Статьи / Детекторы взрывчатых веществ / Метод магнитометрического обнаружения взрывоопасных предметов

ЗВЕЖИНСКИЙ Станислав Сигизмундович, доктор технических наук
ПАРФЕНЦЕВ Игорь Валерьевич, кандидат технических наук

МЕТОД МАГНИТОМЕТРИЧЕСКОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ВЗРЫВООПАСНЫХ ПРЕДМЕТОВ

Источник: Журнал "Специальная техника и связь"

Проблема гуманитарного разминирования, а также поиск неразорвавшихся боеприпасов (НВБ) являются в настоящее время весьма насущными. На территории более чем 70 «проблемных» стран заложено от 60 до 120 млн. мин (по разным данным), не говоря уже о существовании миллионов неразорвавшихся снарядов и авиабомб, оставшихся не только со времен Второй мировой войны, но и как «остатки» военных полигонов (только в США их более 20). В мире каждый год от мин погибает около 26 тыс. человек, в таких странах, как Ангола, в среднем у одного из 334 ампутирована конечность, в Камбодже таких инвалидов более 25 тыс. человек, количество мин превышает число жителей. Другими проблемными странами являются Афганистан, Ирак, Кувейт, Индия, Колумбия, Ливан, Йемен, Мозамбик, Чад, Непал, Босния и др. Более 22 млн. человек в мире каждый день подвергаются риску в условиях минной опасности, при этом прогнозируется, что кризис, связанный с этим фактором, будет только нарастать [1, 2]. Две трети стран присоединилось к Конвенции (вступила в силу с 1 марта 1999 г.) о запрещении противопехотных мин − наиболее распространенных взрывоопасных предметов (ВОП). Но России, США, Израиля, Китая − крупнейших мировых производителей − в их числе не было (на начало 2005 г.).

В мире существует достаточно много организаций, кроме подразделений военно-инженерных войск, которые решают практические задачи по поиску ВОП и разминированию местности, в их ряду важнейшее место занимает Женевский международный центр гуманитарного разминирования (GICID)[3]. Проводятся периодические международные научно-практические конференции и рабочие совещания (наиболее значимые − UXO Forum, UNMAS Conf., US HDR Workshop, NDR Forum и др.), несколько научных лабораторий при университетах (Канада), прикладных НИИ (Германия, Великобритания) или военных научных лабораторий (США) проводят исследования в целях увеличения эффективности поиска. Однако ввиду комплексного характера и сложности проблемы единственно оптимального способа обнаружения и идентификации ВОП не существует [2, 3].

Химические (запах) и биологические (собаки, крысы и даже насекомые) методы поиска хотя и применяются, но обладают явной субъективностью, а значит недостоверностью результатов. Преимущественно используются физические методы обнаружения ВОП: активное электромагнитное зондирование приповерхностного слоя грунта электромагнитными импульсами и синусоидальными полями (металлообнаружители 2 − 50 кГц, георадар 100 – 900 МГц), сейсмической волной и нейтронным излучением, регистрация аномалий электропроводности и плотности грунта, измерения инфракрасного и гравитационного полей и пр. [2 – 5]. Каждый имеет свои преимущества и недостатки, выделить оптимальный невозможно, иначе бы промышленность выпускала, а инженеры использовали бы только его.

Наиболее широко применяемыми являются гармонические (FM – frequency domain) или импульсные (TD – time domain) активные металлообнаружители или металлоискатели, принцип действия которых основан на регистрации вторичного электромагнитного поля, наводимого токами Фуко в металлическом теле под действием возбуждаемого первичного поля [3, 5]. В настоящее время более 30 фирм за рубежом и в России производят такие приборы, самыми известными являются CEIA (изделия MIL-D1, MIL-D1/DS, Италия), Vallon (VMC1, VMH2, VMH3, VMH3CS, VMM3, VMW1, Германия), Ebinger (EBEX-420, EBEX-535, Германия), Fisher (1235-X, 1266-XB, Германия), Minelab Electronics (FIA4, F3, F1A4, Австралия), Shiebel Electronics (AN-19/2, ATMID, MIMID, Австрия), Geonics (EM61-Mk2, Канада), Guartel (MD4, MD8, MD2000, Великобритания), Whites (AF-108, DI-PRO-5900, MXT-300, DFX-300, Spectrum-XLT, США), Garrett (GTAx-550, GTP-1350, GTI-2500, США), «АКА-Контроль» («Пилигрим-7246», «Кондор-7252», «Вектор-7262», Россия).

В ряду методов обнаружения ВОП значимое место занимает поиск магнитных аномалий (MAD – magnetic anomaly detection), которые создаются ферромагнитными металлическими оболочками абсолютного большинства ВОП [2, 4, 6]. При этом безоболочные взрывные устройства или специальные боеприпасы не обнаруживаются, однако они обладают наименьшей поражающей силой, так же неустойчиво обнаруживаются и другими методами. MAD – один из самых «глубоких» методов поиска, позволяющий обнаруживать ВОП (например, крупные авиабомбы, фугасы) на глубинах до 8 м. Кроме того, магнитометрический метод является пассивным, что обеспечивает неподрыв ВОП инициирующими физическими полями при активном зондировании, что зачастую необходимо.

В литературе метод поиска ВОП по выявленным аномалиям магнитного поля Земли (МПЗ) выделяется как один из самых перспективных [2, 7 – 9], обоснованы достижимые характеристики регистрирующих приборов – магнитометров и градиентометров, показаны ограничения. В данной работе развиваются некоторые положения магнитометрического метода поиска ВОП.

Метод реализуется с помощью пассивных «векторных» градиентометров, в максимальной степени устраняющих действие постоянного (главного) МПЗ, которое имеет ничтожный пространственный градиент. Таковые приборы используют 2 идентичных датчика – феррозонда [10], разнесенных вдоль оси чувствительности (ОЧ) на 25 – 170 см и регистрирующих с большим градиентом магнитные аномалии, возможно связанные с ВОП [6, 9]. Неградиентометрические приборы поиска, основанные, как правило, на квантовых магнитометрах с оптической накачкой паров цезия или калия (Geometrix G-858, США; Scintrex NAVIMAG, Великобритания) применяются в основном для снятия карты магнитного поля на местности. После этого возможен поиск ВОП по карте магнитных аномалий, «с ходу» он затруднителен. Кроме того, квантово-оптические приборы относятся скорее к классу научных и обладают, даже по отношению к недешевым феррозондовым градиентометрам, повышенной стоимостью (порядка 20 тыс. долларов), требуют более бережного и компетентного обращения, чем это предписывается для обычных поисковых приборов.

Производителей магнитометрических средств поиска ВОП в мире примерно в 3 раза меньше, чем производителей металлоискателей, а в России только один – НИИ «Проект», г. Томск (изделие «МБИ-П»). За рубежом это, прежде всего, Institute Dr.Forster или Foerster (FEREX 4.032, Германия), Ebinger (MAGNEX 120LW, Германия), Vallon (EL1302D2, Германия), Schontedt Instument (GA-72 Cd, GA-52Cx, GA-92XT, США), CST (Magna-Trak, США), Geoscan Research (FM-256, Великобритания), Bartington Instruments (Grad601, Великобритания). Большее распространение металлоискателей вызвано тремя основными причинами:

  1. существенно меньшая стоимость;
  2. возможность обнаружения любых металлов;
  3. расширенная область применения – поиск кладов, трубопроводов и кабелей в укрывающей толще, археология.

В доступных научных работах и отчетах отмечается, что наилучшими характеристиками по обнаружению ВОП обладают приборы, комбинирующие пассивный магнитометрический и активный электромагнитный принципы обнаружения, например, ERDC EM61HH & G-822, SAIC STOLS/VSEMS (на велосипедной базе), SAIC MSEMS [11 – 13]. Такие системы, обнаруживающие любой тип металла, типично конструируются в виде линейки датчиков. Они конструируются на велосипедной или автомобильной базе, весьма дороги, изготавливаются штучные экземпляры. В табл. 1 приведены сравнительные характеристики пассивных магнитометров и активных металлоискателей, проанализированные на основании ряда работ [1, 2, 4, 7, 11 – 14] и полученные посредством экспертных оценок.

Таблица 1. Сравнительные характеристики пассивных градиентометров и активных металлоискателей для поиска взрывоопасных предметов

Характеристика метода (прибора) Экспертная оценка
Пассивный градиентометр Активный металлоискатель
Энергопотребление (типично), Вт 0,1 − 0,2 1 − 2
Продолжительность непрерывной работы от штатной батареи, аккумулятора (типично), ч 30 − 120 5 − 20
Обнаружение металла только черный (ферромагнетик) любой
Глубина поиска, типично/максимум, м 3/8 0,6/3 (антенна ∅1 м)
Работоспособность в железистых грунтах неудовлетворительно удовлетворительно
Работоспособность в воде, в том числе соленой да нет
Влияние проводимости грунта (дождь, снег) на эффективность работы нет существенная
Зависимость полезного сигнала от глубины R залегания ВОП ~ 1/R3…1/R4 ~ 1/R6
Чувствительность к малым ферромагнитным предметам вблизи поверхности повышенная высокая
Чувствительность к металлическому неферромагнитному мусору нет повышенная
Относительная интенсивность ложных тревог, ВОП/ посторонние предметы (типичная местность поиска) высокая,

1/ 3 − 5

 умеренная,

1/ 1 − 2
Влияние близких подземных металлических труб и силовых линий, сеточных заборов высокое умеренное
Влияние близкорасположенных подземных кабелей связи (медь, свинец) незначительное высокое
Эффективность функционирования при неровном рельефе высокая умеренная
Точность локализации цели (типично), см 3 − 5 10 − 15
Оценка глубины залегания и типа ВОП да незначительная
Оценка размера и ориентации ВОП в грунте да незначительная
Возможность оценки типа металла нет незначительная
Объединение в мультисенсорную систему, переносную или на колесной базе (тачка) да, 2 − 4 зонда нет, только на автоплатформе
Масса прибора (типично), кг 3 − 5 5 − 9
Цена прибора, доллар (в Европе) 4000 – 18 000 800 − 4000
Цена мультисенсорной системы, доллар (в Европе) 28 000 (FEREX 4.032, 4 канала) 17 000 (Defender-2000, 16 каналов, Vallon)

Таким образом, преимуществами пассивных градиентометров перед металлоискателями являются:

  1. бóльшая в среднем в 2 раза (по сравнению с металлоискателями) максимальная глубина поиска ВОП в стальных (ферромагнитных) оболочках;
  2. независимость функционирования от проводимости грунта, климатических условий, наличия воды;
  3. высокая точность локализации цели и потенциальная возможность достоверного прогнозирования глубины залегания, типа и ориентации ВОП в пространстве;
  4. возможность объединения в мультисенсорную систему (переносную или на колесной базе), обеспечивающую максимально высокую скорость поиска «с ходу».

Для активного металлоискателя важна не столько масса конкретного ВОП, сколько площадь поверхности, связанная с его диаметром d . При этом, как показывает практика, для оценки максимальной глубины hMAX обнаружения ВОП с помощью «хорошего» активного металлоискателя в условиях сухого грунта (проводимость104 − 105 Ом×м), допустима инженерная формула [11]:

h1MAX ≈ 11d, (1)

где d − диаметр (минимальный габарит) ВОП.

Полезные качества ВОП как объекта пассивного магнитометрического обнаружения обусловливают: 1) главным образом масса m (объем V) ферромагнитной защитной оболочки, которая, как правило, не меньше массы взрывчатого вещества (ВВ); 2) в меньшей степени форма предмета, характеризуемая отношением максимального геометрического размера к минимальному или отношением длины к диаметру; 3) в наименьшей степени магнитная проницаемость μ ферромагнетика.

При этом максимальная глубина поиска hMAX связана с достижимой чувствительностью градиентометра dB/dr, а также с формой и массой ферромагнитной оболочки сложной зависимостью. Она упрощается, если принять, что: 1) форма «магнитомягкого» ВОП − шар; 2) магнитная проницаемость μ ≥ 100 (типично); 3) расположение ОЧ градиентометра и магнитного момента М шара, приобретаемого в постоянном МПЗ с индукцией ВТ − наилучшее, соосное; 4) магнитные шумы и помехи много меньше чувствительности градиентометра. Такая формула приведена в [8], с учетом других переменных она приводится к виду:

, (2)

где [dB/dr] = нТл/м − достижимая чувствительность, [ВТ ] = нТл.

На территории РФ магнитное наклонение изменяется практически от 90° (на высоких широтах, за полярным кругом) до 57° (Владивосток). Величину ВТ на средних российских широтах (С.-Петербург − Астрахань) можно оценить исходя из известных данных [21]: ВТ ≈ (5,4 ± 0,4)×104 нТл. При этом вертикальная составляющая BВ главного МПЗ на территории РФ в среднем в 2,8 раза превышает горизонтальную BГ и является доминирующей, в среднем можно полагать: BГ  ≈ 18 мкТл; BВ ≈ 50 мкТл.

Наилучшие изделия − градиентометры (типа FEREX 4.032, VALLON EL1302 D2) характеризуются собственным шумом на уровне ~ 0,3 нТл, что на базе 0,5 − 0,65 м дает оценку пороговой чувствительности ~ 0,5 нТл/м [16, 17]. Такую чувствительность, однако, реализовать в реальных условиях невозможно − мешают шумы МПЗ и «неидеальность» градиентометра − погрешности несоосности (магнитометрических преобразователей) и неравенства коэффициентов преобразования. Как показано в работах [6, 8, 18, 20, 22], для типовой окружающей обстановки (эквивалентный шум не более 2 – 3 нТл), возможна реализация порога обнаружения (dB/dr)МИН = 10 нТл/м.

Тогда при подстановке ВТ и (dB/dr)МИН в (2) получаем оценку максимальной глубины обнаружения ВОП градиентометром:

h ≈ 8·d3/4. (3)

Приравняв (1) и (3), можно сделать вывод, что для реальных ВОП с диаметром менее 30 см применение градиентометра дает лучшие результаты. В условиях мокрого грунта (проводимость 102 − 103 Ом×м), при наличии постоянной намагниченности и «вытянутости» реального предмета большая предельная дальность обнаружения для градиентометра обеспечивается практически всегда.

Экспериментальный сравнительный анализ обнаружительной способности металлоискателей и градиентометров подтверждает (3) и показывает, что для «малых» и «средних» ВОП (калибром от 20 до 81 мм) при глубинах поиска до 0,5 м (и типовых грунтах) первые лучше [11, 23]. В области калибров ВОП 100 – 155 мм характеристики сравниваются, далее имеет преимущество градиентометр. Однако если размеры излучающей/приемной антенны металлоискателя относительно велики (Vallon VMH 3CS, диаметр ~1 м), то вероятность обнаружения ВОП металлоискателем на глубинах до 1,5 м даже несколько выше, чем у пассивного FEREX 4.032 [121]. Таким образом, металлоискатели имеют большую обнаружительную способность ВОП на тех относительно малых глубинах (до 1 м), где они функционируют устойчиво.

В табл. 2 представлены массогабаритные характеристики ВОП отечественного производства и максимальная глубина заглубления при ударе о грунт типа суглинка. При установке мины или фугаса на глубину более 1 м его действие резко ослабевает. В табл. 3 представлены характеристики типичных ВОП НАТО по данным [11, 15].

Таблица 2. Массогабаритные характеристики взрывоопасных предметов

Наименование
ВОП		 Калибр (тип) Масса, кг Диаметр, см Длина, см Отношение длины к диаметру Макс. глубина проникновения (установки) в грунт, типично, м
кг мм ВВ Ферро-магнитная
Авиационные 10 - 0,6 9,4 9 38 4,2 0,8
50 - 34 31 24 110 4,6 2,3
100 - 60 60 27 150 5,6 3,3
250 - 100 170 33 190 5,8 6,5
500 - 200 320 45 250 5,6 6,8
Артиллерийские - 82 0,5 2,6 8,2 33 4,0 0,4
- 120 1,4 14,1 12 60 5,0 1,2
- 160 9 32 16 110 6,9 2,1
- 240 32 100 24 160 6,7 3,4
Противопехотные, противотанковые
мины, гранаты,
фугасы
 
 		 0,03-100 0,2 − 300
 
 		 0,5 − 5 0,05 − 1

 Таблица 3. Характеристики взрывоопасных предметов стран НАТО

Образцы ВОП Длина,
мм		 Диаметр,
мм		 Отношение длины
 к диаметру		 Масса
общая, кг
20 mm М55 75 20 3,8 0,11
37 mm М47 120 37 3,2 0,86
40 mm МК II 179 40 4,5 0,70
40 mm М385 80 40 2,0 0,25
М42 62 40 1,6 0,16
BDU-26 66 66 1,0 0,43
BDU-28 97 67 1,4 0,77
57 mm M86 170 57 3,0 2,7
MK118 ROCKEYE 344 50 6,9 0,61
60 mm M49A3 243 60 4,1 1,3
81 mm M374 480 81 5,9 4,0
M230 2.75” ROCKET 328 70 4,7 4,3
105 mm M456 HEAT ROUND 640 105 6,1 8,9
105 mm M60 426 105 4,1 12,9
155 mm M483A1 803 155 5,2 25,6

 В ручных градиентометрах два идентичных магнитометрических преобразователя (МП) − феррозонда размещаются в измерительном модуле или зонде на «жесткой» базе длиной а, их оси чувствительности параллельны базе [7, 8]. В большинстве известных изделий а = 0,25¼1 м, совсем недавно (3 − 4 года назад) появились изделия с а = 1,6¼1,7 м (Foerster, Vallon) [14, 16, 17]. Однако использование последних не подразумевает поиск «с ходу» с типичной скоростью 0,2 – 1 м/с, а скорее уточнение места залегания ВОП практически в стационарном режиме.

На рис. 1 показана условная схема измерения аномалии магнитной индукции с помощью градиентометра с базой а; высота ∆ нижнего МП1 над поверхностью (5 – 10 см) по сравнению с вероятной глубиной h нахождения ВОП принимается малой.


Рис. 1. Измерительная схема поиска ВОП с помощью градиентометра

Условные оси координат X, Y, Z могут быть связаны соответственно с направлением по меридиану, широте и радиусу к центру Земли, координаты x, y могут быть привязаны к другой удобной сетке измерений. При этом направление движения при поиске ВОП происходит условно вдоль оси OX через равные интервалы (типично 1 м), отложенные по оси ОY. Вектор МПЗ ВМПЗ направлен к центру Земли (в южном полушарии наоборот, от центра) под углом c наклонением j.

На глубине h в толще грунта располагается возможный объект обнаружения − ВОП в ферромагнитной оболочке, обладающей индуцированной (в МПЗ) и/или остаточной намагниченностью. Последняя является случайной величиной, приобретаемой в основном при изготовлении ВОП (термообработка), и не подлежит прогнозируемой оценке − даже для однотипных серийных ферромагнитных предметов она изменяется в пределах более 20 дБ. Как показано в работах [15, 18, 19], при ударе артиллерийского или авиационного ВОП о грунт происходит его практически полное ударное размагничивание или утрата остаточной намагниченности («встряска» доменов). Индуцированная намагниченность зависит от магнитной проницаемости ферромагнетика и его формы и поддается оценке с погрешностью около ±3 дБ. Обычно только она и учитывается при оценочных расчетах обнаружительной способности градиентометра.

Однако это не вполне справедливо для мин, где остаточная намагниченность может и преобладать. Противотанковые (противотранспортные) мины выполняются обычно в виде цилиндра или параллелепипеда с наибольшим размером (диаметром) 15 – 30 см, толщиной от 5 до 9 см. Они закладываются на различную глубину не менее 15 см. Противопехотные мины выполняются в виде дисков или цилиндров диаметром 2 – 13 см, длиной 5 – 10 см, и могут весить менее 30 г. Они устанавливаются на поверхности земли или на глубине не более 5 см (при большей глубине их поражающая способность уменьшается).

Переменное поле В(t), которое регистрируется градиентометром при поиске, является помеховым. Поле порождается геомагнитными флуктуациями (в т.ч. магнитными бурями и суббурями, геомагнитным шумом), полями от промышленных токов, − как правило, основной частоты промышленной сети f = 50 Гц (в США – 60 Гц) и ее гармониками [21]. Однако основной косвенной причиной появления помехового сигнала при мониторинге ВОП является действие МПЗ при погрешностях измерительной части градиентометра, связанных с различиями в двух МП:

  1. дисбалансе ∆G коэффициентов преобразования;
  2. несоосности (расхождению) ∆φ их осей чувствительности.

Наиболее трудно минимизируемой погрешностью при изготовлении является вторая, во время эксплуатации, тряска, непреднамеренные удары, температурные изменения способствуют хаотическому увеличению ∆φ. Для компенсации применяют различные методы, подразделяемые на две группы − электрические и механические. Предельно достижимая механическая величина несоосности достигается в современных изделиях (например, Institute Dr.Forster) ∆φ ≈ 0,01° [17]. При начальном положении ОЧ градиентометра перпендикулярно силовым линиям МПЗ указанная несоосность при осуществлении мониторинга приводит к появлению помехового сигнала величиной порядка Впом ≈ BТ×∆φ ≈ 9 нТл.

МПЗ не вполне однородно − на поверхности земли имеется градиент, однако он пренебрежительно мал и потенциальную чувствительность градиентометрического метода обнаружения ВОП не ограничивает. Градиент dВ/dr вертикальной (Z) составляющей главного МПЗ в любой точке на поверхности земли не превышает 0,03 нТл/м − на полюсах, на территории РФ меньше на ~6 дБ, на экваторе нулевой [21, 25]. При этом на базе а ≤ 1 м такая пространственная неравномерность МПЗ может приводить к максимальному разностному сигналу ошибки ∆Вош ≤ 0,03 нТл, что находится на уровне собственных шумов современных феррозондов, и им можно пренебречь.

Городской магнитный шум, обусловленный суперпозицией полей от различных промышленных источников, как показывает практика, достигает:

Вшгор @ 10…100/ a, нТл /м. (4)

Поэтому градиент индустриальных помех вблизи источников сильных токов (электрифицированный транспорт, ЭЖД, высоковольтные ЛЭП и пр.) может превышать ошибку небаланса градиентометра. Вследствие этого в изделиях предусматривается регулировка, обеспечивающая уменьшение чувствительности в местах, где уровень шума выше обычного, что приводит к уменьшению глубины поиска ВОП.

Общеприменимой магнитной моделью ВОП с ферромагнитным объемом V является магнитный диполь с моментом М, величина которого определяется векторной суммой индуцированной намагниченности Jи и остаточной намагниченности Jо: М = (Jи+Jо)×V. Индуцированная намагниченность зависит от формы ферромагнетика и точно определяется лишь в случае изотропного эллипсоида:

Jи = | | c || HТ, (5)

где || c || − симметричный тензор восприимчивости формы, состоящий из трех коэффициентов {cx, cy, cz}, причем: ci = c/(1+c×Ni), i = x, y, z − индексы осей симметрии предмета и соответствующей системы координат; c = (μ−1) − восприимчивость ферромагнетика; Ni − коэффициенты размагничивания вдоль соответствующих осей, связанные условием нормировки S Ni = 1 (для шара Ni = 1/3), зависящие от соотношения длин осей [21, 25].

Несмотря на то, что лишь эллипсоидальные тела имеют однородную индуцированную намагниченность, допущение об этом независимо от формы тела является повсеместным. При этом любой ВОП с характеристическим размером rv в первом приближении представляется в виде эллипсоида, коэффициенты размагничивания которого находятся экспериментально или теоретически [18, 19, 25]. Продолговатые сфероиды дают очень хорошую аппроксимацию для абсолютного большинства ВОП и могут применяться для магнитного моделирования, близкое схождение результатов моделирования сфероида с реальными объектами установлено достоверно [18 − 20, 22, 24]. При этом магнитная аномалия от целикового сфероида близка к полому сфероиду.

Магнитная индукция В на расстоянии R находится как общее решение для магнитного потенциала [25]. При условии R > rv предмет любой формы с любым распределением намагниченности рассматривается как магнитный диполь, имеющий момент М (5). Выражение для индукции поля диполя, определяемое величиной и взаимной ориентацией М и R, известно: B = 100/R3×(3(M×R)·R/R2 − M),

где [В] = нТл, [М] = Ам2, [R] = м. Для градиентометра (рис. 1):

В1 = 100·M·(3(m·r1)r1 − m)·1/R13, В2 = 100·M·(3(m·r2)r2 − m)·1/R23 , (6)

где m − единичный вектор магнитного момента; r1, r2 − радиус-вектора из точки нахождения диполя − ВОП к текущему положению соответственно МП1 и МП2.

Выражения (6) раскладывается по координатам X, Y, Z (рис. 1) в зависимости от измеряемой компоненты магнитного поля. При измерении Z − компоненты выходной сигнал градиентометра: ВГ = BZ1 − BZ2. При прочих равных условиях максимум обеспечивается, если направления векторов m, r1, r2 − коллинеарные, градиентометр находится непосредственно над ВОП, расположенном на расстоянии h (рис. 1). При этом величина сигнала:

ВГ = 200·M·/h3−200·M·/(h+ a)3 = 200·M·a·(3h2+ 3ha+ a2) /h3(h + a)3. (7)

При h ≥ 3a выражение (7) упрощается: ВГ ≈ 600·M×a×/h4.

Если принять, что В0 [нТл] − чувствительность градиентометра, получается оценка предельной глубины h0 обнаружения ВОП с магнитным моментом М по сути аналогичная (3), но отражающая магнитные, а не массогабаритные свойства ВОП:

h04 ≈ 600M/(B0/а). (8)

Зависимости h0 (М,В0,а) − весьма «плавные», поэтому изменение максимальной глубины обнаружения h0 при изменении (в некоторых пределах) основных параметров градиентометра или модели ВОП не столь очевидные. Разница в чувствительности В0 «хорошего» и «удовлетворительного» прибора может составлять более 20 дБ (например, соответственно FEREX 4.032 и Schontedt GA-92XT), разница в цене − приблизительно такая же (в 10 раз). Разница в их обнаружительной способности составляет всего 20lg = 5 дБ.

Ферромагнитная оболочка − полый эллипсоид приобретает индуцированный магнитный момент М, направленный в общем случае навстречу вектору ВТ индукции МПЗ, отклоняясь на угол φ, максимальная величина которого зависит от формы (отношения длины к диаметру) и ориентации вектора ВТ относительно наибольшей оси симметрии ВОП. Для шара φ = 0, для вытянутых эллипсоидов φ − конечна. Впервые на UXO Forum в 1996 г. [19] было заявлено и подтверждено другими работами [18, 24], что направление индуцированной намагниченности (магнитного момента) артиллерийского и авиационного ВОП лежит в телесном угле относительно вектора МПЗ:

φ ≤ 60°. (9)

Если измеренное градиентометром отклонение вектора М превышает указанную величину (велик вклад остаточной намагниченности), то появляется аргумент рассматривать выявленный предмет как потенциальную мину или ложную цель. Если угол φ находится в пределах (11) − остаточная намагниченность несущественная, − то это может быть снаряд или авиабомба, испытавшие ударное размагничивание.

При картографировании местности получение информации о направлении вектора М ВОП с помощью единственного градиентометра затруднительно. При этом снимается профиль магнитуды вдоль первичного направления движения (условно ОХ), получая значения индукции в точках измерения типично через 20 – 50 см. Следующая траектория, отстоящая типично на 1 м, плохо «связана» с предыдущей, поэтому точность интерполяции карты магнитных аномалий относительно мала. Для того чтобы повысить точность, одновременно регистрируются сигналы с нескольких (не менее 3-х) градиентометров, «жестко» закрепленных вместе и расположенных рядом на некотором расстоянии друг от друга (типично 0,5 м) перпендикулярно линии движения оператора. Дополнительным преимуществом является увеличение ширины «охвата» зоны вдоль направления движения до 2 − 2,5 м, что приводит к пропорциональному сокращению времени поиска. В случае единственного градиентометра ширина составляет типично ±(0,25 − 0,5) м в зависимости от чувствительности прибора В0 и прогнозируемых М и h.

В [6] утверждается, что глубину h залегания ВОП можно приблизительно определить по ширине огибающей полезного сигнала на уровне 0,5 от максимума, достигаемого в точке наилучшего расположения (наибольшего приближения) градиентометра. Вид огибающей полезного сигнала и ширина зоны чувствительности (вдоль оси OY) градиентометра для вертикальной направленности вектора М (вдоль оси ОZ) требуют уточнения (рис. 2).


Рис. 2. К оценке зоны чувствительности градиентометра
 

При Y = 0 сигнал на выходе максимальный и описывается (7). Пусть Y = L, тогда полезный сигнал ВГ (L,h) = BZ1 − BZ2, где выражения для компонент индукции магнитного поля в точках размещения МП1 и МП2 имеют вид:

, . (10)

Если h ≥ 3a, то есть когда ВОП достаточно заглублен, допустима аппроксимация , при этом выражение для полезного сигнала ВГ(L) имеет вид:

, (11)

которое при L = 0 эквивалентно (8). При

L0 = 0,82h (12)

функция (11) обращается в нуль и далее изменяет знак. В случае если направление вектора М близко к вертикальному (регистрируется только один максимум от ВОП), определение расстояния L0 от точки максимума до места смены знака дает по (12) предполагаемую глубину нахождения ВОП. Знание h и величины регистрируемого сигнала ВГ позволяет оценить величину магнитного момента, а значит и его предположительный тип, − чем больше магнитный момент, тем больше в общем случае ферромагнитная масса.

Ширина L0,5 зоны чувствительности градиентометра, при которой полезный сигнал уменьшается на -6 дБ по отношению к максимуму, составляет:

L0,5 = 0,72h, (13)

что несколько меньше, чем показано в [6]. В этом случае угол 2ψ (рис. 2), в котором возможно обнаружение ВОП по его магнитной аномалии, при условии обеспечения заданной чувствительности, составляет около 40°.

Как показывает анализ результатов моделирования [15, 1 − 20], если карта магнитных аномалий местности точна, появляется возможность оценки не только глубины залегания ВОП и его типа, но и характера ориентации предмета в грунте. «Идеальный» магнитный момент М, который характеризует предмет, приложен в точке, у него нет полюсов − они как бы слиты. Реальные предметы, в том числе ВОП, имеют полюса: положительный, откуда силовые линии выходят, и отрицательный, куда силовые линии входят, здесь концентрация силовых линий максимальная [6, 21, 25]. Следовательно, вблизи этих точек магнитная аномалия достигает максимумов (с разными знаками), и если они равны, то предмет находится горизонтально. Если на карте аномалий выявляется только один полюс, это означает, что ВОП расположен вертикально и второй полюс (невидимый) находится под первым.

Чем длиннее предмет, чем больше он отличается от шара, тем больше расхождение полюсов. Как правило, полюса располагаются на крайних гранях максимального размера объекта в силу анизотропии формы [10, 25]. Определение местоположения полюсов предмета позволяет уточнить его ориентацию в грунте, а значит сделать процесс разминирования более контролируемым. В [15] установлено, что в наилучшей степени подходит модель ВОП в виде удлиненного сфероида с отношением максимального размера к диаметру, равным 3,5. На основании этой и других работ в табл. 4 приведены данные по магнитным моментам некоторых ВОП, обусловленные индуцированной намагниченностью (Минд) и остаточной намагниченностью (Мост).

Таблица 4. Магнитные моменты неразорвавшихся боеприпасов

Боеприпас Магнитный
момент по [15], Ам2		 По другим
источникам, Мполн, Ам2
Миндмин Миндмакс Мостмакс  
1. 20-мм снаряд M55 0,0014 0,0051 0,001  
2. M42 (диаметр 40 мм) 0,054 0,010 0,0025  
3. 40-мм снаряд MKII 0,012 0,048 0,001  
4. 57-мм снаряд APC M86 0,036 0,12 0,048  
5. 60-мм минометная мина 0,030 0,12 0,007  
6. 60-мм минометная мина M49A3 0,036 0,11 0,04  
7. BDU-26 (∅66 мм) 0,0060 0,079 0,016  
8. BDU-28 (∅67 мм) 0,0014 0,011 0,11  
9. 70-мм ракетный снаряд M230 0,02 1,3 7,7  
10. 76-мм снаряд АР 0,074 0,26 0,0045 0,24 [26]
11. 81-мм минометная мина 0,081 0,35 0,13  
12. 81-мм минометная мина М374 0,06 0,26 0,045 0,32 [26]
13. 90-мм снаряд АР 0,127 0,55 0,009  
14. 105 -мм снаряд М60 0,255 1,42 0,17 0,68 [26]
15. 105 -мм снаряд М456 0,146 0,75 0,26  
16. 155 -мм снаряд М483А1 0,828 2,61 1,6 0,55 − 1,4 [22]

Составление карты магнитных аномалий с помощью градиентометра, а лучше с помощью мультисенсорной системы, позволяет оценить глубину залегания, размеры (величину) и ориентацию в грунте возможного ВОП, а значит облегчить процесс последующего разминирования. Однако такие возможности предоставляет только гуманитарное разминирование. В боевых или приближенным к ним условиях, при задаче обнаружения ВОП «с ходу», составление карты магнитных аномалий крайне затруднено. Тем не менее увеличение количества градиентометров, одновременно участвующих в поиске (реально до 3 − 4), позволяет не только пропорционально увеличить ширину зоны чувствительности вплоть до 2 – 3 м, но и более точно идентифицировать место возможного нахождения предмета.

Растр зоны поиска градиентометра в среднем составляет около 40°. Нахождение мест уменьшения магнитной индукции до нуля или на -6 дБ позволяет оценить глубину залегания предполагаемого ВОП даже «с ходу». Далее возможна оценка магнитного момента и благодаря этому − определение типа (калибра) взрывоопасного предмета. Если предполагаемые ВОП − снаряды или авиабомбы, то нахождение угла отклонения вектора магнитного момента от направления МПЗ в пределах (9) может дать дополнительную информацию о предметах.

Другими полезными новациями в методе магнитометрического поиска ВОП являются вейвлет-анализ карты магнитных аномалий, исключение всех аномалий с моментом меньшим 0,05 Ам2, нахождение октопольных магнитных моментов предполагаемых ВОП и другие, описанные в специальной литературе. Увеличение информативности процесса магнитометрического и комбинированного обнаружения ВОП является главной линией развития этого направления специальной техники.

Литература

  1. Hussein E.M.A., Waller E.J. Landmine Detection: The Problem and the Challenge// Applied Radiation and Isotopes, 2000, Vol. 53, p. 557 − 563.
    www.unb.ca/ME/LTMD/

  2. Дикарев В.И., Заренков В.А., Заренков Д.В. Методы и средства обнаружения объектов в укрывающих средах. СПб.: Наука и Техника, 2004, − 280 с.

  3. www.gichd.org.

  4. Mine Action Technology Newsletter, 2006 − 2008. / www.gichd.org/gichd-newsletters/
    Руководство по вопросам противоминной деятельности. Женева: Женевский международный центр гуманитарного разминирования, 2005, ISBN 2-88487-028-8, − 271 c.

  5. Арбузов С.О. Магниточувствительные поисковые приборы/ Специальная техника, 2000, № 6.

  6. Щербаков Г.Н. Обнаружение скрытых объектов. М.: «Арбат-Информ», 2004, − 144 с.

  7. Щербаков Г.Н. Средства обнаружения тайников с оружием и боеприпасами в толще грунта/ Специальная техника, 2000, № 2, с. 18 − 23.

  8. Щербаков Г.Н., Анцелевич М.А., Удинцев Д.Н. Оценка предельной глубины обнаружения ферромагнитных объектов искусственного происхождения в толще полупроводящей среды/ Специальная техника, 2004, № 2, с. 29 − 33.

  9. Афанасьев Ю.В. Феррозондовые приборы. Л.: Энергоатомиздат, 1986, − 187 с.

  10. Survey of Munitions Response Technologies. ESTCP, ITRC, SERDP. − USA, June 2006, − 216 p.

  11. Military munitions response actions. Engineering manual. − USA army Corps of Engineers, EM 1110-1-4009, − 15 June 2007, − 346 p.

  12. Test, evaluation and demonstration of the man-portable simultaneous EMI and magnetometry system (MSEMS). ESTCP project 200416, 2004 (www.estcp.org).

  13. Metal detectors and PPE Catalogue 2005. - Geneva International Centre for Humanitarian Demining. − Geneva, Feb. 2007, − ISBN 2-940369-01-1, − 203 p ( www.gichd.org).

  14. Billings S., Pasion C., Walker S., Beran L. Magnetic models of unexploded ordnance/ IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2006.

  15. www.vallon.de

  16. www.foerstergroup.de

  17. Billings S.D., Pasion L.R., Oldenburg D. UXO discrimination and identification using magnetometry/ SAGEEP Conference, Las Vegas, Feb. 10 − 14, 2002.

  18. AltshulerT.W. Shape and orientation effects on magnetic signature prediction for unexploded ordnance. Proc.UXO Forum Mar. 1996, p. 282 − 291.

  19. Billings S. D., Herrmann F. Automatic detection of position and depth of potential UXO using a continuous wavelet transforms/ Proc. of SPIE Conference on Detection and Remediation Technologies for Mines and Minelike Targets VII, Orlando, April 21 – 25, 2003, vol. 5089, p. 1012 − 1022.

  20. Яновский Б.М. Земной магнетизм. Л.: Издат. ЛГУ, 1978, − 591 с.

  21. Billings S., Youmans C. Experiences with unexploded ordnance discrimination using magnetometry at a live-site in Montana/ Journal of Applied Geophysics Special Issue, 2006.

  22. Li Y. Improving detection and discrimination of UXO in magnetic environments. SERDP project 1414. March 2006. www.serdp.org/research/UX/UX_1414.pdf

  23. Nelson H.H. et. al. Magnetic modeling of uxo and uxo-like targets and comparison with signatures measured by mtads/ Proc. UXO Forum May 1998, p. 282 − 291.

  24. Паркинсон У. Введение в геомагнетизм. М.: Мир, 1986, − 527 с.

  25. Billings S.D., Pasion L.R., Oldenburg D. Discrimination and classification of UXO using magnetometry: Inversion and error analysis using robust statistics/ SAGEEP Conference, San Antonio, April 6 − 10, 2003.

Статья опубликована на сайте: 08.12.2010


Яндекс.Метрика