Способ дистанционной идентификации радиоактивного облака в атмосфере Российский патент 2021 года по МПК G01S5/00 

Техническое решение относится к физическим измерениям, а именно радиотехническим средствам, использующим поляризационные свойства целей для радиационной идентификации облака в атмосфере. Известен наиболее близкий к заявляемому способ дистанционного контроля радиационной обстановки в атмосфере, в котором используют облучение заданной области пространства электромагнитным сигналом, измерение параметров воздушной среды: относительной влажности, температуры, давления и вертикальной скорости воздушного потока над зоной контроля, а также либо предварительное установление нуклидного состава радиоактивного объекта, либо измерение спектрального состава его гамма-излучения, а о радиационной обстановке судят по мощности радиоактивного выброса, которую вычисляют как известную функцию от измеренных параметров воздушной среды [Способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений. Елохин А.П. RU 2147137 С1 2000.03.27]. В этом способе необходимо предварительное измерение параметров воздушной среды, по которым затем вычисляют мощность радиоактивного выброса как функцию параметров воздушной среды, по значению которой принимают решение о радиационной обстановке, что требует дополнительного времени для принятия решения.

Задачей заявляемого технического решения является уменьшение времени на принятие решения об идентификации облака в воздушной среде путем исключения предварительного измерения параметров воздушной среды. Это достигается тем, что применяемый способ радиационной идентификации облака в атмосфере использует облучение облака электромагнитным сигналом, взаимный прием отраженного сигнала, отличается тем, что производят облучение облака сигналом круговой поляризации, с длиной волны электромагнитного сигнала равной удвоенной длине трека альфа излучения в атмосфере, определяют наличие в спектре огибающей принятого сигнала составляющей с периодом, равным периоду излучаемого сигнала, принимают решение о радиоактивности облучаемого облака по наличию в спектре огибающей принятого сигнала составляющей с периодом, равным периоду излучаемого сигнала. Сущность заявляемого способа поясняется на примере устройства, реализующего этот способ. Функциональная схема устройства приведена на чертеже.

Устройство, реализующее предлагаемый способ дистанционной идентификации радиоактивного облака в атмосфере, содержит антенну 1, циркулятор 2, 1-й выход которого подключен к входу антенны 1, передатчик 3, выход которого подключен к входу циркулятора 2, генератор модуляции амплитуды излучаемого сигнала 4, 1-й выход которого подключен к входу передатчика 3, приемник 5, вход которого подключен ко 2-му выходу циркулятора 2, синхронный детектор 6, 1-й вход которого подключен к выходу приемника 5, а 2-й вход подключен ко 2-му выходу генератора модуляции амплитуды излучаемого сигнала 4, блок выработки порога 7, пороговое устройство 8, 1-й вход которого подключен к выходу синхронного детектора 6, а 2-й вход подключен к выходу блока выработки порога 7, блок принятия решения 9, вход которого подключен к выходу порогового устройства 8.

Работает устройство следующим образом.

В генераторе модуляции амплитуды излучаемого сигнала 4 вырабатывается периодический сигнал с круговой частотой Ω, который поступает на вход передатчика 3. В передатчике 3 вырабатываются импульсы с высокочастотным заполнением, с длиной волны высокочастотного заполнения равной длине, при которой амплитуда сигнала, отраженного от диполя, образованном треком альфа излучения в атмосфере, наибольшая, и периодом Т, амплитуда которых модулируется периодическим сигналом Сигнал с выхода передатчика 3 поступает на 1-й вход циркулятора 2, с выхода циркулятора 2 сигнал поступает на вход антенны 1 круговой поляризации общей на передачу и прием. Антенна 1 излучает сигнал круговой поляризации, принимает отраженный от облака сигнал, который поступает на 2-й вход циркулятора 2 и затем со 2-го выхода циркулятора 2 поступает на вход приемника 5. С выхода приемника 5 сигнал поступает на 1-й вход синхронного детектора 6. С выхода синхронного детектора 6 сигнал поступает на 1-й вход порогового устройства 8, на 2-й вход порогового устройства поступает сигнал с выхода блока выработки порога 7. С выхода порогового устройства 8 сигнал поступает на блок принятия решения 9, в котором решение о наличии радиоактивности принимается в случае если уровень сигнала, поступающего на 1-й вход порогового устройства 8, превышает уровень сигнала, поступающего на 2-й вход порогового устройства. Сигнал, принятый взаимной антенной, какой является антенна в предлагаемом техническом решении, от естественного облака при облучении его на круговой поляризации будет равен нулю [Канарейкин Д.Б., Павлов Н.Ф., Потехин В.А. Поляризация радиолокационных сигналов М. Сов. радио. 1966] не зависимо от мощности излучаемого сигнала.

Область атмосферы, в случае радиоактивного выброса в атмосферу, будет включать альфа излучение, которое присутствует в радиоактивном выбросе [Петрушанский М.Г. Основы физики ионизирующих излучений. Оренбург. ГОУ ОГУ. 2008]. Поэтому радиоактивное облако можно представить как совокупность хаотически ориентированных диполей [Полянский В.А. Обратное рассеяние электромагнитной волны на облаке радиоактивных элементов в воздухе, испускающих альфа-частицы. ЖТФ, 2000. Т. 70, №2, с. 133-135]. Длина излучаемой волны выбирается равной удвоенной длине трека (диполя) альфа излучения в атмосфере, при которой мощность отраженного сигнала наибольшая [Теоретические основы радиолокации/Под ред. В.Е. Дулевича. М. Сов. радио. 1964]. В спектре сигнала, принятого антенной круговой поляризации, при облучении радиоактивного облака сигналом круговой поляризации, модулированным по амплитуде, будет содержаться спектральная составляющая на частоте амплитудной модуляции излучаемого сигнала. Действительно.

Матрица Мюллера М_д случайно ориентированных диполей равна [Matt D.L. Stokes-parameter description of backscattering from a ramdomly диполей равна [Matt D.L. Stokes-parameter description of backscattering from a ramdomly oriented dipoles. Proc. IEEE, 1969, v. 57, №11, p, 2067-2068]:

Вектор Стокса S_отр отраженного сигнала равен:

где S_изл вектор Стокса излученного сигнала.

Вектор Стокса S_лин линейно поляризованного излучаемого сигнала в линейном базисе общем случае равен, с точностью до постоянного коэффициента:

где Р - мощность излучаемого сигнала, α - угол наклона электрического вектора электромагнитной волны к направлению горизонтальной поляризации.

Примем α=0, тогда

Вектор Стокса S_кр излучаемого сигнала круговой поляризации в том же базисе равен:

Как следует из (1), (2), (4) вектор Стокса S_д сигнала, отраженного от совокупности диполей при облучении их сигналом круговой поляризации, равен

Мощность Р_пр на выходе приемной антенны равна скалярному произведению вектора Стокса S_a приемной антенны и вектору Стокса принимаемого сигнала S_c [Антенны эллиптической поляризации, под ред. А.И. Шпунтова. М. Иностранная литература. 1961]:

Тогда мощность сигнала Р_д, принятого от радиоактивного облака на выходе взаимной приемной антенны с точностью до постоянного множителя равна:

Мощность Р_пр на выходе приемной антенны равна скалярному произведению вектора Стокса принимаемого сигнала S_c и вектора Стокса S_a приемной антенны [Антенны эллиптической поляризации, под ред. А.И. Шпунтова. М. Иностранная литература. 1961]:

Тогда на выходе антенны сигнал, отраженный от радиоактивного облака как от облака диполей, с точностью до постоянного множителя имеет мощность Р_пр.д равную

При модуляции мощности излучаемого сигнала Р с частотой Ω, получаем

где Р₀ - амплитуда мощности излучаемого сигнала, t - время.

Тогда мощность сигнала, отраженного от облака диполей, на выходе приемной антенны с точностью до постоянного множителя равна

Таким образом, как следует из выше изложенного, в спектре сигнала, отраженного от радиоактивного облака в атмосфере, содержится спектральная составляющая частоты Ω, равная частоте модуляции излучаемого сигнала, а в спектре сигнала, отраженного от атмосферы, не содержащей радиоактивных элементов, составляющая частоты Ω отсутствует. По наличию в спектре принятого сигнала частоты амплитудной модуляции излучаемого сигнала принимают решение о радиоактивности облучаемого участка атмосферы.

Итак, облучение облака электромагнитным сигналом круговой поляризации, длина волны которого равна удвоенной длине трека альфа излучения в атмосфере, определяют наличие в спектре огибающей принятого сигнала составляющей с периодом, равным периоду излучаемого сигнала, принимают решение о радиоактивности облучаемого облака в атмосфере по наличию в спектре огибающей принятого сигнала составляющей с периодом, равным периоду излучаемого сигнала, позволяет исключить измерение параметров атмосферы, что обеспечивает уменьшение времени на принятие решения о радиоактивности наблюдаемого облака в воздушной среде.

Изобретение относится к способу дистанционной идентификации радиоактивного облака в атмосфере. Облако облучают электромагнитным сигналом с последующим приемом отраженного сигнала. Причем используется сигнал круговой поляризации, с длиной волны электромагнитного сигнала, равной удвоенной длине трека альфа-излучения в атмосфере. В составе зарегистрированного отраженного сигнала определяют наличие в спектре огибающей принятого сигнала составляющей с периодом, равным периоду излучаемого сигнала. На основании полученных данных принимают решение о радиоактивности облучаемого облака по наличию в спектре огибающей принятого сигнала составляющей с периодом, равным периоду излучаемого сигнала. Техническим результатом является обеспечение возможности более оперативного принятия решения об идентификации радиоактивного облака в воздушной среде. 1 ил.

Способ дистанционной идентификации радиоактивного облака в атмосфере с использованием облучения облака электромагнитным сигналом, взаимного приема отраженного сигнала отличается тем, что производят облучение облака сигналом круговой поляризации, с длиной волны электромагнитного сигнала, равной удвоенной длине трека альфа-излучения в атмосфере, определяют наличие в спектре огибающей принятого сигнала составляющей с периодом, равным периоду излучаемого сигнала, принимают решение о радиоактивности облучаемого облака по наличию в спектре огибающей принятого сигнала составляющей с периодом, равным периоду излучаемого сигнала.