污染源的多个等剂量率面，计算出污染物的剂量率值的梯度方向，事故海域放射性物质的剂量率值的梯度方向即为检测装置与事故海域的方位角。

进一步地，上述多功能海洋放射性污染剂量率检测方法，所述步骤5)采用的运动策略是：

a.探测装置测量并记录当前点的核素剂量率值，然后以当前方向前进一定距离到另一点，测量并记录另一点核素剂量率值，比较当前点与另一点剂量率差值，若差值绝对值不超过一个阈值，则认为这两点为等剂量率点；

b.重复步骤a找到三个等剂量率点，拟合出等剂量率面，然后探测装置开始以最新当前点的等剂量率面的法线方向前进，并重复前面步骤，找到第二个等剂量率面；

c.根据上述的步骤记录的数据模拟绘制出多个等剂量率面，然后计算出剂量率的梯度方向，即检测装置与事故海域的方位角。

基于上述方法，本发明还提供了一种多功能海洋放射性污染剂量率检测装置，该装置包括通过数据总线连接的剂量率探测器、信号预处理模块、fpga模块和检测装置主体，所述剂量率探测器包括nai闪烁体晶体探测器和半导体探测器，所述信号预处理模块包括依次连接的放大电路、滤波电路和adc高速数字信号处理系统，所述的fpga模块包括了fpga阈值控制电路，所述检测装置主体包括与cpu通过数据总线相连的存储器、姿态传感器、方位传感器和全球定位系统，nai闪烁体晶体探测器或半导体探测器的脉冲信号输出端与信号预处理模块连接，信号预处理模块的数字信号输出端与fpga模块连接，fpga阈值控制电路的控制信号输出端与剂量率探测器连接，fpga模块再与检测装置主体的存储器连接。

本发明的有益效果在于：本发明的方法和装置采用适应于低剂量率和中高剂量率两种探测器对不同污染程度的海域分别进行检测，扩大了对污染源的测量范围，实现宽量程检测。本发明能够实时检测核放射剂量率，多功能的检测装置主体搭载的姿态传感器、方位传感器、全球定位系统能给出核事故污染源相对检测装置的位置、角度、姿态信息，并且利用这些信息快速实时的计算模拟出事故海域污染源相对于检测装置的方位。模拟信号预处理方法降低了对adc的处理速度的要求，降低装置的成本，而且本发明方法所采用的检测策略能够实现大范围的快速检测。

附图说明

图1为本发明剂量率检测装置的总体连接关系示意图；

图2为本发明多功能海洋放射性污染剂量率检测方法过程中的等剂量率面、运动轨迹策略、方位角和各个位置示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及其有益效果更加清晰，以下通过具体实施方式和相关附图对本发明做进一步的说明。以下描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，不应将其理解为对本发明的限制。

多功能海洋放射性污染剂量率检测装置

如图1所示，本发明的装置包括依次通过数据总线连接的四个部分：剂量率探测器、信号预处理模块、fpga模块和检测装置主体，所述剂量率探测器包括nai闪烁体晶体探测器和半导体探测器，所述信号预处理模块包括依次连接的放大电路、滤波电路、adc高速数字信号处理系统，所述的fpga模块包括了fpga阈值控制电路，所述检测装置主体包括与cpu通过数据总线相连的存储器、姿态传感器、方位传感器和全球定位系统，nai闪烁体晶体探测器或半导体探测器的脉冲信号输出端与信号预处理模块连接，信号预处理模块的数字信号输出端与fpga模块连接，fpga阈值控制电路的控制信号输出端与剂量率探测器连接，fpga模块再与检测装置主体的存储器连接。通过该剂量率检测装置可以对不同浓度的海洋放射污染分别用更适当的探测器进行检测。

多功能海洋放射性污染剂量率检测方法

一种多功能海洋放射性污染剂量率的检测方法，包括以下步骤：

1)用剂量率探测器获得海洋放射性物质的信号；

2)将步骤1)的信号进行放大滤波去除本底噪声得到清晰的波形；

3)将步骤2)得到的信号通过adc转换得到数字信号，并用设有阈值的fpga芯片检测输入脉冲信号的幅值是否到达设定的阈值，若没有达到，则控制剂量率探测器用nai闪烁体晶体探测器进行探测，若达到阈值则控制剂量率探测器用半导体探测器进行探测；

4)通过cpu对步骤3)数字信号的波形进行计数，得到放射性核素的脉冲信号的计数值，并根据上述计数值在cpu中处理得到核素剂量率值；

5)利用姿态传感器、方位传感器、全球定位系统通过一定的运动策略，结合步骤4)的核素剂量率值，最终判断出事故海域的方位角。

在一种采用本发明的剂量率检测装置实现上述检测方法的具体实施方式中，所述步骤1)的剂量率探测器同时搭载半导体探测器和闪烁体晶体探测器，由其中一种探测器将探测到海洋放射性物质的辐射信号转化成脉冲信号。至于采用何种探测器是由fpga模块的fpga阈值控制电路进行决策。首次检测可以采用任意探测器，待信号输入fpga阈值控制电路后根据控制信号选择适用的探测器。

在一种具体的实施方式中，所述步骤2)具体利用前置电流放大器和后置电压放大器将得到的脉冲信号进行放大，然后经过卡尔曼滤波方法滤波，得到信噪比较高的脉冲信号波形。并经过高速adc转换为数字信号。

在一种具体的实施方式中，所述步骤4)cpu根据脉冲数与剂量率的关系经过计算得到当前的污染核素剂量率值，并存储位置信息、姿态信息和核剂量率的信息到存储器中，等待后面对数据的计算。

在一种具体的实施方式中，所述步骤5)利用检测装置主体的姿态传感器、方位传感器、全球定位系统通过一定的运动策略，实时检测海水放射污染物的剂量率信息，计算模拟出事故海域污染源的多个等剂量率面，计算出放射的剂量率值的梯度方向，放射的剂量率值的梯度方向即为检测装置与事故海域污染源的方位角。

在一种具体的实施方式中，所述步骤5)采用的运动策略是：

a.探测装置测量并记录当前点的核素剂量率值，然后以当前方向前进一定距离到另一点，测量并记录另一点核素剂量率值，比较当前点与另一点剂量率差值，若差值绝对值不超过一个阈值，则认为这两点为等剂量率点；

b.重复步骤a找到三个等剂量率点，拟合出等剂量率面，然后探测装置开始以最新当前点的等剂量率面的法线方向前进，并重复前面步骤，找到第二个等剂量率面；

c.根据上述的步骤记录的数据计算模拟出多个等剂量率面，然后计算出剂量率的梯度方向，即检测装置与事故海域的方位角。

在前述的检测装置和方法中，剂量率测量器的nai闪烁体晶体探测器和半导体探测器分别对海水中低剂量率的放射性核素和中高剂量率放射性核素进行探测，当γ射线入射到nai探测器上时，射线光子能量转化为可见光子发射，并通过光电倍增管转换为核脉冲信号。核脉冲信号通过预处理控制电路中的放大电路和滤波电路，最终得到去除本底噪声的放大的核脉冲信号。

转换成电信号的脉冲信号属于模拟信号，不能直接被cpu处理，利用adc转换模块将模拟信号转化成数字信号，然后对达到fpga设定的阈值信号存储和整形，此时得到的信号为标准的数字信号。

数字信号传输到cpu中，经过cpu计数，并根据脉冲数计算得到计数值n，从而得出核素的剂量率。在理想状态下由于核素的剂量率正比于核素脉冲数，可以表示为：

d＝an

其中，a为常数，n表示单位时间的核素脉冲的计数值，d为探测器测得的核素剂量率水平。在非理想状态下测量时它与测量时间t相关，加入恒定的本底噪声误差后可以描述为：

d′(t)＝f(t)+η1

通过全球定位系统会得到一个当前的坐标，记为p(x,y,z)。这里需要说明的是p(x,y,z)这点是测量的初始位置，实际的位置因为测量时间的加入，会产生一个累计的误差，记为η2，并且它与时间有关，是一个随时间变换的累计误差，可以描述为：

p′(t,x,y,z)＝p+η2(t)

并且加入位置信息后发现，不同位置的核素剂量率d′(t)和η2(t)也与坐标相关，记为：

d′(x,y,z,t)

η2(x,y,z,t)

通过姿态传感器会得到探测器以横轴、纵轴、竖轴旋转的角度，记为φ＝(α1β1γ1)和通过方位传感器得到球面坐标方位角y1＝(rβ1γ1)(球面坐标的原点假定为探测装置开始探测的初始位置,r为原点到探测装置的距离，初始点r＝0，并且且我们忽略掉它在x轴自转的姿态角度，同时当检测装置处于海面或者计算二位平面情况时，β1＝0)。之后我们需要将d′(x,y,z,t)和这点记录的坐标信息p′、姿态信息φ和球面坐标方位角y1＝(rβ1γ1)通过cpu写入到存储器中。并最终得到检测装置与事故海域的方位角，记为y2＝(rβ2γ2)。

获取污染源的等剂量率面和方位角y2，如图2所示，为本发明提出的一种检测装置在检测时的运动策略：

(1)探测装置测量并记录当前测量点(a点)的核素剂量率值，然后以当前方向前进距离l到一点(b点)，测量并记录b点核素剂量率值，比较a点与b点剂量率，若da-db的绝对值不超过一个阈值σ，则认为a点与b点在等剂量率面上。

(2)重复(1)步骤指导找到三个等剂量率点拟合出等剂量率面，然后探测装置开始以当前点的等剂量率面的法线方向前进，并重复步骤(1)，找到第二个等剂量率面。

(3)根据上述的步骤记录的数据计算模拟出多个等剂量率面，然后计算出核剂量率的梯度方向y3＝(rβ3γ3)，即为检测装置与事故海域污染源的方位角y2＝(rβ2γ2)。

方位角y2＝(rβ2γ2)由核污染的核剂量率d′(t)、空间坐标位置p′(t,x,y,z)及姿态信息θ＝(α1β1γ1)得到的初始方位角等参数计算得到，通过前面步骤中存入存储器的剂量率d′(x,y,z,t)和位置p′(t,x,y,z)的关系数据，可以最终得到关于剂量率值的近似球面公式(将t视作为一个常量)，其中：

d′(x,y,z,t)＝g(x,y,z,t)+η1+η2(x,y,z,t)

合并后得到：

d′(x,y,z,t)＝g(x,y,z,t)

在球坐标系中，令x＝rsinθcosθ，z＝rcosθ，θ、对应于方位角的β和γ。

对以上的剂量率函数求梯度，得到：

其中，分别表示r、θ、增加方向的单位矢量。记最后测量时检测装置的最终点坐标为pn＝(xn,yn,zn,tn)化为球坐标并带入g(x,y,z,t)就得到了最终的方位。

其中，η1为噪声误差，是一个恒定值，剂量率d′(x,y,z,t)的精确度与测量时间有关，测量时间越长精度越高。η2(t)为关于测量时间的函数随着测量时间的增加，累计误差会增加，测量时间越长，累计误差就越大，精度就越低。最后，通过对y做关于t的偏导求得极值，得到最佳的检测时间t'，从而实现多功能的快速高精度的检测。