发生严重核事故后，由于事故现场辐射场极强、环境恶劣、通道阻断等原因，现有的探测技术都不具备快速布置在现场并在此类特种条件下进行长时间连续监测的能力，使应急指挥中心无法及时获取事故现场的辐射情况。而通常在发生严重事故的情况下，高辐射区的剂量率监测数据，能够为更加准确的判断事故工况提供依据，从而为应急决策提供基础。在这类特种条件下的辐射探测问题，是应急响应支持技术中的重要环节。

福岛核事故发生后，由于地震和海啸的影响造成的道路阻断、断电、缺乏燃油、高温、高湿、高辐射等环境影响，大部分应急辐射监测设备和厂区周边的监测设备无法提供监测数据。如福岛核电站一号机组周边5 km范围内的23个环境辐射监测站点仅剩1个能够提供监测数据，福岛当地政府的12辆应急监测车和监测设备因为燃油耗尽一起被遗弃，对福岛核电站周边20 km范围内的所有辐射监测活动因为道路损坏、燃油短缺和高辐射剂量而被迫中止。航空谱仪测量则在应急监测中起到了非常关键的作用，为日本政府的应急决策提供了重要的数据支持^[1-7]。但航测主要针对大范围区域的环境污染分布情况测量，不能给出某些关键区域连续的辐射剂量数据，而这些数据对于应急决策非常重要。例如对福岛事故开展的释放源项反演工作是根据福岛第一和第二核电站外仅剩的2个连续环境监测站点的数据为基础开展的^[8]。

为了解决事故发生后，无法及时获取事故现场环境辐射水平，应急指挥决策缺乏必要数据等问题。本文研发了在发生重大核事故时针对高温、高湿、高辐射、高强震动等特种条件下的应急监测技术，通过低空无人飞行器搭载、抛投等技术将探测器快速布置到目标监测区域开展持续的应急监测。

1 特种条件下应急辐射监测系统

监测系统包括了探测器、无人机和数据展示软件。其中探测器具有辐射监测、卫星定位、温度测量、无线数据传输等功能；无人机能够通过遥控器或地面站控制，将携带的探测器送达指定位置并抛投；基于“云服务器”的数据展示软件具有结合卫星地图展示数据、输出数据报表、控制探测器的上传数据周期等功能。

1.1 探测器 1.1.1 探测器电路设计

生重大核事故后，应急响应中要求探测器具有宽量程，卫星定位，低功耗，无线数据传输等功能。在此基础上设计了探测器的结构流程图，如图 1。

由于GM计数管具有输出信号大，量程高，功耗低，适应环境温、湿度范围宽，体积小，造价低，电路简单等特点^[9]，选用了GM计数管作为环境辐射监测单元；选用基于ARM内核的单片机进行数据的获取和处理，并围绕其开发了USB数据接口、串行Flash数据存储、数据传输协议等功能；采用北斗卫星定位模块，获取探测器的经纬度坐标；最终探测器将按协议打包好的数据经3G数据传输模块发送到“云服务器”。此外，在对单片机进行嵌入式开发时，对北斗卫星定位模块和数据传输模块的工作模式进行了低功耗设计。

1.1.2 探测器结构设计

探测器要能够在从空中投掷到地面后在强冲击下保持结构完整性能稳定，且在高温、高湿环境下持续工作将数据发送至服务器。所以结构设计要解决抗强震、耐高温和防水的问题。图 3为探测器，其中包括降落伞、探测器主体、缓冲头三个部分组成。

考虑到数据传输和无人机的载带能力，探测器的结构材料不能使用金属。最终设计的结果探测器内部电路被保温层包裹，并通过探测器外喷涂银色漆增加全反射来降低热传导，保证探测器在70℃的环境下能够持续工作，通过密封等设计使探测器能够达到IP67的防护等级。此外，内部的保温层还起到保护电路板、抗冲击的作用。

物体在空气中作自由落体运动时，其所受的空气阻力F_D与运动速度的平方成正比。随着物体的下降由于重力加速度的原因，速度不断增加，当增加的速度导致其空气阻力与物体的重力相等时，其将停止加速并保持匀速降落，这时物体运动的速度被称为末速度^[10]，如图 4所示。当已知探测器的重量，通过公式1和公式2，可以计算出不同降落伞投影面积对应的探测器末速度。

$ {F_D} = \frac{1}{2}\rho {\nu ^2}{C_D}A $

公式1[10])

$ {V_t} = \sqrt {\frac{{2\;mg}}{{\rho A{C_D}}}} $

公式2[10])

经过空气动力学的计算和设计，使探测器从30~100 m内任何一个高度自由落体到地面的末速度都相同。为了减小因风力产生的横向偏移，经过实验测试选取了最优降落伞的尺寸。

设计好结构后也就确定了探测器落地时的末速度即确定的振动冲击，采用橡胶包裹泡沫材料的前端缓冲头能够进一步降低对探测器的冲击，提高探测器在各种不同地面条件下的生存能力。

1.1.3 小结

结合核应急的需求，设计的探测器具有高、低量程两种型号，高量程探头剂量率范围100 μGy/h~10 Gy/h；低量程探头剂量率范围0.1 μGy/h~40 mGy/h。此外，探测器具有超量程、高温报警等功能确保数据的可靠性。探头重量小于1.5 kg，尺寸为直径92 mm、高384 mm的圆柱形结构。探测器使用了特种耐高温锂电池，其在存储状态下可以放置10年，探测器满足应急状态的不确定性需求。

1.2 无人机系统

本文研究中选用的是由深圳大疆科技有限公司生产的S1000无人机系统，其最大可携带4.6 kg负载飞行15 min，通过遥控器可以在1 km范围内控制，PC地面站在5 km范围内控制。此外无人机系统还配有云台、视频拍摄和传输系统。S1000无人机系统具有高度集成化、成本低、拓展性强、易于操控等特点。无人机上配备的高集成度飞行控制系统，为用户提供了专业可靠的操控体验。图 5为改装后携带一个探测器的无人机系统。

对无人机系统的改装主要在探测器的携带和控制上。通过无人机上添加的机电结构将探测器安装在无人机上，当无人机上电后机电结构会锁死探测器使其保持稳定。对无人机的控制系统进行通道分配、遥控器和地面站控制通道映射等方式，将对无人机控制模块中的物理通到修改到探测器抛投控制上，从而控制固定探测器的机电结构进行抛投。

改装后的无人机一次可以携带两个探测器执行任务实现抛投。操作人员可以在控制飞机时，同时进行抛投控制。使用遥控器进行控制时，操作人员可以通过视频信息进行定位投掷，控制范围不大于1 km；使用地面站控制系统，需通过地面站软件对无人机的飞行路线进行路径规划，在到达指定地点后，地面站软件可以控制探测器的抛投，理论控制距离为直线5 km。

1.3 数据获取系统

因为“云服务器”的虚拟化、高可靠性、高伸缩性、通用性、低成本等特点^[10]，本工作在“阿里云”服务器上建立了基于B/S(Browser/Server，浏览器/服务器模式)结构的数据管理系统，如图 6为系统的界面。

系统主要包括如下两个方面的功能：①数据展示与管理。系统提供了结合卫星地图系统，数据报表，数据折线图三种数据展示方式。系统为用户提供了报警阈值、历史数据查询、数据下载等功能。②设备管理。用户能够在系统软件端对设备的编号和信息进行更改，从而更为清晰的了解设备的状态和特性。此外，用户还可以通过软件端修改探测器硬件的状态，如探测器上传数据时间间隔，北斗卫星模块的开启与关闭等。通过对硬件的修改可以更为灵活的满足应急需求，同时降低探测器的硬件功耗延长设备使用时间。

2 系统的测试

对探测器系统的持续工作时间，环境适应性，抗冲击性能，抛投准确性等进行了测试。如图 7为将探测器放置在建筑物楼顶，探测器每5分钟上传一组数据，从2016年4月26日至2016年5月29日探测器共持续工作了32天零16个小时。这次持续工作过程中设备经历了多次雨淋，在阳光直射情况探测器最高温度达到57℃。探测器能够持续有效的给出设备的位置信息、剂量率信息。

在无风环境下，分别测试了探测器从35、50、100 m高度抛投，降落在在草地、鹅卵石地面、水泥地面三种环境条件。每一个高度在对应地面抛投实验后，探测器结构完整仅外部有一定的划痕，能够持续稳定的工作。在4级风力的情况下通过云台控制视频摄像头向下对准抛投预设点，从30 m高度抛投探测器，探测器与预设点的最大偏移小于10 m。

使用活度为8678 Bq的¹³⁷Cs放射源测试了探测器在-20℃到80℃温度范围内的剂量率响应情况。如图 8所示。

3 总结

本研究建立的特种条件下应急辐射监测系统，性能指标如下表 1。

这一系统能够解决严重事故后因现场辐射场极强、环境恶劣、通道阻断等导致的现有技术无法进行长时间连续监测的问题，为应急监测提供了更为灵活的技术手段。系统已经在“神盾—2015”国家核应急演习和2016年深圳市人居环境委员会组织的核事故应急演习中开展了应用，并取得了良好的反响。