CN117724143A - 一种机载方向感知辐射探头及方向估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机载方向感知辐射探头及方向估计方法，属于放射材料探测技术领域。由多个圆柱形闪烁体探测器组成多边形探器阵列、以及各探测器之间的铅屏蔽套件组成。利用探测器相互阻挡效应以及方向感知增强套件，探头从空中无人机平台位置估计辐射源方向。本发明搭载于小型无人机上用于核事故应急监测及放射源搜索时具有出动快速，能高效获得测量数据的优点。

Description

一种机载方向感知辐射探头及方向估计方法

技术领域

本发明属于放射材料探测技术领域，尤其涉及无人机航空伽马辐射测量、放射性热点定位及放射源搜索等领域。

背景技术

放射源是用放射性物质制备的小型紧凑的辐射源的通称。放射源的应用在工业、农业、医学、国防、环境保护等方面，为发展国民经济、保障人民健康做出了重大贡献。在医学方面，放射源广泛用于医学诊断、治疗和消毒灭菌；在农业方面，用于辐照育种，可以改良品质，增加产量，还可用于灭菌保鲜等；在工业方面，可用于石油、煤炭等资源勘探，矿石成份分析、工业探伤、无损检测、材料改性和料位、密度、厚度测量等。放射源还可用于人造卫星供电、火灾烟雾报警、污水治理等。但是，在使用这些放射源的过程中由于管理、天灾、人为、偷盗等因素导致源丢失的案件经常发生，引发了辐射事故，严重影响了社会安全，因此，研究放射源探测装置及搜索方法，是应急处置的关键。

理想的放射源搜索系统应具备较高的辐射探测效率、较快的放射源方向感知性及无人远程操作的特点。首先，较高的辐射探测效率可记录在给定时间窗口内来自放射源的更多信息。更高的辐射探测效率可以通过增加探测器的体积，选择密度和有效原子序数高的闪烁体材料。然而，一味追求提高探测器本身的探测效率会导致探头重量增加，小型无人机不适合搭载。大中型机载方式虽然增加了探测器灵敏体积，但在实际放射源搜索时增加了飞行高度，因其放射源的强度随高度呈指数衰减特性，反而减弱了时间窗口期内放射源在探测器内的事例率。国际原子能机构IAEA第1363号文件关于《γ能谱辐射成图指导书》中明确说明闪烁体探测器被广泛应用于航空γ能谱测量，并且探测器探测效率、方向灵敏度及能量分辨率等因素是提高能谱探测能力的重要因素(IAEA-TECDOC-1363,2003)。因此，适当控制探测器的体积，增加探测器的方向感知特性，研究小型超低空辐射探测技术可以提高源项搜索的速度，减少搜索时间。

关于方向感知辐射探测器的设计与研究，国内外学者进行一些探索，比如，Larsson,C.L等人采用4个Geiger Muller盖革管及1个LaBr3能谱探测器构建用于放射源位置估计的探头，盖革管采用2×2阵列，用于方向感知，LaBr3用于光谱测量(Larsson,C.L.,&Djeffal，S..，2005)。Y.Shirakawa介绍一种伽马射线方向探测器，它由三个不同的NaI(Tl)、CSI(Tl)和BGO闪烁体组成，探测器积极增加入射伽马射线的方向灵敏度，并且可以测量方向、能量和数量伽马射线(Y.Shirakawa,2007)。R.Vilim等人通过观察计数定向阵列中每个探测器之间的计数速率差，计算概率分布，使用最大似然法生成源方向估计器(R.Vilim&R.Klann等人，2009)。Michael J.Willis等人介绍了一种探测和识别放射性γ射线源以及确定定向方位的方法。该方法基于比较四象限编队中4个探测器并排放置的相对强度，使系统能够利用遮挡探测器阵列中的阴影效应，采用模糊逻辑算法分析每个个体检测器相对于其他3个检测器的总计数响应，随后推断源方向(Michael J.Willis等人，2014)。Vilim,RichardB等人使用多个单元探测器组成的紧密探测阵列进行放射源定位研究(Vilim,RichardB等人，2015)。D.Hanna等人设计了一种八边形CsI(TI)闪烁体的简单的装置，用于确定伽马辐射源的方位角位置。每个探测器都包括一光电倍增管，可以通过比较计数率来定位具有角度精度的点源位置(D.Hanna等人，2015)。美国Bryan V.Egner等人针对核安保和安全应用需求，设计了由单个1”EJ-309有机液体闪烁体和塑料Spartan组成的轻型旋转散射掩膜(RSM)系统，能够用于快速确定放射源的类型和方向(Bryan V.Egner等人，2021)。J.F.Liang等人利用2个探测器相对放置，中间用屏蔽材料隔开，开展了该装置的方向探测能力实验，源的方向通过比较每个探测器中的辐射计数来推断(J.F。Liang，K.Talley,2021)。

国内谭军文等人设计了用NaI探测器确定γ源方位的铅准直定位装置，运用MCPNP软件模拟定位γ源(谭军文等人，2015)。李忠等人对圆柱形NaI探测器设计屏蔽及准直系统，开展基于方位角测量，辨别γ放射源的方向(李忠等人，2015)。张译文等人开展了基于多探测节点的放射源监测及定位方法研究，采用多个由CSI(TI)晶体阵列耦合光电倍增管，利用每个探测器单元上各晶体计数比实现放射源方向测量，利用多个探测器的方向信息和计信息实现放射源的准确定位和活度测量(张译文等人，2016)。左国平等人开展了基于三角圆筒铅屏蔽NaI探测器装置，用于放射源定位研究(左国平等人，2017)。周杨等人设计了一种三NaI(TI)晶体组成的γ射线源定位探头，研究三NaI(TI)晶体探测器在137Cs辐射场中全能峰占比计数随距离及入射粒子方向变化的关系，获得定位信息(周杨等人，2019)。

综上所述，无人机机载辐射探测系统用于源项搜索、定位及辐射成图具有灵活、高效、快速并且测量精确的优点。但是，机载源项搜索受到诸多因素影响，如飞行速度、高度、环境本底噪声对探测器探测灵敏度、搜索效率提出了极大的挑战：(1)目前研究重点基于能谱数据或异常方法进行源检测或识别，机载辐射探测在源项搜索与定位方面大多仅限于基于最大计数率位置的推断，源项搜索依赖多个机载通道进行扫描式搜索数据，其实时源项搜索及快速定位优势不明显；(2)方向感知型探测器虽然在源项搜索中具有快速响应、优化搜索路径的优势，但都应用于手持式或车载系统，应用于机载辐射方向感知场景的分析方法及物理模型研究较少；(3)无人机续航能力有限，在某些突发事故中，特别是广域大尺度未知放射源辐射场应急处置背景下，方向感知是源项搜索路径规划及其优化的关键参数。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种机载方向感知辐射探头及方向估计方法。本发明利用探测器相互阻挡效应以及多边形对称铅屏蔽组件，探头从空中无人机平台位置估计辐射源方向。

本发明采用如下技术方案：

机载方向感知辐射探头，由多个圆柱形溴化铈探测器组成多边形探器测阵列、以及各探测器之间的铅屏蔽组件组成。利用探测器相互阻挡效应以及多边形对称铅屏蔽组件，探头从空中无人机平台位置估计辐射源方向。

进一步的，探测器组件采用1.5英寸CeBr3晶体，该晶体能量分辨率为4％左右。

进一步的，探测器设计为方向敏感型。

进一步的，探测器构成环形阵列，6个1.5英寸的圆柱形探测器内接于正六边形，探测器之间用2mm的铅板屏蔽，夹角为60度，由于探测器阵列布局及方向屏蔽套件的增强作用，不同放射源的位置，探测器阵列出现明显的方向敏感特性。探测器中每个探测器的计数率与各自的立体角有关，通过数学建模，估计源的位置。

进一步的，探头模型：

考虑源到探测器之间的空气的衰减系数，探头每个探测器的点源响应函数如公式(5)所示，探测器对点源的特征响应与立体角Ω、源到探测器的距离R、方向敏感因子K(θ)及空气衰减μ因素有关：

其中，探测器半径为r₀，高度为h₀，表示立体角，R_i表示第i号探测器到源之间的距离，μ_a伽马射线在空气中的衰减系数，K(θ)表示方向敏感因子，S_p表示放射源的活度，ε表示探测器探测效率。

进一步的，探测器特征响应多边形的质心计算公式，由原点到质心的向量方向就为源估计方向，其方位角计算如公式(10)所示：

式中，R,θ分别表示质心的笛卡尔坐标在极坐标中的参数，在计算其方位角θ时，引入了修正参数k，因为质心坐标位于笛卡尔坐标的四个象限中，其反正切函数计算出的方位角要进行修正，在Ⅰ、Ⅳ象限计算结果加上2π，在Ⅱ、Ⅲ象限计算结果加上π修正，因此，引入激活函数Relu(x)与符号函数Sgn(x)组合实现，当C_x＞0时，Sgn(Relu(C_x))＝1，修正系数k＝2，当C_x＜0时，Sgn(Relu(C_x))＝0，修正系数k＝1。

一种机载方向感知辐射探头及方向估计方法，采用公式(2)估计出来的放射源方向与实际的源位置具有一定的偏差，这是由于探测器计数的统计波动造成，为了减少误差，在质心估计中，利用探测器特征响应多边形的特点，将多边形按照计数率响应大小进行2分组，较大的分为一组，去掉计数率明显小于较大者的1组，使多边形化简，再次进行质心算法估计放射源方位角，其误差将获得大幅度减小，其估计的质心及其表征的方向与实际的一致。

本发明的有益效果：

本发明提出的一种机载方向感知辐射探头及方向估计方法，对放射性源项具有伽马能谱探测及方向感知能力，能够快速定位放射源及放射性热点，提高了搜索速度及搜索效率，尤其适合于无人机搭载进行放射性热点定位及放射源搜索应用场景。

附图说明

图1为本发明方向感知探测器源项搜索示意图；

图2(a)为探测器与铅屏蔽组件安装位置示意图；

图2(b)为探测器相对位置固定附件俯视图；

图2(c)为放射源位于探头外侧测量分析图，其中(a)为探测器，(b)为放射源到探测器垂直投影分析；

图2(d)为探测器计数在极坐标下构成的多边形表征图；

图3为方向感知辐射探头数理模型图；

图4为探测器计数率响应多边形表征图，其中(a)为放射源位于探测器正下方，(b)为放射源位于探测器左侧；

图5为辐射场各探测器圆轨迹测点数据抽取图，其中(a)为测试场地，(b)探测器，(c)分别代表探测器坐标系建模；

图6为放射源特征响应质心估计图，其中(a)为放射源与测量多边形，(b)为多边形三角剖分；

图7为探测器点源辐射场计数响应，其中(a)为未插值分布图，(b)为插值后分布图；

图8为方向感知探头各探测器计数响应图，其中(a)为所有测点数据，(b)为第7号测线数据；

图9为直角坐标下探头各探测器360度角度范围计数响应分析，(a)ch1表示探头编号1，(b)ch2表示探头编号2，(c)ch3表示探头编号3，(d)ch4表示探头编号4，(e)ch5表示探头编号5，(f)ch6代表探头编号,6；

图10为极坐标下探头各探测器360度角度范围计数响应分析，(a)ch1表示探头编号1，(b)ch2表示探头编号2，(c)ch3表示探头编号3，(d)ch4表示探头编号4，(e)ch5表示探头编号5，(f)ch6代表探头编号,6；

图11为探测器源方向感知分析图，其中(a)为坐标系，(b)为测点(0,0)极坐标分析；

图12为某测线源到探头方位角分析，其中(a)为测点计数多边形，(b)为测点方位角估计；

图13为机载方向感知辐射探测系统特征峰(662KeV@137Cs)源向估计，(a)表示理论方向0°估计结果，(b)表示表示理论方向30°估计结果，(c)表示理论方向60°估计结果，(d)表示理论方向90°估计结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。

多边形探测器源，包括：

1.探头建模

探测器组件采用1.5英寸CeBr3晶体，该晶体能量分辨率为4％左右(137Cs@662KeV)，是NaI探测器的2倍左右，具有优良的闪烁性能。其能量分辨率和衰减时间与溴化镧(LaBr3:Ce)晶体相当，具有较优的时间分辨特性。此外溴化铈晶体的组成元素没有天然放射性同位素，不会带来本底辐射。

探头机载方向感知辐射探头由多个圆柱形溴化铈探测器组成多边形探测阵列，利用探测器相互阻挡效应以及特别设计的铅屏蔽套件，提供相对于探测器从空中无人机平台位置的辐射源方向估计。

首先，探测器选择性价比高的CeBr3晶体，其光产额及能量分辨率较优，无自身本底辐射，因此，在给定的计数时间内，具有更高的辐射作用几率，累积更多的粒子时间。其次，探测器设计为方向敏感型。这种特性在寻找放射源时的优势是显著的。使用简单的探测器进行搜索时，必须使用探测器扫描搜索整个区域，记录每个特定位置的计数率，然后确定计数率最高的位置。使用这种方法，搜索区域必须覆盖很大的范围，每个位置的计数率都要经过一段时间段的积累，消耗较多的时间。若使用一个方向敏感探测器，将能够更快地引导搜索到放射源的位置，从而使搜索起点到放射源位置之间的搜索距离最小。与简单探测器相比，它将大大缩减搜索距离，快速定位放射源，节约时间，如图1所示。

为了增加探头的方向灵敏度，提高搜索效率，探测器按图2(a)-图2(d)所示构成环形阵列，6个1.5英寸的圆柱形探测器内接于正六边形，探测器之间用2mm的铅板屏蔽，夹角60度。由于探测器阵列布局及方向屏蔽套件的增强作用，不同放射源的位置，探测器阵列出现明显的方向敏感特性。以探测器中心为原点，以1号探测器的水平轴向为参考方向。在机载探头的工作中，探测器的安装位置固定，即始终以1号探测器的水平轴向为参考方向，可以得出与放射源同一侧的探测器比反方向的探测器计数显著偏高。在该侧探测器中每个探测器的计数率也与各自的立体角有关，可以通过数学建模，估计源的位置。

2.如图2(c)所示，以探测器所在的正六边形中心为原点，以1号探测器垂直投影的中心线为参考方向，探测器1-6逆时针编号，并且在测量过程中，相对位置保持不变。点放射源位于探测原点正下方高度5米处，通过Geant4模拟¹³⁷Cs源强度为10⁹Bq左右对每个探测器的粒子收集效率。仿真结果表明，每个探测的粒子计数约为6000左右，探测器计数极坐标下多边形表征如图3。另一组仿真分析结果如图3所示，放射源高度不变，位于探测器左侧25米处，探测器3、4、5的计数为200左右，且4号探测器最大，探测器1、2、6的计数约为70左右。左侧3个探测器计数明显比右侧大，而且左侧3个探测器之间的差异明显。因此，可以根据差异明显的3个探测的计数进行放射源方向估计。

通过以上的分析，本发明的探头具有明显的方向感知特性，对于每个探测器而言，不同放射性源的位置对探测器的响应表现为不同的特征。下面主要分析每个位置上探测器的特征响应函数。

(1)探头模型

探头模型如图3所示，测器计数率计算公式(1)：

N＝ΩεFS_p (1)

式中，F表示校正系数，S_p表示放射源的活度。ε表示探测器探测效率，Ω表示立体角。以探头垂直投影的正六边形中心为原点，以原点到1号探测器垂直投影的圆心方向为参考轴建立极坐标系。探测器半径为r₀，高度为h₀。原点到探测器垂直投影的圆心距离为l₀，放射源P的位置为(r,θ)，探测器到地面的垂直高度为h。因此，1号探测器到源之间的距离R₁计算公式如下：

本发明使用的探测器为溴化铈闪烁体，该探测器的直径远远小于放射源与探测之间的距离，因此1号探测器立体角参照公式(1)计算如下：

对于2-6号探测器，相对1号探测的位置固定，在实际使用过程中也满足他们之间的相互关系，按照图5定义的直角坐标参照系，探测器垂直投影圆心之间的夹角因此，第i个探测器到源之间的距离及立体角由(4)式给出。

综上所述，考虑源到探测器之间的空气的衰减系数，本发明所设计的探头每个探测器的点源响应函数如公式(5)所示。

式中，探测器半径为r₀，高度为h₀，表示立体角，R_i表示第i号探测器到源之间的距离，μ_a伽马射线在空气中的衰减系数，K(θ)表示方向敏感因子，S_p表示放射源的活度，ε表示探测器探测效率。由此可见，探测器对点源的特征响应与立体角Ω、源到探测器的距离R、方向敏感因子K(θ)及空气衰减μ等因素有关。

(2)方向估计方法

在放射性源项及放射性污染区域探寻的作业过程中，具备方向感知能力的探测器可以提高搜索效率。本发明以设计的方向感知探测器为研究对象，以源-探测器特征响应构成的多边形质心方法估计源方向。

质心估计是一种直观的方法，根据每个探测器中观察到的计数率和探测器的位置，以探测器的中心为原点，在极坐标系统中建立表征不同探测器计数响应的多边形。当放射源位于探测器中心正下方时，各个探测器计数率理论上在同一个计数级别，由于每个探测器相对于整个系统的位置是固定的，所以探测数据在极坐标中表示为一个正六边形；当放射源位于中心之外的位置，探测器的计数率大小表征为一个不规则的多边形。靠近源的探测器的计数率增加，远离源的计数率降低，如图4所示。

由于探测器采用正多边形布置，因此放置在探测器垂直中心点下方的点源应在每个探测器中产生相等的计数率，构成为一个正六边形，其质心与探测器中心重合。如果点源不放在探测器的中心，那么靠近源的探测的计数率增加，远离源的计数率降低，构成一个不规则多边形，其质心靠近放射源的方向，以探测器中心为原点，过质心做一条射线，射线方向表示源参照于探头坐标的方向。因此，根据这一方法，可以实时估计放射性源项及热点区域的搜索方向。

点源探测器响应的不对称性可以用来定量估计点源相对于探头中心点的方向。首先，选择笛卡尔二维坐标轴，其原点为辐射探头中心点所在的水平面，如图5所示，X轴正向为原点到1号探测器中心的射线，Y轴正向垂直于X轴向上。辐射探头每个探测器对点源的响应计数表示为以原点为起点，以原点到探测器垂直投影中心为方向的向量，用极坐标表示为：P＝(N_i,θ_i)，θ_i表示每个探测器的固定位置关系，计算公式如(6)所示。其中，r_i表示探测器构成的多边形边数，为正整数，本发明中n＝6。

θ_i＝2π(i-1)/n(n∈N,i＝1,2,...,n) (6)

多边形质心计算因多边形的形状分类而不同，分为凸多边形与凹多边形两种情况。先将探测器计数极坐标转换为笛卡尔坐标系的测点P_xy＝(x_i,y_i)，凸多边形质心直接采用公式7计算：

求解凹多边形质心，需要把多边形进行三角剖分，转换为多个三角形进行计算。以原点为剖分点，以每个探测器计数率向量为边，将多边形按照图5右边的方式进行剖分，则每个三角形的质心及面积计算如下：

式中，N_k表示探测器点源响应计数率，θ_i表示探测器的安装位置由公式6计算,S_k表示三角剖分后第k个小三角形的面积,表示上三角剖分后第k个小三角形的边长表示的向量。

因此，多边形质心公式如(9)所示，该公式适合所有类型的多边形质心计算。

上述过程得到探测器特征响应多边形的质心计算公式，由原点到质心的向量方向就为源估计方向，其方位角计算如公式(10)所示：

式中，R,θ分别表示质心的笛卡尔坐标在极坐标中的参数。在计算其方位角θ时，引入了修正参数k，因为质心坐标可能位于笛卡尔坐标的四个象限中，其反正切函数计算出的方位角要进行修正，在Ⅰ、Ⅳ象限计算结果加上2π，在Ⅱ、Ⅲ象限计算结果加上π修正。因此，引入激活函数Relu(x)与符号函数Sgn(x)组合实现。当C_x＞0时，Sgn(Relu(C_x))＝1，修正系数k＝2，当C_x＜0时，Sgn(Relu(C_x))＝0，修正系数k＝1。

通过计算发现，采用公式(10)估计出来的放射源方向与实际的源位置具有一定的偏差，如图6中“*”标注的位置，这是由于探测器计数的统计波动造成。为了减少误差，在质心估计中，可以利用探测器特征响应多边形的特点，将多边形按照计数率响应大小进行2分组，较大的分为一组，去掉计数率明显小于较大者的1组，使多边形化简，再次进行质心算法估计放射源方位角，其误差将获得大幅度减小，如图6中P₁、P₂、P₃组成的三角形，其估计的质心“☆”及其表征的方向与实际的一致。

(3)探头仿真

本发明的方向感知辐射探测器放射源响应特征采用GEANT4模拟实现。机载辐射探头采用6个的溴化铈探测器构成一个直径为200mm的环形探测阵列。如图5所示，一个特征能量为662KeV的¹³⁷Cs点源放置于地面50m×50m的中心，放射源的位置不变，每隔5m设置1条测试，探测器位于测线的上方每隔5米模拟测量源到探测器的特征响应。这些模拟有两个目的，一是模拟每个探测器基于源、立体角依赖的绝对效率η_i(θ_s)，二是模拟探测器方向感知特征。

首先，点放射源辐射场的特征模拟如图7所示，探测器对¹³⁷Cs源662KeV特征峰计数率为数据，点放射源位于50m×50m地面的中心。机载辐射探头位于模拟区域上方5m处，探头在5m×5m的网格上方模拟放射源入射到每个探测器的粒子收集过程。探头坐标投影如图中红色箭头所示，在模拟所有测点的过程中，探测器相对位置保持不变，即始终以探测器中心为原点，以原点到1号探测中心的射线微笛卡尔X轴正向或极坐标极轴。图7左图为实际模拟测点成图，总测点121个，为了辐射场对探测器源响应，特别是方向估计分析，将辐射场进行了三维插值，如图7右图所示。可以得出，探头模拟测的数据与实际放射源布置位置基本一致，位于场地的中心，即放射源热点区域位于纵横两个方向第6条测线的交点。因此，该方法获得的辐射场数据可以用于探头的特征响应分析。

其次，利用GEANT4仿真测量数据，模拟了探测器对放射源角度θ_s及距探测器距离和视角的敏感性。探测器测量数据采用MATLAB进行数据分析处理。模拟点放射源活度为5.8×10⁹Bq，得到每个探测器模拟计数，如图8所示。图中数据按照图5所示的Y轴方向，每隔5m布置一条测线，每一个局部峰值表示每条测线最靠近放射源中心的点，即横向第6条测线的点。同时可以看到，虽然每个探测器在横向第6条测线的点够表现为局部最大值，但是数据明显呈现最大最小二类，如图中测点85-95(测点共11²＝121个)所展示的细节所示，红、浅蓝、深蓝表示的探测器1、2、3的计数值比4、5、6号探测器显著高出一个等级。这是因为，60测点以后，探测器整体位于模拟放射源的左边，探测器1、2、3更靠近放射源，4、5、6号探测器受到1、2、3号探测器即屏蔽装置的遮挡，计数显著下降。因此，设计的探测器具有明显的方向感知特征。

为了进一步分析探测器的方向感知特性，验证探测器的系统模型，这里将重新抽取辐射场的测点数据，对每个探测器的方向感知特征进行分析。数据抽取规则按照图5所示中的红色圆形轨迹进行。探头垂直于地面5m高度处以红色轨迹进行移动，源到探测器中心的距离保持不变，为25m。系统选择探头为参考坐标，探头中心到1号探测器中心方向为X轴，且保持不变(在实际的探测过程中，探测器相对位置不变，整个系统不以原点发生旋转运动)。将红色轨迹占据的网格对应的模拟数据进行插值处理后，每条探测器的源-探测器计数响应如图9所示，横坐标表示源到探头中心投影角度，纵坐标表示探测器点源响应计数。可以看出，每个探测对源的响应在一定的角度范围内表现敏感，1-6号探测器放射源角度敏感范围大致分为θ_1s∈(220,330)、θ_2s∈(100,240)、θ_3s∈(170,300)、θ_4s∈(0,160)、θ_5s∈(-30,100)及θ_6s∈(-80,80)。

同时，将探测器的源角响应转换为极坐标形式，更直观的反应了其方向感知特征，如图10所示。其计数响应随着测试的位置不一样，呈现出一种明显的对称分布特性，如图中的“ch1&ch4”、“ch2&ch6”、“ch3&ch5”所展示的那样。这是因为探头采用多边形对称布局及特殊设计的屏蔽装置所产生的效果。这种特性对于源方向估计是有利的，当源靠近探测器的某一侧时，对应的一组探测器计数响应明显，与之对称位置上的另一组探测器计数响应偏低，从而自然地将探测器的计数响应分为2组。因此，利用这种对称分组响应特性可以大致定性推断源的方向，再利用计数响应较大组内探测器的差异化特征，定量估计放射性热点或源相对于探测器的方向。

通过上述分析，机载辐射探测器的多边形布局及屏蔽装置使探头呈现对称分组的源-探测器响应特性，为了定量分析的放射源及热点相对于探头的位置，建立了如图11的模拟仿真方案。以X轴方向第1条测线为研究对象，每个测点到模拟点源的方位角可以反正切函数计算得到。因此，通过分析探测对称分组计算的差异可以估计源的方位角。

测点(0,0)探测器的计数响应见图11右边的极坐标表示，其探测器2、3、4为计数值偏大组，明显大于1、5、6号探测器。因此，单纯从计数值分组分析，放射源位于探测器2、3、4侧。若以探头中心为原点，X正半轴方向为参考轴，构建极坐标系，把各个探测器的计数响应值当做向量的模，把各个探测器在极坐标的位置当做角度，绘制测点数据的极坐标图，便可得到探测器点源响应特征多边形。该多边形的质心指示了源的方位，通过计算多边形的质心便可估计放射源及热点的方向。

按照本发明方法分别绘制了(0,0)、(0,1)、(0,2)、(0,3)、…、(0,10)测点的“源-探测器”响应特征多边形，计算其质心，从而估计源的方位角。按图11的设计测线，测点(0,1)～(0,10)对应的源方位角理论在45°-135°范围内，通过质心估计方法获得的方位角分布如图12所示，在38°-144°范围内，与理论值基本一致。

(4)源向估计实验

按照图5方向感知探测器模型建立的坐标系放置机载方向感知辐射探头，以实验室¹³⁷Cs源为参考，进行方向感知角度测试。按照本发明方法，探头是基于六边形圆心的对称系统，因此将放射源放置于坐标系第1象限0°、30°、60°及90°位置，进行实测探头的感知特性，每个方向测试180s，其¹³⁷Cs特征峰计数及估计角度见下表1所示，其方向估计结果如图13所示。

表1方向感知探头¹³⁷Cs特征峰计数值及源向估计

通过对实测数据进行多边形质心估计，获得从参考原点到质心的方向估计，从而获得了放射源的大致方向，误差在可接收的范围内。若将该方位用于源项搜索，将大大提高放射性源项的搜索效率。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.机载方向感知辐射探头，其特征在于，由多个圆柱形溴化铈探测器组成多边形探器测阵列及各探测器之间的屏蔽组件组成，利用探测器相互阻挡效应以及多边形对称铅屏蔽组件开口方向的增强作用，探头从空中无人机平台位置估计放射源方向。

2.根据权利要求1所述的机载方向感知辐射探头，其特征在于，探测器组件采用1.5英寸CeBr3晶体，该晶体能量分辨率为4％。

3.根据权利要求1所述的机载方向感知辐射探头，其特征在于，探测器设计为方向敏感型。

4.根据权利要求1所述的机载方向感知辐射探头，其特征在于，其中，探测器构成环形阵列，6个1.5英寸的圆柱形探测器内接于正六边形，探测器之间用2mm的铅板屏蔽，夹角为60度，由于探测器阵列布局及多边形对称铅屏蔽组件的增强作用，不同放射源的位置探测器阵列出现明显的方向敏感特性，探测器中每个探测器的计数率与各自的立体角有关，通过数学建模，估计源的位置。

5.根据权利要求4所述的机载方向感知辐射探头，其特征在于，探头模型为：考虑源到探测器之间的空气的衰减系数，探头每个探测器的点源响应函数如公式(5)所示，探测器对点源的特征响应与立体角Ω、源到探测器的距离R、方向敏感因子K(θ)及空气衰减μ因素有关：

其中，探测器半径为r₀，高度为h₀，原点到探测器垂直投影的圆心距离为l₀，i号探测器到源之间的距离为R_i。

6.根据权利要求5的探头机载方向感知辐射探头，其特征在于，还包括：探测器特征响应多边形的质心计算公式，由原点到质心的向量方向就为源估计方向，其方位角计算如公式(10)所示：

式中，R,θ分别表示质心的笛卡尔坐标在极坐标中的参数，在计算其方位角θ时，引入了修正参数k，因为质心坐标位于笛卡尔坐标的四个象限中，其反正切函数计算出的方位角要进行修正，在Ⅰ、Ⅳ象限计算结果加上2π，在Ⅱ、Ⅲ象限计算结果加上π修正，因此，引入激活函数Relu(x)与符号函数Sgn(x)组合实现，当C_x＞0时，Sgn(Relu(C_x))＝1，修正系数k＝2，当C_x＜0时，Sgn(Relu(C_x))＝0，修正系数k＝1。

7.一种机载方向感知辐射探头的方向估计方法，其特征在于，利用权利要求6所述的机载方向感知辐射探头探测，当采用公式(2)计算时：

以探头垂直投影的正六边形中心为原点，以原点到1号探测器垂直投影的圆心方向为参考轴建立极坐标系，探测器半径为r₀，高度为h₀，原点到探测器垂直投影的圆心距离为l₀，放射源P的位置为(r,θ)，探测器到地面的垂直高度为h；

估计出来的放射源方向与实际的源位置具有一定的偏差，这是由于探测器计数的统计波动造成，为了减少误差，在质心估计中，利用探测器特征响应多边形的特点，将多边形按照计数率响应大小进行2分组，较大的分为一组，去掉计数率明显小于较大者的1组，使多边形化简，再次进行质心算法估计放射源方位角，其误差将获得大幅度减小，其估计的质心及其表征的方向与实际的一致。