Радиоизотопный высотомер
Изобретение относится к радиоизотопному приборостроению и может быть использовано для определения высоты в системах навигации летательных аппаратов (ЛА). Технический результат - повышение надежности измерений за счет компенсации динамической погрешности. Устройство содержит источник излучения, связанные последовательно реперный источник излучения, сцинтилляционный блок детектирования, фотоприемник, управляемый кодом делитель частоты, преобразователь частотного сигнала, нормализатор сигнала, устройство непрерывного измерения высоты и скорости, содержащее скользящие интеграторы, линеаризирующий кодовый преобразователь, вычитатель, сумматор, умножитель и регистратор высоты и скорости, исполнительное устройство, связанное через частотный компаратор с выходом фотоприемника, который также связан с блоком стабилизации и с управляемым кодом делителем частоты, соединенным по входу с устройством компенсации изменения активности и фона, имеющим связь со входами преобразователя частотного сигнала и включающим в себя формирователь начальной задержки, измеритель сигнала реперного источника излучения, вычислитель сигнала компенсации изменения активности источника излучения, формирователи интервала времени изменения сигнала фона и сигнала компенсации фона, а также выходной формирователь и буферный регистр, причем выход блока стабилизации подключен к второму входу фотоприемника. 6 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, что, в свою очередь, приводит к увеличению погрешности измерения высоты. Это обстоятельство требует дополнительных проверок прибора или его перенастройки. Другим недостатком описанного устройства, в случае использования его в качестве измерителя высоты, устанавливаемого на спускаемых аппаратах (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 перекомпановка приборов в приборном отсеке. Еще одним недостатком описанного устройства является значительная зависимость показаний прибора от скорости спуска СА, т.е. значительная динамическая погрешность измерения высоты. Устройство, приведенное в работе [2], по своему принципу действия аналогично описанному выше и, следовательно, имеет те же недостатки. Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является радиоизотопный высотомер, описанный в работе [3], содержащий источник излучения, связанные последовательно реперный источник излучения, сцинтилляционный блок детектирования, регистрирующий гамма-излучение реперного источника излучения и обратно рассеянное от подстилающей поверхности гамма-излучение, фотоприемник, преобразователь частотного сигнала, компенсатор динамической погрешности, а также исполнительное устройство, блок стабилизации, содержащий два компаратора с опорными сигналами SE1, SE2, входы которых соединены с выходом фотоприемника, а выходы - с входами соответствующих диодных интенсиметров с различающимися в два раза коэффициентами преобразования, выходы диодных интенсиметров подключены к входам блока вычитания, выход которого подключен к второму входу фотоприемника, первый вход которого соединен с выходом сцинтилляционного блока детектирования. Недостатком известного радиоизотопного высотомера является изменение его показаний со временем вследствие радиоактивного распада источника гамма-излучения и изменение фоновой составляющей сигнала до и после орбитального полета СА космического корабля, а также ограниченный диапазон измерения высоты с компенсацией динамической погрешности и связанное с этим ограничением отсутствие возможности непрерывного измерения высоты и скорости спуска СА в требуемом диапазоне высот. Цель изобретения - расширение диапазона измерения высоты с компенсацией динамической погрешности и, как следствие, расширение функциональных возможностей радиоизотопного высотомера, связанное с непрерывным измерением скорости спуска СА в измеряемом диапазоне высот. Технический результат обеспечивается путем введения устройства компенсации изменения активности источника излучения и фона, а также устройства непрерывного изменения высоты и скорости спуска СА в рабочем диапазоне высот и автоматической компенсацией динамической погрешности с алгоритмом работы, отличным от аналога [3], так как в устройстве, описанном в работе [3], указанная компенсация основана на решении двух нелинейных трансцендентных уравнений (динамической характеристики и кривой коррекции высотомера), которое обеспечивается только в одной точке высоты. Поставленная цель достигается тем, что в радиоизотопный высотомер, содержащий источник излучения, связанные последовательно реперный источник излучения, сцинтилляционный блок детектирования, регистрирующий гамма-излучение реперного источника излучения и обратно рассеянное от подстилающей поверхности гамма-излучение, и фотоприемник, а также преобразователь частотного сигнала, исполнительное устройство, блок стабилизации, содержащий два компаратора с опорными сигналами SE1, SE2, входы которых соединены с выходом фотоприемника, а выходы - с входами соответствующих диодных интенсиметров с различающимися в два раза коэффициентами преобразования, выходы диодных интенсиметров соединены с входами блока вычитания, выход которого подключен к второму входу фотоприемника, первый вход которого соединен с выходом сцинтилляционного блока детектирования, введены 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 также нормализатор сигнала, частотный компаратор и устройство непрерывного измерения высоты и скорости спуска СА, включающее в себя два скользящих интегратора с различающимися в m раз временами усреднения, линеаризирующий кодовый преобразователь, вычитатель, сумматор, умножитель и регистратор высоты и скорости; при этом скользящие интеграторы имеют общий вход, подключаемый к выходу нормализатора сигнала, первый вход которого подключен к выходу преобразователя частотного сигнала, а на второй вход подан опорный сигнал; выходы скользящих интеграторов подключены к первому и второму входам линеаризирующего кодового преобразователя, первый выход которого подключен к первым входам вычитателя и сумматора, а второй выход подключен к второму входу вычитателя, выход которого подключен к первому входу умножителя, на второй вход которого подается опорный сигнал, выход подключен к второму входу сумматора, выход которого подключен к первому входу регистратора высоты и скорости, второй вход которого подключен к выходу вычитателя, и к первому входу исполнительного устройства, второй вход которого подключен к выходу частотного компаратора, первый вход которого подключен к выходу фотоприемника, а на второй вход подан опорный сигнал, на третий вход исполнительного устройства подается опорный сигнал. На фиг. 1 показана структурная схема радиоизотопного высотомера с непрерывным измерением высоты и скорости и автокомпенсацией динамической погрешности. На фиг. 2 показана статическая характеристика высотомера на входе и выходе нормализатора. На фиг. 3 показаны динамические характеристики на входе и выходе нормализатора. На фиг. 4 показаны сигналы на входе и выходе интеграторов СИ1 и СИ2. На фиг. 5 показан принцип автоматической компенсации динамической погрешности высотомера с одновременным измерением скорости. Радиоизотопный высотомер содержит блок источника излучения 1, сцинтилляционный блок детектирования 2, реперный источник излучения 3, фотоприемник 4, компараторы 5, 6, диодные интенсиметры с различающимися в два раза коэффициентами преобразования 7, 8, блок вычитания 9, формирователь начальной задержки 10, измеритель сигнала реперного источника излучения 11, вычислитель сигнала компенсации изменения активности источника излучения 12, формирователь интервала времени измерения сигнала фона 13, формирователь сигнала компенсации фона 14, выходной формирователь 15, буферный регистр 16, управляемый кодом делитель частоты 17, преобразователь частотного сигнала 18, нормализатор сигнала 19, скользящие интеграторы с различающимися в m раз временами усреднения 20, и 21, линеаризирующий кодовый преобразователь 22, вычитатель 23, умножитель 24, сумматор 25, регистратор высоты и скорости 26, частотный компаратор 27, исполнительное устройство 28. Радиоизотопный высотомер работает следующим образом. Источник излучения 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, проход через ТЗП и обшивку СА, регистрируется сцинтилляционным блоком детектирования 2, содержащим реперный источник гамма-излучения 3, например, на основе радиоактивного изотопа Cs-137. Гамма-кванты, преобразованные сцинтилляционным блоком детектирования 2 в фотоны оптического диапазона, поступают на вход фотоприемника 4, который, в свою очередь, преобразует их в электрические импульсы. Одновременно осуществляется выделение полезного сигнала из собственного шума фотоприемника 4. С целью компенсации изменения характеристик фотоприемника от температуры и со временем используется специальная обработка сигнала в блоке стабилизации. Основными элементами блока стабилизации являются компараторы 5 и 6, диодные интенсиметры 7 и 8 с различающимися в 2 раза коэффициентами преобразования, сигнал с выходов которых поступают на входы 1 и 2 блока вычитания 9 соответственно, на выходе которого вырабатывается сигнал стабилизации, управляющий работой фотоприемника 4 [3]. Сигнал с выхода фотоприемника 4 в виде случайной последовательности импульсов n(H, t), математическое ожидание частоты следования которых Mn(H,t) зависит от высоты СА до подстилающей поверхности и описывается статической характеристикой высотомера










Формула изобретения
Радиоизотопный высотомер, содержащий источник излучения, связанные последовательно реперный источник излучения, сцинтилляционный блок детектирования, регистрирующий гамма-излучение реперного источника излучения и обратно рассеянное от подстилающей поверхности гамма-излучение, и фотоприемник, а также преобразователь частотного сигнала, исполнительное устройство, блок стабилизации, содержащий два компаратора с опорными сигналами SE1, SE2, входы которых соединены с выходом фотоприемника, а выходы - с входами соответствующих диодных интенсиметров с различающимися в два раза коэффициентами преобразования, выходы диодных интенсиметров соединены с входами блока вычитания, выход которого подключен к второму входу фотоприемника, первый вход которого соединен с выходом сцинтилляционного блока детектирования, отличающийся тем, что в него введены 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 также нормализатор сигнала, частотный компаратор и устройство непрерывного измерения высоты и скорости, включающее в себя два скользящих интегратора с различающимися в m раз временами усреднения, линеаризирующий кодовый преобразователь, вычитатель, сумматор, умножитель и регистратор высоты и скорости, при этом скользящие интеграторы имеют общий вход, подключаемый к выходу нормализатора сигнала, первый вход которого подключен к выходу преобразователя частотного сигнала, а на второй вход подан опорный сигнал, выходы скользящих интеграторов подключены к первому и второму входам линеаризирующего кодового преобразователя, первый выход которого подключен к первым входам вычитателя и сумматора, а второй выход подключен к второму входу вычитателя, выход которого подключен к первому входу умножителя, на второй вход которого подается опорный сигнал, выход подключен к второму входу сумматора, выход которого подключен к первому входу регистратора высоты и скорости, второй вход которого подключен к выходу вычитателя, и к первому входу исполнительного устройства, второй вход которого подключен к выходу частотного компаратора, первый вход которого подключен к выходу фотоприемника, а на второй вход подан опорный сигнал, на третий вход исполнительного устройства подается опорный сигнал.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5