Радиоизотопный высотомер

 

Радиоизотопный высотомер относится к радиоизотопному приборостроению и может быть использовано в системах навигации летательных аппаратов, например, для формирования исполнительного сигнала на включение двигателей мягкой посадки спускаемых аппаратов космических кораблей. Технический результат обеспечивается путем разработки устройства компенсации изменений активности источника излучения и фона. Поставленная цель достигается тем, что в радиоизотопный высотомер, содержащий радиоизотопный блок излучения (передатчик), сцинтилляционный блок детектирования с реперным источником, регистрирующий обратно рассеянное от подстилающей поверхности гамма-излучение, и связанные последовательно фотоприемник, преобразователь частотного сигнала, компенсатор динамической погрешности и исполнительное устройство, а также блок стабилизации, выход которого соединен со вторым входом фотоприемника, первый вход которого соединен с выходом сцинтилляционного блока детектирования, причем блок стабилизации содержит два компаратора с опорными сигналами, два диодных интенсиметра с дозирующими емкостями, отличающимися по величине в два раза и схему вычитания, формирующую сигнал стабилизации, дополнительно вводится устройство компенсации изменения активности источника излучения и фона, состоящее из последовательно соединенных формирователя начальной задержки, измерителя сигнала реперного источника, вычислителя сигнала компенсации изменения активности источника излучения, формирователя интервала, формирователя сигнала компенсации фона, выходного формирователя, а также буферного регистра, вход которого соединен со вторым выходом вычислителя сигнала компенсации активности источника излучения, а выход с входом управляемого кодом делителя частоты, второй вход которого соединен с выходом фотоприемника, а выход со вторым входом формирователя сигнала компенсации фона и с входом преобразователя частотного сигнала, второй вход которого соединен с выходом выходного формирователя, а выход соединен со входом компенсатора динамической погрешности (корректором), выход которого соединен с входом исполнительного устройства, на второй вход которой подается опорный сигнал. 4 ил.

Известны устройства для измерения высоты, основанные на использовании радиоактивных источников гамма-излучения [1, 2].

Устройство, описанное в работе [1], содержит источник и приемник гамма-излучения. В качестве источника гамма-излучения используется передатчик, содержащий радиоактивный изотоп кобальт-60, а приемник содержит последовательно включенные детектор излучения, нормализатор, усилитель и измеритель скорости счета (интенсиметр).

Передатчик излучает поток гамма-квантов в сторону подстилающей поверхности. Отраженный от подстилающей поверхности поток гамма-квантов регистрируется детектором излучения, который преобразует кванты излучения в электрические сигналы. Эти сигналы формируются в нормализаторе по длительности и амплитуде и подаются через усилитель на интенсиметр. Плотность потока отраженных от подстилающей поверхности гамма-квантов служит мерой высоты летательного аппарата (ЛА).

Недостатком описанного устройства является то, что интенсивность излучения радиоактивного изотопа, введенного в состав передатчика высотомера, изменяется с течением времени согласно закона радиоактивного распада [3]: А(t) = Ао·ехр[-n1n2(t/td)] (1) где Ао[Бк] - активность источника излучения в момент настройки t = О; А(t)[Бк] - активность источника излучения, спустя время t; td - период полураспада радиоактивного источника, год.

Так как средняя частота импульсов на выходе приемника излучения измерителя высоты зависит от активности источника излучения, то со временем происходит увеличение погрешности измерения высоты, что требует дополнительных проверок прибора или его перенастройки.

Другим недостатком описанного устройства в случае использования его в качестве измерителя высоты, устанавливаемого на спускаемых аппарата (СА) космических кораблей, обеспечивающего формирование исполнительного сигнала на включение двигателей мягкой посадки, является то, что оно не компенсирует дополнительную погрешность в измерении высоты, вызванную изменением фоновой составляющей регистрируемого сигнала. Указанное изменение фона обусловлено тем, что настройка измерителя высоты происходит перед запуском СА, а его реальная работа происходит после прохождения СА при посадке через плотные слои атмосферы, в результате которого происходит обгорание теплоизоляции корпуса, что, в свою очередь, приводит к изменению фонового сигнала, обусловленного гамма-квантами, отраженными от корпуса СА. Другой причиной изменения фона может служить незначительное отслоение теплозащитного покрытия (ТЗП) СА при прохождении его через плотные слои атмосферы, а также несанкционированная загрузка СА с орбитальной станции сторонними радиоактивными источниками или простая перекомпоновка приборов в приборном отсеке.

Устройство, приведенное в [2], по принципу действия аналогично описанному выше и, следовательно, имеет те же недостатки, то есть его показания изменяются с течением времени, определенным длительным орбитальными полетами СА или длительным хранением измерителя высоты, а также отсутствием компенсации погрешности, вызванной изменением фоновой составляющей регистрируемого сигнала.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является радиоизотопный высотомер, содержащий радиоизотопный блок излучения, передатчик излучения, сцинтилляционный блок детектирования, регистрирующий обратно рассеянное от подстилающей поверхности гамма-излучения, с реперным источником излучения и связанные последовательно фотоприемник, преобразователь частотного сигнала, компенсатор динамической погрешности (корректор) и исполнительное устройство, а также блок стабилизации, выход которого соединен со вторым входом фотоприемника, первый вход которого соединен с выходом сцинтилляционного блока детектирования, а блок стабилизации содержит два компаратора с опорными сигналами SE 1 и SE 2, два диодных интенсиметра с дозирующими емкостями, отличающимися по величине в два раза друг от друга и схему вычитания, формирующую сигнал стабилизации USE [4].

Недостатком известного радиоизотопного высотомера является изменение его показаний со временем вследствие радиоактивного распада источника гамма-излучения и изменения фоновой составляющей исполнительного сигнала до и после орбитального полета спускаемого аппарата СА космического корабля.

Цель изобретения - повышение точности измерения высоты СА и, как следствие надежности формирования исполнительного сигнала радиоизотопным высотомером.

Технический результат обеспечивается путем разработки устройства компенсации изменения активности источника излучения и фона.

Поставленная цель достигается тем, что в радиоизотопный высотомер, содержащий радиоизотопный блок излучения (передатчик), сцинтилляционный блок детектирования, регистрирующий обратно рассеянное от подстилающей поверхности гамма-излучение, с реперным источником излучения и связанные последовательно фотоприемник, преобразователь частотного сигнала, компенсатор динамической погрешности (корректор) и исполнительное устройство, а также блок стабилизации, выход которого соединен со вторым входом фотоприемника, первый вход которого соединен с выходом сцинтилляционного блока детектирования, а блок стабилизации содержит два компаратора с опорными сигналами SE 1 и SE 2, два диодных интенсиметра с дозирующими емкостями, отличающимися по величине в два раза, и схему вычитания, формирующую сигнал стабилизации USE, введено устройство компенсации изменения активности источника излучения и фона, содержащее последовательно соединенные формирователь начальной задержки, измеритель сигнала реперного источника излучения, вычислитель сигнала компенсации изменения активности источника излучения, формирователь интервала, формирователь сигнала компенсации фона, выходной формирователь, формирующий либо цифровой, либо аналоговый сигнал, а также буферный регистр, связывающий второй выход вычислителя сигнала компенсации со входом управления управляемого кодом делителя частоты, на второй (сигнальный) вход которого поступает частотный сигнал с выхода фотоприемника, а выход подсоединен ко второму входу формирователя сигнала компенсации фона и первому входу преобразователя частотного сигнала, второй вход которого связан с выходом выходного формирователя, а выход со входом корректора, выход которого подсоединен к первому входу исполнительного устройства, на второй вход которого подается опорный сигнал.

На фиг. 1 приведена структурная схема радиоизотопного высотомера; на фиг. 2 - зависимость выходного сигнала высотомера от высоты СА над подстилающей поверхностью на момент его настройки (t = О) и через время t; на фиг. 3 - зависимость выходного сигнала высотомера от высоты СА над подстилающей поверхностью до (1) и после (2) орбитального полета СА; на фиг. 4 - аппаратурный энергетический спектр отраженного от подстилающей поверхности (полезного) сигнала и реперного источника излучения на основе радиоактивного изотопа Cs-137.

Радиоизотопный высотомер содержит блок 1 источника излучения (передатчик) 1, сцинтилляционный блок 2 детектирования, реперный источник 3 излучения, фотоприемник 4, компараторы 5 и 6, диодные интенсиметры 7 и 8 с дозирующими емкостями, схему 9 вычитания, формирователь 10 начальной задержки, измеритель сигнала реперного источника излучения 11, вычислитель сигнала компенсации изменения активности источника излучения 12, формирователь 13, интервала, формирователь 14 сигнала компенсации фона, выходной формирователь 15, буферный регистр 16, управляемый кодом делитель частоты 17, преобразователь 18 частотного сигнала, компенсатор 19 динамической погрешности (корректор), исполнительное устройство 20.

Радиоизотопный высотомер работает следующим образом.

Блок источника излучения (передатчик) 1, содержащий источник гамма-излучения, например Cs-137, и защитную оболочку из материала с большим удельным весом и атомным номером (например, вольфрам, обедненный уран), имеющую коллимирующее выходное отверстие для формирования направленного потока, излучает гамма-кванты через обшивку и теплозащитное покрытие (ТЗП) спускаемого аппарата СА в сторону подстилающей поверхности (грунт, вода). Отраженный от поверхности поток гамма-излучения, проходя через ТЗП и обшивку СА, регистрируется сцинтилляционным блоком 2 детектирования, содержащий реперный источник 3 гамма-излучения, например, на основе радиоактивного изотопа Сs-137.

Гамма-кванты, преобразованные сцинтилляционным блоком 2 детектирования в кванты более низкой энергии, поступают на вход фотоприемника 4, который, в свою очередь, преобразует их в электрические импульсы. Одновременно осуществляется выделение полезного сигнала из собственного шума фотоприемника 4.

Так как на характеристики сцинтилляционного блока 2 детектирования и фотоприемника 4 оказывают значительное влияние изменение температуры окружающей среды и их временной дрейф, в радиоизотопном высотомере используется специальная обработка сигнала в блоке стабилизации, который реализован в виде аналогового устройства с реперным источником излучения по "двухоконной" схеме. Основными элементами блока стабилизации являются компараторы 5 и 6, значения опорных сигналов которых соответствует энергии излучения реперного источника SE1 (для радиоактивного источника Сs-137 SE 1 = 661 кэВ) и нижней энергии аппаратурного энергетического спектра реперного источника излучения SE 2 (для изотопа Cs-137 SE 2 = 550 кэВ), диодные интенсиметры 7 и 8 с дозирующими емкостями с различающимися в 2 раза коэффициентом преобразования, сигналы с выходов которых поступают на входы 1 и 2 устройства схемы 9 вычитания соответственно, на выходе которого вырабатывается сигнал стабилизации USE, управляющий работой фотоприемника с целью компенсации изменений его характеристик от температуры и со временем.

Сигнал с выхода фотоприемника 4 в виде последовательности случайных импульсов, математическое ожидание частоты следования которых зависит от высоты СА до подстилающей поверхности и описывается статической характеристикой высотомера n=f(Н) (см. фиг. 2, 3), транслируется через управляемый кодом делитель частоты 17, на вход преобразователя частотного сигнала 18. В преобразователе частотного сигнала 18 производится оценивание в каждый момент времени величины n(t) фильтрация и масштабирование сигнала. Отфильтрованное от помех значение сигнала n(t) поступает на вход исполнительного устройства 20, выполненного на основе компаратора с опорным сигналом SU(Нср), соответствующим высоте срабатывания высотомера Нср. При близкой к нулевой скорости снижения спускаемого аппарата СА срабатывание исполнительного устройства 20 происходит при равенстве сигналов n(t) и п(Нср). При значениях скорости снижения СА, отличающейся от нулевой, это равенство нарушается вследствие инерционности фильтров преобразователя частотного сигнала 18, что является причиной возникновения динамической погрешности при измерении высоты. Для компенсации указанной погрешности в высотомере служит компенсатор динамической погрешности (корректор) 19, на вход которого поступают сигналы с выхода преобразователь частотного сигнала 18. Корректор 19 формирует на своем выходе сигнал пропорциональный скорости снижения СА, который, поступая на вход исполнительного устройства 20, компенсирует эти изменения за счет соответствующего смещения величины опорного сигнала исполнительного компаратора. С целью компенсации погрешности измерения высоты, обусловленной радиоактивным распадом источника гамма-излучения ΔHср (см. фиг. 2) и погрешности измерения высоты, обусловленной изменением фона до и после орбитального полета СА ΔHдк (см. фиг. 3) в предлагаемом радиоизотопном высотомере используются устройство, помещаемое между выходом фотоприемника 4 и первым и вторым входами преобразователя частотного сигнала 18 и содержащее формирователь 10, начальной задержки, измеритель 11 сигнала реперного источника излучения, вычислитель 12 сигнала компенсации изменения активности источника излучения, формирователь 13 интервала, формирователь 14 сигнала компенсации фона, выходной формирователь 15, буферный регистр 16, управляющий кодом делитель частоты 17.

Работа устройства компенсации происходит следующим образом.

После подачи электрического питания на высотомер (или по специальному сигналу) формирователь 10 начальной задержки формирует интервал времени То, блокирующий работу исполнительного устройства 20 на время одной или нескольких минут путем соответствующей установки выходного формирователя 15 и регистра 16. За время То СА достигает высоты, начиная с которой его теплозащитный слой после обгорания в результате выхода с орбиты в плотные слои атмосферы практически не меняются по толщине, а изменения плотности атмосферы, являющиеся также причиной изменения фона, минимальна (высоты порядка 1,0 - 2,0 км). По истечении времени То измеритель сигнала реперного источника излучения 11 формирует сигнал, обратно пропорциональный активности реперного источника излучения 3, определяемой по сигналу пика фотоэлектрического поглощения в материале сцинтилляционного блока детектирования 2 в диапазоне энергий E1 < E < ∞, поступающего с выхода диодного интенсиметра 8 с дозирующей емкостью на вход измерителя 11 (см. фиг. 4, 2). Далее сигнал с выхода измерителя 11 поступает на вход вычислителя 12 сигнала компенсации изменения активности источника излучения высотомера, который производит деление поступившего сигнала на величину, обратно пропорциональную активности реперного источника излучения, измеряемую при настройке высотомера, то есть в момент t = О (см. фиг. 4; 1). Таким образом, на выходе вычислителя 12 формируется сигнал компенсации равный N = Ао/А(t) (см. формулу 1). Такой сигнал будет сформирован, если в качестве основного и реперного источника излучения в высотомере используется один и тот же радиоактивный изотоп. В случае, если в качестве реперного источника излучения используется радиоактивный изотоп, отличный от основного, то на выходе вычислителя 12 формируется сигнал компенсации, равный N = К(t)Ao/A(t), где величина К(t) определяется отношением времен полураспада основного и реперного источников излучения высотомера.

Сформированный сигнал компенсации на выходе 2 вычислителя 12 открывает буферный регистр 16, формирующий сигнал управления, который поступает на вход 1 управляемого кодом делителя частоты 17, на второй вход которого поступает сигнал с выхода фотоприемника 4. Делитель частоты 17 обеспечивает компенсацию сигнала с выхода фотоприемника 4 в соответствии с сигналом компенсации, выработанном в вычислителе 12. Скомпенсированный сигнал с выхода делителя 17 частоты поступает на вход 1 преобразователя 18 частотного сигнала и на вход 2 формирователя 14 сигнала компенсации фона. Одновременно сигнал, сформированный на выходе 1 вычислителя 12, поступает на вход формирователя интервала 13 и открывает его. Формирователь интервала 13 управляет интервалом времени измерения сигнала фона поступающего с делителя 17 частоты на вход 2 формирователя 14 сигнала. Скомпенсированный на величину изменения активности источника излучения высотомера сигнал с выхода делителя частоты 17 поступает на вход 2 формирователя 14 сигнала компенсации фона 4 и накапливается в нем в течение интервала времени, сформированного формирователем 13 интервала. Время измерения выбирается порядка 100 с для обеспечения достаточно малой статистической погрешности измерения сигнала. Сигнал с выхода формирователя 14 сигнала компенсации фона через выходной формирователь 15, который, в частности, может содержать параллельный регистр и цифроаналоговый преобразователь, поступает на второй вход преобразователя 18, частотного сигнала, на первый вход которого поступает сигнал с выхода делителя 17 частоты. В преобразователе сигналы, поступающие на его первый и второй выходы, вычитаются, и на выходе формируется сигнал, скомпенсированный по изменению фона, который поступает на вход корректора 19, с выхода которого на вход исполнительного устройства 20 поступает сигнал с компенсацией динамической погрешности. При достижении сигналом с выхода корректора 19 значения опорного сигнала исполнительное устройство 20 формирует сигнал на включение двигателей мягкой посадки СА.

В результате реализации предлагаемого радиоизотопного высотомера достигается компенсация погрешности измерения высоты, обусловленной радиоактивным распадом источника излучения, которая может достигнуть 30%, и погрешности, обусловленный изменение фоновой составляющей сигнала, которая в отдельных случаях может достигнуть 100% на высотах порядка 1-2 км, что нарушает нормальную работу компенсатора динамической погрешности (корректора).

Источники информации 1. "Electronics", 1969, 33, N 2, с. 37.

2. "Авиационная промышленность", 1967, N 9, с. 49-51.

3. Дозиметрия и защита от ионизирующих излучений. Голубев Б.П. - М.: Атомиздат, 1976, с. 79.

4. Фотонный измеритель высоты "Кактус", Каталог выставки "Высшая школа России и конверсия", М., ГК РФ по высшему образованию, с. 243.

Формула изобретения

Радиоизотопный высотомер, содержащий источник излучения, сцинтилляционный блок детектирования, регистрирующий обратно рассеянное от подстилающей поверхности гамма-излучение, с реперным источником и связанные последовательно фотоприемник, преобразователь частотного сигнала, компенсатор динамической погрешности, а также исполнительное устройство и блок стабилизации, содержащий два компаратора с опорными сигналами SE1, SE2, при этом общий вход компараторов соединен с выходом фотоприемника, а выходы компараторов через соответствующие диодные интенсиметры с различающимися в два ряда коэффициентами преобразования подключены к входам блока вычитания, выход которого подключен к второму входу фотоприемника, первый вход которого соединен с выходом сцинтилляционного блока детектирования, отличающийся тем, что введено устройство компенсации изменения активности источника излучения и фона, состоящее из последовательно соединенных формирователя начальной задержки, измерителя сигнала реперного источника излучения, вычислителя сигнала компенсации изменения активности источника излучения, формирователя интервала времени измерения сигнала фона, формирователя сигнала компенсации фона, выходного формирователя, а также буферного регистра, вход которого соединен с вторым выходом вычислителя сигнала компенсации изменения активности источника излучения, а выход с входом управляемого кодом делителя частоты, второй вход которого соединен с выходом фотоприемника, а выход с вторым входом формирователя сигнала компенсации фона и с входом преобразователя частотного сигнала, второй вход которого соединен с выходом выходного формирователя, а выход соединен с входом компенсатора динамической погрешности, выход которого соединен с входом исполнительного устройства, второй вход которого является входом опорного сигнала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4