放射源遠程監控系統設計與實現

呂勝強，王耀琦，王小鵬

(蘭州交通大學 電子與信息工程學院，蘭州 730070)

隨著對放射材料的深入研究，放射源被廣泛應用于工業、農業和醫學等各種領域，若保管使用不當，發生劑量泄露或放射源丟失事件，則會帶來災難，發生危險[1].為了保證放射源的安全存儲與運輸，有必要利用通信技術和嵌入式等技術對處于不同領域和環境的放射源進行監控[2-3].文獻[4]開發了基于STM32的放射源遠程監控與跟蹤終端裝置，結合GPRS、GPS、劑量監測和遠程通信等技術實現對放射源的在線監控；但沒有對采集的數據處理.文獻[5]開發了基于GPS的室外放射源信息監控系統，結合了GSM/GPRS技術、數據庫技術和劑量監測技術等，并對位置、劑量和溫濕度等數據進行了算法處理；但沒有涉及閾值報警.文獻[6]設計了放射源兩級定位系統，結合了STM32、GPS、GSM與WiFi等技術，具有遠程數據上傳、室內外定位以及異常報警等功能，一級定位中室外使用GPS定位，GPS信號弱的地方使用WiFi和GSM定位，二級定位時根據設備測得劑量轉換為設備與放射源之間的距離；但方案受限于室內WiFi環境.文獻[7]基于物聯網技術利用Arduino和MQTT網絡協議開發了監測設備和交互界面.文獻[8]利用微控制器和GSM技術實現短信報警.

在分析了國內外研究現狀以后，本文設計一種放射源實時在線監控系統.系統采用光電倍增管對放射源劑量進行測量，設計劑量脈沖放大和濾波整形電路，并對分頻采集后的劑量脈沖滑動平均處理和線性擬合；北斗定位(BeiDou navigation satellite system,簡寫為BDS)模塊采集放射源位置信息，使用自適應Kalman濾波算法處理位置數據；C/S架構的上位機實時顯示數據并判斷是否超出閾值，實現對放射源泄露劑量和位置的實時監控.

1 系統總體設計

圖1為放射源遠程監控系統的總體架構，主要分為劑量與位置采集終端和上位機監測兩部分.終端采集數據并處理，5G模塊將采集到的數據包發送到信息中心.信息處理中心承擔整個系統的數據匯總和子網設備的終端控制、數據分析、存儲和展示等重要功能.接收到的數據通過解析處理，在數據庫存儲和前端顯示.用戶交互主要通過基于C/S架構的客戶端，客戶端功能主要包括放射源狀態的實時監控、設備運行歷史數據(劑量變化曲線、運輸軌跡)、設備和用戶的管理、系統配置(網絡配置、報警閾值)等.

圖1 放射源遠程監控系統總體架構

1.1 系統硬件設計

系統硬件電路結構如圖2所示.硬件電路主要包括MCU、劑量采集、位置采集模塊、5G通信模塊，以及MCU外圍電路、電源等.

圖2 系統硬件電路結構

1.1.1 劑量采集單元

放射源劑量采集部分選用光電倍增管[9]，由閃爍體、光電倍增管和電子儀器組成的閃爍計數器可用于探測射線[10].在工作時，高壓電源提供的1 000 V以上的高壓通過分壓電阻逐級分配給各個倍增級，放射源產生的放射性射線同閃爍體相互作用，使閃爍體的原子、分子電離或激發，被激發的原子和分子退激時發射光子，然后再利用反射物質和光導把光子收集到光電倍增管的光陰極上；光導可以減少閃光在閃爍體射出面發生反射，使大部分光線能夠射出閃爍體，每一個射線射入閃爍體后，由于光電效應，光電子在光電倍增管中倍增，形成一個脈沖電流；計數器產生的脈沖經過放大、整形電路之后通過I/O口送入單片機處理.閃爍計數器組成如圖3所示.

圖3 閃爍計數器組成示意圖

圖4為劑量脈沖信號采集處理電路，包括信號的放大和甄別[11-12].由于閃爍計數器輸出的電流信號幅值較小，使用兩個THS3001CD電流反饋放大器對前端輸出脈沖信號兩級放大，達到后續脈沖甄別電路能夠識別的程度.一級放大電路放大倍數與電阻R3和R4有關，二級放大電路與R11和R12有關.經放大電路后，背景噪聲也被放大，使用MAX913CPA比較器對脈沖進行甄別.經過甄別后的脈沖信號頻率過高，使用分頻器對信號進行分頻處理，經分頻處理后的脈沖信號送入單片機I/O口，單片機對脈沖處理生成劑量率.

圖4 放射源劑量采集處理電路

1.1.2 北斗定位模塊

放射源的位置信息采集選用ATGM336H-5N BDS/GNSS定位模塊[13]，該模塊定位精度高，有利于提高放射源位置精度.定位模塊與單片機連接如圖5所示，TXD輸出導航數據，RXD接收配置命令.系統上電初始化后，模塊默認以1 Hz的頻率向單片機發送數據包，單片機接收到的數據包按NMEA0183協議解析并濾波處理.

圖5 定位模塊和單片機連接原理

每個放射源都安裝有監控終端，在存儲狀態下遭異常移動后，位置超過預警值，上位機異常報警并對放射源軌跡跟蹤；在運輸狀態下，可以實時顯示放射源位置和軌跡.

1.1.3 信號處理與中央控制模塊

MCU選用STM32單片機，主要負責各模塊控制與調度、劑量和位置數據濾波處理.由于劑量高速脈沖易受環境高頻噪聲影響，需要對脈沖滑動平均濾波處理，濾波后的脈沖數通過線性擬合可以得到脈沖數與放射性劑量的關系，生成劑量率.位置采集數據由于衛星定位粗差帶來定位精度誤差，利用自適應Kalman濾波分離出有用的信號.

1.1.4 通信模塊

系統遠程數據傳輸采用SIM8210C模塊，經過采集模塊采集和單片機處理后的劑量和位置等其他信息，可以通過該模塊上傳到信息中心.具有的5G通信能力能夠進行數據的快速收發，保證上位機顯示數據的實時性.

1.2 系統軟件設計

系統軟件設計主要包含終端設備入網和現場數據采集處理，以及數據包封裝和發送.軟件流程圖如圖6所示.系統首先進行初始化，包括數據采集模塊和通信模塊的初始化；然后通過5G通信模塊進行SIM卡入網，入網成功之后進行位置和劑量的采集；采集的位置數據是包含時間等信息的數據包，協議解析得到經緯度信息，并進行自適應卡爾曼濾波處理；采集的脈沖劑量信號轉換生成劑量率.經過處理之后的數據封裝成數據包，交由通信模塊發送給信息中心.

圖6 系統軟件流程圖

2 現場數據處理

2.1 劑量數據處理

劑量信號為閃爍計數器輸出的高速序列脈沖，高速脈沖容易受到環境高頻噪聲等的影響，通過對高速脈沖的計數可以獲取輻射值的大小.然而放射源發出的射線是隨機的，所以用閃爍計數器進行測量時，單位時間內的計數值會在一個平均值附近上下波動，即統計漲落問題.統計漲落影響著輻射值的測量精度，可以對輻射值進行遞推平均濾波法處理.其方法為取連續采集的N條位置數據構成一個隊列，長度固定為N，每次采集一條新數據放到隊首，并扔掉最先采集的隊尾的一條數據，然后對N條數據取算術平均值.實驗表明：N值過大，會造成處理后數據滯后，且占用單片機資源；N值過小，處理效果不明顯，達不到濾波處理的目的.每7.5 s對閃爍計數器的脈沖計數，取1 min內數據，即8個數據進行一次平均計數.設第i次采集的劑量信息為xi，用x(i)表示有效采集數據，即

x(i)=(xi+xi+1+…+xi+6+xi+7)/8,i=1,2,…,n.

(1)

同一放射源，在監測儀器和放射源距離不同時，測得結果不同.在不同距離下，對安全范圍內放射源的劑量進行標準劑量儀和閃爍計數器的檢測對比，得出放射性劑量與脈沖數之間的關系曲線.建立脈沖數和劑量值的標定關系回歸模型，根據實際情況，采用線性回歸算法，得出放射源劑量和脈沖數之間的關系為

y=β0+β1x+e,

(2)

式中：β0是回歸常數；β1是回歸系數；x是回歸變量；e是隨機誤差.為了便于估計和假設實驗，假設:

(3)

其中:E(e)表示隨機誤差的均值；D(e)表示隨機誤差的方差；σ表示標準差.由此得到脈沖和劑量的回歸模型為

y～N(β0+β1x,σ2).

(4)

圖7為放射源劑量和采集到的脈沖數之間的線性擬合曲線圖.

圖7 線性回歸曲線

2.2 位置數據自適應Kalman濾波處理

運輸放射源的車輛在林蔭道、城市峽谷等復雜環境下，由于衛星定位導航系統的觀測粗差會引起定位精度的誤差，因此采用濾波算法對含有干擾的定位數據濾波處理.而在車輛運輸過程中，行駛路線可能會發生變化，自適應Kalman濾波器可以對夾雜各種噪聲的信號分離出有用的信號[14-15]，能夠有效的抑制異常，是精密單點定位中常用的一種策略[16].

自適應卡爾曼濾波與標準卡爾曼濾波在遞推上基本一致，不同點在于觀測模型中測量噪聲的方差采用等價方差進行替換，表示為：

(5)

3 系統性能測試與分析

圖8為放置在外殼內的硬件現場測試實物圖，包含天線和供電電源線.為了驗證系統對放射源位置和劑量信息監測的有效性和準確性，僅使用終端設備在蘭州交通大學校門前某主干道模擬運輸時位置信息，在實驗室測試存儲狀態下位置信息和劑量信息.測試道路長度約1 km.圖9為上位機監控系統主界面部分截圖，應用程序基于VS下的WinForm設計[15]，主界面數據模式下列表顯示放射源的具體信息，當劑量和位置超過閾值時，報警并顯示異常.

圖8 硬件現場測試實物圖

圖9 放射源遠程監控軟件主界面

測試所用放射源活度為1.665×105Bq，即4.5×10-5Ci的137Cs放射源，環境溫度為(30±1)℃，濕度為13%，計數時間為5 s，保持標準測量設備和系統下位機距離放射源一樣，測量結果如表1所列.

表1中5組數據分別是在距離放射源不同距離下測得的多個劑量當量率數據的平均值，結果表明：與標準測量儀測得結果相比，平均相對誤差為6.02%.

表1 放射源測量數據

為了測試系統定位功能，保證數據準確，在測試路段，運輸車輛以相對穩定速度前行，北斗定位模塊采樣間隔為1 s，處理器將采集到的經緯度信息進行坐標轉換，得到本設計選取的平面坐標系下的坐標；然后將平面坐標進行自適應Kalman濾波，得到預測的位置信息.圖10為自適應卡爾曼濾波后的效果.

圖10 自適應Kalman濾波前后效果對比

由圖11可知，經過Kalman濾波處理后，位置精度誤差由11 m變為4 m，能夠有效抑制定位模塊測量值和放射源實際所處的位置值，得到更加準確的放射源位置信息，提高系統的精確性和可靠性.通過在上位機監測平臺下的地圖模式：由圖12(a)可以觀測到放射源存儲狀態下的位置信息，同時鼠標懸浮下彈窗顯示相關信息；在運輸狀態下，還可以顯示車輛運輸軌跡(見圖12(b)).

圖11 濾波前后誤差對比

圖12 放射源監控系統地圖模式界面

4 結論

針對放射源管理不完善導致劑量泄露和丟失的問題，設計了一種具有預警功能的放射源實時監控系統.本文所設計的系統集5G通信技術、BDS定位技術、嵌入式技術、數據庫技術于一體，實現了對放射源的遠程實時監控；利用5G無線傳輸速率高、接入速度快的特點，較有線通信有更好的便捷性和移動性，進而實現數據的實時傳輸；運用BDS技術實現對放射源的定位和軌跡跟蹤.對劑量脈沖滑動平均濾波和線性擬合，處理后與標準劑量相比，平均相對誤差為6.02%；為了消除傳感器誤差，對位置數據進行自適應Kalman濾波處理，濾波后定位誤差由11 m降低到了4 m；最后在蘭州某設計院和蘭州交通大學實驗室進行系統性能測試.多次測試結果表明：自適應Kalman濾波降低了數據誤差，提高了位置數據的準確性；上位機界面能夠對放射源環境劑量和位置數據實時可視化顯示，超出閾值時發出預警信息.