Método de detección magnetométrica de objetos explosivos.

Método de detección magnetométrica de objetos explosivos.

ZVEZHINSKY Stanislav Sigismundovich, Doctor en Ciencias Técnicas
PARFENTSEV Igor Valerievich, Candidato en Ciencias Técnicas

MÉTODO DE DETECCIÓN MAGNETOMÉTRICA DE OBJETOS EXPLOSIVOS

Fuente: Revista «Equipos especiales y comunicaciones»

El problema del desminado humanitario, así como la búsqueda de municiones sin detonar (MUSE), es actualmente muy apremiante. En el territorio de más de 70 países «problemáticos», se colocan entre 60 y 120 millones de minas (según diversas fuentes), sin mencionar la existencia de millones de proyectiles y bombas aéreas sin detonar, restos no sólo de la Segunda Guerra Mundial, sino también de También como “restos” de polígonos militares (solo en Estados Unidos hay más de 20). En el mundo, alrededor de 26 mil personas mueren cada año a causa de las minas; en países como Angola, en promedio, a uno de cada 334 le amputan un miembro; en Camboya, hay más de 25 mil personas discapacitadas; número de habitantes. Otros países problemáticos son Afganistán, Irak, Kuwait, India, Colombia, Líbano, Yemen, Mozambique, Chad, Nepal, Bosnia, etc. Más de 22 millones de personas en el mundo corren cada día el riesgo de sufrir minas, y se prevé una crisis asociada a este factor solo aumentará [1, 2]. Dos tercios de los países se han adherido a la Convención (que entró en vigor el 1 de marzo de 1999) sobre la prohibición de las minas antipersonal, las municiones explosivas más comunes. Pero Rusia, Estados Unidos, Israel y China, los mayores productores del mundo, no estaban entre ellos (a principios de 2005).

En el mundo, además de las unidades de las tropas de ingenieros militares, existen muchas organizaciones que resuelven problemas prácticos de búsqueda de materiales peligrosos y remoción de minas, entre ellas el lugar más importante lo ocupa el Centro Internacional de Desminado Humanitario de Ginebra. (GICID)[3]. Se celebran periódicamente conferencias y talleres científicos y prácticos internacionales (los más importantes son el Foro UXO, la Conferencia UNMAS, el Taller HDR de EE. UU., el Foro NDR, etc.), varios laboratorios científicos en universidades (Canadá), institutos de investigación aplicada (Alemania, Gran Bretaña). ) o laboratorios científicos militares (EE.UU.) realizan investigaciones para aumentar la eficiencia de la búsqueda. Sin embargo, debido a la compleja naturaleza y complejidad del problema, no existe una única forma óptima de detectar e identificar a los médicos de cabecera [2, 3].

Los métodos de búsqueda químicos (olfatos) y biológicos (perros, ratas e incluso insectos), aunque se utilizan, son resultados claramente subjetivos y, por tanto, poco fiables. Se utilizan principalmente métodos físicos para detectar OP: sondeo electromagnético activo de la capa de suelo cercana a la superficie con pulsos electromagnéticos y campos sinusoidales (detectores de metales de 2 a 50 kHz, radar de penetración terrestre de 100 a 900 MHz), ondas sísmicas y radiación de neutrones, registro de anomalías en la conductividad eléctrica y la densidad del suelo, mediciones de campos infrarrojos y gravitacionales, etc. [2 – 5]. Cada uno tiene sus propias ventajas y desventajas; es imposible seleccionar el óptimo, de lo contrario la industria lo produciría y los ingenieros solo lo usarían.

Los más utilizados son los detectores de metales activos o detectores de metales activos armónicos (FM — dominio de la frecuencia) o pulsados ​​(TD — dominio del tiempo), cuyo principio de funcionamiento se basa en registrar un campo electromagnético secundario inducido por corrientes de Foucault en un cuerpo metálico bajo la Influencia de un campo primario excitado [3, 5]. Actualmente, más de 30 empresas en el extranjero y en Rusia producen este tipo de dispositivos, las más famosas son CEIA (productos MIL-D1, MIL-D1/DS, Italia), Vallon ( VMC1, VMH2, VMH3, VMH3CS, VMM3, VMW1, Alemania), Ebinger (EBEX-420, EBEX-535, Alemania), Fisher (1235-X, 1266- XB, Alemania), Minelab Electrónica (FIA4, F3, F1A4, Australia), Shiebel Electrónica (AN-19/2, ATMID, MIMID, Austria), Geonics (EM61-Mk2, Canadá), Guartel (MD4 , MD8, MD2000, Reino Unido), Blancos (AF-108, DI-PRO-5900, MXT-300, DFX-300, Spectrum-XLT, EE. UU.), Garrett (GTAx-550, GTP-1350, GTI-2500, EE. UU.), «AKA-Control» («Pilgrim-7246», «Condor-7252», «Vector-7262», Rusia).

Entre los métodos para detectar VOP, un lugar importante lo ocupa la búsqueda de anomalías magnéticas (MAD — detección de anomalías magnéticas), que son creadas por las carcasas metálicas ferromagnéticas de la gran mayoría de VOP [2, 4, 6]. En este caso, los artefactos explosivos sin proyectiles o municiones especiales no se detectan, sin embargo, tienen la fuerza menos destructiva y también se detectan inestables mediante otros métodos. MAD es uno de los métodos de búsqueda «más profundos», que permite detectar explosivos de alta potencia (por ejemplo, grandes bombas aéreas, minas terrestres) a profundidades de hasta 8 m. Además, el método magnetométrico es pasivo, lo que garantiza que los altos. los explosivos no se ven debilitados al iniciar campos físicos durante el sondeo activo, lo cual a menudo es necesario.

En la literatura, el método de búsqueda de VOP basado en anomalías identificadas del campo magnético terrestre (EMF) se destaca como uno de los más prometedores [2, 7 – 9], las características alcanzables de los instrumentos de registro (magnetómetros y gradiómetros) son se fundamentan y se muestran las limitaciones. Este trabajo desarrolla algunas disposiciones del método magnetométrico para la búsqueda de VOP.

El método se implementa utilizando gradiómetros «vectoriales» pasivos, que eliminan al máximo el efecto de un EMF constante (principal), que tiene un gradiente espacial insignificante. Dichos dispositivos utilizan 2 sensores idénticos: fluxgate [10], espaciados a lo largo del eje de sensibilidad (AS) entre 25 y 170 cm y registran anomalías magnéticas con un gran gradiente, posiblemente asociadas con VOP [6, 9]. Los dispositivos de búsqueda no gradientiométricos, generalmente basados ​​en magnetómetros cuánticos con bombeo óptico de vapor de cesio o potasio (Geometrix G-858, EE. UU.; Scintrex NAVIMAG, Reino Unido), se utilizan principalmente para mapear el campo magnético en el suelo. Después de esto, es posible buscar médicos de cabecera utilizando un mapa de anomalías magnéticas, es difícil “sobre la marcha”. Además, los dispositivos ópticos cuánticos pertenecen más bien a la clase científica e, incluso en comparación con los costosos gradiómetros fluxgate, tienen un coste mayor (alrededor de 20 mil dólares) y requieren un manejo más cuidadoso y competente que el prescrito para los dispositivos de búsqueda convencionales.

Hay aproximadamente 3 veces menos fabricantes de medios magnetométricos para la búsqueda de médicos de cabecera en el mundo que fabricantes de detectores de metales, y en Rusia sólo hay uno: el Instituto de Investigación «Proyecto», Tomsk (producto «MBI-P» ). En el extranjero, este es, en primer lugar, el Instituto Dr.Forster o Foerster (FEREX 4.032, Alemania), Ebinger (MAGNEX 120LW, Alemania), Vallon ( EL1302D2, Alemania), Schontedt Instrumento (GA-72 Cd, GA-52Cx, GA-92XT, EE. UU.), CST (Magna-Trak, EE. UU.), Geoscan Research (FM-256, Reino Unido), Bartington Instrumentos (Grad601, Reino Unido). La creciente prevalencia de detectores de metales se debe a tres razones principales:

1. costo significativamente menor;
2. la capacidad de detectar cualquier metal;
3. área de aplicación ampliada: búsqueda de tesoros, tuberías y cables en la capa de cobertura, arqueología.

Los artículos e informes científicos disponibles señalan que el mejor rendimiento en la detección de VOP lo proporcionan los dispositivos que combinan principios de detección magnetométricos pasivos y electromagnéticos activos, por ejemplo, ERDC EM61HH & G-822, SAIC STOLS/VSEMS (basado en bicicletas), SAIC MSEMS [11 – 13]. Estos sistemas, que detectan cualquier tipo de metal, suelen estar diseñados como una serie de sensores. Están diseñados sobre la base de una bicicleta o un automóvil, son muy caros y se fabrican en unidades de una sola pieza. EnTabla. La Tabla 1muestra las características comparativas de los magnetómetros pasivos y los detectores de metales activos, analizadas sobre la base de una serie de trabajos [1, 2, 4, 7, 11 – 14] y obtenidas a través de evaluaciones de expertos.

Tabla 1 Características comparativas de gradiómetros pasivos y detectores de metales activos para la búsqueda de objetos explosivos

Por lo tanto, las ventajas de los gradiómetros pasivos sobre los detectores de metales son:

1. la profundidad máxima de búsqueda de OP en carcasas de acero (ferromagnéticas) es en promedio 2 veces mayor (en comparación con los detectores de metales);
2. independencia de operación de la conductividad del suelo, las condiciones climáticas y la disponibilidad de agua;
3. alta precisión de localización del objetivo y potencial para una predicción confiable de la profundidad, el tipo y la orientación del OP en el espacio;
4. la capacidad de combinarse en un sistema multisensor (portátil o con ruedas), proporcionando la mayor velocidad de búsqueda posible «en movimiento».

Para un detector de metales activo, no es tanto Lo importante es la masa de un VOP en particular, sino más bien el área de superficie asociada con su diámetro d. En este caso, como muestra la práctica, para estimar la profundidad máxima hMAX Detección de explosivos potentes utilizando un detector de metales activo «bueno» en condiciones de suelo seco (conductividad 104 — 105 ohmios × m), la fórmula de ingeniería es aceptable [11]:

h 1MAX ≈ 11d, (1)

donde d es el diámetro (tamaño mínimo) del VOP.

Las cualidades útiles del VOP como objeto de La detección magnetométrica pasiva está determinada por: 1) principalmente la masa m (volumen V) capa protectora ferromagnética, que, por regla general, no es menor que la masa del explosivo; 2) en menor medida, la forma de un objeto, caracterizada por la relación entre el tamaño geométrico máximo y el mínimo o la relación entre la longitud y el diámetro; 3) la permeabilidad magnética del ferroimán μ es la mínima.

En este caso, la profundidad máxima de búsqueda es hMAX está relacionado con la sensibilidad alcanzable del gradiómetro dB/dr, así como con la forma y masa de la capa ferromagnética por una dependencia compleja. Se simplifica si aceptamos que: 1) la forma del VOP “magnético blando” es una esfera; 2) permeabilidad magnética μ≥ 100 (típico); 3) la ubicación del OC del gradiómetro y el momento magnético M de la bola adquirido en un campo magnético constante con inducción BT es el mejor, coaxial; 4) el ruido magnético y las interferencias son mucho menores que la sensibilidad del gradiómetro. Esta fórmula se da en [8], teniendo en cuenta otras variables se reduce a la forma:

, (2)

donde [dB /dr] = nT/m — sensibilidad alcanzable, [VT] = nT.

En el territorio de la Federación Rusa, la inclinación magnética varía desde casi 90° (en latitudes altas, más allá del Círculo Polar Ártico) hasta 57° (Vladivostok). El valor de ВТen latitudes centrales de Rusia (San Petersburgo — Astracán) se puede estimar basándose en datos conocidos [21]: В T≈ (5,4 ± 0,4)×104 nT. Al mismo tiempo, el componente vertical BВ de la principal reserva de petróleo en el territorio de la Federación de Rusia es en promedio 2,8 veces mayor que la componente horizontal B i>G y es dominante, en promedio podemos suponer: BG  ≈ 18 µT; BB ≈ 50 µT.

Los mejores productos: los gradiómetros (tipo FEREX 4.032, VALLON EL1302 D2) se caracterizan por su propio ruido a un nivel de ~ 0,3 nT, que sobre la base de 0,5 — 0,65 m da una estimación del umbral de sensibilidad de ~ 0,5 nT/m [16, 17]. Sin embargo, tal sensibilidad no se puede lograr en condiciones reales: interfieren el ruido del campo magnético y la «no idealidad» del gradiómetro, los errores de desalineación (transductores magnetométricos) y la desigualdad de los coeficientes de conversión. Como se muestra en [6, 8, 18, 20, 22], para un entorno típico (ruido equivalente no superior a 2 — 3 nT), es posible implementar el umbral de detección (dB/dr)MIN = 10 nT/m.

Entonces, al sustituir BTy (dB/dr)MIN en (2) obtenemos una estimación de la profundidad máxima de detección de médicos de cabecera por el gradiómetro:

h ≈ 8·d3/4 . ( 3)

Al equiparar (1) y (3), podemos concluir que para VOP reales con un diámetro inferior a 30 cm, el uso de un gradiómetro da mejores resultados. En condiciones de suelo húmedo (conductividad 102 — 103 Ohm×m), en presencia de magnetización y «alargamiento» constantes del objeto real, casi siempre se garantiza un gran rango de detección máximo para el gradiómetro.

Un análisis comparativo experimental de la capacidad de detección de detectores de metales y gradiómetros confirma (3) y muestra que para VOP «pequeños» y «medianos» (calibre de 20 a 81 mm) a profundidades de búsqueda de hasta 0,5 m (y suelos típicos) los primeros son mejores [11, 23]. En la gama de calibres VOP de 100 a 155 mm, se comparan las características y el gradiómetro tiene ventaja. Sin embargo, si las dimensiones de la antena emisora/receptora del detector de metales son relativamente grandes (Vallon VMH 3CS, diámetro ~1 m), entonces la probabilidad de detectar VOP mediante el detector de metales a profundidades de hasta 1,5 m es incluso ligeramente mayor. que el del pasivo FEREX 4.032 [121]. Por lo tanto, los detectores de metales tienen una mayor capacidad de detección de explosivos potentes en aquellas profundidades relativamente poco profundas (hasta 1 m) donde operan de manera estable.

En Tabla. La Figura 2 presenta las características de peso y tamaño de los GPW de producción nacional y la profundidad máxima de penetración al impactar con suelos como los francos. Cuando se instala una mina o una mina terrestre a una profundidad de más de 1 m, su efecto se debilita drásticamente. EnTabla. La Tabla 3presenta las características de los objetos explosivos típicos de la OTAN según datos de [11, 15].

Tabla 2. Peso y características dimensionales de los objetos explosivos

B1= 100·M·(3(m ·r1)r1 — soy)·1/R13, B2 = 100·M·(3(m· r2)r2 − m)·1/R23 , (6)

donde m es el vector unitario del momento magnético; r1, r2 − radio- vector desde el punto de ubicación del dipolo − VOP hasta la posición actual de MP1 y MP2, respectivamente.

La expresión (6) se expande a lo largo de las coordenadas X, Y, Z (arroz. 1) dependiendo del componente del campo magnético medido. Al medir componentes Z −, la señal de salida del gradiómetro es: BG = BZ 1— BZ2. En igualdad de condiciones, el máximo está garantizado si las direcciones de los vectores m, r1, r2 − colineal, el gradiómetro está ubicado directamente encima del VOP, ubicado en una distancia h (Fig. 1). En este caso, la magnitud de la señal:

VG = 200·M·/h 3 −200·M·/(h+ a)3 = 200·M·a·(3h2 + 3ha+ a2) /h3(h + a)3. (7)

Para h ≥ 3a la expresión (7) se simplifica: BG≈ 600·M×a ×/h4.

Si asumimos que B0 [nT] – sensibilidad del gradiómetro, se obtiene una estimación de la profundidad máxima h0La detección de un VOP con un momento magnético M es esencialmente similar a (3), pero refleja las propiedades magnéticas en lugar de las de masa y tamaño del VOP:

h 04 ≈ 600M/(B 0/а). (8)

Dependencias h0 (M,B0,а) − son muy “suaves”, entonces el cambio en la profundidad máxima de detección h0al cambiar (dentro de ciertos límites) los principales parámetros del gradiómetro o modelo, los VOP no son tan obvios. La diferencia de sensibilidad B0 de un dispositivo “bueno” y “satisfactorio” puede ser de más de 20 dB (por ejemplo, FEREX 4.032 y Schontedt GA-92XT, respectivamente) , la diferencia de precio es aproximadamente la misma (10 veces). La diferencia en su capacidad de detección es de sólo 20 lg = 5 dB.

La capa ferromagnética, un elipsoide hueco, adquiere un momento magnético inducido M, dirigido en el caso general hacia el vector BT inducción del campo magnético, desviándose en un ángulo φ, cuyo valor máximo depende de la forma (la relación entre longitud y diámetro) y la orientación del vector BT en relación con el Eje mayor de simetría del VOP. Para una bola φ = 0, para elipsoides prolatos φ es finito. Por primera vez en el Foro sobre UXO de 1996 [19], se afirmó y confirmó en otros trabajos [18, 24] que la dirección de la magnetización inducida (momento magnético) de los VOP de artillería y aviación se encuentra en el ángulo sólido con respecto a el vector MF:

φ ≤ 60°. (9)

Si la desviación del vector M medido por el gradiómetro excede el valor especificado (la contribución de la magnetización residual es grande), entonces hay un argumento para considerar la objeto detectado como una mina potencial o un objetivo señuelo. Si el ángulo φ está dentro de los límites de (11) (la magnetización residual es insignificante), entonces puede ser un proyectil o una bomba aérea que ha experimentado una desmagnetización por impacto.

Al mapear un área, obtener información sobre la dirección del vector MA los médicos de cabecera les resulta difícil utilizar un solo gradiómetro. En este caso, el perfil de magnitud se toma a lo largo de la dirección principal del movimiento (condicionalmente OX), obteniendo valores de inducción en los puntos de medición generalmente después de 20 a 50 cm. La siguiente trayectoria, generalmente a 1 m de distancia, está mal «conectada» con. el anterior, por lo tanto, la precisión de interpolación del mapa de anomalías magnéticas es relativa a pequeñas Para aumentar la precisión, las señales se registran simultáneamente desde varios (al menos 3) gradiómetros, fijados «rígidamente» entre sí y ubicados cerca a una cierta distancia entre sí (generalmente 0,5 m) perpendicular a la línea de movimiento del operador. Una ventaja adicional es el aumento del ancho de la «cobertura» de la zona en la dirección del movimiento a 2 — 2,5 m, lo que conduce a una reducción proporcional del tiempo de búsqueda. En el caso de un solo gradiómetro, el ancho suele ser ±(0,25 − 0,5) m, dependiendo de la sensibilidad del instrumento B0 y del M previsto. y h.

En [6] se afirma que la profundidad h del VOP se puede determinar aproximadamente por el ancho del envolvente de señal útil en el nivel 0, 5 del máximo alcanzado en el punto de mejor ubicación (más cercana aproximación) del gradiómetro. El tipo de envolvente de la señal útil y el ancho de la zona de sensibilidad (a lo largo del eje OY) del gradiómetro para la dirección vertical del vector M (a lo largo del eje OZ) requieren aclaración (Figura 2).

Fig. 2. Para evaluar la zona de sensibilidad del gradiómetro

En Y = 0la señal de salida es máxima y se describe en (7). Sea Y = L, entonces señal útil BG(L,h) = BZ1 − BZ2, donde las expresiones para los componentes de inducción del campo magnético en Las ubicaciones de los puntos de MP1 y MP2 se ven así:

, . (10)

Si h ≥ 3a, es decir, cuando el VOP es suficientemente profundo, se permite la aproximación y la expresión de la señal útil ВГ(L ) tiene la forma:

, (11)

que para L = 0 es equivalente a (8). Cuando

L0 = 0,82h (12 )

la función (11) va a cero y luego cambia de signo. Si la dirección del vector Мcerca de la vertical (solo se registra un máximo del VOP), determinando la distancia L0 desde el punto máximo hasta el signo del lugar del cambio da, según (12), la profundidad estimada del VOP. Conocer h y la magnitud de la señal registrada ВГ nos permite estimar la magnitud del momento magnético y, por tanto, su supuesto tipo, − cuanto mayor es el momento magnético, mayor es la masa ferromagnética en general.

Ancho L0,5La zona de sensibilidad del gradiómetro, en la que la señal útil disminuye -6 dB con respecto al máximo, es:

L0,5 = 0 ,72h, (13)

que es ligeramente menor que lo que se muestra en [6]. En este caso, el ángulo 2ψ(Fig. 2), en el que es posible detectar un VOP por su anomalía magnética, siempre que se garantice la sensibilidad especificada, es de aproximadamente 40°.

Como muestra el análisis de los resultados del modelado [15, 1 − 20], si el mapa de anomalías magnéticas del área es preciso, es posible evaluar no solo la profundidad del VOP y su tipo, sino también la naturaleza de la orientación del objeto en el suelo. El momento magnético “ideal” M, que caracteriza a un objeto, se aplica en un punto, no tiene polos − parecen estar fusionados. Los objetos reales, incluidos los médicos de cabecera, tienen polos: positivo, por donde salen las líneas de campo, y negativo, por donde entran las líneas de campo, aquí la concentración de líneas de campo es máxima [6, 21, 25]. En consecuencia, cerca de estos puntos la anomalía magnética alcanza máximos (con signos diferentes), y si son iguales, entonces el objeto está horizontal. Si solo se detecta un polo en el mapa de anomalías, esto significa que el VOP está ubicado verticalmente y el segundo polo (invisible) está ubicado debajo del primero.

Cuanto más largo es el objeto, más se diferencia de la pelota y mayor es la divergencia de los polos. Como regla general, los polos se ubican en los bordes extremos del tamaño máximo del objeto debido a la anisotropía de la forma [10, 25]. Determinar la ubicación de los polos de un objeto permite aclarar su orientación en el suelo y, por tanto, hacer que el proceso de desminado sea más controlable. En [15] se encontró que el modelo de mejor ajuste de un VOP es el de un esferoide alargado con una relación entre el tamaño máximo y el diámetro igual a 3,5. Basado en este y otros trabajos enTabla. 4muestra datos sobre los momentos magnéticos de algunos VOP, debido a la magnetización inducida (Mind) y la magnetización residual (M<). i>res.).

Tabla 4. Momentos magnéticos de municiones sin detonar

Elaborar un mapa de anomalías magnéticas mediante un gradiómetro, o mejor aún, mediante un sistema multisensor, permite estimar la profundidad, tamaño (tamaño) y orientación de un posible potencial explosivo en el suelo y, por tanto, facilitar el proceso de posterior remoción de minas. Sin embargo, sólo el desminado humanitario ofrece tales oportunidades. En combate o en condiciones similares, con la tarea de detectar potenciales explosivos “sobre la marcha”, elaborar un mapa de anomalías magnéticas es extremadamente difícil. Sin embargo, aumentar el número de gradiómetros que participan simultáneamente en la búsqueda (en realidad, hasta 3 — 4) permite no sólo aumentar proporcionalmente el ancho de la zona de sensibilidad hasta 2 — 3 m, sino también identificar con mayor precisión la ubicación de la posible ubicación del objeto.

La trama del área de búsqueda del gradiómetro es en promedio de unos 40°. Encontrar lugares donde la inducción magnética disminuye a cero o -6 dB permite estimar la profundidad del supuesto VOP incluso «sobre la marcha». A continuación, es posible evaluar el momento magnético y, gracias a ello, determinar el tipo (calibre) de un objeto explosivo. Si los objetos sospechosos de ser explosivos son proyectiles o bombas aéreas, encontrar el ángulo de desviación del vector del momento magnético de la dirección del campo magnético dentro de (9) puede proporcionar información adicional sobre los objetos.

Otras innovaciones útiles en el método de búsqueda magnetométrica de VOP son el análisis de ondas del mapa de anomalías magnéticas, la exclusión de todas las anomalías con un momento inferior a 0,05 Am2, la búsqueda de los momentos magnéticos octopolares de supuestos VOP y otras descritas en la literatura especializada. Incrementar el contenido informativo del proceso de detección magnetométrica y combinada de VOP es la principal línea de desarrollo de esta área de equipos especiales.

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