Medios de detección magnetométrica enmascarada perimetralmente.

En cualquier MSO, se pueden distinguir cuatro unidades funcionales conectadas secuencialmente:

• SE — convertidor magnetométrico distribuido de inducción magnética en una señal eléctrica de tipo diferencial;
• filtro amplificador (UV);
• convertidor analógico a digital (ADC) o su analógico más simple: dispositivo de umbral (TD);
• una unidad de procesamiento de señales (SPU) que, de acuerdo con un algoritmo de procesamiento determinado, emite (o no emite) una señal de detección.

La conexión en serie de un elemento sensor, un amplificador de filtro y un dispositivo de umbral se denomina detector magnetométrico (MO), que es el medio de detección magnetométrico más simple y que (en igualdad de condiciones) tiene la mayor detectabilidad y una mínima inmunidad al ruido. Un conjunto de varios MO conectados a una unidad de procesamiento de señales forma, de hecho, un MSO real.

Los métodos para construir herramientas de detección magnetométrica se dividen en métodos para construir MO y BOS.

Los primeros se dividen en cuanto a los métodos de construcción:

• ZO;
• SE;
• ruta para la discriminación primaria de señales útiles e interferencias.

Estos últimos se dividen en métodos para aumentar la inmunidad al ruido y el contenido de información de las señales.

El trazado SE a lo largo de la línea de seguridad debe ser lo más preciso posible (según el ancho y largo de las secciones adyacentes espalda con espalda) para garantizar el máximo coeficiente de supresión de interferencias magnéticas remotas.

La detección de doble límite permite aumentar significativamente la inmunidad al ruido del MSO, basándose en la correlación temporal de las interferencias, que afectan simultáneamente y con aproximadamente la misma intensidad a ambos detectores magnetométricos, ubicados profundamente en el límite, mientras que el impacto del intruso sobre ellos es secuencial en el tiempo. En comparación con los detectores de un solo terminal (con la misma capacidad de detección), se logra una ganancia varias veces mayor en inmunidad al ruido. Desventajas de esta solución: doble aumento de peso, tamaño y coste, pérdida de tácticas de aplicación (ampliación de la zona de detección).

La construcción de doble flanco de un MSO perimetral permite aumentar la inmunidad al ruido. a la interferencia electromagnética pulsada de 3 a 5 veces.

El principio se basa en el hecho de que la probabilidad de que dos intrusos crucen simultáneamente, dentro del intervalo de incertidumbre, los dos flancos de una frontera oculta es insignificante. La interferencia magnética actúa en ambos flancos simultáneamente, y el intervalo de incertidumbre sirve para eliminar los efectos asociados con la no identidad del MO y el gradiente espacial de la interferencia.

La desventaja de esta solución, en comparación con una solución de un solo flanco, es el aumento de peso y tamaño, consumo de energía y coste.

Sin embargo, si se imponen restricciones en la longitud de la zona de detección (relacionadas, por ejemplo, con el nivel de ruido magnético), lo óptimo es dividirla en dos flancos.

Hay tres métodos de discriminación primaria de señales e interferencias que permiten implementar sus características distintivas:

• sensor de interferencias separado (a nivel SE);
• filtrado óptimo de señales útiles en el contexto de interferencias y viceversa;
• selección del umbral de detección óptimo P0.

La introducción de un sensor de interferencia separado (distribuido a lo largo de la zona tiene una ventaja sobre uno concentrado) es extremadamente importante en los MSO perimetrales y permite aumentar su inmunidad al ruido en más de 10 veces. También se puede utilizar un sensor de interferencias para monitorear de forma remota el rendimiento del MSO.

La elección del umbral de detección óptimo P0 es lo más importante.

Para una inducción distribuida SE hay tres factores limitantes que operan constantemente:

• ruido magnético del campo magnético de la Tierra;
• ruido térmico del SE;
• propio ruido del amplificador-filtro.

Su influencia combinada, como muestran los estudios, limita el umbral de detección máximo alcanzable (con una longitud de zona de detección de hasta 500 m) a P0 = 1,5. ..2,0 nV/vit. Si el MSO está ubicado cerca de fuentes de ruido industrial potente, por ejemplo en una ciudad, se debe aumentar P0: su valor debe exceder el nivel máximo de ruido total al menos 2,5 veces.

Los métodos para aumentar la inmunidad al ruido de MSO se dividen en procesamiento de señales mediante:

• discriminación basada en características de amplitud-tiempo;
• acumulación;
• Procesamiento de correlación con varios MO.

Básicamente, tienen como objetivo identificar y consolidar en el algoritmo BFB un conjunto de características para distinguir entre señales útiles e interferencias, como la duración, la pausa entre señales (entre pulsos), la polaridad de los extremos, su alternancia, etc. Analógico ( integración) o acumulación digital (conteo de impulsos) de señales es un criterio de discriminación eficaz basado en el hecho de que, por regla general, la duración y magnitud de la PS es mayor que la de la interferencia.

El procesamiento de correlación de PS e interferencia implica su análisis mediante:

• magnitud;
• coincidencia del tiempo de aparición;
• secuencias de pulsos en las salidas del MO correspondiente.

Los métodos se reducen a identificar una situación de interferencia cuando se genera una prohibición de la señal de detección. A medida que aumenta el tiempo de prohibición, aumenta la inmunidad al ruido, pero aumenta la probabilidad de no detectar a un intruso, cuya aparición en la zona de seguridad puede coincidir con el efecto de la interferencia.

Métodos para aumentar el contenido de información del Los PS se basan en modelos matemáticos del proceso de detección magnetométrica y son una especie de desarrolladores de «know-how».

Hay tres tipos de construcción de MCO: de una sola línea, de dos líneas y de tres líneas. dependiendo del número de cables a lo largo de la línea de seguridad, formando un SE de inducción [2].

En dispositivos de una sola línea, el SE forma un conductor enrollado seccionalmente alrededor de un núcleo de aleación permanente (~ 8 mm de diámetro), con un cambio en la dirección de devanado a través de la base A = 1,8…3 m de modo que el número de secciones con la misma dirección es igual (Fig. 1).

Un SE de dos líneas está formado por un cable que, en su trayectoria de propagación a lo largo de la zona de detección (longitud L0) a lo largo de la distancia A, zanjas paralelas se “cruzan” de una a otra, formando un número par de “circuitos abiertos” por pares. ” iguales en área, conectados contraconectados (Fig. 2).

Un SE de tres líneas se forma utilizando cajas de conmutación mediante tres cables paralelos que corren a la misma distancia A entre sí a lo largo del límite; La bobina SE cubre dos circuitos de inducción abiertos, uno al lado del otro, a una distancia A.

Cuando se fabrican, los SE de una sola línea proporcionan un coeficiente de supresión máximo para interferencias electromagnéticas «lejanas» Kp = 50…60 dB. El costo de SE es relativamente alto (debido al uso de aleación permanente u otro relleno magnético con m alto), la tecnología de fabricación es bastante única, la longitud L0 no excede los 100…150 m.

Todo ello determinó su uso limitado, a pesar de las ventajas tácticas y técnicas. El prototipo creado y probado a finales de los años 80 y 90 («Daedalus») confirmó las altas características de rendimiento del MSO monolínea declarado en el extranjero. Actualmente, la tecnología nacional para fabricar un SE de este tipo se ha perdido.

En los SE de dos líneas, el coeficiente de supresión alcanza los 35…40 dB, lo que está garantizado por la precisión de la instalación en el suelo. La anchura del bucle SE (1,2…2,4 m) se optimiza en función del modelo del intruso. El tamaño de la base A = 2…50 m, que puede variar a lo largo de la zona (hasta 500…700 m de longitud), depende de la situación electromagnética y de las curvas del recorrido.

Este tipo es el más común a pesar de que sus principales desventajas son:

• requisitos bastante estrictos para la calidad de la instalación (las secciones adyacentes del “bucle deben ser simétricas);
• una ligera disminución en el valor de P0 y una mayor sensibilidad sísmica del MSO en la mira;
• la imposibilidad de organizar un sensor de interferencias (bucle abierto) en un solo diseño con el SE.

En SE de tres conductores (ancho, base de bucle A = 1…1,2 m), a pesar del número máximo de cables y de la menor longitud alcanzable de la zona de protección (no más de 300 m), debido a la base más pequeña, la El coeficiente de supresión de interferencias «lejanas» alcanza 45…50 dB. En este caso, se requieren cajas de conexiones finales, con la ayuda de las cuales se forman una estructura diferencial del SE y un circuito abierto de un sensor de interferencia distribuido en una sola estructura de cable.

Un cable blindado utilizado para Los SE de dos y tres líneas (solo estos se consideran a continuación) (para evitar interferencias electrostáticas) pueden ser de un solo núcleo o de varios núcleos, y con un aumento en el número de vueltas W, la capacidad de detección del MSO generalmente aumenta y se reducen los requisitos (de ruido) para el filtro amplificador.

Al mismo tiempo, la confiabilidad del SE disminuye, su propio ruido aumenta, el diseño se vuelve más complicado (debido a la aparición de unidades de soldadura), por lo que la elección del tipo de cable parece una alternativa.

Fig. 1. Dispositivo de detección magnetométrico de una sola línea (un solo flanco)
Fig. 2a. MSO de doble línea (flanco único)
Fig. 2b. MSO de doble línea (doble flanco)

Objetos de detección

Una característica que refleja adecuadamente las propiedades magnéticas útiles de un intruso a distancias que exceden las dimensiones lineales de su volumen magnetizado inherente es el momento magnético dipolar M, cuyo valor está directamente correlacionado con la masa del elemento ferromagnético. materiales [5]. La capacidad de clasificar a los intrusos según el valor de M refleja en cierta medida su amenaza potencial para el objeto protegido.

La Tabla 2 muestra los valores promedio del momento magnético M para varios tipos de intrusos.

La distribución de momentos para tipos similares de intrusos (el rango real es de aproximadamente 20 dB) está sujeta a una relación compleja que puede extrapolarse mediante la ley de Rayleigh.

Tabla 2 Valores medios de momentos magnéticos para intrusos

Un intruso con un momento magnético M, que se mueve sobre el plano de un SE de dos o tres lineales con una velocidad V0 y una altura de trayectoria h0, de acuerdo con la ley de la inducción electromagnética, genera un útil señal, cuyo valor medio (si se cumple la condición A і h0) ) se puede estimar mediante la fórmula:(1 )

Al sustituir en (1) los valores típicos del modelo de un intruso desarmado y sin equipaje (M1 = 0,045 Am2, V0 = 1,0 m/s, h0 = 1,5 m), obtenemos: 1/W @ 3 nV/vit; al mismo tiempo, para un intruso armado con una pistola o ametralladora, tenemos respectivamente 2/W @ 7 nV/vit ; 3/W a 30 nV/vit. Como se puede ver en (1) y de acuerdo con datos experimentales, la influencia de los clavos o soportes del arco en los zapatos humanos (M~ 0,003 Am2, h0 = 0,3 m) es comparable a la influencia de un cuchillo o herramientas.

Los desarrollos extranjeros de MSO, en comparación con los nacionales, se caracterizan por un enfoque más pragmático para evaluar el modelo magnético de una persona [2.7]:

• un intruso “magnéticamente puro” no es objeto de detección por parte de MSO, ya que no representa un peligro en las condiciones de uso del producto;
• un intruso desarmado que ingresa al AOR lleva botas «pesadas» y ropa para el frío, lleva una navaja plegable y cortadores de alambre, y otros artículos ferromagnéticos, es decir, tiene un par equivalente de al menos 0,1 Am2;
• El modelo de persona armada supone la presencia de armas de fuego, al menos un rifle automático, y la estimación estándar es el momento magnético M = 1,4 Am2 [8], que corresponde a un intruso con armas pequeñas reforzadas (lanzagranadas, ametralladora). , o tener munición completa, una estación de radio. Un intruso de este tipo, incluso a una velocidad mínima de ~ 0,5 m/s, genera señales útiles en el SE que superan los 40 nV/vit.

Interferencia

La Tabla 3 muestra fuentes importantes de interferencia electromagnética y sísmica industrial, estimaciones estadísticas promedio de su enfoque aceptable para MSO con una longitud de zona de detección L0 = 500 m, con un umbral de detección mínimo conocido P0 = 2,5 nV/vuelta (es decir, sensibilidad máxima) y la La eficiencia de la supresión de interferencias electromagnéticas es de ~ 40 dB, lo que se puede lograr en la práctica con una instalación de alta calidad del cable SE utilizando una cinta métrica.

Tabla 3. Significativos fuentes de interferencia industrial para MSO

El grado de influencia de la interferencia magnética en el MCO depende en:

• tipo de distribución espacial de la fuente (“homogénea”, “un solo cable” ~ 1/r, dos cables” ~ 1/r2, “dipolo” ~ 1/r3, donde r es la distancia a la fuente);
• desequilibrio e – la magnitud del área desequilibrada de elementos SE vecinos conectados diferencialmente;
• dimensiones del elemento sensible;
• potencia y orientación del fuente relativa al elemento sensible;
• espectro de interferencia relativo a la banda de frecuencias registradas de la subestación. Para garantizar la mayor inmunidad al ruido del MSO antes de la instalación, es posible buscar fuentes importantes de interferencias utilizando un escáner.

La influencia de las interferencias es proporcional al ancho del área sensible del SE, por lo tanto, en igualdad de condiciones, es necesario esforzarse por reducirlo al límite cuando el PS comience a disminuir.

Con un aumento en L0, la influencia de todas las interferencias también aumenta proporcionalmente y el ruido interno del MP aumenta ~ (L0)1/2, lo que permite predecir la inmunidad al ruido alcanzable del MSO con cualquier duración de detección. zona. La influencia de la interferencia «homogénea» (por ejemplo, una tormenta magnética) es proporcional a la precisión e/A con la que se instala el MP en el suelo, y no depende del número N de secciones ni de la longitud de la base A. .

La precisión realmente no cambia al aumentar L0 , por lo tanto, la influencia de otros tipos de interferencia en la práctica está determinada por el tamaño de la base A: con su disminución, la interferencia disminuye aproximadamente proporcionalmente hasta un cierto límite de Amin, que se define como:

(2)

donde k=1, 2, 3 corresponde a un solo cable”, “doble -cable” y apunte ” a la fuente de interferencia.

Una mayor disminución de A prácticamente no conduce a una disminución de la interferencia, por lo tanto, conociendo el tipo (k) y la distancia aproximada ri de todos los N significativos fuentes al SE, podemos calcular Ai según (2) y determinar minN{ Ai} , que será el valor óptimo.

Entre los factores perturbadores de origen natural destacan las tormentas. Los relámpagos que se producen durante una tormenta cercana (a una distancia de no más de 3…5 km) son fuentes de potentes campos electromagnéticos pulsados: atmosféricos, que son el factor principal, que opera constantemente (con un intervalo estacional) y que determina la inmunidad al ruido. de la MSO.

Los datos estadísticos permiten estimar el número de tormentas atmosféricas por año, por ejemplo, para Rusia central ~ 4400. Otro factor natural son las tormentas magnéticas asociadas con la actividad solar, sin embargo, con una instalación precisa, su influencia es significativamente menor (son «homogéneas» ”), además, su espectro se encuentra principalmente por debajo de la banda de frecuencia registrada.

Las raíces de los árboles grandes, las barreras, las estructuras de construcción inestables con vientos fuertes (más de 10-15 m/s), que se balancean, producen vibraciones de baja frecuencia en la capa superior del suelo, que son un obstáculo importante para los MSO enmascarados. La distancia desde el tronco del árbol, a la que la interferencia no excede el nivel de ruido de fluctuación del campo magnético terrestre, corresponde aproximadamente al radio promedio de la copa del árbol, que está asociado con la correlación entre el desarrollo del sistema radicular y la copa del árbol.

Existen formas conocidas de reducir el efecto de la interferencia sísmica-magnética:

• limitar el ámbito de aplicación mediante una posible eliminación de fuentes;
• reducir la longitud de la zona de detección: las dependencias de la magnitud de la interferencia magnética y sísmica tienen la forma ~ L0 y ~ T L0 respectivamente;
• preparación de ingeniería del área: cavar zanjas de hasta 50 cm de profundidad a lo largo de la zona (que luego se pueden llenar con tierra blanda, césped) para drenar el agua y atenuar las ondas sísmicas superficiales de poderosas fuentes de interferencia; compactar el suelo después de colocar el SE (incluso con la ayuda de vehículos), lo que también reduce la probabilidad de que aparezcan animales excavadores en el área de detección.

En el futuro esperamos continuar la conversación sobre los medios de detección magnetométrica para proteger perímetros y fronteras ampliadas y profundizar en los desarrollos prácticos del método de detección magnetométrica tanto en Rusia como en el extranjero.

Literatura

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