CN107884812B - 基于闪烁体探测器的放射源定位跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于闪烁体探测器的放射源定位跟踪方法，主要解决现有技术中存在的无法实现移动未知放射源的准确定位和跟踪以及定位误差较大等问题。该方法包括：在二维或三维空间内采用离散方式分布至少4个闪烁体探测器，建立闪烁体探测器笛卡尔坐标系；对闪烁体探测器进行效率刻度；检测闪烁体探测器所处空间内的本底计数率；设定闪烁体探测器的探测下限，每间隔时间t进行闪烁体探测器的计数率采集；利用闪烁体探测器效率与测量角度的关系进行净计数率修正，根据净计数率与探测器测量距离的平方成反比的关系求得该放射源的三维空间位置，重复探测获得放射源移动轨迹。本发明具有定位准确、计算简便、适用范围广等优点。

Description

基于闪烁体探测器的放射源定位跟踪方法

技术领域

本发明涉及核技术领域，尤其是基于闪烁体探测器的放射源定位跟踪方法。

背景技术

随着核能技术的不断发展，核能作为可持续发展清洁能源的重要组成部分，由于核能裂变释放的能量巨大，核能反应过程无空气污染物产生，已逐步用于发电、潜艇等领域。但是，核能也存在巨大的风险，如放射辐射、放射性废料处理等，给社会带来经济利益的同时也给社会、生态环境造成不小的困扰。由于其放射源辐射将影响电子、通讯正常工作，因此，在交通运输行业，尤其是在港口、航空、铁路等领域严禁携带放射物品。更有甚者，违法携带放射源，在重要场所制造骚乱，破坏社会公共秩序。

因此，在港口、航空、铁路等领域设置安检机以检查违禁物品，但是只能是所检物品通过安检机才能发现，无法实现自动准确定位和跟踪的放射源。目前，放射源采用的定位一般可分为已知放射源的监控、定位和跟踪，另一类即是未知源的探测定位；如专利申请号为200810056795.2，名称为“一种对放射源自动监管及实时监控的方法和***”的中国发明专利，该方法通过在放射源上安装固化有源档案信息的定位终端，通过前段阅读读取源信息并通过无线通讯、GPS定位等技术定位，此方法显然不适用于重要***区域对未知的放射源进行定位，GPS定位误差较大，而且，无线传输容易受到放射干扰。又如专利申请号为201410592818.7，名称为“一种放射源定位方法及***”的中国发明专利，其采用移动通讯终端对未知放射源进行探测，但是存在以下不足：第一，移动移动通讯终端精度较低，不能实现准确定位，第二，无法实现实时跟踪，尤其在交通运输安检监控领域，放射源携带者是在不停移动。

综上，急需对未知移动放射源准确定位和自动跟踪进行研发，实现提前预判放射源的类别、位置和强度，避免在交通运输出入口、大型会议、重大赛事等重要场所产生骚乱，使放射源得到有效的监管，维持安全的公共秩序。

发明内容

针对上述不足，本发明的目的在于提供基于闪烁体探测器的放射源定位跟踪方法，主要解决现有技术中存在的无法实现移动未知放射源的准确定位和跟踪，以及定位误差较大等问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于闪烁体探测器的放射源定位跟踪方法，包括以下步骤：

第一步，在二维或三维空间内采用离散方式分布至少4个无机闪烁体或有机闪烁体的闪烁体探测器，并以空间内任意点作为原基准点，建立闪烁体探测器笛卡尔坐标。

具体地，选取该空间坐标系的原基准点，利用蒙特卡罗方法确定所有闪烁体探测器的等效探测点，获得闪烁体探测器等效位置的三维坐标。

第二步，利用标准源对闪烁体探测器进行效率刻度，由于制造工艺的细微差异，每个闪烁体探测器的效率不尽相同，因此，需对闪烁体探测器的效率进行归一处理，使所有闪烁体探测器对同一个放射源在相同测量距离的净计数率C_i相同，其中，标准源常采用²⁴¹Am、¹³⁷Cs和⁴⁰K。标定闪烁体探测器效率f与测量角度的关系，其表达式为：

f＝b₄×A⁴+b₃×A³+b₂×A²+b₁×A+b ①

其中，b、b₁、b₂、b₃、b₄为效率刻度系数，A为闪烁体探测器前表面法线方向与放射源和探测器前表面中心连线的夹角；

第三步，测量闪烁体探测器所处空间内的本底计数率C₀。

第四步，闪烁体探测器每间隔时间t进行计数率C采集，根据净计数率C_i公式：C_i＝C-C₀，计算获取该空间内所有闪烁体探测器的净计数率C_i，判断任一的闪烁体探测器的净计数率C_i与预设的探测下限A_T数值关系，若净计数率C_i大于探测下限A_T，则进入第五步，否则继续循环第四步。充分考虑闪烁体探测器计数率波动、工控机计算的工作量和放射源跟踪的连续性等因素，闪烁体探测器一般每间隔50～1000ms采集一次。

第五步，根据净计数率C_i求放射源在该空间的三维坐标，第i个闪烁体探测器与放射源距离R_i与净计数率C_i关系式为：

其中，k为比例系数；

放射源与第i个闪烁体探测器的距离R_i的三维计算表达式为：

其中，x、y、z为放射源的三维坐标，x_i、y_i、z_i为第i个闪烁体探测器的三维坐标；

在该空间区域内安装有4个及以上的闪烁体探测器，建立i个关于距离R_i的无约束优化方程，根据Nelder-Mead单纯形法求得无约束优化方程的最优解，利用最优解和闪烁体探测器效率与测量角度的关系①对净计数率C_i进行修正，即归一到同一角度，然后利用修正后的净计数率求解公式②，由表达式③求得该放射源准确的三维空间位置。闪烁体探测器每间隔时间t采集一次净计数率C_i，经过多次采集定位放射源的三维坐标，获得该放射源连续的移动轨迹点，实现该空间内放射源的跟踪。由于采集时间较短，便能构成放射源的连续位置，如此一来，即能实时监控该区域内放射源的移动路线，为***提供了响应时间和应急处理的保障措施。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明巧妙地在二维或三维的一定空间范围内采用离散方式安装4个及以上的闪烁体探测器，通过净计数率和放射源与闪烁体探测器距离的关系，并结合闪烁体探测器探测角效率的修正，实现放射源的准确定位。而且，在均匀间隔的时间内进行连续探测，形成放射源的移动轨迹跟踪，如此一来，便能实时监控放射源的位置所在，为重要场所放射源监管监控提供保障。实践证明，本发明适用于交通运输出入口、大型会议、重大赛事等重要场所。

(2)另外，本发明通过设定闪烁体探测器探测下限，仅任意一个闪烁体探测器的净计数率大于探测下限，则进行放射源定位跟踪，可有效避免因放射源强度较弱，不能触发所有探测器探测下限的问题，实现对较弱放射源也能有效探测的目的。而且，采用有机或无机闪烁体探测器具有探测效率高、分辨时间短、使用方便、适用性广等特点，适用于未知放射源的识别和监控。

(3)本发明的闪烁体探测器探测时间间隔优选设置50～1000ms，既能保证放射源的连续探测定位，实现放射源的移动轨迹跟踪，又能匹配放射源定位工控机的计算工作量，使得定位跟踪运算更流畅。

(4)本发明合理地使用Nelder-Mead单纯形法对三维线性规划问题的数值求解，一方面无需对比例系数进行预先取值，便能求解由闪烁体探测器距离构成的三维无约束优化问题，另外一方面，求解获得的最优解还能用于净计数率修正，进而，得到该放射源的准确三维空间位置。

(5)不仅如此，本发明通过对每个闪烁体探测器进行效率刻度，并测量每个闪烁体探测器的本底计数率，在采集运算中，扣除闪烁体探测器本身基数的影响，免除探测过程中的外界环境干扰，如此便可提高放射源定位的准确精度。

附图说明

图1为本发明的定位流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图1所示，本发明提供了基于闪烁体探测器的放射源定位跟踪方法，以保证港航站、大型会议、重大赛事等重要区域的社会秩序，实现放射源有效监管。本实施例仅以三维空间内设置6个NaI(T1)闪烁体探测器为例进行说明，其他设置大于等于4个有机或无机闪烁体探测器的情况与本实施例的过程相同，在此不予赘述。

在三维空间内选定一点作为笛卡尔坐标系基准原点，其中，6个闪烁体探测器的等效三维位置坐标如表1：

表1闪烁体探测器三维等效坐标

以²⁴¹Am标准源进行闪烁体探测器效率刻度为例，使得每个闪烁体探测器在等距离条件下测量的净计数率C_i均相等，减小因制造工艺的细微差异致使探测结果存在误差。效率刻度是确定辐射探测器记录入射粒子的效率，通常采用一系列已知核素类别和活度的标准放射源直接刻度，也可利用蒙特卡洛方法进行计算机刻度，其效率刻度为现有成熟技术。

标定1～6号闪烁体探测器效率f与测量角度的关系，其表达式为：

f＝b₄×A⁴+b₃×A³+b₂×A²+b₁×A+b ①

其中，A为闪烁体探测器前表面法线方向与放射源和探测器前表面中心连线的夹角，首次计算放射源的位置(x、y、z)，放射源在x-y平面与每个探测器的距离：

若z＞z_i,则，

若z＜z_i，则

在本实施例里1～6号闪烁体探测器的夹角A分别为94.56°、94.25°、19.47°、93.28°、22.98°、93.37°。效率刻度系数b、b₁、b₂、b₃、b₄分别取值为0.99764、-0.00108、5.4095E-4、-1.13584E-5、6.22842E-8。

在无放射源的条件下，测量采集6个闪烁体探测器所处三维空间内的本底计数率C₀，通常，闪烁体探测器的本底计数率C₀是采用间隔100s采集3～5次，求闪烁体探测器各自的平均值，1～6号闪烁体探测器的本底计数率C₀分别为678、664、702、690、681、698。设定每个闪烁体探测器的探测下限值(即净计数率)280，闪烁体探测器每间隔300ms进行一次计数率采集。将放射源置于该三维空间中任意点，此时，1～6号闪烁体探测器探测的计数率C分别为4944、4523、3370、3326、3041、3071，1～6号闪烁体探测器的净计数率C_i分别为4266、3859、2668、2636、2360、2373。即1～6号闪烁体探测器的净计数率C_i均大于探测下限。

利用1～6号闪烁体探测器的净计数率C_i求放射源在该空间的三维坐标，第i个闪烁体探测器与放射源距离R_i与净计数率C_i关系式为：

其中，放射源与第i个闪烁体探测器的距离R_i的三维计算表达式为：

在该空间区域内安装有6的闪烁体探测器，建立6个距离R_i无约束优化方程，根据Nelder-Mead单纯形法求得该方程的最优解，利用最优解和闪烁体探测器效率与测量角度的关系①对净计数率C_i进行修正，即归一到同一角度，然后利用修正后的净计数率求解公式③，由表达式④求得该放射源准确的三维空间位置为(0.62，1.75，0.74)。每间隔300ms重复采集闪烁体探测器的净计数率，进行反复定位，每间隔300ms获得一个放射源的三维位置坐标，将该放射源所有定位的点依次连接便是该放射源的移动轨迹点。

本发明充分考虑到闪烁体探测器计数率波动、进行数据运算工控机的计算工作量以及对放射源跟踪的连续性，闪烁体探测器采集时间一般为50～1000ms，经反复实验验证，采集时间为300ms时为最优，放射源的跟踪效果最佳。本发明适用于对未知放射源进行定位跟踪，在港口、航空和车站等公共区域作用凸显更为明显，在放射源携带者进入该区域内便能准确定位该放射源，为安全管理人员及时处理提供技术支撑。本发明巧妙的利用间隔均匀时间进行采集运算，获得连续的移动轨迹，如此一来，便能发挥其跟踪功能，为***提供了响应时间和应急处理的保障措施。综上所述，本发明具有定位准确、计算简便、适用范围广等优点，与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，在核技术领域具有广阔的市场前景。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.基于闪烁体探测器的放射源定位跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤P01，在二维或三维空间内采用离散方式分布至少4个闪烁体探测器，并以空间内任意点作为原基准点，建立闪烁体探测器笛卡尔坐标，利用蒙特卡罗方法确定任一闪烁体探测器的等效探测点，获得闪烁体探测器等效位置的三维坐标；

步骤P02，利用标准源对闪烁体探测器进行效率刻度，并标定闪烁体探测器效率f与测量角度的关系，其表达式为：

f＝b₄×A⁴+b₃×A³+b₂×A²+b₁×A+b

其中，b、b₁、b₂、b₃、b₄为效率刻度系数，A为闪烁体探测器前表面法线方向与放射源和探测器前表面中心连线的夹角；

对闪烁体探测器的效率进行归一处理，使所有闪烁体探测器在同等距离测量的净计数率C_i相同，i为闪烁体探测器个数；

步骤P03，测量闪烁体探测器所处空间内的本底计数率C₀；

步骤P04，闪烁体探测器每间隔时间t进行计数率C采集，根据净计数率C_i公式：

C_i＝C-C₀

计算获取该空间内所有闪烁体探测器的净计数率C_i，判断任一的闪烁体探测器的净计数率C_i与预设的探测下限A_T数值关系，若净计数率C_i大于探测下限A_T，则进入步骤P05，否则继续循环步骤P04；

步骤P05，根据闪烁体探测器与放射源距离R_i的平方和净计数率C_i成反比关系，其关系式为：

其中，k为比例系数；

由闪烁体探测器构成i个距离R_i无约束优化方程，根据Nelder-Mead单纯形法求得该方程的最优解，利用最优解和闪烁体探测器效率与测量角度的关系对净计数率C_i进行修正，根据修正后的净计数率求得该放射源的当前三维空间位置；

步骤P06，重复步骤P04至步骤P05，求得一系列的放射源实时三维空间位置，并由这些放射源实时三维空间位置构成放射源移动轨迹点。

2.根据权利要求1所述的基于闪烁体探测器的放射源定位跟踪方法，其特征在于，所述间隔时间t为50～1000ms。

3.根据权利要求1～2任一项所述的基于闪烁体探测器的放射源定位跟踪方法，其特征在于，所述闪烁体探测器为无机闪烁体、有机闪烁体其中之一。

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