无人机航空伽玛测量地质调查应用研究

杨庆华，郭生良，钟经华，余 鹏，罗明涛

（1 江西省核工业地质调查院，江西 南昌 330038；2.成都新核泰科科技有限公司，四川 成都 610051；3.成都理工大学，四川 成都 610059）

我国的铀矿和稀土矿（含伴生放射性）是重要的战略资源，铀矿与稀土矿的勘查过程中放射性污染与治理关系到经济社会的可持续发展。以往矿山地质环境调查主要依靠调查人员实地踏勘，但是现有的地面辐射监测设备存在只能在有道路、人员可进入条件下实现地面测量，其耗费时间长、观察效率低。在一些复杂环境条件或核设施上空等条件下，无法开展测量，且测量效率低、灵敏度不高，不能完全满足我国地质勘查要求的现象[1]。

现今在“地质+”的经营理念上，延伸提出“无人机+”新思路，结合自身物探提出无人机航空伽玛能谱勘查系统应用研究，完成无人机航空物探测量系统的实用化。并且与车载伽玛能谱仪、地面伽玛能谱仪形成技术互补，构成深地、地表、低空、空中立体式无盲区的放射性监控与勘察[2，3]。完成特定区域低空、快速扫描测量和专项定点测量任务，提高相关工作效率且保证工作人员辐射安全[4]。

1 技术路线图

1.1 系统整体结构

无人机航空伽玛能谱测量系统总体框图组成如图1，该无人机航空伽玛能谱测量系统由无人机飞行平台、供电与动力系统、核辐射测量系统、定位系统及地面控制中心组成。

核辐射测量系统选用碘化钠（NaI）晶体作为核信号采集单元，减少了数据采集系统的重量，大幅降低无人机平台费用。还可实现放射性数据测量、GPS定位、视屏信息采集以及这些测试结果的数据下传。

图1 无人机航空伽玛能谱测量系统总体框图

地面控制中心可实现仪器测量自检、测量控制、数据采集、数据实时显示、核素识别、色差能谱显示、环境剂量填图、剂量超标报警等功能。该系统将为寻找放射性矿产及非放射性伴生矿、地质填图及环境辐射监测等提供可靠数据支持。

1.2 系统电源设计

无人机航空伽玛能谱测量系统空中供电电源采用无人机接口提供，28V直流，系统最大工作功耗为25W左右。为满足核辐射探测系统、GPS模块、数据传数电台、控制板等供电每个模块都有单独的电源通路设计，电源设计采用开关型电源芯片做成模块，实现28V输入的电源电压的降压调节。保证整个系统需要提供400V、12V、9V、5V、3.3V和高压模块的电压供给。电源系统设计框图如图2，系统电源板实物如图3。

图2 电源系统设计框

图3 系统电源板实物

1.3 无人机选型

无人机作为一门新兴行业，一开始的仅仅应用于军事领域，到近几年快速爆发的应用于民用。所谓无人机，即不载人的飞行器。按照技术来划分，无人飞行器主要可分为无人固定翼、无人直升机、无人多旋翼飞行器等三大类，并得到广泛的应用[5]。（无人机飞行平台优缺点对比如表1）。

表1 无人机飞行平台优缺点对比

根据上述优缺点以及实际情况的需求，本套机载辐射探测系统选用燃油无人直升机来搭配大体积NaI（Tl）晶体核辐射测量系统。燃油无人直升机飞行稳定性及有效载重有提高，能够实行超低空飞行及悬停测量，更加有助于铀矿与稀土矿的勘查。

图4 系统实物图（左）分辨率测试图（右）

表2 空中与地面U、Th、K含量测试数据

2 测试

2.1 仪器测试

经过中国测试技术研究院完成对无人机航空伽玛能谱测量系统分辨率、探测能量范围的测试。NaI（Tl）晶体核辐射测量系统分辨率测试：由下图4可知分辨率是7.40%；碘化钠合成谱测量的伽玛射线能量范围优于15keV～3.0MeV。

2.2 现场实地测试

通过无人机航空伽玛能谱勘查系统在江西某地现场测试（如图5），将空中测量的U、Th、K含量与地面测试的U、Th、K含量进行对比，测试数据记录在表2中。

图5 无人机航空伽玛测量系统现场测试图

图6 全谱空地含量变化趋势

由表2可知三组空地含量数据的相对偏差在20%以内，所有数据的偏差都在100%以内，偏差最大值是21.01%，最小值是2.32%。

由图6可知，空地测试的含量变化趋势是基本一致的。能够很好满足我国铀矿地区地质勘查、辐射环境质量监测的要求。

3 总结

本文采用由无人机飞行平台和供电与动力系统负责飞行和供电；核辐射测量系统负责进行能谱测量；定位系统及地面控制中心负责传输数据和处理数据。最终组成该无人机航空伽玛能谱测量系统。系统的分辨率为7.40%，伽玛射线能量范围优于15keV～3.0MeV，与地面的测量结果相差不大，能够完全满足我国铀矿地区地质勘查、辐射环境质量监测的要求。

针对矿区地质调查工作方式，采用无人机航空伽玛测量技术变得更加高效和便捷，改变过去人工拉网式的调查方式，提高了调查工作效率，而且能够覆盖人工调查无法到达的盲区。

可实现对矿区周边地质地貌的大范围快速普查，具有重大意义[6]。