无人机载核辐射监测及气溶胶采样系统试验分析

第31卷第1期2019年2月

环境监测管理与技术

无人机载核辐射监测及气溶胶采样系统试验分析

罗中兴，李霄，左莉，罗昆升，李藐，李浪

(96901 100085)

摘要：、，，

中国人民解放军部队，北京

利用旋翼式无人机平台挂载机载式.谱仪气溶胶采样器及相关监控设备在稳定风场下开阔平坦场地对特

征金属颗粒物随炸药爆炸后形成的气溶胶进行空中烟云跟踪取样及巡测测量环境核辐射水平结果表明通过8次爆炸

，。，

物气溶胶跟踪采样以及放射性点源探测试验证实旋翼式无人机空中气溶胶取样及对辐射测量的可行性

，，。

关键词！；；；

气溶胶采样核辐射监测旋翼式无人机.谱仪

中图分类号：文献标志码：文章编号：

XXB

837851 1006 - 2009201901 - 0058 - 03

;()

Experimental Study on Nuclear Radiation Monitoring and Aerosol Sampling

System by Unmanned Aerial Vehicle

LUO Zhong-xing LI Xiao & ZUO Li & LUO Kun-slieng LI Miao & LI Lang

，，

(96901 100085 &

Troops of the PLA，BeijingChina)

Abstract

：，

The environmental nuclear radiation was determined by tracking sampling and monitoring the

specific metal particle aerosol from explosion in a flat open site with stable wind fieldusin

，

al vehicle mounted with airborne gamma spectrometeraerosol sampler and related monitoring equipm

，

results proved the feasilDility of applying rotor unmanned aerial vehicle to aerosol sampling and radiation determi­

nation by tracking and sampling aerosol from 8 explosions and detecting radiation from point source.

，

Keywords

：；；

Aerosol sampling Nuclear radiation monitoring Rotor unmanned aerial vehicle; Ga

trometer

20

世纪末，结合无人机进行核辐射监测的研

究工作刚刚起步。世纪早期，加拿大的

21Exploa-

nium (Kurvinen Castelluccio

公司[1] 等[2]和 等[3]都

开展了以无人机为平台的航空机载核辐射探测系

统探索研究。年等[4]将安装了 个

2013Sanada3

固定翼或有人值守飞行系统，而其他研究成果应用

普适性不强，不适用于复杂辐射环境，无法悬停或

者灵活跟踪烟云进行样品采集和辐射监测。从应

急和安全的角度考虑，今针对复杂地域核事故监测

背景，研制一套兼容气溶胶采样和核辐射监测的无

人机平台，用于应急核辐射监测，并通过试验验证

该平台对大气气溶胶取样及辐射测量的可行性。

1需求分析

作为应急使用，平台须满足便携和启动迅速的

特点。硬件需一架飞行速度、载重能力和续航时间

合适的无人机，挂载一台可无线通信的机载.谱

仪及气溶胶采样器。其中，机载.谱仪需具备灵

收稿日期：；修订日期：

2017 - 12 - 17 2018 - 12 - 29

作者简介：罗中兴（，男，湖南湘潭人，工程师，博士，主

1982—)

LaBr

探测器的无人机用于福岛核电站事故后的

周围辐射测量。近年，等)5]和西班牙

Macfalae

Esuadrne

公司)6]研发了更为成熟的辐射探测无

人机系统。无人机装置与辐射探测技术结合的研

究在国外发展较早，成果也较成熟，而目前国内这

方面的研究工作较少，还处于技术探索阶段。孟

佳[7]、李志强等)8]、高同跃等)9]都搭建了挂载各类

监测设备的无人机核辐射监测系统，这些研究成果

都提供了很好的参考。

当前我国民用和军用核设施繁多，核事故环境

下源项复杂，现有航空核辐射监测系统大部分采用

—58 —

要从事核安全与应急研究工作。

第31卷第1期

罗中兴等.无人机载核辐射监测及气溶胶采样系统试验分析

2019年2月

敏的7辐射探头、多道谱分析功能，以及地面控制

端和 件等。 台需 型低能核素结构坚固，还 采样防雨设计，便于在不同地

(如241等） 好 力， 实监测环境

Am

，能实现对测量 量率、能量谱

(7

i

等）的 （不少 3 )实 输，并 地面

km

控制端 和 ， 要实现在地面控制

端电子地图中实 、标 量率 。气溶胶起飞场地有严格要求，而且 程中转向不灵

采样器要 实现对粒径>5 物的 ，

)m

>8 5的持续采样，滤膜更换 方便、

。无人机需具备10 的负载能力， 实现

kg

设 的巡 ，具备较好的续 力，单

低于1，挂载设备适配 。

h

2无人机载核辐射监测平台的搭建

217

. 机载谱仪

量测量需求，自主研发了机载7谱仪，

1。 器采用() 体和，剂

NalTlPTM

量率测量范围为0.001 )/5〜100.0 )/5。累

GyGy

积剂量测量为0 〜9 999 +〇7。137心的测定灵

mGy

敏度不低于1 000 9)/，226 的测定灵敏度不

cpGRa

低于6 /)，129 的测定灵 低于

c

psGyI

10 /)。能量响应范围对于137为48 ~

cpSGyZkeV

3 ，误差控制在±30%以内；剂量率相对误差

MeV

在±15%以内；整机平均功耗约1: ;为了便携

W

和利于无人机挂载，尺寸仅为330 145

mmsmms

138 ，主机质量约为2. 7 ，同时能够满足3

mmkgkm

无线通信。

图1机载7谱仪

FigAirbornegammaspectrometer

. 1

2.2 气溶胶采样器

气溶胶采样器为中国辐射防护研究院研制的

PL

-160型采样器， 主、采样头及可更换滤

膜等，可实现 径>5) 物的 ，采样流

m

量2.5 。 采样器专为大气气溶胶采样设

L/min

计，可用于气溶 的收集，收集率在95%

TWP

以上。采样器体积小（120 80 50 )，

mmsmmsmm

点采样。电池连续工作时间超过16 5,整机质量约

为 0 .8 。

kg

2.3 平台搭建

由于无人 翼和固定翼，而固定翼飞机对

活， 操作，而旋翼可以解决这 ，

故采用旋翼形式无人机。无人机动力 上，有油

和电动2种主要形式，油动形可以轻松实现长

续航，然而动力 复杂，实 用过程中，无

人机燃 续较为麻烦，存在 ，故考

虑使用电动形式。这 无人监 采用

电 翼无人机的原因。综合旋翼和电动特点，以

及 续航和载重的需求，选用六旋翼8型

MFX

无人 台， 无人机、地面站及 配套设备。

对无人 适配 。 质量14 ，最

kg

大起飞质量（含6块电池）54 ，最大承受风力6

kg

，支持智 线 ，具备较好的续 力，单次

少 1 5。 2 为 挂 载 7 仪 和 气 溶

采 样 器 的 无 人 。 7 仪 和 气 溶 采 样 器 的 质 量

控制在无人机标准荷载以内，并影响无人机的续

。

图挂载谱仪和气溶胶采样器的无人机

27

FigUnmannedaerialvehiclemountedwithairborne

. 2

gammaspectrometerandaerosolsampler

2.4 系统集成及试验

为了测试 集成的可行性和可靠性，无人机

在爆炸烟云中 巡测试验， 3。无人机飞行

4。 试 8次烟云，无人机

了 8 烟 云 采 样 、 量 ， 单

在 8 ， 试 更 换 电 ， 续

min

完全满足应急时单次采样需要。

气溶胶烟云由 金属粉末的炸药爆炸生成，

—59 —

第31卷第1期2019年2月

罗中兴等.无人机载核辐射监测及气溶胶采样系统试验分析

图3 无人机烟云跟踪试验情况

FigExperimentofaerosoltrackingby

. 3

rotorunmannedaerialvehicle

图4控制端无人机飞行轨迹

FigFlightpathofunmannedaerial

. 4

vehicleoncontrolterminal

每次装药量基本相当，试验前对每次爆炸的炸药铝

元素质量 量， 如表1 。试 ‘

气溶胶采样膜片作微量 ， 表1。由

表1可知，采样滤膜中铝质量 反映出炸

中铝元素质量 的 ，说明空气采样可以对

爆炸产物中）级气溶 采集。

m

表1采样滤膜铝元素微量分析结果

TableTestresultsoftraceamountofAluminumin

1

samplingmembrane

样品序号采样滤膜中铝质量分数

炸药中错质量分数

％/%

15.393 :50

％/%

22. 11

3 :66

35 :35

3 :47

45 :753 :72

53 :31

5. 13

65 :833 :85

7

5 :864 :00

84 :89

6.82

爆炸现场并不存在放射性核素，只能对环境

量。试验在无放射性核素环境中进行，测

的环境 量率为0. 07 )/，7谱仪 ]

Wvh

—60 —

中没有特征峰。为测试挂载的7谱仪对放射性

核素的监测可行性，设实施了野外放射性点源

试验，试 用的点源为241，活为

Am

4.5(1.67)，无人机悬停高度为2 。结

mCiGBqm

果实 量率为.26 /，谱仪的谱图中在

0)Wvh7

59 处有明显241 对应的特征峰。由此可见，

keVAm

在真实放射性事故中，上述无人 放射性核

素烟云和地面放射性核素的监测可行。

3结语

从气溶胶采样分析结果看，采样滤膜样品上均

检 的成分，检 可以 ，无人机监测

台对气溶胶采样可行。采用旋翼无人机载的方

，可以灵活 烟云，有利 气溶胶的采集和

射监测，试 证了旋翼式无人 中气溶 ：

样及辐射测量的可行性。 将对平台 更

多试 证，以期满足较为复杂环境下无人化监测

的 需求。

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本栏目编辑吴珊