CN112711056A - 一种无人机辐射环境剂量监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机辐射环境剂量监测系统，包括：剂量探测采集装置和地面装置；剂量探测采集装置包括剂量探测单元、数据采集单元、GPS信号获取单元、主控制器、无线数传图传模块和摄像头；地面装置包括依次通信连接的地面数传图传模块、HDMI采集卡、工控机和显示屏；剂量探测单元包括两个探头，每个探头包括一个大体积塑料闪烁体、一个小体积塑料闪烁体和两个光电倍增器件；还包括晶体箱和铅屏蔽装置，数据采集单元、GPS信号获取单元、主控制器、无线数传图传模块和摄像头安装于晶体箱上层的铅屏蔽装置内，剂量探测转置安装于晶体箱下层；本发明满足了在高低辐射环境时，对辐射环境剂量的准确测量，同时确保了系统宽量程的剂量测量范围。

Description

一种无人机辐射环境剂量监测系统

技术领域

本发明涉及辐射监测领域，特别涉及一种无人机辐射环境剂量监测系统。

背景技术

伽马射线又称γ射线，是由原子衰变裂解时放出。具有波长极短，穿透力很强，携带高能量，易造成生物体细胞内的DNA断裂进而引起细胞突变、造血功能缺失、癌症等疾病。实时监控伽马能，可以有效防止伽马射线的危害。目前对伽马射线的监测主要是采用地面监测技术，主要是布设多个探头来进行监测，探头太多，会导致维护不便，且工作人员在维护设备时，可能会接触到放射性物质，影响工作人员健康。由于设备局限，不能进行大范围的监控，且很多恶劣环境地带也无法监测到。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种无人机辐射环境剂量监测系统，达到在高低辐射环境时保障测量环境剂量的准确性的目的。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种无人机辐射环境剂量监测系统，包括剂量探测采集装置和地面装置；

剂量探测采集装置用于探测辐射环境并计算相应的环境剂量，将所得信息发送给地面装置，其包括剂量探测单元、数据采集单元、GPS信号获取单元、主控制器和无线数传图传模块，数据采集单元分别与剂量探测单元、主控制器、无线数传图传模块和GPS信号获取单元通信连接；

地面装置，用于接收剂量探测采集装置传输过来的信息并进行显示，其包括依次通信连接的地面数传图传模块、HDMI采集卡、工控机和显示屏，无线数传图传模块与地面数传图传模块通信连接。

本发明的有益效果是：

高效的探头设计，采用大体积塑料闪烁体加小体积塑料闪烁体的结构，确保了系统宽量程的剂量测量范围，特有的晶体箱结构以及铅屏蔽装置，保证系统部件在高辐射环境中不会因为辐照而停止工作，本系统的电路在设计时采用冗余设计，保证系统在高辐射环境中系统的安全性，地面装置集中汇集处理信息，便于用户高效的使用。

进一步地，剂量探测单元包括两个相同的探头，每个探头包括一个大体积塑料闪烁体、一个小体积塑料闪烁体和两个相同的光电倍增器件(PMT)，每个光电倍增器件分别与大体积塑料闪烁体和小体积塑料闪烁体连接。

该进一步方案的有益效果是：塑料闪烁体是在基质中加入发光物质高温聚合而成的一种闪烁体，具有光学衰减长度长、时间响应快、光输出大的优点，能与通用的光电倍增管匹配在射线照射下，它能发出荧光，可用于α、β、γ、快中子、质子、宇宙射线及裂变碎片等的探测。所以采用大体积塑料闪烁体加小体积塑料闪烁体结合的方式实现在同一辐射环境中进行伽马剂量测量，确保了系统宽量程的剂量测量范围。

进一步地，剂量探测采集装置还包括摄像头；摄像头与分别主控制器和无线数传图传模块通信连接。

该进一步方案的有益效果是：摄像头用于获取实时环境图像，通过无线数传图传模块传输至地面装置，便于地面用户实时监控周围环境。

进一步地，数据采集单元包括脉冲计数电路和电流采集电路；脉冲计数电路在低辐射环境时，将剂量探测单元输出的信号进行放大、比较和成形操作处理后，通过主控制器计算测量环境的剂量；电流采集电路在高辐射环境时，采集剂量探测单元输出信号的电压幅值，进行I/V变化和A/D转换操作处理后，通过主控制器计算测量环境的剂量。

该进一步方案的有益效果是：当低辐射环境时，通过脉冲计数电路计算环境剂量，当高辐射环境时，通过电流采集电路计算环境剂量。

更进一步地，脉冲计数电路中：端口P1的引脚1接地，端口P1的引脚2连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端分别连接二极管D4的负极、二极管D3的正极和芯片U4的引脚3；芯片U4的引脚4分别连接电阻R7一端和电阻R6一端，电阻R7的另一端接地，电阻R6的另一端连接电阻R4；芯片U4的引脚5分别连接电感L2、接地电容C9和接地电容C10；芯片U4的引脚2分别连接电感L1、接地电容C1和接地电容C2；芯片U4的引脚1连接电阻R4的一端；电阻R4的另一端分别连接二极管D2的正极、二极管D5的负极、运算放大器U2的引脚4和运算放大器U6的引脚4；运算放大器U2的引脚2接入5V电压，引脚2接地，引脚1连接芯片U1A的引脚1；运算放大器U6的引脚2接入5V电压，引脚5接地，引脚1连接芯片U5的引脚8；芯片U1A的引脚2和引脚4接入5V电压，引脚5连接芯片U3的引脚2，引脚6接地；芯片U5的引脚1连接电容C3的一端，电容C3的另一端连接电阻R5的一端；芯片U5的引脚2连接电阻R5的另一端，引脚3连接电容C3的另一端，引脚4接入5V电压，引脚5、引脚6和引脚7接地，引脚14接入5V电压，引脚11连接芯片U1A的引脚3，引脚10连接芯片U3的引脚1，引脚13、引脚12和引脚9接地；芯片U3的引脚5接入5V电压，引脚3接地，引脚4连接电阻R1的一端；电R1的另一端分别连接二极管D1的正极和电阻R2的一端。

更进一步地，电流采集电路中：端口P1的引脚1接地，引脚2连接电阻R5的一端；电阻R5的另一端分别连接电阻R3的一端和运算放大器U2的引脚4，电阻R3的另一端连接电阻R6的一端；运算放大器U2的引脚3接地，引脚2分别连接接地电容C5和负电源VEE，引脚5分别连接接地电容C2和电源VDD，引脚1连接电阻R6的一端；电阻R6的另一端分别连接运算放大器U1的引脚4、电阻R8的一端和电容C8的一端；运算放大器U1的引脚3接地，引脚5分别连接接地电容C4和电源电压VDD，引脚2分别连接接地电容C1和负电源VEE，引脚1分别连接运算放大器U3A的引脚3、电阻R8的另一端和电容C8的另一端；运算放大器U3A的引脚2分别接入滑动电阻R9的滑动端和电容C7的一端；滑动电阻R9的一端连接电源VDD，另一端接地，电容C7的另一端接地；运算放大器U3A的引脚5分别连接电阻R7的一端和电容C6的一端，电阻R7另一端连接电源VDD，电容C6的另一端接地；芯片U3A的引脚1分别连接端口P2的引脚1和电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接接地电容C3，接地电容C3分别连接电阻R1的一端、电阻R2的一端和稳压二极管D1的负极；电阻R1的另一端连接电源VDD，R2的另一端连接电源VDD，稳压二极管D1的正极接地；端口P2的引脚2接地；端口P3的引脚1分别连接电容C10的一端和电感L1的一端，电感L1的另一端分别连接电容C11的一端、电容C9的一端和电源VDD；端口P3的引脚2分别连接电容C10的另一端、电容C13的一端、C11的另一端、电容C14的一端、电容C9的另一端和电容C12的一端并接地；端口P3的引脚3分别连接电容C13的另一端和电感L2的一端，电感L2的另一端分别连接电容C14的另一端、电容C12的另一端和负电源VEE。

进一步地，剂量探测单元、数据采集单元、GPS信号获取单元、主控制器、无线数传图传模块和摄像头安装于晶体箱内；晶体箱采用一体化结构，分为上下两层；数据采集单元、GPS信号获取单元、主控制器、无线数传图传模块和摄像头安装于晶体箱上层，剂量探测单元安装于晶体箱下层。

更进一步地，晶体箱上层安装有铅屏蔽装置，铅屏蔽装置采用3层结构，最里层和最外层为钢，中间为铅；数据采集单元、GPS信号获取单元、主控制器和无线数传图传模块安装于铅屏蔽装置的最里层内，被铅屏蔽装置包围。

该更进一步方案的有益效果是：晶体箱和铅屏蔽装置的结构，用以屏蔽环境辐射，保证系统部件在高辐射环境中不会因为辐照而停止工作。

附图说明

图1为无人机辐射环境剂量监测系统结构示意图；

图2为本发明中的脉冲计数电路示意图；

图3为本发明中的电流采集电路示意图；

图4为本发明中的晶体箱结构示意图；

图5为本发明中的铅屏蔽装置结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种无人机辐射环境剂量监测系统，包括剂量探测采集装置和地面装置；

剂量探测采集装置用于探测辐射环境并计算相应的环境剂量，将所得信息发送给地面装置，其包括剂量探测单元、数据采集单元、GPS信号获取单元、主控制器和无线数传图传模块，数据采集单元分别与剂量探测单元、主控制器、无线数传图传模块和GPS信号获取单元通信连接；

地面装置，用于接收剂量探测采集装置传输过来的信息并进行显示，其包括依次通信连接的地面数传图传模块、HDMI采集卡、工控机和显示屏，无线数传图传模块与地面数传图传模块通信连接。

剂量探测单元进行辐射环境探测，并将所得信息发送至数据采集单元，数据采集单元联合主控制器计算得出环境剂量，之后通过无线数传图传将信息发送至地面数传图传。地面数传图传通过HDMI采集卡将信息传输至主控机，最后显示在显示屏上，方便用户观察并操作。

本发明实施例中，剂量探测单元包括两个相同的探头，每个探头包括一个大体积塑料闪烁体、一个小体积塑料闪烁体和两个相同的光电倍增器件，每个光电倍增器件分别与大体积塑料闪烁体和小体积塑料闪烁体连接。

采用的大体积塑料闪烁体的体积为40cm*20cm*5cm，小体积塑料闪烁体的体积为1cm*1cm*1cm，采用大体积塑料闪烁体加小体积塑料闪烁体结合的方式实现在同一辐射环境中进行伽马剂量测量时，大体积塑料闪烁体的探测效率远远大于小体积的塑料闪烁体，因此大体积塑料闪烁体发出的光子远远多于小体积塑料闪烁体发出的光子数，从而造成后续电路的堵塞，导致计数偏低，进而得到的环境剂量偏低。因此设计了对应的判断电路，判断大体积塑料闪烁体和小体积塑料闪烁体采集到的计数，并设定相应的阈值，当大体积塑料闪烁体计数超过阈值时，就采用小体积塑料闪烁体的计数率计算剂量；当小体积塑料闪烁体计数超过阈值时，改变采集方法计算剂量，确保了系统宽量程的剂量测量范围。

本发明实施例中，剂量探测采集装置还包括摄像头；摄像头与分别主控制器和无线数传图传模块通信连接。

本发明实施例中，数据采集单元包括脉冲计数电路和电流采集电路；脉冲计数电路在低辐射环境时，将剂量探测单元输出的信号进行放大、比较和成形操作处理后，通过主控制器计算测量环境的剂量；电流采集电路在高辐射环境时，采集剂量探测单元输出信号的电压幅值，进行I/V变化和A/D转换操作处理后，通过主控制器计算测量环境的剂量。

脉冲计数电路先对剂量探测单元输出的信号进行放大、比较、成形，再在数据处理中心进行计数，最后通过标定公式计算出测量环境的计数；并且数据处理中心在计数时会判断计数是否超过设定阈值，若超过则为高辐射环境，之后就通过电流采集电路采集电流的幅值计算环境剂量，直接采集信号的电压幅值进行A/D转换，最后在数据处理中心通过标定公式进行计算得到测量环境的剂量。

本发明实施例中，如图2所示的脉冲计数电路：端口P1的引脚1接地，端口P1的引脚2连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端分别连接二极管D4的负极、二极管D3的正极和芯片U4的引脚3；芯片U4的引脚4分别连接电阻R7一端和电阻R6一端，电阻R7的另一端接地，电阻R6的另一端连接电阻R4；芯片U4的引脚5分别连接电感L2、接地电容C9和接地电容C10；芯片U4的引脚2分别连接电感L1、接地电容C1和接地电容C2；芯片U4的引脚1连接电阻R4的一端；电阻R4的另一端分别连接二极管D2的正极、二极管D5的负极、运算放大器U2的引脚4和运算放大器U6的引脚4；运算放大器U2的引脚2接入5V电压，引脚2接地，引脚1连接芯片U1A的引脚1；运算放大器U6的引脚2接入5V电压，引脚5接地，引脚1连接芯片U5的引脚8；芯片U1A的引脚2和引脚4接入5V电压，引脚5连接芯片U3的引脚2，引脚6接地；芯片U5的引脚1连接电容C3的一端，电容C3的另一端连接电阻R5的一端；芯片U5的引脚2连接电阻R5的另一端，引脚3连接电容C3的另一端，引脚4接入5V电压，引脚5、引脚6和引脚7接地，引脚14接入5V电压，引脚11连接芯片U1A的引脚3，引脚10连接芯片U3的引脚1，引脚13、引脚12和引脚9接地；芯片U3的引脚5接入5V电压，引脚3接地，引脚4连接电阻R1的一端；电R1的另一端分别连接二极管D1的正极和电阻R2的一端。

本发明实施例中，如图3所示的电流采集电路：端口P1的引脚1接地，引脚2连接电阻R5的一端；电阻R5的另一端分别连接电阻R3的一端和运算放大器U2的引脚4，电阻R3的另一端连接电阻R6的一端；运算放大器U2的引脚3接地，引脚2分别连接接地电容C5和负电源VEE，引脚5分别连接接地电容C2和电源VDD，引脚1连接电阻R6的一端；电阻R6的另一端分别连接运算放大器U1的引脚4、电阻R8的一端和电容C8的一端；运算放大器U1的引脚3接地，引脚5分别连接接地电容C4和电源电压VDD，引脚2分别连接接地电容C1和负电源VEE，引脚1分别连接运算放大器U3A的引脚3、电阻R8的另一端和电容C8的另一端；运算放大器U3A的引脚2分别接入滑动电阻R9的滑动端和电容C7的一端；滑动电阻R9的一端连接电源VDD，另一端接地，电容C7的另一端接地；运算放大器U3A的引脚5分别连接电阻R7的一端和电容C6的一端，电阻R7另一端连接电源VDD，电容C6的另一端接地；芯片U3A的引脚1分别连接端口P2的引脚1和电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接接地电容C3，接地电容C3分别连接电阻R1的一端、电阻R2的一端和稳压二极管D1的负极；电阻R1的另一端连接电源VDD，R2的另一端连接电源VDD，稳压二极管D1的正极接地；端口P2的引脚2接地；端口P3的引脚1分别连接电容C10的一端和电感L1的一端，电感L1的另一端分别连接电容C11的一端、电容C9的一端和电源VDD；端口P3的引脚2分别连接电容C10的另一端、电容C13的一端、C11的另一端、电容C14的一端、电容C9的另一端和电容C12的一端并接地；端口P3的引脚3分别连接电容C13的另一端和电感L2的一端，电感L2的另一端分别连接电容C14的另一端、电容C12的另一端和负电源VEE。

本发明实施例中，剂量探测单元、数据采集单元、GPS信号获取单元、主控制器、无线数传图传模块和摄像头安装于如图4所示的晶体箱内；晶体箱采用一体化结构，分为上下两层；数据采集单元、GPS信号获取单元、主控制器和无线数传图传模块安装于晶体箱上层，剂量探测单元安装于晶体箱下层。

本发明实施例中，晶体箱上层安装有如图5所示的铅屏蔽装置，铅屏蔽装置采用3层结构，最里层和最外层为钢，中间层为铅；数据采集单元、GPS信号获取单元、主控制器和无线数传图传模块安装于铅屏蔽装置的最里层内。

采用铅屏蔽装置用以屏蔽环境辐射，保证系统部件在高辐射环境中不会因为辐照而停止工作。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种无人机辐射环境剂量监测系统，其特征在于，包括剂量探测采集装置和地面装置；

所述剂量探测采集装置用于探测辐射环境并计算相应的环境剂量，将所得信息发送给所述地面装置，其包括剂量探测单元、数据采集单元、GPS信号获取单元、主控制器和无线数传图传模块，所述数据采集单元分别与所述剂量探测单元、所述主控制器、所述无线数传图传模块和所述GPS信号获取单元通信连接；

所述地面装置，用于接收所述剂量探测采集装置传输过来的信息并进行显示，其包括依次通信连接的地面数传图传模块、HDMI采集卡、工控机和显示屏，所述无线数传图传模块与所述地面数传图传模块通信连接。

2.根据权利要求1所述的无人机辐射环境剂量监测系统，其特征在于，所述剂量探测单元包括两个相同的探头，每个探头包括一个大体积塑料闪烁体、一个小体积塑料闪烁体和两个相同的光电倍增器件，每个所述光电倍增器件分别与所述大体积塑料闪烁体和所述小体积塑料闪烁体连接。

3.根据权利要求2所述的无人机辐射环境剂量监测系统，其特征在于，所述剂量探测采集装置还包括摄像头；所述摄像头与分别所述主控制器和所述无线数传图传模块通信连接。

4.根据权利要求3所述的无人机辐射环境剂量监测系统，其特征在于，所述数据采集单元包括脉冲计数电路和电流采集电路；所述脉冲计数电路在低辐射环境时，将所述剂量探测单元输出的信号进行放大、比较和成形操作处理后，通过所述主控制器计算测量环境的剂量；所述电流采集电路在高辐射环境时，采集所述剂量探测单元输出信号的电压幅值，进行I/V变化和A/D转换操作处理后，通过所述主控制器计算测量环境的剂量。

5.根据权利要求4所述的无人机辐射环境剂量监测系统，其特征在于，所述脉冲计数电路中：端口P1的引脚1接地，所述端口P1的引脚2连接电阻R3的一端，所述电阻R3的另一端分别连接二极管D4的负极、二极管D3的正极和芯片U4的引脚3；所述芯片U4的引脚4分别连接电阻R7一端和电阻R6一端，所述电阻R7的另一端接地，所述电阻R6的另一端连接电阻R4；所述芯片U4的引脚5分别连接电感L2、接地电容C9和接地电容C10；所述芯片U4的引脚2分别连接电感L1、接地电容C1和接地电容C2；所述芯片U4的引脚1连接所述电阻R4的一端；所述电阻R4的另一端分别连接二极管D2的正极、二极管D5的负极、运算放大器U2的引脚4和运算放大器U6的引脚4；所述运算放大器U2的引脚2接入5V电压，引脚2接地，引脚1连接芯片U1A的引脚1；所述运算放大器U6的引脚2接入5V电压，引脚5接地，引脚1连接芯片U5的引脚8；所述芯片U1A的引脚2和引脚4接入5V电压，引脚5连接芯片U3的引脚2，引脚6接地；所述芯片U5的引脚1连接电容C3的一端，所述电容C3的另一端连接电阻R5的一端；所述芯片U5的引脚2连接所述电阻R5的另一端，引脚3连接所述电容C3的另一端，引脚4接入5V电压，引脚5、引脚6和引脚7接地，引脚14接入5V电压，引脚11连接所述芯片U1A的引脚3，引脚10连接所述芯片U3的引脚1，引脚13、引脚12和引脚9接地；所述芯片U3的引脚5接入5V电压，引脚3接地，引脚4连接电阻R1的一端；所述电R1的另一端分别连接二极管D1的正极和电阻R2的一端。

6.根据权利要求4所述的无人机辐射环境剂量监测系统，其特征在于，所述电流采集电路中：端口P1的引脚1接地，引脚2连接电阻R5的一端；所述电阻R5的另一端分别连接电阻R3的一端和运算放大器U2的引脚4，所述电阻R3的另一端连接电阻R6的一端；所述运算放大器U2的引脚3接地，引脚2分别连接接地电容C5和负电源VEE，引脚5分别连接接地电容C2和电源VDD，引脚1连接所述电阻R6的一端；所述电阻R6的另一端分别连接运算放大器U1的引脚4、电阻R8的一端和电容C8的一端；所述运算放大器U1的引脚3接地，引脚5分别连接接地电容C4和电源电压VDD，引脚2分别连接接地电容C1和负电源VEE，引脚1分别连接运算放大器U3A的引脚3、所述电阻R8的另一端和所述电容C8的另一端；所述运算放大器U3A的引脚2分别接入滑动电阻R9的滑动端和电容C7的一端；所述滑动电阻R9的一端连接电源VDD，另一端接地，所述电容C7的另一端接地；所述运算放大器U3A的引脚5分别连接电阻R7的一端和电容C6的一端，所述电阻R7另一端连接电源VDD，所述电容C6的另一端接地；所述芯片U3A的引脚1分别连接端口P2的引脚1和电阻R4的一端，所述电阻R4的另一端连接接地电容C3，所述接地电容C3分别连接电阻R1的一端、电阻R2的一端和稳压二极管D1的负极；所述电阻R1的另一端连接电源VDD，所述R2的另一端连接电源VDD，所述稳压二极管D1的正极接地；所述端口P2的引脚2接地；端口P3的引脚1分别连接电容C10的一端和电感L1的一端，所述电感L1的另一端分别连接电容C11的一端、电容C9的一端和电源VDD；所述端口P3的引脚2分别连接所述电容C10的另一端、电容C13的一端、所述C11的另一端、电容C14的一端、所述电容C9的另一端和电容C12的一端并接地；所述端口P3的引脚3分别连接所述电容C13的另一端和电感L2的一端，所述电感L2的另一端分别连接所述电容C14的另一端、所述电容C12的另一端和负电源VEE。

7.根据权利要求5或6所述的无人机辐射环境剂量监测系统，其特征在于，所述剂量探测单元、所述数据采集单元、所述GPS信号获取单元、所述主控制器、所述无线数传图传模块和所述摄像头安装于晶体箱内；所述晶体箱采用一体化结构，分为上下两层；所述数据采集单元、所述GPS信号获取单元、所述主控制器、所述无线数传图传模块和所述摄像头安装于所述晶体箱上层，所述剂量探测单元安装于所述晶体箱下层。

8.根据权利要求7所述的无人机辐射环境剂量监测系统，其特征在于，所述晶体箱上层安装有铅屏蔽装置，所述铅屏蔽装置采用3层结构，最里层和最外层为钢，中间层为铅；所述数据采集单元、所述GPS信号获取单元、所述主控制器和所述无线数传图传模块安装于所述铅屏蔽装置的最里层内。

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