【摘 要】
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当遭受核与辐射恐怖袭击或者发生重大核与辐射安全事故而导致大面积放射性污染时,无人机平台搭载核辐射探测系统进行中低空核辐射侦察,可快速获知污染区域的放射性污染强度和分布情况,对准确判断事故状态及其发展态势极其重要。近二十年来,无人机平台技术和机载核辐射探测器件发展迅速,但针对无人机核辐射监测系统的仿真建模、热点定位算法、剂量率估算等方面的研究工作与成果相对较少,而这正是无人机核辐射监测系统能否“测得
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当遭受核与辐射恐怖袭击或者发生重大核与辐射安全事故而导致大面积放射性污染时,无人机平台搭载核辐射探测系统进行中低空核辐射侦察,可快速获知污染区域的放射性污染强度和分布情况,对准确判断事故状态及其发展态势极其重要。近二十年来,无人机平台技术和机载核辐射探测器件发展迅速,但针对无人机核辐射监测系统的仿真建模、热点定位算法、剂量率估算等方面的研究工作与成果相对较少,而这正是无人机核辐射监测系统能否“测得快、测得准”的关键所在。因此,本文围绕无人机核辐射监测中地表放射性热点定位以及地表剂量率估算的核心问题,从实际应用需求出发,综合运用数值模拟、蒙卡仿真和实验测量等技术手段,系统研究了不同场景下单放射源和多放射源的搜寻定位方法,建立了无人机γ辐射监测地表剂量率估算方法,为推动军民领域无人机核辐射监测技术深入应用提供关键技术支持。论文主要研究内容和结论如下:（1）大区域空旷环境中单放射源定位方法研究。对现有的三边定位法、参数估计法等5种单放射源定位方法进行了深入研究,并提出改进方法。a)改进的三边定位法可以给出放射源参数的概率分布,结果稳定可靠,在20 m×20 m范围内定位误差均小于0.1 m;b)研究了参数估计法、十字定位法在多种测量条件下的最优采样范围和阈值,并提出一种基于最优参数的组合式定位方法,在外场拟航空放射源定位测试实验中,组合式定位方法的定位误差最小,相比于十字定位法精度提高了49.6%,耗时相对于参数估计法减少了71.1%;c)使用贝叶斯估计方法和马尔科夫链蒙特卡洛方法,在空旷环境中实现了对放射源的准确定位,数值和MCNP仿真定位结果在区域大小为60 m×60 m时均小于1 m,实际无人机寻源过程中区域大小为200 m×250 m时的最小定位误差约为3 m,分析了测量点数量、分布以及放射源强度等不同因素对定位结果的影响;d)探讨了基于贝叶斯估计和极大似然估计的两种动态规划无人机寻源方法,定位结果相当时,前者所需时间仅为后者1%,在实时性方面具有较大优势。（2）大区域空旷环境多放射源定位方法研究。针对多个放射源共存、位置和强度分布不确定等问题,提出基于非线性最小二乘优化求解和响应矩阵反卷积两种定位方法。前者通过建立目标函数和逐步递增放射源数量的方式,实现了典型多源辐射场的高效准确定位。而后者则是通过将地面区域离散为网格,建立响应矩阵并进行反卷积逆求解,得到了待测放射源的位置和活度信息。在使用平方反比规律构造响应矩阵的情况下,位置估计误差不超过1个网格大小,活度估计误差不超过20%,进一步使用MCNP仿真数据对响应矩阵进行修正,活度误差降至5%以下。（3）基于马尔科夫链蒙特卡洛的屏蔽环境放射源定位方法研究。针对搜寻区域中存在屏蔽物时放射源定位问题,提出了一种基于马尔科夫链蒙特卡洛方法的放射源定位算法。该算法首先将屏蔽物的衰减系数视为未知参数,并在随机游走过程中构建马尔科夫链,通过实时判断马尔科夫链是否已经收敛或已经达到稳定状态来确保在最大限度降低计算时间的同时可以定位到放射源。通过仿真数据和实测数据验证,该方法可以在有屏蔽物条件下对放射源进行准确定位,并在保证定位精度的情况下极大地缩短了计算时间,在5.4 m×2.4 m的实验室环境中,定位误差小于0.1 m,计算时间减少到10%。（4）基于反卷积的地表放射性分布与剂量率估算研究。针对连续分布的区域性面源地表放射性分布重建与剂量率估算问题,提出了一种基于能谱信息的地表放射性分布重建算法。该算法可实现对连续分布的多种放射性核素种类和分布的准确重建,以及地表1 m剂量率的估算。主要通过响应矩阵反卷积实现对未知放射性核素种类和分布情况的估计,同时引入能窗式能谱信息,提高了反卷积结果的准确性。通过建模和求解单核素(137Cs)和多核素(137Cs和60Co)两种情况下面源的具体案例,验证了该方法的可行性和有效性。结果显示,估计的地表放射性分布与真值的余弦相似度分别为0.9950和0.9965,表明提出的重建算法可以有效区分多种放射性核素,并能还原其地表放射性分布。本文研究提出的大区域空旷环境或屏蔽环境中放射源定位方法,以及基于能谱信息的反卷积地表放射性分布和剂量率估算方法,可为无人机核辐射监测系统快速查明地表放射性物质分布情况,准确估算地表剂量率,及时开展核应急处置行动提供关键技术支持。
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