СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ОПАСНОГО РАДИОАКТИВНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ МЕСТНОСТИ Российский патент 2015 года по МПК G01T1/169 G01W1/00 

Описание патента на изобретение RU2549610C1

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.

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, МПК7 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 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 Кв и Кф 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.]:

где Кв, Кф - контраст между полученными изображениями двух элементарных ячеек m и n по видимому и флуоресцентному каналам соответственно;

L, L - яркость полученных элементарных ячеек изображений m и n по видимому каналу;

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:

Под действием ионизирующих излучений над РЗМ происходит флуоресценция атмосферного азота. В этом случае яркость L ф / изображения элементарного участка подстилающей поверхности в сигнальном канале можно представить следующим образом:

где L ф / - яркость элементарной ячейки полученного изображения по флуоресцентному каналу при флуоресценции азота воздуха;

Lф - яркость элементарной ячейки полученного изображения по флуоресцентному каналу;

Lфл - 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.

В первом случае очевидно, что контраст К ф ' между двумя элементарными ячейками m и n полученных изображений по флуоресцентному каналу будет иметь значение меньше ожидаемого Кф, который был определен с помощью поправочного коэффициента Θ:

Во втором случае контраст К ф ' равен:

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 Lфл.

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.

Похожие патенты RU2549610C1

название год авторы номер документа
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ВЕДЕНИЯ ВОЗДУШНОЙ РАДИАЦИОННОЙ РАЗВЕДКИ МЕСТНОСТИ ДИСТАНЦИОННЫМ МЕТОДОМ 2010
  • Соловых Сергей Николаевич
  • Ткачук Юлиан Вячеславович
RU2489804C2
СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ ФАКТИЧЕСКОЙ РАДИАЦИОННОЙ ОБСТАНОВКИ ДИСТАНЦИОННЫМ МЕТОДОМ С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ТРАССЫ СКАНИРОВАНИЯ 2010
  • Соловых Сергей Николаевич
  • Ткачук Юлиан Вячеславович
RU2449318C1
СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОБНАРУЖЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ОБЪЕКТОВ 2001
  • Манец А.И.
  • Алимов Н.И.
  • Мозжилкин А.В.
  • Соловых С.Н.
  • Бойко А.Ю.
  • Григорьев А.А.
RU2219566C2
ЛИДАРНЫЙ СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА РАДИОАКТИВНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ МЕСТНОСТИ 2006
  • Манец Анатолий Иванович
  • Тюрин Дмитрий Владимирович
  • Мацюк Григорий Владимирович
  • Бойко Андрей Юрьевич
  • Мозжилкин Александр Владимирович
RU2377597C2
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ МЕГАПОЛИСОВ ВРЕДНЫМИ ГАЗАМИ 2011
  • Бондур Валерий Григорьевич
  • Давыдов Вячеслав Федорович
  • Комаров Евгений Геннадьевич
  • Воробьев Владимир Евгеньевич
  • Замшин Виктор Викторович
RU2460059C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ МЕГАПОЛИСОВ 2010
  • Бондур Валерий Григорьевич
  • Воробьев Владимир Евгеньевич
  • Давыдов Вячеслав Федорович
  • Корольков Анатолий Владимирович
RU2422859C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНДЕКСА СОСТОЯНИЯ АТМОСФЕРЫ ДЛЯ АНТРОПОГЕННЫХ ИСТОЧНИКОВ ЗАГРЯЗНЕНИЯ 2015
  • Бондур Валерий Григорьевич
  • Гапонова Елена Владимировна
  • Черепанова Елена Валентиновна
  • Давыдов Вячеслав Федорович
  • Корольков Анатолий Владимирович
RU2586939C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРУ ПО ИЗОБРАЖЕНИЯМ МЕГАПОЛИСОВ 2011
  • Бондур Валерий Григорьевич
  • Давыдов Вячеслав Федорович
  • Корольков Анатолий Владимирович
  • Воробьев Владимир Евгеньевич
  • Замшин Виктор Викторович
RU2463630C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ АЭРОЗОЛЕЙ В АТМОСФЕРЕ МЕГАПОЛИСОВ 2011
  • Бондур Валерий Григорьевич
  • Давыдов Вячеслав Федорович
  • Воробьев Владимир Евгеньевич
  • Замшин Виктор Викторович
RU2468396C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕМА ЭМИССИЙ ГАЗОВЫХ КОМПОНЕНТ В АТМОСФЕРЕ 2016
  • Бондур Валерий Григорьевич
  • Давыдов Вячеслав Федорович
  • Гапонова Мария Владимировна
RU2619837C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 549 610 C1

Реферат патента 2015 года СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ОПАСНОГО РАДИОАКТИВНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ МЕСТНОСТИ

Изобретение относится к области воздушного радиационного мониторинга. Сущность: получают изображения участков в диапазоне видимых длин волн, а также в диапазоне длин волн флуоресценции атмосферного азота под воздействием ионизирующих излучений с помощью матричных фоточувствительных детекторов. По изображениям участков незагрязненной местности определяют отношение контраста соседних элементов изображения видимого диапазона спектра и аналогичного контраста изображения в диапазоне флуоресценции азота. В процессе мониторинга постоянно определяют значение данного отношения контрастов для всех элементов получаемых изображений. Если получаемая величина отличается от значения, определенного для участка незагрязненной местности, то участки местности, изображение с которых регистрировалось рассматриваемыми элементами матричных фоточувствительных детекторов, считают радиоактивно загрязненными. Технический результат: повышение достоверности результатов мониторинга. 2 ил.

Формула изобретения RU 2 549 610 C1

Способ обнаружения опасного радиоактивного загрязнения местности при ведении воздушного радиационного мониторинга местности, заключающийся в анализе изображения, полученного на борту летательного аппарата с помощью матричных фоточувствительных детекторов, в диапазоне длин волн флуоресценции атмосферного азота под действием ионизирующих излучений, отличающийся тем, что дополнительно получают изображение местности в диапазоне видимых длин волн, в начале мониторинга при получении изображения участков заведомо незагрязненной местности определяют отношение контраста соседних элементов изображения видимого диапазона спектра и аналогичного контраста изображения в диапазоне флуоресценции азота, при дальнейшем мониторинге радиационной обстановки постоянно определяют значение данного отношения контрастов для всех элементов изображений, при этом если получаемая величина отличается от значения, определенного для участка незагрязненной местности, то участки местности, изображение с которых регистрировалось рассматриваемыми элементами матричных фоточувствительных детекторов, считаются радиоактивно загрязненными.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2015 года RU2549610C1

ЛИДАРНЫЙ СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА РАДИОАКТИВНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ МЕСТНОСТИ 2006
  • Манец Анатолий Иванович
  • Тюрин Дмитрий Владимирович
  • Мацюк Григорий Владимирович
  • Бойко Андрей Юрьевич
  • Мозжилкин Александр Владимирович
RU2377597C2
СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОБНАРУЖЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ОБЪЕКТОВ 2001
  • Манец А.И.
  • Алимов Н.И.
  • Мозжилкин А.В.
  • Соловых С.Н.
  • Бойко А.Ю.
  • Григорьев А.А.
RU2219566C2
СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ ФАКТИЧЕСКОЙ РАДИАЦИОННОЙ ОБСТАНОВКИ ДИСТАНЦИОННЫМ МЕТОДОМ С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ТРАССЫ СКАНИРОВАНИЯ 2010
  • Соловых Сергей Николаевич
  • Ткачук Юлиан Вячеславович
RU2449318C1

RU 2 549 610 C1

Авторы

Мозжилкин Александр Владимирович

Садовников Роман Николаевич

Васильев Алексей Вениаминович

Даты

2015-04-27Публикация

2013-12-06Подача