发展核电是中国核能事业的重要组成部分，从我国第一座自行设计、自行建造的核电站“秦山一期”，到“华龙一号”走出国门，我国核电技术发展迅猛的同时，核电安全水平也在不断提高。中国大陆所有运行核电机组未发生过国际核与辐射事件分级表(International Nuclear and Radiological Event Scale)2级以上事件和事故，气态和液态流出物排放远低于国家标准限值^[1]。

核应急是保护公众安全的最后一道屏障，核应急监测是核应急工作的重要任务之一。核应急监测的主要内容包括环境γ辐射剂量率、放射性核素识别、放射性污染范围识别等，目的是为核应急决策人员判断事故的危害程度，采取防护行动提供技术支撑，从而控制放射性污染扩散，将事故影响降到最低^[2-3]。现有核应急监测系统分为地面监测和空中监测，地面监测包括固定式放射性监测系统和移动式放射性监测系统；空中监测则以无人机放射性监测系统为主。

1 核应急地面监测系统现状及研究进展 1.1 我国核电站周围地面固定式放射性监测系统现状及研究进展

所有大型核设施的周边都必须建立固定式放射性监测系统，开展放射性自动化连续监督性监测，当核设施出现放射性物质泄漏时，监测系统设备能实时监测并及时察觉辐射水平异常，使相关人员和设备迅速进入应急响应状态，因此固定式放射性监测系统可以作为核事故早期的预警系统。

国内在运行核电站周围地面固定式放射性监测系统的设置基本相同，子站数量为10~40个不等，各子站均配备高压电离室和碘化钠(NaI)能谱仪以测量γ辐射剂量率和识别放射性核素。针对常规辐射监测，固定式辐射监测系统技术研究已比较深入和成熟，可对固定点周围辐射环境进行连续准确的在线实时自动化监测。目前的研究方向主要集中在更新子站的关键设备，优化系统的数据通信模式，提高监测灵敏度、仪器探测效率和自动化水平等内容上。我国在运行核电站周围地面固定式放射性监测系统配置现状见表 1。

1.2 地面移动式放射性监测系统现状及研究进展

地面移动式放射性监测系统可分为便携式放射性测量装备、车载放射性监测系统以及核应急机器人。便携式剂量率仪在核应急中的应用更倾向于个人辐射防护；车载放射性监测系统多用于核事故响应的中后期，虽然其都能够实现辐射剂量率绘图功能，但在核事故应急中多作为移动实验室，对重点关注的样品进行采样与分析；而核应急机器人则需要操作人员近距离控制。国内外地面移动式放射性监测系统配置及研究现状见表 2。

2 核应急空中监测系统现状及研究进展

国外的核电事业发展较早，特别是欧洲，在切尔诺贝利核事故后，积极加强了辐射环境监测的研究工作，很早便采用了无人机放射性监测技术。我国的机载辐射监测系统起步较晚，2002年后我国的机载辐射探测领域才进入快速发展阶段，特别是日本福岛核事故之后，机载辐射监测系统的研究开始备受关注，核应急空中监测系统现状及研究进展见表 3。

3 现有核应急放射性监测系统的不足

固定式监测设备存在体积大、灵活性欠缺，数量扩充有限，需要电力保障等缺点，不满足突发核事故时，对大面积应急区域的放射性水平分布进行全面、实时、长期的精准监测与响应。车载放射性监测系统容易受交通状况影响而不能到达任意地点开展监测，而且车载系统需要人员的参与，不能前往辐射剂量水平高的区域进行监测。核应急机器人由于辐射防护、远程操作、人机交互接口、应用环境复杂等因素，在核应急中实用性不高。无人机放射性监测系统近年来发展较为迅速。无人机运行速度快、机动性强，可以飞行到放射性水平较高的地点进行监测，可在短时间内飞掠过大面积辐射场，快速采集到应急区域内的放射性分布信息，安全高效。虽然无人机能在监测区域任意地点悬停监测，以扩充核应急的监测点位，但是受续航限制无法实现长时间的在线监测。

4 一种新形式的辐射监测系统

基于这样的应用背景，本研究设计了一套可抛投式小球自组网核辐射应急监测系统，既具备固定式监测系统的功能，又具备无人机监测系统的灵活机动性，可大大提高核应急监测响应水平和速度。

4.1 可抛投式小球自组网核辐射应急监测系统结构

可抛投式小球自组网核辐射应急监测系统由终端机和多个辐射监测小球组成，每个小球可自供电，具有无线通讯和定位功能，可搭载放射性、电磁辐射、生化等不同类型的小型传感器，并采用高等级外壳防护。多个小球通过无人机抛投等方式布放到应急监测区域，不同小球、小球与终端机之间在一定范围内均能进行数据交互传输。只要抛投的小球位置和数量合适，距离终端机较远的小球就能以距离终端机较近的小球为中继点与终端机建立联系，实现终端机实时回收信号，从而形成辐射监测覆盖网络。同时，也可以通过加装数据交互系统的无人机在空中实现信息采集，然后将监测数据和定位信息发送至终端机。终端机处理收到数据后可实现大范围环境的实时监控和剂量率分布图的绘制。可抛投式小球自组网核辐射应急监测系统工作概要示意见图 1。

4.1.1 无线通讯/定位电路的技术比选

辐射监测小球配备性能稳定的定位模块，优先选用北斗定位系统，采用精准的电路设计，既具有功耗低、可远距离无线传输的特点，又具备定位精准、稳定的优势，既能满足长期辐射监测的需求，又能保障测量的γ辐射剂量率绘图准确性。常用的无线通信技术性能参数见表 4。由表 4可见，蓝牙、WiFi、ZigBee技术通信距离较短；GSM/GPRS技术需要建设信号基站。本研究选择了LoRa技术，虽然通信速率较慢，但在低功耗下LoRa技术能够实现更远的传输距离，且成本较低。

4.1.2 微电脑控制系统

微电脑控制系统可实现剂量率转换计算、无线通信、辐射监测小球间的自组网互联等功能，是整个辐射监测小球的大脑。

4.1.3 小型辐射传感器系统

小型辐射传感器可实现环境剂量率的精确测量，并具有小型轻量化、探测效率高的特点。小型辐射传感器主要由探测晶体、偏压电源、前端电子学读出电路、模数转换电路组成，探测晶体将辐射信号转化为电荷信号，利用前端电子学读出电路收集上述电荷信号以获得电压幅度足够大的脉冲信号，再通过模数转换电路生成可被微电脑控制系统识别的“0/1”数学信号，进而实现计数率到剂量率的转化计算，是辐射监测小球的核心。

4.1.4 数据交互系统

数据交互系统具有数据通信、数据存储等基本的数据交互功能，优先使用国产操作系统，能够向用户展示监测区域内实时的剂量率特征和分布，并具有历史数据查询、剂量率分布图像绘制、地图交互的数据展示功能，是辐射监测小球与操作人员之间唯一的数据交互媒介。

4.1.5 小球外壳系统

小球外壳系统使用高防护等级的外壳材质和减震内衬材料，并采用结构抗震设计，保证辐射监测小球自高空坠落后，工作性能不受影响。

4.2 可抛投式小球自组网核辐射应急监测系统的核心技术 4.2.1 高度集成的低功耗自组网遥感技术

高度集成的低功耗自组网遥感技术是本系统的核心竞争力。系统集成化程度越高，辐射监测小球外形尺寸越小，其应用灵活性越高，进而实现短时间内通过无人机将数量足够多的辐射监测小球投放到需要监测的区域，快速、灵活增加固定监测点位。

4.2.2 监测数据修正与绘图技术

辐射监测小球上传给终端的剂量率信息不能被直接用于监测区域的剂量率分布图绘制，微电脑控制系统先将剂量率转化为距离地面1 m高处的剂量率，再借助插值算法或者机器学习算法，将散点数据转化为图像数据。

5 结语

本研究采用多个小型轻量化小球型辐射探测器，利用无人机定点或随机抛投到需要监测的区域，通过无线自组网通信，实现终端实时回收信号或无人机定时信息采集，并根据定位系统绘制出剂量率分布图。这种监测方式既可以像固定监测设备一样对某一固定点进行长期连续的实时监测，又可以借助无人机的优势进入到危险、复杂的环境中执行监测任务。而且由于小球的数量可以足够地多，借助自组网技术可以实现探测球间的数据交换进而实现监测数据远程无线传输，监测区域覆盖地足够广。基于上述工作模式的小球自组网放射性测量系统可以有效解决当前核应急辐射环境监测中监测点少和缺乏长期有效的无人化监测手段的难题。

致谢: 衷心感谢南京航空航天大学核科学与技术系老师在资料收集中的无私帮助。