航空γ能谱系统中自动稳谱的研究与实现

摘要

航空γ能谱仪已经在矿产普查、环境调查、监测与评价、基础地质调查研究、核事故应急监测和寻找丢失的辐射源等各个领域展开了应用，并且取得了重大的成就。随着我国经济建设的发展，航空γ能谱仪应用的研究越来越深入，必将发挥更大的作用。
　　 课题来源于国家863 计划重大项目―航空伽玛能谱勘查系统研发‖课题（项目编号：2006AA06A207），主要研究航空γ能谱仪中自动稳谱的方法。针对航空能谱仪谱线数据的特点，选定了航空γ能谱数据中不容易受到影响的峰作为参考峰，采用数控增益放大器以及数字能谱技术保证了硬件的稳定性，应用了峰位的计算与先进算法相结合的方式来调节增益。该论文中设计了三种算法，其中有基于卡尔曼滤波器的稳谱方法，基于逐次逼近算法的稳谱方法，以及基于多参考峰的PID 稳谱方法。
　　 论文分析了能谱仪的谱线的特征，并且总结了谱漂产生的主要原因以及稳谱方法。在此基础上，分析了航空γ能谱仪系统在非稳谱状态下，谱漂与工作时间的关系。按照参考峰的选择，谱漂的计算，参数的校正几个方面对现有的几种稳谱方式进行了阐述。
　　 在硬件部分，本文重点介绍了航空能谱仪系统硬件的几个关键技术，其中有以乘法器AD734 为核心的数控增益放大器的设计，以高速ADC、CPLD 以及主控器STM32 构成的能谱数字化处理部分。
　　 在软件部分，根据航空γ能谱仪谱线的特征，选定了K(1.46 MeV)，Th（2.62MeV）和U（1.76 MeV）三个特征峰作为参考峰的，采用计算峰位与设定的峰位之间的差值来调节能谱仪的数控增益放大器的放大倍数的基本思路。在论文中，介绍了基于卡尔曼滤波航空能谱仪的单峰稳谱的基本思路和现实方法。针对不足之处，采用了逐次逼近的算法对参数进行调节。为了获得更好的稳谱效果，在设定的多个参考峰的前提下，采用数字PID 算法来调节系统参数，获得了良好的效果。
　　 航空γ能谱系统已经完成。论文简述了在多种环境下的测试方法和取得的相应的数据，用于对相应算法所获得的指标进行简要的分析。
　　 本文主要取得了以下几点成果：
　　 （1）航空γ能谱仪进行了稳定性测试，在非稳谱状态下，获取了工作时间与AGS-863 航空γ能谱仪谱漂之间的关系，为进一步研究航空γ能谱仪的谱漂校正打下良好的基础。
　　 （2）按照航空γ能谱仪稳谱的方法，将稳谱分为几个部分，总结了现在的几种方式，并且比较了这几种方式的优缺点。
　　 （3）按照航空能谱仪的设计要求，设计了―软件+硬件+特征峰‖的结构，采用了数控增益放大器和多道数字能谱分析器来减少航空γ能谱仪中电子元器件的影响。
　　 （4）在硬件的基础上，设计了多种算法来调节谱漂，通过测试表明，基于卡尔曼滤波的单峰稳谱方法在静止条件下效果良好，在实验室环境中，以外加的Cs-137 作为参考峰时，能谱仪的峰位在±2（1024 道）道的范围内，在车载条件下，效果不是很理想。在该稳谱方式基础上，以峰面积法求峰位，采用逐次逼近算法调节参数，在实验室条件和车载实验中都获得了±1 道（256 道）。为了加快谱漂调节的速度，采用多个参考峰和PID 调节，在静态试验中和机载实验中都达到了±1 道（256 道）。
　　 经过一系列的测试与改进，最终方案已经应用于AGS-863 航空能谱仪。经过石家庄航测中心在不同条件下的测试表明，该稳谱方式得到的结果已经超越了国外航空能谱仪所采用的稳谱方式所获得的结果。