無人機航空伽瑪測量地質調查應用研究

楊慶華，郭生良，鐘經華，余 鵬，羅明濤

（1 江西省核工業地質調查院，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，四川 成都 610059）

我國的鈾礦和稀土礦（含伴生放射性）是重要的戰略資源，鈾礦與稀土礦的勘查過程中放射性污染與治理關系到經濟社會的可持續發展。以往礦山地質環境調查主要依靠調查人員實地踏勘，但是現有的地面輻射監測設備存在只能在有道路、人員可進入條件下實現地面測量，其耗費時間長、觀察效率低。在一些復雜環境條件或核設施上空等條件下，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勘查要求的現象[1]。

現今在“地質+”的經營理念上，延伸提出“無人機+”新思路，結合自身物探提出無人機航空伽瑪能譜勘查系統應用研究，完成無人機航空物探測量系統的實用化。并且與車載伽瑪能譜儀、地面伽瑪能譜儀形成技術互補，構成深地、地表、低空、空中立體式無盲區的放射性監控與勘察[2，3]。完成特定區域低空、快速掃描測量和專項定點測量任務，提高相關工作效率且保證工作人員輻射安全[4]。

1 技術路線圖

1.1 系統整體結構

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

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

圖1 無人機航空伽瑪能譜測量系統總體框圖

地面控制中心可實現儀器測量自檢、測量控制、數據采集、數據實時顯示、核素識別、色差能譜顯示、環境劑量填圖、劑量超標報警等功能。該系統將為尋找放射性礦產及非放射性伴生礦、地質填圖及環境輻射監測等提供可靠數據支持。

1.2 系統電源設計

無人機航空伽瑪能譜測量系統空中供電電源采用無人機接口提供，28V直流，系統最大工作功耗為25W左右。為滿足核輻射探測系統、GPS模塊、數據傳數電臺、控制板等供電每個模塊都有單獨的電源通路設計，電源設計采用開關型電源芯片做成模塊，實現28V輸入的電源電壓的降壓調節。保證整個系統需要提供400V、12V、9V、5V、3.3V和高壓模塊的電壓供給。電源系統設計框圖如圖2，系統電源板實物如圖3。

圖2 電源系統設計框

圖3 系統電源板實物

1.3 無人機選型

無人機作為一門新興行業，一開始的僅僅應用于軍事領域，到近幾年快速爆發的應用于民用。所謂無人機，即不載人的飛行器。按照技術來劃分，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，并得到廣泛的應用[5]。（無人機飛行平臺優缺點對比如表1）。

表1 無人機飛行平臺優缺點對比

根據上述優缺點以及實際情況的需求，本套機載輻射探測系統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。燃油無人直升機飛行穩定性及有效載重有提高，能夠實行超低空飛行及懸停測量，更加有助于鈾礦與稀土礦的勘查。

圖4 系統實物圖（左）分辨率測試圖（右）

表2 空中與地面U、Th、K含量測試數據

2 測試

2.1 儀器測試

經過中國測試技術研究院完成對無人機航空伽瑪能譜測量系統分辨率、探測能量范圍的測試。NaI（Tl）晶體核輻射測量系統分辨率測試：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于15keV～3.0MeV。

2.2 現場實地測試

通過無人機航空伽瑪能譜勘查系統在江西某地現場測試（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，測試數據記錄在表2中。

圖5 無人機航空伽瑪測量系統現場測試圖

圖6 全譜空地含量變化趨勢

由表2可知三組空地含量數據的相對偏差在20%以內，所有數據的偏差都在100%以內，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地質勘查、輻射環境質量監測的要求。

3 總結

本文采用由無人機飛行平臺和供電與動力系統負責飛行和供電；核輻射測量系統負責進行能譜測量；定位系統及地面控制中心負責傳輸數據和處理數據。最終組成該無人機航空伽瑪能譜測量系統。系統的分辨率為7.40%，伽瑪射線能量范圍優于15keV～3.0MeV，與地面的測量結果相差不大，能夠完全滿足我國鈾礦地區地質勘查、輻射環境質量監測的要求。

針對礦區地質調查工作方式，采用無人機航空伽瑪測量技術變得更加高效和便捷，改變過去人工拉網式的調查方式，提高了調查工作效率，而且能夠覆蓋人工調查無法到達的盲區。

可實現對礦區周邊地質地貌的大范圍快速普查，具有重大意義[6]。