Способ определения местоположения короткоимпульсного высотного источника рентгеновского излучения с помощью средств космического базирования
Владельцы патента RU 2626016:
Федеральное государственное казенное учреждение "12 Центральный научно-исследовательский институт" Министерства обороны Российской Федерации (RU)
Изобретение относится к разностно-дальномерным способам определения координат импульсных источников ионизирующих и электромагнитных излучений. Достигаемый технический результат – повышение точности определения местоположения источника рентгеновского излучения, устранение зависимости измерений от метеоусловий. Способ заключается в том, что при помощи устройств, установленных на космическом аппарате (спутнике), регистрируют импульсы рентгеновского излучения от источника и оптического флуоресцентного излучения, приходящего из направления в надир. Оптическое флуоресцентное излучение возникает в результате воздействия рентгеновского излучения от источника на атмосферу. Регистрируют время и направление прихода рентгеновского импульса и время прихода оптического импульса из надира. При этом измеряют угол между направлениями на источник и надиром. Измеряют разность времен прихода импульсов из направления на источник и из надира. По измеренной разности времен и по измеренному углу между направлениями на источник и в надир при известной высоте орбиты космического аппарата определяют высоту источника и дальность между космическим аппаратом и источником. 1 ил.
Изобретение относится к разностно-дальномерным способам определения координат источников электромагнитных и ионизирующих излучений.
Известен способ определения координат источника радиоизлучения (ИРИ) в пространстве [1]. Сущность способа заключается в том, что в качестве поверхностей положения ИРИ используются плоскости, содержащие линию положения ИРИ, представляющую собой пересечение двух гиперболических поверхностей положения, соответствующих разностно-временным измерениям. Способ основан на приеме сигнала ИРИ четырьмя антеннами, разнесенными на большие расстояния друг от друга, измерения трех разностей времен приема сигнала антеннами, образующими измерительные базы, последующей обработки результатов измерений с целью вычисления значений параметров положения ИРИ и вычисления координат ИРИ как точки пересечения трех плоскостей положения. В итоге происходит однозначное определение линейных координат ИРИ. Недостатком способа является необходимость наличия нескольких пунктов измерения, разнесенных на значительные расстояния друг от друга, установления связи между ними, а также необходимость привязки к системе единого времени.
Известен также способ локации источников гамма-излучения, основанный на регистрации этого излучения с нескольких (более трех) космических аппаратов и с последующей обработкой сигналов от гамма-излучения источника [2]. Недостатком способа является необходимость измерения в нескольких пунктах (космических аппаратов) сигналов, приходящих от источника гамма-излучения.
Другим аналогом может служить способ обнаружения ядерных взрывов, являющихся мощным источником рентгеновского и ионизирующего излучения [3, 4]. Способ основан на возможности регистрации флуоресцентного свечения верхних слоев атмосферы под воздействием рентгеновского излучения от ядерного взрыва. Флуоресцентное излучение регистрируется при помощи оптического устройства, расположенного на поверхности земли. Недостатком способа является то, что для определения направления на источник рентгеновского излучения требуется использовать несколько оптических устройств, разнесенных на значительные расстояния друг от друга. Другим недостатком этого способа является невозможность определения расстояния до источника рентгеновского излучения и его высоты, а также сильная зависимость работоспособности способа от метеоусловий.
Прототипом является способ [5], который основан на возможности регистрации флуоресцентного свечения верхних слоев атмосферы под воздействием рентгеновского излучения от короткоимпульсного высотного источника. Флуоресцентное излучение регистрируют при помощи фотоприемного устройства (ФПУ), расположенного на поверхности земли. Недостатком способа является малая точность определения дальности до источника, поскольку в формулу для определения дальности входит неизмеряемый параметр z - высота светящегося слоя атмосферы, приблизительно равная 80 км. На самом деле этот параметр меняется примерно от 70 до 110 км. Другим недостатком прототипа является зависимость проведения измерений от метеоусловий.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в том, что измерения проводят при помощи измерительных устройств, установленных на одном и том же космическом аппарате, причем не требуется привязка к системе единого времени. Кроме того, устраняется зависимость возможности проведения измерений от метеоусловий и повышается точность определения дальности до источника рентгеновского излучения и его высоты.
Технический результат в предлагаемом способе достигается тем, что измеряют разность между временем прихода прямого луча от рентгеновского, светового или радиоимпульса, генерируемых источником излучения и временем прихода импульса оптического флуоресцентного излучения, генерируемого в результате взаимодействия рентгеновского излучения источника с верхними слоями атмосферы. Кроме того, измеряют угол между направлением на источник и направлением в надир. Дальность источника от спутника и его высоту определяют путем установленных соотношений между этими параметрами источника и измеренными величинами.
Схема реализации способа представлена на фигуре 1, где показаны: 1 - земная поверхность; 2 - высота z верхнего слоя атмосферы, в котором происходит конверсия рентгеновского излучения в оптическое флуоресцентное; 3 - источник импульсного рентгеновского излучения; 4 - спутник с установленными на нем приемниками рентгеновского и оптического излучений; 5 - высота источника Н; 6 - дальность D до источника 3; 7 - высота h орбиты спутника; 8 - подспутниковая точка, в которой происходит конверсия рентгеновского излучения в оптическое флуоресцентное; 9 - рентгеновский луч, идущий от источника в точку 8; θ - угол между направлением на источник и направлением 7 в точку 8.
Суть предлагаемого способа состоит в следующем.
Пусть на высоте Н более 100 км, которую необходимо определить, возник импульсный источник рентгеновского излучения. Длительность импульса мала и составляет 20-50 наносекунд. Рентгеновские лучи интенсивно поглощаются воздухом на высоте z, равной примерно 80 км. Поглощение в слое атмосферы происходит в основном из-за фотоэффекта, при котором возникает поток электронов. Эти электроны, взаимодействуя с атомами и молекулами воздуха, переводят их в метастабильные состояния возбуждения. Снятие возбуждения на таких больших высотах происходит преимущественно излучательным путем. Вследствие этого на высоте z возникает флуоресцентное свечение воздуха, подобное северному сиянию. Спектр свечения линейчатый, с характерными линиями на различных длинах волн в диапазоне от 0,35 до 1,5 мкм. Таким образом, происходит преобразование первичного рентгеновского излучения в оптическое флуоресцентное. Это оптическое излучение и время его прихода регистрируют при помощи фотоприемного устройства, установленного на спутнике 4, высота орбиты h которого хорошо известна. Поле зрения фотоприемного устройства ориентировано в надир 8 по направлению 7. Угол поля зрения небольшой и составляет 2-4 угл. град.
Кроме фотоприемного устройства, направленного в надир, на спутнике устанавливают аппаратуру, при помощи которой регистрируют время и направление прихода первичного рентгеновского излучения и измеряют угол θ между направлением в надир 7 и направлением на источник 3. Затем измеряют разность Δt времен прихода рентгеновского импульса от источника 3 и из направления в надир 7. Дальность D от спутника 4 до источника 3 определяют по установленному соотношению:
где с=3⋅105 км/с - скорость света; h - высота орбиты спутника; Δt - измеренная разность времен прихода на спутник импульсов от рентгеновского излучения, приходящего от источника и оптического флуоресцентного излучения, приходящего из направления в надир; θ - измеренный угол между направлением в надир и направлением на источник. Высота источника Н определяется по установленному соотношению:
Таким образом, измерив параметры Δt и θ, при известной высоте орбиты спутника, определяют дальность до источника рентгеновского излучения и его высоту, т.е. определяют местоположение источника.
Источники информации
1. Сайбель А.Г., Гришин П.С. Разностно-дальномерный способ определения координат источника радиоизлучения и реализующее его устройство / Патент №2309420 - Россия, 2007 г.
2. Вагин Ю.П., Тамарин А.Л., Чудновский B.C. и др. Локация источников гамма-излучения / В сб. «Вопросы атомной науки и техники», вып. 3-4. - М.: ФГУП ЦНИИ «Управления, Экономики и Информации». - 2004. - С. 97.
3. Уэстервельт Д.Р., Термин X. Лос-аламосская система обнаружения флуоресценции атмосферы // ТИИЭР, 1965, т. 53, №12, с. 2287-2292.
4. Детектор флуоресценции атмосферного азота / Патент США №3413467, НКИ 250-71.5, 1968 г.
5. Пузанов Ю.В., Ковалевская О.И., Роговой А.В., Гришанов В.К. Способ определения дальности и высоты короткоимпульсного высотного источника рентгеновского излучения с помощью наземного фотоприемного устройства / Заявка №2015104358/07, Россия, 10.02.2015.
Способ определения местоположения короткоимпульсного высотного источника рентгеновского излучения с помощью средств космического базирования, включающий регистрацию импульсов рентгеновского излучения от источника и оптического флуоресцентного излучения атмосферы, возникающего в результате воздействия рентгеновского излучения от источника на атмосферу, отличающийся тем, что оптическое флуоресцентное излучение регистрируют из направления в надир, измеряют угол между направлением в надир и направлением на источник, измеряют разность времен прихода импульсов рентгеновского излучения от источника и оптического флуоресцентного излучения, а дальность D от космического аппарата до источника рентгеновского излучения и его высоту Н определяют по формулам:
и
где с - скорость света, h - высота орбиты спутника, Δt - разность времен прихода на спутник импульсов от рентгеновского излучения, приходящего от источника и оптического флуоресцентного излучения, приходящего из направления в надир, θ - измеренный угол между направлениями в надир и на источник.
