Способ определения параметров аварийного радиационного источника по данным воздушной радиационной разведки местности Российский патент 2021 года по МПК G01T1/167 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области выявления радиационной обстановки и может быть использовано для повышения точности прогноза загрязнения окружающей среды радиоактивными примесями от аварийных источников.

Уровень техники

Погрешность прогноза загрязнения окружающей среды в результате аварийных радиоактивных выбросов в атмосферу складывается из погрешности модели переноса примесей и погрешностей исходных данных.

В задачах прогноза распространения радиоактивных примесей в атмосфере широкое распространение получила гауссова модель рассеяния общего вида

где D - мощность дозы (МД) в точке пространства (х, у, z), Зв/ч; K - коэффициент перехода от активности к МД в заданных единицах измерения; х, у - координаты точки на местности, м; x_u, y_u - координаты аварийного источника, м; σ_х, σ_у, σ_z - дисперсии распределения примеси в облаке, м; u - скорость среднего ветра, м/с; Q - активность источника, Бк; Н - высота источника, м.

Большое прикладное значение имеют обратные задачи: определить некоторые параметры модели (1) по результатам измерений D(x,y,z) и известным значениям других параметров. Наибольшие технические трудности при прогнозировании радиационной обстановки вызывает измерение доли Q радиоактивных веществ источника, выходящих в окружающую среду в результате аварии, и высоты подъема облака примеси Н. При прогнозировании часто принимается, что в результате аварии в окружающую среду поступают все радиоактивные вещества, находящиеся в аварийном источнике.

Путем решения обратной задачи можно определить величины Q и Н по результатам измерений мощности дозы D(x,y,0) на поверхности земли, предполагая стационарность метеоусловий в период формирования ее радиоактивного загрязнения [1].

Наиболее оперативным способом выявления фактической радиационной обстановки является воздушная радиационная разведки местности (ВРРМ). Преимуществами привлечения беспилотных летательных аппаратов (БЛА) для ведения ВРРМ являются более низкие высоты полета по сравнению с пилотируемыми средствами и исключение воздействия радиационных факторов на человека. В целях исключения радиоактивного загрязнения поверхностей БЛА, а также выхода из строя электронной компонентной базы БЛА под воздействием высоких уровней МД, ВРРМ должна выполняться над сформировавшейся частью радиоактивного загрязнения местности, т.е. после прохождения облака примесей.

С другой стороны, из всех способов радиационной разведки, результаты ВРРМ имеют наибольшую погрешность. Суммарная погрешность измерений, кроме погрешностей детектирования (основной, температурной, энергетической и пр.), обусловлена плохо учитываемой погрешностью за счет ослабления МД на высоте измерения (расположения детектора). Известно, что коэффициент ослабления МД слоем воздуха обусловлен состоянием атмосферы, характером подстилающей поверхности и энергетическим составом радиоактивного загрязнения местности [2]. В аппаратуру ВРРМ может быть встроен алгоритм пересчета коэффициента ослабления МД с высотой, который, как правило, включает набор коэффициентов для типовых видов подстилающей поверхности (поле, пашня, лес). Данный способ реализован в ряде авиационных измерителей мощности дозы, например, ИМД-31 [3]. При этом разработчиком принимаются некоторые усредненные значения пересчетных коэффициентов, полученные для различных географических районов.

Аналоги

Известен способ ведения ВРРМ с использованием БЛА вертолетного типа (Патент РФ 2620333 G01T 1/169) [4]. Способ заключается в измерении на высоте полета МД и приведения ее величины к интересующей высоте с использованием зависимости величины МД над радиоактивно загрязненной местностью от высоты измерения, при этом нахождение величины кратности ослабления гамма-излучения слоем воздуха проводится путем установления зависимости величины МД от высоты измерения путем аппроксимации результатов измерения при вертикальном полете. Данный способ пригоден при использовании БЛА вертолетного типа. При изменении параметров, влияющих на зависимость МД от высоты измерения, предлагается повторять вертикальные пролеты и строить новые зависимости. Применение предлагаемого способа будет значительно снижать показатель оперативности проведения ВРРМ.

Прототипы

Известен способ мониторинга химически опасных объектов (Патент РФ 2458350 G01N 35/00). Определение параметров облака выброса достигается путем решения обратной задачи распространения примеси в атмосфере с учетом граничных условий, которые определяются с использованием датчиков, расположенных по периметру объекта у поверхности земли и на фиксированной высоте над поверхностью. При аварийном выбросе определяют координаты первых трех сработавших датчиков, время срабатывания, интервалы времени, в течение которых датчики показывали превышение допустимой концентрации; полученные данные представляют как мгновенные концентрации токсичного химиката в отдельных точках динамически изменяющегося непрерывного поля концентраций облака аварийного выброса и на основе этого представления определяют необходимые для прогнозирования заражения приземного слоя атмосферы исходные данные, включая массу выброшенного химиката, начальные координаты центра облака выброса, при этом количество датчиков больше восьми, высота датчиков над поверхностью земли не менее 2 м. Предложенный способ позволяет повысить достоверность прогноза динамики химического заражения приземного слоя воздуха на начальном этапе развития аварии на стационарных химически опасных объектах. Предлагаемый способ не позволит оценить параметры аварии нестационарных источников, например, при транспортировании опасных грузов.

Известен способ ведения ВРРМ измерителем МД с одним детектором (Патент РФ 2601774 G01 Т/167) [5]. Сущность изобретения заключается в том, что принимают, что кратность ослабления гамма-излучения с высотой h аппроксимируется экспоненциальной зависимостью

с достаточной для практических целей точностью. При ведении ВРРМ по заданному маршруту на каждом прямолинейном участке два раза производят изменение высоты полета. На основании результатов измерений на первой высоте аппроксимируют распределение МД на всем участке маршрута, где были проведены измерения на второй высоте, а затем в точках на отрезке пути на второй высоте вычисляют кратность ослабления гамма-излучения слоем воздуха толщиной Δh>50 м; на основе полученных данных вычисляется средняя величина кратности ослабления гамма-излучения, в зависимости от высоты над поверхностью земли. Данный способ минимизирует время полета над радиоактивно загрязненной местностью, но обладает низкой достоверностью, накладываемой дополнительной погрешностью аппроксимации, а также тем, что в данном способе не учитывается изменение рельефа и качества подстилающей поверхности по маршруту полета.

Цель изобретения - определение высоты подъема облака радиоактивных примесей и активности радиоактивных веществ, вышедших в окружающую среду в результате аварии.

Технический результат предлагаемого способа заключается в повышении точности прогноза загрязнения окружающей среды радиоактивными веществами от аварийных источников.

Способ достижения технического результата

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе определяют высоту подъема облака радиоактивных примесей и активность радиоактивных веществ, вышедших в окружающую среду в результате аварии, путем решения обратной задачи, исходными данными для которой являются результаты ВРРМ, проводимой БЛА по мере формирования радиоактивного следа.

Сущность изобретения

Для ведения ВРРМ БЛА оснащают техническими средствами определения высоты относительно земной поверхности, удержания курса полета и измерения МД. В качестве исходных данных принимают метеорологические данные, поступающие от мобильных метеорологических постов или ближайших метеорологических площадок.

Погрешность определения МД складывается из аппаратурной погрешности измерения, ошибки приведения измеренной МД на высоте полета к высоте 1 м от поверхности земли и погрешности навигационной системы. Сокращение количества измеряемых параметров позволит снизить суммарную погрешность определения искомых величин и упростить расчеты. С этой целью, при решении обратной задачи примем систему координат с началом в эпицентре аварии и осью Ох ориентированной по направлению среднего ветра. Параметры источника радиоактивного загрязнения будут определяться по измерениям, приведенным к поверхности земли по оси следа, тогда вторая и третья координаты будут равны нулю (у=0, z=0).

Для рассмотренных условий высота и активность источника загрязнения из модели (1) находятся из решения системы уравнений с двумя неизвестными вида

Система может иметь аналитическое решение, например, вида

либо решаться численными методами [1].

Для поиска решения (3) необходимо произвести измерения МД по оси следа в двух точках. В целях исключения радиоактивного загрязнения поверхностей БЛА, маршрут полета должен прокладываться над сформированной частью следа, т.е. пересекать ось следа на удалении от эпицентра аварии на расстоянии не более

где u - скорость ветра, м/с; t_из - время проведения измерений, t_ав - время начала выброса радиоактивных примесей.

Для оценки параметров источника загрязнения необходимо:

1. Определить точку, принадлежащую оси следа.

2. Определить коэффициент ослабления МД слоем воздуха в установленной точке на оси следа и привести измерения МД к высоте 1 м от поверхности земли.

3. Решить систему уравнений (3).

Способ осуществляется следующим образом.

БЛА направляют по курсу, поперечному направлению среднего ветра, на расстоянии удовлетворяющему условию (5) на минимальной безопасной высоте полета h₁. При проведении полета строго удерживают выбранный курс. Проводят измерения МД и координат относительно поверхности земли с периодичностью, равной времени обновления данных измерений прибора радиационного контроля. Фиксируют координату точки с максимальным по маршруту значением МД. После фиксации максимума значения МД продолжают полет до устойчивого снижения уровня МД.

Основная погрешность измерения МД современных дозиметрических средств составляет от 15 до 30%, в совокупности с погрешностью за счет зависимостей детектора от внешних условий (энергетической, температурной и пр.), экранирования МД подстилающей поверхностью, может составлять от 50 и более процентов. Формирование ошибки определения МД представляет собой случайный процесс, аналогичный белому гауссовому шуму. На фиг. 1 показана имитация нормально распределенной суммарной ошибки измерения МД с величиной до 50% в ходе ведения радиационной разведки в направлении, поперечном направлению среднего ветра.

Полученные в ходе ведения ВРРМ значения МД аппроксимируют (отмечены жирной пунктирной линией на фиг. 1) и определяют координату максимума аппроксимирующей функции A_maxi(x_i, y_i) в выбранной в навигационной аппаратуре географической системе координат.

Для получения статистически значимого значения координаты оси следа и величины МД на высоте 1 м от поверхности земли проводят измерения не менее чем на четырех уровнях. Для этого полет осуществляют по «этажерке» на высотах h₁, h₁+Δh, h₁+2Δh, h₁+3Δh, где Δh≥50 м [4, 5]. При ведении разведки на нечетных уровнях удерживают первоначально выбранное направление, на четных - противоположное.

За точку на оси следа принимают среднее значение проекций координат максимумов на поверхность земли

Определяют кратность ослабления МД слоями воздуха Δh на оси следа A_o1 по проведенным измерениям

Из (2) находят математическое ожидание коэффициента

По измеренным значениям оценивают значение МД на высоте 1 м от поверхности земли над осью следа

Повторяют измерения на расстоянии от источника радиоактивного выброса, удовлетворяющем условию (3), и аналогичным образом, используя зависимости (6)-(9), определяют значения х_о2 и D₂.

Осуществляют переход от географической к относительной системе координат, в которой за начало координат принимают местоположение источника аварии (x_u, y_u), а ось абсцисс совпадает с направлением среднего ветра:

Высоту подъема облака радиоактивных примесей и активность радиоактивных веществ, вышедших в окружающую среду в результате аварии, находят, решая систему уравнений (3).

Уточняют прогноз по модели вида (1) с учетом полученных значений.

Описание чертежей

На фиг. 1 показаны варианты имитации распределения ошибки измерения МД (точечные обозначения) относительно модельной функции (обозначено сплошной линией) и кусочная аппроксимация полиномами со степенью сглаженности 0,5 (обозначено жирной курсивной линией) с учетом ослабления ионизирующего излучения на высотах 50, 100 и 150 м над поверхностью земли.

На фиг. 2 показана схема полетного задания для получения исходных данных системы уравнений (3).

Соответствие критерию «новизна»

Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку предлагаемый способ позволяет оценить высоту подъема облака радиоактивных примесей и активность радиоактивных веществ, вышедших в окружающую среду в результате аварии, по измерениям БЛА, что не описано в известных источниках.

Соответствие критерию «изобретательский уровень»

Предлагаемое техническое решение имеет изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявленные способы позволяют определять высоту подъема облака радиоактивных примесей и активность радиоактивных веществ, вышедших в окружающую среду в результате аварии, по данным ВРРМ.

Соответствие критерию «промышленная применимость»

Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, так как для его реализации могут быть использованы серийно выпускаемые БЛА вертолетного или самолетного типа с блоком детектирования гамма-излучения и портативные электронно-вычислительные машины.

Реализация способа

Предлагаемый способ может быть реализован техническими средствами, входящими в состав мобильных робототехнических комплексов специальных формирований по ликвидации последствий радиационных аварий. Время одного измерения МД составляет порядка 2 с. При скорости ведения разведки 40 км/ч одно измерение приходится примерно на 22 м. На ведение разведки с учетом удаления пункта управления от зоны радиоактивного загрязнения на расстояние до 1 км и протяженности одного галса до 600 м потребуется от 10 до 15 мин. На фиг. 1 представлен результат имитации ВРРМ на высотах 50, 100 и 150 м для нормально распределенной суммарной погрешности измерения МД в интервале [-0,5; +0,5] с доверительной вероятностью 0,99. Имитационное моделирование показало, что наилучшую корреляцию (до 0,998) с исходной функцией дает кусочная аппроксимация данных радиационной разведки полиномами со степенью сглаженности 0,4-0,5. Точность получаемого результата зависит от выбора степени сглаженности аппроксимации, выбранного расстояния между маршрутами ведения радиационной разведки, которое, в свою очередь, имеет зависимость от градиента функции МД на участке ведения радиационной разведки.

Технико-экономическая эффективность

Предлагаемый способ позволяет оперативно без привлечения дополнительного технического оснащения мобильных комплексов аварийно-спасательных формирований определить исходные данные об источнике радиационной аварии для уточнения прогноза распространения радиоактивных примесей в атмосфере.

Список литературы

1. Семенчин Е.А., Кузякина М.В. Стохастические методы решения обратных задач в математической модели атмосферной диффузии. - М.: Физматлит, 2012. - 176 с.

2. Израэль Ю.А., Стукин Е.Д. Гамма-излучение радиоактивных выпадений. - М.: Атомиздат, 1967. - 224 с.

3. Измеритель мощности дозы ИМД-31. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - 132 с.

4. Пат. 2620333 РФ МПК G01T 1/169 Способ ведения воздушной радиационной разведки местности с использованием беспилотного летательного аппарата вертолетного типа / Кожевников Д.А., Садовников Р.Н., Лукоянов Д.И. и др.; заявитель и патентообладатель ФГБУ 33 ЦНИИИ Минобороны России; №2016133815, заяв. 17.98.2016, опубл. 24.05.2017, бюл. №15.

5. Пат. 2601774 РФ МПК G01T 1/167 Способ ведения воздушной радиационной разведки местности измерителем мощности дозы с одним детектором / Садовников Р.Н.; заявитель и патентообладатель ФГБУ 33 ЦНИИИ Минобороны России; №2015126516/28, заяв. 02.07.2015, опубл. 10.11.2016, бюл. №31.

Изобретение относится к области выявления радиационной обстановки. Сущность изобретения заключается в том, что способ определения параметров аварийного радиационного источника по данным воздушной радиационной разведки местности содержит этапы, на которых определяют высоту подъема облака радиоактивных примесей и активность радиоактивных веществ, вышедших в окружающую среду в результате аварии, путем решения обратной задачи, исходными данными для которой являются результаты воздушной радиационной разведки местности (ВРРМ), проводимой беспилотным летательным аппаратом (БЛА) по мере формирования радиоактивного следа. Технический результат - повышение точности прогноза загрязнения окружающей среды радиоактивными веществами от аварийных источников. 2 ил.

Способ определения параметров аварийного радиационного источника по данным воздушной радиационной разведки местности, заключающийся в определении высоты подъема облака радиоактивных примесей и активности радиоактивных веществ, вышедших в окружающую среду в результате аварии, путем решения обратной задачи по данным воздушной радиационной разведки, проведенной беспилотным летательным аппаратом (БЛА), отличающийся тем, что измеряют мощность дозы гамма-излучения с борта БЛА по мере формирования радиоактивного следа на не менее чем четырех высотах; БЛА оснащают средствами измерения мощности дозы гамма-излучения, определения высоты относительно земной поверхности, температуры, автоматической радиопередачи телеметрических данных на наземный вычислительный комплекс (НВК), навигационной системой; БЛА направляют по маршрутам, перпендикулярным направлению среднего ветра и лежащим в одной вертикальной плоскости; данные воздушной радиационной разведки передают на НВК по радиоканалу в режиме реального времени с заданной периодичностью; на НВК находят максимумы функций, аппроксимирующих полученные от БЛА значения мощности дозы гамма-излучения на заданных высотах; находят координату точки на оси следа как математическое ожидание проекций координат максимумов аппроксимирующих функций на поверхность земли, и устанавливают аппроксимирующую зависимость ослабления мощности дозы гамма-излучения слоем воздуха над осью следа; оценивают величину мощности дозы гамма-излучения на высоте один метр от поверхности земли на оси следа; удаляют БЛА на произвольное расстояние от источника аварии в пределах сформированной части следа и повторяют измерения; высоту подъема облака радиоактивных примесей и активность радиоактивных веществ, вышедших в окружающую среду в результате аварии, определяют путем решения системы двух уравнений с двумя неизвестными в используемой математической модели переноса примесей в атмосфере по полученным значениям мощности дозы в двух точках по оси следа.