СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ОПАСНОГО РАДИОАКТИВНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ МЕСТНОСТИ
METHOD OF DETECTING HAZARDOUS RADIOACTIVE CONTAMINATION OF AREA

Изобретение относится к области мониторинга радиационной обстановки, а именно к разработке способа поиска и обнаружения опасного радиоактивного загрязнения местности, и может быть использовано при создании технических средств ведения воздушного радиационного мониторинга местности.
Одной из основных задач экологического радиационного мониторинга местности является обнаружение и максимально достоверное определение параметров радиоактивного загрязнения местности и различных объектов в минимальные сроки, что позволит своевременно и целенаправленно привести в действие комплекс мероприятий по защите населения от воздействия ионизирующего излучения.
Известен способ радиационного мониторинга, основанный на регистрации гамма-квантов детектором, расположенным на летательном аппарате. Способ основан на приведении результатов измерений величин мощности дозы гамма-излучения на высоте ведения радиационного мониторинга к высоте 1 м при помощи пересчетных высотных коэффициентов [Комплекс ИМД-32. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ЖШ1.289.459 ТО. - М.: НИЦ СНИИП, 1997. - 85 с.].
Однако пересчетные коэффициенты существенно зависят от радионуклидного состава загрязнения, высоты полета и характеристик атмосферы (температура воздуха, влажность) [Израэль Ю.А., Стукин Е.Д. Гамма-излучение радиоактивных выпадений. - М.: Атомиздат, 1967. - 224 с.]. Поскольку указанные параметры или неизвестны, или известны с определенной ошибкой, результаты пересчета измеренных уровней радиации обладают некоторой погрешностью.
При увеличении высоты полета происходит трансформация спектра излучения и при достижении определенной толщи ослабляющего воздушного слоя он становится равновесным, теряя свои первоначальные особенности, что обуславливает возрастание погрешности определения высотных коэффициентов [Фано У., Спенсер Л., Бергер М. Перенос гамма-излучения. Пер. с англ. - М.: Госатомиздат, 1963. - 284 с.]. Кроме того, при увеличении высоты полета летательного аппарата над земной поверхностью происходит ослабление уровней радиации, что обуславливает возрастание статистической погрешности измерения.
В целом достижение приемлемой величины статистической погрешности измерения требует выработки компромисса между скоростью полета летательного аппарата, его высотой, а также временем проведения одного измерения. Выбор большего времени измерения позволит использовать менее чувствительный детектор излучения или увеличить высоту полета, но потребует снижения скорости мониторинга, так как в противном случае возрастет динамическая погрешность, характеризующая точность приведения измеренного уровня радиации к точке на земной поверхности, где он наблюдается.
С учетом указанных обстоятельств, воздушный радиационный мониторинг местности может осуществляться при полетах на высоте не более нескольких сотен метров, а скорость полета при этом не должна превышать 150-200 км/ч. Подобные ограничения не позволяют построить техническое средство детектирования, с помощью которого было бы возможно при полете с большой скоростью со значительной высоты осуществлять обзор широкой полосы местности, в короткие сроки выполнять мониторинг обширной области и достоверно устанавливать положение и конфигурацию районов радиоактивного загрязнения местности.
Такая возможность открывается при использовании дистанционного технического средства с широким углом поля зрения, основанного на регистрации флуоресценции атмосферного азота на фоне подстилающей земной поверхности в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне спектра. Такой способ позволяет уменьшить время, необходимое для сбора информации о полях ионизирующих излучений (ИИ), за счет высокой скорости ведения мониторинга и широкого угла поля зрения, а также уменьшить вероятность переоблучения персонала, осуществляющего мониторинг, за счет большой высоты полета.
Известен также способ дистанционного обнаружения радиоактивных объектов, основанный на регистрации поля яркости УФ флуоресценции атмосферного азота под действием ИИ [Уостервельт Д.Р. Лос-аламосская система обнаружения флуоресценции атмосферы [Текст] / Д.Р. Уостервельт, X. Термин // ТИИЭР. - 1965. - т.53. - №12. - С.2287; Донахью Т.М. Обнаружение высотных взрывов по флуоресценции атмосферы [Текст] / Т.М. Донахью // ТИИЭР. - 1965. - т.53. - №12. - С.2293]. Под действием ионизирующих излучений атмосферный азот флуоресцирует в УФ диапазоне спектра. Наиболее интенсивно он флуоресцирует на длинах волн 315,9 нм; 337,1 нм; 357,7 нм. При помощи электронно-оптического преобразователя УФ излучение преобразуется в видимую область, что позволяет визуально, на фотографии или телевизионном экране, наблюдать поля ионизирующих излучений. К основным недостаткам этого метода относятся наличие фоновых засветок солнечным излучением в диапазоне спектра 300-360 нм, в котором располагаются основные линии флуоресценции азота воздуха, а также невозможность определения расстояния до радиоактивно загрязненного участка местности при наблюдении на наклонных трасах.
7
Известен способ дистанционного обнаружения радиоактивных объектов при наблюдении на наклонных трасах, в основу которого положена возможность определения расстояния до радиоактивных объектов путем измерения значений интенсивности флуоресценции атмосферного азота в УФ диапазоне спектра на длинах волн 315,9 нм, 337,1 нм и 357,7 нм и определения различия величин ослабления излучения атмосферой на этих длинах волн [Пат. №2219566 Российская Федерация, МПК G01Т 1/169 Способ дистанционного обнаружения радиоактивных объектов [Текст] / Манец А.И., Алимов Н.И., Мозжилкин А.В., Соловых С.Н., Бойко А.Ю., Григорьев А.А.; заявитель и патентообладатель в/ч 61469. - №2001113992/28; заявл. 22.05.01; опубл. 20.12.03]. Данный метод требует использования фильтров в УФ диапазоне длин волн с узкими спектральными характеристиками, поскольку полуширины линий флуоресценции не достигают величин 10 нм, что предполагает использование высокочувствительных регистраторов излучения. Кроме этого, рассмотренный подход также имеет трудности реализации за счет необходимости уменьшения влияния фоновых засветок солнечного излучения.
Задача настоящего изобретения заключается в уменьшении влияния фоновых засветок при обнаружении опасного радиоактивного загрязнения местности и повышении на этой основе достоверности результатов воздушного экологического радиационного мониторинга местности.
В общем случае, средняя спектральная яркость неба сложным образом зависит от длины волны, при этом в диапазоне 300-400 нм яркость имеет четкий минимум при 325 нм и максимум около 360 нм [Афонин А.В. Моделирование спектральной освещенности элементов земной поверхности от небосвода в РЖ области спектра [Текст] / А.В. Афонин, В.В. Казанский, B.C. Яцык // Оптический журнал. - 2000. - т.67. - №10. - С.22-24]. Кроме этого функция яркости от длины волны является непрерывной и гладкой, а на некоторых участках может быть аппроксимирована простой линейной зависимостью.
Необходимо отметить, что приходящее из нижней полусферы, отраженное от подстилающей поверхности солнечное излучение зависит не только от яркости самого солнечного излучения, но и от коэффициента диффузного отражения (альбедо) подстилающей поверхности. Спектральная зависимость альбедо в ближнем УФ диапазоне спектра солнечного излучения является непрерывной и гладкой функцией и в УФ области спектра снижается до величин 0,05-0,1 [Афонин А.В. Моделирование спектральной освещенности элементов земной поверхности от небосвода в РЖ области спектра [Текст] / А.В. Афонин, В.В. Казанский, B.C. Яцык // Оптический журнал. - 2000. - т.67. - №10. - С.22-24]. То есть использование предлагаемого способа позволяет снизить на порядок значение фоновых засветок солнечного излучения. При этом появляется возможность использовать менее чувствительные фотоприемники излучения с уменьшенными массогабаритными характеристиками, либо улучшить индикационные свойства чувствительных фотоприемников излучения при неизменных массогабаритных характеристиках.
Поставленная задача изобретения решается получением изображения подстилающей земной поверхности с помощью матричных фоточувствительных детекторов на борту летательного аппарата в диапазоне длин волн флуоресценции атмосферного азота под действием ионизирующих излучений, а также изображения местности в диапазоне видимых длин волн и последующей обработкой этих изображений.
Рассмотрим изображения двух участков подстилающей поверхности, полученных на матричных фоточувствительных детекторах (например, ПЗС-матрицах) в диапазоне длин волн флуоресценции азота воздуха (315,9 нм; 337,1 нм; 357,7 нм) и видимом диапазоне длин волн. Каждая матрица изображений имеет определенное конечное значение элементарных ячеек, каждая из которых имеет свою яркость. На фиг.1 представлен вариант получения изображений на ПЗС-матрицах, расположенных на борту летательного аппарата.
Введем следующие обозначения. Нижними индексами тип обозначим величины применительно к элементарным участкам изображения подстилающей поверхности, а индексами ф и в обозначим величины, определяемые на длинах волн флуоресценции и в видимом диапазоне длин волн соответственно.
в
ф
В общем случае значения яркости каждой элементарной ячейки в флуоресцентном и видимом каналах различно в силу хода спектральной яркости атмосферы. При этом изображения в различных каналах для каждого участка полученных изображений в силу неоднородности подстилающей поверхности имеют различие яркости. Определим значения контраста между полученными изображениями двух элементарных ячеек т и п по различным каналам К и К как [Карасик В.Е. Лазерные системы видения [Текст]: учебное пособие / В.Е. Карасик, В. М. Орлов. - М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. - 352 с.]:
в
ф
где К, К - контраст между полученными изображениями двух элементарных ячеек m и n по видимому и флуоресцентному каналам соответственно;
mв
nв
L, L - яркость полученных элементарных ячеек изображений m и n по видимому каналу;
mф
nф
L, L - яркость полученных элементарных ячеек изображений m и n по флуоресцентному каналу.
В условиях, когда в поле зрения аппаратуры дистанционного зондирования заведомо отсутствуют участки РЗМ, введем поправочный коэффициент Θ, зависящий от выбора длин волн флуоресцентного и видимого каналов таким образом, чтобы скомпенсировать ход спектральной яркости солнечного излучения и альбедо:
<mrow><msubsup><mi>L</mi><mi>ф</mi><mo>/</mo></msubsup></mrow>
Под действием ионизирующих излучений над РЗМ происходит флуоресценция атмосферного азота. В этом случае яркость
изображения элементарного участка подстилающей поверхности в сигнальном канале можно представить следующим образом:
<mrow><msubsup><mi>L</mi><mi>ф</mi><mo>/</mo></msubsup></mrow>
где
- яркость элементарной ячейки полученного изображения по флуоресцентному каналу при флуоресценции азота воздуха;
ф
L - яркость элементарной ячейки полученного изображения по флуоресцентному каналу;
фл
L - яркость флуоресценции азота воздуха в полученном изображении по флуоресцентному каналу.
В общем случае при определении контраста возможно два варианта изменения яркости: флуоресценция азота воздуха имеет место на обеих элементарных ячейках изображения подстилающей поверхности или на одной из них.
<mrow><msubsup><mi>К</mi><mi>ф</mi><mo>'</mo></msubsup></mrow>
ф
В первом случае очевидно, что контраст
между двумя элементарными ячейками m и n полученных изображений по флуоресцентному каналу будет иметь значение меньше ожидаемого К, который был определен с помощью поправочного коэффициента Θ:
<mrow><msubsup><mi>К</mi><mi>ф</mi><mo>'</mo></msubsup></mrow>
Во втором случае контраст
равен:
фл
Как видно из выражений (4) и (5), значения контраста изображения элементарных участков подстилающей поверхности при наличии радиоактивного загрязнения на длинах волн флуоресценции отличается от значений контраста изображения этих же элементарных участков в видимом диапазоне длин волн с учетом поправочного коэффициента. Различия контраста определяется яркостью флуоресцирующего азота воздуха L.
В качестве сигнального канала предполагается использование диапазона длин волн 310-340 нм, в который попадают две линии флуоресценции азота воздуха под действием ионизирующих излучений, а фон солнечного излучения имеем локальный минимум в этом же диапазоне. Выбор видимого диапазона длин волн в качестве фонового канала обусловлен возможностью не только обнаруживать участки радиоактивного загрязнения местности, но и осуществлять привязку их местоположения к данным аэрофотосъемки.
На фиг.2 представлены результаты математического моделирования предлагаемого способа обнаружения зон опасного радиоактивного загрязнения. В качестве исходного изображения подстилающей поверхности был взят аэрофотоснимок в видимом диапазоне длин волн с разрешением 1 пиксел изображения - 5 м (фиг.2а). Исходное изображение усреднялось по яркости таким образом, чтобы смоделировать разрешение 1 пиксел - 50 м (фиг.2б). На обработанное таким образом изображение подстилающей поверхности в видимом диапазоне накладывалось модельное поле ионизирующих излучений - поле флуоресценции со случайным выбором координат центра внутри исходного изображения (фиг.2в). Размеры поля определялись произвольно, а распределение излучения флуоресценции описывалось нормальным законом. С учетом хода спектральной яркости солнечного излучения и изменения альбедо в УФ области спектра получено изображение подстилающей поверхности в диапазоне длин волн флуоресценции азота воздуха (фиг.2г).
Данные изображения (фиг.2б и фиг.2г) могут быть представлены в виде матрицы с размерами, определяемыми количеством элементов изображения (пикселов), и в цифровом виде представляют из себя набор чисел от 0 до 255 пропорционально яркости пиксела изображения.
С использованием формул (1) и (2) была получена матрица отношения контрастов соседних элементарных ячеек изображения на длинах волн в видимом и УФ флуоресценции диапазонах. На фиг.2д представлены результаты расчетов в виде изображения с разрешением 50 м в системе координат подстилающей поверхности, нормированные относительно диапазона полученных отношений контрастов. Как видно из представленных расчетных данных, отношения контрастов изменяются лишь на участках с наличием поля флуоресценции, то есть на участках местности с радиоактивным загрязнением.
Таким образом, эффективность данного способа по сравнению с существующими способами определяется принципиальной возможностью обнаружения опасного радиоактивного загрязнения местности при получении изображения подстилающей земной поверхности на длинах волн флуоресценции атмосферного азота под действием ионизирующих излучений, а также изображения на длинах волн видимого диапазона, при этом возможно обнаружение радиоактивного загрязнения местности по изменению контраста изображения, обусловленного флуоресценцией атмосферного азота под действием ионизирующих излучений, в каждом элементе пространственного разрешения изображения, относительно контраста изображения на длинах волн видимого диапазона.