房江奇

(1.核工业航测遥感中心，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，石家庄 050002)

航空伽玛能谱测量中基线测量评价方法研究

房江奇1,2

(1.核工业航测遥感中心，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，石家庄 050002)

航空伽玛能谱测量中包括基线、测线和重复线测量三部分，基线测量是监控航空伽玛能谱测量系统工作状态和监测大气氡变化的重要环节，但如何评价基线测量结果，目前还没有明确评价方法及其技术指标。这里以648个飞行架次的早、晚基线测量数据作为研究对象，分别对原始下测总窗计数率、钾窗计数率、铀窗计数率和钍窗计数率，及经过各项数据修正后的下测总窗净计数率、钾含量、铀含量和钍含量等进行了评价方法及其技术指标地研究。通过研究，采用总窗计数率和钍含量数据的评价方法较好；其技术指标为，采用原始计数率进行评价时，原始下测总窗计数率早晚变化±20%以内；采用经过各项数据修正后的结果进行评价时，下测总窗净计数率及钍含量早晚变化则分别为±15%以内和±12%以内。

航空伽玛能谱测量； 基线测量； 评价方法； 技术指标

0 引言

航空伽玛能谱测量是根据天然或人工放射性核素伽玛射线能量的差异，来确定地表岩石、土壤和大气中的钾、铀、钍和其他放射性核素含量及其分布的一种方法。因其具有测量效率高、成本低、不受地形等因素限制的优点，在放射性矿产和与放射性核素有关的钾盐、稀有元素、多金属矿产及油气田勘查，基础地质研究(圈定火山岩、岩体以及地质构造)，环境辐射本底以及核应急监测等领域得到了广泛地应用[1-15]。

我国的铀矿勘查航空物探工作始于1955年，1963年以后由核工业航测遥感中心(核工业部北京703航测队)统一承担全国的航空放射性测量任务。核工业总公司[16]作为行业标准颁布了国内首个航空伽玛能谱测量规范(EJ/T 1032—1996)，国防科技工业委员会[17]发布了修订的航空伽玛能谱测量规范(以下简称“规范”)。“规范”中规定，开展航空伽玛能谱测量工作时，野外测量飞行包括基线测量(飞行)，测线飞行和重复线飞行。

基线是指用来监控航空伽玛能谱仪工作状态和环境辐射稳定程度的一条测试线[18]。在每架次测线飞行前、后均应进行基线测量早基线，晚基线。做好野外测量过程中的质量控制，可以取得更为有效的数据信息，通过基线测量，能够有效地监控航空伽玛能谱测量系统工作状态和分析环境中大气氡的变化状况，确保航空伽玛能谱测量质量。“规范”中对飞行速度、飞行高度、飞行天气、偏航距均有明确地规定，同时对探测器体积、晶体分辨率、峰位漂移等也给出了具体规定。但是，如何评价基线测量结果，“规范”中没有明确评价方法和技术指标。

影响伽玛能谱测量结果的因素很多，在实际工作中，如何把握和控制基线测量结果以及更好地评价测区数据显得尤为重要。根据核工业航测遥感中心的工作经验，近年来一般在项目执行中要求“早、晚基线总计数率变化小于20%”[19-21]。文献[22]提及“早、晚基线测量结果，要求总道变化小于8%，钾、钍道小于10%，铀道小于15%为正常”。因此，早、晚基线总计数率应在多大范围内变化，有必要开展更进一步地研究。

笔者对大量已有实测基线航空伽玛能谱测量数据进行了统计。通过对早、晚基线原始计数率变化分析、变化量分析，早、晚基线下测总窗净计数率、钾、铀、钍含量变化分析及变化量分析，研究较适合的早、晚基线测量评价方法，并提出较为合理的技术指标值，为规范中基线测量技术要求的修订提供借鉴。

1 基线测量

1.1 基线测量要求

基线一般选择在易于测量、地形平坦、放射性核素含量均匀且能代表测区典型含量的区域，具有一定的长度和宽度，基线长度为4 km～8 km[17]。

飞机沿基线地形起伏飞行，飞行高度一般为120 m。基线测量在每架次测线飞行前和飞行后进行。根据测量结果填写基线测量记录表(表1)[17]，内容包括早基线和晚基线原始下测总窗计数率、钾窗计数率、铀窗计数率、钍窗计数率和原始上测铀窗计数率的相对变化率。

表1 基线测量记录表Tab. 1 Record table of baseline measurement

TC、K、U、Th、Uup分别代表原始下测总窗计数率、钾窗计数率、铀窗计数率、钍窗计数率和原始上测铀窗计数率

1.2 基线测量作用

通过早、晚基线测量，检查航空伽玛能谱测量系统是否处于良好的工作状态；使用早、晚基线测量结果监测大气氡地变化。

基线测量结果是测线飞行中航空伽玛能谱测量系统稳定、采集数据质量可靠，重要的参考依据。当对某个架次的测区数据产生疑问时，应仔细检查基线的测量结果，以便分析和确认具体的影响因素。

2 评价方法研究

近几年来核工业航测遥感中心在黑龙江和内蒙古自治区，进行了大量的航空物探测量工作，拥有大量基线测量数据，其时间跨度大，具有一定的代表性。对收集的数据采用合适的分析方法，剔除“异常”数据，得到客观的基线数据变化范围。对下测原始总窗计数率、钾窗计数率、铀窗计数率、钍窗计数率早晚变化率均进行分析，研究各变量地变化规律。对下测总窗净计数率、钾含量、铀含量、钍含量的早晚变化率进行分析，研究各变量地变化规律。对下测原始总窗计数率、钾窗计数率、铀窗计数率、钍窗计数率早晚变化量进行分析，研究各变量的变化规律。对下测总窗净计数率、钾含量、铀含量、钍含量的早晚变化量进行分析，研究各变量的变化规律。通过研究，提出适合的评价方法。

2.1 基线测量数据收集

航空伽玛能谱测量的每一次基线测量，可获得包括上、下测探测器的航空伽玛能谱全谱数据(多数为256道或者512道)、所开设能窗的窗数据，还包括离地飞行高度、气压高度以及机外温度等数据。

本次研究的数据来自核工业航测遥感中心近几年(2009年-2014年)在黑龙江省和内蒙古自治区相邻的黑龙江大兴安岭地区、小兴安岭成矿带、完达山-太平岭地区、内蒙古扎兰屯地区、鄂-莫地区等五个航测区648个飞行架次测量的早、晚基线测量结果(早、晚基线测量各648次)，均为Y-12固定翼飞机，搭载的航空伽玛能谱测量系统分别为AGIS和703-1系统，探测器为NaI(Tl)晶体探测器，下测探测器体积均为50.3×10-3m3，上测探测器体积AGIS系统为8.4×10-3m3，703-1系统为12.6×10-3m3；数据收录系统采样时间为1 s。

基线数据采集于五个航测区的8条不同的基线，实际长度在4.2 km～6.0 km之间,8条不同的基线实际最高的平均高度为122.6 m。

对不同年度、不同基线的测量结果做了初步的整理和汇总(表2)，表2中列出了基线位置空中测量得到的下测原始总窗计数率、钾窗计数率、铀窗计数率、钍窗计数率及上测铀窗计数率的平均值、标准偏差和变异系数等；同时列出了经各项修正(本底修正、大气氡修正、剥离修正、高度归一修正)后的下测总窗净计数率、钾含量、铀含量、钍含量的平均值、标准偏差和变异系数等。

2.2 “异常”数据剔除

1)剔除早、晚基线测量高度偏差大的数据。在实际基线测量过程中，不同飞行员的飞行或其他原因，可能会有早、晚基线测量高度相差较大的基线，从而引起早、晚基线各能量窗原始计数率变化较大，统计分析时此类数据通常列为“异常”数据，予以剔除。由于“规范”中没有明确早、晚基线测量高度变化的具体指标，在进行早基线和晚基线平均飞行高度相互比较时，参照“规范”中动态带飞行高度的限定要求[17]9，二者之间高度变化不超过10%。依据此判断标准，总计剔除1个架次的早晚基线数据，查明两次测量高度偏差是由飞行员驾驶原因引起。

表2 不同年度基线测量原始计数率和含量统计表Tab. 2 The statistical result of raw counts rate and concentration in different annual baseline

①TCraw、Kraw、Uraw、Thraw、Uupraw分别为原始下测总窗计数率、钾窗计数率、铀窗计数率、钍窗计数率及上测铀窗计数率，数据单位为s-1；TC、K、U、Th分别为下测总窗净计数率、钾含量、铀含量和钍含量，数据单位分别为s-1、10-2、10-6g/g、10-6g/g； ②数据来源：核工业航测遥感中心实测

2)采用偏度—峰度检验法，剔除“异常”数据[23]。早基线和晚基线数据变化率Δ采用式(1)进行计算：

(1)

式中：N早为早基线测量结果(计数率或含量)；N晚为晚基线测量结果(计数率或含量)；Δ为基线和晚基线数据变化率。

由于早基线和晚基线测量在一定时间段内属于多次测量，因此早基线和晚基线数据变化率符合正态分布。可以采用偏度—峰度检验法，剔除早基线和晚基线数据变化大的“异常”数据。计算公式为式(2)。

(2)

2.3 早晚基线变化率总体统计分析

对所有基线测量642组数据(剔除偏离大的“异常”数据后)早晚变化率进行总的统计分析，统计结果见表3。表3中列出了基线测量下测原始总窗计数率、钾窗计数率、铀窗计数率、钍窗计数率和上测铀窗计数率早晚变化率的平均值、标准偏差等；表4列出了基线测量下测总窗净计数率、钾含量、铀含量及钍含量早晚变化率的平均值、标准偏差等。

表3 基线测量各能量窗原始计数率早晚变化率统计表Tab. 3 The statistical result of the change rate of early baseline measurement and late baseline measurement of each energy window raw counts rate data

①TCraw、Kraw、Uraw、Thraw、Uupraw分别代表下测总窗、下测钾窗、下测铀窗、下测钍窗和上测铀窗；②μ-3σ为平均值-3倍标准偏差，μ+3σ为平均值+3倍标准偏差

表4 基线测量天然放射性核素含量及下测总窗净计数率早晚变化率统计表Tab.4 The statistical result of the change rate of early baseline measurement and late baseline measurement of each concentration data and net total count rate data

①TC、K、U、Th、Uup分别为下测总窗净计数率、钾含量、铀含量、钍含量；②μ-3σ为平均值-3倍标准偏差，μ+3σ为平均值+3倍标准偏差

2.4 早、晚基线原始计数率变化量和含量变化量

采用剔除“异常”的数据，利用式(3)进行早、晚基线原始计数率变化量和早、晚基线含量变化量统计。

ΔD=|N晚-N早|

(3)

式中:N早、N晚分别为早、晚基线测量结果;ΔD为变化量的绝对值(计数率差或含量差)。

表5列出了不同作业区早、晚基线测量原始计数率的变化量平均值和早、晚基线测量含量的变化量平均值。

表5 早、晚基线原始计数率变化量和含量变化量表Tab.5 The statistical difference value result of raw counts data and concentration of early baseline measurement and late base line measurement

①变化量为晚基线数据减去早基线数据，然后求取绝对值；②ΔTCraw、ΔKraw、ΔUraw、ΔThraw、ΔUupraw分别代表下测总窗、钾窗、铀窗、钍窗和上测铀窗的变化量，数据单位为s-1；ΔTC、ΔK、ΔU、ΔTh分别为下测总窗净计数率、钾含量、铀含量、钍含量的变化量，数据单位分别为s-1、10-2、10-6g/g、10-6g/g

3 研究结果

3.1 早、晚基线总计数率变化率

由表3可以看出，642组基线数据中有640组下测原始总窗计数率早晚变化率ΔTCraw集中在-16.88%～19.44%，其占比为99.7%。图1为各能量窗早、晚基线原始计数率变化率散点图。

基线数据的变化率大小通常能反映测区数据地变化，例如，2009年08月19日早、晚基线下测原始总窗计数率的变化率为21.9%，对当日飞行的测区测线数据(测区测线距离基线最近点25 km)和相邻线(其他飞行日数据)数据进行对比分析，发现下测总窗计数率在测线方向略有偏高反应，下测原始铀窗计数率在测线方向出现较明显的偏高数据，下测钾窗和钍窗计数率无反映。出现“条带状”的两条测线平均飞行高度分别为138.7 m和132.7 m，Th窗的峰位漂移平均分别为0.36道和0.29道。这说明此飞行架次的铀窗计数率增高与大气中的氡浓度有关。

从表4可以看出，642组数据中基线下测总窗净计数率早晚变化率集中在-13.96%～12.19%，其占比为99.7%。由图2可以看出，下测总窗净计数率早晚变化比下测原始总窗计数率早晚变化要小。

3.2 钾、铀、钍和上测铀窗数据变化率

由表3可以看出，基线642组下测原始钾窗计数率早晚变化率的平均值为1.35%，标准偏差为4.84，其中99.7%的数据变化集中在-13.16%～15.87%。基线642组下测原始铀窗计数率早晚变化率的平均值为3.91%，标准偏差为13.01，其中99.7%的数据变化集中在-35.13%～42.95%。基线642组数据下测原始钍窗计数率早晚变化率的平均值为1.02%，标准偏差为4.02，其中99.7%的数据变化集中在-11.04%～13.08%。基线642组数据上测原始铀窗计数率早晚变化率的平均值为11.60%，标准偏差为22.72，其中99.7%的数据变化集中在-56.55%～79.75%。从统计结果可以看出，下测原始铀窗计数率和上测原始铀窗计数率的变化率最大，这与大气氡的变化直接有关。

由表4可以看出，基线642组钾含量早晚变化率的平均值为1.10%，标准偏差为2.66，其中99.7%的数据变化集中在-6.87%～9.07%。基线642组铀含量早晚变化率的平均值为-4.68%，标准偏差为24.12，其中99.7%的数据变化集中在-77.04%到67.67%之间。基线642组数据钍含量早晚变化率的平均值为1.21%，标准偏差为3.34，其中99.7%的数据变化集中在-8.81%到11.23%之间。从统计结果可以看出，铀含量测量结果离散性较大。

总之，采用早、晚基线原始计数率的变化率衡量两次测量的变化时，其中99.7%的数据下测原始总窗计数率变化率不大于19.44%，下测原始钾窗计数率变化率不大于15.87%，下测原始铀窗计数率变化率不大于42.95%，下测原始钍窗计数率变化不大于13.08%。采用早、晚基线含量(或净计数率)变化进行统计，衡量两次测量的变化情况时，其中99.7%的数据下测总窗净计数率变化率不大于13.96%，钾含量变化率不大于9.07%，铀含量变化率不大于77.04%，钍含量变化率不大于11.23%。

3.3 早、晚基线原始计数率和含量变化量

由表5可以看出，早、晚基线计数率变化量并不是一个常数，基线位置不同时，变化量也不尽相同。由表6和表7可以得知，早、晚基线原始计数率变化量与原始计数率相关性较大；早、晚基线含量变化量和含量之间相关性也较大。早、晚基线下测原始总窗计数率变化量与其原始计数率的相关系数为0.456，钾窗为0.759、铀窗为0.407、钍窗为0.866、上测铀窗为0.734；早、晚基线下测总窗净计数率变化量与下测总窗净计数率的相关系数为0.300，钾含量为0.504、铀含量为0.534、钍含量为0.410。随着基线上空测得的原始计数率的增高或含量的增大，早、晚基线测量结果的变化量也随之增大。

图1 各能量窗早、晚基线原始计数率变化率散点图Fig.1 Scatter diagram of the raw counts change rate of early baseline measurement and late baseline measurement of each energy window(a)下测总窗早晚基线数据的变化率；(b)下测钾窗早晚基线数据的变化率；(c)下测铀窗早晚基线数据的变化率；(d)下测钍窗早晚基线数据的变化率；(e)上测铀窗早晚基线数据变化率

早、晚基线原始窗计数率变化率和原始计数率之间的相关性较小，早、晚基线测得的含量(净计数率)变化率和含量(净计数率)之间的相关性也较小。早、晚基线下测原始总窗计数率变化率与其原始计数率的相关系数为0.101，钾为0.346、铀为0.281、钍为0.303；早、晚基线下测总窗净计数率变化率与下测总窗净计数率的相关系数为0.010、钾为0.096、铀为0.002、钍为0.017。

通过早、晚基线数据变化率、变化量和原始计数率及含量(净计数率)的相关性分析，认为采用下测原始总窗计数率、下测总窗净计数率和钍含量的变化率来评价早、晚基线数据的变化比较合适。

图2 各能量窗早、晚基线含量(净计数率)变化率散点图Fig.2 Scatter diagram of the concentration change rate of early base line measurement and late base line measurement of each energy window(a)下测总窗早晚基线净计数率的变化率；(b)钾含量早晚基线数据的变化率；(c)铀含量早晚基线数据的变化率；(d)钍含量早晚基线数据的变化率表6 早晚基线原始计数率和含量的变化量与原始计数率和含量的相关系数表Tab.6 Correlation coefficient of raw count data difference value of early baseline measurement and late baseline measurement with raw count rate data, correlation coefficient of concentration difference value of early base measurement and late base measurement with concentration

ΔTCrawΔKrawΔUrawΔThrawΔUuprawΔTCΔKΔUΔTh0.4560.7590.4170.8660.7340.3000.5040.5340.410

ΔTCraw、ΔKraw、ΔUraw、ΔThraw、ΔUupraw分别为下测原始总窗计数率、钾窗计数率、铀窗计数率、钍窗计数率和上测原始铀窗计数率变化量和各自原始计数率的相关系数；ΔTC、ΔK、ΔU、ΔTh分别为下测总窗净计数率、钾含量、铀含量、钍含量变化量与各净计数率(含量)的相关系数

表7 早晚基线原始计数率和含量的变化率与原始计数率和含量的相关系数表Tab.7 Correlation coefficient of raw count data change rate of early baseline measurement and late baseline measurement with raw count rate data, correlation coefficient of concentration difference value of early base measurement and late base measurement with concentration

TCraw、Kraw、Uraw、Thraw、Uupraw分别为原始的下测总窗计数率、下测钾计数率、下测铀计数率、下测钍计数率和上测铀窗计数率变化率与各自原始计数率的相关系数；TC、K、U、Th分别为下测总窗净计数率、钾含量、铀含量、钍含量变化率和各自净计数率(含量)的相关系数

4 结论

基于黑龙江省和内蒙古自治区五个相邻的航测区中八条基线测量数据的分析和研究，得出以下结论：

1) 采用早、晚基线测量的总窗计数率和钍含量数据评价方法较好。

2) 采用原始计数率进行评价时，其技术指标为原始下测总窗计数率早晚变化在±20%以内；采用经过各项数据修正后的结果进行评价时，其技术指标为下测总窗净计数率早晚变化在±15%以内及钍含量早晚变化在±12%以内。

3)使用上述评价方法和技术指标后，将会有效地判断航空伽玛能谱测量系统是否处于良好的工作状态和防止航空伽玛能谱测量中大气氡变化过大地影响，有利于获取高质量的航空伽玛能谱测量数据。

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Study on the evaluation method of baseline measurement about airborne Gamma ray spectrometry

FANG Jiangqi1,2

(1.Airborne Survey and Remote Sensing Center of Nuclear Industry, Shijiazhuang 050002,China;2.Key Laboratory for Geophysical Exploration Technology Center of Uranium Resource,Shijiazhuang 050002,China)

Airborne Gamma ray spectrometry survey includes baseline, survey line and repeat line measurement. The baseline is an important link to monitor working status of airborne Gamma ray spectrometry system and to monitor changes of atmospheric radon. There is no specific evaluation method and technical indexes to evaluate the baseline measurement results. Based on the existing historical 648 early baseline data and 648 late baseline data measured, evaluation method and technical indicators were studied. The raw count rate of the "downward" total count window, the "downward" K window, the "downward" U window, the "downward" Th window, and the "downward" net total count rate, radioelement concentrations of K(potassium), U(uranium) and Th(thorium) were analyzed after live time, background, Compton and height correction were processed. Through the research, the evaluation method of the total window count rate and thorium concentration data are better. To evaluate quality by raw total count rate, the change rate of early baseline measurement and late baseline measurement of raw total counts should be within ±20%; To evaluate quality by corrected result data, the change rate of early baseline measurement and late baseline measurement of net total counts should be within ±15% and Th concentration changes within ±12%, respectively.

airborne Gamma ray spectrometry survey; baseline survey; evaluation method; technical index

2016-08-04 改回日期：2016-08-25

中国地质调查局地质调查子项目([2015]02-12-02-006)

房江奇(1966-)，男，高级工程师，主要从事核资源与矿产资源的航空物探工作，E-mail：jiangqifangzi@163.com。

1001-1749(2017)04-0490-10

P 631.4

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.04.09