АКТИВНАЯ СИСТЕМА ОХРАНЫ ВОДНОГО РАЙОНА

Заявляемая полезная модель относится к электромагнитным системам охраны водных районов и предназначена для обнаружения подводных пловцов в легководолазном снаряжении, средств их доставки, самотранспортирующихся и плавающих мин, подводных телеуправляемых, автономных и обитаемых подводных аппаратов (ПА) путем регистрации искажений специально созданного электромагнитного поля. Устройство может быть использовано для контроля проникновения указанных выше объектов, движущихся в проводящей среде через рубеж, в охраняемую область пространства, например, в русло реки или канала, акваторию порта или сухопутную запретную зону.
Известно устройство контроля проникновения подводных лодок в акваторию порта [1], содержащее приемный виток, размещенный на дне акватории, и блок регистрации сигнала. При прохождении подводной лодки над приемным витком, в нем наводится ЭДС, обусловленная возмущением магнитного поля Земли, корпусом подводной лодки. Недостатками устройства являются невозможность обнаружения непроводящих объектов, а также малые размеры контролируемой области пространства, радиус которой приблизительно равен линейному размеру объекта.
Известно устройство контроля местоположения подвижного объекта в водной среде [2], состоящее из передающей и приемной электродных антенн с ортогональными осями. Приемная антенна регистрирует искажение объектом структуры токов растекания в среде, созданной передающей антенной. Для охраны рубежа размещают вдоль него n независимых устройств (модулей). Недостатками этого устройства являются: возможность работы только в проводящей среде, зависимость числа используемых излучателей от протяженности контролируемого рубежа, а также, отсутствие возможности классификации объектов по признаку проводящий/непроводящий.
Прототипом заявляемого устройства является устройство для обнаружения проводящих объектов [3], содержащее излучатель первичного магнитного поля в виде плоской прямоугольной двухвитковой рамки, питающейся от генератора синусоидальных колебаний. В рабочей части витки излучателя разнесены на расстояние r друг от друга, заданное из условия обеспечения требуемой дальности обнаружения по вертикали. Приемные катушки расположены на прямой, проходящей посередине между рабочими частями витков излучателя, а их магнитные оси параллельны рабочей части витков. При таком расположении приемных катушек, их выходной сигнал, обусловленный первичным полем, является минимальным. Появление проводящего объекта в зоне обнаружения приводит к искажению первичного магнитного поля, которое регистрируется приемной катушкой и блоком обработки сигнала. Устройство позволяет осуществить охрану рубежа любой заданной протяженности с помощью одного излучателя первичного поля, как в воздушной, так и в водной среде. За счет размещения излучателя и приемных катушек в одной плоскости, обеспечивается скрытность работы устройства.
Однако данное устройство не позволяет обнаруживать непроводящие объекты, проникающие через охраняемый рубеж.
Целью заявляемой полезной модели является расширение функциональных возможностей устройства, заключающееся в обнаружении непроводящих объектов и классификации объектов по признаку проводящий/непроводящий.
Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство для обнаружения проводящих объектов, содержащее: генератор синусоидальных колебаний; излучатель первичного электромагнитного поля из n первых приемных каналов, каждый из которых состоит из датчика поля и блока обработки сигналов, включающего последовательно соединенные усилитель и синхронный детектор; при этом выход генератора синусоидальных колебаний подключен к излучателю первичного электромагнитного поля и к опорному входу синхронного детектора; а выход датчика поля - ко входу усилителя блока обработки сигнала; причем, излучатель первичного электромагнитного поля выполнен в виде плоской горизонтальной прямоугольной рамки, вдоль одной стороны которой токоведущий кабель разделен на два параллельных проводника, разнесенных на расстояние r друг от друга, заданное из условия обеспечения требуемой дальности обнаружения по вертикали; а длина l и ширина b рамки заданы из условий l>L+2r, b>10r, где L - требуемая длина рубежа обнаружения; датчики поля всех первых приемных каналов выполнены в виде индукционных катушек и расположены на прямой, проходящей посередине между двумя параллельными проводниками; при этом магнитные оси катушек совпадают с указанной прямой; введены n вторых аналогичных приемных каналов, датчики поля которых выполнены в виде линейных электродных антенн длиной 0,7r, имеющих по два электрода, подключенных дифференциально к входам n соответствующих усилителей блоков обработки сигналов. В каждую из n групп, состоящих из первого и второго приемных каналов, введены два пороговых устройства, логический элемент «НЕ» и два логических элемента «И», при этом выходы синхронных детекторов блоков обработки сигналов первого и второго приемных каналов подключены соответственно ко входам первого и второго пороговых устройств, выход первого порогового устройства подключен параллельно к первому входу первого логического элемента «И» и через логический элемент «НЕ» ко второму входу второго логического элемента «И», а выход второго порогового устройства подключен параллельно к первому входу второго логического элемента «И» и ко второму входу первого логического элемента «И», причем геометрический центр электродной антенны совмещен с геометрическим центром соответствующей индукционной катушки, а их оси взаимно перпендикулярны, при этом два параллельных проводника рамки излучателя первичного электромагнитного поля имеют одинаковую длину.
Докажем существенность отличий предлагаемого устройства. В известных устройствах, использующих принцип регистрации искажения объектом первичного поля, осуществляется измерение какой-либо одной - электрической или магнитной компоненты поля. В первом случае, могут быть обнаружены проводящие и непроводящие объекты (без классификации) только в водной среде. Во втором случае - только проводящие объекты в водной и воздушной среде. Задача обнаружения проводящих и непроводящих объектов в водной или воздушной среде не может быть решена простым комплексированием известных электрического и магнитного устройств. Используемая в электрическом устройстве электродная излучающая антенна является неэффективной в воздушной среде. Использование метода комплексирования в водной среде приводит к необходимости применения большого числа излучающих электродных антенн, установленных вдоль охраняемого рубежа заданной протяженности.
В предлагаемом устройстве впервые одновременно используется электрическая и магнитная составляющие поля единого излучателя первичного поля в виде двух параллельных проводников с синусоидальным током, являющихся частью плоской прямоугольной рамки. При этом, структура первичного электромагнитного поля практически слабо зависит от типа окружающей среды. Для работы электрического канала обнаружения, необходимо обеспечить балансировку приемной электродной антенны в первичном поле, т.е. расположить ее электроды в эквипотенциальных точках пространства. Наличие эквипотенциальных точек обеспечивается изменением в предлагаемом устройстве конструкции излучателя первичного поля, по сравнению с излучателем устройства обнаружения магнитного типа. Это изменение состоит в переходе от двухвитковой рамки излучателя к одновитковой, с разделением в рабочей части излучателя токоведущего кабеля на два параллельных проводника равной длины. При этом, условия генерирования магнитного поля не изменяются. В предлагаемом устройстве используются датчики поля двух типов: индукционные катушки - регистрируют искажение магнитной составляющей первичного поля, вызываемое появлением проводящего объекта; электродные антенны - регистрируют искажение электрической составляющей первичного поля, вызываемое появлением проводящего или непроводящего объектов. Логическая обработка выходных сигналов электрического и магнитного приемных каналов позволяет осуществить классификацию объектов по признаку проводящий/непроводящий. Таким образом, предлагаемое устройство позволяет обеспечить обнаружение проводящих и непроводящих объектов в водной и воздушной среде при использовании одного излучателя первичного поля, независимо от протяженности охраняемого рубежа.
На фиг.1 изображена функциональная схема предлагаемой активной системы охраны водного района; на фиг.2 - пространственная схема размещения излучателя первичного электромагнитного поля и датчиков поля,; на фиг.3 - экспериментальные проходные характеристики, полученные на выходах электрического (для проводящего и диэлектрического объектов) и магнитного (для проводящего объекта) каналов.
Устройство (фиг.1) содержит: генератор синусоидальных колебаний 1, подключенный к излучателю первичного электромагнитного поля 2; и n групп, каждая из которых состоит из первого и второго приемных каналов, содержащих последовательно соединенные датчики поля 3 и 3' соответственно, блоки обработки сигналов 4 и 4', включающие последовательно соединенные усилители 5 и 5' и синхронные детекторы 6 и 6', пороговые устройства 7 и 7' и логические элементы «И» 9 и 9', кроме того каждая из n групп содержит логический элемент «НЕ», причем датчики поля 3 первых приемных каналов выполнены в виде индукционных катушек, а датчики поля 3' вторых приемных каналов выполнены в виде линейных электродных антенн, имеющих два электрода, подключенных дифференциально к входам усилителей 4', в каждой из n групп опорные входы синхронных детекторов 6 и 6' подключены параллельно к входу генератора синусоидальных колебаний 1, выход порогового устройства 7 первого приемного канала подключен также через логический элемент «НЕ» 8 ко второму входу логического элемента «И» 9' второго приемного канала, а выход порогового устройства 7' второго приемного канала подключен также ко второму входу логического элемента «И» 9 первого приемного канала. Излучатель первичного электромагнитного поля 2 (фиг.2) выполнен в виде плоской горизонтальной прямоугольной рамки, вдоль одного основания которой токоведущий кабель разделен на два параллельных проводника, имеющих одинаковую длину, разнесенных на расстояние r друг от друга, заданное из условия обеспечения требуемой дальности обнаружения по вертикали, а длина l и ширина b рамки заданы из условий l>L+2r, b>10r, где L - требуемая длина рубежа обнаружения. Датчики поля 3 - индукционные катушки расположены на прямой, проходящей между двумя параллельными проводниками на одинаковом расстоянии от них, а их магнитные оси совпадают с указанной прямой. Датчики поля 3' - линейные электродные антенны, имеющие длину 0.7r, расположены таким образом, что их центры совмещены с центрами соответствующих индукционных катушек, а оси электродных антенн перпендикулярны осям индукционных катушек.
Устройство работает следующим образом. Генератор синусоидальных колебаний обеспечивает протекание тока величиной I по каждому из двух параллельных проводников рабочей части излучателя первичного электромагнитного поля. После отдельного провода в цилиндрической системе координат (ρ, γ, z) имеет компоненты [4].
ρ
E≈0, L>>ρ,
где  - коэффициент распространения в среде над проводниками, для непроводящей среды (воздух) , для проводящей среды (вода) ; ,  - функции Ханкеля второго рода нулевого и первого порядков; условие L>>ρ связано с тем, что наибольший интерес представляет обнаружение малых объектов, размером порядка 0.1r, движущихся на максимальном удалении по вертикали от проводников излучателя. Дальнейший анализ проведен на примере работы устройства в воздушной среде, σ=0. В представляющих практический интерес проводящих средах величина проводимости невелика. Поэтому обусловленные наличием проводимости дополнительные затухания и фазовые сдвиги незначительны и не имеют принципиального значения для работы устройства.
Выражения (1) (2) на частотах порядка единиц килогерц при σ=0 с учетом асимптотики функций Ханкеля примут простой вид:
Далее рассмотрим работу первого и второго приемных каналов отдельно.
x
y
Индукционные датчики первого (магнитного) приемного канала расположены в точках с координатами x=y=0, в которых первичное магнитное поле в соответствии с (1) и (2) отсутствует. Магнитные оси датчиков направлены вдоль оси z, чтобы исключить влияние нескомпенсированных компонент H и H, наличие которых на практике определяется неидеальностью геометрии излучателя.
При появлении проводящего объекта объемом V, имеющего форму вытянутую вдоль оси x, возникает дополнительное вторичное магнитное поле, обусловленное протеканием тока по поверхности объекта.
x
На расстояниях порядка r источник вторичного магнитного поля можно аппроксимировать диполем. Магнитный момент диполя пропорционален компоненте поля H и объему объекта
x
x
M=H(x,y)·V
где в соответствии с (3)
В месте установки индукционного датчика 3, ориентированного по оси z, такой дипольный источник создает z-компоненту вторичного магнитного поля равную
x
где H(x,y) определяется по формуле (4).
z
Выражение (5), рассматриваемое как зависимость H(x) представляет собой проходную характеристику проводящего объекта, движущегося в направлении оси x в зоне обнаружения.
Под действием компоненты вторичного поля  индукционный датчик 3 вырабатывает напряжение , где S - коэффициент преобразования датчика. Это напряжение усиливается и детектируется в блоке обработки сигнала 4. Синхронный детектор 6 включает в себя полосовой фильтр, полоса пропускания которого соответствует спектру проходной характеристики, определяемому диапазоном возможных скоростей перемещения объекта. Пороговое устройство 7 выдает сигнал о наличии объекта при превышении заданного порогового уровня своего входного сигнала.
Электродные антенны второго (электрического) приемного канала расположены таким образом, что их центры находятся в точках с координатами x=y=0 (совпадают с центрами магнитных датчиков), а электроды - в точках с координатами , y=0 (фиг.2).
Вычислим разность потенциалов в точках 00', наводимую в проводниках приемной антенны в присутствии только одного проводника излучателя, например, левого. В цилиндрической системе координат, связанной с левым проводником (ρ', φ', z') при rg'<<1
,
где c=0,577 - постоянная Эйлера.
z
Произведя интегрирование компоненты E по координате x для левого плеча антенны в пределах , для правого - , получим искомую разность потенциалов
.
Аналогично от правого провода имеем
.
Таким образом, при идеально симметричном размещении приемной электродной антенны относительно проводников излучателя сигнал на выходе дифференциального усилителя 5' равен нулю. Если антенна расположена несимметрично (соответствующие расстояния электродов от проводников излучателя равны Δ' и Δ”), то на выходе дифференциального усилителя 5' будет присутствовать остаточный сигнал от первичного поля, определяемый величинами Δ' и Δ”.
При установке приемной электродной антенны относительно проводников с током необходимо добиться минимума остаточного сигнала.
z
В присутствии объекта, пусть это будет сфероид ориентированный большой осью вдоль оси x, первичное поле E возбудит на нем источник вторичного электрического поля с дипольным моментом, направленным по оси z [5]
,
a
y
где  - поле возбуждения в месте расположения центра сфероида в его отсутствии;  - объем сфероида, c - большая,  - малая полуось сфероида; ε - диэлектрическая проницаемость контролируемого пространства; N - коэффициент определяющий тип сфероида: проводящий, непроводящий; вытянутый или сплющенный.
Амплитудное значение потенциала вторичного поля будет [4]
,
z
где gradx - проекция градиента функции на оси z, R - радиус вектор соединяющий центр сфероида и точку наблюдения .
Добавочный максимальный сигнал от объекта (движущийся по траектории z=0) на выходе синхронного детектора будет над проводами.
где ,
0
0
x=R, здесь R=h либо .
a
При увеличении длины антенны  затрудняется ее балансировка по минимуму остаточного сигнала, но возрастает величина сигнала от объекта. Поэтому в предлагаемом устройстве длина антенны выбрана равной 2ℓ=0,7r.
Предлагаемое устройство реализовано в виде полномасштабного действующего макета в водозаборном канале Ленинградской атомной электростанции.
Излучатель первичного магнитного поля 2 расположен на дне канала на глубине 6 м, а его проводники разнесены на расстоянии r=6 м, обеспечивающее требуемую дальность обнаружения по вертикали. Обратный провод излучателя находится на расстоянии b=60 м. По каждому из проводников излучателя протекает синусоидальный ток I=20 А частоты f=4,5 кГц. При этом выходная мощность генератора 1 составляет P=500 Вт.
Магнитные датчики представляют собой индукционные катушки с числом витков N=10000 и сердечником с µ=400. Коэффициент преобразования датчиков на рабочей частоте равен S=180 В·м/А.
Электроды линейных электрических антенн представляют собой медные диски диаметром 0,3 м. Длина антенн 5 м.
Усилители, синхронные детекторы и пороговые устройства выполнены по стандартным схемам [6] на базе микросхем 140УД17, 140УД20 и Л504НТ3. Логические элементы «НЕ» и «И» выполнены на базе микросхем Л155ЛА2.
На фиг.3 приведены экспериментальные проходные характеристики для проводящего объекта в магнитном и в электрическом каналах, а также непроводящего объекта в электрическом канале.
Технико-экономические преимущества предлагаемого устройства по сравнению с прототипом состоят в возможности обнаружения, как проводящих, так и непроводящих объектов и их классификации по признаку проводящий/непроводящий. Положительный эффект достигается за счет использования обеих компонент первичного поля (магнитной и электрической) и второго электрического приемного канала.
Определим экономическую эффективность предложенного устройства по сравнению с комплексным устройством обнаружения объектов, включающим аналог и прототип [2, 3] - устройство для обнаружения проводящих и непроводящих объектов по искажению электрического поля.
Экономия связана с сокращением n излучателей первичного электрического поля. Каждый из n излучателей электрического поля включает:
- усилитель мощности с выходной мощностью до 100 Вт (цена 12000 руб.);
- два медных электрода и диэлектрическую несущую конструкцию (стоимость 10000 руб.)
- проводящие кабели длиной 50-100 м (стоимостью 1000-2000 руб.).
Кроме того необходимо учесть затраты на электроэнергию, исходя из мощности усилителя, его КПД и длительности работы. За 1 год эти затраты составят 2,4·24·365/0,2=12 тыс. руб.
Общая экономия за 1 год с учетом срока непрерывной работы усилителя мощности 5000 час составит величину порядка 50 тыс. руб. на один излучатель электрического поля.
Требуемое количество излучателей в канале Ленинградской атомной электростанции n=10. При этом годовая экономия составит 500 тыс. руб.
Литература
1. Яроцкий В.А. Методы обнаружения и определения местоположения объектов по их постоянному магнитному полю. Зарубежная радиоэлектроника, №3, 1984.
2. Кузьмин Ю.И., Жаров А.А., Ридигер А.В. Расчет вторичного поля сфероида в проводящем слое. Л: Изв. ЛЭТИ, 1989, вып.406, с.54-58.
3. Медведев А.Г., Митрофанов A.M., Трубников B.C. Измерение низкочастотных магнитных полей в условиях индустриальных помех. - Л: Изв. ЛЭТИ, 1990, вып.426, с.61-65.
4. Ивлиев Е.А. Электромагнитные системы охраны водных районов. - Спецтехника и связь №1, 2008.
5. Марков Г.Т., Петров Б.М., Грудинская Г.П. Электродинамика и распространение радиоволн. М: Сов. радио, 1979.
6. Алексеенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых микросхем. М: Радио и связь, 1965.