近年来，随着民用无人机(UAV，Unmanned Aerial Vehicle)技术的快速发展，利用无人机快速侦察突发事故、灾害等现场情况的应用日益增加。特别是各种无人机侦察探测系统，因其可以进入复杂、危险的场所中去，作为安全、快速获取信息的手段而备受青睐。在重大或特大核事故以及核恐怖袭击发生后，因事故现场辐射场非常强又或者交通阻断等原因，导致监测人员及监测设备不能及时进入事故区域致使现场剂量率数据无法获取，其直接影响应急指挥中心对事故发展的判断和采取应急行动的决定。在这种情况下出动可低空飞行或具有悬停功能的无人机搭载辐射监测系统，可迅速确认事故现场辐射剂量率水平^[1-2]，有无气态放射性物质泄露及事故污染区域范围和规模，同时可及时将监测数据传输到应急指挥中心，决策者可依据获取的实时现场剂量率数据迅速下达应急指令以避免延误核事故救援的良机。

在无人飞行器低空、小区域核辐射探测器的研制和性能测试上，芬兰辐射与核安全机构、英国布里斯托大学、美国内华达州拉斯维加斯大学、日本原子能机构等都做了大量工作^[3-6]。在国内中国原子能科学研究院运用无人机作为探测器的载带抛投工具研发了特种条件下的核辐射探测器^[7]以及可快速机动测量的散布式探测器^[8]。本文采用可悬停的八旋翼无人飞行器(UAV)搭载自制的双GM管型剂量率仪，结合GPRS无线数据传输、数字地图、北斗-GPS模块全球定位系统和基于阿里云云服务器开发的数据库及管理软件研制了无人飞行器低空辐射测量系统，旨在提高复杂、恶劣环境下的核与辐射应急监测能力。

1 材料与方法 1.1 系统结构

无人飞行器低空辐射测量系统由无人飞行器(遥控器、地面站、无人机)、辐射探测器(GM管剂量率仪、GPS模块、GPRS模块、STM32单片机等)和系统软件(云数据库和管理展示软件)3部分组成，系统运行流程见图 1。

无人飞行器是探测器的载带运输工具，可以帮助测量人员实现越障监测或自动监测，无人飞行器在≤1Km的可视范围内可以由遥控器和地面站进行双重控制，在＞1 km范围外可由地面站进行路径规划实施自动控制。负责辐射水平测量的GM管剂量率仪由测量范围分别为1×10^-4mGy/h~10 mGy/h和10^-1mGy/h~10⁴mGy/h的两个GM计数管研制而成以满足环境级辐射水平到事故状态下的高剂量率水平监测。GM管剂量率仪内置STM32单片机、GPS模块和GPRS模块等器件实现探测器的智能控制、数据储存、网络通信和坐标定位等功能。基于阿里云云服务器建立的系统管理及展示软件实时汇总探测器上传测量数据及坐标数据，同时结合数字地图展示测量区域辐射剂量率水平为应急决策提供帮助。

1.2 探测器研制

GM管剂量率探测器的研制基于模块化的方案进行设计，探测器由模拟电路模块和数字控制电路模块组成。模拟电路模块主要是处理GM管受辐射照射输出的模拟电信号，模拟电路模块工作流程见图 2。

模拟电路模块工作机理是RC电路与GM管相互配合提供与入射辐射成比例的模拟电信号输出，模拟信号通过比较器甄别辐射信号和噪声并进行数字转换，从比较器输出的数字信号经过单稳态触发器进行脉冲整形，向单片机输入固定脉宽的数字脉冲信号。

数字控制电路模块由硬件和软件部分组成，硬件包括STM32单片机，GPRS通讯模块，北斗-GPS定位模块，温度传感器、串行存贮芯片、通讯天线和接口模块等。硬件主要完成GPRS无线网络通讯、北斗-GPS坐标定位、和周边设备控制等功能。软件由操作系统和任务组成，配合硬件完成下位机与上位机的互相通信，剂量率数据处理，系统数据存储等功能。探测器测量数据及坐标信息上传时间间隔可自由设定，最小设定上传时间间隔为10 s。数字控制电路模块组成及互联关系见图 3。

1.3 系统软件研发

无人飞行器低空辐射测量系统管理展示软件主要功能有任务管理、设备管理、数据管理、数据报表、阈值管理和系统管理。该软件运行在阿里云云服务器上，其系统架构为B/S结构，即浏览器/服务器(Browser/Server)模式。B/S结构将软件系统功能实现的核心放置在服务器上，用户只需通过浏览器登录管理软件页面即可同阿里云云端数据库实现数据交互，B/S结构具有易于操作、运营维护成本低、软件易于升级等优点。

系统软件运行过程中，探测器按设定时间间隔实时上传辐射剂量率测量数据及经纬度位置信息，上传数据自动存入阿里云云服务器数据库。在系统软件展示界面辐射剂量率测量数据及经纬度位置信息实时更新并显示在数字地图平台。在应急工作中，决策者可在应急指挥中心登录Web端软件管理系统实时查看探测器所在位置的辐射剂量率水平及无人机飞行区域的污染分布情况，以利于及时启动与调整救援和监测方案等行动，同时决策者还可以远程指挥无人机到“热点”区域或监测人员无法到达的区域进行精细化测量为应急决策提供有力支撑。

2 结果

对研制的无人飞行器低空辐射测量系统进行了无人机载带探测器实际飞行时间、GM剂量率探测器性能和无线数据传输速度等系列测试，并通过系统进行整体联调来测试软件对监测数据的管理、汇总及数据展示功能。

2.1 飞行时间测试

S1000型八旋翼无人机理论续航时间＞20 min(使用16 000 mAh锂聚合物电池)，有效载荷≤8 kg，为检验其在搭载GM管剂量率仪探测器(总重约1 kg)下的实际飞行时间，分别使用了16 000 mAh锂聚合物电池和22 000 mAh锂聚合物电池进行了实际飞行测试实验。

测试条件为16 000 mAh锂聚合物电池和22 000 mAh锂聚合物电池分别充满电，用万用表测量其直流电压均为25.1 V。分别把16 000 mAh锂聚合物电池和22 000 mAh锂聚合物电池装备到载带有GM管剂量率仪探测器的S1000型八旋翼无人机进行悬空定点飞行测试实验。计时标准为从无人机稳定悬空3 m高开始到无人机低电量提醒灯开始闪烁为止，测试结果见表 1。

2.2 GM管剂量率仪测试

项目自主设计的GM管剂量率仪选用英国CENTRONIC公司生产的ZP1210型和ZP1301型GM计数管作为剂量率仪探测器的探头，ZP1210和ZP1301型GM计数管有效量程分别为1×10^-4~10 mGy/h和10^-1~10⁴mGy/h，为检验GM管探测器剂量率测量的准确性分别对ZP1210型和ZP1301型GM计数管剂量率仪在计量站进行了剂量率测量校准，校准结果见表 2，ZP1210型和ZP1301型GM计数管探测器剂量率校准误差均小于10%。

2.3 系统联调测试

系统测试主要包括无人机搭载GM管剂量率仪进行响应展开时间、低空巡测、GPS坐标定位精度、监测数据无线传输、监测数据云服务存储和管理及展示等内容。无人机低空辐射测量系统低空巡测性能在某区域进行了测试，测试过程中使用一台探伤机(表面剂量率约为5 μGy/h)作为测试用放射源。同时通过在系统管理软件端设置剂量率仪报警阈值(低报警阈值和高报警阈值)，可以在软件展示界面以红、黄和绿三种颜色实时直观显示测量点剂量率范围。测量点剂量率低于低报警阈值时，该测量点在数字地图上以绿色圆点显示。测量点剂量率高于高报警阈值时，该测量点在数字地图上以红色圆点显示，介于高、低报警阈值之间的测量点以黄色圆点在数字地图上显示。

测试过程中搭载GM管剂量率仪的无人机对探伤机所在区域附近进行由远及近的低空巡测，并在目标区域上空悬停测量10 s。为体现无人机低空辐射测量机动灵活的特点，分别把探伤机放置在屋顶、草地、停车场等不同地点进行测量，测试结果见图 4。在系统冷启动的情况下，软件展示界面获得第一个监测数据及探测器坐标信息的时间小于5 min。根据探伤机实际放置地点与无人机低空辐射测量系统在数字地图上所显示的剂量率较高点位置坐标对比测算，无人机低空辐射测量系统对点源的GPS定位精度小于10 m，表 3测量数据是一次寻源测试过程中部分测量点剂量率值及其GPS坐标经纬度值。

3 讨论

本工作基于S1000型八旋翼无人机、GM计数管剂量率仪和“云端/Web端”管理系统建立起来的无人机低空辐射测量系统经性能测试其剂量率监测范围为100 nGy/h~10 Gy/h。S1000型八旋翼无人机带载持续飞行时间约为31 min(使用22 000 mAh锂聚合物主电池)。无人机低空辐射测量系统应用于辐射监测的展开时间小于5 min。结合“云端/Web端”管理系统可在数字地图上实时查看监测区域的剂量率信息为核应急决策提供相应技术支持。

无人飞行器低空辐射测量系统测试结果表明该系统具有机动灵活、高效、展开迅速、性能稳定、操作简单、使用维护成本低等特点。其能够应用于常规辐射环境监测、放射源丢失找寻、核事故应急监测、核事故事后去污效果评估监测等工作。通过该项研究积累了一定的无人飞行器低空辐射测量方法的技术和经验，为进一步开展无人飞行器低空辐射测量应用研究提供了较好的工作基础。