ИВЛИЕВ Евгений Андреевич, кандидат технических наук
Электромагнитные системы охраны водных районов
Источник: журнал "Спецтехника и связь" №1 2008 год
Электромагнитные системы охраны водных районов предназначены для обнаружения подводных пловцов в легководолазном снаряжении, средств их доставки, самотранспортируемых и плавающих мин, подводных телеуправляемых, автономных и обитаемых подводных аппаратов (ПА). Данные системы подразделяются на пассивные, активные и комбинированные. Пассивные состоят из многоканальных приемных антенн магнитного и/или электрического типа и реагируют на движущиеся объекты, обладающие внешними первичными магнитными, электрическими и низкочастотными электромагнитными полями (ЭМП). Активные системы состоят из генераторных и приемных антенн. Генераторные антенны создают первичное ЭМП, которое наводит в движущихся объектах вторичные электромагнитные источники, поля которых регистрируются магнитными и/или электрическими приемными антеннами. В комбинированных системах активный и пассивный режимы чередуются с интервалом 1 - 3 с, при этом для режима излучения и приема могут применяться как раздельные антенны, так и одна антенна с коммутационным устройством.
О применении сверхдлинных волн для обнаружения объектов в морской среде сообщается в [1], метод подводного обнаружения с применением электрических генераторных и приемных антенн рассмотрен в [2], в [3] предложено устройство для обнаружения подводных пловцов вертикальными петлевыми антеннами, которые устанавливаются на опорах мостов, пирсов и т.п. В [4] предлагается использовать электрическое поле, которое создается в окружающей среде при работе системы катодной защиты судна, для обнаружения подводных диверсантов.
Принципы построения и характеристики наземных пассивных магнитометрических систем подробно рассмотрены в [5]. Параметры экспортных вариантов электромагнитных систем для охраны подходов к военно-морским базам и стратегическим водным районам (объектом обнаружения являются подводные лодки) приведены в [6].
Основным преимуществом электромагнитных систем, расположенных в воде, перед аналогичными системами, работающими в воздушной среде, является возможность обнаружения объектов, не имеющих металлических элементов, в частности подводного пловца в легководолазном костюме.
Для противодиверсионных электромагнитных систем охраны водных районов объектами обнаружения являются:
- водолазы в легководолазном снаряжении (легководолазный костюм, маска, ласты и дыхательные баллоны);
- буксировщики водолазов (средства доставки водолазов и их вооружения, как индивидуальные, так и групповые) [7];
- плавающие мины (мины с автоматическим прибором глубины, которые предназначены для подрыва платин, дамб и других гидротехнических сооружений на реках или в водоемах, где имеется течение воды) [7];
- самотранспортируемые мины (комбинация донной мины и торпеды: после выстреливания из торпедного аппарата подводной лодки по заданной программе заходит в нужный район, ложится на дно и становиться обычной неконтактной донной миной; используется для постановки мин в особо охраняемых районах с развитой системой противолодочной и противоздушной обороны) [8];
- необитаемые подводные аппараты (автономные и телеуправляемые), которые проникают в охраняемые районы в целях сбора информации о подводной обстановке или считывания информации с подводных кабелей связи; такие аппараты используются также для установки в охраняемом районе гидроакустической и другой разведывательной аппаратуры [9];
- обитаемые подводные аппараты используются для скрытой высадки подводных диверсантов, извлечения подводных контейнеров и разведывательных средств, отслуживших свой срок [7].
Некоторые из средств доставки водолазов, созданных за последние годы в России [10], показаны на рис. 1.
Источники электромагнитных полей для объектов обнаружения в водной среде подразделяются на первичные и вторичные. Под первичными источниками понимаются источники магнитного или электрического типа, интенсивность которых не зависит от внешних ЭМП, а объекты, обладающие этими источниками, способны обнаруживаться противодиверсионными электромагнитными системами, работающими в пассивном режиме (табл. 1). Вторичные источники возникают в объектах обнаружения при их попадании в зону действия излучающих антенн, и характеризуются поляризационными эффектами, возникающими в металлических или диэлектрических элементах объектов обнаружения (табл. 2).
Поскольку ЭДС в пассивных петлевых системах определяется из закона электромагнитной индукции Фарадея, то основными параметрами средств обнаружения являются эквивалентный магнитный момент, величина которого коррелируется с массовыми параметрами, и скорость объекта обнаружения. Обобщенные скоростные и массовые параметры объектов обнаружения представлены в табл. 3.
а - буксировщик водолазов «Протей-2»;
б - надводно-подводный буксировщик водолазов «Протон»;
в - буксировщик водолазов «Протон 3у» с дополнительным энергомодулем;
г - контейнер «КТ-2М» для доставки грузов под водой
Рис. 1. Средства доставки водолазов и грузов:
Таблица 1. Первичные источники ЭМП в воде
| № | Вид источника | Примечание |
| 1 | Постоянные магнитные поля ферромагнитных элементов средств доставки, снаряжения, подводных аппаратов и мин | характеризуются эквивалентным дипольным магнитным моментом (полностью аналогичны характеристикам нарушителей в воздушной среде [5]) |
| 2 | Постоянные электрические и магнитные поля гальванически разнородных элементов средств доставки, подводных аппаратов и торпед | если ПА выполнен из различных металлов, то они образуют между собой гальванические пары; интенсивность источника характеризуется эквивалентным электрическим дипольным моментом |
| 3 | Постоянные электрические и магнитные поля от источников индукционного типа | данные источники учитываются только для высокоскоростных торпед и подводных снарядов |
| 4 | Постоянные магнитные поля аккумуляторных батарей подводных аппаратов (ПА) | в большинстве средств доставки водолазов, торпедах и ПА в качестве источника питания используются аккумуляторные батареи, которые в рабочем состоянии образуют замкнутый виток с током (дипольный магнитный момент) |
| 5 | Электромагнитные поля электродвигателей подводных аппаратов | в зависимости от конструкции характеризуются переменным дипольным или квадрупольным магнитными моментами с частотой кратной, числу оборотов ротора |
Для обнаружения объектов в водной среде, используются петлевые, электродные, спиральные или комбинированные антенны.
Основные типы приемных петлевых антенн показаны на рис. 2, где а - простая петлевая антенна; б - дифференциальная петлевая антенна; в - короткозамкнутая петлевая антенна; г - короткозамкнутая дифференциальная петлевая антенна.
а)
б)
в)
г)
Рис. 2. Основные виды приемных петлевых антенн
В короткозамкнутых петлевых системах для неконтактного измерения тока используются тороидальные катушки с ферритовым сердечником. Петлевые антенны относятся к индукционным датчикам интегрального типа, имеют малое внутреннее сопротивление и соответственно малый уровень собственных шумов. В дифференциальных антеннах происходит автоматическая компенсация крупномасштабных (однородных) помех, например геомагнитных шумов. На практике компенсация однородной помехи достигает 40 - 80 дБ [11]. Антенны данного вида реагируют на скорость изменения ортогональной к плоскости петли компоненте индукции магнитного поля и обнаруживают движущиеся объекты, обладающие магнитными и электрическими моментами как постоянными, так и переменными.
Таблица 2. Вторичные источники ЭМП в воде
| № | Вид источника | Примечание |
| 1 | Переменное электромагнитное поле магнитной и электрической поляризации металлических и ферромагнитных элементов | под действием ЭМП генераторных антенн ферромагнитные и металлические материалы поляризуются; эквивалентной характеристикой такой поляризации являются вторичные дипольные магнитный и электрический моменты; частота излучения вторичного ЭМП равна частоте генераторной антенны |
| 2 | Переменное электромагнитное поле электрической поляризации диэлектрических элементов | под действием ЭМП генераторных антенн диэлектрические элементы объекта обнаружения поляризуются, в результате чего возникает вторичный дипольный электрический момент; частота излучения вторичного ЭМП равна частоте генераторной антенны |
Таблица 3. Обобщенные характеристики объектов обнаружения
| № | Объект | Скорость, м/с | Масса, кг |
| 1 | Водолазы без средств доставки | 0,5 | 70 - 100 |
| 2 | Средства доставки водолазов [10] | 1 - 2 | 100 - 900 |
| 3 | Подводные аппараты (телеуправляемые, автономные обитаемые) [9] | 1 - 6 | 10 - 3000 |
| 4 | Управляемые торпеды и самотранспортируемые мины [8] | 15 - 28 | 1000 - 2000 |
| 5 | Неуправляемые подводные ракеты [12] | 100 | 2700 |
Основные виды электродных антенн показаны на рис. 3, где 0 - нулевой электродный чувствительный элемент; 1 - измерительный электродный чувствительный элемент; 2 – активная (измерительная) часть кабеля; 3 - соединительные кабели; 4 - система сбора и обработки информации (ССОИ); 5 - регулировочный потенциометр; а - простая двухэлектродная антенна; б – трехэлектродная антенна с возможностью компенсации однородной помехи; в - многоэлектродная усредняющая антенна (электроды одной группы N присоединены к одной жиле кабеля); г - многоэлектродная суммирующая антенна, в отличие от петлевых антенн они не реагируют на объекты, обладающие только постоянными магнитными моментами.
а)
б)
в)
г)
Рис. 3. Основные виды электродных приемных антенн
Основные виды спиральных антенн показаны на рис. 4, где а – простая спиральная антенна, б - секционированная спиральная антенна с сердечником, 1 - спиральная антенна; 2 - обратный кабель; 3 - ферромагнитный гибкий сердечник; 4 – ССОИ. Такие антенны принимают ортогональную к плоскости витков компоненту индукции магнитного поля.
а)
б)
Рис. 4. Основные виды спиральных антенн для охраны водных районов
Комбинированные антенны включают в себя всевозможные комбинации петлевых, электродных и спиральных антенн. Примеры комбинированных антенн показаны на рис. 5. Комбинированная спирально-электродная антенна (рис. 5а) регистрирует и магнитную и электрическую компоненты электромагнитного поля, комбинированная спирально-петлевая антенна (рис. 5б) реагирует как на вертикальную, так и на горизонтальную компоненту индукции магнитного поля.
а)
б)
Рис. 5. Комбинированные антенны
Для реализации активного или комбинированного режима работы электромагнитной системы используются генераторные антенны, основные из которых показаны на рис. 6, где а - петлевая; б - двухэлектродная; в - 4-электродная синфазная, г - 4-электродная противофазная; 1 - генератор; 2 - активная часть кабельной системы; E1¼E4 – электроды.
а)
б)
в)
г)
Рис. 6. Основные виды генераторных антенн
При необходимости обнаружения объектов на глубинах до 10 - 15 м электромагнитные системы располагаются на дне. Приемные антенны укладываются вдоль линии заграждения в виде отдельных секций, каждая секция имеет свой выход на береговую ССОИ. Пример донной пассивной системы охраны водного района, состоящей из дифференциальных петлевых антенн, показан на рис. 7, где 1 - подводный объект, перемещающийся со скоростью VX ортогонально к линии заграждения; 2 - дифференциальная петлевая антенна; 3 – соединительный кабель; 4 - линия заграждения; 5 - ССОИ.
Рис. 7. Пассивная донная секционированная система охраны водного района
Пример построения активной электромагнитной системы показан на рис. 8, где 2 - вертикальные измерительные петлевые антенны; 6 – 4-электродная синфазная излучающая донная антенна; 7 – электроды; 8 – генератор монохромного переменного напряжения; 9 – плавучесть; остальные обозначения те же, что и на рис. 6. Если данная система функционирует в комбинированном активно-пассивном режиме, то в этом случае используется импульсный генератор 8 с длительностью импульса 1 - 3 с и такой же скважностью между импульсами. Измерение сигналов, поступающих от приемных антенн в ССОИ, происходит только во время паузы между импульсами генераторной антенны. Отметим, что для схемы взаимного расположения излучающих и приемных антенн (рис. 8) когерентная помеха (сигналы в приемных антеннах от ЭМП, создаваемых генераторной антенной) минимальна.
Рис. 8. Активная секционированная система охраны водного района
Результаты расчета ЭДС в активной системе, соответствующей рис. 8, при движении диэлектрического объекта на высоте 5 м над горизонтальной генераторной антенной и на расстоянии 5 м от вертикальной приемной петлевой антенны показаны на рис. 9 в зависимости от частоты f генераторной антенны. Результаты расчетов для металлического объекта показаны на рис. 10.
Из представленных на рис. 9, 10 данных видно, что для данной конструкции активной электромагнитной системы обнаружения оптимальная частота генераторной антенны близка к 5000 Гц. Для рассматриваемых дистанций на данной частоте значения ЭДС как для металлического тела, так и для диэлектрического, составляют единицы мкВ, что является вполне достаточным для регистрации даже на уровне естественных и искусственных помех.
Рис. 9. Значения модуля ЭДС для диэлектрического шара диаметром 0,7 м,
движущегося со скоростью 1 м/с на расстоянии 5 м от простой петли шириной 10 м
Рис. 10. Значения модуля ЭДС для металлического шара диаметром 0,7 м,
движущегося со скоростью 1 м/с на расстоянии 5 м от простой петли шириной 10 м
Основными помехами естественного происхождения в водной среде являются поля поверхностных и внутренних волн, вариации геомагнитного поля Земли и грозовые разряды. К помехам промышленного происхождения относятся токи утечки берегового электротранспорта, униполярные передачи постоянного тока и радиопередатчики сверх низкочастотного диапазона (30 - 300 Гц).
Выводы
- Электромагнитные системы охраны наиболее эффективны в мелководных районах (глубиной 2 - 15 м), для которых акустические средства практически непригодны.
- Использование активных и комбинированных методов в проводящей водной среде позволяет обнаруживать подводные объекты, не имеющие металлических элементов.
- Многообразие излучающих и измерительных антенн и режимов их работы позволяет создавать эффективные системы охраны водных районов и объектов речного и морского базирования.
Литература
- Method of and device for detecting submerged bodies by means of megameter radio waves// US patent №3719947, date 21.07.1961.
- Method for underwater detection and system therefore// US patent №3329929, date 20.05.65
- Marine object detector// US patent № 5019822, date 28.05.91.
- Underwater detection and deterrent system//US patent № 5019822, date 28.05.91.
- Звежинский С.С., Ларин А.И. Периметровые маскируемые магнитометрические средства обнаружения/ Специальная техника, № 4, 2001.
- Морская радиоэлектроника. Краткий справочник под ред. В.А.Кравченко, СПб.: Политехника, 2003.
- Попенко В.Н. Словарь боевого пловца, М.: ПБОЮЛ Попенко, 2002.
- Алиев Ш.Г, Боженов Ю.А., Борисенко К.П., Кузмицкий М.А.Торпедное оружие, т. 1 - 3, М.: Наука, 2002.
- Автономные подводные аппараты, системы и технологии, под ред. М.Д.Агеева, М.: Наука, 2005.
- Трошин В.П., Трошин П.В. От водолаза к ихтионавту, СПб.: СПбГМТУ, ,2004.
- Зимин Е.Ф., Качанов Э.С. Измерение параметров электрических и магнитных полей в проводящих средах. М.: Энергоатомиздат, 1985.
- Шахиджанов Е.С. Скоростные и высокоскоростные подводные аппараты, М.: ЦАГИ, Сборник статей по проблемам движения тел в жидкости с большими скоростями, 2002, с. 3 - 18.
Статья опубликована на сайте: 20.04.2009