CN115826027B - 一种车内辐射环境监测系统及辐射剂量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车内辐射环境监测系统及辐射剂量计算方法，包括以下监测步骤：步骤S1，通过传感器采集数据，并将传感器采集到的数据通过CAN总线传输到MCU；步骤S2，MCU通过CANID判断从CAN总线传输的数据是否来自于传感器，如果是传感器的数据，则将数据的协议包换算后发送给CPU；如果不是，则不处理；步骤S3，CPU收到数据后，对数据进行滤波处理；步骤S4，将经过滤波后的数据保存在本地文件中；步骤S5，CPU将滤波后的数据进行判断，如果滤波后的值超过阈值，则报警，如果没有超过阈值，则无动作。

Description

一种车内辐射环境监测系统及辐射剂量计算方法

技术领域

本发明属于环境监测技术领域，具体为一种车内辐射环境监测系统及辐射剂量计算方法。

背景技术

辐射在我们的生活中无处不在，电离辐射对人体造成巨大的伤害，由于辐射不可见，需要通过传感器对辐射进行探测。汽车作为目前使用最广泛的交通工具，乘客具有较高的流动性，其携带的物品有一定的放射性风险，汽车行驶到不同的区域，环境中也可能拥有一定辐射剂量的风险，对车上的乘客造成一定辐射伤害。另外受到辐射照射的人员也可能会对其他人员造成伤害。随着人们生活质量的提高以及辐射探测技术的成熟化，辐射传感器可以作为汽车的一种标准的环境监测设备接入汽车中，对车内的辐射剂量进行实时监控，以预防辐射对驾驶员或者乘客的伤害。

国外主流的基于NaI的车载伽马仪器主要有美国RSI公司设计的RS-700伽玛放射性探测和监测系统。加拿大 PEI 公司设计的PGIS-2 系列便携式伽玛光谱系统以及加拿大SAIC Exploranium公司设计的GR-460车载放射性全谱测量系统。

在国内主要有中国原子能科学院机构、核工业北京地址研究所、西北核技术研究所等联合研发的产品，产品主要定位在对环境辐射监测。目前国内外搭载的专业仪器对环境监测已经进行很深入的研究，该仪器价格比较昂贵，且占用较大的空间，影响乘坐体验。

发明内容

本发明的目的在于提供一种车内辐射环境监测系统及辐射剂量计算方法，以解决背景技术中提出的，目前国内外搭载的专业仪器对环境监测已经进行很深入的研究，该仪器价格比较昂贵，且占用较大的空间，影响乘坐体验的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种车内辐射环境监测系统，包括以下监测步骤：

步骤S1，通过传感器采集数据，并将传感器采集到的数据通过CAN总线传输到MCU；

步骤S2，MCU通过CANID判断从CAN总线传输的数据是否来自于传感器，如果是传感器的数据，则将数据发送给CPU；如果不是，则不处理；

步骤S3，CPU收到数据后，对数据进行滤波处理；

步骤S4，将经过滤波后的数据保存在本地文件中；

步骤S5，CPU对滤波后的数据进行判断，如果滤波后的值超过阈值，则报警，如果没有超过阈值，则无动作。

根据上述技术方案，在步骤S1中 ,当有辐射粒子事件抵达传感器后，传感器会对辐射粒子事件累加计数，每隔一段时间通过CAN传输一次计数值。

根据上述技术方案，步骤S2中，MCU首先发送一帧CAN报文请求传感器数据，传感器收到请求后，将当前的累加计数值与累计时间通过两帧CAN报文返回给MCU，并将累计时间清零，等待MCU下一次请求，MCU收到计数值与累计时间后，计算出单位时间的计数值，通过串口将计数值发送给CPU。

根据上述技术方案，步骤S3中，数据滤波使用高斯低通滤波器进行滤波。

车内辐射剂量计算方法，环境计数值计算包括以下步骤：

传感器在探测单位时间内发射的放射性粒子数，该过程存在统计涨落且服从泊松分布;

其中，c（λ）为传感器传输的计数值，λ为理论计数值；由式（1）可知，从传感器传输的原始数据可能会产生一定的误报率，为减少误报率，通过高斯低通滤波器消除统计涨落带来的影响；高斯低通滤波器传递函数可以用式（2）表示：

将传感器传输的计数值c（λ）经过高斯低通滤波器G（x）后，得到最终的环境计数值c(λ)。

环境计数值计算具体为：

步骤B1，每隔一段时间获取传感器全谱的累加计数值，并保存成为时间序列，记为f(m)={x1,x2,…,xn}，n为序列的计数；

步骤B2，使用高斯滤波器对f(m)进行滤波处理，记滤波后的序列为g(n)，g(n)即为环境中的计数值；

步骤B3，在第i个时间段，剂量率H（i）与g(i)成线性关系，通过能量响应常数Energynumber表达如下：

H(i)= g(i)* Energynumber

其中，Energynumber可以通过一个已知剂量率的放射源进行刻度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的车内辐射环境监测系统，能够将传感器布置在车内扶手架附近，通过四芯线缆与汽车中控系统连接，可以通过车载中控系统供电模块让传感器处于稳定的工作状态。

传感器可以通过CAN总线接入车身中，通过私有CAN协议与中控系统进行数据交互，保证监控系统的正常运行以及数据传输过程稳定。

对系统测试过程中，测量本底辐射计数中，与实际环境相符，不会产生误报。将放射源放置在车内进行辐射环境测试，可监测辐射环境计数变化，在超过阈值后能触发报警提示。

附图说明

图1为本发明传感器安装示意图；

图2为本发明系统流程图；

图3为本发明传感器辐射计数与高斯滤波后计数结果图；

图4为本发明本底测试示意图；

图5为本发明放射性环境测试示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1、图2所示，一种车内辐射环境监测系统，包括以下监测步骤：

步骤S1，通过传感器采集数据，并将传感器采集到的数据通过CAN总线传输到MCU；

步骤S2，MCU通过CANID判断从CAN总线传输的数据是否来自于传感器，如果是传感器的数据，则将数据的协议包换算后发送给CPU；如果不是，则不处理；

步骤S3，CPU收到数据后，对数据进行滤波处理；

步骤S4，将经过滤波后的数据保存在本地文件中；

步骤S5，CPU将滤波后的数据进行判断，如果滤波后的值超过阈值，则报警，如果没有超过阈值，则无动作。例如，设置计数阈值为100。在辐射计数较低的环境中，计数值为50，不会触发报警，当环境中辐射计数较高时，计数值会增加，当超过100时会触发报警。

本发明的车内辐射环境监测系统，能够将传感器布置在车内扶手架附近，通过四芯线缆与汽车中控系统连接，可以通过车载中控系统供电模块让传感器处于稳定的工作状态。

传感器可以通过CAN总线接入车身中，通过私有CAN协议与中控系统进行数据交互，保证监控系统的正常运行以及数据传输过程稳定。对系统测试过程中，测量本底辐射计数中，与实际环境相符，不会产生误报。将放射源放置在车内进行辐射环境测试，可监测辐射环境计数变化，在超过阈值后能触发报警提示。

实施例二

本实施例为实施例一的进一步细化。在步骤S1中 ,当有辐射粒子事件抵达传感器后，传感器会对辐射粒子事件累加计数，每隔一段固定的时间通过CAN传输一次计数值。

步骤S2中，MCU首先发送一帧CAN报文请求传感器数据，传感器收到请求后，将当前的累加计数值与累计时间通过两帧CAN报文返回给MCU，并将累计时间清零，等待MCU下一次请求，MCU收到计数值与累计时间后，计算出单位时间的计数值，通过串口将计数值发送给CPU。

步骤S3中，数据滤波的具体方法为：使用高斯低通滤波，其传递函数表达如下：

设输入的计数值序列为，卷积结果为/>，则/>；

传感器获取的计数值序列为f(m)={x1,x2,…,xn}，G（x）为传递函数，为传递函数的标准差；由f(m)到g(x)的计算步骤如下所示：

第一步，设置卷积核，由于是对序列进行滤波，卷积核设置为一维数组，例如，卷积核的长度设置为9，即x取值范围为-4到4，设置为0.5，经过计算，可以得到卷积核数组为：

G={0.02763055 0.06628225 0.12383154 0.18017382 0.204163690.180173820.12383154 0.06628225 0.02763055}；

第二步，对序列f(m)与G(x)进行卷积运算，卷积运行可以表示如下，得到滤波后的序列为g(x).

g(x)= f(n-8)*G(1)+ f(n-7)*G(2)+ f(n-6)*G(3)+ f(n-5)*G(4)+ f(n-4)*G(5)+ f(n-3)*G(6)+ f(n-2)*G(7)+ f(n-1)*G(8)+ f(n)*G(9)。

系统还包括显示层和服务层。

显示层用于数据实时显示，供人机交互接口；实时测量曲线，显示历史数据，统计分析等多张数据展示。

服务层用于将收到的传感器计数值进行数据计算处理，并对数据进行存储。

实施例三

辐射剂量的理论计算方法，计算方法包括以下步骤：在辐射测量中，距离放射源d处传感器的理论计数值由式（3）计算得到:

式（3）中，s为放射源活度，单位Bq，μ为传感器效率，Q为传感器的传感器面积，单位㎡，为衰减系数，在空气中的值约为0.00934m^-1，由于其值较低，因此在假设其值/>，λ_b为本底计数；

通过本发明中传感器检测得到的环境计数值为：传感器在探测单位时间内发射的放射性粒子数，该过程存在统计涨落且服从泊松分布;

由式（4）可知，从传感器传输的原始数据可能会产生一定的误报率，为减少误报率，通过高斯低通滤波器消除统计涨落带来的影响；高斯低通滤波器传递函数可以用式（5）表示：

将传感器传输的计数值c(λ)经过高斯低通滤波器G(X)后，得到最终的环境计数值g（x）（其中，g（x）就是经过高斯低通滤波器G（x）卷积后的c(λ)）。

环境计数值计算具体为：

步骤B1，每隔一段时间获取传感器全谱的累加计数值，并保存成为时间序列，记为f(m)={x1,x2,…,xn}，n为序列的计数；

步骤B2，使用高斯滤波器对f(m)进行滤波处理，记滤波后的序列为g(n)，g(n)即为环境中的计数值；

步骤B3，在第i个时间段，剂量率H（i）与g(i)成线性关系，通过能量响应常数Energynumber可以表达如下：

其中，Energynumber可以通过一个已知剂量率的放射源进行刻度；H(i)即为环境中实时的剂量率。

此处的能量响应常数与传感器的电气参数有关。通过一个已知剂量率的放射源就可以计算出能量相应常数，具体操作过程如下：

将传感器参考点与校准场中的检验点重合,将标准源分别置于校准点上进行测量,获得仪器对各校准点的测量示值,根据各校准点的标称值与测量示值进行线性拟合获得校准因子/系数。得到的校准因子/系数即为能量响应常数。

通过将理论计算值与本发明方法中的方法得到的环境计数值进行对比，可以得到，本发明中通过传感器采集得到环境计数值g（x）与理论计算值λ相当。

实施例四

本发明的发明构思为：随着汽车智能化时代的到来，汽车对数据的处理能力越来越强，以前必须通过专业电脑设备对辐射数据进行处理，现在可由车载中控替代，汽车中控系统由原来的点阵屏幕到现在的大屏显示，芯片的处理能力由原来简单的音视频解码播放等功能发展到现在的智能数据处理能力，系统的方案由原来的单芯片方案发展到现在的多芯片方案。本发明的中控系统基于双芯片方案，由MCU及CPU两个主芯片构成，MCU选用S12C单片机，CPU选用IMX8QXP。

在当前模块中增加辐射监测模块，该模块的主要功能如下：

1、通过CAN总线采集数据，每当有辐射粒子事件抵达传感器后，传感器会对粒子事件累加计数，每隔一段固定的时间通过CAN传输一次计数值。MCU通过CANID判定此次信息是否来自于传感器，如果是传感器的数据，将数据根据传感器的协议解包后换算成伽马计数值并通过串口发给CPU。

2、CPU收到数据后，对数据平滑处理后得到了一组新的数据，每得到一个计数值，都会根据前面计数值对其滤波，滤波后的计数值做下一步处理。

3、将滤波后的计数值存储到本地文件中，由于系统空间有限，至多可以存储最近10次的记录。

4、滤波后的数据实时判定，当超过预设的计数值，发出报警声音并在界面上弹唱报警。

5、滤波后的数据实时绘制在界面上，用户可以随时打开界面观察车内的辐射计数值。

软件设计：

随着汽车中控系统硬件的加强，软件系统发展到现在的Linux系统及Android系统，本发明所使用的软件平台为基于运行在MCU的FreeRTOS系统与运行在CPU的Android9系统。

软件设计主要包含MCU软件以及Android系统的软件，其中MCU的软件主要进行对数据的解析、数据的转发，保证数据的正确性，CPU的软件对数据的存储、显示及对数据的算法处理。

MCU软件设计：

MCU功能主要对多媒体系统的硬件控制及数据处理，如系统电源控制、电源保护、功放控制、收音机控制、CAN总线解析等。基于RTOS更加方便各个模块的管理，在RTOS中，对传感器数据的解析运行在CANTask内，在CANTask中主要包含对UDS数据解析以及私有CAN的解析，传感器的数据通过私有CAN发送标准的CAN协议帧与MCU进行通信，不经过汽车网关，不会对汽车其他网络节点产生影响。

MCU首先发送一帧CAN报文请求传感器数据，传感器收到请求后，将当前的累加计数值与累计时间通过两帧CAN报文返回给MCU，并将累计时间清零，等待MCU下一次请求，MCU收到计数值与累计时间后，计算出单位时间的计数值，通过串口将计数值发送给CPU，这样即使MCU每次请求的时间间隔不一致，也可以很精确的计算出单位时间的计数，避免延时造成的误报和漏报。

CPU软件设计：

CPU运行基于Android 9的定制化车载系统，本发明的车载环境监测系统由一个显示层与一个服务层构成。

显示层：用于数据实时显示，供人机交互接口。

在中控屏幕上绘制实时测量曲线，显示历史数据，统计分析等多张数据展示。通过系统设置入口设置整个系统的参数。

服务层：对收到的传感器计数值进行数据计算处理，并对数据进行存储，日志记录等功能。

数据处理主要是进行高斯低通滤波，其传递函数表达如下：

设输入的计数值序列为f（m），卷积结果为g（x），则；

由于嵌入式CPU性能较差，为了提高计算速度，使用openCV调用GPU加速运算。OpenCV已为我们提供高斯低通滤波器函数。当收到数据后，将所有计数值数据传入到滤波器函数中，得到滤波后的计数值。

辐射剂量计算

在辐射测量中，距离放射源d处传感器的理论计数值可由式（6）近似计算。

式（6）中，为放射源活度（单位Bq），μ为传感器效率，/>为传感器的传感器面积（单位㎡），ρ为衰减系数，在空气中的值大约为0.00934m^-1，由于其值较低，因此在本发明中假设其值ρ≈0，λ_b为本底计数。

在本发明中，假设传感器的探测效率及面积都是固定不变的，定义

将式（7）代入式（6），有:

由式（8）可知传感器的计数由两部分组成：一是环境中放射性物质引起的计数，与放射源活度成正比，与放射源距离的平方程反比。二是环境中的本底计数。

对环境中放射源对人体的伤害不止与放射性物质有关，与本底也有一定的关系，因此本发明所监测的都是基于总计数的。

传感器在探测单位时间内发射的放射性粒子数，该过程存在统计涨落且服从泊松分布。

由式（9）可知，从传感器传输的原始数据可能会产生一定的误报率，为减少误报率，本发明通过高斯低通滤波器消除统计涨落带来的影响。高斯低通滤波器传递函数可以用式（10）表达:

将传感器传输的计数值c(λ)经过高斯低通滤波器G(X)后，得到最终的环境计数值λ≈g（x） （g（x）就是经过高斯低通滤波器G（x）卷积后的c(λ)）。

在距离传感器20cm出放置一枚活度为16MBq的¹³⁷Cs放射源，测量500s，得到500个计数值，图3为经过了高斯滤波后的计数值曲线图。

如图3所示，高斯滤波可以有效的降低由统计涨落造成的误差。

实施例五

本实施例提供一种具体的实施方式。本发明所测试的车辆型号为长城哈弗H7，中控系统基于前装原厂的软硬件进行了定制开发，不影响前装原厂功能，整个系统安装以及试验过程如下。

测试前的准备:

将定制好的中控系统安装到汽车上，并通过OTA升级到最新软件，升级完成后，检查版本信息，确保软件的正确性。检查完成后，通过主页菜单会看到辐射检测系统图标，点击图标进入系统。

准备一个137Cs放射源，通过该已知源对各个传感器进行参数设置，主要包含调增益及偏置电压使传感器处于最佳工作状态。返回主页，参数设置及车辆准备工作完成。

未放置放射源情况下测试：

启动辐射监测功能，系统将自动对环境辐射进行测量，正常驾驶汽车行驶5分钟，打开系统实时测量曲线，可以看到环境中的辐射计数处于平稳状态，如图4所示。

测量时间开始，环境计数值稳定在30左右，与本底计数值相同，说明处于安全的辐射环境中，与实际环境相符。

有放射源的状态下测试:

准备一块活度约为16MBq的¹³⁷Cs放射源，放置在后排座椅处，打开实时测量曲线，可以看到在放置放射源后，曲线有明显的辐射计数增加，如图5所示。

由图5可以看出，在放置放射源大约13秒后，环境中辐射计数值超过了设定的阈值。此时无论用户在何种界面，每分钟会出现一次系统Toast弹窗并伴随语音进行提示报警。

需要说明的是，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种车内辐射环境监测方法，其特征在于：包括以下监测步骤：

步骤S1，通过传感器采集数据，并将传感器采集到的数据通过CAN总线传输到MCU；

步骤S2，MCU判断从CAN总线传输的数据是否来自于传感器，如果是传感器的数据，则将数据发送给CPU；如果不是，则不处理；

步骤S3，CPU收到数据后，对数据进行滤波处理；

步骤S4，将经过滤波后的数据保存在本地文件中；

步骤S5，CPU对滤波后的数据进行判断，如果滤波后的值超过阈值，则报警，如果没有超过阈值，则无动作；

系统基于双芯片方案，由MCU及CPU两个主芯片构成，其中MCU的软件进行对数据的解析、数据的转发，保证数据的正确性，CPU的软件对数据的存储、显示及对数据的算法处理；

MCU对多媒体系统的硬件控制及数据处理，基于RTOS更加方便各个模块的管理，在RTOS中，对传感器数据的解析运行在CANTask内，在CANTask中包含对UDS数据解析以及私有CAN的解析，传感器的数据通过私有CAN发送标准的CAN协议帧与MCU进行通信，不经过汽车网关，不会对汽车其他网络节点产生影响；

CPU运行基于Android 9的定制化车载系统，车载环境监测系统由一个显示层与一个服务层构成；

显示层：用于数据实时显示，供人机交互接口；

在中控屏幕上绘制实时测量曲线，显示历史数据，统计分析多张数据展示；

通过系统设置入口设置整个系统的参数；

服务层：对收到的传感器计数值进行数据计算处理，并对数据进行存储，日志记录功能；

在步骤S1中 ,当有辐射粒子事件抵达传感器后，传感器会对辐射粒子事件累加计数，每隔一段时间通过CAN总线传输一次计数值；

步骤S2中，MCU首先发送一帧CAN报文请求传感器数据，传感器收到请求后，将当前的累加计数值与累计时间通过两帧CAN报文返回给MCU，并将累计时间清零，等待MCU下一次请求，MCU收到计数值与累计时间后，计算出单位时间的计数值，通过串口将计数值发送给CPU；

步骤S3中，数据滤波使用高斯低通滤波器进行滤波；

环境计数值计算包括以下步骤：

传感器在探测单位时间内发射的放射性粒子数存在统计涨落且服从泊松分布；

（1）

其中， c（λ）为传感器传输的计数值，λ为理论计数值；由式（1）可知，从传感器传输的原始数据可能会产生一定的误报率，为减少误报率，通过高斯低通滤波器消除统计涨落带来的影响；高斯低通滤波器传递函数用式（2）表示：

（2）

将传感器传输的计数值c（λ）经过高斯低通滤波器G（x）后，得到最终的环境计数值g（x）；

环境计数值计算具体为：

步骤B1，每隔一段时间获取传感器全谱的累加计数值，并保存成为时间序列，记为f(m)={x1,x2,…,xn}，n为序列的计数；

步骤B2，使用高斯滤波器对f(m)进行滤波处理，记滤波后的序列为g(n)，g(n)即为环境中的计数值；

步骤B3，在第i个时间段，剂量率H（i）与g(i)成线性关系，通过能量响应常数Energynumber表达如下：

H(i)= g(i)* Energynumber

其中，Energynumber通过一个已知剂量率的放射源进行刻度。