深海原位伽马探测谱仪数据获取软件研究

作     者：李林航 

作者单位：中国科学技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张铁龙;曹平

授予年度：2022年

学科分类：081801[工学-矿产普查与勘探] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 

主      题：深海原位探测 伽马探测 数据获取软件 .NET 能谱寻峰算法 核素识别 

摘      要：深海作为地球上最为广阔的一部分,不仅蕴藏着丰富的资源,也有着非常多的科学现象有待人类发现。深海在生态与环境、地质学、生命起源等研究方向有着极其重要的地位,是科学研究的宝库。因此,研究深海探测、发展深海探测技术有着战略性的意义。深海中有大量的天然和人工放射源,其来源可能有地质构造、地球活动和放射性污染物排放等。因此,对深海伽马射线,尤其是深海原位伽马射线的探测研究,不仅有利于深海放射性污染物的探测和海洋环境保护,也对深海资源的开发、海底地质调查和生命科学研究等方面具有重要的科学意义。为填补国内深海原位伽马探测的技术空白,满足国内对深海资源探测以及海洋地质、海底生态和生命起源等各个方向的研究需求,发展我国自主的深海伽马探测技术。2018年,中国科学院设立了 A类先导科技专项,设立专项子课题以开展深海原位伽马谱仪的研制。考虑到深海环境下谱仪在数据读出、数据分析和数据可视化等方面的实际需求,需要为深海原位伽马探测谱仪设计相应的数据获取软件。本文依托先导专项子课题开展深海伽马探测谱仪数据获取软件的研究和设计。为了开展深海原位伽马探测数据获取软件的研究,本文首先调研了深海伽马射线的特征。之后,本文调研了国内外原位伽马谱仪的工作流程,以及现有的伽马探测数据获取软件和寻峰算法。在对调研进行归纳和总结的基础上,结合深海原位伽马探测数据获取面临的问题,论文分析和归纳出数据获取软件的需求,并基于该需求设计实现了深海原位伽马探测谱仪数据获取软件、软硬件通信协议、系统工作流程以及伽马能谱寻峰算法的设计。其中,论文基于模型-视图-视图模型框架设计了深海原位伽马探测谱仪软件架构,并基于.NET平台技术实现了该软件。论文基于请求-响应式的MODBUS协议设计了软硬件通信协议和工作流程,该流程可兼顾谱仪实时采集和自主运行的工作需求。本文工作的特色之处在于能谱分析算法的研究:本文研究并设计了基于小波变换和置信度判选的伽马能谱寻峰算法、基于期望最大算法的特征峰拟合算法和基于特征峰匹配算法的核素识别算法,以解决低计数率深海伽马能谱的伽马能谱的分析问题。在实验室条件下,本论文对深海原位伽马探测谱仪的通信协议、系统流程、软件和算法进行了一系列相关测试,并完成了软件与伽马谱仪的联合测试。测试结果表明,本文研究和设计的软件、协议、算法和系统工作流程均能够正常工作,并可联合硬件有效实现实时控制或自主运行模式的深海原位伽马探测,能谱分析算法作为软件的关键问题,能够实现深海伽马能谱的自适应分析,效果好于开源分析软件InterSpec。其中,能谱寻峰算法对高本底、低计数的能谱中特征峰的整体误识别率低于20%,拟合算法平均相对误差仅0.59%,核素识别算法能够准确识别能谱中的的所有放射系。本文设计的深海原位伽马探测谱仪数据获取软件能够解决深海原位伽马探测中的软硬件协议、系统工作流程、谱仪读出、数据存储、数据可视化、数据分析等问题。