航空多道伽马能谱数据处理软件包

张玉君　王乃东　张志民

（地质矿产部航空物探遥感中心）

摘要本文阐述一个在SEL32/57计算机硬软件环境下运行的处理航空多道伽马能谱数据的软件包，它由磁带格式变换模块TAPEFORM等七个模块组成，每个模块又包含有数个子程序。源程序用FORTRAN语言写成，共有语句2200多条（注释行不在其内）。在微分谱分析模块中采用了迭代技术求全谱本底，称之为逐次淹没法。经生产应用证明：软件包运行稳定，技术方法和理论正确，达到了国外同类软件的水平。

概况

1984年初地矿部航空物探遥感中心接收了从美国Geometrics公司引进的航空多道伽马谱系统，它由GR-800D能谱仪及G714收录器组成，除记录钾、铀、钍及总计数率四个积分窗口外，它还以微分谱的形式将向上和向下探测器各256道能谱数据记录在九轨磁带上。微分谱的用途在于：检验积分窗口值的可靠性，检查峰漂并进行软件稳谱，组织更多的有用能窗等；Geometrics公司出售专门的软件解决这些问题，这部分软件售价4～5万美元。引进这套系统时未购买相应软件。

中心曾从加拿大Scintrex公司引进综合航空测量系统及数据处理系统，四道能谱仪及G—704收录器包括在其中，数据在SEL32/57机上处理。SEL32/57机硬件、软件环境为处理多道能谱资料提供了一定条件。于是产生了一个明智的方案：把研究的问题集中到沟通G714-G104渠道、微分谱分析及四道处理程序的改进等方面，从而加快了研究速度。

该软件包由以下七个模块组成：

（1）磁带格式变换模块TAPEFORM，将G714记录格式转换为G704格式；

（2）微分库建立模块G714BASE，在磁盘上建立微分谱数据文件；

（3）微分谱分析模块SPCANAL，利用微分道数据进行能谱分析，评价峰漂、计算峰中位值；

（4）软件稳谱模块SFSTBL，当峰移显著时，移动窗口值，利用微分道数据，形成替换数据文件；

（5）有效高度计算模块HSTAT，用雷达高度值，气压高度值及温度值求有效高度，并统计；

（6）含量计算模块MULT01，修正K,U,Th数据，并求其含量；

（7）比值计算模块MULT02，利用调过水平的含量值求比值。

以上各模块之间的关系示于图1，各模块均用FORTRAN语言编写，每个模块又由数个子程序组成，不算注释行，共有语句2200余条。在微分谱分析模块中采用了迭代技术求全谱本底，该方法又称之为逐次淹没法，它是核物理测量伽马谱学近十年出现的一种新技术。

图1　航空多道能谱数据处理流程图

经过四年生产应用证明：该软件包运行稳定，程序中使用的技术方法和理论正确，软件稳谱方法巧妙，达到了国外同类软件的水平。

多道能谱的潜在优势除了软件稳谱外，还在于提供更多的有用能窗及通过微分谱拟合求解 K, U,Th元素含量等。国外一些学者正在朝这方面努力。

一、飞行数据带读入和转换程序原理

磁带格式变换模块TAPEFORM的简要框图如下：

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同时，为将 G714原始记录带上信息进行有针对性的筛选并送到微分库文件中，编制了G714BASE模块，并编制了G714微分库输出子程序RBASE1,RBASE2,RBASE3,RBASE4。

以下是在TAPEFORM和G714BASE程序中解决的四个问题：

1首先解决正确读带问题

将带上信息正确输入计算机内存，保证物探软件库TAPEIN子程序从带上读2304个字节，子程序参数IERB使磁带机遇到文件结束码时停机。

2ASCII码和EBCDIC码转换

这两种码都是8位表示一个字符，当进行ASCII→EBCDIC变换时，数字0—9的变换只需把第7和第8位由0变为1即可，反之1变0。字母A—Z只需把第8位由0变1；反之，1变0。特别需要指出的是正负号不在此规则内，需对信息先判别正负，单独处理。

3ASCII和二进制数变换

在ASCII→二进制数变换时，我们采用乘积累加法。举例如下：7583（ASCII）见图2：

设K=4，循环四次，取“3”，“8”，“5”，“7”。

最后，jIA=7583，为二进制数。

反之，二进制数→ASCII码，采用除法取余，例如7583（二进制数），则7583÷10=758余“3”，758÷10=75余“8”，除四次即可得到7583（ASCII码）。一般计算机上都有取余子程序。

图2　ASCII二进制变换

4磁盘输入输出速度

利用SEL32/57机物探软件库RREAD和RWRITE对盘输入输出信息，应注意两子程序的四个参数LFC,BUFF,NREC和0,BUFF与NREC的使用大有开发余地。若BUFF=192,NREC=192，则每次输出一个磁盘块；而BUFF=3072,NREC=3072，则一次可输出16个磁盘块到内存。实践证明，NREC取3072或4096为佳，既快又安全。

二、微分谱分析和软件稳谱模块原理及功能验证

1微分谱分析模块（SPCANAL）

微分谱分析模块流程如图3，其原理可分解为以下七个步骤：

（1）合成微分全谱。利用G714微分库，对一条或数条测线各点下视探头微分值按道合成，以获得统计性较好的微分全谱。

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式中：i——道；j——测点号；k——测线号。

（2）五点移动加权平均光滑滤波。滤波次数可以是一次或多次，滤波公式为：

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经实际数据实验证明，采用一次滤波即能取得较好效果。

（3）用逐次淹没法求全谱本底。即用迭代技术将能峰逐次淹没到真实背景水平，从而求出本底谱。具体做法是：

图3　SPCANAL模块框图

将微分谱从40道至251道分为22个段（Ply）,88个节（Bin）。每个段由4个节组成，每个节由1道，2道或3道组成。具体分配如图4，图中：

图4　逐次淹没法求本底各道分段分节示意

自Bin（1）至Bin（8）共2个Ply，对应40至47道。

自Bin（9）至Bin（36）共7个Ply，对应 至 道

自Bin（37）至Bin（84）共12个Ply，对应

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至

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道。

自Bin（85）至Bin（88）共1个Ply，对应248至251道。

由于伽马能峰的宽度从低能区到高能区是逐渐变大的，又由于希望每一能峰能包括5～7个节，故每个节所包含的道数是递增的；第85～88节每个节只包括1道，这是因为这个区间内设有能峰，另一原因是为使节的总数目成为4的倍数。低能区每个节也只包括1道，是因为考虑到在低能区能峰有可能较密集。

迭代开始，首先对各个节内各道计数求平均值BBIN。做为该计数，将每一节的计数与左，右相邻两段内同样节号的两个节计数的均值做比较，如果此平均值小于该节计数，则以此均值替代该节计数。如对于第4段第3节，取第3段第3节及第5段第3节计数相加除以2，如果此平均值比第4段第3节计数更小，则以此平均数做为第4段笫3节的计数，然后用相邻节的计数内插求出各道计数，再与各道原始计数做比较，如原始计数更低，则取原始计数为该道计数。如此迭代八次，所得之各道值即为欲求之本底谱。

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式中：i——段号；j——段内节号；（i·4+j）—总节号。各道之值为：

对9——36段：

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对37—84段：

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对1～8段及85～88段，道计数与节计数是一致的；

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式中：m为道号。

（4）求净峰谱线：计算净峰面积。总谱线逐道扣除本底谱即得净峰谱，按窗口累加即可求出净峰面积。

（5）一次微商。求一次微商是为了更准确地寻找峰位，微商计算公式如下：

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（6）六点判据求峰位。利用微分谱寻找峰中心位置的六点判据如图5。选择六点判据是考虑到伽马能峰应具有相当宽度，道数太少会形成误判，而道数太多又会造成丢失，其判别计算公式为：

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式中：CH为峰中位值。

图5　求峰位示意图

程序运行报告将全部满足（9）式之峰中位值列表打出。

（7）用行打绘全谱图及微分谱图。为了在行打上绘出全谱图及微分谱图，编写了两个子程序，各有十种比例尺可供自动选择。在以上各处理步骤之间均可调用子谱图程序，以便直接检查运算情况。

2软件稳谱模块（SFSTBL）

图6为软件稳谱模块流程，根据谱分析报告，对比实际峰中位值与理想值，当峰漂显著时（如，可假设当 Th的262MeV能峰漂移超过五道时，则认为峰漂显著），调正软件窗口值，利用微分谱重新组合积分窗口计数，将新窗口计数输出，形成替代数据文件，供32/57库管理程序DBFIX调用，修改积分库中相应值。

3程序功能实际验证

微分谱分析和软件稳谱两模块的主要功能实际验证如下：

（1）评价峰移及峰漂。

铜陵工区多数架次仪器调节很好并较稳定。如21架次及28架次，经谱分析检查峰漂小于一道。但第2架次仪器未调整好，经谱分析检查发现峰移六道之多。

（2）实现软件稳谱。

图6　SFSTBL程序框图

对第2架次各测线下视探头重新计算了窗口值，按测线建立了替换文件，改正了积分库相应数据，达到了软件稳谱目的。

（3）验算多道谱仪部分参数。

利用第28架次水面不同高度飞行数据所做谱分析结果，经相关分析可求得多道谱仪的某些参数，并与83年渤海飞行所得之结果做比较，现将比较结果列于表1。

对比表1的结果，可发现1983年渤海飞行计算所得之 及K下的飞机本底偏高，其他参数均较一致。

（4）谱分析程序还为全谱拟合求解U,Th,K三组分做了准备。

表1　航空多道伽马能谱仪参数检验

三、多道能谱积分库数据处理

积分库数据处理成图过程中，数据带转贮入库，数据编辑及错误修正均可借用SEL32/57数据处理专用软件完成，有关能谱数据的处理方法与程序为新增内容，它们包括：①有效高度换算模块HSTAT；②能谱分项校正模块MULT01；③能谱特殊参数及比值计算模块MULT02。

1有效高度换算模块（HSTAT）

本模块为 MULT01模块进行高度校正准备高度参数值。程序使用了 AD590M机外温度计，1241M气压高度计及265无线电高度计的输出参数。模块流程见图7。

图7　MULT01流程图

将测量高度换算为标准环境下（一个大气压，0℃温度）的有效高度，主要取决于空气密度，而空气密度与气压，温度关系较密切。在测量参数中，将气压高度计输出根据“The Encyclopedia of Atmospheric Sciences and Astrogcology,1967”标准，转换为气压值，便可近似计算出有效高度值，公式为：

H ´（I）=H（I）·K0/K（I）·mmHg（I）/atm

式中：K0为绝对0度（－27316℃）；atm为标准大气压（760mmHg）；H,K,mmHg为由测量值经转换获取的高度，绝对温度及气压值；H´为有效高度。

2能谱分项校正模块（MULT01）

本模块完全放弃了四道能谱仪综合修正背景的作法，充分利用了多道谱仪具有上勘晶体和宇宙射线窗口的优势，采取了逐点分项校正的方法。模块流程见图8。

可以证明，02→30MeV能量范围内各窗口受宇宙射线的影响与字宙射线窗口的计数值成良好的线性关系。因此，有可能利用宇宙射线窗口计数剥离掉测量窗口的宇宙射线成分。

图8　MULT01流程图

同样可以证明，上勘探头铀道计数与下勘探头受大气氡的影响成比例关系。因此，可以利用上测计数近似地剥离下勘各窗口受到的氡气影响。

此程序对原始能谱数据进行了以下修正处理：

①飞机本底修正；②宇宙射线修正；③死时间修正；④高度修正；⑤超高统计；⑥康普顿散射修正；⑦大气氡修正；⑧三点递推圆滑；⑨含量换算；⑩结果统计；（11负）值归0；（12记）库并打印报告。

3能谱特殊参数及比值计算模块（MULT02）

本模块是为能谱数据地质应用编制的后继程序。它计算三种窗口含量比值和一种放射性找矿特征参数、对区分岩性及地质找矿有独到功用。在计算以上参数时，遇到的主要问题是个别数据数值过小而引起当其作为分母时比值值域过大。为解决此问题，设置了各窗口元素阈值，凡小于阈值的数据点经与周围数据内插而仍无明显改善者，均废弃为0。模块流程见图9。

图9　MULT02流程图

参考文献

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[10]Scintrex,Inc,Canada,User´s Manualfor DBRAD2,1980

A SOFTWARE PACKAGE FOR PROCESSING OF DATA OF AIRBORNE GAMMA—RAY MULTICHANNEL SPECTROMETER

Zhang Yu jun, Wang Nai dong aud Zhang Zhi min

（Aero-Geophysical and Remote Senssing Centre,MGMR）

Abstract A software package for processing of data of airborne gamma-ray multichannel spectrometer under the hardware and software circumstances of computer SEL 32/57 is presentedThe package consists of 7 modulesEach module consists of several subroutinesThe source programs are written in FORTRANThere are more than 2200 statements in the package（excluding the comment lines）For seeking ater background spectrum,an iterative technique called gradual annihilation method is used in the modulefor analysis of differential spectrumA Four years' application of the software package in production has proved the stability of operation and the correctness of the technique and the theory used in the programsThis software package comes up to the level of the similar ones overseas

原载《物化探计算技术》，1989,Vol11,No1。

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