蒙特卡洛对无人机探测效率的模拟综述.docx

1、蒙特卡洛对无人机探测效率的模拟综述摘 要航空能谱测量具有精确、快速、范围广、代表性好、成本低的特点。以前多用于铀矿资源的普查、地质填图等地质类科研技术领域，但随着科技的进步，近年来应用范围逐渐变广，在钾盐、油气、铜钼矿、金矿、银铅锌矿、磷矿非放射性矿床探矿领域及环境辐射监测、土壤调查、地质灾难预测、核事故应急的航空监测等方面有着重要应用，本论文主要涉及对无人机航空探测效率的蒙特卡罗模拟问题，其是核技术应用领域中的一个重要研究方面。利用蒙特卡罗方法模拟探测器对射线的探测效率是解决实际中工作人员避免受到无谓辐照问题的一个有效方法。在航测系统的空中刻度需要均匀分布的大面积人工核素面源，另外地面刻度也

2、至少需要半径十几米的均匀分布的人工核素面源，而制作这样大均匀分布而面积巨大的人工核素面源是很困难的。因此，必须事先利用MCNP采用蒙特卡罗方法对测量系统的探测效率进行模拟计算，并根据计算结果制作较小面积的有限面源对系统进行实际刻度是十分必要的；蒙特卡罗方法则是计算这类问题的有效工具，计算了无人机航测系统大面积均匀面源和137Cs点源的探测效率，然后将探测效率乘以源活度得到计数率，最后进行作图与理论分析所得结论对无人机航测系统的效率刻度具有重要指导作用。关键词： 航空探测；效率；MCNP；蒙特卡洛模拟AbstractThe aviation spectrometry is accurate, f

3、ast , a wide range of representation and low cost .Its use to general surveying for Uranium resources previously , the geological mapping and others geological scientific research and technology fields, but With the progress of technology recently years, its gradually becomes a wide range of applica

4、tions, in potash, oil and gas, copper, molybdenum, gold, silver, lead and zinc ore, phosphate rock deposits in non-radioactive areas of exploration and environmental radiation monitoring, soil surveying, geological disaster prediction, nuclear emergency air monitoring,which is an important applicati

5、on, this paper mainly involves the detection efficiency of the UAV aviation Monte Carlo simulation problems its applications in the field of nuclear technology is an important research aspect. Monte Carlo simulation for the detector -ray detection efficiency of the staff is to solve practical proble

6、ms to avoid unnecessary irradiation . Scale aerial system in the air is 500x1000m2 least artificial radionuclide uniformly distributed surface source, in addition ,to the ground scale also needs ten meters radius of the uniform distribution of the artificial radionuclide point source at least ,makin

7、g such a large area of uniform distribution of huge artificial radionuclides point source is very difficult. Therefore, we must advance the use of MCNP Monte Carlo method for the detection efficiency of the measurement system are simulated, according to the results produced smaller areas with limite

8、d surface source for the actual scale of the system is necessary; Monte Carlo method is an effective tool for this kind of problem, unmanned aerial systems is calculating large area uniform surface source and 137Cs point source detection efficiency and detection efficiency will be multiplied by the

9、source activity count rate, the final mapping with the theoretical analysis. The conclusions on the efficiency of the system scale aerial drones has an important guiding role.Keywords: Aviation detection; efficiency; MCNP; Monte Carlo simulation1. 引言 12. 无人机的发展及应用 23. 航空放射性测量原理概述 73.1射线与物质的几种相互作用 93

10、.2航空监测系统的组成73.3伽马能谱的测量73.4航空伽马能谱的测量94探测效率的模拟计算104.1 蒙特卡罗方法概述104.2 MCNP模拟计算的物理模型114.3 模拟计算134.4 结果分析185.结论20致谢21参考文献221. 引言1.1背景：由于石油资源日益匮乏使得全球能源危机不可避免，这种背景下核能成为了一种新型能源，其具有高效清洁的特性 。但是另一方面，由于管理或是技术上的局限，核能也可能造成严重的危害，尽管发生的概率很小，但是如果一旦发生，以此带来的危害是难以想象的，因此核事故应急航空监测, 引起了各国政府的高度重视。另一方面，据统计表明，在我国已经发现的大中型铀矿床中，有

11、近80%是通过航空放射性测量直接或者间接发现的。在新的时期，能源更加紧缺，能源危机己经成为一个人们十分关心的问题。随着核电事业的高速发展，对核能的需求将进一步增大，从而也对航空伽玛能谱测量提出了更多的要求。随着人们环境保护意识的增强以及世界范围核能的广泛应用，放射性污染问题引起了人们的高度重视。航空放射性测量因其快速、经济、准确的特点而在环境辐射评价中得到重视。本文涉及的无人机航测系统探测具有探测范围大，快速，灵敏，结构简单、体积小、重量轻、机动性好、飞行时间长、成本低、便于隐蔽、无需机场跑道、可多次回收重复使用等优点，比起地面介质环境测量，具有快速确定污染边界与水平，提供相应的应急对策。测量

12、包括能反映不同元素含量的Y能谱测量，以及表示放射性元素总量的伽马总量测量，两者总称为Y方法。航空伽马谱测量能快速而准确地对放射性污染进行监测，为确定污染范围、采取污染治理措施提供可靠依据;它能有效进行环境放射性水平检测;在寻找多金属和贵金属矿床、寻找油气田中发挥着重要作用;在土壤侵蚀调查以及水文和工程地质调查中，航空谱谱测量成为一种重要手段。由于航空伽玛能谱测量能够对土壤和岩石成分进行划分，因而在土地利用和规划中也扮演重要角色。综上所述，航空谱测量在寻找放射性矿产(如铀矿、针矿、钾盐矿)和非放射性伴生矿产(如稀土矿、贵金属矿、多金属矿等)、辐射环境监测、区域地质调查、核应急航空监测等领域都有十

13、分广泛的应用。航空射线探测效率的蒙特卡罗模拟问题，是核技术应用领域中的一个重要研究方面，随着计算机技术的发展，该方法能比较逼真地描述粒子的输运过程，解决一些数值方法难以解决的问题，可广泛应用于核分析、核勘查、核测井和辐射防护等领域。蒙特卡罗（Monte Carlo）方法，或称计算机随机模拟方法，是一种基于“随机数”的计算方法。蒙特卡罗方法在辐射防护领域应用的优势：由于某些核实验工程耗资巨大且时间长，而理论上无法推导，利用蒙特卡罗方法可以有效节省资金和时间；蒙特卡罗方法利用计算机进行模拟实验，能有效避免放射性物质对环境的污染；对一些实验，通过对模拟结果和实验结果的比较，达到减小误差的目的 。1.

14、2 研究内容 本文主要探讨用蒙特卡罗方法模拟射线在NaI探测器对点源Cs-137和面源的能量沉积响应。在点源情况下改变与源的高度在面源条件下改变面源半径与源于探测器的距离时，对计数率有何影响。 探测器对射线探测效率的统计模型对应于跟踪大量源光子从产生到进入探测器晶体再到光子被吸收或逸出探测器的整个输运过程建立蒙特卡洛模型。依据建立的蒙特卡罗物理模型，用MCNP软件描述模型，从而得到探测效率后转化为计数率。主要研究内容有： (l)阐明射线与物质的作用机制，同时分析了射线在NaI闪烁探测器中能量沉积原理； (2)论述蒙特卡罗方法的基本原理及解决粒子输运问题的主要步骤； (3)重点研究点源与面源的射

15、线输运过程的蒙特卡罗计算方法。建立点源和面源放出的射线对圆柱体响应函数的蒙特卡罗模型，利用MCNP软件模拟出整个光子的运动过程。二无人机的发展及应用2.1无人机的概述无人驾驶飞机简称“无人机”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，他是一种有动力、可控制、能携带多种任务设备、执行多种任务,并能重复使用的无人驾驶航空器。无人机与遥感技术的结合, 即无人机遥感,是利用先进的无人驾驶飞行器技术、遥感传感器技术、遥测遥控技术、通讯技术、GPS差分定位技术和遥感应用技术,具有自动化、智能化、专题化快速获取国土、资源、环境等的空间遥感信息,完成遥感数据处理、建模和应用分析能力的应用技术

16、。具有低成本、低损耗、可重复使用且风险小等诸多优势, 其应用领域从最初的侦察、 早期预警等军事领域扩大到资源勘测、 气象观测及处理突发事件等非军事领域。无人机遥感的高时效、高分辨率等性能,是传统卫星遥感所无法比拟的,越来越受到研究者和生产者的青睐,大大扩大了遥感的应用范围和用户群,具有广阔的应用前景。20 世纪末全世界范围内已掀起了无人机的研制热潮,这场研究热潮将无人机的发展推向了新阶段。无人机发展史与人类飞行史一样久远。人类的最早的飞行器就是研究飞行原理的无人模型和滑翔机。技术进步使人能够进入飞行器内开展操控动作。莱特兄弟第一次进行动力飞行成功后不久，一些国家开始利用无人机执行军事任务。机上

17、无驾驶舱，但安装有自动驾驶仪、程序控制装置等设备。地面、舰艇上或母机遥控站人员通过雷达等设备，对其进行跟踪、定位、遥控、遥测和数字传输。可在无线电遥控下像普通飞机一样起飞或用助推火箭发射升空，也可由母机带到空中投放飞行。回收时，可用与普通飞机着陆过程一样的方式自动着陆，也可通过遥控用降落伞或拦网回收。可反覆使用多次。广泛用于空中侦察、监视、通信、反潜、电子干扰等。1917年的凯特灵鱼雷是世界上第一种实用型军事无人机。这种事先设定的由电力和气动控制无人机可以飞向目标投放弹药。尽管该机没有参加第一次世界大战，但是该系统为未来无人机发展指明方向。无人机成功进行动力起降所面临的问题制约了无人机只能作为

18、一次性系统发挥作用，它由弹射器、空气系统或轨道系统发射升空。唯一的例外是二战时的“阿芙罗狄蒂”系统，它由一种重型轰炸机改装，机内满载炸弹，飞行员驾驶该机起飞，随后跳伞脱离该机，后续战机在该点由使用无线电控制该机。 如果配备降落伞回收系统，一些无人机是可以回收并再次使用的。20世纪70年代，随着人们对空气动力学了解的深入，并利用计算机开发出控制算法，人们解决了飞机的安全起降问题。不过，这些技术并没有应用至无人机上，而是用于完善民航机的自动驾驶系统。受安全因素的影响，以及在恶劣天气下实现可靠的飞行，一些航空电子系统公司开发使出飞机精确的进场的仪表着陆系统。在民航机上安装雷达高度机又使具备飞机拉平着

19、陆的能力。各种经济因素推动上述技术的应用。受经济因素的影响，人们为了节省油料又开发出控制发动机、动力设置、飞机姿态和飞行高度的自动驾驶仪。自动油门系统优化了发动机的动力设置、飞机爬升率，从而节省燃料。不过，精确导航仍然存在问题。自动驾驶仪可以引导飞机沿一条跑道或进场路径滑行，在没有外部导航设备帮助下，飞机既不能看见和避开障碍，更不能确定精确位置。惯性导航系统或先进的自动星跟踪器也不能提供飞机的位置，而且也不能在事先确定的路径中进行精确、灵活滑行。地形跟踪雷达系统的开发和装备部队，并与自动驾驶仪相配合，使飞机获得避开障碍的能力。规避其它空中航线的问题又导致开发出飞机无线电应答网络，实现飞机间准确

20、共享有关位置和速度的信息。最后全球定位系统使飞机获得足够的精确度以确定位置。无人机经过了近百年的发展，产生了种类繁多，外形各异的产品，很难用一下子介绍清楚。一方面，如果以飞行距离的长短进行分类，有短程无人机、近程无人机、中程无人机和长航时无人机；如果以飞机的外形分类，有微型无人机、小型无人机、中型无人机和大型无人机；如果从军事用途上进行分类，有靶机、侦察机、干扰机和攻击机：如果从飞行原理上分类，则有固定翼无人机和旋翼无人机（即无人直升机）等。 小型无人机的最大起飞重量只有几千克乃至几十千克。由于这种小型无人机携带方便，操作简易，成本低廉，因而具有广泛的应用前景。比如以色列的“云雀”，重约6千克

21、，直径12厘米，通过助推器或小型火箭发动机肩扛发射。发射后其机翼（翼展1.5米）在电动机动力作用下迅速打开进入飞行位置。该机装有一台摄像机，可提供空中即时影像。最大飞行距离10千米，可在目标区域上空飞行60多分钟。“云雀”无人机可从屋顶、窗口或狭窄小巷发射，即使对恶劣环境也有较强的适应性，并且应用一台笔记本电脑就可以对其进行操控。该型系列飞机在2004年就成为以色列军队的制式装备，2005年被澳大利亚和加拿大军方采购，并在军队中成建制装备应用于阿富汗战场。中型无人机通常是指重量在一百千克至几百千克、飞行距离达数百公里、留空时间在2小时以上的飞机。该类飞机在民间领域的应用最为广泛。另一方面，我国

22、研制无人机已有四十多年的历史，所投放的产品也比较成熟。从最初的无人靶机系列，到高空高速无人侦察机等，已经开发出的产品有数十种，并广泛应用于空中侦察、战场监视、目标定位、战场评估等军事领域，随着近十几年来科技得不断进步，无人机的安全性与可靠性也逐步完善，开始进入民用市场，在各个领域发挥出高科技带给人类的方便快捷与高效。目前在民用无人机行业探索的民营公司大多技术不成熟，一般为了满足飞机的复杂保障条件和对操作的较高要求，而建立有以航模操作手为主的飞行团队，专注的是本身企业对无人机的使用，而非用户对无人机的使用。并且由于没有条件看到航空集团的很多现成技术储备和先进技术，导致闭门造车比比皆是。对比的是，

23、航空集团由于体制的原因，对民用的需求只能走调研、立项、审批的程序，对市场反应缓慢，未能在民用领域有较深入的介入。综上所述，根据无人机市场的出现、培育和发展，对行业发展过程综合分析如下：无人机市场从无到有，经历了三个阶段。第一阶段的需求为军用所垄断，由于技术属于高尖端，其技术壁垒决定了民用市场无法接触，基本没有任何民用需求；该阶段的技术特点为惯性组件、控制系统等基础技术尚不成熟，成本很高，只有在军用领域才能接触和应用；从事无人机研制与生产的厂家只有以航空一、二集团为总体单位，电子科技集团为配套单位的国有军工企业。第二阶段从上世纪90年代起到本世纪初，由于电子集成电路、飞行器设计、发动机等基础技术

24、的发展，部分民营企业对无人机行业进行了探索，出现了第一批吃螃蟹的民企，形成了少量低端民用小型无人机，使市场需求由依然是高端的军用领域向民用领域扩展。但这阶段由于技术的仍然不成熟，导致探索和创新的企业多，靠无人机赢利的少。部分民营企业为院校、研究所提供低端小型的无人机产品的设计及演示验证而赢利，其间出现了国家单位对低端无人机的探索性应用，包括了农业部用于农作物估产的无人机系统，后来都因为技术的不成熟而流产。第三阶段从本世纪初至今，需求上军用领域依然饱满，军工企业订单雪片一般，民用领域也遍地开花，由于技术的原因，民用需求最先在航拍、测绘、气象领域被拉动。这一阶段的技术特点是，由于基础技术的进一步发

25、展，军工企业的技术以高端为主，逐渐向低端扩展，组织形式出现了部分军工企业的股份制改造；民用上组织形式以手工作坊式的企业为主，逐渐发展成长而趋向成熟，但缺乏理论支撑，基本是靠试验和摔机来推动进步，安全性和可靠性低，缺乏规模化发展。这一阶段尝试涉足无人机行业的民企增多，但尚未找到足够的赢利模式。综上所述，目前随着国有资本、民营资本的投入，无人机行业的基础技术已经逐渐成熟，无人机的应用领域由单一的军事领域扩展到民用领域的方方面面，无人机厂商也由国有企业逐渐向民营企业转化。不断成熟的飞控、发动机技术使总体技术逐渐成熟，进而推进了市场需求的成熟，最终将使整个行业趋向成熟。因此，我们可以预测即将到来的第四

26、阶段，即我们充分准备投身其中的无人机行业发展成熟的黄金阶段。市场需求上，军用依然被国企垄断，有少部分民营企业开始从事低端军用需求。基础技术的全面成熟使无人机系统向模块化、智能化、系列化、实用化发展，民用需求完全被拉开。部分经过股份制改造的军工企业开始涉足民用领域，成本大幅度降低，并用军工企业多年的技术积累优势而占据部分市场，民营企业将经过技术竞争、市场竞争、资质竞争而洗牌后发展成为具有一定规模的几家骨干企业。2.2无人机的应用 以无人机为飞行平台，利用高分辨CCD相机系统获取遥感影像，利用空中和地面控制系统实现影像的自动拍摄和获取，同时实现航迹的规划和监控、信息数据的压缩和自动传输、影像预处理

27、等功能，可广泛应用于国家生态环境保护、航空摄影、测绘、矿产资源勘探、灾情监视、交通巡逻、电力巡线、治安监控、应急减灾、应急指挥、人工降雨、国防安全、国土资源勘探、城镇规划、地震调查、环境监测、森林防火、农作物估产、保护区野生动物监测、大气取样、海事侦察、边境巡视、禁毒侦察、消防侦察、生态环境保护、海洋环境监测、土地利用调查、水资源开发、农作物长势监测与估产、农业作业、自然灾害监测与评估、城市规划与市政管理、森林病虫害防护与监测、数字城市等领域。目前，民用领域中，地图测绘无人机、地质勘测无人机、灾害监测无人机、气象探测无人机、空中交通管制无人机、边境控制无人机、通信中继无人机、农药喷洒无人机的研

28、究和应用在国内外都在不断的发展中。进行国土测绘与对海洋、高压线路、灾情及气象等进行监视，对无人机的技术要求是不一样的。比如无人机在海洋区域飞行的抗风能力要高于高山地区；气象监视要求无人机进到台风眼中还要能够飞回来；对灾情进行监视回传的遥感信息图像只要能看清地面的所有物品就行了，而监视高压线路就必须能够看清线上。 无人机在突发性公共事件中的应用 中国每年因各种灾害突发公共事件造成的人员伤亡逾百万，经济损失高达数千亿。目前，我国正处在突发性公共事件的高发期，在未来很长一段时间内也将面临突发性公共事件所带来的严峻考验。从自然角度分析，中国也是世界上受自然灾害影响最为严重的国家之一，灾害种类多、灾害发

29、生频度高、损失严重。自然灾害在中国有着较强的社会性，灾害造成的损失也在逐步增加。突发事件的主要特征，一是突发性和难以预见性；二是破坏性；三是具有紧迫性。因为这些事故一般都是是突发且具有破坏性的事件，极易造成公众的恐慌，所以在处理突发事件时，在时间上就带有紧迫性的特点。突发事件对应急管理的要求是：迅速判明情况，查明事件原因；实现快速响应，尽快到达现场；采取果断措施，实施正确指挥；进行紧急救援，防止事态发展；妥善安排善后，尽力减少损失。在这些环节中无人机都能够发挥出重要作用。具体说，无人机在处理突发事件过程中的主要作用体现在以下方面：（一）反应快速，能在第一时间到达现场，迅速按要求行动由于小型无人

30、机具有携带方便，操作简易的优点，一般小型无人机只有几千克或十几千克，依靠遥控器或手提电脑就可以对其进行操控。装备该类无人机的小分队只需23人就可以完成任务。即便在道路被毁的情况下，徒步也可以到达事故现场。一架未组装起来的无人机，有的仅有一个标准行李箱那么大，放在汽车或飞机上就可以很方便地携运。有些无人机的起飞条件很简单，在汽车上就可以弹射起飞。尤其是无人直升机的起降，有块几平米的平地就行，这就使得小型无人机的操作具有很大的优势。如果是中型无人机，通常需要车载控制设备。其保障分队一般需要配备23辆吉普车，具有一定的越野能力，也能在最短时间内到达现场，实现快速响应。无人机不仅能够有较快的反应能力，

31、而且对环境和气象条件有较强的适应性，在这方面比有人驾驶飞机更优越。（二）采集现场各种数据，迅速将现场的视、音频信息传送到指挥中心，供指挥者分析后进行判断和决策无人机内通常配置基本设备就是多媒体采集系统，负责完成视、音频数据的采集，通过无线传输方式，将这些数据到传输到地面的接收机。其机载摄像机能够对视频数据进行编码压缩，然后以图像方式将视频数据送回指挥中心。如果配置高清晰度的数码摄像机，能够对现场进行高质量的视频采集以及音频的实时采集。比如安装视频采集的无人机能够采集稳定的视频画面，其数据传输距离可达30公里。无人机能方便地使用摄像机、热像仪等各种仪器。即使是普通的民用级专业数码相机，也能安装到飞机的平台上。配合相关的摄影成像技术，就能自动获取高清晰数码照片。通过后期处理，生成的数码影像和地形图可为灾难评估和灾后重建提供可靠的数据保障。通过对灾区或事故现场进行视、音频图像采集并及时传报给指挥中心，能够使政府相关部门掌握现场情况第一手资料，对情况的分析更加全面、准确，使判断和决策更加及时、正确