Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для обнаружения пуассоновского сигнала в пуассоновском шуме

Устройство относится к области обнаружения источников ионизирующих излучений и может быть использовано для радиационного контроля делящихся материалов при их несанкционированном перемещении через контрольно-пропускные пункты предприятий и транспортных узлов, а также при ведении фоновой радиационной разведки с борта движущихся транспортных средств различного типа базирования (наземного, воздушного, морского и космического).

Известно устройство для определения параметров ионизирующего воздействия на образец импульсного высокоинтенсивного излучения, в котором поглощенную дозу определяют путем интегрирования по времени воздействия мощности поглощенной дозы, которую, в свою очередь определяют по изменению напряжения на обкладках конденсатора детектора в течение импульса внешнего воздействия. Патент РФ № 2507541, МПК G01T 1/16, G01T 1/36, 20.02.2014.

Недостатком данного устройства является высокая погрешность интегрирования при малом отношении «сигнал/шум». Другим недостатком можно считать неоптимальное время интегрирования, не зависящее от радиационного отклика исследуемого образца на внешнее импульсное воздействие.

Известно также устройство для радиационно-гигиенического контроля качества угля, в котором осуществляют измерение проникающего излучения каждой емкости с углем радиометрической контрольной станцией, причем решение о превышении порога принимается по сумме импульсов по каждой емкости. Патент РФ № 2498348, МПК G01T 1/16, 10.11.2013. Преимущество данного устройства перед упомянутым выше состоит в возможности обработки малого количества импульсов путем более детального учета информации, содержащейся в экспериментальной выборке (пуассоновской последовательности импульсов).

Недостаток состоит в привязке к фиксированному значению интенсивности фонового потока, а также в высокой погрешности при отслеживании резких, но коротких по времени изменений суммарной (сигнал в шуме) интенсивности потока импульсов.

Последний недостаток устранен в устройстве для радиационного контроля перемещающихся объектов путем коррелирования во времени измерений от нескольких приемников гамма-квантов, что позволяет уменьшить вероятность пропуска радиоактивных материалов в ряде сценариев их перемещения через контрольный пункт. Патент РФ № 2384865, МПК G01T 1/16, 20.03.2010. В других сценариях (ускоренное передвижение контролируемого объекта, бросок контейнера с радиоактивным материалом через зону контроля, предварительное нахождение материалов на границе этой зоны для искусственного завышения интенсивности шума) фиксация факта наличия сигнала в шуме по-прежнему осложнена. Выбор решения в этих случаях предоставляется оператору, что обуславливает влияние на результат «человеческого фактора» и вряд ли выполнимо при массовом тиражировании детекторов излучения в большой сети контроля за перемещением опасных материалов.

Прототипом предлагаемого изобретения выбрано устройство, реализующее традиционный способ мониторинга перемещающихся объектов на предмет обнаружения делящихся ядерных материалов. Прототип предусматривает задание требуемого уровня вероятностей ложных тревог (P_злт), измерение фонового счета нейтронов и вычисление среднего за установленное время экспозиции указанного счета нейтронов (m), вычисление порога срабатывания устройства тревоги (C), измерение счета нейтронов за указанное время экспозиции при наличии объекта в зоне контроля (m₁), сравнение m₁ с C и объявление тревоги в случае m₁ > C, модифицированный авторами с точки зрения процедуры вычисления порога С, не существенной в рамках настоящего рассмотрения. Патент РФ № 2150127, МПК G01T 1/00, 27.05.2000.

Таким образом, прототип реализует вычисление и сравнение с порогом традиционной критериальной функции (см, например, Котельников В.А. Сигналы с максимальной и минимальной вероятностями обнаружения // Радиотехника и электроника. 1959, №3):

, (1)

где x_i – количество импульсов в i-м измерении, суммируемое по количеству измерений L, λ₀ – интенсивность пуассоновского шума, t₀ – время одного измерения. Числитель дроби (1) представляет собой измеренное количество импульсов, а знаменатель – вычисленное по гипотезе, что на входе обнаружителя присутствует только шум. Отличие дроби (1) от единицы сравнивается с квантилем нормального (Гауссова) распределения, выбираемым в модели стандартных отклонений по заданной вероятности ложной тревоги.

Недостатком прототипа является малая вероятность правильного обнаружения сигнала в шуме (фиксации сигнала в случае, когда он действительно присутствует) в сценариях радиационного мониторинга, связанных с быстрым перемещением делящихся материалов.

Кроме того, вычисление критериальной функции (1) требует предварительного знания интенсивности шумового пуассоновского потока λ₀.

Техническим результатом изобретения является повышение вероятности правильного обнаружения сигнала в шуме в сценариях радиационного мониторинга, связанных с быстрым перемещением делящихся материалов. Под правильным обнаружением понимается ситуация, когда решение «сигнал есть» принимается в случае, когда сигнал действительно присутствует в шуме.

Кроме того, вычисление предлагаемой критериальной функции не требует предварительного знания интенсивности шумового пуассоновского потока λ₀.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для обнаружения пуассоновского сигнала в пуассоновском шуме, содержащем первый сумматор, квантильное устройство и блок сравнения, составляющие традиционный канал обнаружения, в котором выход сумматора соединен с сигнальным входом блока сравнения, а выходы квантильного устройства – с пороговыми входами блока сравнения, дополнительно содержится трендовский канал обнаружения, выполненный в виде блока арифметических устройств, состоящего из второго сумматора, логического ключа, схемы умножения, схемы вычитания, схемы извлечения квадратного корня, первой схемы деления, второй схемы деления, при этом первый сумматор соединен со вторым сумматором и логическим ключом, а выход второго сумматора соединен с логическим ключом, соединенным со схемой умножения и схемой вычитания, которые также соединенных между собой, схема умножения соединена со схемой извлечения квадратного корня и с первой схемой деления, вход первой схемы деления соединен со схемой извлечения квадратного корня, а выход – со второй схемой деления, вход второй схемы деления соединен со схемой вычитания, а выход – с блоком сравнения с порогом обнаружения по трендовскому каналу.

Блок-схема заявляемого устройства изображена на фиг. 1. Принятые обозначения:

А – блок арифметических устройств;

Б – блок сравнения;

1 – первый сумматор;

2 – второй сумматор;

3 – логический ключ;

4 – схема умножении;,

5 – схема вычитания;

6 – схема извлечения квадратного корня;

7 –первая схема деления;

8 – вторая схема деления;

9 – квантильное устройство.

Устройство содержит блок А, объединяющий арифметические устройства вычисления трендовской функции, и блок Б, реализующий сравнение с порогом обнаружения, при этом блок Б может быть реализован различными конструктивно-схемными решениями.

Блок А состоит из первого сумматора 1, соединенного со вторым сумматором 2, а также с логическим ключом 3. Кроме того, второй сумматор 2 соединен с логическим ключом 3. Логический ключ 3 соединен со схемой 4 умножения и схемы 5 вычитания, соединенных также между собой. Кроме того, схема 4 умножения соединена со схемой 6 извлечения квадратного корня и с первой схемой 7 деления. Схема 6 извлечения квадратного корня соединена также с первой схемой 7 деления. Вторая схема 8 деления соединена со схемой 7 деления, схемой 5 вычитания и с блоком Б сравнения с порогом обнаружения по трендовскому каналу. Традиционный канал соединяет выход первого сумматора 1 с с блоком Б сравнения с порогом обнаружения. Квантильное устройство 9 соединено с блоком Б сравнения с порогом обнаружения двумя каналами (в прототипе – только одним, традиционным).

Устройство работает следующим образом.

На вход первого сумматора 1 во время i-го измерения поступают x_i импульсов. На выходе имеем сигнал, величина которого пропорциональна Второй сумматор 2 вычисляет двойную сумму . По окончании суммирования замыкается логический ключ 3, одновременно замыкающий цепь схемы 4 умножения и схемы 5 вычитания. Таким образом, логический ключ 3 пропускает сигнал на патентуемый блок А (арифметических устройств), состоящий из схемы 4 умножения, схемы 5 вычитания, схемы 6 извлечения квадратного корня, схемы 7 деления и схемы 8 деления. В результате вычисляются обе критериальные функции (1) и (2). Квантильное устройство 9 по допустимой вероятности ложной тревоги выдает пороговые значения функций (1) и (2), которые поступают на блок выработки решений Б.

Вычисление традиционной критериальной функции в полезной модели необходимо для экспериментальной демонстрации достижения технического результата изобретения – повышения вероятности правильного обнаружения сигнала в шуме по трендовской критериальной функции при фиксированной для обоих каналов вероятности ложной тревоги.

Решение о наличии сигнала в шуме принимается блоком Б в первом режиме путем сравнения с порогом трендовской функции (2), а во втором – традиционной функции (1).

Достижение технического результата доказывается ниже прямым экспериментальным сравнением с прототипом при фиксированной для обоих обнаружителей вероятности ложной тревоги (критерий Неймана-Пирсона).

Пример сценария, в котором демонстрируется достижение технического результата, – это умышленное ускоренное передвижение скрываемого объекта через зону контроля. Данный сценарий приводит к уменьшению времени нахождения радиоактивного материала в пределах досягаемости детектора. Кроме того, поскольку пороговое значение критериальной функции (1) требует предварительного измерения интенсивности шума (а эта интенсивность меняется в течение суток из-за изменения местоположения Солнца и других посторонних источников излучения), то умышленное длительное нахождение источника излучения вблизи зоны контроля приводит к увеличению знаменателя в формуле (1) и, как следствие, при дальнейшем перемещении радиоактивного материала через зону контроля даже в соответствии с установленными правилами может привести к пропуску этого материала.

В патентуемом устройстве в интересах достижения технического результата вместо традиционной критериальной функции (1) наличия пуассоновского сигнала в пуассоновском шуме используется трендовская (см., например, С.А.Гордюнин, А.В.Кубышкин. Численное исследование эффективности критериев обнаружения источников ионизирующих излучений. – М.: МФТИ. 1994):

(2)

где x_i – количество импульсов в i-м измерении, суммируемое по полному количеству измерений L, а также по промежуточному количеству измерений k для проверки гипотезы о тренде (изменении во времени) интенсивности пуассоновского потока, обусловленном появлением сигнала в шуме.

Сравнение обнаружительных возможностей прототипа и патентуемого устройства приведено на фиг. 2–5. На всех этих чертежах представлены экспериментальные зависимости дальности обнаружения R с заданными вероятностями правильного обнаружения D и ложной тревоги F от скорости объекта v. Зависимости для прототипа изображены сплошными линиями, а для патентуемого устройства – пунктиром.

Чертежи отличаются следующими значениями условных вероятностей:

фиг. 2. F=0,05, D=0,6;

фиг. 3. F=0,2, D=0,6;

фиг. 4. F=0,05, D=0,95;

фиг. 5. F=0,2, D=0,8.

Представленные зависимости демонстрируют технический результат изобретения, а именно, повышение эффективности обнаружения по критерию Неймана-Пирсона, в рассматриваемой области резких, но коротких изменений интенсивности суммарного потока импульсов

, (3)

где первое слагаемое суммы представляет собой сигнал, а второе – шум.

Исходные данные эксперимента следующие: интенсивность шумового пуассоновского потока λ₀ ~ 0,1 имп/с, длина свободного пробега излучений много больше характерных размеров задачи, интенсивность источника A такова, что соответствует равенству сигнала и шума на расстоянии ~100 м, источник движется с постоянной скоростью прямолинейно, так что кратчайшее расстояние между ним и детектором составляет R.

Превышение дальности детектирования источника у заявляемого устройства над прототипом, достигаемое на всех графиках фиг. 2–5 при больших скоростях источника v означает, что при фиксированной вероятности ложной тревоги патентуемое устройство имеет большую вероятность правильного обнаружения сигнала в шуме, чем прототип.

Кроме того, преимуществом патентуемого устройства является отсутствие необходимости предварительного измерения интенсивности шумового пуассоновского потока λ₀, что также повышает оперативность ведения радиационного мониторинга и позволяет снизить влияние возможных контрмер в рассмотренных выше сценариях.

Таким образом, достигнут заявленный технический результат, а именно повышение вероятности правильного обнаружения сигнала в шуме в сценариях радиационного мониторинга, связанных с быстрым перемещением делящихся материалов.