ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ВЕДЕНИЯ ВОЗДУШНОЙ РАДИАЦИОННОЙ РАЗВЕДКИ МЕСТНОСТИ ДИСТАНЦИОННЫМ МЕТОДОМ
OPTICAL-ELECTRONIC SYSTEM FOR REMOTE AERIAL RADIOLOGICAL SURVEY

Использование: ведение воздушной радиационной разведки местности (ВРРМ) в интересах обеспечения радиационной защиты войсковых подразделений.
Сущность изобретения заключается в разработке оптико-электронного комплекса для ведения ВРРМ дистанционным методом, обеспечивающего измерение плотности энергетической яркости флуоресценции в УФ диапазоне спектра возникающей при ионизации атмосферного азота и преобразование получаемой информации в видимое изображение распределения уровней радиоактивного загрязнения на подстилающей поверхности.
Технический результат: повышение оперативности ведения ВРРМ и достоверности данных инструментальных измерений за счет снижения времени полета летательного аппарата и получения панорамного изображения распределения уровней радиоактивного загрязнения на местности.
Изобретение относится к области исследований по разработке и созданию технических средств для оснащения войсковой системы радиационной разведки.
Анализ состояния вопроса и актуальность изобретения.
Главный недостаток, присущий существующим войсковым средствам ведения ВРРМ, заключается в используемом локальном методе получения данных о параметрах радиационных полей, основанным на регистрации прямого гамма-излучения в точке радиоактивно загрязненной местности (РЗМ) находящейся под летательным аппаратом (ЛА) в момент измерения.
Используемые при этом алгоритмы обработки поступающей информации, не способны учитывать все случайные и систематические погрешности обусловленные неравномерностью распределения радиоактивных загрязнений возникающей в результате естественной турбулентности атмосферы, влияния рельефа местности, сепарации радионуклидов и т.д. Соответственно, полученные в ходе ведения ВРРМ результаты, являются усредненными характеристиками параметров РЗМ для большого участка местности и проводимая на их основе оценка РО (прогнозирование доз радиоактивного облучения военнослужащих действующих в зонах РЗМ), всегда будет отличаться низкой достоверностью.
Хотя воздушная разведка является одним из самых оперативных средств получения данных о масштабах и степени радиоактивного загрязнения, ее проведение заключается в длительных пролетах ЛА над районом загрязнения способом «галсирования», т.е. по параллельным линиям, находящимся на относительно небольшом расстоянии друг от друга, что бы обеспечить необходимую плотность точек контроля. При этом повышение оперативности ведения ВРРМ локальным методом возможно только за счет увеличения расстояния между галсами пролета ЛА, что влечет за собой уменьшение плотности точек контроля и, как следствие, значительное снижение достоверности оценки РО.
Эти и другие отрицательные факторы приводят к значительной ошибке в определении масштабов и уровней радиоактивности в зонах загрязнения, а поскольку величина радиационных потерь в той или иной зоне загрязнения пропорциональна ее площади, в конечном итоге и к увеличению ошибок в принятии решений по радиационной защите войск.
Автором предлагается создание технического средства ведения ВРРМ, принцип работы которого основан на дистанционном методе ведения разведки, в частности, регистрации флуоресценции атмосферного азота под действием ИИ. Ведение ВРРМ с использованием устройства основанного на данном методе позволяет более оперативно решать поставленные задачи, так как не требует длительного времени полета за счет получения панорамного изображения местности на значительной площади.
Описание изобретения.
Метод дистанционного обнаружения радиоактивных объектов основанный на регистрации поля яркости УФ-флуоресценции атмосферного азота под действием ионизирующих излучений известен довольно давно [1].
Экспериментальный спектр флуоресценции азота воздуха под действием ИИ приведен на фигуре 1. Представленные данные показывают, что наиболее интенсивно азот флуоресцирует на длинах волн 315,9 нм, 337,1 нм и 357,7 нм. Известно, что при этом выход флуоресценции линейно зависит от мощности дозы (МД) ионизирующего излучения.
Данный метод уже используется для решения задач наземной радиационной разведки, в частности, реализован в различных типах аппаратуры дистанционного обнаружения источников ионизирующих излучений (ИИИ) для специальной техники войск РХБ защиты [2]. Использование данных образцов для решения задач РР не получило дальнейшего развития, в виду низкой эффективности их применения на горизонтальных трассах, где влияние прямого УФ излучения Солнца очень велико. Однако при ведении разведки с вертикальных трасс сканирования (с ЛА) влияние прямого УФ излучения будет значительно ниже.
Таким образом, суть изобретения заключается в реализации практической возможности получения фототелевизионного изображения радиоактивного загрязнения подстилающей земной поверхности по соответствующим градациям УФ освещенности в информативном диапазоне излучения флуоресценции атмосферного азота. Данное устройство представляет собой оптико-электронный комплекс (далее комплекс) воздушной фототелевизионной разведки сканирующий подстилающую поверхность в УФ диапазоне с полосами пропускания на вышеуказанных линиях флуоресценции азота и позволяющую получать панорамное изображение РЗМ в реальном режиме времени. Зоны загрязнения, в этом случае, могут быть представлены в виде проекции пространственно-яркостной структуры атмосферы светящейся в УФ области, на подстилающую поверхность. Значения энергетической яркости, для любой точки этой проекции, будут зависеть от поглощенной энергии ионизирующего излучения (ИИ) в атмосфере над подстилающей поверхностью и, следовательно, изображение РЗМ в УФ диапазоне может быть «проградуировано» в уровнях радиации.
Известен способ и устройство для его реализации, где заложены вышеизложенные принципы. Наиболее близкий прототип заявленного комплекса предназначен для наблюдения изображения местности и одновременного измерения спектра отражения или излучения в отдельных его точках [3]. Достигаемым техническим результатом прототипа является возможность точного измерения спектральных характеристик одновременно с измерением координат точек объекта, в которых производятся спектральные измерения.
Блок-схема прототипа включает оптическую часть, матрицу фоточувствительного прибора с зарядовой связью (ФПЗС) выполненную со схемой управления, блок обработки видеосигнала, блок синхронизации и управления, блок консервации информации, сцецвычислитель и контрольный дисплей, причем оптическая часть включает в себя набор светофильтров для селекции соответствующей части спектральной зоны, эталонный объект опорного белого цвета (для калибровки каналов), объектив, выход которого подключен ко входу блока обработки видеосигнала, а управляющий вход - к выходу блока синхронизации и управления, причем выход спецвычислителя подключен ко входу контрольного дисплея. Видеоспектрометр [3] содержит для каждой спектральной зоны свой нормированный светоделенный телевизионный канал, в каждом канале выход блока обработки видеосигнала подключен к соответствующему входу спецвычислителя.
Однако указанный прототип нельзя применять для достижения приведенного выше заявленного технического результата по следующим причинам:
- прототип не позволяет получать панорамного изображения распределения плотности энергетической яркости флуоресценции в УФ диапазоне, при этом обеспечивая возможность получения фототелевизионного изображения подстилающей поверхности с измерением спектра излучения видимого диапазона в отдельных ее точках;
- в устройстве [3] используется набор нормируемых светофильтров позволяющих работать только в видимом диапазоне спектра, что исключает их применение для УФ диапазона;
- отсутствует возможность калибровки спектральных каналов по МД в точке земной поверхности.
Получение фототелевизионного изображения РЗМ в УФ диапазоне с ЛА является достаточно сложной задачей. Основным мешающим фактором является естественный фон солнечного излучения в диапазоне 290-380 нм оказывающий существенное влияние на величину минимального уровня сигнала поступающего от обнаруженных радиационных полей. При этом вклад отраженного от земной поверхности УФ излучения, незначителен по сравнению с прямым солнечным излучением. В этой связи, размещение комплекса на ЛА имеет значительное преимущество по сравнению с наземным вариантом, так как, в этом случае, можно максимально исключить попадание на детектор прямого излучения из верхнего полупространства.
Контраст изображения РЗМ будет определяться превышением сигнала флуоресценции зондируемого объема атмосферы над РЗМ, приходящегося на элемент разложения в поле зрения прибора над сигналом энергетической освещенности от восходящего излучения в атмосфере и шума приемного тракта. Поэтому основным этапом в алгоритме обнаружения и выявления радиоактивных объектов является электронно-цифровая обработка получаемого изображения, при этом характеристики изображения должны регулироваться электронным способом независимо от характеристик объекта. Соответственно для решения данной задачи нами был предложен комплекс на основе видеоспектрометра УФ диапазона с перестраиваемым акустооптическим фильтром (АОФ).
Акустооптический фильтр - оптический фильтр, селективные свойства которого обусловлены взаимодействием с монохроматическими, акустическими сигналами, формируемыми световыми волнами, длины которых, с достаточной точностью удовлетворяют условию Брэгга. Такие фильтры позволяют выделять из широкого спектра оптического излучения достаточно узкий интервал длин световых волн с возможностью перемещения их по оптическому спектру в широких пределах. Действие АОФ основано на использовании дифракции света на ультразвуке (акустооптической дифракции) в твердых телах. Конструкция АОФ позволяет управлять характеристиками оптического излучения (амплитудой, поляризацией, спектром, составом светового сигнала и др.), а также обрабатывать информацию, носителем которой является световая или акустическая волна.
Таким образом, еще одним близким прототипом заявленного комплекса является акустооптический спектрометр видимого и УФ диапазона [4]. Однако данный прототип предназначен для проведения научных исследований в лабораторных условиях, где требуется использование методов дифференциальной спектроскопии, не имеет фототелевизионного канала и не может применяться для получения изображения светящихся и излучающих в УФ диапазоне объектов с ЛА.
Заявленный комплекс отличается тем, что использует сочетание перестраиваемого АОФ с ФПЗС-матцей в одном измерительном электронном видеотракте формирующем фототелевизионное изображение УФ освещенности над радиоактивно загрязненной земной поверхностью в спектральной зоне пропускания АОФ для длин волн 315,9 нм, 337,1 нм и 357,7 нм, характерных для флуоресценции азота воздуха.
Видеоспектрометрические системы на базе перестраиваемых АОФ обладают большей функциональной гибкостью, чем видеоспектрометры с турелью оптических спектральных фильтров [3]. Отсутствие механических подвижных частей обеспечивает их высокое быстродействие (время перестройки из одного спектрального интервала в другой составляет несколько микросекунд), что особенно важно при выполнении спектрометрирования с ЛА.
В качестве фотоприемника в видеоспектрометрах применяют матрицы или линейки ФПЗС.
Достоинствами сочетания перестраиваемого АОФ с ФПЗС в одном измерительном видеотракте являются:
- значительное расширение динамического диапазона измерений за счет работы АОФ в режиме аттенюатора;
- полное использование возможностей оптической системы и фоточувствительной поверхности ФПЗС за счет работы АОФ в режиме оптического затвора при кадровом спектрометрировании;
- обеспечение одинакового отношения сигнал/шум во всем рабочем диапазоне за счет раздельной регулировки крутизны передаточной характеристики тракта в каждом спектральном интервале;
- возможность осуществления видеоспектрометрирования в режиме временной задержки и интегрирования, что существенно увеличивает отношение сигнал/шум и повышает точность спектральных измерений.
Алгоритм видеоспектрометрирования организуется бортовой микро-ЭВМ и включает в себя последовательную перестройку спектральной зоны пропускания АОФ, автоматическую коррекцию неравномерности спектральной чувствительности и автоматическое регулирование светового режима ФПЗС, а также нормализацию выходных спектрометрических данных. Режим видеоспектрометрирования упрощает задачу географической привязки спектрометрических данных по сравнению с горизонтальными трассовыми измерениями.
Кроме того, наряду с рассмотренным простым режимом видеоспектрометрирования возможно осуществление режима «вычитания фона» и выборочного (селективного) режима, который имеет два этапа. На первом этапе, формируются двумерные изображения исследуемого фрагмента поверхности в трех-четырех спектральных интервалах, и по ним, производится автоматическая идентификация участков РЗМ. На втором этапе двумерные изображения формируются в существенно большем числе спектральных интервалов, но считываются только те элементы изображений, которые соответствуют участкам, выбранным на первом этапе.
С целью повышения различимости РЗМ на фоне подстилающей поверхности с априорно неопределенной или изменяющейся спектрально-энергетической характеристикой (структурой), в качестве фототелевизионного канала целесообразно использовать спектрально-адаптивную телевизионную систему (САТС). В отличие от простых видеоспектрометров САТС осуществляет формирование спектросовмещенных изображений. В этой системе процесс спектральной адаптации сводится к последовательному выполнению следующих этапов:
- видеоспектрометрирование исследуемого фрагмента;
- вычисление контрастно-спектральной характеристики объект-фон (причем спектрограмма объекта может быть априорно задана);
- формирование спектросовмещенного телевизионного изображения фрагмента поверхности.
Использование САТС обусловлено необходимостью увеличения контраста светящейся области над РЗМ и фона при малых уровнях энергии излучения УФ флуоресценции. Формирование спектросовмещенных изображений на фоточувствительной поверхности ФПЗС-датчика осуществляется с помощью одного АОФ, спектральная характеристика пропускания которого формируется из спектральных интервалах флуоресценции атмосферного азота и фона. Формирование изображения в оптическом звене САТС предпочтительнее, чем в электрическом тракте многодатчиковых телевизионных систем, поскольку используется один АОФ и один ФПЗС-датчик, что повышает отношение сигнал/шум спектросовмещенного изображения и существенно снижает габариты и вес оптико-электронного звена. Кроме того, это позволяет формировать нормальное двумерное изображение объекта и получать спектральную информацию за счет перестраиваемого фильтра. При этом каждый снимок может производиться на любой длине волны, в том числе все снимки могут делаться только на одной, заранее выбранной длине волны. Такие возможности позволяют копить заряды в ФПЗС-приемнике синхронно с движением ЛА, обменивая число рабочих спектральных каналов на радиометрическую точность.
В реальных условиях поток фонового излучения, кроме влияния зенитного угла Солнца, будет подвержен значительным вариациям за счет изменений аэрозольной составляющей атмосферы. Поэтому яркость изображения РЗМ также будет изменяться с изменением фонового излучения и, следовательно, зависимость яркости элемента изображения РЗМ от уровня радиации над этим элементом будет неоднозначной. Следовательно, при разработке комплекса должна быть предусмотрена возможность привязки (калибровки) яркости изображения РЗМ к уровням радиации. Для решения этой задачи целесообразно использовать позиционно-чувствительный гамма-телескоп (ПЧГТ).
Особенностью принципа действия ПЧГТ является использование позиционно-чувствительного детектора (ПЧД) с кодирующей апертурой [5]. Состав ПДЧ представляет собой поликристаллический сцинтиллятор, размещенный в контейнере из дюралюминия с оптическим окном из кварцевого стекла, нескольких световодов и ФЭУ. Кодирующая апертура состоит из системы вольфрамовых пластин, расположенных в горизонтальной плоскости в определенном порядке.
Принцип работы ПЧГТ основан на анализе последовательных изображений получаемых кодовых комбинаций формирующихся при прохождении гамма-излучения через систему вольфрамовых пластин и характеризующих точность направления ПЧГТ на точку местности или объекта, из которой исходит излучение. Защита детектора от влияния внешнего гамма-фона обеспечивается с помощью плоских свинцовых пластин.
Архитектура основных составляющих заявленного комплекса, иллюстрируется блок-схемой представленной на фигуре 2.
Одним из важнейших каналов комплекса является электронный тракт, поскольку он формирует выходное телевизионное изображение светящейся области над РЗМ и управляет работой всех подсистем и блоков.
Он состоит из фототелевизионного канала на основе САТС 1, канала формирования обработки и визуализации сигнала (ФОВС) 2 и контроллера 3. Канал САТС включает входной оптический блок (объектив) 4, АОФ 5, ФПЗС-матрицу 6 выполненную со схемой интегральной электронной обвязки фотоприемника. Канал ФОВС включает входной аналоговый 7, цифровой 8 и выходной аналоговый 9 блоки, а также видеомонитор 10. Контроллер управления включает логическую схему 11 и органы управления 12. Компьютерный канал 13, включающий бортовую ЭВМ 14, интерфейс связи с ЭВМ 15 и органы управления 16. Канал гамма-калибровки 17, позволяющий проводить предварительную градуировку комплекса по уровням радиации на местности с использованием ПЧГТ с кодирующей апертурой 18 и блока обработки 19 для получения информации о МД гамма-излучения в заданных точках местности.
Заявленный комплекс работает следующим образом:
Поток УФ-излучения попадает во входной оптический блок 4 затем поступает в АОФ 5, где с помощью ультразвуковой волны создается объемная дифракционная решетка осуществляющая селекцию заданных спектральных составляющих (длин волн 315,9 нм, 337,1 нм и 357,7 нм). Полученные сигналы преобразовываются ФПЗС-матрицей в видеосигнал, который поступает через аналоговый блок 7 в цифровой блок 8, так как в общем случае сформированный фотоприемником видеосигнал не может быть подан непосредственно на монитор, поскольку обладает рядом специфических особенностей, главная из которых состоит в необходимости выделения разностного спектрального изображения РЗМ в спектре УФ флуоресценции. Другая особенность выходного видеосигнала состоит в том, что для улучшения качества изображения при низком уровне освещенности требуется его дополнительная обработка. Для преобразования видеосигнала к стандартному виду в канале ФОВС и предназначены цифровой блок 8 и два аналоговых модуля 7, 9. Таким образом, входным сигналом канала 2 является напряжение видеосигналов с выхода 1, а выходным - распределение освещенности на экране видеомонитора 10 и оцифрованные спектральные изображения поступающие в бортовую ЭВМ 14. Контроллер управления 3, с помощью логической схемы 11 формирует систему команд 12 управляющих отдельными модулями 7, 8, 9, а также синхронизирует работу блоков всего комплекса, в том числе процессы сопоставления плотности энергетической яркости флуоресценции в УФ диапазоне спектра и соответствующей этой величине МД в точках местности. Для этого используется канал гамма-калибровки 17. Калибровка проводится минимум по двум ИИИ с активностями, соответствующими граничным значениям измеряемой комплексом плотности энергетической яркости флуоресценции. При заданных параметрах полета ЛА, ПЧГТ направляется в точку расположения одного и второго ИИИ и проводится измерение МД. Обработанная информация 19 в виде электрического сигнала поступает через контроллер 3 в канал ФОВС, где ему присваивается определенная величина энергетической яркости, полученная в этой же точке при аналогичных параметрах полета каналом САТС 1. Значения энергетической яркости флуоресценции, лежащие в измеряемом комплексом диапазоне, определяются в соответствие с полученной линейной зависимостью изменения интенсивности УФ свечения от источника гамма-излучения с минимальной активностью к источнику с максимальной активностью. Непосредственно в процессе ведения воздушной радиационной разведки ПЧГТ выдает по команде логической схемы 11 информацию об уровне радиации для градуировки изображения РЗМ в выбранной точке. Компьютерный канал 13 осуществляет цифровую обработку видеоинформации, позволяет записывать и считывать из блоков канала ФОВС видеокадры, совмещает изображение подстилающей поверхности с проекцией зон загрязнения и выводит 16 на экран дисплея служебную информацию.
Список используемых источников
1. Донахью Т.М. Обнаружение высотных взрывов по флуоресценции атмосферы // ТИИЭР, 1965, т.53, №12, с.2293.
2. Пояснительная записка к техническому проекту на ОКР, шифр «Антидетонатор»: БУТИ 201219.703ПЗ. - СПб.: ГУДП СКБ ТНВ, 2001. - 139 с.
3. Способ измерения спектральных характеристик отражения или излучения объекта в любой точке его телевизионного изображения и видеоспектрометр, реализующий этот способ в реальном или условном масштабе времени. Патент Российской Федерации №2179375.
4. Акустооптический спектрометр видимого и Уф-диапазона. - М.: НТЦУП. - Mhtml:fale://D:\Пользователи\User10\Акустооптические приборы.mht.
5. Исследование принципов и методов обработки и передачи информации о РХБ обстановке, получаемой с помощью орбитальных средств: Отчет о НИР №5812 (заключительный); Руководитель А.Ю. Бойко; исполнители: С.Н. Соловых [и др.]. - Вольск-18: в/ч 61469, 2002. - 129 с.