CN107505624B - 一种采用高能光子进行复杂环境下精确测距的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用高能光子进行复杂环境下精确测距的系统及方法，该系统包括高能光子发射源系统、发射角度设定系统、探测系统以及统计处理系统；本发明还公开了一种采用高能光子进行复杂环境下精确测距的方法。本发明通过高能光子与被测物体或界面发生康普顿散射等物理过程，散射光子返回探测处理系统进行计数和统计处理，利用计数率反推得到探测点与被测点的距离。

Description

一种采用高能光子进行复杂环境下精确测距的系统及方法

技术领域

本发明涉及一种测距方法，具体地说，涉及一种采用高能光子进行复杂环境下精确测距的系统及方法。

背景技术

目前，现有技术中，激光测距容易受环境能见度及界面形状影响而无法精确测距，无线电雷达测距易受电磁环境干扰和界面形状影响，声波测距不能在真空或噪声环境下无法使用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术存在的缺陷，提供一种采用高能光子进行复杂环境下精确测距的系统及方法，通过高能光子与被测物体或界面发生康普顿散射等物理过程，散射光子返回探测处理系统进行计数和统计处理，利用计数率反推得到探测点与被测点的距离。

其具体技术方案为：

一种采用高能光子进行复杂环境下精确测距的系统，包括高能光子发射源系统、发射角度设定系统、探测系统以及统计处理系统；

所述高能光子发射源系统是发射高能光子的组件，包括X射线管、钴Co-60伽玛源、铯Cs-137伽玛源、锌Zn-65伽玛源、汞Hg-203伽玛源、铈Ce-141伽玛源，源体发出的高能光子波长范围为：＜0.01微米。

所述发射角度设定系统是高阻挡屏蔽材料组成的用于约束光子出射方向及出射角度的结构组件，选用的屏蔽材料包括重金属铅钨玻璃、有机玻璃、树脂/纳米铅复合材料、稀土合金复合材料、参固体屏蔽剂的混合纤维材料。该组件校准出射光子的方向，而且还起到辐射防护屏蔽的作用，防止射线泄露照射其他区域及范围，保障测量安全可靠进行；

所述探测系统接收经介质作用散射回来的高能光子并将其转变为电脉冲信号，包含气体电离探测器、半导体探测器、正比探测器以及闪烁体探测器、微通道板探测器；

所述统计处理系统完成对探测系统产生的电脉冲信号的统计分析和处理，根据距离与统计信号之间如下关系；反推得到探测点与被测量体之间的距离：

L＝D*EXP*(A+B*X+C*X²)

上式中L为测量点与被测体之间的距离，X为信号强度(计数率)，D、A、B、C为不同环境使用的标定参量。

进一步，所述高能光子发射源系统为点源、面源、柱形源、体型源，或者是球形源。

进一步，所述发射角度设定系统的张角范围为0°≤θ≤180°，θ＝0°时张角为一准直小孔，光子沿小孔出射，完成点对点的小范围测量。

进一步，所述闪烁体探测器为NaI闪烁体探测器。

一种采用高能光子进行复杂环境下精确测距的方法，包括如下步骤：

源体发射系统发出的高能光子经过发射角度设定系统的调制后，沿特定角度θ出射，到达界面后与界面介质发生康普顿散射，部分光子将散射返回，到达探测系统被记录并转换为电信号，信号传达至计数统计系统进行统计分析，并根据公式L＝D*EXP*(A+B*X+C*X²)，反推出距离L。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.抗环境干扰能力强：在测距过程中不受环境温度、压力、电磁场以及环境特征如天气、能见度、尘埃等因素的影响。

2.测量介质适应性高：不论所测介质表面是否光滑、透明或凹凸不平，本方法均可以完成距离的精确测量。

3.测量方式多样化：本方法可以完成在不平整表面点对点的距离测量，也可以完成在不平整或平整表面点对面的平均距离的测量。此外，通过光子发射系统及探测处理系统的科学布局，还可以完成测量平面与被测物体或介质面之间的相对倾斜角度的测量。

4.测量任务范围广：本方法可以完成诸如地面上方高度、水面上方高度、水面下方探底深度等的平均距离的测量；也可以完成局部区域凸起或凹陷的距离的测量；亦可以完成地外星体真空环境或气体尘埃环境下距离的测量。

附图说明

图1为高能光子发射源系统的示意图；

图2为发射角度设定系统的示意图；

图3为采用高能光子进行复杂环境下精确测距的流程图；

图4为采用高能光子进行复杂环境下精确测距系统的原理图；

图5为实施例1点对点测距示意图；

图6为实施例1的测距结果；

图7为实施例2点对面测距示意图；

图8为实施例3点对面测距示意图；

图9为点对面测距结果；

图10为测量平面与被测物体或介质面之间的相对倾斜角度的测量示意图；

图11为被探测平面相对探测平面沿X轴顺时针倾斜一定角度时的位置关系图；

图12为当被探测平面相对探测平面沿X轴顺时针(a)和逆时针(b)转动时探测系统中1、2、3、4号探测器信号强度的情况。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

一种采用高能光子进行复杂环境下精确测距的系统，包括高能光子发射源系统、发射角度设定系统、探测系统以及统计处理系统；

所述高能光子发射源系统是发射高能光子的组件，包含但不限于X射线管、钴Co-60伽玛源、铯Cs-137伽玛源、锌Zn-65伽玛源、汞Hg-203伽玛源、铈Ce-141伽玛源等，源体发出的高能光子波长范围为：＜0.01微米。高能光子发射源系统可以为点源、面源、柱形源、体型源，也可以是球形源，如图1所示：

所述发射角度设定系统是高阻挡屏蔽材料组成的用于约束光子出射方向及出射角度的结构组件，选用的屏蔽材料包括但不限于重金属铅钨玻璃、有机玻璃、树脂/纳米铅复合材料、稀土合金复合材料、参固体屏蔽剂的混合纤维材料。该组件可以校准出射光子的方向，而且还起到辐射防护屏蔽的作用，防止射线泄露照射其他区域及范围，保障测量安全可靠进行。该系统张角范围为0°≤θ≤180°，θ＝0°时张角为一准直小孔，光子沿小孔出射，完成点对点的小范围测量，如图2所示：

所述探测系统接收经介质作用散射回来的高能光子并将其转变为电脉冲信号，包含但不限于气体电离探测器、半导体探测器、正比探测器以及闪烁体探测器、微通道板探测器，其中最为常用的有NaI闪烁体探测器。

所述统计处理系统完成对探测系统产生的电脉冲信号的统计分析和处理，根据距离与统计信号之间如下关系可以反推得到探测点与被测量体之间的距离：

L＝D*EXP*(A+B*X+C*X²)

上式中L为测量点与被测体之间的距离，X为信号强度(计数率)，D、A、B、C为不同环境使用的标定参量。

本发明提出的高能光子测量距离流程如图3所示。

本发明提出的高能光子测量距离原理如图4所示(0°≤θ≤180°)：

上图4中源体发射系统和发射角度设定系统，用于在特定角度和方向上发射高能光子；发射的高能光子与被测介质发生作用并返回，探测系统以及统计处理系统，用于收集统计以及处理光子信号；L是测量位置与被测介质间的距离。源体发射系统发出的高能光子经过发射角度设定系统的调制后，沿特定角度θ出射，到达界面后与界面介质发生康普顿散射，部分光子将散射返回，到达探测系统被记录并转换为电信号，信号传达至计数统计系统进行统计分析，并根据前文公式反推出距离L。

本发明提出的高能光子测量距离方法可以实现点对点的距离测量，也可以实现点对面的距离测量。点对点测距如图5所示，此时发射角度θ设定为0°，高能光子垂直射向被测介质，在位置①、位置②和位置③分别进行测量。实施例1中界面凸起和凹陷的几何尺寸为20cm*20cm*20cm，测量点距离被测面整体距离为3m，实施例1所测结果如图6所示，不同位置测量结果不同，因而能够反映各探测点到被测点的距离：

点对面测距如图7和图8所示，此时发射角度设定系统有一定张角(案例中张角θ＝120°)，高能光子以锥形束射向被测介质，在位置①、位置②和位置③分别进行测量。图7实施例2中界面凸起和凹陷的几何尺寸为20cm*20cm*20cm，图8实施例3中波浪直径为Ф＝20cm，测量点距离被测面整体距离为L＝3m，案例所测结果如图9所示，不同位置测量结果相同，此时反应测量点到被测物表面的平均距离L。

本发明提出的高能光子测量距离方法可以实现测量平面与被测物体或介质面之间的相对倾斜角度的测量。在测量平面中心布置高能光子源，周围对称布置探测处理系统，如图10所示：

当探测平面与被探测平面之间没有相对角度倾斜时，图中4个对称的探测系统信号强度一致，否则其中的探测处理系统将显现出信号强度的差异，并以此可以推断判定测量平面与被测平面之间的倾斜方式以及倾斜角度。

将测量平面相对被测平面沿X轴方向倾斜时第一探测处理器1和第三探测处理器3相对于水平位置不变，其信号强度也一致，而第二探测处理器2和第四探测处理器4则出现相对位置一高一低，其中信号强度强的探测器与被测界面靠近，而信号强度弱的与被测界面远离；将测量平面相对被测平面沿Z轴方向倾斜时,第二探测处理器2和第四探测处理器4相对于水平位置不变，其信号强度也一致，而第一探测处理器1和第三探测处理器3则出现相对位置一高一低，其中信号强度强的探测器与被测界面靠近，而信号强度弱的与被测界面远离。

图11展示了被探测平面相对探测平面沿X轴顺时针倾斜一定角度时的位置关系，可以看出2号和4号探测器不在同一距离平面上，因而两个探测器计数会根据倾斜程度而产生差异，倾斜程度越大差异也越大。

根据上述倾斜方式，图12展示了当被探测平面相对探测平面沿X轴顺时针(a)和逆时针(b)转动时探测系统中1、2、3、4号探测器信号强度的情况，从图中可以看出倾斜角度越大时，对应对称的(图中2、4号探测器)信号强度差异越大，说明该方法不仅可以判断测量平面和被测平面相对倾斜方式，还可以反推计算出相对倾斜角度或坡度。

本发明提出的采用高能光子散射计数率进行复杂环境精确测距的方法，不仅可以完成各种复杂恶劣环境下点对点距离精确测量、局部区域地形逐点扫描，点对面平均距离测量以及测量面和被测面之间的相对倾角测量,而且可以根据任务需要，选定一个较大发射角，先进行被测物体或界面整体区域内平均距离的测量，再不断减小发射角对区域内进行局部精确测量，同时结合点对点测量方式可以得到被测物体或界面的详细表面形貌；采用探测系统对称几何布局，可以测量装置相对被测界面的倾斜角度。这种综合测量技术方法有助于实现对未知环境、复杂恶劣环境等地形地貌的探测。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种采用高能光子进行复杂环境下精确测距的系统，其特征在于，包括高能光子发射源系统、发射角度设定系统、探测系统以及统计处理系统；

所述高能光子发射源系统是发射高能光子的组件，包括X射线管、钴Co-60伽玛源、铯Cs-137伽玛源、锌Zn-65伽玛源、汞Hg-203伽玛源、铈Ce-141伽玛源，源体发出的高能光子波长范围为：＜0.01微米；

所述发射角度设定系统是高阻挡屏蔽材料组成的用于约束光子出射方向及出射角度的结构组件，选用的屏蔽材料包括重金属铅钨玻璃、有机玻璃、树脂/纳米铅复合材料、稀土合金复合材料、参固体屏蔽剂的混合纤维材料；该组件校准出射光子的方向，而且还起到辐射防护屏蔽的作用，防止射线泄露照射其他区域及范围，保障测量安全可靠进行；

所述探测系统接收经介质作用散射回来的高能光子并将其转变为电脉冲信号，包含气体电离探测器、半导体探测器、正比探测器以及闪烁体探测器、微通道板探测器；

所述统计处理系统完成对探测系统产生的电脉冲信号的统计分析和处理，根据距离与统计信号之间如下关系；反推得到探测点与被测量体之间的距离：

L＝D*EXP*(A+B*X+C*X2)

上式中L为测量点与被测体之间的距离，X为信号强度，D、A、B、C为不同环境使用的标定参量；

所述采用高能光子进行复杂环境下精确测距的系统根据任务需要，选定一个较大发射角，先进行被测物体或界面整体区域内平均距离的测量，再不断减小发射角对区域内进行局部精确测量，同时结合点对点测量方式得到被测物体或界面的详细表面形貌；采用所述探测系统对称几何布局，测量装置相对被测界面的倾斜角度。

2.根据权利要求1所述的采用高能光子进行复杂环境下精确测距的系统，其特征在于，所述高能光子发射源系统为点源、面源、柱形源、体型源，或者是球形源。

3.根据权利要求1所述的采用高能光子进行复杂环境下精确测距的系统，其特征在于，所述发射角度设定系统的张角范围为0°≤θ≤180°，θ＝0°时张角为一准直小孔，光子沿小孔出射，完成点对点的小范围测量。

4.一种采用高能光子进行复杂环境下精确测距的方法，其特征在于，包括如下步骤：源体发射系统发出的高能光子经过发射角度设定系统的调制后，沿特定角度θ出射，到达界面后与界面介质发生康普顿散射，部分光子将散射返回，到达探测系统被记录并转换为电信号，信号传达至计数统计系统进行统计分析，并根据公式L＝D*EXP*(A+B*X+C*X2)，反推出距离L；

上式中L为测量点与被测体之间的距离，X为信号强度，D、A、B、C为不同环境使用的标定参量。

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