CN217034269U - 一种小型化航空γ能谱仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种小型化航空γ能谱仪，包括NaI晶体探测器和能谱数据采集与控制系统，NaI晶体探测器和能谱数据采集与控制系统电连接，还包括数据收录系统和供电单元；数据收录系统包括主控芯片、无线传输模块和SD卡，能谱数据采集与控制系统、无线传输模块和SD卡均与主控芯片电连接；供电单元包括28V直流电源、电压转换电路和电池电源，电压转换电路与28V直流电源电连接，将28V直流电进行电压转换后分别输出+5V电压、+12V电压、+28V电压以及+600V‑+1400V高压；电池电源与电压转换电路输出+5V电压的线路并联；电压转换电路输出+5V电压的线路与主控芯片电连接。本实用新型主要应用于中小型无人机飞行平台，具有操作简单、体积小、集成化程度高等特点。

Description

一种小型化航空γ能谱仪

技术领域

本实用新型涉及航空γ能谱仪技术领域，具体涉及一种小型化航空γ能谱仪。

背景技术

航空γ能谱测量是由飞机搭载航空γ能谱仪，根据地表的天然或人工放射性核素的γ射线能量差异来反映放射性核素分布情况，主要用于放射性矿产勘查或辐射环境调查等领域。

近年来，无人机技术的飞速发展为航空γ能谱测量提供了新的发展方向，其具有安全、高效、低成本、无人员伤亡等优点被广泛关注。2017年，我国研制了基于CH-3大型无人机的航空γ能谱仪，该套系统的重量约为80kg，其长航时、全天候作业的飞行能力特别适用于大面积的勘查作业。随着航空γ能谱测量向精细化、大比例尺探测方向发展，中小型无人机尤其适用于小面积的矿产勘查和地质填图工作。而由国外引进或自主研制的大型航空γ能谱仪主要飞行平台为固定翼飞机、大型无人机或直升机，其数据收录系统基于通用计算机技术研制，重量约为10kg，体积和重量无法与载荷较小的中小型无人机相匹配。同时，以上系统均依赖于飞行平台提供的电源工作，在飞机降落到地面后，需要起降点提供电源，还需要额外的地面电缆供电才能正常的启动系统读取测量数据，增加了野外工作人员的工作量。

因此，为实现航空γ能谱仪的小型化，提高系统的自动化程度和操作便利程度，需要研制一种小型化航空γ能谱仪，以解决与中小型无人机平台的适配问题。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型提供一种小型化航空γ能谱仪，以解决与中小型无人机平台的适配问题。

一种小型化航空γ能谱仪，包括NaI晶体探测器和能谱数据采集与控制系统，所述NaI晶体探测器和能谱数据采集与控制系统电连接，还包括数据收录系统和供电单元；

所述数据收录系统包括主控芯片、无线传输模块和SD卡，所述能谱数据采集与控制系统、无线传输模块和SD卡均与所述主控芯片电连接；

所述供电单元包括28V直流电源、电压转换电路和电池电源，所述电压转换电路与所述28V直流电源电连接，将28V直流电进行电压转换后分别输出+5V电压、+12V电压、+28V电压以及+600V-+1400V高压；所述电池电源与所述电压转换电路输出+5V电压的线路并联；所述电压转换电路输出+5V电压的线路与所述主控芯片电连接。

进一步，所述主控芯片为STM32单片机。

进一步，所述无线传输模块为蓝牙模块。

进一步，所述主控芯片上电连接有蓝牙接口和SD卡接口，所述蓝牙模块和SD卡分别连接在所述蓝牙接口和SD卡接口上。

进一步，所述主控芯片上还连接有用于与外部传感器电连接的数据传输接口；

所述数据传输接口包括异步通信串行接口和I²C接口；

所述外部传感器包括航空GPS、温湿度计、气压高度计、激光雷达计；所述航空GPS、气压高度计和激光雷达计均与所述异步通信串行接口电连接，所述温湿度计与所述I²C接口电连接。

进一步，所述能谱数据采集与控制系统通过异步通信串行接口与所述主控芯片电连接。

本实用新型的有益效果体现在：

本实用新型提供的小型化航空γ能谱仪，将传统的基于工控机技术的数据收录系统取消，利用STM32单片机电路完成数据收录及存储功能，实现了将能谱数据采集与控制系统、数据收录系统和NaI晶体探测器一同安置安装壳内，无人机只需挂载安装壳，通过数据传输接口连接航空GPS、温湿度计、气压高度计、激光雷达计等外部传感器，即可进行航空γ能谱测量，大大降低了系统的体积和功耗。

本实用新型还提供了无线传输功能及单独的干电池供电，可在飞行作业结束后直接通过蓝牙模块读取测量数据，避免了工作人员每次起降作业携带冗长的电源线缆，提高了系统的操作便利性和自动化程度。

本实用新型主要应用于中小型无人机飞行平台，可进行放射性矿产勘查及区域辐射环境调查等领域，具有操作简单、体积小、自动化和集成化程度高等特点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本实用新型实施例提供的一种小型化航空γ能谱仪的电气结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的供电单元的电路图；

图3为本实用新型实施例提供的小型化航空γ能谱仪的工作流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域技术人员所理解的通常意义。

如图1所示，本实用新型提供的一种小型化航空γ能谱仪，包括NaI晶体探测器、能谱数据采集与控制系统、数据收录系统和供电单元。所述NaI晶体探测器和能谱数据采集与控制系统电连接，所述能谱数据采集与控制系统与所述数据收录系统电连接。能谱数据采集与控制系统用于将NaI晶体探测器输出的核脉冲模拟信号转化为数字信号，并通过串口传输给数据收录系统。所述供电单元用于对所述NaI晶体探测器、能谱数据采集与控制系统和数据收录系统供电。

本实施例中，NaI晶体探测器用于测量γ射线，由NaI晶体、光电倍增管和前置放大电路组成。NaI晶体将测量的γ射线转换为光信号，然后光电倍增管将光信号的强弱转化为相应的电信号，再由前置放大电路将采集到的微弱电信号进行放大，通过信号线与能谱数据采集与控制系统相连。

能谱数据采集与控制系统包括高速ADC采集电路、能谱脉冲分析电路及自动稳谱电路。其中，高速ADC采集电路将核脉冲模拟量转化为12位数字信号，增强系统的抗干扰能力，提高运算速度；能谱脉冲分析电路将接收到的数字信号进行滤波、脉冲幅度分析、道址计算等处理，然后将计算结果通过串口发送至数据收录系统；自动稳谱电路通过计算时间和脉冲计数累加，然后判断峰位是否偏移，并自动根据核素计数的强弱选择合适的特征峰，从而调整NaI晶体探测器的高压或增益参数来确保核素特征峰位不偏移，实现自动稳谱功能，提高系统的自适应性。所述数据收录系统包括主控芯片、无线传输模块和SD卡，所述能谱数据采集与控制系统、无线传输模块和SD卡均与所述主控芯片电连接。本实施例中，主控芯片采用STM32单片机，无线传输模块采用蓝牙模块。所述主控芯片上电连接有蓝牙接口和SD卡接口，所述蓝牙模块和SD卡分别连接在所述蓝牙接口和SD卡接口上。所述能谱数据采集与控制系统通过异步通信串行接口与所述主控芯片电连接。

所述主控芯片上还连接有用于与外部传感器电连接的数据传输接口，所述数据传输接口包括异步通信串行接口和I²C接口。所述外部传感器包括航空GPS、温湿度计、气压高度计、激光雷达计；所述航空GPS、气压高度计和激光雷达计均与所述异步通信串行接口电连接，所述温湿度计与所述I²C接口电连接。

航空GPS主要作用是采集测量装置的经纬度、高度，通过异步通讯串行接口(RS232接口)与数据收录系统相连，并通过获取GPS时间定期向数据收录系统进行授时校正。

温湿度计将测量装置所处环境的温度和湿度采集后，通过I²C接口传输给数据收录系统。

气压高度计用于采集当前位置的大气压强和气压高度数据，通过异步通讯串行接口(RS232接口)与数据收录系统相连。激光雷达计用于获取测量装置与大地之间的真实高度，通过串口(RS232接口)与数据收录系统相连。

数据收录系统以STM32单片机为核心，包括异步通信串行接口、I²C接口、蓝牙接口和SD卡接口，通过以上接口收录航空GPS、温湿度计、气压高度计、激光雷达计及能谱数据，并以文件形式存储到SD卡中。

同时，飞行作业结束后，数据收录系统可通过蓝牙模块与上位机建立通信，进行文件读取、高压和增益参数调整等操作。与现有的基于工控机技术的数据存储系统相比，本数据收录系统可以集成在体积为9cm*8cm*0.3cm的PCB板上，重量小于200g，大大降低了系统的体积和功耗。本实施例中，所述供电单元包括28V直流电源、电压转换电路和电池电源，所述电压转换电路与所述28V直流电源电连接，将28V直流电进行电压转换后分别输出+5V电压、+12V电压、+28V电压以及+600V-+1400V高压；所述电池电源与所述电压转换电路输出+5V电压的线路并联；所述电压转换电路输出+5V电压的线路与所述主控芯片电连接。

具体的，如图2所示，采用28V直流电源输入，经过电压转换后可由电源插座J3、J2、J1分别输出+5V、+12V和+28V电压，并提供600-1400V的高压供给光电倍增管使用。在没有外部28V直流源输入时，可打开干电池开关，通过干电池为数据收录系统供电，通过蓝牙模块完成数据读取功能，避免工作人员在飞行测量完毕之后，由于飞机电源关闭而需要携带外部电源及线缆对数据收录系统进行供电的问题，提高了测量装置操作的便利性。

本实用新型中，测量装置的工作流程图如图3所示，系统正常上电之后，主要分为数据收录程序和能谱采集程序两部分组成，两者并行运行。能谱采集程序负责将高速ADC采集到的数字信号进行脉冲分析后进行自动稳谱操作，然后通过串口传输给数据收录程序；数据收录程序将能谱数据、GPS坐标、气压值、温湿度、高度值等数据同步采集，并以文件的形式保存至SD卡中，同时可接收上位机的指令，完成文件传输或参数调节功能。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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实用新型各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (6)

1.一种小型化航空γ能谱仪，包括NaI晶体探测器和能谱数据采集与控制系统，所述NaI晶体探测器和能谱数据采集与控制系统电连接，其特征在于：还包括数据收录系统和供电单元；

所述数据收录系统包括主控芯片、无线传输模块和SD卡，所述能谱数据采集与控制系统、无线传输模块和SD卡均与所述主控芯片电连接；

所述供电单元包括28V直流电源、电压转换电路和电池电源，所述电压转换电路与所述28V直流电源电连接，将28V直流电进行电压转换后分别输出+5V电压、+12V电压、+28V电压以及+600V-+1400V高压；所述电池电源与所述电压转换电路输出+5V电压的线路并联；所述电压转换电路输出+5V电压的线路与所述主控芯片电连接。

2.根据权利要求1所述的一种小型化航空γ能谱仪，其特征在于：所述主控芯片为STM32单片机。

3.根据权利要求1所述的一种小型化航空γ能谱仪，其特征在于：所述无线传输模块为蓝牙模块。

4.根据权利要求3所述的一种小型化航空γ能谱仪，其特征在于：所述主控芯片上电连接有蓝牙接口和SD卡接口，所述蓝牙模块和SD卡分别连接在所述蓝牙接口和SD卡接口上。

5.根据权利要求1所述的一种小型化航空γ能谱仪，其特征在于：所述主控芯片上还连接有用于与外部传感器电连接的数据传输接口；

所述数据传输接口包括异步通信串行接口和I²C接口；

所述外部传感器包括航空GPS、温湿度计、气压高度计、激光雷达计；所述航空GPS、气压高度计和激光雷达计均与所述异步通信串行接口电连接，所述温湿度计与所述I²C接口电连接。

6.根据权利要求5所述的一种小型化航空γ能谱仪，其特征在于：所述能谱数据采集与控制系统通过异步通信串行接口与所述主控芯片电连接。

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