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        超低空無人機航空γ 能譜測量在鈾礦異常檢查中的應(yīng)用
        ——以內(nèi)蒙古阿巴嘎旗為例

        2022-07-27 13:32:52管少斌高國林唐曉川胡明考李江坤
        鈾礦地質(zhì) 2022年4期
        關(guān)鍵詞:能譜儀計數(shù)率測線

        管少斌,高國林,唐曉川,胡明考,李江坤

        (1.核工業(yè)航測遙感中心,河北 石家莊 050002;2.中核集團鈾資源地球物理勘查技術(shù)中心(重點實驗室),河北 石家莊 050002)

        航空放射性測量一直在地質(zhì)調(diào)查、物探勘查、環(huán)境調(diào)查及核應(yīng)急等大型放射性測量工程中發(fā)揮著重要作用[1-9]。采用無人直升機平臺開展鈾礦勘查航空γ 能譜測量工作,具有起降方便、場地限制少、操作靈活等優(yōu)點[10],是航空放射性測量技術(shù)發(fā)展的重要方向。但目前的無人機平臺普遍存在有效載荷小、飛行高度低、航程短、覆蓋范圍小,能夠搭載的探測器數(shù)量有限等短板。與現(xiàn)有大型有人機載航空γ 能譜儀相比,無人機航空γ 能譜測量因其飛行高度限制,無法開展3 000~4 600 m 的高高度校準,宇宙射線、飛機儀器本底修正系數(shù)的校準存在困難;無法搭載配有上測探測器的γ 能譜儀,大氣氡修正方法尚不成熟。

        針對上述情況,我們研制了一種適用于超低空(<60 m)測量的無人機航空γ 能譜測量技術(shù),通過校準技術(shù)開發(fā)和野外應(yīng)用試驗,查明了2 個已知鈾礦異常點的分布范圍,得到了異常區(qū)的鉀、鈾、釷元素含量,為進一步開展鈾資源勘查工作提供了重要線索。通過研究工作,證明了利用無人直升機平臺搭載小型航空γ 能譜儀在小覆蓋范圍、大比例尺航空γ 能譜測量工作中的實用性。

        1 測量方法

        1.1 無人機和儀器

        選用賽鷹120H 無人機作為儀器搭載平臺,采用核工業(yè)航測遙感中心自主研制的UGRS-10型無人機航空γ 能譜儀開展研究工作[11]。機載設(shè)備重34 kg,配有1 條4.2 L(4 ″×4 ″×16 ″)的CsI(Na)晶體探測器,有獨立的GPS 及氣壓、溫度和濕度傳感器,可利用GPS 高度數(shù)據(jù)和地形高程數(shù)據(jù)提取離地飛行高度,見圖1。

        圖1 無人機航空γ 能譜儀安裝示意圖Fig.1 Schematic Installation diagram of UAV-borne γ spectrometer

        1.2 儀器校準

        將宇宙射線、飛機和儀器本底、大氣氡在探測器中產(chǎn)生的計數(shù)率作為綜合本底,在黃壁莊水庫水面上空進行綜合本底修正系數(shù)校準。參照JJG(軍工)26-2012《航空γ 能譜儀檢定規(guī)程》,在航空放射性測量模型標準裝置上進行能窗剝離系數(shù)和地面靈敏度修正系數(shù)的校準。通過蒙特卡洛模擬計算,得到探測器靈敏度隨飛行高度變化的高度衰減修正系數(shù)。并通過動態(tài)測試帶陸地不同高度測量和地面定值進行誤差檢驗[12]。

        1.3 應(yīng)用試驗

        根據(jù)2020 年《內(nèi)蒙古二連浩特地區(qū)1:5 萬航空物探調(diào)查》項目獲得的有人機航空γ 能譜測量數(shù)據(jù),在內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟阿巴嘎旗某地開展無人機航空γ 能譜測量應(yīng)用試驗。通過對有人機航空γ 能譜測量數(shù)據(jù)進行異常篩選、踏勘檢查,確定對HF-08、HF-09 進行無人機航空γ 能譜測量進行測線布置和現(xiàn)場測量,同時地面使用便攜式γ 能譜儀進行比對測量。

        1.3.1 異常選擇

        使用無人機航空γ 能譜儀對2020 年度有人機航空物探調(diào)查(1:5 萬)發(fā)現(xiàn)的HF-08、09號異常進行檢查,見圖2。有人機航空物探使用了C208BEX 固定翼飛機搭載AGRS-10 航空γ能譜儀,探測器配有14條4 ″×4 ″×16 ″的Na(ITl)晶體探測器,其中下測12 條,上測2 條。測量時,飛機在異常上空的平均飛行高度在93~120 m,飛行速度在204~211 km/h。

        圖2 HF-08、HF-09 號異常無人機航空γ 能譜測量范圍Fig.2 Location and area of abnormal HF-08 and HF-09 measured by the UAV-borne γ spectrometry

        1.3.2 測線布置

        根據(jù)有人機航放測線方向和異常特征,在HF-08、09 號異常上布置測線間距50 m,北東45°的測線。HF-08 布置測線13 條,每條測線長1.5 km;HF-09 布置測線17 條,每條測線長1.6 km。

        1.3.3 現(xiàn)場測量

        無人機航空γ 能譜測量飛行按照圖3 開展具有工作。準備好異常區(qū)飛行空域許可、油料、儀器設(shè)備、飛行計劃、飛行保障等工作條件后,前往異常區(qū)選定飛機起降點。儀器安裝調(diào)試正常后,完成能譜儀早測試。無人機起飛后,原地爬升到50 m 以上前往測區(qū)。進入測線前,將飛行高度調(diào)整到50 m,飛行姿態(tài)平穩(wěn)后進入測線。測線飛行時,飛行速度控制在30 km/h 以內(nèi)。完成測量飛行后,返航著陸,進行能譜儀晚測試,檢查儀器工作是否正常,并根據(jù)工作安排開展下一步工作。為保證飛行安全,除起降外,無人機飛行高度不低于30 m。

        圖3 無人機航空γ 能譜測量工作流程Fig.3 Workflow of UAV-borne γ spectrometry measurement

        1.3.4 地面測量

        為了對無人機航空γ能譜測量結(jié)果進行評價,使用ARD 便攜式γ 能譜儀對HF-08 異常進行了地面同步測量。地面測量布置測線4 條(圖4),其中3 條與無人機航空γ 能譜測量測線重合,1 條垂直,測點間距為50 m,測量過程中發(fā)現(xiàn)異常明顯增高時,將測點間距加密到了25 m。

        圖4 HF-08 異常地面測線布置Fig.4 Layout of ground survey lines for abnormal HF-08

        1.4 數(shù)據(jù)處理

        根據(jù)無人機航空γ 能譜儀修正參數(shù)和異常區(qū)現(xiàn)場測量結(jié)果,采用圖5 的數(shù)據(jù)修正流程進行數(shù)據(jù)處理。

        圖5 無人機航空γ 能譜測量數(shù)據(jù)處理流程Fig.5 Workflow of UAV-borne γ spectrometry data process

        1.4.1 綜合本底修正

        對飛機、儀器、宇宙射線及大氣氡產(chǎn)生的本底計數(shù)率進行綜合修正:

        式中:ni—無人機航空γ 能譜儀測量地面天然放射性核素時,記錄的第i個能窗原始計數(shù)率,s-1;nb—第i能窗綜合本底修正系數(shù),s-1;Ni—第i能窗綜合本底修正結(jié)果,s-1。

        1.4.2 STP 高度計算

        無人機航空γ能譜測量過程中,大氣層密度會受環(huán)境溫度和大氣壓力影響,造成探測器對地面核素的響應(yīng)發(fā)生變化。因此需將飛行離地高度修正到標準溫度和大氣壓高度(STP)上,從而獲得更加準確的STP 離地高度:

        式中:hstp—環(huán)境溫度0 ℃(即273.15 K)、大氣壓力101.325 kPa 狀態(tài)下,探測器的離地高度,m;hobs—實際測量環(huán)境中,探測器的離地高度值,m;T—實際測量環(huán)境中的大氣溫度值,℃;P—測量環(huán)境中的大氣壓力值,kPa。

        當采用海拔高度表示大氣壓力環(huán)境時,需要進行大氣壓力換算:

        式中:H—實際測量環(huán)境的海拔高度,m;R—摩爾氣體常量,取8 314.472(m3·kPa)/(mol·K);T—熱力學(xué)溫度,K;g為重力加速度,通常為9.8 m/s2;M—氣體的摩爾質(zhì)量,干燥空氣的摩爾質(zhì)量為28.963 4 g/mol;P0—標準大氣壓,取為101.325 kPa;P為所在海拔高度上的氣壓值,kPa。

        1.4.3 能窗剝離修正

        為消除來自地面U 系、Th 系子體核素及40K 的γ 射線之間的相互干擾,采用能窗剝離法進行計算,得到無人機飛行高度上的能窗凈計數(shù)率:

        式 中:nk.k、nu.u、nt.t—修正后的K、U、Th凈計數(shù)率,cps;nk、nu1、nt1—本底修正后的能窗計數(shù)率,cps;α、β、γ、a、b、g—能窗剝離系數(shù);△α(hstp)、△β(hstp)、△γ(hstp)、△a(hstp)、△b(hstp)、△g(hstp)—能窗剝離系數(shù)隨高度的變化函數(shù),國際原子能機構(gòu)推薦△α(hstp)、△β(hstp)、△γ(hstp)采用線性函數(shù)[13],即:

        △a(hstp)、△b(hstp)、△g(hstp)取0 值。

        1.4.4 高度衰減修正

        根據(jù)能窗計數(shù)率與測量高度近似于指數(shù)衰減規(guī)律,將凈計數(shù)率歸一到h0高度上時采用公式(6)計算[13-15]:

        式中:hstp—測量飛行離地高度換算到STP 狀態(tài)時的高度值,m;n0.i—第i能窗在STP 高度為h0時的凈計數(shù)率,s-1;nh.i—第i能窗在hstp高度上的凈計數(shù)率,s-1;μi—第i能窗的高度衰減系數(shù),m-1。

        1.4.5 靈敏度換算

        將歸一化高度h0上的能窗計數(shù)率換算為含量:

        式中:Qi—第i種元素的含量,K 含量的單位一般為%,U、Th 為10-6,TC 為Ur;si—第i種元素的探測靈敏度,K 含量的單位一般為s-1/%,U、Th為s-1/10-6,TC 為s-1/Ur。

        2 測量結(jié)果

        通過無人機航空γ 能譜測量,獲得了HF-08 異常K、U、Th 元素及放射性總量TC 分布,見圖6。其中異常與K、Th 無關(guān),為純U 異常,TC分布與U 基本一致。

        無人機測量結(jié)果與其他方式的測量結(jié)果對比發(fā)現(xiàn):

        1)無人機航空γ 能譜測量結(jié)果詳細反應(yīng)了有人機航空物探測量結(jié)果,見圖7。異常形態(tài)、規(guī)模、幅度比有人機測量結(jié)果更加清楚,見表1。這與無人機航空γ 能譜測量相對飛行高度低(平均49.7 m)、速度慢(平均27.6 km/h)、測線間距短(50 m)有關(guān)。

        表1 無人機與有人機航空γ 能譜測量異常特征比較Table 1 Abnormal characteristic comparison of UAV-borne and airborne γ spectrometry results

        圖7 無人機與有人機航空γ 能譜測量結(jié)果對比Fig.7 Comparison of UAV-borne and airborne γ spectrometry results

        2)異常區(qū),無人機航空γ 能譜測量本底中,TC 在(10~14)Ur,K 在2.1%~3.2%,U 在(0.5~3.5)×10-6,Th 在(5~14)×10-6。與有人機航空γ 能譜測量在該地區(qū)的平均值[16](TC=11 Ur,K=2%,U=1.6×10-6,Th=7×10-6)基本一致。

        3)經(jīng)統(tǒng)計,無人機航空γ 能譜測量與地面γ 能譜測量的平均值相對偏差在-25.5%~26.9%之間,見表2。無人機航空γ 能譜測量與地面γ能譜儀測量結(jié)果基本一致,見圖8。而且無人機航空γ 能譜測量的某些異常細節(jié)更加細致,這與無人機實際采樣間距在7.7 m 左右,遠小于地面的50 m 點距有關(guān)。

        圖8 HF-08 異常8040 測線空地測量結(jié)果對比曲線圖Fig.8 Results comparison of line 8040 in HF-08 anomaly by airborne and ground measurement

        表2 無人機、有人機航空γ 能譜測量及地面γ 能譜測量結(jié)果統(tǒng)計Table 2 Statistics of UAV-borne,airborne and ground γ spectrometry survey results

        4)從項目組到達工作現(xiàn)場到完成全部測量并著陸,無人機航空γ能譜測量完成測線27.2 km,獲取有效測量數(shù)據(jù)6 746 組,用時4 h 39 min。地面測量完成測線4 條,長2.3 km,有效測量數(shù)據(jù)67組(每組測量時間90 s),用時4 h 44 min。無人機航空γ 能譜測量效率明顯高于地面測量。

        3 結(jié)論

        通過新開發(fā)的超低空(<60 m)無人機航空γ 能譜測量技術(shù),在鈾礦異常上成功獲取了無人機航空γ 能譜測量數(shù)據(jù)。利用無人機航空γ能譜儀校準系數(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù),實現(xiàn)了對鈾礦異常的檢查,提供了的異常形態(tài)、規(guī)模、幅度等關(guān)鍵信息。通過上述研究,形成初步結(jié)論如下:

        1)超低空無人機航空γ 能譜測量與地面測量結(jié)果基本一致,將該技術(shù)應(yīng)用于鈾礦異常檢查可行。

        2)超低空無人機航空γ 能譜測量工作效率遠高于地面便攜式γ 能譜測量,隨著技術(shù)的不斷成熟,有望替代地面便攜式γ 能譜測量在草原、沙漠這種適合無人機進行超低空飛行的區(qū)域開展鈾礦異常查證工作。但目前可用于開展航空γ 能譜測量的無人機平臺缺少自動避讓功能,在地面分布有高樓、信號發(fā)射塔、風電等高大建筑以及地形復(fù)雜的山區(qū)開展測量飛行還存在安全風險,因此尚需無人機平臺的進一步發(fā)展。

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