Способ воздушной радиационной разведки радиоактивно загрязненной местности с лесным покровом
METHOD FOR AERIAL RADIATION SURVEY OF RADIOACTIVELY CONTAMINATED AREA WITH FOREST COVER

1 Область техники, к которой относится изобретение
Способ повышения достоверности воздушной радиационной разведки радиоактивно загрязненной местности с лесным покровом относится к области измерения интенсивности гамма-излучения над радиоактивно загрязненной местностью техническими средствами воздушной радиационной разведки.
2 Уровень техники
Известен способ коррекции измеренного значения мощности дозы, приведенного к уровню 1 м над поверхностью земли, посредством автоматического умножения этого значения на величину установленных вручную коэффициентов для учета вида подстилающей поверхности. Указанный способ реализован в авиационных измерителях мощности дозы типов ИМД-31 и ИМД-32. Выбираемые вручную виды подстилающей поверхности и соответствующие им корректирующие коэффициенты приведены в таблице [1-3].
Недостатком указанного способа является возможность учета лишь двух типов лесного покрова: с кроной и без кроны. Кроме этого при реализации данного способа отсутствует учет высоты лесного покрова и времени, прошедшего после начала формирования радиоактивного загрязнения местности. От указанных параметров зависит пространственное распределение радиоактивных выпадений в слое лесного покрова и на поверхности земли, что в свою очередь влияет на интенсивность гамма-излучения на высоте ведения разведки и на высоте 1 м над поверхностью земли.
По результатам расчета зависимости мощности дозы гамма-излучения от высоты измерения для различных периодов времени после начала формирования радиоактивного загрязнения местности установлено, что результаты воздушной радиационной разведки в районе с лесным покровом будут иметь погрешность в диапазоне от минус 78 до 2118%. Это означает, что величина мощности дозы на высоте 1 м от поверхности земли может быть занижена до 4 раз и завышена до 22 раз [4]. При этом способ-аналог позволит незначительно сократить погрешность до значений в диапазоне от минус 74 до 1271%. Поэтому осуществление радиационной разведки указанным способом может привести к существенному снижению достоверности.
Рассмотренный аналог выбран в качестве прототипа, так как обладает наибольшим сходством с предлагаемым способом.
3 Раскрытие сущности изобретения
В случае возникновения аварии на радиационно опасном объекте для достоверного и оперативного определения параметров радиоактивно загрязненной местности и различных объектов используют технические средства воздушной радиационной разведки местности. Их применение позволяет своевременно и целенаправленно привести в действие комплекс мероприятий по защите населения от воздействия ионизирующего излучения.
Методическая основа проведения измерения у существующих приборов воздушной радиационной разведки заключается в том, что для определения мощности дозы гамма-излучения в некоторой точке необходимо измерить мощность дозы над этой точкой на высоте полета летательного аппарата и умножить измеренную величину на величину кратности ослабления гамма-излучения слоем воздуха между высотой полета и исследуемой высотой. Величина кратности ослабления будет изменяться в соответствии с зависимостью мощности дозы над радиоактивно загрязненной местностью от высоты измерения. При этом на данную зависимость будет влиять лесной покров в районе разведки.
В начальный момент формирования радиоактивного следа на местности с лесным покровом значительная часть радиоактивных выпадений будет задерживаться в верхних слоях кроны деревьев, затем под действием ветра и атмосферных осадков плотность загрязнения будет смещаться вниз [4]. В результате этого пространственное распределение радиоактивных выпадений в районе с лесным покровом и без него будет значительно отличаться и, кроме этого, существенно изменяться в зависимости от времени, прошедшего после начала формирования радиоактивного загрязнения местности. От пространственного распределения радиоактивных выпадений зависит интенсивность гамма-излучения в каждой точке района разведки, в том числе на высоте ведения разведки и на высоте 1 м над поверхностью земли.
Поэтому отсутствие учета влияния лесного покрова может существенно снизить точность результатов воздушной радиационной разведки местности.
Предлагаемое изобретение осуществляют следующим образом. Во время радиационной разведки радиовысотомером измеряют высоту насаждений лесного покрова в районе разведки, вычисляют поправочный коэффициент по формуле
P
где H - высота ведения разведки, м;
Л
Н - высота лесного покрова, м;
ф
t - время, прошедшее после начала формирования радиоактивного загрязнения местности, ч.
Затем осуществляют радиационную разведку местности известными способами, измеряя мощность дозы гамма-излучения на выбранной высоте полета и пересчитывая измеренное значение к высоте 1 м умножением его на величину кратности ослабления гамма-излучения слоем воздуха между высотой полета и высотой 1 м над поверхностью земли [1-3]. После этого умножают полученное значение мощности дозы гамма-излучения на поправочный коэффициент К, вычисленный по предлагаемой формуле (1).
Зависимость (1) позволяет получить поправочный коэффициент, учитывающий влияние лесного покрова любого возможного типа и высоты при ведении разведки в период от 0,5 до 1000 часов после начала формирования радиоактивного загрязнения местности.
Предлагаемая формула (1) составлена на основе результатов аппроксимации зависимости мощности дозы гамма-излучения от высоты измерения для различных периодов времени после начала формирования радиоактивного загрязнения местности [4]. Изменение распределения плотности радиоактивных выпадений в слое лесного покрова и на поверхности земли представлено на фигуре 1.
Предел погрешности аппроксимации, в результате которой получена зависимость (1), определена методом вычисления наибольших отклонений аппроксимации от расчетных значений и составляет не более ±18%.
Технический результат изобретения - повышение достоверности воздушной радиационной разведки местности путем снижения погрешности, обусловленной влиянием лесного покрова в районе ведения разведки.
4 Краткое описание чертежей
На фигуре 1 показано изменение распределения плотности радиоактивных выпадений в слое лесного покрова и на поверхности земли для различных периодов времени после начала формирования радиоактивного загрязнения местности.
На фигуре 2 показана схема модели района разведки с лесным покровом в виде слоистой структуры, включающей:
- слой лесной кроны (1), имеющий толщину около 10 м;
- условно «пустой» слой (2), содержащий стволы деревьев;
- почвенный слой (3), имеющий небольшой разброс по высоте.
На схеме показан принцип измерения высоты лесного покрова с помощью радиовысотомера, установленного на летательном аппарате. Штрих-пунктирной линией показаны направления распространения излучаемого и принимаемого радиовысотомером сигнала.
0
М
D
На фигуре 3 показана временная диаграмма работы радиовысотомера с линейной частотной модуляцией. Верхний график показывает изменение частоты излучаемых (сплошная линия) и принимаемых (пунктирная линия) колебаний, имеющих среднюю частоту ƒ, период модуляции Т и девиацию частоты W. Нижний график воспроизводит изменение разностной дальномерной частоты F, называемой также частотой биений.
На фигурах 1-3 использованы следующие обозначения:
1 - слой кроны лесного покрова;
2 - слой стволов лесного покрова без кроны;
3 - слой поверхности земли;
Н - высота от поверхности земли;
Л
Н - высота лесного покрова;
С
Н - расстояние от летательного аппарата до поверхности кроны лесного покрова;
Р
Н - высота полета летательного аппарата;
V
A, - объемная активность радиоактивных выпадений;
ф
t - период времени после начала формирования радиоактивного загрязнения местности;
t - время;
ƒ - частота излучаемых и принимаемых радиовысотомером колебаний;
И
ƒ - частота излучаемых радиовысотомером колебаний;
С
ƒ - частота принимаемых радиовысотомером колебаний;
0
ƒ - средняя частота излучаемых радиовысотомером колебаний;
D
τ - время распространения сигнала радиовысотомера;
D
F - частота биений, равная разнице между частотой излучаемых и принимаемых колебаний;
W - девиация частоты;
М
Т - период модуляции.
5 Осуществление изобретения
Летательный аппарат, осуществляющий радиационную разведку местности, радиовысотомером измеряет не только высоту полета, но и высоту лесного покрова в районе разведки. Измерение высоты лесного покрова достигается применением радиовысотомера с линейной частотной модуляцией.
Лес является сложной поверхностью для математического моделирования и представлен широким многообразием. С точки зрения влияния на распределение и миграцию радиоактивных выпадений можно выделить два основных типа растительности:
- первый тип оказывает существенное влияние и может привести к значительным погрешностям при радиационной разведке;
- второй тип не оказывает существенного влияния, может обусловить малые погрешности и не нуждается в специальном учете.
В начальный момент формирования радиоактивного следа на местности с лесным покровом первого типа значительная часть радиоактивных выпадений будет задерживаться в верхних слоях кроны деревьев, затем под действием ветра и атмосферных осадков плотность загрязнения будет смещаться вниз. В насаждениях второго типа, наоборот, будет задерживаться незначительная часть радиоактивных выпадений и благодаря редкой плотности насаждений и более сильному ветру достаточно быстро смещаться в почвенный слой. Поэтому необходимость учета влияния растительных насаждений второго типа отсутствует.
К первому типу отнесены лесные насаждения, однородные по плотности насаждений и высоте растительности, например, зрелый сосновый бор, ко второму - неоднородные и редкие по плотности насаждений, например, редкий степной лес, одиночные деревья.
Первый тип леса можно представить в виде слоистой структуры. Например, сосновый бор, который не имеет подлеска, средняя высота взрослой сосны составляет 30 м, а зеленая часть деревьев находится в пределах от 25 до 35 м от земной поверхности. Стволы деревьев имеют малую площадь относительно площади кроны, поэтому в рассматриваемой модели их можно не учитывать, почвенный слой однородный и равномерный. Таким образом, лес первого типа с достаточно хорошей точности смоделирован в виде нескольких слоев:
- почвенный слой, имеющий небольшой разброс по высоте;
- условно «пустой» слой, содержащий стволы деревьев;
- слой лесной кроны, имеющий толщину около 10 м.
Схема исходной модели района разведки с лесным покровом в виде слоистой структуры представлена на фигуре 2.
Применение линейной частотной модуляции излучаемого сигнала позволяет применять высотомер с непрерывным излучением, обеспечивающий высокую точность и разрешающую способность. Определение высоты частотным методом сводится к измерению разности частот излучаемых колебаний за время распространения сигнала до подстилающей отражающей поверхности и обратно. Слой лесной кроны обладает как отражающей, так и пропускной способностью, поэтому одна часть излучаемых сигналов будет отражаться от поверхности леса, вторая часть - от поверхности земли [5, 6].
0
М
D
И
Работу высотомера при постоянном уровне высоты поясняет временная диаграмма, представленная на фигуре 3. Верхний график показывает изменение частоты излучаемых (сплошная линия) и принимаемых (пунктирная линия) колебаний, имеющих среднюю частоту ƒ, период модуляции Т и девиацию частоты W. Нижний график воспроизводит изменение разностной дальномерной частоты F, называемой также частотой биений. Частота излучаемых колебаний ƒ изменяется непрерывно по линейному закону со скоростью:
M
где Y - скорость изменения частоты излучаемых колебаний, Гц/с;
И
dƒ - дифференциал частоты излучаемых колебаний, Гц;
dt - дифференциал времени, с;
W - девиация частоты, Гц;
М
Т - период модуляции, с,
И
где ƒ - частота излучаемых колебаний, Гц;
0
ƒ - средняя частота излучаемых колебаний, Гц;
t - время, с.
C
D
Частота принимаемых колебаний ƒ аналогично изменяется непрерывно по линейному закону, но задержана на время распространения сигнала τ
C
где ƒ - частота принимаемых колебаний, Гц;
D
τ - время распространения сигнала, с;
С
Н- расстояние от летательного аппарата до поверхности кроны лесного покрова, м;
с - скорость света, равная 299704000 м/с.
D
Измеряя разность частот излучаемых и принимаемых колебаний, определим дальномерную частоту F (частоту биений)
D
где F - частота биений, Гц.
D
И
С
Выражение для (5) не учитывает провалы кривой F(t) в зонах обращения при ƒ≈ƒ, при учете которых частотомер зафиксирует среднюю частоту биений за период модуляции
C
где F - средняя частота биений, Гц.
D
М
C
D
С
При выполнении условия τ<<Т зонами обращения можно пренебречь, средняя частота биений F≈F. Следовательно, при симметричной линейной частотной модуляции значение расстояния Н пропорционально частоте биений
Аналогично происходит измерение высоты полета летательного аппарата. Высота лесного покрова определяется как разность между высотой полета и расстоянием от летательного аппарата до поверхности кроны лесного покрова
Измерение высоты полета и высоты лесного покрова может происходить с помощью анализатора спектра сигнала биений.
Критерием автоматического использования поправочного коэффициента является показатель полноты по степени сомкнутости крон, определяемый как частное от деления площади проекции крон, образующих полог древостоя, на общую занимаемую им площадь. В случае наличия под летательным аппаратом лесного покрова (первого типа) с полнотой по степени сомкнутости кроны, больше 0,5, на графике спектра частоты биений радиовысотомера будут различимы два пика, один из которых соответствует расстоянию до земной поверхности, второй - до верхней части кроны деревьев. При этом будет произведен автоматический расчет высоты лесного покрова и поправочного коэффициента, а также осуществлено корректирование результатов радиационной разведки. В остальных случаях корректирование не потребуется, и на графике спектра частоты биений радиовысотомера второй пик будет отсутствовать.
Таким образом, осуществление предлагаемого способа позволит значительно повысить достоверность воздушной радиационной разведки местности путем снижения погрешности, обусловленной влиянием лесного покрова в районе ведения разведки. Реализация способа происходит автоматически и не требует выполнения дополнительных действий, а также не снижает остальные показатели разведки: оперативность и полноту.
Список литературы
1 Измеритель мощности дозы ИМД-31. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. ЖШ1.289.183 РЭ [Текст]. - 132 с.
2 Измеритель мощности дозы ИМД-31-01. Руководство по технической эксплуатации. ЖШ1.289.183-01 РЭ [Текст]. - 1986. - 246 с.
3 Комплекс ИМД-32. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ЖШ1.289.459 ТО [Текст]. - М.: НИЦ СНИИП, 1997 - 85 с.
4 Кожевников, Д.А. Оценка влияния лесного покрова на результаты воздушной разведки радиоактивно загрязненной местности [Текст] / Д.А. Кожевников // Аппаратура и новости радиационных измерений / НПП «Доза» - М., 2017. - №4 (91). - С. 55-68.
5 Зубкович С.Г. Статистические характеристики радиосигналов, отраженных от земной поверхности [Текст]. - М.: Советское радио, 1968. - 224 с.
6 Смирнов Н.В. Исследования работы радиовысотомера с линейной частотной модуляцией над лесной поверхностью: Пояснительная записка магистра [Текст]. - Екатеринбург: УрФУ, Институт радиоэлектроники и информационных технологий, 2015 - 146 с.