Влияние укрывающей среды на глубину зондирования в нелинейно-параметрической локации

нИКОЛАЕВ1 Алексей Владимирович, кандидат технических наук, доцент

влияние укрывающей среды на глубину зондирования в нелинейно-параметрической ЛОКАЦИИ

В статье рассмотрены особенности процесса обнаружения рукотворных объектов в различных укрывающих средах при их нелинейно-параметрической локации в широком диапазоне электромагнитных волн. Данная задача возникла при рассмотрении вопроса об эффективном использовании электромагнитного спектра. Показано, что при использовании различных диапазонов длин электромагнитных волн возможно усиление нелинейных свойств рукотворных объектов. Ключевые слова: нелинейные эффекты, рукотворные объекты, нелинейная радиолокация, параметрическая локация, электромагнитное поле, удельное поглощение электромагнитной волны, нелинейная эффективная поверхность рассеяния.

In article features of process of detection of man-made objects in various covering environments are considered at their non-linear location in a wide range of electromagnetic waves. This problem arose when considering effective use of electromagnetic spectrum. A possibility showed of amplification of non-linear properties of man-made objects using different parts electromagnetic spectrum. Keywords: non-linear effects, man-made objects, nonlinear radar-location, parametrical location, electromagnetic field, specific absorption of an electromagnetic wave, nonlinear effective surface of dispersion.

В различных областях деятельности человека (археология, строительство и эксплуатация подземных коммуникаций, борьба с терроризмом, гуманитарное разминирование и многое другое) возникает необходимость поиска объектов в толще укрывающих сред. При этом существующие средства поиска зачастую не способны обеспечить глубину поиска, соответствующую глубине заложения объекта поиска. Основной причиной этого является сравнительно большие удельные потери при прохождении электромагнитной волны через слой укрывающей среды. Укрывающими средами могут быть [1]:

♦ грунты различного состава и влажности (наиболее типичный случай: поиск террористических тайников с оружием, террористических взрывных устройств);

♦ пресная и морская вода (поиск неразорвавшихся боеприпасов, железных контейнеров и бочек с химическими веществами);

♦ растительность (поиск холодного и огнестрельного оружия — в криминалистике);

♦ снег, лед;

Анализ известных работ [1 — 10] в области нелинейной и параметрической локации полупроводящих сред применительно к решению задачи обнаружения объектов искусственного происхождения показывает, что ресурсы электромагнитного поля используются не в полной мере. Так в [1, 2, 7, 8] показано, что использование параметрического возбуждающего поля наряду с основным зондирующим, позволяет улучшить поисковые характеристики приборов нелинейной радиолокации. Как правило, возбуждающие поля выбираются такими, что бы потери при прохождении их через слой укрывающей среды были минимальны и наилучшим образом усиливали демаскирующие свойства рукотворных объектов. К примеру, возбуждение нелинейных элементов в объектах поиска (переходов транзисторов и диодов, стыков металлов в оружии, радиолиниях управления взрывными устройствами, аппаратуре негласного съема информации) может осуществляться электромагнитным полем в широком диапазоне длин волн (рис. 1). Необходимо отметить, что для более эффективного использования электромагнитного спектра в радиолокационном диапазоне

♦ строительные материалы

' - докторант ВУНЦ СВ «Общевойсковая академия ВС РФ», Москва.

нч вч СВЧ ОПТИКА

^б>г*

ЗхЮ хЮ2 хЮ3 хіо4 хЮ5 хЮ6 хЮ7 хЮ9 хЮ10 хЮ11 хЮ12 хЮ13 /данй, Гц

К

V

ІГ

I

I

I

Усиление отражающих свойств рукотворных объектов

I

г-

♦

гг

г

V

ю7 ю6 ю5

ю4 ю3 ю2

10 1

і о1 т2

10"3 10"4 ^возб 5 М

Объекты

поиска

Рис. 1. Используемые диапазоны электромагнитного спектра при нелинейно-параметрической

локации рукотворных объектов

Таблица. 1. Характеристики основных укрывающих сред

Укрывающая среда Электромагнитные характеристики (статика) Плотность, г/см3

£ Ц ап, cм/м

Сухой песок 4 1 10-4 1,2 - 1,65

Грунт средней влажности 10 1 10-2 1,4 - 1,6

Влажный суглинок 20 1 10-1 1,9 - 2

Вода пресная (реки, озера) 80 1 10-2 1

Вода морская 80 1 4 1,01 - 1,05

Снег сухой 3 - 8 1 =10-5 - 10-7 0,24 - 0,32

Снег влажный 73 - 85 1 0,1 0,35 - 0,45

длин волн целесообразно использовать резонансные свойства объектов (рис. 2).

Применительно к рассматриваемому вопросу основными материальными характеристиками укрывающих сред являются: плотность, твердость, электрическая проводимость, диэлектрическая и магнитная проницаемости, коэффициенты отражения и излучения в видимом (0,4 — 0,76 мкм) и инфракрасном (0,76 — 1000 мкм) диапазонах электромаг-

нитных волн и др. Конкретные значения этих характеристик приведены в табл. 1 [1, 11 — 14].

Одной из существенных характеристик для практики является удельное поглощение зондирующих электромагнитных волн в маскирующем (непрозрачном) слое вмещающей среды (рис. 3) [1, 11 — 14]. На рис. 3 видно, что при толщине укрывающего слоя среды более 0,2 — 0,3 м обнаружение объектов во влажном грунте возможно при длине волны

Рис. 2. Теоретические зависимости эффективной поверхности рассеяния основных аппроксимирующих поверхностей корпусов рукотворных объектов от длины электромагнитной волны

Рис. 3. Зависимость удельного поглощения электромагнитной энергии маскирующим слоем от ее длины волны

Л > 1 м, в сухом песке — Л > 0,2 м, а в сухом снеге или растительности — Л > 2 — 3 см. При этом потери сигнала в укрывающем слое не превышают 20 — 30 дБ. Для ближней локации данные потери приемлемы. Следует отметить, что энергетический потенциал переносных активных поисковых систем (радиолокационных, радиоволновых, индукционных и др.) по чувствительности приемных трактов достигает минус 140 — 160 дБ (10-14 — 10-16 Вт) [2]. Таким образом, параметры обнаружения (вероятность, глубина обнаружения) при нелинейно-параметрической локации рукотворных объектов во многом будут зависеть от уровня содержания вод в укрывающей среде и уровня ее минерализации. В целом же, как показывает анализ электрофизических свойств, все укрывающие среды (вода, грунт, бетон и прочее) являются фильтром нижних частот, исключение составляет растительность.

Ниже рассмотрим электрические свойства вмещающих сред (воды, льда, грунтов). Электромагнитные методы и средства занимают наиболее важное место в локации полу-проводящих сред. Для их правильного выбора необходимо учитывать электрические свойства этих сред. Начнем, прежде всего, с электрических свойств воды, так как они являются определяющими при поглощении электромагнитных волн.

Электрические свойства воды, пресноводных льдов и снега

Вода является полярной жидкостью с резко выраженной зависимостью диэлектрической проницаемости от частоты. В переменных полях ее диэлектрическая проницаемость является комплексной величиной [11 — 14]:

£ = £ - ]£* = £ - у 6 0Ааи ,

%8 = £/£ = ап/а£отн £' ,

где Л — длина волны, м;

ап — удельная электрическая проводимость, См/м; ш — циклическая частота, рад/с;

1дд — тангенс угла потерь;

£0 — абсолютная диэлектрическая проницаемость свободного пространства, Ф/м;

е' — действительная часть диэлектрической проницаемости укрывающей среды, Ф/м;

е" — мнимая часть диэлектрической проницаемости, Ф/м;

Е0шн — относительная диэлектрическая проницаемость укрывающей среды.

Диэлектрическая проницаемость воды зависит от ряда факторов: температуры, длины лоцируемой электромагнитной волны, солености. На рис. 4 приведены частотные зависимости е'и е"для морской (соленость Б = 30%) и пресной воды при температуре 0°С. Максимум частотной зависимости е" при / « 1010 Гц обусловлен возрастанием потерь в воде вблизи частоты собственных колебаний ее молекул [12, 13].

На рис. 5 приведены зависимости е' и 1дЬ пресного льда от частоты и температуры. При / > 10 Гц скорость изменения диэлектрической проницаемости остается величиной постоянной (е' ~ 3,2) и практически не зависит от частоты и температуры. Характерны области квазирезонансного поглощения электромагнитной волны для пресного льда в диапазоне низких частот.

Сухой снег представляет собой двухкомпонентную структуру, состоящую из воздуха и кристаллов пресного льда. Наличие воды (мокрый снег) или каких-либо примесей сильно изменяет значение его диэлектрической проницаемости. Частотные зависимости е' и tд5 для снега представлены в шабл. 2 [11 — 14]. Как видно из этой таблицы, при f > 106 Гц для свежевыпавшего снега е' ~ 1,2, а для плотного е' ~ 1,5. Характерными признаками мерзлых почв являются нулевая или отрицательная температура и наличие в них льда. Иногда встречается слоистая мерзлота, для кото-

Рис. 4. Частотные зависимости е' и е'для морской (1) и пресной (2) воды

Рис. 5. Частотные зависимости е' и 1дЬ для пресного льда при различной температуре,

полученные экспериментально [12]

Таблица. 1. Характеристики снега [1]

Характер снега /, Гц £ ідЬ Г, дБ/м

Свежевыпавший снег

t=-20° С 103 3,33 0,4920 7,940-5

104 1,82 0,3420 4,140-4

105 1,24 0,1400 1,440-3

107 1,20 0,0040 3,940-3

3-108 1,20 0,0012 3,640-2

t = -6° С 3-109 1,20 0,00029 8,740-2

1010 1,26 0,00042 4,340-1

Плотный снег

105 1,90 1,53 1,640-2

t = -6° С 3-105 1,80 0,8000 2,740-2

106 1,55 0,2900 3,240-2

3-106 1,55 0,1200 4,040-2

3-109 1,50 0,0009 3,040-1

рой характерно чередование слоев мерзлых и немерзлых пород.

При замерзании воды в почвах происходит изменение их физических свойств, в частности, в значительной степени (по сравнению со случаем немерзлой почвы) уменьшается tg5 (угол потерь), а также (в меньшей степени) є'. В общем случае это ведет к увеличению глубинности поиска локальных объектов с использованием электромагнитных средств. Географические границы зоны сезонномерзлых и многолетнемерзлых почв и их толщина определяются климатическими условиями. Например, толщина сезонномерзлых почв колеблется в пределах 0,1 - 5 м, а многолетнемерзлых

почв — 20 — 600 м. Температура многолетнемерзлых почв (на глубине 5 — 10 м) обычно колеблется от 0 до -10° С.

Для мерзлых почв характерны следующие значения: е' ~ 4,2 — 8, tg5 ~ 4 — 8, при этом удельное затухание радиоволн 4,7 — 7,7 дБ/м (в диапазоне 10 — 100 МГц).

Для морской воды при уровнях солености 5,12 и 12,5% частотные характеристики диэлектрической проницаемости, скорости распространения радиоволн и удельного затухания в зависимости от частоты (длины волны) радиосигнала представлены на рис. 6.

Анализ рисунков показывает, что с ростом частоты электромагнитной волны (радиосигнала) или с уменьшением длины

V, м/ МКС

Рис. 6. Частотные характеристики мерзлых почв при различных уровнях солености при Т = -12,5°С (1); -20° С (2); -25° С (3); -30° С (4) [11 - 14]

волны Л (увеличением / — частоты зондирующего сигнала) в морском льду возрастают удельное затухание и скорость распространения радиоволн, что значительно влияет на вероятность обнаружения рукотворных объектов в такой укрывающей среде.

Электрические характеристики песчаных почв и горных пород

Особенностью верхнего слоя земли (осадочных пород) является слоистость, причем отдельные слои отличаются по своим физическим свойствам.

Типичными осадочными породами являются: песок, глина, галечник, суглинок, известняк, мел и др. Эти породы пористы и в естественных условиях содержат определенное количество воды, которая просачивается вглубь земли особенно легко там, где поверхностные слои сложены из водопроницаемых пород (песка, щебня, гальки и т.д.). Вода продвигается до первого водонепроницаемого слоя (глина, сланцы и т.п.). На границах этих слоев атмосферные воды задерживаются и, скапливаясь в пустотах верхних слоев, образуют грунтовые воды. Влагонасыщенность пород зависит от пористости

и температуры [1]. Для сухих горных пород (гранит, базальт, щебень и др.) в диапазоне 102 — 107 Гц е' ~ 10 — 20 и практически постоянна, а tg5 уменьшается с ростом частоты от 0,2 (при / = 102 Гц) до 0,05 ( при / = 107 Гц). Степень влажности осадочных пород является одним из факторов, существенно определяющих их электрические характеристики (рис. 7). Как видно из этого рисунка, удельное затухание Г с увеличением влажности растет и увеличивается на 2 — 3 порядка при изменении длины волны от 2 м до 8 мм.

Таким образом, анализ влияния укрывающей среды на процесс обнаружения или регистрации демаскирующих признаков скрытых объектов показал, что глубина зондирования при нелинейно-параметрической локации во многом будет зависеть от электрофизических свойств данных сред. Усиление нелинейных отражающих свойств рукотворных объектов возможно за счет использования параметрических эффектов, вызванных различными возбуждающими физическими полями. В качестве возбуждающих полей целесообразно выбирать те, у которых удельные потери при прохождении через слой укрывающей среды минимальны. Например, экспериментально установлено, что при воздействии импульсного магнит-

Рис. 7. Зависимости удельного затухания песчаного

грунтов от длины волны радиосигнала для различной влажности [1, 11 - 14]

ного поля с амплитудой не менее 1 — 2 кА/м на объект, имеющий контактные поверхности и укрытый слоем грунта, принимаемый СВЧ-сигнал на комбинационной частоте третьего порядка и третьей гармоники увеличивался на 15 — 30 дБ. С физической точки зрения этот эффект объясняется «оптимизацией» контактного давления

при вздрагивании (вследствие магнитострикционного и пондеромоторного эффектов) металлического объекта. В данной статье с единой точки зрения сделана попытка показать, что электромагнитный спектр в широком диапазоне частот может быть использован более эффективно при сочетании различных электромагнитных полей.

Литература

1. Щербаков Г.Н. Обнаружение скрытых объектов — для гуманитарного разминирования, криминалистики, археологии, строительства и борьбы, с терроризмом. М.: - Арбат-Информ, 2004.

2. Щербаков Г.Н. Кандидатская диссертация, на специальную тему. М.: - 15 ЦНИИИ им.. Д.М. Карбышева, 1979.

3. Щербаков Г.Н. и др. Миноискатель на принципе нелинейной радиолокации А. с. На изобретение №131578 с приоритетом, от. 6.05.1978.

4. Штейншлегер В.Б. Нелинейное рассеяние радиоволн, металическими объектами. / Успехи физических наук, 1984 - № 1. -С. 131 — 145.

5. Вернигоров Н.С., Борисов А.Р., Харин В.Б. К вопросу о применении многочастотного сигнала в нелинейной радиолокации. /Радиотехника и электроника, 1998 - том. 43. - № 1.

6. Васенков А.А., Чигин Е.П. Нелинейный рассеиватель электромагнитных волн с регулируемой плоскостью поляризации. / Радиотехника и электроника, 2000. - том. 45. - № 7.

7. Щербаков Г.Н. Параметрическая, локация. — новый метод обнаружения скрытых объектов. / Специальная, техника, 2000,

- № 4. - С. 52 — 57.

8. Щербаков Г.Н., Николаев А.В., и др. Рассеяние радиоволн параметрическими вибраторами. / Специальная, техника, 2008.

- №№ 5 — 6.

9. Горбачев А.А. Особенности зондирования, электромагнитными волнами сред с нелинейными включениями. / Нелинейный мир, 2009. - №№ 7 — 9.

10. Щербаков Г.Н. Докторская диссертация, на специальную тему. М.: - ВИА им.. В. Куйбышева, 1992.

11. Долуханов М.П. Распространение радиоволн.. М.: - Связьиздат, 1960. - 390 с.

12. Финкельштейн М.И., Мендельсон. В.Л. Радиолокация, слоистых земных покровов. М.: - Советское радио, 1977. - 174 с.

13. Кинг, Г. Смит.. Антенны, в материальных средах: В 2-х книгах. Кн. 2. Пер. с англ. М.: - Мир, 1984. - 824 с.

14. Черный Ф.Б. Распространение радиоволн.. М.: - Сов. Радио, 1962. - 471 с