CN107884805A - 一种射源定位的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种射源定位的方法与装置，包括步骤：S1：在第一位置处测量闪烁晶体阵列的第一计数率组；S2：利用第一计数率组计算射源相对于闪烁晶体阵列的第一相对角度；S3：将闪烁晶体阵列移动至第二位置处；S4：在第二位置处测量闪烁晶体阵列的第二计数率组；S5：利用第二计数率组计算射源相对于闪烁晶体阵列的第二相对角度，第二相对角度的计算方法与步骤S2相同；S6：利用第一相对角度和第二相对角度计算射源的相对位置坐标。该装置包括闪烁晶体阵列、与闪烁晶体阵列耦合的硅光电倍增器阵列、与硅光电倍增器阵列通信连接的多路计数模块、与多路计算模块通信连接的计算模块以及屏幕。本发明能以低成本实现高效率的射源定位。
Description
技术领域
本发明涉及一种辐射探测的方法与工具，更具体地涉及一种射源定位的方法及装置。
背景技术
随着核技术的发展和广泛应用，核泄漏以及意外公众照射事件频频发生，遗失的放射源或泄露的核物质会发出X、γ、α、β等电离辐射，这些电离辐射会对附近的人体组织造成伤害，由于遗失射源的位置未知，搜寻和定位遗失的放射源的过程中也具有较高的危险性，因此，急需要一种小巧、方便的设备以快速完成射源定位工作，降低搜寻人员受到意外照射的危险。
现有技术中也有多种实现射源定位的方法或者装置，比如，CN104460671B中公开了一种三维空间中的放射源交叉定位方法及系统，该方法包括：利用空中机器人在核辐射区域飞行所采集的环境信息，初步定位放射源污染区域；控制空中机器人进入初步定位的放射源污染区域飞行，重定位放射源污染区域；控制空中机器人进入重定位的放射源污染区域飞行，定位放射源在空中的位置；控制陆地机器人进入与放射源在空中的位置相对应的陆地处，精确定位放射源。显然，该方法中无论是空中机器人还是陆地机器人均需对检测区域进行地毯式搜寻，其理论依据为辐射场符合辐射点源距离平方反比关系，可以通过辐射强度的测量值的大小来定位射源的位置。但是，该种搜索模式效率较低，测量周期过长，可能让不知情人员长期暴漏于危险的电离辐射中，而且使用机器人实现测量，成本高，设备体积大，不灵活。
CN105277963A公开了一种三维空间γ放射源定位搜寻装置和方法，其包括上位机和平台底座，平台底座上竖直设有一带刻度的支撑杆，支撑杆上设有一能上下移动的圆形托盘，托盘表面同轴设有一旋转台，旋转台上表面设有探测器组，探测器组由数个沿托盘径向均匀分布的探测器构成，平台底座能够水平移动、控制圆形托盘上下移动和旋转台的水平移动。该装置采用圆盘形状的探测器阵列，通过多次旋转测量比对探测器阵列的测量值，确定射源的角度，再通过变换测量位置，来确定射源的相对位置，该圆盘式结构的设备体积大，确定射源的角度需要多次测量，效率较低。
CN102788989B公开了一种用于伽马放射源定位仪的伽马相机及其伽马放射源定位仪，其采用γ相机直接对搜寻区域进行拍照成像，虽然能够实现较高的探测精度，但是γ相机成本非常高，而且γ相机成像视野小、探测效率较低。
因此，急需一种低成本、高效率的便携式射源探测设备及方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种射源定位的方法及装置，从而解决现有技术中射源定位成本高、探测效率低的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种射源定位的方法及装置，该方法包括步骤：
步骤S1：在第一位置处测量闪烁晶体阵列的第一计数率组；
步骤S2：利用所述第一计数率组计算射源相对于所述闪烁晶体阵列的第一相对角度；
步骤S3：将所述闪烁晶体阵列移动至第二位置处；
步骤S4：在所述第二位置处测量所述闪烁晶体阵列的第二计数率组；
步骤S5：利用所述第二计数率组计算所述射源相对于所述闪烁晶体阵列的第二相对角度，所述第二相对角度的计算方法与所述步骤S2相同；
步骤S6：利用所述第一相对角度和所述第二相对角度计算所述射源的相对位置坐标。
根据本发明的一个优选实施例，所述闪烁晶体阵列包括至少2×2个紧密排列的闪烁晶体条，相邻的所述闪烁晶体条之间涂覆反射物质。
根据本发明的一个优选实施例，所述闪烁晶体条对于设定目标能量的射线的探测效率介于30％～70％之间。
根据本发明的一个优选实施例，所述闪烁晶体阵列中最靠近所述射源的所述闪烁晶体条的计数率和最远离所述射源的所述闪烁晶体条的计数率的比值介于2～5之间。
根据本发明的一个优选实施例，在所述步骤S1或所述步骤S4中，所述闪烁晶体阵列放置于所述第一位置或所述第二位置处时，所述闪烁晶体阵列的截面方向与水平面平行，所述闪烁晶体阵列的高度方向与水平面垂直。
根据本发明的一个优选实施例，所述闪烁晶体阵列放置的高度距离地面不少于30cm，所述闪烁晶体阵列移动的水平距离不小于1m。
根据本发明的一个优选实施例，以所述闪烁晶体阵列为基准建立XOY坐标系，所述第一相对角度的计算方法为：
α＝arctan[(cy-2.5)/(cx-2.5)]，
cx＝∑(ai·xi)/N，
cy＝∑(ai·yi)/N，
其中，α为所述第一相对角度，(cx，cy)为计数率重心，i为介于1至所述闪烁晶体阵列的闪烁晶体条的个数之间的自然数，xi、yi是第i个闪烁晶体条在XOY坐标系中对应的坐标，ai为所述第一计数率组中第i个闪烁晶体条的计数率。
根据本发明的一个优选实施例，在所述步骤S6中，所述射源的相对位置坐标通过下式计算：
x＝L/[1+(tanα+tanβ)]，
y＝L/[(1/tanα)+(1/tanβ)]，
其中，所述相对位置坐标为(x，y)，L为所述闪烁晶体阵列移动的水平距离，β为所述第二相对角度。
该射源定位的装置包括：
闪烁晶体阵列，所述闪烁晶体阵列包括多根闪烁晶体条，所述闪烁晶体阵列用于将待测射线转换为可见光；
硅光电倍增器阵列，所述硅光电倍增器阵列与所述闪烁晶体阵列耦合以接收并将所述可见光转换为闪烁脉冲信号；
多路计数模块，所述多路计数模块与所述硅光电倍增器阵列通信连接以根据所述闪烁脉冲信号计算所述闪烁晶体阵列中各个所述闪烁晶体条的计数率；
计算模块，所述计算模块与所述多路计数模块通信连接以根据所述计数率数据计算所述射源相对于所述闪烁晶体阵列的相对位置坐标；
屏幕，所述屏幕与所述计算模块通信连接以显示所述相对位置坐标。
根据本发明的一个优选实施例，所述闪烁晶体阵列包括至少2×2个截面为正方形的闪烁晶体条，所述闪烁晶体条之间涂覆反射物质。
根据本发明的一个优选实施例，所述计算模块为单片微型计算机。
本发明提供的射源定位的方法使用闪烁晶体阵列单次测量即可完成射源的角度识别，再通过多次测量完成射源的定位，能够快速实现X、γ射源的搜寻定位。本发明提供的射源定位的装置不仅体积小、成本低，而且能够高效率的完成射源的定位。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的射源定位的方法的步骤示意图；
图2是根据图1的射源定位的方法的闪烁晶体阵列的截面示意图；
图3是根据图1的射源定位的方法的射源定位角度的原理示意图；
图4是根据图1的射源定位方法的射源位置确定的原理示意图；
图5是根据图1的射源定位的装置的示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。
如图1所示，本发明提供的射源定位的方法包括如下步骤：
步骤S1：在第一位置处测量闪烁晶体阵列的第一计数率组；
步骤S2：利用第一计数率组计算射源相对于闪烁晶体阵列的第一相对角度；
步骤S3：将闪烁晶体阵列移动至第二位置处；
步骤S4：在第二位置处测量闪烁晶体阵列的第二计数率组；
步骤S5：利用第二计数率组计算射源相对于闪烁晶体阵列的第二相对角度；
步骤S6：利用第一相对角度和第二相对角度计算射源的相对位置坐标。
在上述步骤S1中，采用的闪烁晶体阵列如图2所示，闪烁晶体阵列10包括4×4个紧密排列的闪烁晶体条101～116，图2中各个闪烁晶体条的截面均采用正方形，本领域技术人员应当理解，闪烁晶体条的截面还可以采用其他规则或者不规则的形状，比如圆形截面、长方形截面、梯形截面等，在此不再赘述。相邻的各个闪烁晶体条之间涂覆反射物质，反射物质一方面可以反射可见光，使闪烁晶体条内的可见光不能透射出去，另一方面可以减少光损失，从而提高探测精度。在进行探测时，当X、γ射线穿过闪烁晶体条时，其在闪烁晶体条内部并不是被均匀吸收的，闪烁晶体条靠近射源方向的一部分会探测到更多的X、γ射线，随着X、γ射线穿过闪烁晶体条的行程的增加，越来越多的X、γ射线被闪烁晶体条吸收，因此，闪烁晶体条中探测到的X、γ射线沿着射源方向成梯度分布，从而进一步可通过不同位置的闪烁晶体条所探测到的X、γ射线数量获取与射源方向相关的信息。
需要注意的是，选择闪烁晶体条的尺寸和种类时需要考虑闪烁晶体条的屏蔽吸收作用，闪烁晶体条的尺寸和线衰减系数应当满足常见医疗、工业领域使用射源、射线装置的X、γ射线的探测需求，优选地，对于确定尺寸和线衰减系数的闪烁晶体条，其对于目标能量的射线的探测效率应该介于30％～70％之间。线衰减系数表示射线在物质中穿过单位距离时被吸收的几率，探测效率＝exp(-线衰减系数/闪烁晶体条厚度)，因此，闪烁晶体条的尺寸和线衰减系数与探测效率直接相关，可通过探测效率合理的确定闪烁晶体条的尺寸和线衰减系数。若闪烁晶体条的尺寸和线衰减系数过大，将会造成X、γ射线均在闪烁晶体条更靠近射源的一端被吸收，远离射源的闪烁晶体条的一端的计数率过低，使定位计算无法进行；若闪烁晶体条的尺寸和线衰减系数较小，将会使各闪烁晶体条内的计数率没有明显差异，无法准确进行定位计算。优选地，闪烁晶体阵列中最靠近射源的闪烁晶体条的计数率和最远离射源的闪烁晶体条的计数率的比值介于2～5之间，从而便于精准的识别射源的位置和闪烁晶体阵列之间的夹角。更优选地，最靠近射源的闪烁晶体条的探测效率不应低于30％，否则远端闪烁晶体条的计数率过低，定位计算的偏差过大。更优选地，闪烁晶体条的高度不应超过闪烁晶体条的宽度的5倍以避免过度的光损失造成的测量误差。
进一步地，由图3结合图4可知，在上述步骤S1中，测量第一计数率组时，需将闪烁晶体阵列10水平放置于第一位置A处，闪烁晶体阵列10放置的高度应距离地面不低于30cm，闪烁晶体阵列10的正方形截面方向与水平面平行，同时使闪烁晶体阵列10的高度方向与水平面垂直，闪烁晶体阵列10的高度方向即为闪烁晶体条的高度方向，然后测量第一位置A处闪烁晶体阵列10的第一计数率组a1～a16，其中，a1为图2中第一根闪烁晶体条101的计数率，a2为图2中第二根闪烁晶体条102的计数率，依次类推，a16为图2中第十六根闪烁晶体条116的计数率。需要注意的是，计数率为单位时间内闪烁晶体条内记录到的射线的数量。
在上述步骤S2中，使用第一计数率组的数据a1～a16计算射源60相对于闪烁晶体阵列10的角度的具体方法为：如图3所示，以闪烁晶体阵列10最远离射源60的闪烁晶体条113的边缘为基准建立XOY坐标，显然，XOY平面为水平面，θ为射源60与平行于X轴的竖直平面之间的夹角，整个闪烁晶体阵列10的计数率重心(cx，cy)通过下式计算：
其中，i为介于1-16之间的自然数，xi、yi是第i个单个闪烁晶体条在坐标系中对应的坐标，比如，对于图3所示的闪烁晶体阵列，第一根闪烁晶体条101对应的坐标为(x1＝1，y1＝4)，第二根闪烁晶体条102对应的坐标为(x2＝2，y2＝4)，依次类推，第十五个闪烁晶体条115的坐标为(x15＝3，y15＝1)，第十六个闪烁晶体条116对应的坐标为(x16＝4，y16＝1)；N是闪烁晶体阵列10的总计数率，即各个闪烁晶体条的计数率之和，N＝Σai。
进一步地，可计算射源60的方向向量为(cx-2.5，cy-2.5)。
进一步地，通过射源60的方向向量计算射源60相对于闪烁晶体阵列10的第一相对角度α(此时θ＝α)为：
α＝arctan[(cy-2.5)/(cx-2.5)]。
在上述步骤S3中，将闪烁晶体阵列10从第一位置A处移动至第二位置B处时，第一位置A和第二位置B并不需要保持在同一水平面上，但是第一位置A和第二位置B之间的水平距离应当不小于1m。
在上述步骤S4中，测量闪烁晶体阵列10在第二位置B处的第二计数率组b1～b16的方法与步骤S1相同，在此不再赘述。
在上述步骤S5中，利用第二计数率组b1～b16计算射源60相对于闪烁晶体阵列10的第二相对角度β(此时θ＝β)的方法与步骤S2相同，在此不再赘述。
在上述步骤S6中，通过下式计算射源60相对于XOY坐标系原点的相对位置坐标(x，y)：
x＝L/[1+(tanα+tanβ)]，
y＝L/[(1/tanα)+(1/tanβ)]。
图5为根据图1的射源定位装置的示意图，由图5可知，本发明提供的射源定位装置包括闪烁晶体阵列10、硅光电倍增器(SiPM)阵列20、多路计数模块30、单片微型计算机(MCU)40以及屏幕50，其中，闪烁晶体阵列10包括至少2×2个截面为正方形的单根闪烁晶体条，闪烁晶体阵列10可吸收X、γ射线并将其转换为可见光，闪烁晶体阵列10的各个闪烁晶体条之间涂覆反射物质以反射可见光；闪烁晶体阵列10与硅光电倍增器阵列20耦合，硅光电倍增器阵列20可将上述可见光转换为闪烁脉冲信号；硅光电倍增器阵列20进一步与多路计数模块30通信连接，多路计数模块30接收上述闪烁脉冲信号并分别计算闪烁晶体阵列10中各个闪烁晶体条所对应的计数率；多路计数模块30进一步与单片微型计算机40通信连接，单片微型计算机40接收并根据上述计数率数据计算闪烁晶体阵列10的计数率重心、射源60的方向向量以及射源60相对于闪烁晶体阵列10的相对角度，进一步通过多次测量可根据不同位置处射源60相对于闪烁晶体阵列10的相对角度计算射源60的相对位置坐标，具体计算步骤及方法与上述步骤S1-步骤S6相同，在此不再赘述。
值得注意的是，本发明提供的射源定位的方法及装置，可以通过多次测量计算射源的位置坐标，并不局限于两次测量，测量次数越多精确度越高。本发明使用的闪烁晶体阵列还可采用2×2、3×3、4×4个闪烁晶体条等布置形式，优选地，当采用4×4个闪烁晶体条的布置形式时可获得最优位置坐标。
本发明提供的射源定位的方法及装置，无需转动探测器等操作，仅需两次测量即可获取准确射源位置，射源角度测量方便快捷。本发明提供的射源定位装置，仅需采用一组闪烁晶体阵列，而且利用SiPM作为光电转换器件，相比于传统的光电倍增管(PMT)体积更小，并且无需设置圆盘、机器人控制器、电脑等设备，仅一台探测器即可完成测量，设备体积小巧更便于使用，同时极大地降低了检测成本。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (10)
1.一种射源定位的方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
步骤S1：在第一位置处测量闪烁晶体阵列的第一计数率组；
步骤S2：利用所述第一计数率组计算射源相对于所述闪烁晶体阵列的第一相对角度；
步骤S3：将所述闪烁晶体阵列移动至第二位置处；
步骤S4：在所述第二位置处测量所述闪烁晶体阵列的第二计数率组；
步骤S5：利用所述第二计数率组计算所述射源相对于所述闪烁晶体阵列的第二相对角度，所述第二相对角度的计算方法与所述步骤S2相同；
步骤S6：利用所述第一相对角度和所述第二相对角度计算所述射源的相对位置坐标。
2.根据权利要求1所述的射源定位的方法，其特征在于，所述闪烁晶体阵列包括至少2×2个紧密排列的闪烁晶体条，相邻的所述闪烁晶体条之间涂覆反射物质。
3.根据权利要求2所述的射源定位的方法，其特征在于，所述闪烁晶体条对于设定目标能量的射线的探测效率介于30％～70％之间。
4.根据权利要求2所述的射源定位的方法，其特征在于，所述闪烁晶体阵列中最靠近所述射源的所述闪烁晶体条的计数率和最远离所述射源的所述闪烁晶体条的计数率的比值介于2～5之间。
5.根据权利要求1所述的射源定位的方法，其特征在于，在所述步骤S1或所述步骤S4中，所述闪烁晶体阵列放置于所述第一位置或所述第二位置处时，所述闪烁晶体阵列的截面方向与水平面平行，所述闪烁晶体阵列的高度方向与水平面垂直。
6.根据权利要求1所述的射源定位的方法，其特征在于，所述闪烁晶体阵列放置的高度距离地面不少于30cm，所述闪烁晶体阵列移动的水平距离不小于1m。
7.根据权利要求1所述的射源定位的方法，其特征在于，以所述闪烁晶体阵列为基准建立XOY坐标系，所述第一相对角度的计算方法为：
α＝arctan[(cy-2.5)/(cx-2.5)]，
cx＝∑(ai·xi)/N，
cy＝∑(ai·yi)/N，
其中，α为所述第一相对角度，(cx，cy)为计数率重心，i为介于1至所述闪烁晶体阵列的闪烁晶体条的个数之间的自然数，xi、yi是第i个闪烁晶体条在XOY坐标系中对应的坐标，ai为所述第一计数率组中第i个闪烁晶体条的计数率。
8.根据权利要求7所述的射源定位的方法，其特征在于，在所述步骤S6中，所述射源的相对位置坐标通过下式计算：
x＝L/[1+(tanα+tanβ)]，
y＝L/[(1/tanα)+(1/tanβ)]，
其中，所述相对位置坐标为(x，y)，L为所述闪烁晶体阵列移动的水平距离，B为所述第二相对角度。
9.一种根据权利要求1所述的射源定位方法的射源定位的装置，其特征在于，所述装置包括：
闪烁晶体阵列，所述闪烁晶体阵列包括多根闪烁晶体条，所述闪烁晶体阵列用于将待测射线转换为可见光；
硅光电倍增器阵列，所述硅光电倍增器阵列与所述闪烁晶体阵列耦合以接收并将所述可见光转换为闪烁脉冲信号；
多路计数模块，所述多路计数模块与所述硅光电倍增器阵列通信连接以根据所述闪烁脉冲信号计算所述闪烁晶体阵列中各个所述闪烁晶体条的计数率；
计算模块，所述计算模块与所述多路计数模块通信连接以根据所述计数率数据计算所述射源相对于所述闪烁晶体阵列的相对位置坐标；
屏幕，所述屏幕与所述计算模块通信连接以显示所述相对位置坐标。
10.根据权利要求9所述的射源定位的装置，其特征在于，所述闪烁晶体阵列包括至少2×2个截面为正方形的闪烁晶体条，所述闪烁晶体条之间涂覆反射物质。
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