蒙特卡洛對無人機(jī)探測效率的模擬(共25頁)

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1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上 摘 要 航空γ能譜測量具有精確、快速、范圍廣、代表性好、成本低的特點。以前多用于鈾礦資源的普查、地質(zhì)填圖等地質(zhì)類科研技術(shù)領(lǐng)域，但隨著科技的進(jìn)步，近年來應(yīng)用范圍逐漸變廣，在鉀鹽、油氣、銅鉬礦、金礦、銀鉛鋅礦、磷礦非放射性礦床探礦領(lǐng)域及環(huán)境輻射監(jiān)測、土壤調(diào)查、地質(zhì)災(zāi)難預(yù)測、核事故應(yīng)急的航空監(jiān)測等方面有著重要應(yīng)用，本論文主要涉及對無人機(jī)航空探測效率的蒙特卡羅模擬問題，其是核技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中的一個重要研究方面。利用蒙特卡羅方法模擬探測器對γ射線的探測效率是解決實際中工作人員避免受到無謂輻照問題的一個有效方法。在航測系統(tǒng)的空中刻度需要均勻分布的大面積人工核素面

2、源，另外地面刻度也至少需要半徑十幾米的均勻分布的人工核素面源，而制作這樣大均勻分布而面積巨大的人工核素面源是很困難的。因此，必須事先利用MCNP采用蒙特卡羅方法對測量系統(tǒng)的探測效率進(jìn)行模擬計算，并根據(jù)計算結(jié)果制作較小面積的有限面源對系統(tǒng)進(jìn)行實際刻度是十分必要的；蒙特卡羅方法則是計算這類問題的有效工具，計算了無人機(jī)航測系統(tǒng)大面積均勻面源和137Cs點源的探測效率，然后將探測效率乘以源活度得到計數(shù)率，最后進(jìn)行作圖與理論分析．所得結(jié)論對無人機(jī)航測系統(tǒng)的效率刻度具有重要指導(dǎo)作用。 關(guān)鍵詞： 航空探測；效率；MCNP；蒙特卡洛模擬

3、 Abstract The aviation γ spectrometry is accurate, fast , a wide range of representation and low cost .It's use to general surveying for Uranium resources previously , the geological mapping and others geological scientific research and technology fields, but With the progress of technolog

4、y recently years, it's gradually becomes a wide range of applications, 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,

5、 nuclear emergency air monitoring,which is an important application, 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 γ-

6、ray detection efficiency of the staff is to solve practical problems 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 distri

7、bution of the artificial radionuclide point source at least ,making 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 si

8、mulated, according to the results produced smaller areas with limited 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 det

9、ection efficiency and detection efficiency will be multiplied by the 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

10、Carlo simulation 目 錄 1. 引言……………………………………………………………………… 1 2. 無人機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用…………………………………………………… 2 3. 航空放射性測量原理概述……………………………………………… 7 3.1γ射線與物質(zhì)的幾種相互作用 …………………………………………… 9 3.2航空監(jiān)測系統(tǒng)的組成………………………………………………………7 3.3伽馬能譜的測量……………………………………………………………7 3.4航空伽馬能譜的測量…………………………………………………………9

11、 4．探測效率的模擬計算…………………………………………………………10 4.1 蒙特卡羅方法概述…………………………………………………………10 4.2 MCNP模擬計算的物理模型…………………………………………………11 4.3 模擬計算…………………………………………………………………13 4.4 結(jié)果分析…………………………………………………………………18 5.結(jié)論……………………………………………………………………………20 致謝………………………………………………………………………………21 參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………22

12、 1. 引言 1.1背景： 由于石油資源日益匱乏使得全球能源危機(jī)不可避免，這種背景下核能成為了一種新型能源，其具有高效清潔的特性 。但是另一方面，由于管理或是技術(shù)上的局限，核能也可能造成嚴(yán)重的危害，盡管發(fā)生的概率很小，但是如果一旦發(fā)生，以此帶來的危害是難以想象的，因此核事故應(yīng)急航空監(jiān)測, 引起了各國政府的高度重視。 另一方面，據(jù)統(tǒng)計表明，在我國已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的大中型鈾礦床中，有近80%是通過航空放射性測量直接或者間接發(fā)現(xiàn)的。在新的時期，能源更加緊缺，能源危機(jī)己經(jīng)成為一個人們十分關(guān)心的問題。隨著核電事業(yè)的高速發(fā)展，對核能的需求將進(jìn)一步增大，從而

13、也對航空伽瑪能譜測量提出了更多的要求。隨著人們環(huán)境保護(hù)意識的增強以及世 界范圍核能的廣泛應(yīng)用，放射性污染問題引起了人們的高度重視。航空放射性測 量因其快速、經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確的特點而在環(huán)境輻射評價中得到重視。 本文涉及的無人機(jī)航測系統(tǒng)探測具有探測范圍大，快速，靈敏，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、機(jī)動性好、飛行時間長、成本低、便于隱蔽、無需機(jī)場跑道、可多次回收重復(fù)使用等優(yōu)點，比起地面介質(zhì)環(huán)境測量，具有快速確定污染邊界與水平，提供相應(yīng)的應(yīng)急對策。γ測量包括能反映不同元素含量的Y能譜測量，以及表示放射性元素總量的伽馬總量測量，兩者總稱為Y方法。航空伽馬譜測量能快速而準(zhǔn)確地對放射性污染進(jìn)行監(jiān)測，為確定污染范

14、圍、采取污染治理措施提供可靠依據(jù);它能有效進(jìn)行環(huán)境放射性水平檢測;在尋找多金屬和貴金屬礦床、尋找油氣田中發(fā)揮著重要作用;在土壤侵蝕調(diào)查以及水文和工程地質(zhì)調(diào)查中，航空γ譜譜測量成為一種重要手段。由于航空伽瑪能譜測量能夠?qū)ν寥篮蛶r石成分進(jìn)行劃分，因而在土地利用和規(guī)劃中也扮演重要角色。綜上所述，航空γ譜測量在尋找放射性礦產(chǎn)(如鈾礦、針礦、鉀鹽礦)和非放射性伴生礦產(chǎn)(如稀土礦、貴金屬礦、多金屬礦等)、輻射環(huán)境監(jiān)測、區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、核應(yīng)急航空監(jiān)測等領(lǐng)域都有十分廣泛的應(yīng)用。航空γ射線探測效率的蒙特卡羅模擬問題，是核技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中的一個重要研究方面，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，該方法能比較逼真地描述粒子的輸運過程，

15、解決一些數(shù)值方法難以解決的問題，可廣泛應(yīng)用于核分析、核勘查、核測井和輻射防護(hù)等領(lǐng)域。 蒙特卡羅（Monte Carlo）方法，或稱計算機(jī)隨機(jī)模擬方法，是一種基于“隨機(jī)數(shù)”的計算方法。蒙特卡羅方法在輻射防護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢：由于某些核實驗工程耗資巨大且時間長，而理論上無法推導(dǎo)，利用蒙特卡羅方法可以有效節(jié)省資金和時間；蒙特卡羅方法利用計算機(jī)進(jìn)行模擬實驗，能有效避免放射性物質(zhì)對環(huán)境的污染；對一些實驗，通過對模擬結(jié)果和實驗結(jié)果的比較，達(dá)到減小誤差的目的 。 1.2 研究內(nèi)容 本文主要探討用蒙特卡羅方法模擬γ射線在NaI探測器對點源Cs-137和面源的能量沉積響應(yīng)。在點源情況下改變與源的高度

16、在面源條件下改變面源半徑與源于探測器的距離時，對計數(shù)率有何影響。 探測器對γ射線探測效率的統(tǒng)計模型對應(yīng)于跟蹤大量γ源光子從產(chǎn)生到進(jìn)入探測器晶體再到光子被吸收或逸出探測器的整個輸運過程建立蒙特卡洛模型。依據(jù)建立的蒙特卡羅物理模型，用MCNP軟件描述模型，從而得到探測效率后轉(zhuǎn)化為計數(shù)率。主要研究內(nèi)容有： (l)闡明γ射線與物質(zhì)的作用機(jī)制，同時分析了γ射線在NaI閃爍探測器中能量沉積原理； (2)論述蒙特卡羅方法的基本原理及解決粒子輸運問題的主要步驟； (3)重點研究點源與面源的γ射線輸運過程的蒙特卡羅計算方法。建立點源和面源放出的γ射線對圓柱體響應(yīng)函數(shù)的蒙特

17、卡羅模型，利用MCNP軟件模擬出整個光子的運動過程。 二．無人機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用 2.1無人機(jī)的概述 無人駕駛飛機(jī)簡稱“無人機(jī)”，是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)，他是一種有動力、可控制、能攜帶多種任務(wù)設(shè)備、執(zhí)行多種任務(wù),并能重復(fù)使用的無人駕駛航空器。無人機(jī)與遙感技術(shù)的結(jié)合, 即無人機(jī)遙感,是利用先進(jìn)的無人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、通訊技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù),具有自動化、智能化、專題化快速獲取國土、資源、環(huán)境等的空間遙感信息,完成遙感數(shù)據(jù)處理、建模和應(yīng)用分析能力的應(yīng)用技術(shù)。具有低成本、低損耗、可重復(fù)使用且風(fēng)險小等諸多優(yōu)勢, 其應(yīng)用領(lǐng)

18、域從最初的偵察、 早期預(yù)警等軍事領(lǐng)域擴(kuò)大到資源勘測、 氣象觀測及處理突發(fā)事件等非軍事領(lǐng)域。無人機(jī)遙感的高時效、高分辨率等性能,是傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感所無法比擬的,越來越受到研究者和生產(chǎn)者的青睞,大大擴(kuò)大了遙感的應(yīng)用范圍和用戶群,具有廣闊的應(yīng)用前景。20 世紀(jì)末全世界范圍內(nèi)已掀起了無人機(jī)的研制熱潮,這場研究熱潮將無人機(jī)的發(fā)展推向了新階段。。無人機(jī)發(fā)展史與人類飛行史一樣久遠(yuǎn)。人類的最早的飛行器就是研究飛行原理的無人模型和滑翔機(jī)。技術(shù)進(jìn)步使人能夠進(jìn)入飛行器內(nèi)開展操控動作。萊特兄弟第一次進(jìn)行動力飛行成功后不久，一些國家開始利用無人機(jī)執(zhí)行軍事任務(wù)。機(jī)上無駕駛艙，但安裝有自動駕駛儀、程序控制裝置等設(shè)備。地面、艦艇

19、上或母機(jī)遙控站人員通過雷達(dá)等設(shè)備，對其進(jìn)行跟蹤、定位、遙控、遙測和數(shù)字傳輸?？稍跓o線電遙控下像普通飛機(jī)一樣起飛或用助推火箭發(fā)射升空，也可由母機(jī)帶到空中投放飛行?；厥諘r，可用與普通飛機(jī)著陸過程一樣的方式自動著陸，也可通過遙控用降落傘或攔網(wǎng)回收?？煞锤彩褂枚啻?。廣泛用于空中偵察、監(jiān)視、通信、反潛、電子干擾等。 1917年的凱特靈魚雷是世界上第一種實用型軍事無人機(jī)。這種事先設(shè)定的由電力和氣動控制無人機(jī)可以飛向目標(biāo)投放彈藥。盡管該機(jī)沒有參加第一次世界大戰(zhàn)，但是該系統(tǒng)為未來無人機(jī)發(fā)展指明方向。無人機(jī)成功進(jìn)行動力起降所面臨的問題制約了無人機(jī)只能作為一次性系統(tǒng)發(fā)揮作用，它由彈射器、空氣系統(tǒng)或軌道系統(tǒng)發(fā)射升

20、空。唯一的例外是二戰(zhàn)時的“阿芙羅狄蒂”系統(tǒng)，它由一種重型轟炸機(jī)改裝，機(jī)內(nèi)滿載炸彈，飛行員駕駛該機(jī)起飛，隨后跳傘脫離該機(jī)，后續(xù)戰(zhàn)機(jī)在該點由使用無線電控制該機(jī)。 如果配備降落傘回收系統(tǒng)，一些無人機(jī)是可以回收并再次使用的。 　　20世紀(jì)70年代，隨著人們對空氣動力學(xué)了解的深入，并利用計算機(jī)開發(fā)出控制算法，人們解決了飛機(jī)的安全起降問題。不過，這些技術(shù)并沒有應(yīng)用至無人機(jī)上，而是用于完善民航機(jī)的自動駕駛系統(tǒng)。受安全因素的影響，以及在惡劣天氣下實現(xiàn)可靠的飛行，一些航空電子系統(tǒng)公司開發(fā)使出飛機(jī)精確的進(jìn)場的儀表著陸系統(tǒng)。在民航機(jī)上安裝雷達(dá)高度機(jī)又使具備飛機(jī)拉平著陸的能力。各種經(jīng)濟(jì)因素推動上述技術(shù)的應(yīng)用。受

21、經(jīng)濟(jì)因素的影響，人們?yōu)榱斯?jié)省油料又開發(fā)出控制發(fā)動機(jī)、動力設(shè)置、飛機(jī)姿態(tài)和飛行高度的自動駕駛儀。自動油門系統(tǒng)優(yōu)化了發(fā)動機(jī)的動力設(shè)置、飛機(jī)爬升率，從而節(jié)省燃料。 　　不過，精確導(dǎo)航仍然存在問題。自動駕駛儀可以引導(dǎo)飛機(jī)沿一條跑道或進(jìn)場路徑滑行，在沒有外部導(dǎo)航設(shè)備幫助下，飛機(jī)既不能看見和避開障礙，更不能確定精確位置。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)或先進(jìn)的自動星跟蹤器也不能提供飛機(jī)的位置，而且也不能在事先確定的路徑中進(jìn)行精確、靈活滑行。 地形跟蹤雷達(dá)系統(tǒng)的開發(fā)和裝備部隊，并與自動駕駛儀相配合，使飛機(jī)獲得避開障礙的能力。規(guī)避其它空中航線的問題又導(dǎo)致開發(fā)出飛機(jī)無線電應(yīng)答網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)飛機(jī)間準(zhǔn)確共享有關(guān)位置和速度的信息。最后全

22、球定位系統(tǒng)使飛機(jī)獲得足夠的精確度以確定位置。 無人機(jī)經(jīng)過了近百年的發(fā)展，產(chǎn)生了種類繁多，外形各異的產(chǎn)品，很難用一下子介紹清楚。一方面，如果以飛行距離的長短進(jìn)行分類，有短程無人機(jī)、近程無人機(jī)、中程無人機(jī)和長航時無人機(jī)；如果以飛機(jī)的外形分類，有微型無人機(jī)、小型無人機(jī)、中型無人機(jī)和大型無人機(jī)；如果從軍事用途上進(jìn)行分類，有靶機(jī)、偵察機(jī)、干擾機(jī)和攻擊機(jī)：如果從飛行原理上分類，則有固定翼無人機(jī)和旋翼無人機(jī)（即無人直升機(jī)）等。 小型無人機(jī)的最大起飛重量只有幾千克乃至幾十千克。由于這種小型無人機(jī)攜帶方便，操作簡易，成本低廉，因而具有廣泛的應(yīng)用前景。比如以色列的“云雀”，重約6千克，直徑12厘米，通過

23、助推器或小型火箭發(fā)動機(jī)肩扛發(fā)射。發(fā)射后其機(jī)翼（翼展1.5米）在電動機(jī)動力作用下迅速打開進(jìn)入飛行位置。該機(jī)裝有一臺攝像機(jī)，可提供空中即時影像。最大飛行距離10千米，可在目標(biāo)區(qū)域上空飛行60多分鐘?！霸迫浮睙o人機(jī)可從屋頂、窗口或狹窄小巷發(fā)射，即使對惡劣環(huán)境也有較強的適應(yīng)性，并且應(yīng)用一臺筆記本電腦就可以對其進(jìn)行操控。該型系列飛機(jī)在2004年就成為以色列軍隊的制式裝備，2005年被澳大利亞和加拿大軍方采購，并在軍隊中成建制裝備應(yīng)用于阿富汗戰(zhàn)場。 　　中型無人機(jī)通常是指重量在一百千克至幾百千克、飛行距離達(dá)數(shù)百公里、留空時間在2小時以上的飛機(jī)。該類飛機(jī)在民間領(lǐng)域的應(yīng)用最為廣泛。 另一方面，我國研制無人

24、機(jī)已有四十多年的歷史，所投放的產(chǎn)品也比較成熟。從最初的無人靶機(jī)系列，到高空高速無人偵察機(jī)等，已經(jīng)開發(fā)出的產(chǎn)品有數(shù)十種，并廣泛應(yīng)用于空中偵察、戰(zhàn)場監(jiān)視、目標(biāo)定位、戰(zhàn)場評估等軍事領(lǐng)域，隨著近十幾年來科技得不斷進(jìn)步，無人機(jī)的安全性與可靠性也逐步完善，開始進(jìn)入民用市場，在各個領(lǐng)域發(fā)揮出高科技帶給人類的方便快捷與高效。 目前在民用無人機(jī)行業(yè)探索的民營公司大多技術(shù)不成熟，一般為了滿足飛機(jī)的復(fù)雜保障條件和對操作的較高要求，而建立有以航模操作手為主的飛行團(tuán)隊，專注的是本身企業(yè)對無人機(jī)的使用，而非用戶對無人機(jī)的使用。并且由于沒有條件看到航空集團(tuán)的很多現(xiàn)成技術(shù)儲備和先進(jìn)技術(shù)，導(dǎo)致閉門造車比比皆是。對比的是，航空

25、集團(tuán)由于體制的原因，對民用的需求只能走調(diào)研、立項、審批的程序，對市場反應(yīng)緩慢，未能在民用領(lǐng)域有較深入的介入。? 綜上所述，根據(jù)無人機(jī)市場的出現(xiàn)、培育和發(fā)展，對行業(yè)發(fā)展過程綜合分析如下：?? 無人機(jī)市場從無到有，經(jīng)歷了三個階段。?? 第一階段的需求為軍用所壟斷，由于技術(shù)屬于高尖端，其技術(shù)壁壘決定了民用市場無法接觸，基本沒有任何民用需求；該階段的技術(shù)特點為慣性組件、控制系統(tǒng)等基礎(chǔ)技術(shù)尚不成熟，成本很高，只有在軍用領(lǐng)域才能接觸和應(yīng)用；從事無人機(jī)研制與生產(chǎn)的廠家只有以航空一、二集團(tuán)為總體單位，電子科技集團(tuán)為配套單位的國有軍工企業(yè)。?? 第二階段從上世紀(jì)90年代起到本世紀(jì)初，由于電子集成電路、飛

26、行器設(shè)計、發(fā)動機(jī)等基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，部分民營企業(yè)對無人機(jī)行業(yè)進(jìn)行了探索，出現(xiàn)了第一批吃螃蟹的民企，形成了少量低端民用小型無人機(jī)，使市場需求由依然是高端的軍用領(lǐng)域向民用領(lǐng)域擴(kuò)展。但這階段由于技術(shù)的仍然不成熟，導(dǎo)致探索和創(chuàng)新的企業(yè)多，靠無人機(jī)贏利的少。部分民營企業(yè)為院校、研究所提供低端小型的無人機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計及演示驗證而贏利，其間出現(xiàn)了國家單位對低端無人機(jī)的探索性應(yīng)用，包括了農(nóng)業(yè)部用于農(nóng)作物估產(chǎn)的無人機(jī)系統(tǒng)，后來都因為技術(shù)的不成熟而流產(chǎn)。?? 第三階段從本世紀(jì)初至今，需求上軍用領(lǐng)域依然飽滿，軍工企業(yè)訂單雪片一般，民用領(lǐng)域也遍地開花，由于技術(shù)的原因，民用需求最先在航拍、測繪、氣象領(lǐng)域被拉動。這一階段的

27、技術(shù)特點是，由于基礎(chǔ)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，軍工企業(yè)的技術(shù)以高端為主，逐漸向低端擴(kuò)展，組織形式出現(xiàn)了部分軍工企業(yè)的股份制改造；民用上組織形式以手工作坊式的企業(yè)為主，逐漸發(fā)展成長而趨向成熟，但缺乏理論支撐，基本是靠試驗和摔機(jī)來推動進(jìn)步，安全性和可靠性低，缺乏規(guī)模化發(fā)展。這一階段嘗試涉足無人機(jī)行業(yè)的民企增多，但尚未找到足夠的贏利模式。?? 綜上所述，目前隨著國有資本、民營資本的投入，無人機(jī)行業(yè)的基礎(chǔ)技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，無人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域由單一的軍事領(lǐng)域擴(kuò)展到民用領(lǐng)域的方方面面，無人機(jī)廠商也由國有企業(yè)逐漸向民營企業(yè)轉(zhuǎn)化。不斷成熟的飛控、發(fā)動機(jī)技術(shù)使總體技術(shù)逐漸成熟，進(jìn)而推進(jìn)了市場需求的成熟，最終將使整個行業(yè)

28、趨向成熟。因此，我們可以預(yù)測即將到來的第四階段，即我們充分準(zhǔn)備投身其中的無人機(jī)行業(yè)發(fā)展成熟的黃金階段。市場需求上，軍用依然被國企壟斷，有少部分民營企業(yè)開始從事低端軍用需求?；A(chǔ)技術(shù)的全面成熟使無人機(jī)系統(tǒng)向模塊化、智能化、系列化、實用化發(fā)展，民用需求完全被拉開。部分經(jīng)過股份制改造的軍工企業(yè)開始涉足民用領(lǐng)域，成本大幅度降低，并用軍工企業(yè)多年的技術(shù)積累優(yōu)勢而占據(jù)部分市場，民營企業(yè)將經(jīng)過技術(shù)競爭、市場競爭、資質(zhì)競爭而洗牌后發(fā)展成為具有一定規(guī)模的幾家骨干企業(yè)。 2.2無人機(jī)的應(yīng)用? 以無人機(jī)為飛行平臺，利用高分辨CCD相機(jī)系統(tǒng)獲取遙感影像，利用空中和地面控制系統(tǒng)實現(xiàn)影像的自動拍攝和獲取，同時實

29、現(xiàn)航跡的規(guī)劃和監(jiān)控、信息數(shù)據(jù)的壓縮和自動傳輸、影像預(yù)處理等功能，可廣泛應(yīng)用于國家生態(tài)環(huán)境保護(hù)、航空攝影、測繪、礦產(chǎn)資源勘探、災(zāi)情監(jiān)視、交通巡邏、電力巡線、治安監(jiān)控、應(yīng)急減災(zāi)、應(yīng)急指揮、人工降雨、國防安全、國土資源勘探、城鎮(zhèn)規(guī)劃、地震調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測、森林防火、農(nóng)作物估產(chǎn)、保護(hù)區(qū)野生動物監(jiān)測、大氣取樣、海事偵察、邊境巡視、禁毒偵察、消防偵察、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、海洋環(huán)境監(jiān)測、土地利用調(diào)查、水資源開發(fā)、農(nóng)作物長勢監(jiān)測與估產(chǎn)、農(nóng)業(yè)作業(yè)、自然災(zāi)害監(jiān)測與評估、城市規(guī)劃與市政管理、森林病蟲害防護(hù)與監(jiān)測、數(shù)字城市等領(lǐng)域。 目前，民用領(lǐng)域中，地圖測繪無人機(jī)、地質(zhì)勘測無人機(jī)、災(zāi)害監(jiān)測無人機(jī)、氣象探測無人機(jī)、空中交通管

30、制無人機(jī)、邊境控制無人機(jī)、通信中繼無人機(jī)、農(nóng)藥噴灑無人機(jī)的研究和應(yīng)用在國內(nèi)外都在不斷的發(fā)展中。 進(jìn)行國土測繪與對海洋、高壓線路、災(zāi)情及氣象等進(jìn)行監(jiān)視，對無人機(jī)的技術(shù)要求是不一樣的。比如無人機(jī)在海洋區(qū)域飛行的抗風(fēng)能力要高于高山地區(qū)；氣象監(jiān)視要求無人機(jī)進(jìn)到臺風(fēng)眼中還要能夠飛回來；對災(zāi)情進(jìn)行監(jiān)視回傳的遙感信息圖像只要能看清地面的所有物品就行了，而監(jiān)視高壓線路就必須能夠看清線上。 無人機(jī)在突發(fā)性公共事件中的應(yīng)用 中國每年因各種災(zāi)害突發(fā)公共事件造成的人員傷亡逾百萬，經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)千億。目前，我國正處在突發(fā)性公共事件的高發(fā)期，在未來很長一段時間內(nèi)也將面臨突發(fā)性公共事件所帶來的嚴(yán)峻考驗。從自

31、然角度分析，中國也是世界上受自然災(zāi)害影響最為嚴(yán)重的國家之一，災(zāi)害種類多、災(zāi)害發(fā)生頻度高、損失嚴(yán)重。自然災(zāi)害在中國有著較強的社會性，災(zāi)害造成的損失也在逐步增加。突發(fā)事件的主要特征，一是突發(fā)性和難以預(yù)見性；二是破壞性；三是具有緊迫性。因為這些事故一般都是是突發(fā)且具有破壞性的事件，極易造成公眾的恐慌，所以在處理突發(fā)事件時，在時間上就帶有緊迫性的特點。突發(fā)事件對應(yīng)急管理的要求是：迅速判明情況，查明事件原因；實現(xiàn)快速響應(yīng)，盡快到達(dá)現(xiàn)場；采取果斷措施，實施正確指揮；進(jìn)行緊急救援，防止事態(tài)發(fā)展；妥善安排善后，盡力減少損失。在這些環(huán)節(jié)中無人機(jī)都能夠發(fā)揮出重要作用。具體說，無人機(jī)在處理突發(fā)事件過程中的主要作用體

32、現(xiàn)在以下方面： （一）反應(yīng)快速，能在第一時間到達(dá)現(xiàn)場，迅速按要求行動 　　由于小型無人機(jī)具有攜帶方便，操作簡易的優(yōu)點，一般小型無人機(jī)只有幾千克或十幾千克，依靠遙控器或手提電腦就可以對其進(jìn)行操控。裝備該類無人機(jī)的小分隊只需2—3人就可以完成任務(wù)。即便在道路被毀的情況下，徒步也可以到達(dá)事故現(xiàn)場。一架未組裝起來的無人機(jī)，有的僅有一個標(biāo)準(zhǔn)行李箱那么大，放在汽車或飛機(jī)上就可以很方便地攜運。有些無人機(jī)的起飛條件很簡單，在汽車上就可以彈射起飛。尤其是無人直升機(jī)的起降，有塊幾平米的平地就行，這就使得小型無人機(jī)的操作具有很大的優(yōu)勢。 　　如果是中型無人機(jī)，通常需要車載控制設(shè)備。其保障分隊一般需要配備2—3

33、輛吉普車，具有一定的越野能力，也能在最短時間內(nèi)到達(dá)現(xiàn)場，實現(xiàn)快速響應(yīng)。 　　無人機(jī)不僅能夠有較快的反應(yīng)能力，而且對環(huán)境和氣象條件有較強的適應(yīng)性，在這方面比有人駕駛飛機(jī)更優(yōu)越。 （二）采集現(xiàn)場各種數(shù)據(jù)，迅速將現(xiàn)場的視、音頻信息傳送到指揮中心，供指揮者分析后進(jìn)行判斷和決策 　　無人機(jī)內(nèi)通常配置基本設(shè)備就是多媒體采集系統(tǒng)，負(fù)責(zé)完成視、音頻數(shù)據(jù)的采集，通過無線傳輸方式，將這些數(shù)據(jù)到傳輸?shù)降孛娴慕邮諜C(jī)。其機(jī)載攝像機(jī)能夠?qū)σ曨l數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼壓縮，然后以圖像方式將視頻數(shù)據(jù)送回指揮中心。如果配置高清晰度的數(shù)碼攝像機(jī)，能夠?qū)ΜF(xiàn)場進(jìn)行高質(zhì)量的視頻采集以及音頻的實時采集。比如安裝視頻采集的無人機(jī)能夠采集穩(wěn)定的視

34、頻畫面，其數(shù)據(jù)傳輸距離可達(dá)30公里。 　　無人機(jī)能方便地使用攝像機(jī)、熱像儀等各種儀器。即使是普通的民用級專業(yè)數(shù)碼相機(jī)，也能安裝到飛機(jī)的平臺上。配合相關(guān)的攝影成像技術(shù)，就能自動獲取高清晰數(shù)碼照片。通過后期處理，生成的數(shù)碼影像和地形圖可為災(zāi)難評估和災(zāi)后重建提供可靠的數(shù)據(jù)保障。 通過對災(zāi)區(qū)或事故現(xiàn)場進(jìn)行視、音頻圖像采集并及時傳報給指揮中心，能夠使政府相關(guān)部門掌握現(xiàn)場情況第一手資料，對情況的分析更加全面、準(zhǔn)確，使判斷和決策更加及時、正確，反應(yīng)更加迅速，各部門以及各類救援人員的協(xié)調(diào)也會更加充分。 　?。ㄈ┠軌?qū)崿F(xiàn)通信中繼功能，快速恢復(fù)現(xiàn)場局部通信 　　空中通信中繼是無人機(jī)的一個重要用途。當(dāng)自然

35、災(zāi)害（如地震、洪水、泥石流、海嘯等）發(fā)生時，在一定地域內(nèi)地面原有的有線、無線通信系統(tǒng)均遭到破壞，此時此地，在最需要通信聯(lián)絡(luò)的時候信息傳遞就成為一個大問題。而無人機(jī)則可以作為一個便捷的通信中繼機(jī)，在指揮中心與現(xiàn)場之間搭建一條無形的信息“橋梁”，快速構(gòu)成一個應(yīng)急局域無線通信網(wǎng)以解燃眉之急，為救災(zāi)贏得寶貴時間。 　?。ㄋ模﹨⑴c救援行動，投擲緊急救援渤資 不同的無人機(jī)都具有一定的負(fù)載能力?？梢匝b載一定數(shù)量的裝備或物資。在危急條件下，可以向被圍困的受難者或處于惡劣環(huán)境下以正常手段不能被施救的人投放救援物資或工具，以幫助受固者盡快脫離危險。 （五）跟蹤事件的發(fā)展態(tài)勢，幫助指揮中心實施不問斷指揮處理

36、 　　由于無人機(jī)的使用方便快捷，到達(dá)現(xiàn)場之后能夠按要求迅速展開行動，展開之后就能夠不間斷地跟蹤事件的發(fā)展，利于指揮中心及時掌握事件態(tài)勢。因此在追蹤事件態(tài)勢方面，無人機(jī)有大飛機(jī)無法比擬的優(yōu)點，其機(jī)體小巧，速度容易控制，機(jī)動性好，在需要急轉(zhuǎn)彎時，無人機(jī)可以一下子轉(zhuǎn)過來，而大型飛機(jī)就不行。此外無人機(jī)能超低空飛行，適應(yīng)性更強，相對而言，大飛機(jī)在山區(qū)飛行就受限制。因為飛得低，各種數(shù)據(jù)的采集也就更準(zhǔn)確。 　?。﹨⑴c災(zāi)后重建，提供有關(guān)地理及氣象相關(guān)信息 　　事實上，我國無人機(jī)在洪澇災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測、太湖藍(lán)藻爆發(fā)、森林火災(zāi)監(jiān)測、大氣臭氧監(jiān)測以及大型科學(xué)試驗中已經(jīng)發(fā)揮了重要作用，也形成了推動無人機(jī)技術(shù)發(fā)展

37、的專業(yè)技術(shù)隊伍。 三、航空放射性測量原理概述 γ射線與物質(zhì)的相互作用和帶電粒子與物質(zhì)作用的相互作用有著顯著不同。γ光子不帶電，它不像帶電粒子那樣直接與靶物質(zhì)原子，電子發(fā)生庫倫碰撞導(dǎo)致彈性碰撞能量損失，因而不能像帶電粒子那樣阻止本領(lǐng)dE/dx和射程來描寫光子在物質(zhì)中的行為。帶電粒子，每一次碰撞主要是通過連續(xù)地與物質(zhì)原子核外電子的許多次非彈性碰撞逐漸損失能量的。每一次碰撞中轉(zhuǎn)移的能量是很小的，而γ光子與物質(zhì)原子相互作用時，發(fā)生一次相互碰撞就導(dǎo)致?lián)p失大部分能量或全部能量。，光子不是全部消失就是大角度散射。 3.1 γ射線與物質(zhì)的相互作用： 其可以有很多方式。當(dāng)能量在30Mev以下時，在所有相

38、互作用方式中主要有三種： 1.光電效應(yīng)： γ光子與介質(zhì)的原子相互作用時，整個光子被原子吸收，其所有能量傳遞給原子中的一個電子（多發(fā)生于內(nèi)層電子）。該電子獲得能量后就離開原子而被發(fā)射出來，稱為光電子。光電子的能量等于入射γ光子的能量減去電子的結(jié)合能。光電子與普通電子一樣，能繼續(xù)與介質(zhì)產(chǎn)生激發(fā)、電離等作用。由于電子殼層出現(xiàn)空位，外層電子補空位并發(fā)射特征X射線。 1. 康普頓效應(yīng) 1923年美國物理學(xué)家(A.H.Compton)發(fā)現(xiàn)X光與電子散射時波長會發(fā)生移動，稱為。γ光子與原子外層電子（可視為自由電子）發(fā)生彈性碰撞，γ光子只將部分能量傳遞給原子中外層電子，使該電子脫離核的束縛從原子

39、中射出。光子本身改變運動方向。被發(fā)射出的電子稱康普頓電子，能繼續(xù)與介質(zhì)發(fā)生相互相互作用。散射光子與入射光子的方向間夾角稱為散射角，一般記為θ。反沖電子反沖方向與入射光子的方向間夾角稱為反沖角，一般記為φ。當(dāng)散射角θ=0°，散射光子的能量為最大值，這時反沖電子的能量為0，光子能量沒有損失；當(dāng)散射角θ=180°時，入射光子和電子對頭碰撞，沿相反方向散射回來，而反沖電子沿入射光子方向飛出，這種情況稱反散射，此時散射光子的能量最小。 2. 電子對效應(yīng) 能量大于1.02MeV的γ光子從原子核旁經(jīng)過時，在原子核的庫侖場作用下，γ光子轉(zhuǎn)變成一個電子和一個正電子。光子的能量一部分轉(zhuǎn)變成正負(fù)電子的靜止能量(

40、1.02MeV)，其余就作為它們的動能。被發(fā)射出的電子還能繼續(xù)與介質(zhì)產(chǎn)生激發(fā)、電離等作用；正電子在損失能量之后，將于物質(zhì)中的負(fù)電子相結(jié)合而變成γ射線，即湮沒(annihilation)，探測這種湮沒輻射是判明正電子產(chǎn)生的可靠實驗依據(jù)。 3.2航空放射性測量技術(shù) 航空放射性測量技術(shù)是一種利用無人機(jī)探測放射性射線的技術(shù)，其從20世紀(jì)40年代中期開始，到了60年代，由于航空伽馬的測量技術(shù)研發(fā)成功，用于鈾礦勘察，大體積、高靈敏度探測器（NaI）的投入應(yīng)用及刻度技術(shù)的提高、就地分析鉀、鈾、釷等放射元素含量軟件的完善, 使得航空伽瑪能譜測量具有大范圍、快速、靈敏等特點, 一些發(fā)達(dá)國家如美國、加拿大

41、等已經(jīng)成功地開發(fā)航空伽瑪能譜測量技術(shù)并且開始用于核電站等核設(shè)施周圍地區(qū)的環(huán)境輻射監(jiān)測、核事故的應(yīng)急監(jiān)測以及尋找丟失的放射源等實際用途，。美國是建立核應(yīng)急航空監(jiān)測系統(tǒng)最早的國家, 為此還專門成立了核事故應(yīng)急搜索隊。該核應(yīng)急航空監(jiān)測系統(tǒng)由美國能源部以委托契約方式委托給 EG& G 公司實際運行, 基地在拉斯韋加斯, 常備兩架固定翼飛機(jī)和兩架直升飛機(jī)。另外, 在華盛頓郊外安德魯斯空軍基地也駐守著一架固定飛機(jī)和兩架直升飛機(jī)。該系統(tǒng)使用NaI ( T l) 閃爍探測器。地面數(shù)據(jù)處理設(shè)備安置在客貨廂式車上, 并隨時準(zhǔn)備開往核應(yīng)急目的地，其中核事故應(yīng)急搜索隊大約100人 組成。 我國政府對核事故的應(yīng)急響應(yīng)

42、高度重視,并密切關(guān)注國外核事故應(yīng)急監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展。在我國, 核工業(yè)航測遙感中心從 1955 年開始了以鈾礦勘查為目的的航空放射性測量,早期使用了蘇制蓋革 米勒計數(shù)管探測器, 后改用了 NaI ( T l) 閃爍探測器; 1974 年, 我國研制成功了配有大體積 NaI ( T l) 閃爍探測器的 FD 航空四道伽瑪能譜測量系統(tǒng); 80 年代初開始先后從美國、加拿大引進(jìn)了 6 套大體積方柱形 NaI ( T l) 閃爍探測器的 GR 800 及M CA 2 雙 256 道航空伽瑪能譜測量系統(tǒng), 并先后使用了 9種型號的直升飛機(jī)和固定翼飛機(jī)進(jìn)行鈾礦地質(zhì)勘查。 3.2.1航空監(jiān)測系統(tǒng)的組成及各部

43、分作用： 1.結(jié)構(gòu)組成示意圖 導(dǎo)航定位信號 數(shù) 據(jù) 收 錄 系 統(tǒng) GPS天線 紙帶記錄儀 接收機(jī) 接口 預(yù)警裝置 控制終端 顯示監(jiān)視器 NaI探測器組 脈沖高度分析器256道×2 圖像錄像控制 （1）50.3/8.4L (2)16.8l/4.2L 雷達(dá)高度計 航跡錄像機(jī) 數(shù)字記錄儀 攝像機(jī) 溫度計 氣壓高度計 圖一. 2.各部分作用： (1) NaI (Tl)閃爍探測器隨核事故應(yīng)急航空監(jiān)測的輻射水平不同而有不同的選擇。在核事故應(yīng)急的早，中期輻射水平較高

44、, 選用168l / 42l 晶體體積的NaI (Tl) 閃爍 探測器;而在核事故應(yīng)急的中，后期或?qū)ふ逸椛錈狳c或環(huán)境輻射水平航空測量中, 選用 50 3l /8 4l大體積的NaI( Tl)閃爍探測器。 (2) 核事故應(yīng)急航空監(jiān)測系統(tǒng)能根據(jù)事故應(yīng)急航空監(jiān)測的不同時段設(shè)置不同的能量窗,以監(jiān)測不同能量的伽瑪射線能譜成分, 檢測不同的人工核素及其活度。 (3) 增加了預(yù)警裝置和多功能顯示裝置。 天然本底輻射： 對核事故應(yīng)急航空監(jiān)測而言, 天然本底輻射由以下幾種成分構(gòu)成: 1) 宇宙射線;(2)飛機(jī)和儀器的本底輻射;( 3)大氣氡(主要是其衰變子體Bi);(4) 地表天然本底輻射天然放射性

45、元素, 即鈾系放射性核素、釷系放射性核素，以及K核素。核事故產(chǎn)生的放射性煙羽云在核事故應(yīng)急的早中期, 由核事故產(chǎn)生的放射性塵埃, 在當(dāng)?shù)仫L(fēng)場的作用下形成放射性煙羽云, 在空 中擴(kuò)散 和飄移。在核事故早期, 放射性煙羽云也可能會從煙囪中排放出。放射性煙羽云中的放射性核素及其伽瑪射線能譜成分極為復(fù)雜, 大多數(shù)是較短壽的核素, 并且為能量較低的伽瑪射線能譜成分。 3．3航空γ能譜測量： 3.3.1γ能譜的測量： γ能譜測量是利用γ能譜儀測量巖石或地層以及其他介質(zhì)放射性元素某一特定能量的γ射線（γ能譜測量常用γ射線有214 83Bi的1.76×10^6電子伏，232 90Th的2.62×10^6

46、電子伏，40 19K的1.46 X 10^6電子伏的γ射線），從而來測定放射性元素含量的一組方法。從應(yīng)用的空間，γ能譜測量分為航空γ能譜測量，地面γ能譜測量和γ能譜測井以及水下γ能譜測量等。近年來,在區(qū)域地質(zhì)工作中常采用γ能譜測量方法測定巖石或地層中的鈾、釷、鉀含量及其比值，劃分巖體和地層。 對γ射線的測量從獲取信息的方式可以分為兩類：一類是測量單個脈沖，從測得的大量脈沖事件中得到有關(guān)γ射線的信息，這是最廣泛應(yīng)用的一種方法。另一種是測量累計電流，大量γ射線入射到探測器中測量其平均輸出電流，從而定出測定。 由于γ射線與物質(zhì)作用主要為光電效應(yīng)，康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)，其輸出能譜也很復(fù)雜，在能譜

47、中形成全能峰，康普頓坪，單逃逸峰和雙逃逸峰等。當(dāng)然根據(jù) 不同介質(zhì)與不同的入射能量，以上峰的表現(xiàn)也不同。 為了根據(jù)γ射線的能量確定能譜的峰位，或反過來，根據(jù)所測峰位來確定γ射線的能量都需要預(yù)先對譜儀進(jìn)行能量刻度。能量刻度就是在譜儀所確定的條件下，利用一組已知能量的γ源，測出對應(yīng)能量的全能峰位置，然后作出能量與峰位的關(guān)系曲線。有了這樣能量刻度，那未測到的γ射線的峰位即可求出γ射線的能量。根據(jù)能量刻度的結(jié)果還可以檢測譜儀的線性范圍和線性好壞。典型的能量刻度近似為一條直線。 要知道γ射線的強度，必須知道探測器的探測效率，探測出效率即與γ射線能量有關(guān)，又與探測效率的類型 測量γ射線的輸出脈沖，通

48、常根據(jù)不，晶體大小，形狀及探測器的幾何形狀有關(guān)，所以要對每一臺譜儀進(jìn)行效率刻度。根據(jù)實驗?zāi)康目梢苑譃槿N類型，每種類型又可以根據(jù)情況的需要而選擇不同的實驗?zāi)康男枰x擇不同的探測器。 航空γ能譜測量測量由于其具有范圍廣，靈敏，快速的特點而被廣泛使用。與其他航測系統(tǒng)一樣，測量前需要進(jìn)行能量刻度。能量刻度常常用一組能量精確知道的γ射線放射源，在進(jìn)行能量刻度時，要定準(zhǔn)所測到的峰位，能量刻度是在一定條件就進(jìn)行的，樣品測量時也應(yīng)該保持測量條件一致，每當(dāng)測量條件有重大變化時，應(yīng)重新進(jìn)行刻度，在使用過程中也應(yīng)該定期重新刻度。 在核事故應(yīng)急的中、后期, 航空監(jiān)測的對象核素源項 ( 分布形式) 是以已沉降于

49、地表呈面分布形式出現(xiàn), 且在一定范圍內(nèi), 可視為均勻的面 分布。由 于空 中刻度 至少 需要 500 到1000 m 2 均勻分布的人工核素面源, 地面刻度至少也需要半徑十幾米的均勻分布的人工核素面源, 制作這樣大又均勻分布的人工核素面源很困難?？梢灾谱鬏^小面積的有限面源, 再通過一定的理論計算, 轉(zhuǎn)換為模擬無限大面源。 3.3.2航空γ能譜的測量： 1.目的任務(wù) 航空伽馬能譜的測量就是工具天然放射性核素伽馬射線的能量差異，利用航空伽馬能譜測量系統(tǒng)確定地面巖石，土壤和大氣中鉀，鈾和其它放射性含量及分布的一種方法。元素首先我們知道對于所測的能譜需要進(jìn)行本底輻射刻度，天然本底輻射成分就是

50、天然環(huán)境輻射成分。這些輻射成分的刻度, 與目前進(jìn)行航空環(huán)境輻射測量和鈾礦勘查的航空伽瑪能譜測量的標(biāo)定中的刻度相同, 包括測試宇宙射線本底和飛機(jī)儀器輻射本底的刻度、大型航空模型靜態(tài)測試康普頓散射系數(shù)的刻度、動態(tài)測試帶上大氣氡刻度、高度衰減系數(shù)的刻度、以及空中參照高度上系統(tǒng)靈敏度的刻度等等。航空γ能譜測量常常與航空磁力測量法測量同步進(jìn)行，對于航空磁力測量的要求需要按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。 2.使用儀器 應(yīng)該使用高靈敏度裝有下測及上測組合探測器的多道航空伽馬能譜探測系統(tǒng)。該測量系統(tǒng)應(yīng)該具有自動收集探測數(shù)據(jù)，導(dǎo)航定位及計算機(jī)分析系統(tǒng)的功能。 3. 校準(zhǔn) 航空伽馬能譜測量儀器在測量之前應(yīng)該進(jìn)行校準(zhǔn)。否則

51、會產(chǎn)生誤差。 4．?dāng)?shù)據(jù)處理 得到測量的數(shù)據(jù)后，應(yīng)該對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行各項參數(shù)的修正與格式轉(zhuǎn)換與圖像處理。 四、探測效率的模擬計算 4.1.蒙特卡洛方法概述： 蒙特卡洛(Monte Carlo)模擬又稱隨機(jī)抽樣技巧或統(tǒng)計試驗方法，半個多世紀(jì)以來，由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和計算機(jī)的出現(xiàn)與發(fā)展，這種方法作為一種特立獨行的方法被提出來，并首先在核武器的試驗與研制中得到了運用。其作為一種計算方法，又與一般數(shù)值方法有著很大的區(qū)別。它是以概率統(tǒng)計理論為基礎(chǔ)與的一種方法，但與一般數(shù)值計算方法有很大的差別。由于蒙特卡洛方法能夠比較逼真的模擬事物的特性及物理過程，解決一些數(shù)值方法難以解決的問題，因而在運用領(lǐng)域得

52、到日益廣泛運用。 明天卡洛模擬這個術(shù)語是二戰(zhàn)時期美國物理學(xué)家Metropolis執(zhí)行曼哈頓計劃的過程中提出來的。 蒙特卡洛模擬方法的原理是當(dāng)問題或?qū)ο蟊旧砭哂懈怕侍卣鲿r，可以用計算機(jī)模擬的方法產(chǎn)生抽樣結(jié)果，根據(jù)抽樣計算統(tǒng)計量或者參數(shù)的值；隨著模擬次數(shù)的增多，可以通過對各次統(tǒng)計量或參數(shù)的估計值求平均的方法得到穩(wěn)定結(jié)論。 蒙特卡洛方法所特有的優(yōu)點，使得它的運用范圍越來越廣。主要在：粒子輸運問題，統(tǒng)計物理，典型數(shù)學(xué)問題，真空技術(shù)，激光技術(shù)以及醫(yī)學(xué)，生物，探礦等方面。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，其運用范圍將更加廣泛。 用蒙特卡洛模擬求解的問題可以分為兩類:隨機(jī)問題和確定性問題。思路如下： 1.首先根據(jù)

53、提出的問題構(gòu)造一個簡單、合適的概率模型或隨機(jī)模型，使問題對應(yīng)解對應(yīng)于該模型中隨機(jī)變量的某些參數(shù)（如期望，概率和方差 等），當(dāng)然構(gòu)建的模型在主要特征參量方面要與實際問題或系統(tǒng)相一致或近似。 2 .根據(jù)模型中各個隨機(jī)變量的分布，在計算機(jī)上產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，實現(xiàn)一次模擬過程所需的足夠數(shù)量的隨機(jī)數(shù)。通常先產(chǎn)生均勻分布的隨機(jī)數(shù)，然后生成服從某一分布的隨機(jī)數(shù)，方可進(jìn)行隨機(jī)模擬試驗。 3.根據(jù)概率模型的特點和隨機(jī)變量的分布特性，設(shè)計和選取合適的抽樣方法，并對每個隨機(jī)變量進(jìn)行抽樣（包括直接抽樣、分層抽樣、相關(guān)抽 樣、重要抽樣等）。 4.按照所建立的模型進(jìn)行仿真試驗、計算，求出問題的所需要的值。 5.統(tǒng)計

54、分析模擬試驗結(jié)果，給出問題的概率解以及解的精度估計。 在可靠性分析和設(shè)計中，用蒙特卡洛模擬法可以確定復(fù)雜隨機(jī)變量的概率分布和數(shù)字特征，可以通過隨機(jī)模擬估算系統(tǒng)和零件的可靠度，也可以模擬隨機(jī)過程、尋求系統(tǒng)最優(yōu)參數(shù)等。 關(guān)于蒙特卡洛方法造成的誤差需要說明兩點：第一，蒙特卡洛方法的誤差是概率誤差，這與其他數(shù)理方法是有區(qū)別的，第二，誤差中的均方值σ是未知的，必須使用期估計值。 蒙特卡洛模擬的優(yōu)點：（1）能夠比較逼真地描述具有隨機(jī)性質(zhì)的事物特點及物理實驗過程（2）受幾何條件限制?。?）收斂速度與問題維數(shù)無關(guān)（4）具有同時計算多個方案與多個未知量的能力（5）誤差容易確定（6）程序結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。

55、缺點：（1）收斂速度慢（2）誤差具有概率性（3）在粒子輸運問題中，計算結(jié)果與系統(tǒng)大小有關(guān) 4.2MCNP模擬計算的物理模型 1.MCNP介紹： MCNP 軟件( a general Monte Carlo code for Neutron and Particle transport )是美國 Los Alamos國家實驗室開發(fā)的大型多功能通用蒙特卡羅程序，可以計算中子、光子和電子的聯(lián)合輸運問題以及臨界問題，中子能量范圍從 10～11MeV 至 20MeV，光子和電子的能量范圍從1keV 至 1000 MeV 。程序采用獨特的曲面組合幾何結(jié)構(gòu)，使用點截面數(shù)據(jù)，程序通用性較強，與其它程序

56、相比，MCNP 程序中的減小方差技巧是比較多而全的。 通用蒙特卡羅程序通常具有以下特點：具有靈活的幾何處理能力；參數(shù)通用化，使用方便；元素和介質(zhì)材料數(shù)據(jù)齊全；能量范圍廣，功能強，輸出量靈活全面；含有簡單可靠又能普遍適用的抽樣技巧；具有較強的繪圖功能。 MCNP4C提供了一個通用的MC計算程序，它能模擬光子相互作用、電子輸運、X射線和韌致輻射的產(chǎn)生。該程序針對一個廣泛能量范圍內(nèi)的不同相互作用截面和光子散射角的處理，能夠提供連續(xù)能量數(shù)據(jù)庫和離散能量數(shù)據(jù)庫。用戶需要生成輸入文件，包括：源與探測器的幾何結(jié)構(gòu)，與光子發(fā)生相互作用的材料，以及光子能量等。 MCNP 的輸入包括

57、幾個文件，但主要的一個是由用戶編寫的 INP 文件，該文件包括描述問題所必須的全部輸入信息。文件采用卡片結(jié)構(gòu)，每行代表一張卡片，文件由一系列卡片組成，對于任一特定的問題，只需用到 INP 全部輸入卡片的一小部分。 針對INP輸入文件主要應(yīng)該注意以下幾點： (l)幾何輸入 柵元描述卡和曲面描述卡主要用來描述問題的幾何結(jié)構(gòu)，柵元卡主要包括柵元序號、該柵元的材料號、材料密度、幾何說明和參數(shù)說明，通過對曲面卡中的曲面進(jìn)行布爾運算(交，聯(lián)，余，其運算次序為先余，其次是交，最后是聯(lián);如果有括號，先計算括號內(nèi)，后括號外)來組成描述問題的柵元。柵元卡序號只能寫在1一5列上，而且每

58、一行不能超過80列。 (2)粒子源模型的建立 數(shù)據(jù)卡描述問題的各種特征，主要包括問題類型卡、柵元和曲面參數(shù)、源的描述、材料描述、計數(shù)卡等。對源粒子的描述應(yīng)包括源粒子的幾何位置、出射方向、能量、時間、權(quán)重等。模擬計算時對源的選擇應(yīng)該綜合考慮實際因素，一般情況下，如果源的大小與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比兩者相差較大，通?？梢暈辄c源，或者當(dāng)源的體積、面積、角分布等對所求解的問題影響不大時，可以用點源來描述。本論文中使用的是點源，用坐標(biāo)、能量描述即可。 (3)計數(shù)卡的選擇 MCNP提供了各種計數(shù)卡，每一種計數(shù)卡都有其自身的適用范圍和特殊功能，我們應(yīng)該根據(jù)問題的需要選擇合適的計

59、數(shù)卡，確定其計算結(jié)果的單位，并考慮能否把不同卡結(jié)合起來一起使用使求解問題化難為易。本論文主要使用的是F8計數(shù)卡，單位為pulse。 (4)結(jié)果的可靠性 MCNP計算結(jié)果及其給出的相對誤差都具有概率統(tǒng)計性，其所有計數(shù)都是一個估計平均值，可以理解為我們數(shù)學(xué)上的期望值，都是一個歸一化的結(jié)果；其相對誤差R是估計的平均值與估計的標(biāo)準(zhǔn)差之間的差，R與l/成比例，其中N是粒子的計數(shù)，一般要求R<0.1。 1.粒子權(quán)重：若嚴(yán)格模擬實際過程則一個MCNP粒子僅代表一個實際粒子，且具有為1的權(quán)重。然而為了提高計算效率，MCNP允許用戶允許用戶使用許多并非實際過程中的偏倚技巧。偏倚就是使一些

60、感興趣區(qū)域中的粒子增加，另一些區(qū)域中粒子減少，。為了使計算的結(jié)果不出現(xiàn)偏差，人為改變粒子數(shù)目后，相應(yīng)要調(diào)整每個粒子的權(quán)重。 2.粒子徑跡 徑跡就是源粒子與誘發(fā)粒子在其運行軌跡，粒子在兩次與原子核碰撞之間的運行線路是直線，粒子之間的作用忽略不計。在任何給定材料的柵元中，MCNP計算沿徑跡方向到下次碰撞點的距離不是計算單位體積的碰撞幾率。 4.3模擬計算 4.3.1中子與物質(zhì)的作用 中子不帶電,它與物資的作用主要表現(xiàn)為與原子核的作用，與核外電子的作用可以忽略。不同能量的原子與原子核的作用也不相同。MCNP模擬中子輸運時，要根據(jù)徑跡反復(fù)考慮如下事項：1.碰撞前的中子能量，飛行方向和徑跡長度

61、；2.與哪種核碰撞，被碰撞核的速度與方向；3.碰撞過程中選擇地產(chǎn)生光子，模擬每個光子的初始能量，運動方向，權(quán)重，下一次出現(xiàn)在什么地方和哪種核碰撞。如此反復(fù)，直到中子能量足夠低底或權(quán)重足夠小。 1選擇碰撞核： 設(shè)介質(zhì)由n種介質(zhì)構(gòu)成，ξ是一個【0,1】上的隨機(jī)數(shù)，當(dāng) <ξ<成立時，第K種核被選為碰撞核。 2.靶核速度抽樣 3.考慮彈性散射和非彈性散射 4．S（α，β）處理 若中子能量足夠低，且用戶指定使用S（α，β）表，則碰撞通過S（α，β）處理被模擬，而不經(jīng)過第3步。中子與原子核碰撞受到原子熱運動及附

62、近其它原子的影響，S（α，β）同時考慮了二者的影響。 5．俘獲： 有兩種處理俘獲的方法：模擬和暗含。 6．光子的產(chǎn)生 在中子-光子聯(lián)合輸運問題中，若碰撞核光子產(chǎn)生截面不為零，就會產(chǎn)生光子。 4.4光子與物質(zhì)作用 MCNP模擬光子的能量范圍是1kev~100Mev.有兩種處理光子的方法，可通過PHYS：P卡選擇。 1. 簡單的物理程處理 這種處理只對高Z和深穿透問題不適用，整個物理過程只有光電效應(yīng)，電子對效應(yīng)和康普頓散射。 2. 詳細(xì)的物理處理過程 3. 這一物理過程在MCNP中是缺省的，包括光電效應(yīng)，電子對效應(yīng)，相干散射和非相干散射，記錄產(chǎn)生的熒光并且考慮電子束縛的影響，從

63、而對Thomson和Klein-Nishina微分截面進(jìn)行修正。 4.5記數(shù) 記數(shù)是對計算結(jié)果的記錄，MCNP提供一些標(biāo)準(zhǔn)記數(shù)方式，以助記符F1,F2,F4,F5a,F6等區(qū)分，用戶可以根據(jù)自己的意愿加以選擇。記數(shù)都被歸一化成對應(yīng)的一個源粒子。 4.5.1探測器記數(shù) 在MCNP中，某點處的通量可用點探測器或環(huán)探測器記數(shù)來估計。 （1）.點探測器 點探測器用確定論方法計算空間中某點的通量，記錄了粒子和碰撞產(chǎn)生粒子對這點的貢獻(xiàn)。點探測器也被稱為“下次事件估計器”，因為估計點通量記數(shù)時。下一個事件是一個無碰撞直接到達(dá)點探測器的事件。這種過程可以理解為偽粒子的輸運。 (2).環(huán)探測器

64、與點探測器相似，但環(huán)探測器在上一個環(huán)上計數(shù)。 4.5.2.模擬計算： 由于γ譜儀是無人機(jī)的核心測量儀器，其主要由兩塊NaI（TI）晶體搭建而成，單塊晶體的大小為40cm×10cm×5cm,模擬時，只需要考慮每個光子在NaI晶體中乘積的晶體發(fā)生的能量沉積，并將這種能量直接近似為實際γ譜儀的脈沖輸出。由于光子與NaI晶體作用時，會產(chǎn)生次級光子，電子或正電子。因此需要對γ射線的能量沉積進(jìn)行MCNP模擬，圖二描述了這一作用能量與原子序數(shù)的關(guān)系?？梢钥吹街饕泄怆娦?yīng)，康普頓效應(yīng)，電子對效應(yīng)構(gòu)成，其他作用可以忽略不計。對于137CS，在模擬計算能量為0~662kev，對于能量大于1.02Mev才能發(fā)

65、生的電子對效應(yīng)可以忽略，因此在分析γ射線與NaI晶體的一次作用過程中，只需要考慮上面三種效應(yīng)。而二次粒子與晶體的反應(yīng)則需考慮以上三種外，還需要考慮軔致輻射光子，康普頓散射光子等。每個入射NaI晶體的源光子在晶體的總能量沉積為源光子與晶體介質(zhì)的首次互相作用后的沉積能量與其子代光子的能量沉積之和。 圖二 光子的相互作用過程與光子能量和原子序數(shù)的關(guān)系 4.5.3用MCNP模擬后的探測效率計算 模型建立流程圖 建立源和探測器空間模型（圓柱體） 建立輸運模型 填寫相關(guān)卡；并采用Cookie-cooter提高采樣效率 計算有效粒子數(shù) 4.4.4模擬點源探測效率： 與面源的情況比較

66、后已知，點源既是面源情況下將半徑定為0，放射性活度為100Bq,計算結(jié)果乘以面源活度轉(zhuǎn)化為計數(shù)率，再用excel處理與理論數(shù)據(jù)比較。 4.5.5模擬面源探測效率; 條件：1.假設(shè)面源是均勻分布的；2.面源的放射性活度是100Bq/m2 用MCNP模擬探測器的探測效率時進(jìn)行兩種條件的計算： （1） 地面半徑一定，計算探測器在不同高度時的探測效率； （2） 探測器高度一定，計算探測器在不同地面面源半徑的探測效率 程序所運行的結(jié)果轉(zhuǎn)成計數(shù)率，再用Excel進(jìn)行處理,并擬合出計數(shù)率曲線。 Z NaI探測器 伽馬射線 R R Y X 圖三.源和探測器的空間結(jié)構(gòu)模型 圖四.點源模擬數(shù)據(jù)擬合曲線 圖五.理論點源模擬擬合數(shù)據(jù)曲線 圖六.面源模擬數(shù)據(jù)擬合曲線（高度不變，改變半徑） 圖七.理論面源模擬數(shù)據(jù)擬合曲線（高度不變，改變半徑）