Публикации журнала Специальная Техника.

ЩЕРБАКОВ Григорий Николаевич,
доктор технических наук, профессор

СРЕДСТВА ОБНАРУЖЕНИЯ ТАЙНИКОВ С ОРУЖИЕМ И БОЕПРИПАСАМИ В ТОЛЩЕ ГРУНТА

В борьбе с терроризмом важное место занимает своевременное выявление тайников с оружием и боеприпасами. В сельской местности такие тайники устраиваются чаще всего вне жилых зданий на прилегающих земельных участках. Иногда тайники устраиваются в воде (в водонепроницаемых контейнерах) в прибрежной полосе рек и озер.

Опыт боевых действий на Балканах, Таджикистане и Чечне подтверждает это. Типичный тайник представляет собой контейнер (ящик, пластмассовая бочка, мешок из прорезиненной ткани и др.), зарытый в грунт на глубину более 1 метра. Чаще всего в тайнике находятся несколько единиц стрелкового оружия, патроны, гранаты, взрывные устройства и другая специальная техника.

Глубина заложения тайника в 1 метр и более берется террористами с целью затруднить его обнаружение с помощью табельных армейских индукционных миноискателей.

Известны следующие методы обнаружения металлических объектов в грунте:

• магнитометрический;
• индукционный;
• радиолокационный;
• механического зондирования;
• электрический контактный;
• сейсмоакустический;
• биофизический и др.

Наибольшее практическое значение в данном случае имеют первые четыре метода. Рассмотрим их подробнее.

Магнитометрический метод обнаружения ферромагнитных объектов в грунте и воде

Магнитометрический метод позволяет зафиксировать пространственные искажения магнитного поля Земли, создаваемого ферромагнитным объектом поиска. Обнаружение диэлектрических (пластмассовых, деревянных и т.п.), а также диамагнитных (дюралюминий, золото, серебро, бронза и т.п.) объектов с использованием этого метода невозможно. Однако обнаружение локальных ферромагнитных объектов возможно практически в любых естественных укрывающих средах (глинистых и песчаных грунтах, пресной и морской воде, льдах и т.д.) на значительных глубинах. Такими объектами являются: стрелковое, старинное огнестрельное и холодное оружие, невзорвавшиеся авиабомбы и артиллерийские снаряды, большинство инженерных противотанковых, противодесантных и противопехотных мин, стальные нефте- и газопроводы и т.д.). В то же время использование переносной аппаратуры на основе этого метода внутри или вблизи современных сооружений (зданий, мостов, аэродромных покрытий и т.д.) затруднено из-за мешающего влияния стальных элементов в их конструкциях (арматуры, балок, труб и т.д.). Иногда и в горной местности, богатой металлосодержащими рудами, использование магнитометров затруднено.

Стационарные и квазистационарные магнитные поля измеряют, как правило, с помощью следующих приборов:

• протонных магнитометров [1,2];
• датчиков Холла [2, 3];
• волоконно-оптических датчиков с лазерной накачкой [4];
• феррозондовых приборов [5].

В полевых условиях наиболее широко применяются феррозондовые приборы, характеризующиеся не только высокой чувствительностью и точностью, но и возможностью непосредственного измерения составляющих вектора магнитного поля (обеспечивая тем самым получение полной информации о структуре поля и его источниках), пригодностью для работы в очень слабых магнитных полях, в широком температурном диапазоне, высокой надежностью, долговечностью и низкой стоимостью. Собственные шумы новейших феррозондовых приборов находятся сейчас на очень низком уровне порядка 10^-12 Тл Гц^-0.5 , т.е. на два порядка ниже, чем было раньше (в 60…70-х гг.).

Используя два феррозонда, можно создать прибор для измерения разности индукций магнитного поля в двух точках пространства. При этом прибор называют магнитным градиентометром. Для градиентометра, имеющего, как правило, малую базу измерения, можно принять , где l — длина. Такой прибор фактически содержит два канала магнитометра, причем один из них используется для компенсации однородной части поля Земли в объеме двух феррозондов. Этот прибор целесообразно использовать для поиска локальных ферромагнитных объектов, расположенных в толще немагнитной среды (грунте, воде).

В первом приближении максимальную дальность обнаружения ферромагнитной сферы с использованием магнитного градиентометра можно оценить по формуле

, (2.8)

где  — чувствительность градиентометра по полю, Тл/м;

R_сф – радиус ферромагнитной сферы (объекта поиска);
m _о – магнитная проницаемость окружающей среды (грунта, воды);
Н_о – постоянное магнитное поле Земли.

Реальная чувствительность лучших современных портативных переносных магнитных градиентометров составляет 10^-7…10^-8 Тл/м.

На рис.1 изображены теоретические зависимости дальности обнаружения ферромагнитной сферы от ее радиуса — при различной чувствительности поискового прибора. Однако эти зависимости даже для сферы носят оценочный характер. На практике на дальность обнаружения влияют много дополнительных факторов, в том числе:

• собственная остаточная намагниченность ферромагнитного объекта поиска;
• взаимная ориентация в пространстве магнитного поля Земли и оси градиентометра;
• форма ферромагнитного объекта поиска и др.

Рис.1.

Теоретические зависимости предельной дальности обнаружения градиентометром ферромагнитной сферы (m _{сф> >} 1)  от ее радиуса:

• =10^-7 Тл/м;

1. =10^-8 Тл/м.

В качестве примера в табл. 1 приведены характерные дальности обнаружения различных боеприпасов в грунте переносным магнитометром Ferex 4021 (ФРГ). Этот прибор состоит на вооружении армий стран НАТО. Его основные ТТХ следующие:

• • глубина обнаружения тайников с оружием и боеприпасами:

— в грунте до 1,5…5,0
— в воде (с кабельным датчиком), м до 30

• ширина зоны обнаружения, м 1…2
• темп поиска, м²/ч 300
• время непрерывной работы с одним комплектом источника питания, ч 20
• масса в рабочем положении, кг 6

Стоимость прибора около 12000 DМ

Таблица 1.

Дальности обнаружения боеприпасов в грунте переносным магнитометром Ferex 4021.

К сожалению, при поиске крупных металлических объектов глубинного заложения сильное помеховое воздействие на магнитометр будут оказывать мелкие металлические предметы (гильзы, осколки снарядов и т.п.), расположенные в верхнем слое грунта. Однако опытный оператор сможет в значительной степени избавиться от этих помех. При этом используется тот факт, что сигналы от крупных объектов “растянуты” в пространстве, а помехи от мелких близкорасположенных предметов имеют вид характерных коротких пространственных всплесков”.

С 1996 года в ФРГ выпускается новый переносной магнитометр под названием FURSTER FEREX 4021. Поисковые характеристики у нового прибора остались те же. Но его масса уменьшена на 30%, а низкое потребление энергии позволяет на одном комплекте батарей работать вдвое больше [6].

Переносной магнитометр ОГФ (производство бывшей ГДР) состоит на вооружении Российской Армии (фото 1). Его основные поисковые характеристики на 15…20% хуже, чем у FEREX 4021. Стоимость прибора около 120000 руб. Прибор ан в основном на советской элементной базе. Масса ОГФ в рабочем положении – 9 кг.

Фото 1. Переносной магнитометр ОГФ

В последнее время появились отечественные разработки переносных магнитометров. Они изготовляются в основном для нужд коммунального хозяйства: поиска люков, колодцев, труб теплотрасс и т.д. Эти приборы имеют упрощенную конструкцию, небольшие размеры и массу. Глубина поиска у этих приборов примерно в 1,5…2 раза меньше, чем у FEREX 4021. Но стоимость их на порядок меньше. Типичным представителем таких приборов является малогабаритный магнитометр ФТ-100 (фото 2), выпускаемый одной из московских фирм. С некоторыми ограничениями эти приборы могут применяться для поиска тайников с оружием.

Ряд отечественных приборов находятся в стадии разработки. Их ТТХ будут не хуже, чем у FEREX 4021, но стоимость в 2…3 раза меньше.

Дальность обнаружения ферромагнитных объектов в пресной и морской воде такая же, как и в грунте, причем в последнем случае влажность грунта не влияет на дальность обнаружения. В тоже время при поиске в воде магнитометр должен быть установлен на немагнитном плавающем средстве (резиновой лодке, деревянном плоту и т.п.). Плавсредство не должно содержать ферромагнитных элементов (скоб, гвоздей, зажимов и т.п.) в своей конструкции.

Фото 2. Малогабаритный магнитометр ФТ-100

Индукционный метод обнаружения металлических объектов

Индукционный метод широко используется для обнаружения рукотворных объектов, выполненных из металла или имеющих отдельные металлические элементы в своей конструкции. Причем металл может быть как ферромагнитным, так и диамагнитным [7].

Индукционный метод обнаружения проводящих металлических тел основан на регистрации вторичных полей вихревых потоков, возникающих в этих телах под воздействием первичного низкочастотного магнитного поля. Первичное магнитное поле создается с помощью катушек, питаемых переменным током. Вихревые токи зависят от силы тока возбуждающей (генераторной) катушки, его частоты и конфигурации проводящего тела (объекта поиска). Диапазон рабочих частот лежит в пределах от десятков Гц до десятков кГц.

Величина вторичного магнитного поля обратно пропорциональна кубу расстояния между объектом поиска и точкой наблюдения (приемной катушкой). Так как величина первичного магнитного поля, в свою очередь, также обратно пропорциональна кубу расстояния от генераторной катушки, отсюда следует, что величина принимаемого сигнала обратно пропорциональна шестой степени расстояния между индукционной поисковой системой (ПС) и объектом поиска. Практически дальность действия переносных индукционных ПС соизмерима с размерами объектов поиска.

Прием слабых вторичных сигналов в индукционных ПС должен осуществляться на фоне мешающего воздействия весьма сильного первичного сигнала (так называемого сигнала прямого прохождения). Селекция полезного сигнала, фактически сводящаяся к компенсации первичного сигнала, может быть:

• электрической – за счет подведения ко входу приемника специального компенсирующего сигнала;
• временной при импульсном режиме работы путем периодического подключения приемной катушки ко входу приемника только во время отсутствия первичного поля;
• пространственной за счет оптимального расположения в пространстве генераторных и приемных катушек, обеспечивающих минимальную индуктивную связь между ними.

В состоящем на вооружении Российской Армии переносном индукционном металлобомбоискателе ИМБ используется импульсный режим работы (так называемый “метод переходных процессов”). Его основные ТТХ применительно к решаемой задаче следующие:

• глубина обнаружения тайников с оружием и боеприпасами в грунте, м до 3…5
• ширина зоны обнаружения, м 1…1,5
• темп поиска, м²/ч 250
• время непрерывной работы с одним комплектом источника питания, ч 8
• масса в рабочем положении, кг 19

Столь большая масса ИМБ объясняется повышенными энергозатратами метода переходных процессов.

Прибор ИМБ содержит две рамочные антенны, расположенные на концах разборной диэлектрической штанги, приемопередающий электронный блок и блок питания. Диаметр рамок 0,5м, плоскости их параллельны поверхности грунта. Опытный оператор сможет оценить размеры и глубину залегания металлического объекта поиска, используя информацию на светодиодном табло.

В большинстве зарубежных глубинных индукционных металлоискателях используется весьма экономичный гармонический метод. Применяется, как правило, пространственная и электрическая компенсация первичного сигнала. Основное назначение этих приборов – обнаружение труб и кабелей. Приборы включают в себя несущую штангу, с закрепленными на концах генераторной и приемной магнитными антеннами (рамочными или ферритовыми), а также электронный блок: ЕМ-15, ЕМ-16 (Канада), GEMINI-3 фирмы FISHER (США) и др. Стоимость приборов $800..2000. Глубина обнаружения тайников 0,8…1,5 м. Малая глубина поиска объясняется недостаточной компенсацией первичного сигнала, являющегося помехой в гармоническом методе.

Автором для увеличения глубины поиска предложена гармоническая индукционная поисковая система с компенсирующей излучающей антенной. Эта антенна располагается между приемной антенной и основной излучающей магнитной антенной. Введение дополнительной излучающей антенны позволило получить пространственную зону глубокого минимума первичного магнитного поля, имеющую форму магнитной ямы”, – в месте расположения приемной антенны. Это практически устранило помеховое воздействие первичного сигнала. Выявлены оптимальная геометрия всей поисковой системы и частотный диапазон, что позволило увеличить глубину обнаружения крупных металлических объектов (тайников с оружием, не взорвавшихся авиабомб и т.д.) в 1,9…2,3 раза при тех же габаритах и энергопотреблении. Макетный образец данного прибора позволял обнаруживать крупные металлические предметы в грунте на глубине до 3…5 м. Причем предметы были не только ферромагнитными, но и диамагнитными.

В перспективе для скрытой фиксации на местности обнаруженных тайников могут использоваться специальные малогабаритные переизлучающие индукционные маркеры, не содержащие источника питания.

Радиолокационное зондирование полупроводящих сред

Из всех известных методов обнаружения малоразмерных “рукотворных” объектов, в том числе и тайников, радиолокационный метод является одним из наиболее перспективных. Это объясняется прежде всего возможностью РЛС дистанционно обнаруживать и распознавать объекты независимо от метеоусловий и естественной освещенности Земли. Кроме того, СВЧ-зондирующие электромагнитные поля обладают проникающей способностью через укрывающие полупроводящие среды (грунт, растительность, снег, воду), под которыми могут находиться объекты поиска.

В настоящее время в России и за рубежом при разработке новых активных электромагнитных средств обнаружения малоразмерных объектов в полупроводящих средах используется в основном информационно-силовой” подход. Он заключается в применении сверхширокополосных зондирующих сигналов с большой базой с последующей статистической обработкой принимаемой информации на основе встроенной микроЭВМ [8,9]. Нелинейные свойства объектов поиска здесь не учитываются. Основными трудностями при практической реализации данного подхода является многообразие сильных помех от неоднородностей, а также сложность фокусировки широкополосных электромагнитных полей вблизи раздела “воздух — грунт”. Используется чаще всего радиоимпульсный и видеоимпульсный режимы работы. Первый проще в реализации, второй — более информативен (как более широкополосный). Однако серийная “подземная” радиолокационная аппаратура на свободном рынке, как у нас в стране, так и за рубежом, отсутствует. Практически с начала 70-х годов рядом зарубежных фирм (Calspan и др.) и отечественных организаций создаются только опытные образцы для использования в строительстве и гидрологии. Эти образцы изготовляются в переносном, возимом (на тележке) и воздушном (на вертолете) вариантах. Последний вариант используется для измерения толщины льда и обнаружения водоносных слоев в засушливых районах. Обнаруживать с вертолета подземные малоразмерные рукотворные объекты с использованием РЛС практически невозможно. Однако наземные радиолокационные установки способны это делать. С их помощью возможно обнаруживать в грунте тайники, инженерные мины, металлические и пластмассовые трубы, пустоты — на глубинах до нескольких метров с пространственным разрешением ± 0,3…0,5 м. Скорость поиска 0,5…1 км/ч, полоса обнаружения — 0,5…1 м. Характерные технические параметры опытных видеоимпульсных переносных РЛС:

• длительность зондирующих импульсов, нс 0,5…2
• частота следования импульсов, кГц десятки…сотни
• мощность в импульсе, Вт единицы…десятки
• чувствительность стробоскопического приемного устройства (со встроенным микропроцессором), мВ единицы
• масса, кг 15…60

Наиболее глубинной является РЛС с раздельными передающей и приемной антеннами. Для уменьшения мешающего сигнала прямого прохождения, а также сигнала “фоновой засветки”, отраженного от раздела “воздух — грунт”, целесообразно использовать антенны с различной поляризацией, а также разнос их в пространстве на расстояние не меньшее, чем размер апертуры. Кроме того, при относительно ровной поверхности раздела “воздух — грунт можно применять экранирующие “юбочки” из радиорассеивающей металлизированной ткани вокруг раскрыва каждой из антенн — по высоте непосредственно до поверхности грунта.

Стоимость опытных отечественных и зарубежных образцов “подземных” РЛС весьма высока – десятки тысяч долларов США. Уровень квалификации оператора должен быть высоким. Все это сужает сферу применения метода. Однако радиолокационный метод является перспективным и прежде всего из-за принципиальной возможности распознавания (формы, размеров, материала и др.) обнаруженных объектов.

Метод механического зондирования грунта

Данный метод может использоваться тогда, когда применение электромагнитных методов (магнитометрического, индукционного и радиолокационного) затруднено:

• вблизи линий электропередачи (особенно высоковольтных);
• при сильном засорении верхнего слоя грунта очень мелкими металлическими предметами;
• при сильных эфирных помехах (в грозу, вблизи работающих радиостанций и РЛС);
• вблизи крупных сооружений (зданий, мостов и др.).

Метод механического зондирования грунта реализуется с использованием щупов-зондов. Подобные щупы имеются в большинстве комплектов армейских миноискателей, как отечественных, так и зарубежных. Интересно, что в последнее время эти щупы стали делать из непроводящих материалов (стеклопластика и т.д.) в целях исключения подрыва сапера на мине-ловушке с электрическим контактным замыкателем.

На практике для поиска различных твердых предметов, а также и пустот в грунте можно использовать самодельный заточенный стальной щуп диаметром 8…12 мм и длиной 1…1,5 м. При этом поверхностный слой почвы не должен содержать скальных пород.

В инженерных войсках Российской Армии с 50-х годов используются бур сапера и глубинный щуп Владимирова. Подобные средства могут быть изготовлены самостоятельно в условиях механической мастерской.

Однако широкому использованию механического (зондового) метода препятствуют трудоемкость и низкий темп поиска, а также субъективность получаемых данных.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Эткин М.Д. Физика и археология./ Пер. с англ. М.: Изд-во иностранной литературы, 1963.
2. Физика и техника сильных магнитных полей. 2-е изд./ Сост. Смирнов С.А. и др. М.: Атомиздат, 1970.
3. Панчишин Ю.М., Усатенко С.Т. Измерение переменных магнитных полей. Киев: Техника, 1973.
4. Бусурин В.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики. М.: Энергоатомиздат, 1990.
5. Афанасьев Ю.В. Феррозондовые приборы. Л.: Энергоатомиздат, 1986.
6. Ein nenes Suchqerut fur ferromaqnetische Objekte. “Soldat und Technik”, № 7, 1996.
7. Бахмутский В., Зуенко Г. Индукционные трубокабелеискатели. М.: Радио и связь, 1973.
8. Радиолокационные методы исследования Земли./ Под ред. Мельника Ю.А. М.: Советское радио, 1980.
9. Хармут Х.Ф. Несинусоидальные волны в радиолокации и радиосвязи./ Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1985.