Антенно-контактный метод обнаружения локальных объектов в укрывающих средах.

Антенно-контактный метод обнаружения локальных объектов в укрывающих средах.

Предлагается новый метод обнаружения локальных объектов в полупроводящей среде.

Суть метода заключается в использовании объекта поиска в качестве передающей антенны.

Метод позволяет при однократном контакте с объектом поиска определять его геометрические размеры и электрические свойства, что значительно повышает объективность получаемой информации и скорость поиска.

В последние годы проблема поиска рукотворных малоразмерных объектов в укрывающих средах привлекает внимание все большего круга специалистов различных областей деятельности: археология, строительство, гуманитарное разминирование и т.д.

Известно, что наибольшую объективность информации обеспечивает комплексное применения контактных и неконтактных методов поиска.

Метод механического зондирования грунта известен человеку издревле [1, 2] и реализуется с использованием щупов-зондов.

В настоящее время подобные щупы имеются в комплектах многих металлоискателей.

Они обеспечивают различную глубину зондирования укрывающей среды.

Так, глубинный щуп Владимирова предназначен для прощупывания естественных грунтов на глубине до 2 метров, а разрыхленных более 3,5 метров.

Бур сапера позволят зондировать на глубине до 10 метров. Недостатком данного метода является отсутствие возможности распознавания выявленной контактным методом неоднородности и, как следствие, низкая скорость поиска.

Контактные электрические методы обнаружения объектов в грунте широко используются в электроразведке полезных ископаемых с начала ХХ века [3, 4].

Сущность этих методов (сопротивлений, заряженного тела и др.) заключается в фиксации искажений внешнего электрического или магнитного полей, возникающих при обтекании током объекта поиска, находящегося в грунте.

При простоте и относительной дешевизне технической реализации данного метода, он весьма трудоемок. Кроме того, неоднозначность интерпретации результатов измерений значительно затрудняет распознавание объекта поиска.

Представленный в данной статье принципиально новый, антенно-контактный метод обнаружения локальных объектов в укрывающих средах позволяет при однократном контакте с объектом поиска определять его геометрические размеры и электрические свойства, что значительно повышает объективность получаемой информации и скорость поиска.

Он в определенной степени сочетает в себе возможности контактных и неконтактных методов.

Физическая основа метода заключается в использовании объекта поиска, на период контакта, в качестве передающей антенны (рис. 1).

Сигнал на объект поиска поступает с передающего генератора через подключенный к его выходу наконечник.

Наконечник электрически изолирован и экранирован от остальной конструкции, располагается на конце щупа и выполняет роль контакта между передающим генератором и объектом поиска, находящемся в грунте.

Сигнал от объекта поиска поступает через приемную антенну и приемник на индикаторное устройство.

Передающий генератор, приемная антенна, приемник и индикаторное устройство могут конструктивно располагаться в одном корпусе.

Одними из важных характеристик метода являются способность определять геометрические размеры объекта поиска.

Рис. 1. Поиск объектов в укрывающих средах антенно-контактным методом

Задача сложна для точного теоретического расчета, т.к. рассматривается прохождение электромагнитной волны в ближней зоне в двух средах: укрывающей, как правило, полупроводящей, и среде, в которой проводятся измерения, в большинстве случаев диэлектрической.

Рассмотрим решение данной задачи для частного случая нахождения объекта поиска в проводящей среде, а поисковой аппаратуры в диэлектрической. Объект поиска аппроксимируется проводящим шаром. Поисковая аппаратура находится прямо над объектом поиска.

Объект поиска, подключенный к передающему генератору, может быть представлен в виде элементарного излучателя Герца электрического типа. Как известно [5 – 8], электрический вибратор, обтекаемый гармоническим током, возбуждает в окружающем пространстве квазисферическое электромагнитное поле. Комплексные амплитуды составляющих поля объекта поиска, находящегося в полупроводящей укрывающей среде, в сферической системе координат (рис. 2.) могут быть представлены в виде[5, 8, 9]:

(1)

(2)

, (3)

где:
Iэ – амплитуда тока в объекте поиска, А;
l – приведенная длина объекта поиска, м;
R, q – сферические координаты;
– комплексная диэлектрическая проницаемость полупроводящей среды:

, (4)

g ус –удельная электрическая проводимость укрывающей среды, См/м;
e ус – абсолютная диэлектрическая проницаемость укрывающей среды, Ф/м;
w – угловая частота сигнала передающего генератора, Гц;
k – волновое число в среде с потерями:

, (5)

m о – магнитная постоянная, Гн/м:
kо – волновое число в диэлектрической среде и в среде без потерь:

(6)

a – постоянная затухания (коэффициент поглощения) укрывающей среды:

, (7)

b – фазовая постоянная (коэффициент фазы) укрывающей среды:

, (8)

Рис. 2. Объект поиска, подключенный к передающему генератору, представленный в виде элементарного излучателя Герца в сферической системе координат

Граничные условия на поверхности раздела двух полупроводящих сред [5]:

, (9)

, (10)

– нормальная и тангенциальная комплексные составляющие электрического поля объекта поиска в среде измерения;

– нормальная и тангенциальная комплексные составляющие электрического поля объекта поиска в укрывающей среде.

Т.к. в подавляющем большинстве случаев приемная антенна будет находиться в близи границы раздела сред, то

, (11)

где – значение напряженности поля создаваемого объектом поиска в месте нахождения приемной антенны.

Укрывающая среда может быть рассмотрена как квазипроводящая при соблюдении условия:

. (12)

Диапазон частот, при которых выполняется условие (12) для различных типов укрывающих сред представлен в табл. 1.

Таблица 1. Электромагнитные характеристики и диапазон частот, удовлетворяющих условию квазипроводимости, основных укрывающих сред

Уравнения (1) – (3) для проводящей среды, при нахождении поисковой аппаратуры прямо над объектом поиска (q = 900) и при регистрации только электрической составляющей можно представить в виде одного уравнения:

, (13)

где nq – функция убывания амплитуды поля в проводящей среде:

, (14)

где x – численное расстояние от точки наблюдения до излучателя в единицах глубины проникновения поля:

, (15)

где d – глубина проникновения поля в проводящей среде, м:

, (16)

Граничные условия для описанных выше условий и при примут вид:

. (17)

На рис. 3 представлены зависимости относительного увеличения сигнала на приемной антенне от объекта поиска различной приведенной длины при частоте 1 МГц. Теоретическая зависимость получена по выражениям (13 – 17). Экспериментальные значения получены с использованием объектов поиска, имеющих различную приведенную длину (фото 1).

Рис. 3. Относительное увеличение сигнала на приемной антенне от объекта поиска различной приведенной длины, где
1 – теоретическая зависимость;
2 – экспериментальные значения;
3 – кривая, экстраполирующая результаты экспериментальных исследований

Анализ данных зависимостей показывает, что принимаемый сигнал имеет устойчивую тенденцию к увеличению при увеличении геометрических размеров объекта поиска.

Фото 1. Объекты поиска (шары и пластины из металла)

Необходимо отметить, что при размещении измерительной аппаратуры в среде нахождения объектов поиска (например, прощупывании водолазом дна водоема) решаются только уравнения (13) – (16).

Проведенные экспериментальные исследования также показали, что на значительно более высоких частотах возможен поиск объектов искусственного происхождения из диэлектрических материалов.

Анализ теоретических и экспериментальных исследований позволяет сделать следующие выводы:

• Антенно-контактный метод может использоваться для обнаружения локальных объектов в укрывающих средах.
• Метод позволяет при однократном контакте с объектом поиска определять его геометрические размеры и электрические свойства.

Данный метод запатентован [10].

В настоящее время данная идея реализована в опытном образце электронноконтактного щупа предназначенного для поиска металлических объектов в укрывающей среде (фото 2). Проведенные полевые испытания показали перспективность использования данного метода в целях гуманитарного разминирования. Хотя по взглядам авторов применимость данного метода гораздо шире: археология, строительство, поиск подземных коммуникаций и т.д.

Фото 2. Опытный образец электронноконтактного щупа,
предназначенного для поиска металлических объектов в укрывающей среде

Авторы выражают благодарность Миронову Станиславу Ивановичу за оказанную помощь в создании экспериментальной установки и опытного образца.

Литература:
1. Щербаков Г.Н. Обнаружение объектов в укрывающих средах. Для криминалистики, археологии, строительства и борьбы с терроризмом. М.: Арбат-Информ, 1998.
2. Щербаков Г.Н. Обнаружение скрытых объектов для гуманитарного разминирования, криминалистики, археологии, строительства и борьбы с терроризмом. М.: Арбат-Информ, 2004.
3. Жданов М.С. Электроразведка. М.: Недра, 1986.
4. Якубовский Ю.В., Ляхов Л.Л. Электроразведка. М.: Недра, 1982.
5. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. М.: Высшая школа, 1973.
6. Долуханов М.П. Распространение радиоволн. М.: Госиздат, 1960.
7. Белоцерковский Г.Б. Основы радиотехники и антенны.Ч.II. Антенны. М.: Советское радио, 1969.
8. Огороднейчук И.Ф., Журавлем И.Я., Яцишин В.И. Низкочастотная беспроводная связь в шахтах. М.:Недра, 1975.
9. Радиосвязь в проводящих средах./Корчагин Ю.А., Саломатов В.П., Чернов А.А. Новосибирск: Наука. Сиб. Отд-ние, 1990, 148с.
10. Металлообнаруживающий зонд. Патент RU 37843 U1. Приоритет 6 февраля 2004.

ЩЕРБАКОВ Григорий Николаевич, профессор, доктор технических наук
АНЦЕЛЕВИЧ Михаил Александрович, доктор технических наук
УДИНЦЕВ Дмитрий Николаевич, кандидат технических наук
МЕРКУШИН Юрий Максимович,
ВОСТРИКОВ Дмитрий Владимирович.