基于無人機平臺的伽瑪譜系統設計

徐煜洲，陳 雪，雷晨曦，鄧 偉

（中核戰略規劃研究總院，北京）

1 無人機選型和系統框架設計

1.1 無人機選型

針對不同的無人機，在飛行過程中存在不少的差異，為了更好地使軟件與硬件相輔相成，需要確定采用一種既能夠適應大范圍飛行，又能兼顧較為優秀的續航和輕便能力的無人機，因此研究中對無人直升機、固定翼無人機、多旋翼飛行器、無人飛艇、太陽能無人機等常見的無人機在構型、載重能力、飛行速度、尺寸重量、續航、飛行高度、飛行距離、輕便能力等方面進行了分析和比對。

通過調研比對和分析，本次實驗設計采用固定翼無人機。選擇的無人機的內部代號為TC-01，最大有效載荷為80 kg，電壓為直流28 V，輸出功率為680 W，相對地面的最低飛行高度為75 m，航速為120 km/h～180 km/h，測控半徑為20 km（飛行80 m 高度下），最大航行時間為6 h，最大航程為800 km[1]。

1.2 無人機系統框架設計

表1 不同無人機的性能對照

無人機的伽馬譜探測分析和尋源空中部分主要包括能譜探測模塊、地圖導航信息模塊、云臺運動攝像設備、主控模塊、數據傳輸模塊、能力補償模塊、多核處理器模塊、鋰電池組等。系統框架如圖1 所示。

圖1 無人機系統框架

根據本次無人機伽馬譜探測需求進行設計，無人機空中部分其下側探測器的體積不小于4.5×10-1m3，上測探測器體積不應當小于5.2×10-2m3。晶體的分辨率采用峰值的1/2 處的寬度（FWHM）與最大峰值能量之比的百分數，以137Cs 為參考，應在0.662 MeV峰時，晶體分辨率應優于12%，測試系統連續工作10小時之后，系統分辨率的測評值變化波動在最初測量值的±0.5%之內。儀器死時間應不大于8 μs，能譜非線性應不大于1.5%，能譜儀的標準窗數據穩定，雷達高度計量范圍在0 m～600 m，氣壓高度計測量范圍在0 m～4 600 m，GPS 采 用 航 空型，測量精度為米級及以上，照相、錄像設備采用航空型相機，數據收錄設備選用帶有多通道、數據校準、處理分析等功能的數據自動收錄設備和模擬數據收錄設備，數字測溫計范圍在零下45 ℃～120 ℃。無人機地面基站功能包含對機載測量系統所收錄的數據進行檢查、質量評價、格式轉換、復制、校準數據等功能的處理[2]。

2 探測器選擇

對于無人機平臺的伽馬譜探測和尋源來說，能譜探頭是無人機伽馬譜探測系統的核心部分，特別是在飛行過程中，收集由地面放射出的輻射能量，并通過物理性能將輻射光子轉換成為模擬脈沖信號，從而為計算機模塊提供可供處理的信息。本文設計的系統，均以采集和分析該信號為主。

由于本研究采用的無人機具有一定較高的行駛速度，為了能夠確保無人機平臺的伽馬譜探測到地面的有效放射源，以100 km/h 速度的無人機為例，則需要探測器擁有每1.2 s 采集1 次的能力。由于采集的時間非常有限，同時還需要采集的信息足夠精確，則選擇的探測器探頭擁有的靈敏度要達到一定水平。

無人機伽馬譜探測器能夠根據收集到的放射性信號，有效地將K、U、Th 等元素的特征峰進行識別。

在本系統中采用閃爍體探測器，其中，閃爍體探測器可以區分為3 種晶體，分別是BGO 晶體、LaBr3（Ce）閃爍體和NaI（T1）晶體，表2 對其中的3 種晶體的性能指標進行了分析。

表2 各晶體的性能指標

通過分析，并就以下實驗需求進行綜合考慮：

（1） 為了能夠對較低能量的放射源進行探測，并有效地對其伽馬譜全面分析，無人機伽馬譜探測分析和尋源的晶體探測器應當具有較高的分辨率；

（2） 在對伽馬譜能量進行探測時，受探測時間的影響和能量的影響之間的線性范圍要大；

（3） 由于飛行的環境較為復雜，其晶體探測器的發光衰減時間應該盡可能的更短，同時還能保證伽馬譜能量的轉換率不會過低，溫度系數也較小；

（4） 具有較強的防震能力，以防在劇烈飛行過程中產生劇烈的碰撞，導致晶體破損；

（5） 具有操作簡單、維護簡單和低成本等特性。

綜上，在無人機伽馬譜探測分析和尋源的伽馬譜探測中，選擇NaI（Tl）晶體作為探測器。

3 主控系統設計

3.1 主控系統選型

無人機平臺的伽馬譜探測中的主控系統可以采用半數字化能譜主控系統和全數字化能譜主控系統兩種設計方案。本次設計采用更為全面的全數字化能譜主控系統，主要考慮到其具備以下優點：

一是抗高計數率和脈沖堆積能力較強。因為采用了大尺寸的NaI 晶體，其脈沖通過率的基礎性能并不高，較大體積的能夠讓脈沖同時到達形成脈沖重疊的概率提高數倍，通過采用活度較大的放射源，能夠保障其脈沖通過率甚至高過上述方案；在脈沖通過率31 k 時，全數字化能譜主控系統的能譜采集器在210 kHz 的脈沖通過率下仍能運行。二是能量分辨率相對較高。因為彈道虧損的減小，數字濾波器帶來了更好的濾波效果，故譜線的能量分辨率也更好。三是溫度穩定性獲得了巨大提升。全數字化能譜主控系統的模擬部件關鍵在于前置放大器，產生譜線的漂移的主要原因就是晶體和前置放大器的溫度系數。四是屬于松散耦合，故障率大幅降低。全數字化能譜主控系統中每個晶體對應的能譜采集器完全相同，交換簡單，有效提升了故障尋源和修復的效率。

3.2 主控系統設計

本次無人機伽馬譜探測分析和尋源的主控系統如圖2 所示。系統使用的NaI（T1）晶體探測器。能譜采集器都通過專屬的RS232 接口與安裝于中央控制器上的PCI 轉多路串口卡通信，從而實現中央控制器對能譜采集器的控制與譜線獲取，中央控制器可通過巡檢命令檢測實際生產時采用的晶體數量，方便生產的需要。通過磁耦合串口隔離電路與DC-DC 隔離變換電源模塊實現了本系統與無人機上電源系統的隔離，大大提高了系統的抗干擾性能。電源變換電路實現將單路航空直流電源變換為多路模擬電源、數字電源等功能。高壓模塊提供光電倍增管工作所需的穩定負高壓，為了提供光電倍增管輸出信號的信噪比，采用了多級電子濾波器電路，很好地抑制了高壓電源中的交流噪聲，提高了信噪比。光電倍增管輸出的電流信號通過設計的電流反饋型前置放大器，送入Y/U 雙通道16 位數控增益放大電路，通過兩個16 位分辨率的DAC 控制高速精密乘法器實現譜漂的精密調節。能譜采集器的核心是由高速ADC 模數轉換器和CPLD 可編程邏輯器件組成的數字能譜儀。由于采用了高速模數轉換器，因此省略了傳統模擬能譜儀中的峰值采樣保持電路、成形放大器、基線恢復電路等，并可顯著減小系統的死時間，避免了模擬能譜儀溫漂的影響，提高了穩定性，且由于采用數字化設計提高了系統的靈活性[3]。

圖2 無人機伽馬譜探測分析和尋源主控系統

本次無人機伽馬譜探測系統采用了基于FPGA的數字化脈沖幅度分析器的設計思路，并考慮從最優化濾波器理論角度進行設計。其輸入信號于噪聲信號疊加后經過濾波器系統并輸出有用信號于噪聲信號的示意如圖3 所示。

圖3 輸入輸出信號示意

圖3 中Si（ω）為噪聲的譜密度函數；h（t）為濾波器系統的傳遞函數；H（ω）為濾波器系統頻率響應函數；vi（t）、vo（t）分別為輸入信號和輸出信號；Vi（ω）、Vo（ω）分別為輸入信號和輸出信號的頻率響應函數；Vn2為噪聲均方值。

由圖可知，輸出信號可表示為：

既定輸出信號v0（t）的峰值在tm，信噪比的平方可表示為：

將A（ω）=kB*（ω）帶入，信噪比η 取最大值，此時可得到針對任意輸入信號的最佳濾波器輸出信號頻譜為：

當考慮噪聲影響，且噪聲不是白噪聲時，最佳匹配濾波器的頻率響應和信噪比分別為式（5）和式（6）；式中τc為噪聲轉角時間，τc=a/b，Q/cf為Vi（t）的電壓u(t)常數。

根據式（6）可推斷，想要提高信噪比，可以采取以下幾種方式：一是選擇低頻噪聲小的器件；二是選擇柵極漏電流小的場效應管；三是選用介質損耗較低的電容；四是減少冷電容的使用；五是利用探測器的反向漏電流在低溫下可以降低；六是通過降低溫度減少熱噪聲。

因此將上述現象作為一個比較，把其濾波器的信噪比與實際濾波器的最佳信噪比的比值定義為信噪比劣值系數F，因此其濾波器的信噪比為

給定實際濾波器輸出信號的信噪比為η，其劣質系數為F，F=η∞/η，F＞1，即F 趨近于1 時，濾波器的效果則越好。給定脈沖寬度tx約束下獲得最佳信噪比，可以得到該濾波器的輸出信號為

4 總結

通過對各類無人機的性能進行了分析，基于固定翼無人機作為設計對象，同時對無人機探測器進行了對比分析，以NaI（Tl）晶體探測器作為探測器設計模塊，對主控系統的關鍵電路，脈沖幅度分析器進行了信號推算。