МИНОИСКАТЕЛЬ
MINE DETECTOR

Предлагаемое устройство относится к области контрольно-измерительной техники, а именно к устройствам, предназначенным для обнаружения инородных образований в почве, а конкретно мин, в частности противопехотных.
Проблема поиска и обнаружения мин чрезвычайно актуальна. Число их, находящихся в почве, измеряется сотнями миллионов, ежегодно к ним прибавляется 2,0-2,5 миллиона новых, а обезвреживается в лучшем случае 100 тысяч мин в год. На минных полях гибнут или получают увечья не только военнослужащие во время боевых действий, но и гражданские лица, посещающие места былых сражений. Мировая общественность последние годы поднимает вопрос о запрещении мин как вида оружия.
Современные средства обнаружения мин недалеко ушли от уровня Второй мировой войны.
Известны устройства для обнаружения в почве инородных образований, в том числе и мин (авт. свид. СССР №336463, 380910, 411268, 417675, 734957, 930034, 932098, 941776, 947666, 1079946, 1208402, 1368685, 1462217, 1657988, 1781577, 1800219; патенты РФ №1806390, 2011110, 2036372, 2047039, 2047815, 2053436, 2084757, 2206108; патенты США №3045116, 3744289, 4091322, 4289019; патент Великобритании №1349120; патенты Франции №2374628, 2504651; патент Германии №3112829; патенты Японии №46-11.795, 55-6.856, 63-22.531; Дикарев В.И., Койнаш Б.В., Сальников В.П., Сандулов Ю.А. Взрывоопасные объекты. Методы и средства поиска, обнаружения, обезвреживания и утилизации. - СПб. 2001 г. и другие).
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является "Миноискатель" (патент РФ №2206108, G01V 3/12, 2002), который и выбран в качестве прототипа.
Известное устройство обеспечивает повышение помехоустойчивости, чувствительности и надежности обнаружения в почве мин, в том числе и неметаллических, например пластиковых, в условиях сильных помех естественного и искусственного происхождения.
Однако надежные обнаружения и идентификация подповерхностных объектов, в том числе и мин, на различной глубине залегания в ряде случаев затруднены из-за мешающего прямого излучения передатчика и сигналов, отраженных от границы раздела воздух - грунт.
Технической задачей изобретения является повышение надежности обнаружения и идентификации подповерхностных объектов, в том числе и мин, за счет исключения мешающего прямого излучения передатчика и сигналов, отраженных от границы раздела воздух - грунт.
Поставленная задача решается тем, что миноискатель, содержащий, в соответствии с ближайшим аналогом, последовательно включенные блок питания, передающий блок и передающую антенну, последовательно включенные первую приемную антенну и приемный блок, последовательно включенные вторую приемную антенну и тепловизор, последовательно включенные амплитудный детектор, первую линию задержки, первый блок вычитания, второй вход которого соединен с выходом амплитудного детектора, первый блок интегрирования, первый блок деления, второй вход которого соединен с выходом блока вычитания, первый блок сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока формирования эталонного напряжения, первый ключ, второй вход которого соединен с выходом амплитудного детектора, и первый стрелочный индикатор, последовательно включенные измеритель температуры, вторую линию задержки, второй блок вычитания, второй вход которого соединен с выходом измерителя температуры, второй блок интегрирования, второй блок деления, второй вход которого соединен с выходом второго блока вычитания, второй блок сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока формирования эталонной температуры, второй ключ, второй вход которого соединен с выходом измерителя температуры, и второй стрелочный индикатор, при этом в качестве передающего блока использован многочастотный источник СВЧ-энергии, антенны выполнены рупорными и объединены в антенный блок, укрепленный на штанге, отличается от ближайшего аналога тем, что он снабжен формирователем строба, смесителем стробоскопического преобразователя, блоком регулируемой задержки, перемножителем, фильтром нижних частот, экстремальным регулятором, индикатором дальности, триггером, третьим и четвертым ключами, причем ко второму выходу передающего блока последовательно подключены смеситель стробоскопического преобразователя, второй вход которого соединен с выходом формирователя строба, триггер, второй вход которого соединен со вторым выходом блока регулируемой задержки, и третий ключ, второй вход которого соединен с выходом приемного блока, а выход подключен ко входу амплитудного детектора, ко второму выходу передающего блока последовательно подключены перемножитель, второй вход которого через блок регулируемой задержки соединен с выходом приемного блока, фильтр нижних частот, экстремальный регулятор и блок регулируемой задержки, ко второму выходу которого подключен индикатор дальности, к выходу триггера подключен четвертый ключ, вход которого соединен с выходом тепловизора, а выход подключен к входу измерителя температуры.
Структурная схема миноискателя представлена на чертеже. Глубина проникновения энергии СВЧ-излучения в зависимости от длины волны в различных грунтах представлена в таблице. Анализ указанной таблицы свидетельствует о том, что для облучения почвы целесообразно использовать многочастотный источник СВЧ-энергии.
Миноискатель содержит последовательно включенные блок 1 питания, передающий блок 2 и передающую антенну 3, последовательно включенные первую приемную антенну 4, приемный блок 6, третий ключ 35, амплитудный детектор 8, первую линию 10 задержки, первый блок 12 вычитания, второй вход которого соединен с выходом амплитудного детектора 8, первый блок 14 интегрирования, первый блок 16 деления, второй вход которого соединен с выходом первого блока 12 вычитания, первый блок 20 сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока 18 формирования эталонного напряжения, первый ключ 22, второй вход которого соединен с выходом амплитудного детектора 8, и первый стрелочный индикатор 24, последовательно включенные вторую приемную антенну 5, тепловизор 7, четвертый ключ 36, второй вход которого соединен с выходом триггера 34, измеритель 9 температуры, вторую линию 11 задержки, второй блок 13 вычитания, второй вход которого соединен с выходом измерителя 9 температуры, второй блок 15 интегрирования, второй блок 17 деления, второй вход которого соединен с выходом блока 13 вычитания, второй блок 21 сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока 19 формирования эталонной температуры, второй ключ 23, второй вход которого соединен с выходом измерителя 9 температуры, и второй стрелочный индикатор 25, последовательно подключенные ко второму выходу передающего блока 2 смеситель 27 стробоскопического преобразователя, второй вход которого соединен с выходом формирователя 26 строба, триггер 34, второй вход которого соединен со вторым выходом блока 29 регулируемой задержки, а выход подключен ко второму входу третьего ключа 35, последовательно подключенные ко второму выходу передающего блока 2 перемножитель 30, второй вход которого через блок 29 регулируемой задержки соединен с выходом приемного блока 6, фильтр 31 нижних частот, экстремальный регулятор 32, блок 29 регулируемой задержки и индикатор 33 дальности. Антенны 3, 4 и 5 выполнены рупорными, объединены в антенный блок и укреплены на штанге.
Миноискатель работает следующим образом.
Основным режимом работы миноискателя является режим "Поиск". Этот режим устанавливается автоматически при включении прибора и используется при поиске и обнаружении подповерхностных объектов, в том числе и мин.
При подаче на миноискатель напряжений питания передающий блок 2 формирует зондирующий СВЧ-сигнал, излучаемый передающей антенной 3 в направлении поверхности Земли.
Обнаружение подповерхностных объектов, в том числе и мин, в режиме "Поиск" осуществляется сапером путем перемещения перед собой вправо-влево антенного блока, содержащего антенны 3-5 и укрепленного на штанге (не показан на чертеже), и движением вперед в заданном направлении. При этом необходимо следить за тем, чтобы антенный блок перемещался параллельно обследуемой поверхности на фиксированном расстоянии (не более 5 см от нее). Скорость перемещения антенного блока выбирается в зависимости от условий поиска и должен быть в пределах 0,1…1,0 м/с. В процессе поиска необходимо чередовать поперечные и продольные перемещения антенного блока таким образом, чтобы после каждого взмаха справа налево или слева направо антенный блок перемещался вперед на расстояние до 20 см (на величину своего линейного размера). При этом необходимо следить за тем, чтобы был обследован весь проверяемый участок местности.
Электромагнитная волна, отражающаяся от подповерхностного объекта (мины), воздействует на приемную антенну 4. На эту же антенну воздействует мешающее прямое излучение передатчика 2 и сигнал, отраженный от границы раздела воздух - грунт.
Часть энергии зондирующего сигнала со второго выхода передающего блока 2 поступает на первый вход смесителя 27 стробоскопического преобразователя, на второй вход которого подается короткий строб-импульс с выхода формирователя 26 строба. Сформированный в смесителе 27 импульс, представляющий собой мгновенное значение зондирующего периодического сигнала, поступает на установочный вход триггера 34. Триггер 34 переводится в первое (нулевое) состояние, при котором на его выходе формируется отрицательное напряжение.
з
Сигналы, отраженные от границы раздела сред и от подповерхностного объекта, поступают с выхода приемного блока 6 через блок 29 регулируемой задержки на первый вход перемножителя 30, на второй вход которого подается зондирующий сигнал со второго выхода передающего блока 2. Блок 29 регулируемой задержки, перемножитель 30, фильтр 31 нижних частот и экстремальный регулятор 32 образуют коррелятор 28. На выходе перемножителя 30 образуется низкочастотное напряжение, пропорциональное корреляционной функции R(τ), которое выделяется фильтром 31 нижних частот. Экстремальный регулятор 32 поддерживает корреляционную функцию R(τ) на максимальном уровне, обеспечивая величину задержки τ, равной τ
,
где h - расстояние от передающей антенны 3 до подповерхностного объекта (мины),
1
2
h=h+h;
1
h - расстояние от передающей антенны 3 до Земли;
2
h - глубина залегания подповерхностного объекта (мины) в грунте;
с - скорость распространения радиоволн.
1
2
Напряжение, пропорциональное h, поступает на вход индикатора 33 дальности и на второй вход триггера 34 со второго выхода блока 29 регулируемой задержки. Триггер 34 переводится во второе (единичное) состояние, при котором на его выходе формируется положительное напряжение. Это напряжение поступает на управляющие входы ключей 35 и 36, открывая их. Ключи 22, 23, 35 и 36 в исходном состоянии всегда закрыты. Блок 29 регулируемой задержки необходим для наиболее полного управления влиянием отражений от границы раздела сред на работу амплитудного детектора 8, измерителя 9 температуры и последующих блоков. Блок 29 регулируемой задержки обеспечивает задержку переменной, что позволяет устранять влияние прямого излучения передающей антенны 3 и сигналов, отраженных от границы раздела воздух - грунт и от слоев различной глубины залегания, т.е. осуществляет «стробирование по вертикали», которое обеспечивает последовательный просмотр подповерхностного пространства от границы раздела воздух - грунт до слоев различной глубины и определение h=h+h, которое фиксируется индикатором 33 дальности.
«Стробирование по горизонтали» позволяет на фоне вариаций электромагнитного поля, не связанных с электромагнитной волной, отражающейся от подповерхностного объекта (мины), надежно выделять в подповерхностных слоях подповерхностные объекты (мины). Для исключения влияния периодических и квазистационарных вариаций электромагнитного поля Земли осуществляют периодические измерения напряженности поля и операцию нормирования разностного сигнала двух последовательных измерений, т.е. интегрируют разностный сигнал, делят разностный сигнал на проинтегрированный разностный сигнал. Операция сравнения нормированного сигнала с заданным пороговым значением позволяет принять решение о наличии или отсутствии подповерхностного объекта (мины).
Для этого напряжение с выхода приемного блока 6 через открытый ключ 35 поступает на вход измерителя напряженности электромагнитного поля, в качестве которого может быть использован амплитудный детектор 8.
В каждой точке наблюдения производится не менее двух последовательных измерений напряженности отраженного электромагнитного поля. Затем производится операция вычитания двух последовательных измерений. Для этого сигнал, соответствующий предшествующему измерению, задерживается линией 10 задержки до момента сравнения его с последующим сигналом в блоке 12 вычитания. Операции интегрирования разностного сигнала и деления разностного сигнала на проинтегрированный разностный сигнал производится в блоках 14 и 16. В блоке 20 осуществляется сравнение нормированного сигнала с пороговым значением сигнала, задаваемого блоком 18.
Операция сравнения нормированного сигнала с заданным пороговым значением позволяет принять решение о наличии или отсутствии подповерхностного объекта (мины). Если нормированный сигнал превышает пороговое значение, то в блоке 20 сравнения формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 22, открывая его. В исходном состоянии ключ 22 всегда закрыт. ри этом напряжение с выхода амплитудного детектора 8 через открытый ключ 22 поступает на стрелочный индикатор 24.
Многочастотный источник 2 СВЧ-энергии обеспечивает облучение почвы и находящихся в ней объектов, в том числе и мин. При этом в зависимости от типа почвы выбирается соответствующая длина волны СВЧ-излучения (таблица). При сложном характере почвы могут использоваться две и более длин волн одновременно или последовательно.
Возникающее температурное поле поверхности в результате нагрева слоя почвы на облучаемом участке воспринимается приемной антенной 5, тепловизором 7 и через ключ 36 измеряется измерителем 9 температуры. При этом в каждой точке наблюдения производится не менее двух последовательных измерений температурного поля. Затем производится операция вычитания двух последовательных измерений. Для этого тепловой сигнал, соответствующий предшествующему измерению, задерживается до момента сравнения его с последующим тепловым сигналом (температурой) в блоке 13 вычитания. Операции интегрирования разности температур и деления разности температур на проинтегрированную разность температур производится в блоках 15 и 17. В блоке 21 осуществляется сравнение нормированной температуры с пороговым значением температуры, задаваемым блоком 19. В случае превышения заданного порогового значения в блоке 19 формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 23, открывая его. При этом измерения температуры с выхода измерителя 9 через открытый ключ 23 поступают на стрелочный индикатор 25.
Предлагаемый миноискатель должен иметь следующие параметры:
1. Частота разогревающего почву СВЧ-излучения
Длина волны должна быть сравнима с глубиной проникновения излучения в почву и с размером искомого предмета (мина), обладающего иными, чем почва, теплофизическими свойствами. При этом следует учесть и нелинейный характер поглощения СВЧ-энергии в материалах, увеличивающегося с повышением частоты (таблица).
Таким образом, максимальную частоту следует выбирать из условия, чтобы волна не "обтекала" мину, т.е. длина волны не должна существенно превышать размер искомого предмета. Отсюда следует, что максимальную длину волны целесообразно брать не более 50...60 см, а минимальную частоту излучения соответственно порядка 500 МГц. При использовании нескольких длин они могут применяться последовательно или параллельно.
2. Мощность СВЧ-излучения
Эту мощность можно оценить из условия необходимости разогрева слоя почвы до заданного уровня, определяемого возможностью индикации подповерхностного объекта, при этом размеры слоя почвы определяются тактико-техническими требованиями поиска мин. Таким образом, для оценки мощности можно использовать следующие данные:
1 - толщина разогреваемого слоя порядка 5 см (глубина укладки противопехотной мины);
2
S - облучаемая поверхность 0,5·0,5 м (больше размеров мины, но меньше величины шага сапера);
c - теплоемкость почв 0,75±0,9 кДж/кг·°C;
3
ρ - плотность почв 900…1600 кг/м;
Δt - время облучения (время между шагами сапера по заминированному полю) не более 2 мин;
ΔT - прирост температуры, регистрируемой датчиком, составляющий для современных средств контроля (тепловизор с измерителем температуры, матрицы из высокочувствительных термопар и т.д.) величину ~0,1°C, однако для надежного обнаружения это значение надо увеличить в пять раз.
Учитывая, что при длине волны излучения ~12 м мощность Р СВЧ-излучения затухает в почве в 2…3 раза, получим:
,
т.е. излучаемая мощность должна составить сотни ватт.
3. Чувствительность миноискателя
Предлагаемое устройство регистрирует не абсолютную температуру облучаемой поверхности, а ее прирост, отсекая постоянный неинформативный для поставленной задачи электромагнитный и тепловой фоны. Это легко осуществить, разделив время облучения, равное времени измерения температуры, на отдельные интервалы, величину и число которых можно задавать произвольно. Кроме того, для исключения неинформативных электромагнитного и теплового фонов осуществляются периодические измерения напряженности электромагнитного и температурного полей поверхности и операции нормирования разности напряженностей и температур двух последовательных измерений. Операции сравнения нормированных разностей температур и сигнала с заданными пороговыми значениями позволяют повысить достоверность принятия решения о наличии или отсутствии мины.
Использование в предлагаемом устройстве именно прироста температуры и напряженности электромагнитного поля в качестве регистрируемых параметров позволяет:
- использовать известные из радиотехники методы и устройства выделения и анализа переменных сигналов на фоне постоянных составляющих;
- повысить информативность выявления мин, ибо лишь габариты мины и различные теплофизические свойства мин и почвы отражаются на искажении теплового потока, проявляясь в контуре искажающего тепловой поток предмета. Как правило, мины имеют некоторые правильные конфигурации (круг, прямоугольник, кольцо), обусловленные технологией изготовления мин. Помехи же (булыжники, корни растений, обломки кирпича и др.) имеют очертания неправильной формы. Чем выше чувствительность различения ΔТ, тем резче проявляются контуры искажающего тепловой поток предмета.
Современные медицинские тепловизоры и измерители температуры могут различать прирост температуры ΔT до 0,1°C. Естественно, чем выше чувствительность ΔТ регистрирующего устройства, тем меньше уровень мощности, необходимый для облучения почвы.
4. Массогабаритные характеристики миноискателя
Массогабаритные характеристики миноискателя также определяются тактико-техническими требованиями его эксплуатации: миноискатель должен быть автономным и обслуживаться персоналом из 1-2 человек.
Массогабаритные характеристики миноискателя складываются из четырех частей:
3
а) многочастотный передающий блок СВЧ-излучений. В случае использования маломощных магнетронов масса и габариты передающего блока составляют 4…6 кг и 7…10 дм соответственно;
3
б) источник питания. В случае использования аккумулятора (например, от автомобиля КамАЗ) масса 25 кг, а габариты 5 дм;
3
в) измеритель температурного поля. В случае использования тепловизора и измерителя температуры масса 2…3 кг и габариты 3 дм;
г) устройство защиты сапера от СВЧ-излучения. В принципе, возможно использовать просто спецодежду.
Проблема защиты - тема отдельного технического решения, и для предлагаемого миноискателя важно, что масса защитных устройств не должна превышать 2…3 кг.
3
Следовательно, даже при использовании комбинации известных устройств получаем габариты миноискателя на уровне 20 дм, а массу порядка 35 кг. Такие характеристики уже приемлемы для автономного обслуживания персоналом из 1…3 человека, хотя не исключена возможность их снижения (например, повышением чувствительности измерителя температуры, снижением массы аккумулятора и др).
Предлагаемый миноискатель позволяет повысить помехоустойчивость, чувствительность и надежность обнаружения в почве мин, в том числе неметаллических, например пластиковых, в условиях сильных помех естественного и искусственного происхождения. Это достигается за счет исключения вариаций электромагнитного и температурного полей, не связанных с отраженным электромагнитным полем и с теплофизическими параметрами мин: тепловые помехи естественного (Солнце) и искусственного (промышленные установки, трубопроводы с горячей водой, тепловые трубы и т.д.) происхождения, использованием многочастотного источника СВЧ-энергии и применением рупорных антенн.
2
Таким образом, предлагаемый миноискатель по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения позволяет повысить надежность обнаружения и идентификации подповерхностных объектов, в том числе и мин, а также определить дальность h от передающей антенны 3 до подповерхностного объекта (мины) и глубину h его залегания в грунте. Это достигается путем исключения мешающего прямого излучения передатчика 2 и сигналов, отраженных от границы раздела воздух - грунт.
Характеристики проникновения радиоволн в почву
Тип почвы
Длина волны, см
Коэффициент затухания, дБ/м
Глубина проникновения при ослаблении в 100 раз, м
1. Мерзлая почва
300
4,2
4,5
2. Сухая почва
500
0,8
25
3. Кварцевый песок
3,0
2,0
10
4. Песчаный грунт с влажностью: 3%
3
300
0,07
12%
60
3
6,7
5. Глинистый грунт с влажностью: 3%
3
1100
0,02
12%
60
12
1,6