CN202522705U - 放射性物质巡检定位设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种放射性物质巡检定位设备，其特征在于，所述放射性物质巡检定位设备包括：两个或更多探测器，用于在巡检路径上的多个采样点中的每个采样点处采集来自巡检路径周围的探测区域的放射性辐射强度值；和移动载体，用于承载所述探测器沿所述巡检路径移动经过所述采样点。所述设备能够基于探测器在巡检路线上的多点观测来得出探测区域的放射性物质的位置和放射性强度分布。

Description

放射性物质巡检定位设备

技术领域

本实用新型涉及一种放射性物质巡检定位设备。

背景技术

环保、安全等相关领域在监测和管理放射性物质时，往往需要测量某区域内的放射性分布情况或寻找丢失的放射源。移动式巡检谱仪是一种可以安装在汽车、直升机、船舶或其它载体上的放射性物质探测设备，自身带有定位系统，工作时可以实时获取当前的地理位置和放射性物质的伽马能谱或中子计数率。移动式巡检谱仪除了普通的谱仪所具有的探测器、电源、前放、电子学模块、多道和数据处理单元外，还包括GPS定位装置。另外，移动式巡检谱仪更注重能高效的对大量采集数据进行获取、保存、读取和分析。通过传统的移动式谱仪，可以测量行进路线上的放射性水平，但得不到路线所在局部区域的放射性分布，例如，当车载式的巡检谱仪沿着公路检测时，只能标记出公路上各个点的放射性水平，但不能得到公路两侧一定范围内的放射性分布的详细情况。如果是在寻找丢失的放射源，则不能知道放射源的具体位置。

也有一些专门用来确定放射源位置的设备。一类是通过成像来定位，例如伽马相机。一类是带有准直器和旋转装置的设备，通过准直器可以判断放射源所在的方向，利用多个位置的测量就可以确定放射源的位置。然而由于需要长时间定点测量和探测效率低等原因，这些设备都不适用于巡检，只能在巡检谱仪确定了可疑区域后，才使用它们进一步测量。

为此，需要一种能够迅速有效地探测巡检路径周围的探测区域的放射性辐射强度分布和确定放射性物质的所在位置的巡检方法和巡检设备。

实用新型内容

本实用新型的目的之一是提供一种能够基于探测器在巡检路线上的多点观测来得出探测区域的放射性物质的位置和放射性强度分布的巡检设备。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型的技术方案通过以下方式来实现：

根据本实用新型的一个方面，提供一种放射性物质巡检定位设备包括：

两个或更多探测器，用于在巡检路径上的多个采样点中的每个采样点处采集来自巡检路径周围的探测区域的放射性辐射强度值；和

移动载体，用于承载所述探测器沿所述巡检路径移动经过所述采样点。

进一步地，所述探测器可以朝向采样点周围的不同方向，彼此由屏蔽部件所隔离。

进一步地，所述放射性辐射强度值可以由计数率或剂量率来表示。

更进一步地，所述探测区域可以包含多个子区域。

具体地，所述子区域的个数可以不超过采样点的个数。

具体地，所述探测器的探测效率可以针对于所探测的辐射能量范围和放射性物质的种类进行标定。

具体地，所述子区域可以是在探测区域中在一维、二维或三维方向上被划分出来的。

具体地，所述探测器所采集到的放射性辐射强度值可以是

$c_t=b_t+\underset{m}{\mathrm{\Σ}}{a}_m\mathrm{\Φ}(p_m,q_t,{\mathrm{\θ}}_t)+{\mathrm{\ϵ}}_t,$

其中m是子区域的标号，m＝1，…，M，M为子区域的总数，b_t是所述本底放射性辐射强度值，p_m表示标号为m的子区域的位置，a_m是标号为m的子区域的放射性辐射强度值，q_t是所述移动载体所处的位置，θ_t是所述移动载体的方向角，Φ(p_m，q_t，θ_t)是探测器在所述移动载体处于位置q_t、方向角为θ_t时对p_m位置的探测效率，t是采集到的放射性辐射强度值的标号，t＝1，…，N，N为采集到的放射性辐射强度值的个数，ε_t是采集误差。

本实用新型的上述技术方案中的至少一个方面能够基于探测器在不同方向和距离上的探测效率的差异性通过在巡检路径上的多点观测来估计放射性物质的存在位置和分布情况。尤其为放射性物质的动态巡检提供了一种迅捷有效的途径。

附图说明

图1示出根据本实用新型的实施例的放射性物质巡检定位方法的示意性流程图；

图2示出根据本实用新型的实施例的放射性物质巡检定位设备的巡检路线和探测区域的示意图；

图3示出根据本实用新型的放射性物质巡检定位方法中采集到的放射性辐射强度分布的示意图；和

图4示出本实用新型的实施例的具有四个探测器的放射性物质巡检定位设备的示意图；和

图5示出本实用新型的实施例的具有两个探测器的放射性物质巡检定位设备的示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号表示相同或相似的部件。下述参照附图对本实用新型实施方式的说明旨在对本实用新型的总体实用新型构思进行解释，而不应当理解为对本实用新型的一种限制。

图1示意性地示出根据本实用新型的一实施例的一种放射性物质巡检定位方法。所述方法包括步骤：提供环境的本底放射性辐射强度值的步骤101、在巡检路径上的多个采样点用探测器采集来自探测区域的放射性辐射强度值的步骤102、根据所采集的放射性辐射强度值计算探测区域的放射性辐射强度分布的步骤105和根据所述放射性辐射强度分布确定放射性物质所在位置的步骤106。图1中虚线表示的流程步骤是可选的步骤。

在实际操作中，即使在环境中没有放射性物质的情况下，探测器也会显示出一定的探测信号值，即本底值。在探测开始前，需要首先提供本底放射性辐射强度值。该本底值的采集与有放射性物质存在的一个可能的差异是：本底值从各个方向测量都没有明显的变化；但由于放射性物质一般分布不均匀，如果探测设备各个方向的探测效率不相同，那么在各个方向上所得的测量结果会有明显的变化。可以利用这一特点判断采集的初始本底值是否有效。另一个方法是采集几个不同位置的本底值，如果差异不大，说明周围有放射性物质的可能性很小，从而也可以作为初始本底值。初始本底值是否有效也可以通过经验和以往的测量数据判断。

在本实用新型的实施例中，在巡检路径上可以设置有多个采样点。在提供环境的本底放射性辐射强度值之后，用探测器在所述多个采样点处采集来自探测区域的放射性辐射强度值。在巡检过程中可以以一定的时间间隔不断采样。

根据所采集的放射性辐射强度值和本底放射性辐射强度值来计算探测区域的放射性辐射强度分布。在该步骤105中，可以将探测区域分成多个子区域，提供所述探测器在各数据采集点对于所述子区域的探测效率，并根据所述本底放射性辐射强度和所述探测效率确定每个子区域的放射性辐射强度。所述子区域的划分可以在一维、二维或三维方向上进行。也就是说，每个子区域可以被构建成一维的线段、二维的平面区域或三维的空间体。图2示出了在二维平面中将探测区域划分成一个个方格形状的子区域的示例。从图2中可见，探测区域覆盖了巡检路线(即探测器的移动载体的行驶路线)及其两侧的大片区域。

探测效率是探测到的辐射粒子数与从辐射源发出的该粒子数之比。探测效率是放射性物质巡检设备自身的属性，但其与测量角度、距离，甚至放射性物质的能量范围和放射源类型都是相关的。因此，在探测或计算放射性物质的辐射强度分布之前，需要先标定或计算出探测效率，例如可以通过实际测量、模拟计算或两者相结合的方法来求出探测效率。

子区域的个数涉及探测区域的分辨率，受到探测器采样率以及探测器的移动载体的移动速度的限制。例如，可以将子区域的个数限定成不超过采样点的个数。

假定共有M个子区域，令子区域的标号为m，有m＝1，…，M。令标号为m的子区域的放射性辐射强度值为a_m，标号为m的子区域的位置为p_m。探测器所采集到的辐射强度值实际上是各个子区域的辐射强度的加权和。假定探测器共采集到N个放射性辐射强度值，令采集到的放射性辐射强度值的标号为t，有t＝1，…，N，本底放射性辐射强度值为b_t。假定探测器设置在移动载体上，移动载体所处的位置为q_t，移动载体的方向角为θ_t，探测器在所述移动载体处于位置q_t、方向角为θ_t时对p_m位置的探测效率为Φ(p_m，q_t，θ_t)。则所采集到的放射性辐射强度值可以为

$c_t=b_t+\underset{m}{\mathrm{\Σ}}{a}_m\mathrm{\Φ}(p_m,q_t,{\mathrm{\θ}}_t)+{\mathrm{\ϵ}}_t,t=1,\·\·\·,N---\left(1\right)$

其中ε_t是采集误差。如上所述，式(1)中的探测效率Φ(p_m，q_t，θ_t)可以通过事先标定或插值计算等方式获得，在计算中为已知量。

从式(1)可以看出，计算每个子区域的放射性辐射强度实质上就是求出针对于各个子区域的a_m的值。探测器工作正常的情况下，采集误差ε_t相对较小。于是对a_m的计算实际上变成了求解线性方程组的问题。然而，在不另附加约束的情况下，a_m的解往往不唯一。考虑到巡检放射性物质的实际情况，放射性物质源一般不会太多，且位置相对集中，所以为式(1)的求解增加了“含有放射性物质的子区域最少”的约束条件。所谓“含有放射性物质的子区域”，即a_m的值大于零或大于某一阈值的子区域，这样的子区域可以被称为有源子区域。于是，问题变成了求出式(1)所表示的方程组中的a_m的解中零值最多的解。在测量点有限的情况下，这样的假定有利于发现放射性辐射强度最高的若干个子区域。

根据上述约束条件对式(1)进行求解的方法很多，但考虑到根据本实用新型的巡检定位方法和设备往往需要进行实时处理，因此，优选计算复杂度相对较低的方法来进行计算。例如，可以通过向量的稀疏分解来求解。假定向量C＝(c₁-b₁，…，c_N-b_N)^T，向量集合D＝{D_m}，D_m＝(Φ(p_m，q₁，θ₁)，…，Φ(p_m，q_N，θ_N))^T，则可以通过向量C在向量集合D上的稀疏分解来求出所需的a_m的解。

同样，向量的稀疏分解的方法也有很多，例如Matching Pursuit方法等。在以下的实施例中，仅给出一种示例，但本实用新型的实施例不限于此。

在该实施例中，首先给定标号集合S和残差向量R，并设定S的初始值S₀为空集，将残差向量R的初始值R₀设定为向量C，将a_m的初始值设定成0。

接着，将R₀在向量集合D中的向量D_m上的投影定义为P_m，将P_m取最大值时所对应的m值定义成n，将n添加到S₀中以对标号集合S进行更新，并对残差向量R进行更新，令更新后的残差向量R为向量C与向量C在向量D_n上的投影之差。经过该步骤，标号集合S中的元素从零个增加到1个。

然后，判定更新后的残差向量R的范数是否小于残差阈值，如果小于残差阈值，则将向量C在向量D_m上的投影系数作为a_m的计算结果。在这种情况下，仅当m的取值为所得的更新后的标号集合S中的元素时，a_m的计算结果才不为零，而当m取其它值时，a_m的计算结果为零。反之，如果更新后的残差向量R的范数不小于残差阈值，则将更新后的残差R和更新后的标号集合S分别替代R₀和S₀重新执行上一步骤以反复更新残差向量R和标号集合S直至更新后的残差向量R的范数小于残差阈值为止。其中，残差阈值可以根据需要来指定，残差阈值越大，则运算的循环次数越少，得出的解的不为零的a_m值也越少，反之，残差阈值越小，运算的循环次数越多，得出的解的不为零的a_m值也越多，但是太小的残差阈值可能导致解的不稳定。也可以根据需要给出循环次数的设定值，当反复更新残差向量R和标号集合S进行循环运算的循环次数到达该设定值时，即终止该运算过程。

经过上述计算，假定最终获得的标号集合S包含L个元素，用x₁，…，x_L来表示，则意味着在集合{a_m}中，仅当m＝x₁，…，x_L时，a_m值才不为零。为此，可以将这些a_m的值不为零的子区域确定为有源子区域。当然，也可以为a_m的值再设定一个大于零的阈值，而仅将a_m的值大于该阈值的子区域才确定成有源子区域。在上述步骤106中，可以基于所求出的每个子区域的放射性辐射强度值a_m在探测区域上绘制放射性辐射强度分布图来确定放射性辐射物质可能存在的子区域位置。

在上述步骤106中，在通过向量的稀疏分解求出子区域的放射性辐射强度值a_m之后，还可以进一步计算放射性物质所在的精确位置，尤其是在有源子区域较少且所巡检的放射性物质为点放射源时更是如此。该计算可以利用数值方法进行，给定误差函数

$H=\underset{t}{\mathrm{\Σ}}{(c_t-b_t-\underset{l}{\mathrm{\Σ}}{a}_l\mathrm{\Φ}(p_l,q_t,{\mathrm{\θ}}_t))}^2,l=x_1,\·\·\·,x_L;t=1,\·\·\·,N---\left(2\right)$

其中L为有源子区域的个数，x₁，…，x_L为有源子区域在所有子区域中的标号；t＝1，…，N，是采集到的放射性辐射强度值的标号，利用数值方法求出在误差函数H取值最小时的p_l即是放射性物质更准确的位置点。需要指出的是，在对式(2)进行计算时，不仅p_l是未知量，有源子区域的放射性辐射强度值a_l也需要当作未知量来处理，因此，

$c_t=b_t+\underset{m}{\mathrm{\Σ}}{a}_m\mathrm{\Φ}(p_m,q_t,{\mathrm{\θ}}_t)+{\mathrm{\ϵ}}_t$

不再是线性方程。

在上述利用向量的稀疏分解进行求解的过程中，向量集合D＝{D_m}中的向量对求解式(1)有较大影响，D_m之间的差异越大，即相关性越小，则式(1)所表示的方程组的病态性就越小，求得的结果的误差也越小，也越稳定。又因为D_m＝(Φ(p_m，q₁，θ₁)，…，Φ(p_m，q_N，θ_N))^T，即探测器在每个采样点处对同一子区域(同一位置)的探测效率。所以，如果探测器在各个方向上的探测效率的差异性越大，则D_m之间的相关性就越小，式(1)所表示的方程组的病态性就越小。

为了在不明显降低整体探测效率的基础上增加探测器在各个方向上的探测效率的差异性，可以安装多个探测器，并在彼此之间加装屏蔽材料，如图4和图5所示。例如，可以将探测器设置成包括朝向采样点四周的不同方向的两个、三个、四个或更多探测器。在本实用新型的实施例中，探测器可以为NaI探测器、中子探测器或其它探测器。

在一些实施例中，可能需要对不同能量区间或只对感兴趣的某种放射性物质进行定位，而对于不同能量或放射性物质，探测器的探测效率也有所不同。在此情况下，所述探测效率可以针对于所探测的辐射能量范围和放射性物质的种类进行标定。这样可以更加准确地估计不同能量或感兴趣的某种放射性物质在探测区域中的分布或放射源的位置。

如图1所示，在上述步骤102和步骤105之间还可以包含两个可选的步骤103和104。在步骤103中，判定所采集到的放射性辐射强度值与本底放射性辐射强度值之差是否大于采集阈值，如果大于采集阈值，则表明探测区域中明显存在放射性物质，需要对其位置和强度分布进行计算，因而向下执行步骤105或104；如果不大于采集阈值，则表明探测区域中没有明显的放射性物质的辐射，因此转到步骤107，在步骤107中，通过将所采集到的放射性辐射强度值与本底放射性辐射强度值进行加权平均来对本底放射性辐射强度值进行更新，更新后的本底放射性辐射强度值替代了最初在步骤101中提供的本底放射性辐射强度值，并返回步骤102重新对放射性辐射强度值进行采集。本领域技术人员可以根据诸如辐射的类型、强度、能量等因素设定合适的采集阈值，以满足实际巡检的需要。通过对本底放射性辐射强度值的持续更新，可以得出每个采样点附近的更加准确的本底放射性辐射强度值，从而能够防止由于不同的采样点之间的环境本底放射性的差异而带来的探测误差。

在一些实施例中，采样点的周围的环境可能是复杂的，例如存在能够使放射性辐射强度产生明显衰减的建筑物、山坡等障碍物。在这种情况下，为了消除由于障碍物的遮挡所导致的探测误差，可以对探测得到的数据进行预处理去除掉这些受到障碍物的遮挡的影响的数据。于是在上述步骤102和步骤105之间可以设置可选的步骤104。如果巡检设备经过被障碍物所遮挡的区域，则在进入该被遮挡的区域时，采集到的辐射强度值会突然下降，而在离开该被遮挡的区域时，采集到的辐射强度值又会突然上升。图3示出了存在障碍物遮挡情况的探测器采集的放射性辐射强度曲线，其中，放射性辐射强度由计数率来表示。在图3中，区域2和区域4即是受到障碍物遮挡的区域，其辐射强度相比于相邻的区域都显现出先突然下降而后突然上升的特点。因此在步骤104中，检查在连续多个采样点处所采集到的放射性辐射强度值序列中是否存在先突降再突升的数据段，并由此判定探测器是否被障碍物所阻挡。如果存在所述数据段，则删除所述数据段以消除障碍物的影响。

在图1中用虚线表示的上述两个可选的步骤103和104可以同时存在，也可以存在其中的任意一个，这两个可选的步骤的顺序也可以调换。

在本实用新型的一些实施例中，可能需要巡检多个探测区域或进行反复多次确定放射性物质的分布和位置估计，在这种情况下，可以在图1中的步骤106后面增加一判定步骤108，如果需要反复确定放射性物质的分布和位置估计，则返回步骤102重新采集检测数据继续流程，否则结束流程。当然，也可以不设置步骤108，而在执行步骤106以确定放射性物质所在位置之后直接结束整个流程。

在本实用新型的实施例中，放射性辐射强度值可以由计数率或剂量率等在本领域中已知的能够恒量辐射强度的参数来表示。本实用新型的上述实施例中的特征可以相互组合以形成落入本实用新型的保护范围的新的实施例，除非特征之间存在明显的相互矛盾。

除去上述的放射性物质巡检定位方法之外，本实用新型还涉及一种用于实现上述任一放射性物质巡检定位方法的放射性物质巡检定位设备，该巡检定位设备包括：探测器和移动载体。探测器用于在巡检路径上的多个采样点中的每个采样点处采集来自巡检路径周围的探测区域的放射性辐射强度值。而移动载体，例如汽车，用于承载所述探测器沿所述巡检路径移动经过所述采样点。所述探测器可以具有两个、三个、四个或更多个。在实施例中，所述探测器可以分别朝向采样点周围的不同方向，并彼此由屏蔽部件所隔离，例如由屏蔽板隔开。

虽然结合附图对本实用新型进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本实用新型优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本实用新型的一种限制。

虽然本实用新型总体构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体实用新型构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本实用新型的范围以权利要求和它们的等同物限定。

Claims (5)

1.一种放射性物质巡检定位设备，其特征在于，所述放射性物质巡检定位设备包括：

两个或更多探测器，用于在巡检路径上的多个采样点中的每个采样点处采集来自巡检路径周围的探测区域的放射性辐射强度值；和

移动载体，用于承载所述探测器沿所述巡检路径移动经过所述采样点。

2.根据权利要求1所述的放射性物质巡检定位设备，其特征在于，所述探测器朝向采样点周围的不同方向，彼此由屏蔽部件所隔离。

3.根据权利要求1或2所述的放射性物质巡检定位设备，其特征在于，所述探测区域包含多个子区域。

4.根据权利要求3所述的放射性物质巡检定位设备，其特征在于，所述子区域的个数不超过采样点的个数。

5.根据权利要求3所述的放射性物质巡检定位设备，其特征在于，所述子区域是在探测区域中在一维、二维或三维方向上被划分出来的。 

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