CN113777660B - 能谱比法大气氡修正参数求取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种能谱比法大气氡修正参数求取方法，利用常规铀窗中大气氡的计数Ur为零的情况，将大气氡对常规铀窗的贡献公式进行简化，根据常规陆地测线、常规水面测线以及新增陆地测线上不同高度的放射性谱数据，求取各高度的纯陆地核素谱数据，得到只含C2、C3两个未知数的公式，将同一高度上常规陆地测线以及新增陆地测线的低能铀窗及标准三窗数据分别代入该式，每一个高度形成具有两个未知数、两个方程的方程组，解方程得到不同高度的大气氡修正参数C2、C3，并且进一步求得大气氡修正参数C2、C3随高度变化的函数。本发明解决了能谱比法大气氡修正参数C2、C3求取的难题。
Description
技术领域
本发明涉及一种航空放射性数据修正技术，具体地说是一种能谱比法大气氡修正参数求取方法。
背景技术
航空物探是一种集多种新技术为一体的航空地球物理勘探技术，具有高效、快速、经济等特点。主要的航空物探方法包括航空磁测、航空放射性测量、航空重力测量和航空电磁法测量等方法。我国的航空工作起始于20世纪50年代初，开始主要是航空磁测和航空放射性测量，用于寻找磁性矿床、放射性矿床和油气田等矿产资源，之后逐渐扩展应用于地质填图、大地构造研究、放射性环境测量和核事故应急监测等领域。
大气氡修正在航空放射性数据修正中占有非常重要的地位，大气氡修正的成败基本决定了航空放射性数据修正的成败，在有上测晶体测量中，一般使用上测晶体法进行修正，但无人机航空放射性测量的仪器采用了无上测晶体的设备，有学者发展了低能铀窗能谱比法来进行大气氡的修正，其原理如下：
随大气厚度(测量高度)增加，陆地组分低能窗计数比高能窗计数衰减的速度快，即低能窗计数与高能窗计数比值是高度变化的函数，以陆地铀组分谱为例，其谱形随高度变化如图2所示，其中高度h2＜h3＜h4＜h5＜h6，其它陆地组分射线随高度变化情况类似。
由于大气氡悬浮于空气中，且分布于探测器周围，即氡组分γ放射源与探测器距离是固定的，低能与高能γ粒子计数的比值为一常数，但是陆地各核素组分γ放射源与探测器距离是变化的，低能与高能γ粒子计数的比值是随距离(航测高度)变化的。
如果K、U、Th分别代表在常规的钾窗、铀窗和钍窗的计数。L为经过飞机本底和宇宙射线修正后低能铀窗(0.609MeV)的计数。Lk为陆地钾组分对低能峰的贡献，Lu为陆地铀组分对低能峰的贡献，Lth为陆地钍组分对低能峰的贡献，Lr为大气氡对低能峰的贡献。U为经过飞机本底和宇宙射线修正后的常规铀窗计数。Uu为陆地铀组分在常规铀窗中的计数，Ur为常规铀窗中大气氡的计数。K为经过飞机和宇宙射线修正后的钾窗计数，Kk为陆地钾组分在钾窗中的计数，Th为经过飞机和宇宙射线修正后的钍窗计数。α表示钍窗对常规铀窗的剥离系数；β表示钍窗对钾窗剥离系数；γu表示陆地U组分常规铀窗对钾窗剥离系数，γr表示大气氡组分常规铀窗对钾窗剥离系数。
可得：
Lr＝C1Ur (1)
Lu＝C2(h)Uu (2)
Lth＝C3(h)Th (3)
Lk＝C4(h)Kk (4)
L＝Lr+Lk+Lu+Lth (5)
U＝Ur+Uu+αTh (6)
K＝Kk+γuUu+γrUr+βTh (7)
通过1～7式可解出大气氡对常规铀窗的贡献：
在水面上测量时，计数经过飞机本底和宇宙射线修正后，只剩下大气氡的贡献，同时，下式成立：
Tcr＝C5Ur (9)
故，C1、C5由水面上的数据可解得。
由于钾组分谱为单一能量峰组分谱，因此C4一般很小，可以忽略不计，故1～7式可化为
但是大气氡修正参数C2、C3如何标定一直没有完美的解决办法，因此，求取大气氡修正参数C2、C3就成了能谱比法大气氡修正难以逾越的困难。
发明内容
本发明的目的就是提供一种能谱比法大气氡修正参数求取方法，以解决现在大气氡修正参数C2、C3求取困难的问题。
本发明是这样实现的：一种能谱比法大气氡修正参数求取方法，包括以下步骤：
a.在动态校准带区域确定常规陆地测线以及常规水面测线，并且在动态校准带区域选取一条钾铀钍含量与常规陆地测线有明显差异的新增陆地测线。
b.在步骤a中确定的常规陆地测线、常规水面测线以及新增陆地测线上，在静风或微风条件下分别飞行多个高度，采集不同测线不同高度的放射性谱数据。
c.利用步骤b采集的放射性谱数据分别求取常规陆地测线以及新增陆地测线各飞行高度上的纯陆地核素谱数据。
d.利用步骤c求取的常规陆地测线以及新增陆地测线各飞行高度纯陆地核素谱数据分别提取常规陆地测线以及新增陆地测线的低能铀窗及标准三窗数据。
e.利用步骤d提取的同一高度上常规陆地测线以及新增陆地测线的低能铀窗及标准三窗数据分别代入下式：
L＝C2(h)U-Th(C2(h)α-C3(h))
式中，L为低能铀窗(0.609MeV)计数率，U为纯地面核素引起的标准铀窗(1.76MeV)计数率，Th为纯地面核素引起的标准钍窗(2.62MeV)计数率，α为常规三窗法中钍窗对铀窗的剥离系数。
f.在步骤e中，每一个高度形成具有大气氡修正参数C2、C3两个未知数、方程个数为2的方程组，解不同高度的方程组，得到不同高度的大气氡修正参数C2、C3。
g.根据步骤f所得的不同高度的大气氡修正参数C2、C3求得C2、C3随高度变化的函数：
Ch2＝Ch1eμ(h2-h1)
式中，h2为标准大气压、标准温度下的实际飞行高度，h1为标准大气压、标准温度下的某一标定飞行高度，μ为高度衰减系数，Ch2为标准大气压、标准温度下实际飞行高度h2时的C2或C3，Ch1为标准大气压、标准温度下标定飞行高度h1时的C2或C3。
在步骤b中，分别在常规陆地测线、常规水面测线以及新增陆地测线上空飞行8个不同高度，飞行高度小于300m，高度间隔为30m及以上。
在步骤c中，利用步骤b采集的常规水面测线的放射性谱数据，求取各高度陆地核素谱数据均值以及各高度水面核素谱数据均值，对各高度谱数据均值进行db6小波2阶低通滤波，各高度陆地核素谱数据均值减去对应高度水面核素谱数据均值即为各高度的纯陆地核素谱数据。
在步骤g中，先求取C2、C3的高度衰减系数μ，μ值用下式求得：
h1、h2——标准大气压、标准温度下的飞行高度，m；
Rh1——实际飞行高度h1时的C2或C3，无量纲；
Rh2——实际飞行高度h2时的C2或C3，无量纲；
μ——高度衰减系数，m-1。
所述新增陆地测线需位于常规陆地测线附近，且海拔高度不应差别太大。
本发明利用常规铀窗中大气氡的计数Ur为零的情况，将大气氡对常规铀窗的贡献公式进行简化，根据常规陆地测线、常规水面测线以及新增陆地测线上不同高度的放射性谱数据，求取各高度的纯陆地核素谱数据，以使大气氡的计数Ur为零，得到简化后只含大气氡修正参数C2、C3两个未知数的公式，将同一高度上常规陆地测线以及新增陆地测线的低能铀窗及标准三窗数据分别代入该式，每一个高度形成具有两个未知数、两个方程的方程组，则未知数可解，从而得到不同高度的大气氡修正参数C2、C3，并且求得大气氡修正参数C2、C3随高度变化的函数，由该函数可以计算任意高度的大气氡修正参数C2、C3。
本发明解决了能谱比法大气氡修正参数C2、C3求取的难题，能够准确、方便地求取任意高度上的大气氡修正参数C2、C3，从而为能谱比法大气氡修正带来便利。
附图说明
图1是本发明的流程图。
图2是铀组分谱不同高度变化示意图。
图3是本发明示例的动态校准带地质简图。
图3中：1、全新世冲积物；2、全新世洪积冲积物；3、中更新世赤诚组；4、上更新世马兰组；5、第四系水系；6、大兴庄片麻岩；7、寒武系；8、长城系；9、古元古界；10、太古宙；11、境界；12、公路；13、河流、水系；14、居民点；15、拟选新增陆地测线(红色)、常规动态测试线(蓝色，包括常规陆地测线和常规水面测线)；16、陆地测线的中心(直升机定点测量的定点位置)。
具体实施方式
由背景技术可知，当大气氡的计数为0时，即Ur＝0时，公式10可化为：
L＝C2(h)U-Th(C2(h)α-C3(h)) (11)
公式11中只有两个未知数，因此，只需两个不同铀钍含量的方程，这一高度的大气氡修正参数(C2、C3)即可解出。
应该注意到，C2、C3是随高度变化的函数，并且在进行大气氡修正时，还没有进行高度修正，实际生产测量飞行时，飞行高度不可能保持一致，即，大气氡修正是不同高度的大气氡修正，大气氡修正时需要不同高度的C2、C3，因此还要求解出C2、C3随高度变化的函数。
测量不同的高度可得不同高度的大气氡修正参数(C2、C3)，利用高度拟合函数即可得到大气氡修正参数(C2、C3)随高度变化的函数。
而如果想得到大气氡计数为0的情况，必须满足如下测量条件：1、气象条件：静风或微风；2、测量地域要求：最小气象尺度范围内(最小气象尺度指大气各要素基本一致最小尺度范围)，既有宽度大于3km，长度大于6km的水面，又有比较平坦的大于5km的陆地，水面与陆地高程不大于10m；3、同一高度的测量，水面与陆地连续测量，即完成水面测线后立即进行陆地测线飞行，或，完成陆地测线后立即进行水面测线飞行。
由于在最小气象尺度范围内，大气各要素基本一致，因此，在满足如上测量条件下获取的统一高度测量数据中，陆地测线和水面测线的大气氡含量可视为一致，水面上的数据由于水体对伽玛射线的阻隔，只包括大气氡计数、飞机仪器本底和宇宙射线影响计数，陆地测线和水面测线的飞机仪器本底和宇宙射线影响计数也可视为一致，故，利用在满足如上测量条件下获取的陆地测量数据减去同一高度的水面数据后所得的数据，即为这一测量高度纯陆地核素引起的计数，即大气氡的计数为0。
综上所述，如果能找到符合上述测量条件的两条陆地测线，则C2、C3可解。
现行航空伽玛能谱测量校准时，所用的动态校准带(是指EJ/T1032-2005航空伽玛能谱测量规范中附录C4规定的校准带)正好符合上述测量条件，但是现行所用动态校准带只有一条陆地测线，如果在附近再找一条钾铀钍含量与正在使用的陆地线有明显差异的陆地线，则问题可得到解决。
所以，如图1所示，本发明提出了以下步骤。
a.在动态校准带区域确定常规陆地测线以及常规水面测线，并且在动态校准带区域选取一条钾铀钍含量与常规陆地测线有明显差异的新增陆地测线。
b.在步骤a中确定的常规陆地测线、常规水面测线以及新增陆地测线上，在静风或微风条件下分别飞行多个高度，采集不同测线不同高度的放射性谱数据。
c.利用步骤b采集的放射性谱数据分别求取常规陆地测线以及新增陆地测线各飞行高度上的纯陆地核素谱数据。
d.利用步骤c求取的常规陆地测线以及新增陆地测线各飞行高度纯陆地核素谱数据分别提取常规陆地测线以及新增陆地测线的低能铀窗及标准三窗数据。
e.利用步骤d提取的同一高度上常规陆地测线以及新增陆地测线的低能铀窗及标准三窗数据分别代入下式：
L＝C2(h)U-Th(C2(h)α-C3(h))
式中，L为低能铀窗(0.609MeV)计数率，U为纯地面核素引起的标准铀窗(1.76MeV)计数率，Th为纯地面核素引起的标准钍窗(2.62MeV)计数率，α为常规三窗法中钍窗对铀窗的剥离系数。
f.在步骤e中，每一个高度形成具有大气氡修正参数C2、C3两个未知数、方程个数为2的方程组，解不同高度的方程组，得到不同高度的大气氡修正参数C2、C3。
g.根据步骤f所得的不同高度的大气氡修正参数C2、C3求得C2、C3随高度变化的函数：
Ch2＝Ch1eμ(h2-h1)
h2——标准大气压、标准温度下的实际飞行高度，m；
h1——标准大气压、标准温度下的某一标定飞行高度，一般取90m，m；
μ——高度衰减系数，m-1。
Ch2——标准大气压、标准温度下实际飞行高度h2时的C2或C3，无量纲；
Ch1——标准大气压、标准温度下标定飞行高度h1时的C2或C3，无量纲。
在步骤a中，寻找的新增陆地测线不仅与常规陆地测线有明显的钾铀钍含量差异，还要在常规陆地测线附近，海拔高度不应差别太大。
下面结合示例对本发明进行详细的说明。
步骤a：图3为常规动态校准带的地质图，其中陆地3线和水域线分别为选定的常规陆地测线以及常规水面测线，新增陆地测线只能在水库的北部和东北部选择，因为水库的南部和西部的岩性与现有常规测试带差异不大，西南部岩性差异大的地区，地形条件不好，因此在水库的北部和东北部设计了陆地1线和陆地2线，作为备选的新增陆地测线，从地质图上看，陆地3线地表部分为Qpc，岩性为红黄色土夹砾石层，底部砾石层或红色砾石层洞穴堆积，部分为Qhal，岩性为砂、砂砾石，卵砾石、砂质粘土、粘土夹薄层泥煤，陆地2线地表为Pt1G，岩性为变质安山岩、板岩、千枚岩变质砂岩、白云岩、含磷矿，陆地1线地表为Qpm，岩性为棕黄色土夹1～3层古土壤，三条陆地线有明显的岩性差异，钾铀钍含量应该有差异，为了确认3条陆地线的钾铀钍含量差异，利用GR320伽玛能谱仪地面实地测量了陆地1线和陆地2线的钾、铀、钍含量，结果见表1。由表1可知陆地2线与陆地3线钾铀钍含量有明显差异，选择陆地2线为新增陆地测线。
表1 3条陆地线实测钾铀钍含量表
步骤b：将装载航空放射性测量设备的飞行器在起飞前利用铯源(137Cs)和钍源(208Tl)测试每条晶体、每箱晶体和整个探测器系统的分辨率和峰位漂移，两项参数均要符合EJ/T1032-2005航空伽玛能谱测量规范的要求；飞行落地后在停机位上再次对每条晶体、每箱晶体和整个探测器系统的分辨率和峰位进行检查，两项参数均要符合EJ/T1032-2005航空伽玛能谱测量规范的要求。
在仪器工作正常的情况下，在静风或微风条件下，在常规水面测线及新增陆地测线、常规陆地测线上空飞行不同的高度，采集不同高度的放射性谱数据。一般选取60m、90m、120m、150m、180m、210m、240m、300m八个高度，八个高度是为了保证能测到大气氡的计数，由于大气的运动状态不同，有可能低的高度层或高的高度层没有大气氡的计数，在每个高度飞行时间不少于8分钟，以保证得到足够的计数以保证精度。每个高度飞行4次，先由低到高同一高度飞行两次，接着由高到低同一高度再飞两次。在每个高度上每次飞行过程中，保证常规水面测线、新增陆地测线以及常规陆地测线上空的飞行时间均不小于1min。
步骤c：利用步骤b采集的常规水面测线的放射性谱数据，求取各高度陆地核素谱数据均值以及各高度水面核素谱数据均值，对各高度谱数据均值进行db6小波2阶低通滤波，各高度陆地核素谱数据均值减去对应高度水面核素谱数据均值即为各高度的纯陆地核素谱数据。
步骤d：利用步骤b采集的放射性谱数据分别求取常规陆地测线以及新增陆地测线各飞行高度上的纯陆地核素谱数据。
步骤e：利用步骤d提取的同一高度常规陆地测线以及新增陆地测线低能铀窗及标准三窗数据分别代入下式：
L＝C2(h)U-Th(C2(h)α-C3(h))
每一个高度形成具有两个未知数，两个方程的方程组，则未知数可解。
步骤f：解不同高度的方程组可解出不同高度的C2、C3。
步骤g：利用下式求得求取C2、C3高度衰减系数μ；
h1、h2——标准大气压、标准温度下的飞行高度，m；
Rh1——实际飞行高度h1时的C2或C3，无量纲；
Rh2——实际飞行高度h2时的C2或C3，无量纲；
μ——高度衰减系数，m-1。
即，可得C2、C3随高度变化的函数：
Ch2＝Ch1eμ(h2-h1)
h2——标准大气压、标准温度下的实际飞行高度，m；
h1——标准大气压、标准温度下的某一标定飞行高度，一般取90m，m；
μ——高度衰减系数，m-1。
Ch2——标准大气压、标准温度下实际飞行高度h2时的C2或C3，无量纲；
Ch1——标准大气压、标准温度下标定飞行高度h1时的C2或C3，无量纲；
本发明利用常规铀窗中大气氡的计数Ur为零的情况，将大气氡对常规铀窗的贡献公式进行简化，根据常规陆地测线、常规水面测线以及新增陆地测线上不同高度的放射性谱数据，求取各高度的纯陆地核素谱数据，以使大气氡的计数Ur为零，得到简化后只含大气氡修正参数C2、C3两个未知数的公式，将同一高度上常规陆地测线以及新增陆地测线的低能铀窗及标准三窗数据分别代入该式，每一个高度形成具有两个未知数、两个方程的方程组，则未知数可解，从而得到不同高度的大气氡修正参数C2、C3，并且求得大气氡修正参数C2、C3随高度变化的函数，由该函数可以计算任意高度的大气氡修正参数C2、C3。
本发明解决了能谱比法大气氡修正参数C2、C3求取的难题，能够准确、方便地求取任意高度上的大气氡修正参数C2、C3，从而为能谱比法大气氡修正带来便利。
本发明主要应用于航空地球物理勘查，寻找金属矿、油气和放射性矿产的矿产勘查，也可应用于核应急航空监测、核反恐、航空物探、环境监测等任务。
Claims (4)
1.一种能谱比法大气氡修正参数求取方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.在动态校准带区域确定常规陆地测线以及常规水面测线，并且在动态校准带区域选取一条钾铀钍含量与常规陆地测线有明显差异的新增陆地测线；
b.在步骤a中确定的常规陆地测线、常规水面测线以及新增陆地测线上，在静风或微风条件下分别飞行多个高度，采集不同测线不同高度的放射性谱数据；
c.利用步骤b采集的放射性谱数据分别求取常规陆地测线以及新增陆地测线各飞行高度上的纯陆地核素谱数据；
d.利用步骤c求取的常规陆地测线以及新增陆地测线各飞行高度纯陆地核素谱数据分别提取常规陆地测线以及新增陆地测线的低能铀窗及标准三窗数据；
e.利用步骤d提取的同一高度上常规陆地测线以及新增陆地测线的低能铀窗及标准三窗数据分别代入下式：
L＝C2(h)U-Th(C2(h)α-C3(h))
式中，L为低能铀窗0.609MeV计数率，U为纯地面核素引起的标准铀窗1.76MeV计数率，Th为纯地面核素引起的标准钍窗2.62MeV计数率，α为常规三窗法中钍窗对铀窗的剥离系数；
f.在步骤e中，每一个高度形成具有大气氡修正参数C2、C3两个未知数、方程个数为2的方程组，解不同高度的方程组，得到不同高度的大气氡修正参数C2、C3；
g.根据步骤f所得的不同高度的大气氡修正参数C2、C3求得C2、C3随高度变化的函数：
Ch2＝Ch1eμ(h2-h1)
式中，h2为标准大气压、标准温度下的实际飞行高度，h1为标准大气压、标准温度下的某一标定飞行高度，μ为高度衰减系数，Ch2为标准大气压、标准温度下实际飞行高度h2时的C2或C3，Ch1为标准大气压、标准温度下标定飞行高度h1时的C2或C3。
2.根据权利要求1所述的能谱比法大气氡修正参数求取方法，其特征在于，在步骤b中，分别在常规陆地测线、常规水面测线以及新增陆地测线上空飞行8个不同高度，飞行高度小于300m，高度间隔为30m及以上。
3.根据权利要求1所述的能谱比法大气氡修正参数求取方法，其特征在于，在步骤c中，利用步骤b采集的常规水面测线的放射性谱数据，求取各高度陆地核素谱数据均值以及各高度水面核素谱数据均值，对各高度谱数据均值进行db6小波2阶低通滤波，各高度陆地核素谱数据均值减去对应高度水面核素谱数据均值即为各高度的纯陆地核素谱数据。
4.根据权利要求1所述的能谱比法大气氡修正参数求取方法，其特征在于，在步骤g中，先求取C2、C3的高度衰减系数μ，μ值用下式求得：
Rh1——实际飞行高度h1时的C2或C3，无量纲；
Rh2——实际飞行高度h2时的C2或C3，无量纲；
μ——高度衰减系数，m-1。
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