СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ ВЫСОТ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G01S17/66 G01S13/64 

Изобретение относится к радиационному приборостроению, а именно к управляемым импульсным рентгеновским приборам.

Известны способы измерения малых высот и рентгеновские высотомеры малых высот (ВМВ), разработанные в США и описанные в [1]
Измерение высоты в них основано на активной локации генератором поверхности отражения и приеме отраженного импульса сцинтилляционным детектором. Высотомеры содержат передатчик-генератор рентгеновских импульсов с трубкой триодного типа, приемник пластмассовый сцинтиллятор с быстрым ФЭУ и устройство для регулирования длительности и частоты следования импульсов.

Их недостатками являются: небольшой диапазон измеряемых высот, требование обязательной стабилизации тракта прием-передача по первичному излучению, а также зависимость от типа отражающей поверхности.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемым техническим решениям является способ измерения малых высот и устройство для его осуществления [2] Способ измерения малых высот основан на выделении максимума обратно рассеянных квантов, регистрируемых детектором. Для этого облучают поверхность отражателя рентгеновскими импульсами длительностью 10 нс, отраженные кванты регистрируют, усиливают их, а из импульсов зондирующего излучения формируют строб-импульсы длительностью по 10 нс, сдвинутые относительно друг друга на 15 нс. Далее определяют число отраженных рентгеновских квантов, пришедших за время действия строб-импульса, и выравнивают статистику квантов, рассеянных воздухом на различных расстояниях от детектора, регулируя уровень фоновых импульсов.

Одновременно определяют положение пары строб-импульсов на временной оси и максимум сигнала рентгеновского импульса от отражателя. При уменьшении этого сигнала останавливают стробы и меняют геометрию, т.е. расстояние до отражающей поверхности. Далее процесс измерения повторяют до получения максимума отраженного рентгеновского импульса в новой геометрии. Таким образом, в известном способе узкий строб, синхронизированный частотой работы рентгеновского генератора, последовательно "просматривают" локализованные объем воздуха и поверхность отражателя, идентифицируя кванты, рассеянные отражателем и воздухом.

Этот способ реализован в устройстве, описанном в /2/ и являющимся наиболее близким к предлагаемому техническому решению. Устройство содержит рентгеновский передатчик РП, состоящий из источника питания, модулятора и рентгеновской трубки, детектор (блок детектирования БД), соединенный с усилителем, к выходу которого подключены первые входы ключей К1 и К2. Устройство включает в себя также формирователь стробов, выходы которого подсоединены ко вторым входам ключей: на ключ К1 непосредственно, а на ключ К2 через линию задержки, вследствие чего строб-импульсы сдвинуты относительно друг друга на 15 нс. Таким образом, сигнал от формирователя стробов управляет обоими ключами, выходы которых соединены с интеграторами один и два соответственно. Выходы первого интегратора через параллельную цепочку из дискриминатора верхнего уровня и дискриминатора нижнего уровня, соединен с регулятором уровня, выход которого подключен к модулятору. Выход второго интегратора соединен с 1-ым входом схемы сравнения и через формирователь порога со вторым входом схемы сравнения.

Выход схемы сравнения соединен с генератором пилообразного напряжения, подключенным к первому входу регулируемой линии задержки, второй вход которой соединен с модулятором, а выход с формирователем строба.

Недостатками известных способа и устройства являются:
значительная вероятность пропуска поверхности отражателя;
вероятность срыва сопровождения поверхности отражателя, приводящая к необходимости повторного "просмотра" всего диапазона измерений;
невысокая точность измерения высоты из-за систематической ошибки, связанной с формой отраженного сигнала, поскольку выделение максимума пика этого сигнала и "просмотр" поверхности отражателя осуществляется с помощью только одного строба, в котором положение центра тяжести максимума пика отраженного сигнала не соответствует значению высоты, которая связана с фронтом этого пика отраженного сигнала.

Целью предлагаемых технических решений является устранение указанных недостатков с помощью новой схемы динамического стробирования, исключающей пропуск информации и повышающей точность измерения высоты. Кроме этого предлагаемые решения дают возможность получить дополнительную информацию о мгновенном значении вертикальной скорости (скорости изменения высоты).

На фиг.1 представлена структурная электрическая схема устройства, реализующего предложенный способ; на фиг.2 временные спектры отраженного излучения для десяти различных высот в области малых высот; на фиг.3а схематично приведены три строба информационной гребенки с зарегистрированным количеством отраженных импульсов N_II, N_III на верхней границе диапазона измеряемых высот N1; на фиг.3,б гистограмма счета N_I, N_II, N_III, на фиг.3,в гистограмма счета с учетом весовых коэффициентов K_I, K_II, K_III; на фиг.4 временные спектры отраженного излучения для разных высот, три строба информационной гребенки и соотношения счета в стробах, смещение информационной гребенки при движении вниз 4,а, б, в и вверх 4г, д; на фиг.5 калибровочная кривая "g_m" и угол ее наклона Θ на фиг.6 временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство (фиг.1) содержит рентгеновский передатчик 1, блок 2 детектирования, формирователь строба 3, управляемую линию задержки 4, многоотводную линию задержки 5, три схемы совпадения 6, 7, 8, три счетчика 9, 10, 11 и вычислитель 12.

Предлагаемый способ измерения малых высот заключается в том, что с помощью рентгеновского передатчика облучают поверхность отражателя импульсами зондирующего излучения с фиксированной частотой следования и длительностью τ Отраженные окружающей средой (воздухом) и поверхностью отражателя рентгеновские кванты регистрируют сцинтилляционным блоком детектирования. Временной спектр этих отраженных квантов на разных высотах представлен на фиг.2. Формируют стробы одинаковой длительности и определяют их положение на временной оси. Три строба I, II, III, прилегающих друг к другу (см. фиг.3), жестко привязанные к моменту испускания зондирующего импульса и несущие информацию о высоте, объединяют в информационную гребенку. По положению информационной гребенки на временной оси следят за направлением движения относительно поверхности отражателя и дискретно сдвигают ее в ту или другую сторону по оси, на время, равное длительности одного строба τ_стр
В каждом из трех стробов регистрируют количество отраженных квантов: N_I, N_II, N_III (см. фиг.3,а).

На высотах, превышающих верхний предел измерения высоты, Н > Нмах, где отсутствует полезный сигнал и регистрируются только кванты, отраженные от воздуха, выполняется соотношение
N_I > N_II > N_III (фиг.3,б) т.е. максимальное количество импульсов накапливается во II-ом стробе. Чтобы придать устойчивость системе измерения, значения N_I, N_II и N_IIIдомножают на фиксированные весовые коэффициента K_I, K_II, K_III. Коэффициенты подбирают так, чтобы на верхней границе диапазона измерения высоты (фиг.3,а) с вероятностью не ниже заданной, выполнялось соотношение
K_II N_II > K_I N_I или N_III' > N_I'
K_II N_II > K_III N_III или N_II' > N_III', где N_I' K_I ˙N_I; N_II' K_II ˙N_II ˙N_III' K_III ˙N_III (см. фиг.3,в), очевидно, K_II > K_I и K_II > K_III
Таким образом, на высотах, лежащих за пределом верхней границы диапазона измерения, приведенный максимум пика отраженного сигнала находится во II-ом стробе.

В случае движения к поверхности отражателя (вниз) максимум пика отраженного сигнала смещается в область 1-ого строба (фиг.4). После того, как центр тяжести максимума пика перейдет границу II-ого и I-ого стробов, установится соотношение
N_II' < N_I'
Это соотношение служит сигналом, по которому сдвигают информационную гребенку в сторону меньших высот на время, равное длительности одного строба информационной гребенки τ_стр Поэтому III-ый строб как бы "исчезает", II-ой становится III-им, I-й становится II-ым и вновь появляется новый I-й строб (фиг. 4, а, б). При этом вновь выполняются соотношения N_II' > N_I' и N_II' > N_III'. При дальнейшем движении вниз максимум пика отраженного сигнала будет перемещаться в стробы информационной гребенки с меньшими номерами и тогда вновь сдвигают гребенку на время, равное длительности одного строба, в сторону меньших высот (фиг.4в).

При необходимости движения вверх максимум пика отраженного сигнала из области II-ого строба будет сдвигаться в область III-его строба. При этом после прохождения центром тяжести максимума пика границы второго и третьего стробов произойдет изменение соотношения счета и установится соотношение N_II' < N_III'. По этому сигналу сдвигают гребенку в область больших высот, тогда I-й строб "исчезает", II-ой строб станет I-ым, а III-ий станет II-ым, вновь появится новый третий строб и, тогда соотношение N_II' < N_III' станет N_I' < N_II', a N_II' > N_III' (фиг.4,г,д).

Из вышесказанного ясно, что при любом направлении движения (вверх или вниз) максимум пика отраженного сигнала всегда будет находиться во II-ом (центральном) стробе информационной гребенки, который и является носителем информации о высоте. Числовое значение высоты определяют по временному положению II-ого строба информационной гребенки относительно синхроимпульса рентгеновского передатчика. Для этого весь диапазон высот (от 0 до 30-50 м) разбивают на "виртуальные" стробы от 1 до К номеров. Любое положение стробов информационной гребенки на шкале "виртуальных" стробов имеет определенный номер: от 1 на нижней границе диапазона до "К" на верхней, т.е. 1,2,3.(m-1), m, (m+1).(K-2),(K-1)K.

Начальное положение стробов информационной гребенки имеет максимальные порядковые номера (К-2) (К-1)К (фиг.2,а).

Когда информационную гребенку сдвигают, то порядковые номера на шкале виртуальных стробов уменьшаются. Отслеживают на шкале виртуальных стробов три постоянно функционирующих строба, несущих информацию о высоте, т.е. информационную гребенку с максимумом пика отраженного сигнала во II-ом стробе и замечают номер этого строба на шкале вируальных стробов, например m. Строб с этим номером отстоит от момента излучения зондирующего импульса на время (m-1) τ_стр что соответствует высоте:
H где С скорость света.

Для более точного определения высоты, считают количество импульсов, накопленных за такт накопления в m-ном стробе N_m и в соседнем, прилагающем стробе m+1-N_m+1, домножают их на поправочные коэффициенты K_m, K_m+1 и получают N_m' и N_m+1'. Значение высоты Н' определяют по формуле H' H˙ q_m tgΘ
H′ + tgθ где Θ угол наклона калибровочной кривой q_m;
q_m калибровочная кривая
q_m=
q_m=
(фиг.5)
Калибровочная кривая в пределах длительности одного строба имеет линейную зависимость. Кривую снимают экспериментально. При этом целесообразно середину m-го настроечного строба размещать под границей m-го и m+1-го "виртуальных" стробов.

С помощью предлагаемого способа измеряют так же и мгновенное значение вертикальной скорости (скорость изменения высоты) VV по формуле
V где H(t_o) и H(t_o + τ_нак ) соседние значения измеренной высоты, отстоящие друг от друга по времени на такт накопления τ_нак
Устройство работает следующим образом.

Рентгеновский радиопередатчик 1 облучает наносекундными зондирующими импульсами поверхность отражения с заданной частотой (Т зонд) (фиг.6,а). Отраженные от поверхности и близлежащих слоев воздуха кванты регистрирует в блоке 2 (фиг. 6,б). Синхроимпульс передатчика 1, жестко привязанный к моменту испускания импульса рентгеновского излучения, запускает формирователь 3 строба (фиг.6,в), строб-импульс которого через линию задержки 4 поступает на линию задержки 5, где формируется гребенка из трех, примыкающих друг к другу, стробов одинаковой длительности и жестко привязанных к моменту испускания синхроимпульса передатчика (фиг.6,г, д, е). Стробы поступают на первые входы схем совпадения 6, 7, 8, на вторые входы которых поступают импульсы с блока 2. В схемах совпадений 6, 7, 8 происходит временная селекция импульсов, которые обусловлены зарегистрированными блоком 2 отраженными рентгеновскими квантами. Счетчики 9, 10, 11, подключенные к выходам схем совпадений 6, 7, 8 подсчитывают зарегистрированные в стробах импульсы. Вычислитель 12 управляет работой устройства: опрашивает и очищает счетчики 9, 10, 11, открывает их входы на такт накопления, осуществляет обработку накопленной информации. В зависимости от полученного результата вычислитель осуществляет управление линией задержки ЛЗ, 4, которая сдвигает информационную гребенку стробов относительно синхроимпульса передатчика 1 на время, равное длительности одного строба τ_стр по направлению движения. Вычислитель 12 выдает информацию о текущей координате H' и мгновенном значении вертикальной составляющей скоростей VV В предлагаемом устройстве малых высот модулятор передатчика 1 обеспечивает его работу в импульсном режиме с частотой следования зондирующих импульсов 1 МГц и длительностью не более 10 нс на половине амплитуды интенсивности, при этом квантовый выход РП составляет 10¹²-10¹³ квантов в секунду, их средняя энергия 60 кэВ, максимальная до 100-120 кэВ. Диаграмма направленности передатчика 2Ψ 80^о.

Импульсы, прошедшие схемы совпадений, поступают на программируемые таймеры. После накопления за заданный временный интервал (такт накопления) величина, соответствующая количеству пришедших импульсов, вводится в микропроцессорную системную по трем независимым каналам. Работой вычислителя управляет микропроцессор. По программе, записанной в ПЗУ, проводятся необходимые вычисления с выходными величинами. В зависимости от результата вычислений выдача команд управления линией задержки осуществляется через программируемый параллельный адаптер. Через него же передается информация о высоте и скорости в контур управления, либо на дисплей или иное устройство. Такт накопления информации устанавливается в зависимости от требований, предъявляемых к точности измерения высоты и скорости, и составляет 10-50 мс. Обусловлено это тем, что при заходе на посадку самолеты, космические аппараты и др. имеют, как правило, скорость 1-2, реже 3-5 м/с.

Измерение вертикальной скорости позволяет свести к минимуму динамическую ошибку измерения высоты. Характеристики устройства позволяют за такт накопления собрать достаточную статистику для реализации предложенного алгоритма без просчетов. Текущие значения данных, а также промежуточные результаты вычислений хранятся в ОЗУ. Синхронизация работы всех составных частей вычислителя осуществляется с помощью генератора. Системный контроллер шин данных и управления вырабатывает сигналы, управляющие работой составных частей вычислителя, а также повышает нагрузочную способность системной шины данных.

Кроме исключения динамической ошибки измерения высоты, устройство позволяет получать непрерывную информацию о высоте, так как сбой в работе устройства исключен за счет использования сдвигаемой, в зависимости от направления, трехстробной информационной гребенки. Более высокая точность измерения достигается также за счет исключения ошибки, связанной с положением максимума пика отраженного сигнала внутри второго строба информационной гребенки, которую учитывает поправочный член калибровочной кривой. Дополнительное преимущество устройства заключается в возможности измерения мгновенного значения вертикальной составляющей скорости движения.

Использование: радиационное приборостроение. Сущность изобретения: способ измерения малых высот заключается в том, что поверхность отражателя облучают импульсами с фиксированной частотой следования и длительностью τ, отраженные сигналы регистрируют, формируют стробы равной длительности и определяют их положение на временной оси, формируют информационную гребенку из трех однотипных стробов, прилегающих друг к другу, по положению на временной оси максимума отраженного сигнала следят за направлением движения и дискретно сдвигают гребенку в ту или другую сторону по оси времени на время, равное длительности строба, диапазон высот разбивают на виртуальные стробы, подсчитывают количество импульсов за такт накопления в m-ом и в m+1-ом стробе гребенки, умножают на весовые коэффициенты и вычисляют значение высоты. Устройство содержит один рентгеновский передатчик 1, один блок детектирования 2, один формирователь строба 3, две линии задержки 4,5, три схемы совпадений 6,7,8, три счетчика 9,10,11 и один вычислитель 12. 2 с.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ измерения малых высот, заключающийся в том, что поверхность отражателя облучают импульсами рентгеновского излучения, отраженные сигналы регистрируют, отличающийся тем, что весь диапазон измеряемых высот разбивают на K виртуальных стробов одинаковой длительности τ_стр по временной шкале и длительностью Cτ_стр/2 по шкале расстояний, где C скорость света, формируют информационную гребенку из трех однотипных стробов длительностью τ_стр, прилегающих друг к другу, жестко привязывают их к временной оси и виртуальным стробам, отслеживают центральный строб информационной гребенки и соответствущий ему номер m, где m ≥ 2, на шкале виртуальных стробов таким образом, чтобы максимум отраженного сигнала находился в центральном стробе информационный гребенки, по перемещению максимума отраженного сигнала определяют направление движения к поверхности отражателя или от нее, подсчитывают количество импульсов за такт накопления в каждом из стробов информационной гребенки N_m-1, N_m, N_m+1, умножают на эмпирические весовые коэффициенты K_m-1, K_m, K_m+1 и при перемещении максимума из центрального строба информационной гребенки в любой из крайних сдвигают информационную гребенку по шкале виртуальных стробов на величину τ_стр так, чтобы максимальное число накопленных в стробах информационной гребенки импульсов с учетом весовых коэффициентов всегда находилось в центральном стробе, и вычисляют текущее значение высоты по формуле

где tgθ_m тангенс угла наклона экспериментально полученных калибровочных кривых, связывающих изменение числа накопленных импульсов, в двух соседних стробах информационной гребенкой m и m + 1 с изменением дальности до отражателя. 2. Устройство для измерения малых высот, содержащее рентгеновский передатчик, блок детектирования, формирователь стробов, соединенный с одной из двух линий задержки, отличающееся тем, что введены три схемы совпадений, три счетчика и высичлитель, одна из линий задержки выполнена управляемой, другая выполнена многоотводной и соединена с первой линией задержки, три выхода многоотводной линии задержки соединены с первыми входами трех схем совпадений, вторые входы которых соединены с выходом блока детектирования, а входы трех схем совпадений соединены соответственно с тремя счетчиками, каждый из которых подключен к вычислителю, выход которого соединен с управляющим входом управляемой линии задержки.