基于UWB战训一体辐射监测算法的室内三维核辐射场监测方法及系统与流程

本发明属于核辐射监测，具体涉及基于uwb战训一体辐射监测算法的室内三维核辐射场监测方法及系统。

背景技术：

1、辐射监测是核应急处置、放射源搜寻、污染区域研判和人员防护决策的重要技术手段。传统辐射监测主要依赖人员携带辐射监测仪器进入目标区域，根据仪器实时读数判断辐射水平。但在实际应用中，尤其是在室内建筑、地下空间、实验室、库房、核应急训练场地等复杂结构场景中，仅依靠单点剂量率读数难以反映三维空间中辐射场的整体分布，无法有效表征不同高度、不同房间结构、遮挡物附近以及复杂路径中的剂量变化。

2、现有模拟训练方法通常通过模拟放射源、无线定位或计算机仿真模型生成虚拟剂量率，再由模拟终端进行显示。该类方法能够在一定程度上降低真实放射源训练带来的安全风险，但仍存在以下不足：第一，现有方法多侧重二维平面或单一距离映射，难以测量和建立室内三维场景的剂量分布；第二，现有方法通常将真实监测和虚拟训练分离，不能在同一算法链路下实现真实剂量率、虚拟剂量率的统一输出；第三，现有方法缺少对uwb测距误差、室内多径误差、高度方向误差和定位抖动的综合处理；第四，现有方法难以在室内复杂结构辐射检测中建立三维辐射场，因此不利于复杂室内环境下的辐射检测、训练复盘和风险区域判定。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于uwb战训一体辐射监测算法的室内三维核辐射场监测方法及系统，以解决现有监测技术的不足。

2、本发明能够获取移动监测终端在室内三维空间中的稳定坐标，并将真实辐射剂量率、虚拟辐射剂量率映射至对应三维空间位置，从而建立室内三维辐射场，进一步测量室内三维场景的剂量，可适用于室内复杂结构辐射检测、核应急模拟训练和战训一体化辐射监测。

3、本发明提供的基于uwb战训一体辐射监测算法的室内三维辐射场监测方法，具体步骤为：

4、（1）获取室内辐射监测初始数据：包括获取室内目标区域内多个uwb基站的三维坐标、移动监测终端与各uwb基站之间的测距值以及移动监测终端采集的真实辐射剂量率值，构成室内辐射监测初始数据；

5、（2）采用基于uwb战训一体辐射监测算法，对所述室内辐射监测初始数据进行处理，得到移动监测终端在室内三维空间中的稳定位置坐标，并根据所述稳定位置坐标计算虚拟辐射源在该位置处对应的虚拟剂量率；

6、根据系统工作模式，从真实辐射剂量率、虚拟剂量率确定当前有效剂量率；

7、（3）构建室内三维辐射场：基于所述稳定位置坐标和当前有效剂量率构建室内三维辐射场数据；

8、（4）最后将当前有效剂量率、系统工作模式和稳定位置坐标回传至移动监测终端。

9、进一步地，所述系统工作模式包括真实探测模式、虚拟训练模式和融合监测模式；

10、在真实探测模式下，当前有效剂量率为真实辐射剂量率；

11、在虚拟训练模式下，当前有效剂量率为虚拟剂量率；

12、在融合监测模式下，当前有效剂量率为真实辐射剂量率和虚拟剂量率的加权融合值。

13、进一步地，所述基于uwb战训一体辐射监测算法包括：

14、对各uwb基站测距值进行有效性判断；

15、对有效测距值进行静态偏置修正；

16、对修正后的测距值进行尖峰抑制、中值滤波和指数加权滑动平均滤波；

17、根据滤波后的测距值和uwb基站三维坐标进行最小二乘三维定位初值求解；

18、对所述三维定位初值进行自适应向量投影迭代精化；

19、在迭代过程中引入z轴软约束，得到三维定位精化坐标；

20、对所述三维定位精化坐标进行稳定位置提取；

21、根据稳定位置坐标计算虚拟剂量率；

22、根据真实探测模式、虚拟训练模式确定当前有效剂量率。

23、进一步地，所述静态偏置修正采用如下方式：

24、

25、其中，为第i个uwb基站修正后的测距值，为第i个uwb基站的原始测距值，为第i个uwb基站的测距标定偏置。

26、进一步地，所述指数加权滑动平均滤波采用如下方式：

27、

28、其中，为第i个uwb基站在第k时刻的滤波测距值，为第i个uwb基站在第k时刻经中值滤波后的测距值，为滤波系数。

29、进一步地，所述最小二乘三维定位初值求解包括：以一个uwb基站作为参考基站，根据多个uwb基站坐标和对应测距值建立三维球面交汇方程，将非线性测距方程转化为线性方程组，求解移动监测终端的三维定位初值。

30、进一步地，所述自适应向量投影迭代精化包括：

31、根据当前估计位置与第i个uwb基站之间的距离计算预测距离；

32、根据预测距离与滤波测距值之间的差值计算距离残差；

33、根据当前估计位置指向各uwb基站的空间方向向量以及距离残差构建加权更新量；

34、根据加权更新量对当前估计位置进行迭代修正；

35、当迭代更新量小于预设阈值或达到预设迭代次数时，输出三维定位精化坐标。

36、进一步地，所述z轴软约束包括：在三维定位迭代过程中设置z轴先验高度；根据当前估计高度与z轴先验高度之间的差值对z轴更新量进行约束以降低室内uwb三维定位中高度方向的定位波动。

37、进一步地，所述对三维定位精化坐标进行稳定位置提取采用分轴低通滤波方式，包括：

38、

39、

40、

41、其中，，，为稳定位置坐标，x，y，z为当前三维定位精化坐标，，，为上一时刻稳定位置坐标，为平面方向滤波系数，为高度方向滤波系数。

42、进一步地，所述虚拟剂量率采用如下方式计算

43、

44、其中，为虚拟剂量率，为本底剂量率，为第j个虚拟辐射源强度，为第j个虚拟辐射源对应的衰减系数，为移动监测终端稳定位置坐标与第j个虚拟辐射源之间的三维距离，为最小距离保护值，m为虚拟辐射源数量。

45、进一步地，基于所述稳定位置坐标和当前有效剂量率构建室内三维辐射场数据包括：将室内目标区域划分为三维空间坐标区域；将移动监测终端在不同采样位置处获得的稳定位置坐标和当前有效剂量率映射至对应三维空间位置；根据多个采样位置处的剂量率数据形成室内三维辐射场；所述室内三维辐射场用于表征室内复杂结构场景中不同高度、不同平面位置和不同空间区域的剂量率分布。

46、本发明还提供基于uwb战训一体辐射监测算法的室内三维辐射场监测系统，包括：

47、室内辐射监测初始数据获取模块，用于获取uwb基站三维坐标、移动监测终端与各uwb基站之间的测距值以及真实辐射剂量率值，构成室内辐射监测初始数据；

48、基于uwb战训一体辐射监测算法模块，用于对所述室内辐射监测初始数据进行测距修正、异常抑制、距离滤波、三维定位解算、稳定位置提取、虚拟剂量率计算以及工作模式判定，输出稳定位置坐标和当前有效剂量率；

49、室内三维辐射场构建模块，用于根据稳定位置坐标和当前有效剂量率构建室内三维辐射场数据；闭环反馈模块，用于将当前有效剂量率、系统工作模式和稳定位置坐标回传至移动监测终端显示。

50、本发明还提供一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行上述的方法中的任一方法。

51、本发明还提供一种计算设备，包括：一个或多个处理器、一个或多个存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述一个或多个存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行上述的方法中的任一方法的指令。

52、本发明应用于室内复杂结构场景下的辐射检测、核应急模拟训练、放射源搜寻、污染区域研判和战训一体化监测任务。与仅显示单点剂量率的传统方法相比，本发明能够将剂量率与室内三维坐标绑定，形成可用于分析、显示和复盘的三维辐射场；与仅进行虚拟训练的模拟系统相比，本发明能够在真实探测模式、虚拟训练模式之间切换，实现真实监测、模拟训练和真实—虚拟融合验证的一体化。