CN108931803A - 一种无线定位电子个人辐射剂量仪及包含其的监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于辐射监控技术领域，涉及一种无线定位电子个人辐射剂量仪及包含其的监测系统。所述的剂量仪包括电源模块、探测器模块、单片机模块和无线定位模块，所述的电源模块用于给所述的探测器模块、单片机模块和无线定位模块供电；所述的探测器模块用于测量被监测人员的辐射剂量；所述的无线定位模块用于对被监测人员进行定位；所述的单片机模块用于控制所述的探测器模块和所述的无线定位模块的各项功能，并将所述的探测器模块的测量数据与所述的无线定位模块的定位数据实时通过无线定位模块发送给后台监控计算机。利用本发明的剂量仪及包含其的监测系统，能够在实时测量人员所受辐射剂量的基础上对人员进行定位，并实时上传测量与定位信息。

Description

一种无线定位电子个人辐射剂量仪及包含其的监测系统
技术领域
本发明属于辐射监控技术领域，涉及一种无线定位电子个人辐射剂量仪及包含其的监测系统。
背景技术
无论是核设施的日常运行、退役还是应急，核辐射现场工作人员都不可避免会受到一定水平的职业照射，因此必须有效地控制他们接受辐射的水平。对受辐射工作人员的个人剂量监测作为保护工作人员的一项重要手段，是对工作人员健康安全的重要保证，对于降低其职业照射风险非常重要。工作人员佩戴个人辐射剂量仪是个人辐射剂量监测的重要途径(以下如无特别说明，本文的剂量/剂量率均指外照射Hp(10)剂量当量/当量率)。
个人辐射剂量仪主要分为两大类：一类是被动式的，此类剂量仪通常只能记录累积剂量，探测下限较高，不能从剂量仪直接读数，对于使用和存放都有一定的要求，热释光(TLD)辐射剂量仪是目前广泛使用的被动式剂量仪；另一类是主动式的，电子个人辐射剂量仪(直读式个人辐射剂量仪)是目前广泛使用的主动式剂量仪。区别于被动式剂量仪，主动式剂量仪的主要优点是探测下限较低，能实时给出剂量率和累积剂量的读数，并具有报警功能。
由于被动式剂量仪无法直接读数，而主动式剂量仪通常与控制区出入控制系统和个人剂量管理系统等相关联，目前国内外的辐射防护体系通常要求作业人员同时佩戴被动式和主动式两个剂量仪，被动式用于记录较长时间(如一次大修工期)内的累积辐射剂量，主动式用于单次作业中的辐射剂量控制。因此核辐射现场的辐射防护最优化工作与个人辐射剂量控制主要依赖于主动式的电子式个人辐射剂量仪(如无特别说明，本文的个人辐射剂量仪均指代电子式个人X、γ辐射剂量仪)。
目前现有的电子个人辐射剂量仪工作方法如下：工作人员进入控制区前领取个人辐射剂量仪，输入辐射防护作业许可相关号码激活并初始化剂量仪，作业许可相关的剂量报警阈值等信息自动输入到剂量仪；作业过程中剂量仪测量人员所受辐射累积剂量和剂量率，其中任一数值超过预设阈值即发出报警，工作人员需撤离控制区；工作人员离开控制区时，剂量仪读取器自动将本次作业所受剂量、最大剂量、工作时间等信息上传至个人剂量管理系统。
可见，目前的电子个人辐射剂量仪，只有被监测人员能实时了解自己的剂量信息，而对于辐射防护监管人员则不是实时的，只有在被监测人员进出控制区时剂量数据才能被剂量管理系统和辐射防护监管人员获知。这种个人辐射剂量监测方式导致辐射监管人员无法实时监控作业过程，当发生被监测人员超剂量报警阈值等事件时，无法第一时间获知并采取措施，往往“只知剂量不知过程不知原因”，需要采取作业过程调查、同班组人员调查等繁琐且滞后的措施才能分析判断剂量报警原因。
发明内容
本发明的首要目的是提供一种无线定位电子个人辐射剂量仪，以能够在实时测量人员所受辐射剂量的基础上对人员进行定位，并实时上传测量与定位信息。
为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种无线定位电子个人辐射剂量仪，所述的剂量仪包括电源模块、探测器模块、单片机模块和无线定位模块，
所述的电源模块用于给所述的探测器模块、单片机模块和无线定位模块供电；
所述的探测器模块用于测量被监测人员的辐射剂量；
所述的无线定位模块用于对被监测人员进行定位；
所述的单片机模块用于控制所述的探测器模块和所述的无线定位模块的各项功能，并将所述的探测器模块的测量数据与所述的无线定位模块的定位数据实时通过无线定位模块发送给后台监控计算机。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种无线定位电子个人辐射剂量仪，其中所述的无线定位的技术为ZigBee、WiFi、UWB(Ultra Wide-band，即超宽带)或CSS(ChirpSpread Spectrum，即线性调频扩频)无线定位技术。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种无线定位电子个人辐射剂量仪，其中所述的电源模块包括直流电源和稳压电路，所述的直流电源经过所述的稳压电路稳压后分为相互独立的两路输出，一路为所述的单片机模块和所述的无线定位模块供电，一路为所述的高压变换电路供电，以有效避免无线信号与探测器模块之间的电磁干扰。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种无线定位电子个人辐射剂量仪，其中所述的探测器模块包括G-M计数管与信号采集电路，所述的G-M计数管用于测量被监测人员的辐射剂量，所述的信号采集电路用于将所述的G-M计数管输出的电荷脉冲经滤波、整形、放大后输出成所述的单片机模块可捕捉的方波脉冲信号。
在一种更加优选的实施方案中，本发明提供一种无线定位电子个人辐射剂量仪，其中所述的高压变换电路用于将所述的直接电源提供的1.5-3.5伏特的直流电压转换成探测器模块工作所需的几百伏特的电压，并提供给所述的G-M计数管。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种无线定位电子个人辐射剂量仪，其中所述的无线定位模块包括无线定位芯片与天线，其中所述的无线定位芯片用于与无线定位基站通信建立无线定位局域网，实现无线定位和远程数据传输功能；所述的天线用于放大所述的无线定位芯片发送和接收无线电波的功率，提高无所述的线定位芯片工作时的稳定性。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种无线定位电子个人辐射剂量仪，其中所述的无线定位芯片为CSS无线定位芯片。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种无线定位电子个人辐射剂量仪，其中所述的天线为2.4GHz天线。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种无线定位电子个人辐射剂量仪，其中所述的单片机模块包括单片机、SPI接口、USART接口、通用I/O接口、可编程LCD、可编程按键、蜂鸣报警器。
本发明的第二个目的是提供一种个人辐射剂量监测系统，以能够在实时测量人员所受辐射剂量的基础上对人员进行定位，并实时上传测量与定位信息。
为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种个人辐射剂量监测系统，其基于无线定位技术，包括：
部署在辐射监测区域的无线定位基站；
根据以上所述的电子个人辐射剂量仪，所述的无线定位模块与所述的无线定位基站共同进行被监测人员的定位；
与计算机相连的无线信号收发器，用于接收所述的无线定位模块实时上传的被监测人员的定位信息与接受辐射剂量信息。
本发明的有益效果在于，利用本发明的无线定位电子个人辐射剂量仪及包含其的监测系统，能够在实时测量人员所受辐射剂量的基础上对人员进行定位，并实时上传测量与定位信息。本发明的无线定位电子个人辐射剂量仪及包含其的监测系统解决了现有电子个人辐射剂量仪不具有定位功能，仅当人员离开控制区时才上传本次作业所受剂量的问题，从而使辐射防护监管人员能够远程实时监控现场作业状况，降低了监管人员工作量，提高了作业安全性。
附图说明
图1为示例性的本发明的无线定位电子个人辐射剂量仪的结构组成图。
图2为示例性的包含本发明的无线定位电子个人辐射剂量仪的个人辐射剂量监测系统的组成图。
图3为包含本发明的无线定位电子个人辐射剂量仪的个人辐射剂量监测系统的工作原理示意图。
图4为示例性的无线定位测距方法原理示意图。
图5为具体实施方式中监控软件的界面图。
图6为具体实施方式中无线定位方法的原理示意图。
图7为具体实施方式中定位精度测试结果图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
示例性的本发明的无线定位电子个人辐射剂量仪的结构组成如图1所示，示例性的包含本发明的无线定位电子个人辐射剂量仪的个人辐射剂量监测系统的组成如图2所示，包含本发明的无线定位电子个人辐射剂量仪的个人辐射剂量监测系统的工作原理如图3所示。
1、个人辐射剂量监测系统组成
如图2所示，本发明的主体是具有无线定位模块的电子个人辐射剂量仪，同时剂量仪的无线定位功能需要如下配套设备：无线定位基站，信号收发器，监控计算机(安装监控软件)。
电子个人辐射剂量仪包含如下组件：辐射探测器、直流电源、稳压电路、信号成型与计数电路、无线定位芯片、天线、单片机与外围部件等。图1是电子个人辐射剂量仪的结构组成图。其中，直流电源用于提供探测器模块(即G-M计数管模块)、单片机模块和无线定位模块工作所需电源；X、γ探测器(即G-M计数管)用于接收X、γ射线并输出电荷信号，无线定位芯片及天线(即CSS无线定位芯片与2.4GHz天线)用于接收和发送无线信号。高压变换电路用于将直流电源提供的1.5-3.5伏特的直流电压转换成G-M计数管工作所需的几百伏特的电压。信号采集电路用于将G-M计数管输出的电荷脉冲经滤波、整形、放大后输出成单片机模块可捕捉的方波脉冲信号。单片机模块(即单片机及外围电路)通过烧写嵌入式程序来进行剂量率测量以及控制无线定位模块的各项功能，单片机通过SPI高速串行端口读取或写入无线定位芯片数据来接收和发送无线信号，通过定时器/计数器的信号捕捉端口来接收信号采集电路输出的方波脉冲并对其计数。在设计中，直流电源经过电压转换电路稳压后分为相互独立的两路输出，一路为单片机模块和无线定位模块供电，一路为高压变换电路供电，有效避免了无线信号与辐射探测器之间的电磁干扰。
无线定位基站的结构框架与剂量仪类似，主要区别在于无线定位基站没有辐射测量模块，增加了对外数据传输的接口，同时定位基站采用外部供电。这是因为无线定位基站需要时刻保持良好的信号覆盖，因此基站采用外置天线设计且发射功率较高，这会导致基站的功耗较高，故基站采用外部供电。
2、个人辐射剂量测量
本发明使用G-M计数管作为辐射探测器。G-M计数管是一种气体探测器，具有灵敏度高、输出信号脉冲电荷量大的特点。带电粒子只要能够进入其灵敏体积，就几乎一定能记录下来，测量和记录电路相对简单，抗电子学噪声、抗外界电磁场干扰的能力强。
本发明的无线定位电子个人辐射剂量仪在工作时需要不停收发高频无线电信号，这些信号不可避免地会在探测器输出信号中引入电磁感应噪声，使用G-M计数管能有效减少噪声影响、避免噪声被放大。
剂量仪工作时，G-M计数管每探测到一个进入灵敏体积的射线，便会输出一个电荷脉冲，该电荷脉冲经过脉冲成型电路后形成一个具有一定高度上升沿的电压脉冲，从而计数电路捕捉电压脉冲的上升沿形成相应的方波脉冲，并直接输送到单片机模块的IO端口，由单片机记录单位时间接收到的脉冲个数(即计数率)，计数率与个人剂量当量率的关系通过刻度实验得出。
3、无线定位
本发明的核心是室内无线定位，无线定位技术有多种，如ZigBee、Wifi、蓝牙等。不同无线定位技术有不同的优缺点和适用范围，本发明基于CSS无线定位技术。CSS是ChirpSpread Spectrum的简称，即线性调频扩频技术。从信号特征上来说，CSS信号是一种扩频信号，发送脉冲信号的瞬时频率，在一个信息周期T内会进行线性的频率调整，并扫过一定的带宽。CSS信号采用了脉冲压缩技术，使得接收脉冲能量非常集中，接收机端可以直接捕获脉冲压缩，检测信号，提高了抗干扰和多路径效应能力，因此可以获得较高的定位精度。CSS信号在时域和频域上同时被扩展，使得信号频谱密度降低，又因为采用脉冲压缩技术，信号通过匹配滤波器获得较大的处理增益，使得整体功耗较低。
本发明使用基于CSS技术的无线定位芯片以及高精度的时钟电路(精度可达1ns)，结合对称双边双向测距方法可以实现1米左右的定位精度。与TOA(Time Of Arrival，指的是信号从发送方传播到接受方所需的时间间隔)、TDOA(Time Difference of Arrival，不同基站之间信号的到达时间差)等基于时间测量的定位方法类似，对称双边双向测距定位方法同样是通过信号传播时间来测量节点之间的距离，不同的是，对称双边双向测距方法不需要节点之间的时间同步。如图4所示，信号从无线定位个人辐射剂量仪发送到定位基站，紧接着由定位基站返回剂量仪，剂量仪和定位基站分别测量各自的发送、接收时间差，因此不需要基站、剂量仪之间的时间同步。剂量仪和定位基站测量到的时间差相减，即为信号往返传播所消耗的时间，与信号传播速度相乘即可得到信号往返传播距离，两次测量取平均值，得到最终测距结果。当剂量仪与至少三个基站完成测距之后，即可根据测距结果和已知的基站坐标使用定位算法计算出剂量仪的坐标。
4、应用举例
上述示例性的本发明的个人辐射剂量监测系统具体应用举例如下。
1)具有无线定位模块的电子个人辐射剂量仪的结构组成
探测器模块使用玻壳不锈钢阴极G-M计数管作为探测器，阴极尺寸为玻壳为为G-M计数管提供工作电压的高压电路为脉宽-频率自动调整电路，由多谐振荡器、高压变换器、整流器等组成，多谐振荡器产生振荡的脉冲信号驱动高压电路升压，整流后产生340V左右的高压，作为驱动G-M计数管工作的高压电源。
无线定位芯片为nanoPAN5375射频芯片，该模块内置了射频收发常用的20dBm功放、带通滤波器等元件，是集成度高、体积小的CSS无线定位芯片。
控制模块使用AVR RISC架构的低功耗ATmega1280单片机，具有128KbFLASH和4KbSRAM。ATmega1280与nanoPAN无线定位芯片通过SPI高速接口连接，ATmega1280通过读取和写入SPI接口数据完成接收和发送无线信号的功能。单片机通过定时器/计数器的输入捕捉端口接收主放大器输出的脉冲信号，并对其进行计数、计算和存储，并完成按键响应、蜂鸣器报警控制、LCD显示等功能。
使用1节1.7V锂电池作为直流电源，通过一枚DC-DC(直流-直流)转换芯片稳压后转换成3.3V直流并分为两路输出，一路供给GM计数管，而另外一路供给ATmega1280单片机和无线定位模块使用，达到共地的效果，减小了无线定位芯片与G-M计数管之间的电磁干扰。信号采集电路输出的脉冲连接到ATmega1280定时器/计数器的输入捕捉端口，由ATmega1280完成脉冲计数和剂量率计算。
2)软件与实现方法
软件系统主要由烧录到ATmega1280单片机中的嵌入式软件和安装到监控计算机上的监控软件两部分组成。嵌入式软件负责控制探测器模块和无线定位模块完成各自功能，监控软件负责控制整套系统的运行，接收、处理监测数据，并完成人员位置和剂量的图形化显示，软件界面如图5所示。
3)位置坐标计算
如图6所示，理想情况下，以基站为原点，以基站与剂量仪的距离为半径作圆，三个基站对应的圆交于一点，即可求得剂量仪的坐标。实际中，由于测距存在误差，三个圆很可能没有唯一的交点，此时便需要借助专门的定位算法来给出剂量仪坐标的估计值。本发明使用基于卡尔曼滤波原理的定位坐标算法，设置合适的参数，实现了较好的定位效果。
4)个人辐射剂量监测系统性能测试
在房间内选取了25个参考点并准确测定其坐标，与监控软件给出的定位坐标相比较，结果如图7所示，其中横坐标为定位精度(定位给出的坐标和约定真值之间的偏差)的区间最大值，可以看出定位精度不超过1米的置信度为92％，定位精度不超过1.2米的置信度为96％。
同时在测量了8个参考点的剂量率，与参考辐射装置给出的参考值相比较，结果如表1所示，相对偏差在15％以内。
表1 辐射剂量率测量测试结果
综上所述，本发明可以实现个人辐射剂量和个人位置的远程实时监测，同时定位精度和剂量监测的精度均满足需求。因此，本发明的无线定位电子个人辐射剂量仪及包含其的监测系统是具有创新性和独特功能性的核设施现场个人辐射剂量仪及包含其的监测系统。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种无线定位电子个人辐射剂量仪，其特征在于，所述的剂量仪包括电源模块、探测器模块、单片机模块和无线定位模块，
所述的电源模块用于给所述的探测器模块、单片机模块和无线定位模块供电；
所述的探测器模块用于测量被监测人员的辐射剂量；
所述的无线定位模块用于对被监测人员进行定位；
所述的单片机模块用于控制所述的探测器模块和所述的无线定位模块的各项功能，并将所述的探测器模块的测量数据与所述的无线定位模块的定位数据实时通过无线定位模块发送给后台监控计算机。
2.根据权利要求1所述的剂量仪，其特征在于：所述的无线定位的技术为ZigBee、WiFi、UWB或CSS无线定位技术。
3.根据权利要求1所述的剂量仪，其特征在于：所述的电源模块包括直流电源和稳压电路，所述的直流电源经过所述的稳压电路稳压后分为相互独立的两路输出，一路为所述的单片机模块和所述的无线定位模块供电，一路为所述的高压变换电路供电。
4.根据权利要求1所述的剂量仪，其特征在于：所述的探测器模块包括G-M计数管与信号采集电路，所述的G-M计数管用于测量被监测人员的辐射剂量，所述的信号采集电路用于将所述的G-M计数管输出的电荷脉冲经滤波、整形、放大后输出成所述的单片机模块可捕捉的方波脉冲信号。
5.根据权利要求4所述的剂量仪，其特征在于：所述的探测器模块还包括高压变换电路，所述的高压变换电路用于将所述的直接电源提供的直流电压转换成探测器模块工作所需的几百伏特的电压，并提供给所述的G-M计数管。
6.根据权利要求1所述的剂量仪，其特征在于：所述的无线定位模块包括无线定位芯片与天线。
7.根据权利要求6所述的剂量仪，其特征在于：所述的无线定位芯片为CSS无线定位芯片。
8.根据权利要求6所述的剂量仪，其特征在于：所述的天线为2.4GHz天线。
9.根据权利要求1所述的剂量仪，其特征在于：所述的单片机模块包括单片机、SPI接口、USART接口、通用I/O接口、可编程LCD、可编程按键、蜂鸣报警器。
10.一种个人辐射剂量监测系统，其基于无线定位技术，包括：
部署在辐射监测区域的无线定位基站；
根据权利要求1-9任意一项所述的电子个人辐射剂量仪，所述的无线定位模块与所述的无线定位基站共同进行被监测人员的定位；
与计算机相连的无线信号收发器，用于接收所述的无线定位模块实时上传的被监测人员的定位信息与接受辐射剂量信息。
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