无人机航空γ能谱测量在地形高起伏地区异常查证中的应用
Application of the unmanned aerial vehicle-airborne gamma-ray spectrometry system to follow-up geochemical surveys in high-relief areas
通讯作者: 杨承志(1989-),男,2013年毕业于东华理工大学,高级工程师,主要从事电磁法研究和地球物理勘查工作。Email:516645211@qq.com
第一作者:
责任编辑: 朱晓颖
收稿日期: 2023-12-27 修回日期: 2024-05-24
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Received: 2023-12-27 Revised: 2024-05-24
针对地形高起伏地区大比例尺放射性矿产勘查的需要,研制了基于小体积NaI(Tl)晶体的航空伽马能谱探测器,与F-120无人直升机集成了航空γ能谱测量系统。利用该系统在南方某地区开展了铀矿异常检查测量,与地面γ能谱测量结果比对,两者的高异常区域位置、形态基本一致,且前者的异常形态更细致,特别是与铀含量直接相关的铀道数据对区内已知铀矿点反应更明显,数据质量更优。据此认为,无人机航空γ能谱测量有望替代地形起伏大的地区铀矿异常查证工作中的现有地面γ能谱测量。
关键词:
In response to the need for large-scale exploration of radioactive minerals in high-relief areas, this study developed an airborne gamma-ray spectrometer based on small-sized NaI (Tl) crystals, which was integrated with the F-120 unmanned aerial vehicle (UAV) to form an airborne gamma-ray spectrometry (AGRS) system. The UAV-AGRS system was applied to the follow-up geochemical survey of uranium deposits in a certain area of South China. The survey results show roughly consistent locations and morphologies for high-anomaly zones with the ground gamma-ray spectrometry results. Moreover, the results of this study exhibit more detailed anomaly morphologies, and more significant responses of uranium content-related uranium channel data to known uranium occurrences in the study area, suggesting superior data. Therefore, the UAV-AGRS system shows promising potential as an effective alternative to ground gamma-ray spectrometry for the follow-up geochemical survey of uranium deposits in high-relief areas.
Keywords:
本文引用格式
钟辉荣, 杨承志, 杨庆华, 辛超, 杨磊, 王蔚.
ZHONG Hui-Rong, YANG Cheng-Zhi, YANG Qing-Hua, XIN Chao, YANG Lei, WANG Wei.
0 引言
航空γ能谱测量通常采用固定翼飞机或直升机搭载NaI(Tl)晶体或高分辨率的高纯锗作为探测器在空中开展γ射线的能谱测量[1⇓⇓⇓⇓-6],但其存在空域协调困难、不能悬停进行定点测量、动迁成本较高等缺陷,且固定翼飞机还存在需要专门的起降跑道、离地飞行高度较高等缺陷,不适合在地形起伏大的地区开展小面积、大比例尺放射性矿产地质勘查,而传统方式是依靠人工携带地面γ能谱仪来完成,但其不仅工作效率低,且在地形起伏大、人力无法到达的区域还无法进行测量[7⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-17]。为了解决此类问题,我们研制了基于小体积NaI(Tl)晶体与F-120无人直升机的无人机航空放射性资源勘查系统,可满足高分辨率、小区域大比例尺铀矿地质勘查的需要,本文主要介绍该系统及其异常查证中应用的有效性和实用性。
1 测量系统集成及仪器性能测试分析
1.1 无人直升机和仪器
选用北京航空航天大学直升机研究所研制的F-120无人直升机当作仪器的搭载平台,机载设备20 kg,采用1条1 L的碘化钠晶体作为上测晶体、1条2 L的碘化钠晶体及2条1.5 in的溴化铈晶体作为下测晶体,组成组合探头,实现了在有限的载重重量内,由多种晶体配合测量,兼顾了探测效率及探测分辨率,避免了在高放射性背景下,只选用碘化钠晶体探测,得到的谱线产生堆积的情况;也避免了只选用溴化铈晶体,虽然分辨率较高,但探测效率不够,探测到的谱线计数过少的情况[18-19];同时,机载设备带有独立的GPS定位器、温度传感器、湿度及气压传感器。主控器通过接收到的GPS授时信号,将GPS采集信息、雷达高度计信息、能谱数据信息和GM管的信息全部存储到机器上,并实时将采集结果经过数传图传下发到地面上的控制平台(图1)。
图1
图1
无人机航空γ能谱仪示意
Fig.1
Drone aviation γ schematic diagram of energy spectrometer
1.2 仪器校准
图2
图2
无人机航空γ能谱系统及宇宙射线本底测量示意
Fig.2
Schematic diagram of aviation γ spectrometry system and cosmic ray background measurement of UAV
图3
表1 无人机航空γ能谱系统及宇宙射线本底值
Table 1
距水面高度/m | NaI_K-40/cps | NaI_Bi-214/cps | NaI_Tl-208/cps | NaI_全谱/cps |
---|---|---|---|---|
25 | 8.93 | 5.03 | 2.69 | 339.69 |
距水面高度/m | CeBr3_K-40/cps | CeBr3_Bi-214/cps | CeBr3_Tl-208/cps | CeBr3_全谱/cps |
25 | 5.25 | 0.20 | 1.48 | 63.91 |
2 试验飞行
根据2016年南方某地区矿调项目获得的地面γ能谱测量数据,在该地区开展无人机航空伽马能谱测量试验测试。通过对矿调项目伽马能谱数据进行异常筛选,选择对Y3、Y4铀异常区域进行无人机航空伽马能谱测量,探讨其与地面γ能谱仪测量效果的差异。
2.1 测线布置
根据矿调测线方向及异常特征,在Y3、Y4铀异常区域布置走向南东135°、间距100 m的测线21条,每条测线长均为3.8 km。
Y3、Y4铀异常点所在地区的地形起伏高差一般为65 m、最大高差为168 m,且人口稠密,为了保证安全飞行,避免发生坠机、伤人等安全事件,严格控制无人机飞行高度,设计平均离地飞行高度为88 m。
2.2 无人机测量
无人机航空伽马能谱测量飞行按照图4开展测量工作。准备好异常区飞行空域许可、仪器设备、油料、飞行安全保障等施工条件后,在工区范围内选定合适的飞机起降点。仪器安装调试正常后,完成能谱仪早测试。无人机起飞后,根据起降点周边情况,先垂直爬升到一定高度,确保飞行安全,再前往测区。待飞机进入测区后,为了防止飞行过程中发生撞山等飞行意外,结合测区内山体最高海拔高度,将飞行高度调整到平均离地高度88 m。测线飞行时,飞行速度控制在36 km/h以内。待完成计划测量工作后,无人机返航并降落,并对能谱仪进行晚测试,检查能谱仪工作是否正常,并结合实际测量结果,安排下一步的测量工作。
图4
3 数据处理及测量结果
3.1 数据处理流程
对21条测线的离地飞行高度进行统计,Y3、Y4铀异常区域的平均离地飞行高度为88 m。
图5
图5
无人机航空γ能谱测量数据处理流程
Fig.5
Drone aviation γ energy spectrum measurement data processing flowchart
3.1.1 剥离修正
剥离系数的确定是在航空放射性测量模型标准装置上求得的。按顺序依次把装置放置在本底模型、钾模型、钍模型、铀模型、钾铀钍混合模型上进行测量,并记录在每个模型上测量时的K、U、Th、低能窗的计数率及全谱的总计数率,根据测得的数据与已知的各模型数据计算剥离系数,计算结果见表2。
3.1.2 大气氡修正
根据《航空伽马能谱测量规范》(EJT 1032—2005)附录D.3.1.2大气氡修正方法,通过在水面上进行一系列飞行可以确定上下测探测器对大气氡计数率之间的关系。因为水体上测得的数据去掉飞机(含仪器)和宇宙射线本底外,只剩下氡计数,此时各窗计数率变化只是空中214Bi的变化。
3.1.3 高度衰减修正
无人机航空γ能谱仪在现场测试的过程中,因为地形的波动起伏,仪器测量得到的数据会存在很大的误差(地面和无人机航空γ能谱仪的相对距离发生变化,导致测量结果发生变化)。因此,对测量的数据进行高度校准来减少地形起伏带来的误差。
高度校准参考《航空伽马能谱测量规范》(EJT 1032—2005)附录D.3.2高度修正方法,设计了无人机航空γ能谱仪的高度修正实验,高度衰减可以近似表示为:
R120=Rheμ(h-120),
式中:R120为空中120 m高度上扣除本底后的计数率的数值,cps;Rh为实际飞行高度h时扣除本底后的计数率的数值,cps;h为飞行高度,m;μ为高度衰减系数,m-1。其中μ值可以由以下公式求得:
μ=
高度校准实验具体步骤如下:
1)选择空旷平坦的场地,要求方圆50 m之内无建筑物或其他较高的物体,以防止建筑物或较高物体的γ射线的散射且该地区存在U、Th、K含量明显的差异;
2)将仪器预热并检查仪器是否能正常工作(包括无人机是否能正常工作);
3)使仪器依次在该区域某点上空100 m、80 m、60 m、50 m、30 m左右处测量3次,每次测量60 s,记录U、Th、K能窗的计数率及全谱总计数率并计算出平均值;
4)分别计算出U、Th、K及全谱总计数率的高度修正系数μ(表3)。
表3 高度衰减修正系数
Table 3
高度衰减修正系数 | |||
---|---|---|---|
μTC/ (10-3·m-1) | μK/ (10-3·m-1) | μU/ (10-3·m-1) | μTh/ (10-3·m-1) |
7.67 | 8.30 | 9.81 | 3.80 |
3.1.4 仪器灵敏度系数
通过上述一系列修正,可得到各道能窗计数率与地面已知含量之间的关系,即为空中系统灵敏度(表4)。
表4 仪器灵敏度系数
Table 4
仪器灵敏度系数 | ||
---|---|---|
K(计数率/%) | U(计数率/10-6) | Th(计数率/10-6) |
28.391 | 0.927 | 0.275 |
3.2 测量结果
通过Y3、Y4异常对应的无人机航空γ能谱测量的U、Th、K和Tc含量特征分布图6可见,航空γ能谱测量系统测量的铀异常与已知地质铀异常点空间位置及异常形态吻合度高,表明低空测量其放射性衰减作用并不改变其地面放射性特征规律,说明本系统设计晶体组合及飞行模式测量灵敏度足够高,能够满足地面测量精度要求,将该技术应用于铀矿异常查证是可行的。
图6
无人机航空伽马能谱测量与地面伽马能谱仪测量结果分析对比:
表5 无人机航空γ能谱测量及地面γ能谱测量结果平均值统计结果
Table 5
测量方式 | U含量/ 10-6 | Th含量/ 10-6 | K含量/% | TC含量/ 10-6 |
---|---|---|---|---|
无人机航 放测量 | 8.2 | 38.6 | 3.8 | 35.6 |
地面测量 | 8.4 | 35.7 | 3.6 | 38.5 |
相对偏差/% | 2.44 | -7.51 | -5.26 | 8.15 |
图7
图7
无人机航空γ能谱测量与地面γ能谱仪测量结果对比曲线
Fig.7
Drone aviation γ energy spectrum measurement and ground γ comparison curve of energy spectrometer measurement results
2)本次无人机航空γ能谱测量总共完成79.8 km,获取有效测量数据6 021组,用时约3.7 h;而地面测量完成1条长6 km测线,有效采集数据共117组(每组数据采集时间为60 s),用时为4.8 h。因此,无人机航空伽马能谱测量效率要明显高于地面能谱测量。
3)无人机航空γ能谱测量的平面图对Y3、Y4两个异常有很好的反映,位置情况与已有地质资料相吻合。
4 结论及讨论
采用新设计的无人机航空γ能谱测量系统,成功获取了铀矿异常上的γ能谱测量数据。利用本底修正、剥离修正、大气氡修正、高度衰减修正等数据处理,获取了铀矿点的铀含量值,并取得了很好的效果。通过上述研究,形成初步结论如下:
1)在地形高起伏地区,无人机航空γ能谱测量所得的结果与地面测量结果基本一致,同时,由于无人机航空伽马能谱测量系统采样点距小,使异常特征能够更加精细,表明将该技术应用于铀矿异常查证是可行的。
2)无人机不受地形起伏大影响,能够弥补传统放射性矿产勘查中人力无法到达区域的测量,同时,工作效率要远高效于地面测量,具有替代地面伽马能谱测量的可能。
致谢
感谢研究团队的组员们在实验过程中给予的帮助和支持。
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针对目前航空放射性测量行业飞行作业安全风险高,飞行人员易受到安全威胁等问题,综合考虑无人机平台、任务传感器、数据采集处理软件的集成关系,实现包含结构设计、电气设计、控制流设计等多载荷一体化集成设计,研发出一套全新轻便应用型无人机航空放射性资源勘查环境监测系统,使之能应用于大比例尺(大于1:5万)放射性矿产勘查,环境监测,放射性评价等生产工作。试验表明,数据稳定可靠,具有较大的应用价值。
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DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2021.0061
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Aiming at the problems of high risk of flight operation and vulnerable safety of pilots in aviation radioactivity survey industry, and considering the integration of UAV platform, task sensor and data acquisition and processing software, the integrated design of multi load including structure design, electrical design, control flow design has been realized, a new and portable unmanned aerial vehicle (UAV) airborne radioactive resources survey environmental monitoring system has been developed, it can be used in large scale (more than 1:50 000) radioactive mineral exploration, environmental monitoring, radioactive evaluation and other production work. The experimental results show that the data is stable and reliable, and has great application value. The research and development of this system has filled the blank of the domestic low space energy spectrum detection technology.
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