CN112904402B - 航空γ能谱测量质量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种航空γ能谱测量质量控制方法，包括以下步骤：S1滑动窗口的建立；S2窗口中谱数据累加；S3滑动窗口宽度的确定；S4能量分辨率和峰漂的分析计算；S5航空γ能谱测量质量控制结果统计。本发明可实现对按测点对航空γ能谱测量的探测能量分辨率和峰漂进行精细评价，避免采用架次起飞前后地面静态测试和整架次或整条测线累加谱数据评价空中数据质量存在的检验不全面的缺陷；每个测点上均给出探测器能量分辨率和峰漂信息，达到细化质量评价的目的，能够发现空中部分测点数据出现的能量分辨率异常或峰漂过大等质量问题。

Description

航空γ能谱测量质量控制方法

技术领域

本发明属于航空γ能谱测量技术领域，具体涉及一种航空γ能谱测量质量控制方法。

背景技术

现行航空γ能谱测量质量控制方法之一是通过每架次飞行前(早)和飞行后(晚)的地面静态测试来统计探测器能量分辨率和峰漂。每架次飞行前用¹³⁷Cs源进行系统探测器能量分辨率早测试，用²⁰⁸Tl源进行能谱峰位早测试，统计飞行前系统探测器的能量分辨率和能谱峰漂；每架次飞机落地后进行晚测试，方法与早测试相同，统计飞行后的探测器能量分辨率和能谱峰漂。通过飞行前后静态测试统计的能量分辨率和能谱峰漂来判别空中飞行过程中能谱仪系统的工作状态及空中数据质量。该方法通过每架次早晚静态测试的探测器能量分辨率和能谱峰漂间接评价系统空中动态测量的状态及数据的质量，只能达到推测的目的，并不是直接对空中测量过程能谱仪系统的工作状态及空中采集数据质量的直接分析评价，分析结果可能存在误差。

现有技术二是累加空中整架次或整条测线上各测点的多道谱数据，通过分析累加的多道谱数据来检查探测器能量分辨率和峰漂。由于航空γ能谱测量周期为1s，在单个测量周期内谱数据计数率较低，存在较大的统计涨落，谱线中各特征峰不成形，通过单个测量周期采集的多道谱数据不能准确分析探测器能量分辨率和能谱峰漂，因此技术二对整个架次或整条测线累加的多道谱数据进行分析，该方法只能获取整架次或某条测线上大量测点探测器能量分辨率和能谱峰漂的平均值，而不能具体分析各测点上的详细性能指标，并且可能由于分析累加的多道谱数据而掩盖个别测点上的信息，单测点或部分测点上出现的谱线漂移或探测器能量分辨率异常信息容易被湮没，不能及时发现其中存在的质量问题。

发明内容

本发明为较全面详细地对航空γ能谱测量的数据进行质量评价，采用滑动窗口数据处理方法，对航空γ能谱测量的原始数据进行分析，每个测点上均给出探测器能量分辨率和能谱峰漂信息，实现对各测点数据质量评价和精细质量控制的目的。具体的技术方案为：

航空γ能谱测量质量控制方法，包括以下步骤：

S1滑动窗口的建立

每架次测量飞行结束后，按测量顺序回放各测点的航空多道γ能谱数据，构建滑动窗口。窗口滑动方法是按测量顺序依次选择窗口的起始点，而窗口宽度为根据窗口中所有测点累加谱谱线成型情况动态调整的奇数(2n+1)个连续测点。

每处理完一个窗口的数据包之后，窗口起始点由上一测点更新为下一测点，窗口宽度则根据累加谱谱线成形情况重新确定，然后继续处理更新后的窗口数据包，以此类推。

S2窗口中谱数据累加

窗口中所有测点的多道γ能谱数据累加；

其中2n+1为窗口宽度；i为测点在窗口中的序号，i＝1，2，....，2n+1；a_ij为窗口中第i个测点的第j道能谱数据，D_j为窗口累加谱数据的第j道能谱数据；

S3滑动窗口宽度的确定

第1个滑动窗口宽度初始值设置为61，从第2个滑动窗口开始后续窗口宽度初始值设置为上一滑动窗口的宽度；设定²⁰⁸Tl2.62MeVγ射线特征峰能量范围为2.41MeV～2.89MeV，对窗口中所有测点累加的多道谱数据的²⁰⁸Tl2.62MeVγ射线特征峰以公式2-2函数进行最小二乘曲线拟合，以拟合优度系数R²作为累加谱的特征峰是否成形的判定条件，当拟合优度的确定系数R²＜0.9，以2为增量继续增加窗口宽度，反复上述流程直到R²≥0.9，窗口宽度则达到特征峰成形要求，可对该窗口累加谱数据进行探测器能量分辨率和峰漂分析。

窗口依次滑动处理，当窗口中最后一个测点达到整架次的最后一个测点时，该窗口为最后一个滑动窗口，不进行R²判断，直接对该窗口累加谱数据进行能量分辨率和峰漂分析。

S4能量分辨率和峰漂的分析计算

R_k和P_k分别表示第k个滑动窗口累加谱数据计算所得的基于²⁰⁸Tl2.62MeV特征峰的探测器能量分辨率和峰漂：

P_k＝Ch_pk-Ch_set＝b-Ch_set (公式2-4)

其中Ch_pk为实测的特征峰峰位，Ch_set为设定的系统理论峰位，b为²⁰⁸Tl的2.62MeVγ射线特征峰采用公式2-2进行曲线拟合所得的系数，代表解算的特征峰实际峰位；FWHM为²⁰⁸Tl的2.62MeV特征峰净峰半高宽；

在每个滑动窗口中构建权重因子模型，第k个滑动窗口(窗口宽度为2n+1)中各测点权重值计算公式为2-5：

其中

表示整架次的第m个测点在第k个滑动窗口中的权重因子，i为第m个测点在该窗口中的序号，i＝1,2,…,2n+1；

每个滑动窗口分析计算所得的探测器能量分辨率和峰漂值乘以该窗口中各测点的权重值作为各测点处探测器能量分辨率和峰漂计算的中间值；第k个滑动窗口中整架次的第m个测点能量分辨率和峰漂计算中间值为：

其中

和

分别表示整架次的第m个测点在第k个滑动窗口中能量分辨率和峰漂计算的中间值；

单个测点参与多个滑动窗口探测器能量分辨率和峰漂的计算，可获得多个中间值，各测点探测器能量分辨率和峰漂的最终确定通过多个计算中间值加权归一来实现：

其中Re_m和Pk_m分别为第m个测点处探测器能量分辨率和峰漂的计算结果，第m个测点从第k₁个窗口到第k₂个窗口均参与能量分辨率和峰漂的计算。

S5航空γ能谱测量质量控制结果统计

整个飞行架次的各测点处探测器能量分辨率及峰漂信息采用分档统计方式进行统计，对航空γ能谱数据质量进行直观评价。

本发明可实现按测点对航空γ能谱测量过程中探测器能量分辨率和峰漂进行精细分析，避免采用架次起飞前后地面静态测试和整架次或整条测线累加谱数据评价空中数据质量存在的检验不全面的缺陷；每个测点上均给出探测器能量分辨率和峰漂信息，达到细化质量评价的目的，能够发现空中部分测点数据出现的能量分辨率异常或峰漂过大等质量问题。

附图说明

图1为实施例的航空γ能谱测量质量控制数据滑动窗口的建立；

图2为实施例的2.62MeVγ射线特征峰及多道γ能谱全谱图(以256道谱数据为例)；

图3为实施例的2.62MeVγ射线特征峰曲线拟合(以256道谱数据为例)；

图4为实施例的基于2.62MeVγ射线特征峰能量分辨率计算示意图(以256道谱数据为例)；

图5为实施例的窗口中各测点权重值分布图(以窗口宽度为61个测点为例)；

图6为实施例的某架次测点上探测器能量分辨率(基于²⁰⁸Tl的2.62MeV特征峰)分布直方图；

图7为实施例的某架次测点上峰漂(²⁰⁸Tl的2.62MeV特征峰峰漂)分布直方图。

具体实施方式

结合实施例说明本发明的具体技术方案。

航空γ能谱测量质量控制方法，包括以下步骤：

S1滑动窗口的建立

每架次测量飞行结束后，按测量顺序回放各测点的航空多道γ能谱数据，由于单点谱数据计数较低，存在明显的统计涨落影响，依次回放的单测点能谱数据无法达到谱线成形的数据处理要求，因此构建滑动窗口,累加每个窗口中各测点的多道谱数据，通过分析累加谱数据来解算探测器能量分辨率和多道谱数据峰漂信息。

滑动窗口的移动方法是按测量顺序依次选择窗口的起始点，而窗口宽度根据累加谱的谱线成型情况进行动态调整，保证窗口内各测点累加的多道谱数据能准确分析出探测器能量分辨率和峰漂；每次处理完一个滑动窗口的数据包之后，滑动窗口起始点由上一测点更新为下一测点，窗口宽度则根据累加谱谱线成形情况重新确定，继续处理更新后的窗口数据包，如图1所示，以此类推实现窗口数据的更新及窗口中累加谱数据的分析，将整架次的航空γ能谱数据分解为短小的批处理。

滑动窗口的序号与窗口起始测点序号一致，例如第k个滑动窗口的起始测点为第k个测点。为便于后期数据处理设置滑动窗口宽度为奇数个测点，即2n+1个连续的测点数据，窗口宽度根据累加谱成形情况动态调整。

S2滑动窗口中谱数据累加

在滑动窗口(窗口宽度为2n+1)中所有测点的多道谱数据累加；

其中i为测点在窗口中的序号，i＝1,2,....,2n+1；d_ij为窗口中第i个测点的第j道能谱数据，D_j为窗口累加谱数据的第j道计数，以256道谱数据为例，j＝1,2,3,…,256。

S3数据分析的滑动窗口宽度的确定

对滑动窗口中的谱数据进行分析的前提是保证窗口中累加的多道谱数据达到谱峰成形的要求，即能够准确进行能量分辨率和峰漂分析。因此滑动窗口的宽度根据累加的多道谱数据来确定，为便于后期数据处理设置滑动窗口宽度为奇数(2n+1)个测点。

地质调查领域的航空γ能谱测量主要通过⁴⁰K的1.47MeV、²¹⁴Bi的1.764MeV和²⁰⁸Tl的2.62MeVγ射线探测来分析⁴⁰K、²³⁸U和²³²Th的含量。在航空多道γ能谱数据中²⁰⁸Tl的2.62MeV特征峰受低能峰干扰及康普顿散射本底影响较小，如图2，便于计算基于该特征峰的探测器能量分辨率及峰漂，并且采用较高能射线特征峰评价峰漂可避免低能峰评价峰漂存在的对高能谱段检测不全面的问题。

本发明将窗口中累加的多道谱数据的²⁰⁸Tl的2.62MeVγ射线特征峰(能量范围为2.41MeV～2.89MeV)是否成形作为窗口宽度的设定条件，即对累加谱数据的²⁰⁸Tl的2.62MeVγ射线特征峰进行最小二乘曲线拟合，采用拟合优度的确定系数R²作为窗口宽度是否达到累加谱特征峰成形的判断条件。当R²≥0.9窗口宽度达到累加谱特征峰成形要求，可对该窗口累加谱数据进行能量分辨率和峰漂分析。²⁰⁸Tl的2.62MeVγ射线特征峰曲线为高斯分布的净峰曲线和线性本底(飞机本底及高能宇宙射线散射本底)叠加形成的，因此拟合函数采用自定义函数(公式2.2)表示，拟合效果图如图3。

其中

为2.62MeV特征峰净峰曲线，d·x+g为特征峰上叠加的线性本底。

第1个滑动窗口宽度初始设置为61(经验值，约1分钟测量时间)，从第2个滑动窗口开始后续窗口宽度初始设置为上一滑动窗口的宽度；以公式2-2函数对窗口中所有测点累加谱的2.62MeVγ射线特征峰进行曲线拟合，当拟合优度确定系数R²＜0.9，以2为增量继续增加窗口宽度，反复上述流程直到R²≥0.9，窗口宽度则达到特征峰成形要求，可对该窗口累加谱数据进行能量分辨率和峰漂计算分析。

窗口依次滑动处理，当窗口中最后一个测点达到整架次的最后一个测点时，该窗口为最后一个滑动窗口。该窗口累加谱数据能量分辨率和峰漂的计算不受R²≥0.9限制，可直接进行计算。由于最后一窗口上测点基本处于探测目标区测量完成后飞机返航的航路上，为无实际应用价值的测点，因此最后一个窗口能量分辨率和峰漂计算结果的质量不影响整架次测量质量评价。

S4能量分辨率和峰漂的分析计算

R_k和P_k分别表示第k个滑动窗口累加谱数据计算所得的基于²⁰⁸Tl2.62MeV特征峰的探测器能量分辨率和峰漂：

P_k＝Ch_pk-Ch_set＝b-Ch_set (公式2-4)

其中Ch_pk为实测的特征峰峰位，Ch_set为设定的系统理论峰位，b为²⁰⁸Tl的2.62MeVγ射线特征峰采用公式2-2进行曲线拟合所得的系数，代表实际解算的特征峰实际峰位；FWHM为²⁰⁸Tl的2.62MeV特征峰净峰半高宽，采用道数表示，图4所示。

如采用R_k和P_k直接作为第k个滑动窗口中各测点处系统探测器能量分辨率和谱线峰漂，评价不够全面合理，并出现同一个测点在不同的窗口对应有多个不同的能量分辨率和峰漂值。

滑动窗口中越靠近中心的测点，R_k和P_k越具有代表性，R_k和P_k对越远离中心的测点评价的代表性越弱。因此该发明在每个滑动窗口中构建基于改进的正态分布权重因子模型，令窗口中中心测点在窗口中的序号为正态分布的期望(即μ＝n+1)，窗口半宽度为3倍正态分布的标准差(即n＝3σ)。权重因子模型在正态分布的概率密度公式的基础上进行改进，采用如下公式来实现：

第k个滑动窗口(长度为2n+1)各测点按照其在上述改进的正态分布公式曲线上的位置分配权重，得到对应权重值，计算公式为2-5。

其中

表示整架次的第m个测点在第k个滑动窗口中的权重因子，i为第m个测点在该窗口中的序号，i＝1,2,....,2n+1；σ＝n/3。

以窗口宽度为61个测点为例的权重分布图如图5。

每个滑动窗口分析计算所得的探测器能量分辨率和峰漂值乘以该窗口中各测点的权重值作为该测点上探测器能量分辨率和峰漂计算的中间值，第k个滑动窗口中整架次数据的第m个测点(在窗口中的序号为i)处能量分辨率和峰漂计算的中间值表示为：

其中

和

分别表示整架次的第m个测点在第k个滑动窗口中能量分辨率和峰漂计算的中间值；

单个测点参与多个滑动窗口的探测器能量分辨率和峰漂的计算，可获得多个中间值，因此各测点探测器能量分辨率和峰漂的最终确定通过多次计算中间值加权归一来实现：

其中Re_m和Pk_m分别为第m个测点处探测器能量分辨率和峰漂的计算结果，第m个测点从第k₁个窗口到第k₂个窗口均参与能量分辨率和峰漂的计算。

S5航空γ能谱测量质量控制结果统计:

采用该发明可按测点统计出整个飞行架次的各测点处探测器能量分辨率及峰漂信息，从而对各测点上能谱数据的质量进行评价。每个架次统计计算的各测点处探测器能量分辨率及峰漂信可采用分档统计方式进行统计，从而对航空γ能谱数据质量进行直观评价。

表1某架次测点上探测器能量分辨率(基于²⁰⁸Tl的2.62MeV特征峰)分布表

能量分辨率统计分档	测点数	占比
			<4.2％	0	0.00％
4.2％～4.4％	173	1.47％
			4.4％～4.6％	466	3.95％
4.6％～4.8％	1551	13.16％
			4.8％～5.0％	5256	44.61％
5.0％～5.2％	4271	36.25％
			5.2％～5.4％	66	0.56％
>5.4％	0	0.00％
			合计	11783	100％

表2某架次测点上峰漂(²⁰⁸Tl的2.62MeV特征峰峰漂)分布表

以某一架次为例，图6和表1分别为整架次测点上探测器能量分辨率分布直方图和分布表，图7和表2分别为整架次测点上峰漂分布直方图和分布表。

Claims (5)

1.航空γ能谱测量质量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1滑动窗口的建立

每架次测量飞行结束后，按测量顺序回放各测点的航空多道γ能谱数据，构建滑动窗口；

S2窗口中谱数据累加

在窗口中对所有测点的多道γ能谱数据进行累加；

S3滑动窗口宽度的确定

对窗口中所有测点累加的多道谱数据的γ射线特征峰进行最小二乘曲线拟合，通过拟合效果判定特征峰是否成形，进而确定窗口宽度；当窗口宽度达到特征峰成形要求时，对该窗口累加谱数据进行探测器能量分辨率和峰漂分析；

S4能量分辨率和峰漂的分析计算

在每个滑动窗口中构建权重因子模型，每个滑动窗口分析计算所得的探测器能量分辨率和峰漂值乘以该窗口中各测点的权重值作为各测点处探测器能量分辨率和峰漂计算的中间值；各测点处探测器能量分辨率和峰漂的最终确定通过多个计算中间值加权归一来实现；

S5航空γ能谱测量质量控制结果统计

整个飞行架次的各测点处探测器能量分辨率及峰漂信息采用分档统计方式进行统计，对航空γ能谱数据质量进行直观评价。

2.根据权利要求1所述的航空γ能谱测量质量控制方法，其特征在于，S1滑动窗口的建立，具体过程为：

窗口滑动方法是按测量顺序依次选择窗口的起始点，而窗口宽度为根据窗口中所有测点累加谱谱线成型情况动态调整的奇数个连续测点；

每处理完一个窗口的数据包之后，窗口起始点由上一测点更新为下一测点，窗口宽度则根据累加谱谱线成形情况重新确定，然后继续处理更新后的窗口数据包，以此类推。

3.根据权利要求1所述的航空γ能谱测量质量控制方法，其特征在于，S2窗口中谱数据累加，具体过程为：

窗口中所有测点的多道γ能谱数据累加按照以下公式进行：

其中2n+1为窗口宽度；i为测点在窗口中的序号，i＝1,2,…,2n+1；d_ij为窗口中第i个测点的第j道能谱数据，D_j为窗口累加谱数据的第j道能谱数据。

4.根据权利要求3所述的航空γ能谱测量质量控制方法，其特征在于，S3滑动窗口宽度的确定，具体过程为：

第1个滑动窗口宽度初始值设置为61，从第2个滑动窗口开始后续窗口宽度初始值设置为上一滑动窗口的宽度；设定²⁰⁸Tl2.62MeVγ射线特征峰能量范围为2.41MeV～2.89MeV，对窗口中所有测点累加的多道谱数据的²⁰⁸Tl2.62MeVγ射线特征峰以公式2-2函数进行最小二乘曲线拟合，以拟合优度系数R²作为累加谱的特征峰是否成形的判定条件，当拟合优度系数R²<0.9，以2为增量继续增加窗口宽度，反复上述流程直到R²≥0.9，窗口宽度则达到特征峰成形要求，可对该窗口累加谱数据进行探测器能量分辨率和峰漂分析；

窗口依次滑动处理，当窗口中最后一个测点达到整架次的最后一个测点时，该窗口为最后一个滑动窗口，不进行R²判断，直接对该窗口累加谱数据进行能量分辨率和峰漂分析。

5.根据权利要求1所述的航空γ能谱测量质量控制方法，其特征在于，S4能量分辨率和峰漂的分析计算，具体过程为：

R_k和P_k分别表示第k个滑动窗口累加谱数据计算所得的基于₂₀₈Tl2.62MeV特征峰的探测器能量分辨率和峰漂：

其中Ch_pk为实测的特征峰峰位，Ch_set为设定的系统理论峰位，b为₂₀₈Tl2.62MeVγ射线特征峰采用公式2-2进行曲线拟合所得的系数，代表解算的特征峰实际峰位；FWHM为²⁰⁸Tl2.62MeV特征峰净峰半高宽；

在每个滑动窗口中构建权重因子模型，第k个滑动窗口中各测点权重值计算公式为2-5，窗口宽度为2n+1：

其中

表示整架次的第m个测点在第k个滑动窗口中的权重因子，i为第m个测点在该窗口中的序号，i＝1,2,…,2n+1；

每个滑动窗口分析计算所得的探测器能量分辨率和峰漂值乘以该窗口中各测点的权重值作为各测点处探测器能量分辨率和峰漂计算的中间值；第k个滑动窗口中整架次的第m个测点能量分辨率和峰漂计算中间值为：

其中

和

分别表示整架次的第m个测点在第k个滑动窗口中能量分辨率和峰漂计算的中间值；

单个测点参与多个滑动窗口探测器能量分辨率和峰漂的计算，可获得多个中间值，各测点处探测器能量分辨率和峰漂的最终确定通过多个计算中间值加权归一来实现：

其中Re_m和Pk_m分别为第m个测点处探测器能量分辨率和峰漂的计算结果，第m个测点从第k₁个窗口到第k₂个窗口均参与能量分辨率和峰漂的计算。

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