超低空无人机航空γ 能谱测量在铀矿异常检查中的应用——以内蒙古阿巴嘎旗为例

管少斌，高国林，唐晓川，胡明考，李江坤

（1.核工业航测遥感中心，河北 石家庄 050002；2.中核集团铀资源地球物理勘查技术中心（重点实验室），河北 石家庄 050002）

航空放射性测量一直在地质调查、物探勘查、环境调查及核应急等大型放射性测量工程中发挥着重要作用［1-9］。采用无人直升机平台开展铀矿勘查航空γ 能谱测量工作，具有起降方便、场地限制少、操作灵活等优点［10］，是航空放射性测量技术发展的重要方向。但目前的无人机平台普遍存在有效载荷小、飞行高度低、航程短、覆盖范围小，能够搭载的探测器数量有限等短板。与现有大型有人机载航空γ 能谱仪相比，无人机航空γ 能谱测量因其飞行高度限制，无法开展3 000～4 600 m 的高高度校准，宇宙射线、飞机仪器本底修正系数的校准存在困难；无法搭载配有上测探测器的γ 能谱仪，大气氡修正方法尚不成熟。

针对上述情况，我们研制了一种适用于超低空（<60 m）测量的无人机航空γ 能谱测量技术，通过校准技术开发和野外应用试验，查明了2 个已知铀矿异常点的分布范围，得到了异常区的钾、铀、钍元素含量，为进一步开展铀资源勘查工作提供了重要线索。通过研究工作，证明了利用无人直升机平台搭载小型航空γ 能谱仪在小覆盖范围、大比例尺航空γ 能谱测量工作中的实用性。

1 测量方法

1.1 无人机和仪器

选用赛鹰120H 无人机作为仪器搭载平台，采用核工业航测遥感中心自主研制的UGRS-10型无人机航空γ 能谱仪开展研究工作［11］。机载设备重34 kg，配有1 条4.2 L（4 ″×4 ″×16 ″）的CsI（Na）晶体探测器，有独立的GPS 及气压、温度和湿度传感器，可利用GPS 高度数据和地形高程数据提取离地飞行高度，见图1。

图1 无人机航空γ 能谱仪安装示意图Fig.1 Schematic Installation diagram of UAV-borne γ spectrometer

1.2 仪器校准

将宇宙射线、飞机和仪器本底、大气氡在探测器中产生的计数率作为综合本底，在黄壁庄水库水面上空进行综合本底修正系数校准。参照JJG（军工）26-2012《航空γ 能谱仪检定规程》，在航空放射性测量模型标准装置上进行能窗剥离系数和地面灵敏度修正系数的校准。通过蒙特卡洛模拟计算，得到探测器灵敏度随飞行高度变化的高度衰减修正系数。并通过动态测试带陆地不同高度测量和地面定值进行误差检验［12］。

1.3 应用试验

根据2020 年《内蒙古二连浩特地区1：5 万航空物探调查》项目获得的有人机航空γ 能谱测量数据，在内蒙古自治区锡林郭勒盟阿巴嘎旗某地开展无人机航空γ 能谱测量应用试验。通过对有人机航空γ 能谱测量数据进行异常筛选、踏勘检查，确定对HF-08、HF-09 进行无人机航空γ 能谱测量进行测线布置和现场测量，同时地面使用便携式γ 能谱仪进行比对测量。

1.3.1 异常选择

使用无人机航空γ 能谱仪对2020 年度有人机航空物探调查（1：5 万）发现的HF-08、09号异常进行检查，见图2。有人机航空物探使用了C208BEX 固定翼飞机搭载AGRS-10 航空γ能谱仪，探测器配有14条4 ″×4 ″×16 ″的Na（ITl）晶体探测器，其中下测12 条，上测2 条。测量时，飞机在异常上空的平均飞行高度在93～120 m，飞行速度在204～211 km/h。

图2 HF-08、HF-09 号异常无人机航空γ 能谱测量范围Fig.2 Location and area of abnormal HF-08 and HF-09 measured by the UAV-borne γ spectrometry

1.3.2 测线布置

根据有人机航放测线方向和异常特征，在HF-08、09 号异常上布置测线间距50 m，北东45°的测线。HF-08 布置测线13 条，每条测线长1.5 km；HF-09 布置测线17 条，每条测线长1.6 km。

1.3.3 现场测量

无人机航空γ 能谱测量飞行按照图3 开展具有工作。准备好异常区飞行空域许可、油料、仪器设备、飞行计划、飞行保障等工作条件后，前往异常区选定飞机起降点。仪器安装调试正常后，完成能谱仪早测试。无人机起飞后，原地爬升到50 m 以上前往测区。进入测线前，将飞行高度调整到50 m，飞行姿态平稳后进入测线。测线飞行时，飞行速度控制在30 km/h 以内。完成测量飞行后，返航着陆，进行能谱仪晚测试，检查仪器工作是否正常，并根据工作安排开展下一步工作。为保证飞行安全，除起降外，无人机飞行高度不低于30 m。

图3 无人机航空γ 能谱测量工作流程Fig.3 Workflow of UAV-borne γ spectrometry measurement

1.3.4 地面测量

为了对无人机航空γ能谱测量结果进行评价，使用ARD 便携式γ 能谱仪对HF-08 异常进行了地面同步测量。地面测量布置测线4 条（图4），其中3 条与无人机航空γ 能谱测量测线重合，1 条垂直，测点间距为50 m，测量过程中发现异常明显增高时，将测点间距加密到了25 m。

图4 HF-08 异常地面测线布置Fig.4 Layout of ground survey lines for abnormal HF-08

1.4 数据处理

根据无人机航空γ 能谱仪修正参数和异常区现场测量结果，采用图5 的数据修正流程进行数据处理。

图5 无人机航空γ 能谱测量数据处理流程Fig.5 Workflow of UAV-borne γ spectrometry data process

1.4.1 综合本底修正

对飞机、仪器、宇宙射线及大气氡产生的本底计数率进行综合修正：

式中：ni—无人机航空γ 能谱仪测量地面天然放射性核素时，记录的第i个能窗原始计数率，s-1；nb—第i能窗综合本底修正系数，s-1；Ni—第i能窗综合本底修正结果，s-1。

1.4.2 STP 高度计算

无人机航空γ能谱测量过程中，大气层密度会受环境温度和大气压力影响，造成探测器对地面核素的响应发生变化。因此需将飞行离地高度修正到标准温度和大气压高度（STP）上，从而获得更加准确的STP 离地高度：

式中：hstp—环境温度0 ℃（即273.15 K）、大气压力101.325 kPa 状态下，探测器的离地高度，m；hobs—实际测量环境中，探测器的离地高度值，m；T—实际测量环境中的大气温度值，℃；P—测量环境中的大气压力值，kPa。

当采用海拔高度表示大气压力环境时，需要进行大气压力换算：

式中：H—实际测量环境的海拔高度，m；R—摩尔气体常量，取8 314.472（m3·kPa）/（mol·K）；T—热力学温度，K；g为重力加速度，通常为9.8 m/s2；M—气体的摩尔质量，干燥空气的摩尔质量为28.963 4 g/mol；P0—标准大气压，取为101.325 kPa；P为所在海拔高度上的气压值，kPa。

1.4.3 能窗剥离修正

为消除来自地面U 系、Th 系子体核素及40K 的γ 射线之间的相互干扰，采用能窗剥离法进行计算，得到无人机飞行高度上的能窗净计数率：

式 中：nk.k、nu.u、nt.t—修正后的K、U、Th净计数率，cps；nk、nu1、nt1—本底修正后的能窗计数率，cps；α、β、γ、a、b、g—能窗剥离系数；△α（hstp）、△β（hstp）、△γ（hstp）、△a（hstp）、△b（hstp）、△g（hstp）—能窗剥离系数随高度的变化函数，国际原子能机构推荐△α（hstp）、△β（hstp）、△γ（hstp）采用线性函数［13］，即：

△a（hstp）、△b（hstp）、△g（hstp）取0 值。

1.4.4 高度衰减修正

根据能窗计数率与测量高度近似于指数衰减规律，将净计数率归一到h0高度上时采用公式（6）计算［13-15］：

式中：hstp—测量飞行离地高度换算到STP 状态时的高度值，m；n0.i—第i能窗在STP 高度为h0时的净计数率，s-1；nh.i—第i能窗在hstp高度上的净计数率，s-1；μi—第i能窗的高度衰减系数，m-1。

1.4.5 灵敏度换算

将归一化高度h0上的能窗计数率换算为含量：

式中：Qi—第i种元素的含量，K 含量的单位一般为%，U、Th 为10-6，TC 为Ur；si—第i种元素的探测灵敏度，K 含量的单位一般为s-1/%，U、Th为s-1/10-6，TC 为s-1/Ur。

2 测量结果

通过无人机航空γ 能谱测量，获得了HF-08 异常K、U、Th 元素及放射性总量TC 分布，见图6。其中异常与K、Th 无关，为纯U 异常，TC分布与U 基本一致。

无人机测量结果与其他方式的测量结果对比发现：

1）无人机航空γ 能谱测量结果详细反应了有人机航空物探测量结果，见图7。异常形态、规模、幅度比有人机测量结果更加清楚，见表1。这与无人机航空γ 能谱测量相对飞行高度低（平均49.7 m）、速度慢（平均27.6 km/h）、测线间距短（50 m）有关。

表1 无人机与有人机航空γ 能谱测量异常特征比较Table 1 Abnormal characteristic comparison of UAV-borne and airborne γ spectrometry results

图7 无人机与有人机航空γ 能谱测量结果对比Fig.7 Comparison of UAV-borne and airborne γ spectrometry results

2）异常区，无人机航空γ 能谱测量本底中，TC 在（10～14）Ur，K 在2.1%～3.2%，U 在（0.5～3.5）×10-6，Th 在（5～14）×10-6。与有人机航空γ 能谱测量在该地区的平均值［16］（TC=11 Ur，K=2%，U=1.6×10-6，Th=7×10-6）基本一致。

3）经统计，无人机航空γ 能谱测量与地面γ 能谱测量的平均值相对偏差在-25.5%～26.9%之间，见表2。无人机航空γ 能谱测量与地面γ能谱仪测量结果基本一致，见图8。而且无人机航空γ 能谱测量的某些异常细节更加细致，这与无人机实际采样间距在7.7 m 左右，远小于地面的50 m 点距有关。

图8 HF-08 异常8040 测线空地测量结果对比曲线图Fig.8 Results comparison of line 8040 in HF-08 anomaly by airborne and ground measurement

表2 无人机、有人机航空γ 能谱测量及地面γ 能谱测量结果统计Table 2 Statistics of UAV-borne,airborne and ground γ spectrometry survey results

4）从项目组到达工作现场到完成全部测量并着陆，无人机航空γ能谱测量完成测线27.2 km，获取有效测量数据6 746 组，用时4 h 39 min。地面测量完成测线4 条，长2.3 km，有效测量数据67组（每组测量时间90 s），用时4 h 44 min。无人机航空γ 能谱测量效率明显高于地面测量。

3 结论

通过新开发的超低空（<60 m）无人机航空γ 能谱测量技术，在铀矿异常上成功获取了无人机航空γ 能谱测量数据。利用无人机航空γ能谱仪校准系数和数据处理技术，实现了对铀矿异常的检查，提供了的异常形态、规模、幅度等关键信息。通过上述研究，形成初步结论如下：

1）超低空无人机航空γ 能谱测量与地面测量结果基本一致，将该技术应用于铀矿异常检查可行。

2）超低空无人机航空γ 能谱测量工作效率远高于地面便携式γ 能谱测量，随着技术的不断成熟，有望替代地面便携式γ 能谱测量在草原、沙漠这种适合无人机进行超低空飞行的区域开展铀矿异常查证工作。但目前可用于开展航空γ 能谱测量的无人机平台缺少自动避让功能，在地面分布有高楼、信号发射塔、风电等高大建筑以及地形复杂的山区开展测量飞行还存在安全风险，因此尚需无人机平台的进一步发展。