СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ БОЛЬШИХ ВЫСОТ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ БОЛЬШИХ ВЫСОТ Российский патент 1997 года по МПК G01S17/00 G01S17/02 

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

Известны способы измерения больших (до 60 80 км) высот и рентгеновские и гамма-высотомеры больших высот, описанные, например, в [1, с. 65,66] и [2, с. 35-42]
Указанные способы и устройства базируются на измерении высоты по плотности окружающей среды и основаны на активной локации окружающей воздушной среды непрерывным рентгеновским излучением либо гамма-излучением радиоактивного изотопа и приеме отраженного сигнала сцинтилляционным детектором. Рентгеновские высотомеры-плотномеры содержат передатчик - генератор рентгеновского излучения и приемник сцинтилляционный детектор с ФЭУ, счетчик и счетно-решающее устройство. Состав гамма-высотомера аналогичен, только вместо рентгеновского передатчика в нем используется радиоактивный изотоп (наиболее часто цезий-137).

Главным недостатком их является сложная аппаратурная реализация, связанная с требованиями обязательной стабилизации тракта прием передача по первичному излучению, и высокие аппаратурные погрешности измерения.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ измерения высоты по плотности воздушной среды в широком диапазоне от 1 км до 60 80 км, описанный в [1, с. 65] Способ заключается в измерении высоты по плотности воздушной среды за пределами прямого скачка уплотнения для летательных аппаратов (ЛА), движущихся со сверхзвуковыми и гиперзвуковыми скоростями, когда неприменимы любые другие способы и существующие датчики давления, такие, например, как описанные в [3] Для этого зона окружающего воздушного пространства, ограниченная конусной диаграммой направленности излучателя (передатчика), облучается потоком непрерывного рентгеновского излучения. Коллимированный блок детектирования производит регистрацию излучения, обратно отраженного частицами атмосферы из области пересечения диаграмм передатчика и детектора, причем путем подбора диаграмм эта область находится за пределами ударной волны ЛА (за пределами прямого скачка уплотнения). По количеству зарегистрированных отраженных квантов за определенное время накопления вычисляют плотность атмосферы и пересчитывают ее в высоту. Информация о высоте поступает в контур управления ЛА, где используется для оптимизации траектории полета и других нужд навигации ЛА.

Этот способ реализован в устройстве, описанном в [2] а также в устройстве, описанном в [1, с. 65 67] которое является наиболее близким к предлагаемому техническому решению. Устройство состоит из рентгеновского передатчика (РП) с трактом стабилизации квантового выхода и энергии зондирующего излучения и приемника, содержащего стабилизированный сцинтилляционный блок детектирования (БД), который соединен со счетно-решающим устройство (вычислителем). Устройство работает следующим образом. Излучение от коллимированного РП, пройдя через оболочку ЛА, рассеивается и частично отражается в объеме атмосферы. Поток рентгеновских квантов, отраженных в определенном телесном угле, пропорционален плотности атмосферы (высоте) и регистрируется направленным БД. Зависимость числа регистрируемых отраженных квантов от плотности среды и, следовательно, высоты определяется интенсивностью первичного излучения РП и функцией ослабления потока квантов на трассе РП Рассеивающий объем БД. Сформированные в БД электрические импульсы от зарегистрированных квантов поступают на счетно-решающее устройство, работающее по принципу интенсиметра, где вычисляется плотность окружающей среды (высота полета). Диаграммы направленности РП и БД обеспечивают прием отраженных квантов из области, находящейся за пределами возмущения (ударной волны ЛА). Погрешности измерения в указанном высотомере подразделяются на аппаратурные, статистические и методические. Методические погрешности возникают в силу невозможности учесть флуктуации плотности воздуха по высотам. Анализ статистической обработки результатов многочисленных расчетов и измерений плотности воздуха на разных высотах в различных точках земного шара показывает, что в зависимости от времени года относительные среднеквадратические отклонения плотности воздушной среды от средних значений по высотам колеблются от 1 до 9% в диапазоне высот от 1 до 60 км, что приводит к ошибке измерения высоты от 0,75 до 2,0% в диапазоне высот от 5 до 80 км [2, с. 98] кроме того, методическая ошибка связана с наличием фонового излучения, интенсивность которого является величиной непостоянной, а также наличием собственных шумов ФЭУ, что также приводит к регистрации паразитных импульсов, не связанных с отражением зондирующего излучения от воздушной среды. Статистические погрешности обусловлены случайной природой процессов излучения, отражения и регистрации рентгеновских квантов. Аппаратурные погрешности связаны, в первую очередь, с нестабильностью квантового выхода РП и чувствительности БД (эффективности регистрации).

Недостатками известных способа и устройства являются:
необходимость стабилизации РП по квантовому выходу и энергии зондирующего излучения;
недостаточно высокая точность измерения высоты, связанная с аппаратурной погрешностью, обусловленной недостатками существующих способов стабилизации РП (например, введение мониторного канала) и БД (напримеp, стабилизация по альфа-активной добавке в составе детектора), а также невозможностью учесть вклад в полезный сигнал фоновой и шумовой составляющих.

Сущность изобретения: в способе измерения высоты по плотности воздушной среды, заключающемся в том, что зону окружающего воздушного пространства, ограниченную конусной диаграммой направленности РП, облучают рентгеновским излучением; регистрируют коллимированным БД излучение, обратно отраженное воздушной средой из области пересечения диаграмм БД и РП за пределами прямого скачка уплотнения (ударной волны) быстролетящих ЛА; зондирование окружающего воздушного пространства проводят импульсным рентгеновским излучением, дополнительно формируют встречные узконаправленные диаграммы БД и РП с совпадающими осями, одновременно с запуском зондирующего импульса РП формируют три разнесенных по времени строба различной длительности и с помощью временного стробирования сигналов, поступающих с БД, на трех схемах совпадений выделяют импульсы, обусловленные отражением от воздушной среды в области пересечения измерительных диаграмм БД и РП, а также импульсы, обусловленные суммарным фоном (межимпульсная непрерывная компонента излучения РП, вызванная темновыми токами вследствие неполного запирания рентгеновской трубки, фон космического излучения, собственные шумы БД). Затем производят накопление на трех счетчиках указанных импульсов за определенное время, после чего производят обработку полученной информации, заключающуюся следующем: получают нормированную интенсивность отраженного средой излучения по формуле

где N₁ количество импульсов прямого излучения на "фоновой" подставке;
N₂ количество импульсов отраженного излучения на "фоновой" подставке;
N₃ суммарное количество фоновых импульсов;
τ_c1, τ_c2, τ_c3 длительности 1-го, 2-го, 3-го стробов соответственно.

Таким образом, функция G является нормированным отраженным сигналом. После этого полученное выражение G(ρ) сравнивают с градуировочной кривой G, по которой определяют плотность атмосферы, по ней с помощью стандартных таблиц атмосферы по ГОСТ 4401-73 высоту. Вид зависимости интенсивности отраженного воздушной средой сигнала от плотности воздушной среды описывается в [6 9]
Длительность 1-го строба τ_c1 определяется исходя из длительности импульса прямого излучения и выбирается минимальной. Длительность 2-го строба τ_c2 определяется формой импульса отраженного излучения и не превышает 30 нс, что соответствует трассе РП рассеивающая среда БД до 10 м. Длительность 3-го строба целесообразно выбирать максимальной для выравнивания статистики фонового излучения и собственных шумов БД. В ряде случаев, однако, возможно формировать стробы одинаковой длительности τ_c1=τ_c2=τ_c3,, тогда (1) перепишется

Предложенный способ измерения высоты по сравнению с прототипом исключает влияние аппаратурной погрешности измерения, обусловленной нестабильностью квантового выхода РП Q и нестабильностью эффективности регистрации (чувствительностью БД) Э. Время накопления мало (десятки миллисекунд) по сравнению со скоростью изменения параметров Э и Q, так что их можно считать постоянными в течение такта накопления. Тогда для фиксированной высоты (1) перепишется

То есть функции G не зависит от параметров Q и Э, что исключает необходимость стабилизации РП и БД и приводит к положительному результате. Приведенный счет n₁, n₂ и n₃ не зависит от Э и Q, а кроме того, исключается влияние фоновой и шумовой составляющих сигнала.

Указанная цель в части устройства для осуществления предлагаемого способа достигается тем, что в известное устройство измерения больших высот, состоящее из рентгеновского передатчика и приемника, содержащего блок детектирования и счетно-решающее устройство, дополнительно введены задающий генератор, формирователь стробов, связанный с задающим генератором, многоотводная линия задержки МЛЗ, связанная с выходом формирователя стробов, три схемы совпадений, первые входы которых соединены с соответствующими выходами МЛЗ, а вторые входы соединены с выходом БД. В качестве вычислителя (счетно-решающего устройства) применен вычислитель на базе микропроцессорного устройства, построенного на микросхемах серии К580, на входе которого находятся три счетчика, входы которых подключены к выходам соответствующих схем совпадений.

В процессе работы устройства РП облучает короткими импульсами рентгеновского излучения, следующими с заданной частотой, часть пространства, ограниченную зоной пересечения основных диаграмм направленности БД и РП, а часть прямого излучения РП попадает непосредственно на чувствительную поверхность БД в диаграмме тонкого луча. При этом квантовый выход Q РП, чувствительность Э БД, диаграммы направленности, частота зондирования и длительность зондирующего импульса подобраны таким образом, чтобы во всем диапазоне измерений соблюдался однофотонный режим регистрации. То есть БД регистрирует не более 1 кванта (прямого, отраженного или фонового) из одного ренгтеновского импульса. Реальное соотношение частоты следования зондирующих импульсов и средней скорости счета БД не менее 100 1000, что не приводит к искажению временного распределения (временного спектра) регистрируемого излучения. Конструкция устройства должна быть такова, чтобы при размещении на ЛА выполнялись следующие соотношения: расстояние между РП и БД (база) должна составлять не более 50% от минимального значения трассы РП рассеивающий объем воздушной среды БД. Длительность импульса зондирующего излучения и временное разрешение измерительного тракта должны быть минимизированы. В противном случае даже при длительности зондирующего импульса 500 800 пс и времени разрешения БД 3 4 нс разделить по времени импульсы прямого и отраженного излучения не представляется возможным. Синхроимпульс РП, вырабатываемый одновременно с импульсом запуска рентгеновского излучения, осуществляет запуск формирователя стробов, на выходе которого формируются три разнесенных по времени строба различной длительности. Многоотводная линия задержки осуществляет задержку строб-импульсов таким образом, чтобы в первом стробе на первой схеме совпадений выделялись импульсы прямого излучения, смешанные с паразитным фоновым излучением, во втором стробе на второй схеме совпадений выделялись импульсы отраженного излучения, также смешанные с паразитным фоновым излучением, а на третьей схеме совпадений в третьем стробе выделялись только фоновые импульсы, присутствующие как паразитные и в 1-м и во 2-м стробах. Выходы трех схем совпадений соединены с входами трех счетчиков, в которых за интервал накопления, задаваемый микропроцессорным устройством, входящим в состав вычислителя, набирается информация, которая по сигналу микропроцессорного устройства переносится в память, а счетчики обнуляются и осуществляют новый цикл накопления. За это время вычислитель на базе микроЭВМ осуществляет вычисление функции G(ρ),, проводит сравнение с записанной в память кривой G и табличными значениями H(ρ),, и по значению плотности окружающей воздушной среды ρ по табличным данным выдает текущее значение высоты Н в контур управления ЛА в согласованном виде.

Таким образом, предлагаемое устройство измерения больших высот благодаря схеме временного стробирования и новому способу обработки накопленной информации, инвариантному к изменению характеристик РП и БД и вариациям фоновой и шумовой составляющих сигнала, исключает аппаратурную погрешность, вызванную нестабильностью характеристик РП и БД, позволяет отказаться от стабилизации приемопередающего тракта, уменьшить весогабаритные характеристики высотомера и его энергопотребление, а также повысить его надежность и точность измерения высоты.

На фиг. 1 приведен вариант схемы размещения устройства на ЛА и указаны диаграммы направленности БД и РП, исследуемая область невозмущенного воздушного пространства зона измерения, а также примерная граница прохождения ударной волны скачка уплотнения; на фиг. 2 блок-схема устройства; на фиг. 3 принципиальная схема формирователя стробов (а) и диаграммы, поясняющие его работу (б); на фиг. 4 принципиальная схема схемы совпадения (а) и диаграммы, поясняющие ее работу (б); на фиг. 5 структурная схема вычислителя; на фиг. 6 три варианта временного распределения (временного спектра), накопленных за определенное время для трех различных высот, и указано расположение временных стробов относительно импульса запуска передатчика (ноль отсчета).

Предлагаемый способ измерения больших высот по плотности атмосферы заключается в том, что зону окружающей воздушной среды, ограниченную конусной диаграммой направленности РП, облучают импульсным рентгеновским излучением (фиг. 1), регистрируют коллимированным БД излучение, обратно отраженное воздушной средой из области пересечения диаграмм БД и РП за пределами прямого скачка уплотнения (ударной волны) быстролетящих ЛА, кроме того, БД проводит регистрацию прямого излучения РП, сформированного диаграммой направленности тонкого луча. Далее методом временного стробирования проводят временную селекцию зарегистрированных импульсов прямого, отраженного и фонового излучения, для чего формируют три временных строба, задержанных на заданное время относительно момента излучения зондирующего импульса РП, и выделяют с их помощью на трех схемах совпадений и трех счетчиках информацию с БД о числе зарегистрированных за интервал накопления импульсов всех трех типов. Поскольку паразитные фоновые и шумовые (шум БД, межимпульсное непрерывное излучение РП за счет неполного запирания рентгеновской трубки, а также кванты космического излучения) распределены равномерно по времени, информация о числе зарегистрированных квантов прямого и отраженного излучения смешивается с паразитной информацией о квантах фонового излучения. Для исключения влияния паразитной составляющей излучения производится вычитание фоновых и шумовых импульсов из суммарного сигнала. При этом учитывается относительная длительность стробов временной селекции. В случае их равенства производится прямое вычитание содержимого счетчиков, а в общем случае используются весовые коэффициенты, уравнивающие длительности стробов (τ_c1, τ_c2, τ_c3 длительности 1-го, 2-го и 3-го стробов). Таким образом, если за такт накопления в 1-м стробе зарегистрировано N₁ импульсов, обусловленных прямым излучением и фоновой составляющей, во 2-м стробе зарегистрировано N₂ импульсов, обусловленных отраженным излучением и фоновой составляющей, а в 3-м стробе зарегистрировано N₃ импульсов, обусловленных фоновой составляющей, то выражение для количества импульсов "чистого" прямого излучения примет вид

для "чистого" отраженного излучения

После этого вычисляют отношение

а затем сравнивают его с записанной в ПЗУ вычислителя градуировочной кривой G, полученной расчетно-экспериментальным способом при отработке изделия, по которой определяют плотность атмосферы ρ,, после чего с помощью таблиц стандартной атмосферы определяют текущее значение высоты Н по плотности ρ.. Очевидно, что интенсивность потока прямого излучения РП, расположенного внутри герметичного отсека ЛА, не зависит от высоты полета. В случае размещения в негерметизированном отсеке изменение плотности атмосферы практически не влияет на интенсивность прямого излучения РП в силу небольших значений базы РП БД и малого значения коэффициента поглощения рентгеновского излучения воздухом. В любом случае, число зарегистрированных за интервал накопления квантов N_пр "чистого" прямого излучения зависит только от главных характеристик БД и РП эффективности регистрации Э и квантового выхода Q. Число зарегистрированных квантов "чистого" отраженного излучения зависит от плотности рассеивающего воздушного пространства ρ(H),, связанной со значением высоты Н, и от тех же главных характеристик БД и РП Э и Q. Таким образом,
N_пр=N_пр(Э,Q);
или
N_пр=f(Э,Q), a N_отр=N_отр(H)•f(Э,Q)
Это справедливо, поскольку N_пр и N_отр обусловлены излучением одного и того же РП и регистрацией одним и тем же БД. Поэтому функция G

является инвариантной относительно характеристик РП и БД. Таким образом, при решении обратной задачи получении значения плотности воздушной среды ρ(G) по градуировочной кривой, а по значению ρ значения высоты Н (с помощью таблиц стандартной атмосферы) исключается чрезвычайно существенная составляющая аппаратурной погрешности, обусловленная нестабильностью приемопередающего тракта, и исключается влияние фоновой и шумовой составляющих сигнала.

Устройство измерения больших высот, реализующее предложенный способ, содержит задающий генератор 1 (фиг. 2), первый выход которого связан с входом рентгеновского передатчика 2, блок детектирования 3, формирователь стробов 4, вход которого соединен с вторым выходом задающего генератора 1, а выход соединен с входом многоотводной линии задержки 5, первый выход которой соединен с первым входом схемы совпадений 6, второй выход соединен с первым входом схемы совпадении 7, а третий выход соединен с первым входом схемы совпадений 8, при этом вторые входы схем совпадений 6, 7, 8 соединены с выходом блока детектирования 3, а выходы схем совпадений 6, 7, 8 соединены с входами трех счетчиков 9, 10, 11, которые находятся на входе вычислителя 12.

Устройство работает следующим образом.

Задающий генератор запускает РП, который облучает (через обшивку ЛА) наносекундными зондирующими импульсами окружающее пространство с частотой следования F. Синхроимпульс передатчика запускает формирователь стробов (фиг. 3). Формирователь стробов используется для получения трех импульсов (стробов) разной длительности, задержанных относительно друг друга. Работает он следующим образом. На вход микросхемы D1.1 (530 ТВ9) поступают: положительный импульс (f=1 МГц, t= 20 нс) от генератора (1) и тактовые импульсы частотой 50 МГц (2). С выхода D1.1 снимаются два противофазных импульса длительностью 20 нс каждый (3, 4), которые с помощью отрезков кабеля задерживаются на 5 нс (5, 6). Импульсы с выхода D1.1 и задержанные импульсы поступают на вход D2 (530 ЛИ1), на выходах которой образуются импульсы длительностью 5 нс (7) и 15 нс (8). Импульс длительностью 20 нс (9), следующий за 15 нс импульсом, получается с помощью сдвигового регистра, реализованного на микросхеме D1.2 (530 ТВ9). Эти три импульса задерживаются относительно друг друга на отрезках кабеля (10, 11, 12) и после этого замешиваются на элемент "ИЛИ" D3 (530 ЛЛ1) (13). Импульсы с выхода формирователя стробов поступают на многоотводную линию задержки - МЛЗ, которая доформировывает стробы и разносит их по времени относительно импульса запуска передатчика. Рентгеновские кванты из пачек (импульсов рентгеновского излучения) регистрируются БД. При этом часть из них регистрируется вследствие прямого попадания на чувствительную поверхность БД, а часть после отражения от атмосферы. Кроме того, часть сигналов БД обусловлена фоновым излучением и шумами самого БД. Блок детектирования работает в однофотонном режиме регистрации (т.е. на 100 1000 зондирующих импульсов регистрируется 1 событие отраженный квант, либо прямой квант, либо фоновый квант или шумовой импульс). При этом вероятность искажения временной картины распределения зарегистрированного излучения относительно момента запуска РП пренебрежимо мала. Временная селекция импульсов БД происходит на трех схемах совпадений СС (фиг. 4), куда поступают соответствующие временные стробы. Работают они следующим образом. Выходной сигнал схемы совпадения возникает при совпадении сигнала БД (отрицательный перепад) с одним из стробов, выбор которого происходит непосредственно в схеме совпадения. Каждая из схем совпадений реализована на 4-х JK-триггерах. Диаграмма работы СС2 представлена на фиг. 4. Выходной сигнал СС возникает на выходе Q микросхемы D1.1 при совпадении сигнала БД (вход С D1.1) со стробом (вход J D1.1) и наличии на входе R D1.1 уровня логической "1", при отсутствии которого состояние выхода Q D1.1 не изменяется независимо от приходящих на входы J и С D1.1 сигналов. Сигнал, поступающий на вход R D1.1 и осуществляющий выбор одного из стробов, формируется на триггерах D1.2, D2.1, представляющих собой сдвигающий регистр, выход которого соединен с входом, и управляемый стробами по входам С D1.2 D2.2. Начальная установка триггеров D1.2 D2.2 происходит с помощью RC цепи, параметры которой выбраны таким образом, что начальная установка завершается до начала работы формирователя, т.е. до появления стробов. Для СС2 на входе R D1.1 уровень логической "1" присутствует от момента окончания 2-го строба с задержкой на время переключения JK-триггера. Тем самым реализуется совпадение сигнала БД, при его наличии, только с 2-м стробом. В CC1 вход R D1.1 соединен с выходом Q D1.2, а в СС3 вход и R D1.1 соединен с выходом Q D2.2, чем обеспечивается работа схем совпадений по 1-му и 3-му стробам соответственно. Для обеспечения нормальной работы схем совпадений интервал между стробами в формирователе выбран несколько больше времени переключения JK-триггера.

Временное распределение зарегистрированного потока отраженного излучения, прямого излучения, а также фоновой и шумовой составляющих показано на фиг. 6, там же указаны границы трех временных стробов. Пик, расположенный ближе к нулю отсчета (моменту запуска РП), обусловлен регистрацией прямого излучения РП. Задержка пика относительно нуля отсчета фронта импульса запуска РП (ИЗП) соответствует длине базы РП БД и обычно составляет величину порядка 1 м, что соответствует 3,3 нс. Второй пик, расположенный дальше по временной оси от ИЗП, обусловлен регистрацией отраженного излучения. Фронт этого пика находится на расстоянии, равном кратчайшему пути по трассе РП область рассеяния БД. Этот пик, как правило, располагается на расстоянии не ближе 6 10 нс от ИЗП, что соответствует 2 3 м пути или 1 1,5 м от начала невозмущенной зоны рассеяния до обшивки ЛА. Длительность и форма 2-го пика определяются, во-первых, формой области пересечения диаграмм направленности БД и РП и, во-вторых, тем, что реальный вклад от слоев воздуха, удаленных на расстояние более 5 м (более 33 нс по трассе) от ЛА, составляет менее 1% что объясняется резким уменьшением интенсивности прямого и рассеянного излучения с расстоянием (обратно пропорционально квадрату расстояния) [2, с. 41] Кроме того, ширина обоих пиков зависит от длительности импульса зондирующего излучения (вероятность регистрации прямого или отраженного кванта из начала или из конца пачки конечной длительности при однофотонном режиме регистрации практически одна и та же) и от собственного времени разрешения БД. Очевидно, что реализовать предлагаемый способ измерения высоты при длительностях рентгеновского импульса и времени разрешения БД более 10 15 нс на практике невозможно из-за наложения импульсов. Реальные достижимые значения для длительности рентгеновского импульса составляют 500 800 пс, а для БД 3,0 - 4,0 нс, что соответствует спектру, приведенному на фиг. 6. Третий строб расположен дальше других от ИЗП так, чтобы в него попадали только фоновые и шумовые импульсы. Теоретически его длительность ограничена величиной, несколько меньшей периода следования импульсов зондирующего излучения, а на практике не превышает сотни наносекунд. После временной селекции на схемах совпадений 6, 7, 8 (фиг. 2) зарегистрированные в каждом из трех стробов импульсы попадают на три счетчика 9, 10, 11, где суммируются в течение такта накопления, после чего вычислитель 12 переписывает значения N₁, N₂, N₃ в память, очищает счетчики и производит операции по определению плотности и высоты с помощью записанной в ПЗУ градуировочной кривой H(G), которую получают расчетным способом, базируясь на серии экспериментальных значений, полученных при настройке в вакуумной камере большого объема (более 1000 м³).

В предлагаемом устройстве высотомере больших высот РП 2 (фиг. 2) работает в импульсном режиме, задаваемом генератором 1, с частотой следования импульсом 1 МГц и длительностью до 1 нс на половине амплитуды интенсивности, что обеспечивается модулятором на базе арсенид-галлиевого тиристора, при этом квантовый выход составляет 10¹³ квантов в секунду (10⁷ в импульсе, их средняя энергия 60 кэВ, максимальная 100 120 кэВ. Диаграмма направленности РП 2ψ 120^o. БД 3 (фиг. 2) выполнен на основе утяжеленного спектрометрического пластмассового сцинтиллятора цилиндрической формы ⊘ 40 х 40 мм, быстрого ФЭУ-147 и предусилителя, реализованного на микросхемах серии 530, 533 (аналог см. в [4] с. 49). Коллиматор жалюзного типа, изготовленный из вольфрамового сплава ВНМ, обеспечивает диаграмму направленности БД, эффективно предохраняющую детектор от попадания многократно рассеяных элементами конструкции ЛА и ближайшими слоями воздушной среды рентгеновских квантов. Отверстие диаметром 0,5 мм в вольфрамовой защите детектора от прямого излучения РП обеспечивает игольчатую диаграмму (диаграмму тонкого луча) для регистрации прямого излучения с заданной интенсивностью. БД во всем диапазоне высот работает в однофотонном режиме. Длительность импульса БД 5 8 нс, время разрешения не более 4 5 нс. Формирователь стробов 4 (фиг. 2) реализован на триггерах серии К530ТВ9 см [4] длительность стробов 5 20 нс. Многоотводная линия задержки 5 (фиг. 2) реализована на калиброванных отрезках коаксиального кабеля, обеспечивающих чрезвычайно высокую точность и стабильность задержки. Схемы совпадений 6, 7, 8 (фиг. 2) выполнены на триггерах серии К530ТВ9 для реализации возможности совпадений по фронту приходящих с БД сигналов со стробами, поступающими с 4 через 5. Выходы 6, 7, 8 согласованы с входами счетчиков 9, 10, 11 (фиг. 2), которые представляют собой программируемые таймеры 580ВИ53 и являются внешними устройствами для вычислителя 12 (фиг. 2). В качестве вычислителя была использована микроЭВМ, построенная на микросхемах серии К580 [5] Вычислитель состоит из микропроцессора 580ВИ80 (фиг. 5), генератора 580ГФ24, системного контроллера шин данных и управления 580ВК28, ПЗУ 556РТ17, ОЗУ 537РУ9, программируемого таймера 580ВИ53 и параллельного программируемого адаптера 580ВВ55. Импульсы, прошедшие схемы совпадений, поступают на программируемые таймеры. После накопления в течение заданного временного интервала (интервала накопления) величина, соответствующая количеству пришедших импульсов, вводится в микропроцессорную систему по трем независимым каналам. Работой вычислителя управляет микропроцессор. По программе, записанной в ПЗУ, производятся необходимые вычислительные операции с входными величинами. 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 [5]
Таким образом, предлагаемое устройство благодаря применению временного стробирования и новому алгоритму обработки информации, учитывающему наличие фоновой и шумовой составляющих сигнала и инвариантному к изменению характеристик РП и БД, исключает аппаратурную погрешность, вызываемую нестабильностью характеристик приемопередающего тракта, позволяет отказаться от его стабилизации, уменьшить весогабаритные характеристики высотомера и его энергопотребление, а также повысить его надежность и точность измерения высоты.

Макеты узлов высотомера прошли экспериментальную обработку на стендах и в вакуумной камере объемом более 1000 м³.

Библиографические данные
1. Герчиков Ф.Л. Управляемое импульсное рентгеновское излучение в приборостроении. М. Энергоатомиздат. 1987.

2. Ширенко А. П. Радиоизотопные методы измерения высоты. М. Атомиздат, 1977.

3. Измерительные преобразователи давления, теоритические и экспериментальные исследования и разработка. Сб. науч. тр./ Под ред. А.Я.Юровского. М. НИИтеплоприбор, 1989.

4. Мелешко Е.А. Наносекундная электроника в экспериментальной физике. М. 1987.

5. Микропроцессоры и микроЭВМ в системах автоматического управления./ Под ред. С.Т.Хвоща. Л. Машиностроение, 1987.

6. Зыков И.К. Варющенко С.Б. Ионизирующие излучения в авиационной и космической технике. М. Атомиздат, 1976.

7. Булатов Б.П. Андрюшин Н.Ф. Обратно рассеяное гамма-излучение в радиоционной технике. М. Атомиздат, 1971.

8. Герчиков Ф.Л. Количественные оценки энергии поля рентгеновского излучения, обратно рассеяного воздуха. Атомная энергия, 1976, т.41 вып.6, с. 414.

9. Nuclefr Tngineerigg And Design. v7, 1968, pp. 1 27.

Использование: изобретение может быть использовано на борту летательных аппаратов (ЛА), летящих со сверхзвуковыми и гиперзвуковыми скоростями. Сущность изобретения: способ и устройство основаны на время-импульсном методе обработки потока прямого и рассеянного импульсного рентгеновского излучения. Способ заключается в том, что область воздушной среды, окружающую ЛА и определяемую пересечением диаграмм направленности передатчика (РП) и блока детектирования (БД), облучают наносекундными импульсами рентгеновского излучения с заданной частотой следования, регистрируют поток отраженного излучения и часть потока прямого излучения, ограниченного диаграммой тонкого луча, осуществляют временную селекцию зарегистрированных импульсов, для чего одновременно с запуском РП формируют три разнесенных по времени строб-импульса, отселектированные сигналы суммируются в течение заданного времени (интервала накопления), в результате чего формируются три значения: N₁ - суммарное количество импульсов прямого излучения и фоновых импульсов; N₂ - суммарное количество импульсов рассеянного воздушной средой излучения и фоновых импульсов; N₃ - количество фоновых импульсов; после чего производят выделение чистого сигнала прямого и рассеянного излучения и вычисляют их отношение, а по экспериментально полученной при настройке изделия градуировочной кривой рассчитывают значение плотности воздушной среды, а по ней с помощью таблиц стандартной атмосферы - значение высоты.

Устройство, реализующее этот способ, содержит рентгеновский передатчик, блок детектирования, вычислитель на базе микроЭВМ, задающий генератор, формирователь стробов, многоотводную линию задержки, вход которой соединен с выходом формирователя стробов, три схемы совпадений, первые входы которых соединены с соответствующими выходами многоотводной линии задержки, вторые входы соединены с выходом БД, и три счетчика, входы которых соединены с выходами соответствующих схем совпадений, а выходы подключены к входу вычислителя. 2 с.п.ф-лы, 6 ил.

1. Способ определения больших высот, заключающийся в том, что воздушную среду облучают рентгеновским излучением, регистрируют отраженное средой излучение и по его интенсивности вычисляют плотность атмосферы, а по ней определяют высоту, отличающийся тем, что облучение воздушной среды осуществляют импульсным рентгеновским излучением, при этом рентгеновский передатчик и приемник разнесены на заданное расстояние, а диаграммы направленности на передачу и прием сформированы так, что зона измерения отраженного сигнала формировалась как область их пересечения в невозмущенном пространстве воздушной среды, регистрируют одновременно с отраженным воздушной средой излучением часть потока прямого излучения, осуществляют временную селекцию импульсов прямого излучения, отраженного излучения и фонового излучения, для чего одновременно с запуском импульса рентгеновского излучения формируют три разнесенных во времени строба различной длительности, суммируют за интервал накопления количество отселектированных импульсов прямого, отраженного и фонового излучений, рассчитывают нормированную интенсивность отраженного воздушной средой излучения по формуле

где N₁ суммарное число импульсов прямого и фонового излучений, зарегистрированных в 1-м стробе за интервал накопления;
N₂ суммарное число импульсов излучения, отраженного воздушной средой, и фонового излучения, зарегистрированных во 2-м стробе за интервал накопления;
N₃ число импульсов фонового излучения, зарегистрированных в 3-м стробе за интервал накопления;
τ_c1,τ_c2,τ_c3 длительности 1-го, 2-го и 3-го стробов соответственно,
по которой с помощью градуировочной кривой G определяют значение плотности атмосферы, а по ней с помощью таблиц стандартной атмосферы определяют текущее значение высоты Н. 2. Устройство для измерения больших высот, содержащее рентгеновский передатчик, блок детектирования и вычислитель, отличающееся тем, что введены задающий генератор, первый выход которого подключен к входу рентгеновского передатчика, формирователь стробов, вход которого подключен к второму выходу задающего генератора, многоотводная линия задержки, вход которой подключен к выходу формирователя, три схемы совпадения, первые входы которых подключены к соответствующим трем выходам многоотводной линии задержки, а вторые входы подключены к выходу блока детектирования, три счетчика, входы которых подключены к соответствующим выходам схем совпадений, выходы счетчиков подключены к вычислителю.