Метод магнитометрического обнаружения взрывоопасных предметов.

Метод магнитометрического обнаружения взрывоопасных предметов.

ЗВЕЖИНСКИЙ Станислав Сигизмундович, доктор технических наук
ПАРФЕНЦЕВ Игорь Валерьевич, кандидат технических наук

МЕТОД МАГНИТОМЕТРИЧЕСКОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ВЗРЫВООПАСНЫХ ПРЕДМЕТОВ

Источник: Журнал «Специальная техника и связь»

Проблема гуманитарного разминирования, а также поиск неразорвавшихся боеприпасов (НВБ) являются в настоящее время весьма насущными. На территории более чем 70 «проблемных» стран заложено от 60 до 120 млн. мин (по разным данным), не говоря уже о существовании миллионов неразорвавшихся снарядов и авиабомб, оставшихся не только со времен Второй мировой войны, но и как «остатки» военных полигонов (только в США их более 20). В мире каждый год от мин погибает около 26 тыс. человек, в таких странах, как Ангола, в среднем у одного из 334 ампутирована конечность, в Камбодже таких инвалидов более 25 тыс. человек, количество мин превышает число жителей. Другими проблемными странами являются Афганистан, Ирак, Кувейт, Индия, Колумбия, Ливан, Йемен, Мозамбик, Чад, Непал, Босния и др. Более 22 млн. человек в мире каждый день подвергаются риску в условиях минной опасности, при этом прогнозируется, что кризис, связанный с этим фактором, будет только нарастать [1, 2]. Две трети стран присоединилось к Конвенции (вступила в силу с 1 марта 1999 г.) о запрещении противопехотных мин − наиболее распространенных взрывоопасных предметов (ВОП). Но России, США, Израиля, Китая − крупнейших мировых производителей − в их числе не было (на начало 2005 г.).

В мире существует достаточно много организаций, кроме подразделений военно-инженерных войск, которые решают практические задачи по поиску ВОП и разминированию местности, в их ряду важнейшее место занимает Женевский международный центр гуманитарного разминирования (GICID)[3]. Проводятся периодические международные научно-практические конференции и рабочие совещания (наиболее значимые − UXO Forum, UNMAS Conf., US HDR Workshop, NDR Forum и др.), несколько научных лабораторий при университетах (Канада), прикладных НИИ (Германия, Великобритания) или военных научных лабораторий (США) проводят исследования в целях увеличения эффективности поиска. Однако ввиду комплексного характера и сложности проблемы единственно оптимального способа обнаружения и идентификации ВОП не существует [2, 3].

Химические (запах) и биологические (собаки, крысы и даже насекомые) методы поиска хотя и применяются, но обладают явной субъективностью, а значит недостоверностью результатов. Преимущественно используются физические методы обнаружения ВОП: активное электромагнитное зондирование приповерхностного слоя грунта электромагнитными импульсами и синусоидальными полями (металлообнаружители 2 − 50 кГц, георадар 100 – 900 МГц), сейсмической волной и нейтронным излучением, регистрация аномалий электропроводности и плотности грунта, измерения инфракрасного и гравитационного полей и пр. [2 – 5]. Каждый имеет свои преимущества и недостатки, выделить оптимальный невозможно, иначе бы промышленность выпускала, а инженеры использовали бы только его.

Наиболее широко применяемыми являются гармонические (FM – frequency domain) или импульсные (TD – time domain) активные металлообнаружители или металлоискатели, принцип действия которых основан на регистрации вторичного электромагнитного поля, наводимого токами Фуко в металлическом теле под действием возбуждаемого первичного поля [3, 5]. В настоящее время более 30 фирм за рубежом и в России производят такие приборы, самыми известными являются CEIA (изделия MIL-D1, MIL-D1/DS, Италия), Vallon (VMC1, VMH2, VMH3, VMH3CS, VMM3, VMW1, Германия), Ebinger (EBEX-420, EBEX-535, Германия), Fisher (1235-X, 1266-XB, Германия), Minelab Electronics (FIA4, F3, F1A4, Австралия), Shiebel Electronics (AN-19/2, ATMID, MIMID, Австрия), Geonics (EM61-Mk2, Канада), Guartel (MD4, MD8, MD2000, Великобритания), Whites (AF-108, DI-PRO-5900, MXT-300, DFX-300, Spectrum-XLT, США), Garrett (GTAx-550, GTP-1350, GTI-2500, США), «АКА-Контроль» («Пилигрим-7246», «Кондор-7252», «Вектор-7262», Россия).

В ряду методов обнаружения ВОП значимое место занимает поиск магнитных аномалий (MAD – magnetic anomaly detection), которые создаются ферромагнитными металлическими оболочками абсолютного большинства ВОП [2, 4, 6]. При этом безоболочные взрывные устройства или специальные боеприпасы не обнаруживаются, однако они обладают наименьшей поражающей силой, так же неустойчиво обнаруживаются и другими методами. MAD – один из самых «глубоких» методов поиска, позволяющий обнаруживать ВОП (например, крупные авиабомбы, фугасы) на глубинах до 8 м. Кроме того, магнитометрический метод является пассивным, что обеспечивает неподрыв ВОП инициирующими физическими полями при активном зондировании, что зачастую необходимо.

В литературе метод поиска ВОП по выявленным аномалиям магнитного поля Земли (МПЗ) выделяется как один из самых перспективных [2, 7 – 9], обоснованы достижимые характеристики регистрирующих приборов – магнитометров и градиентометров, показаны ограничения. В данной работе развиваются некоторые положения магнитометрического метода поиска ВОП.

Метод реализуется с помощью пассивных «векторных» градиентометров, в максимальной степени устраняющих действие постоянного (главного) МПЗ, которое имеет ничтожный пространственный градиент. Таковые приборы используют 2 идентичных датчика – феррозонда [10], разнесенных вдоль оси чувствительности (ОЧ) на 25 – 170 см и регистрирующих с большим градиентом магнитные аномалии, возможно связанные с ВОП [6, 9]. Неградиентометрические приборы поиска, основанные, как правило, на квантовых магнитометрах с оптической накачкой паров цезия или калия (Geometrix G-858, США; Scintrex NAVIMAG, Великобритания) применяются в основном для снятия карты магнитного поля на местности. После этого возможен поиск ВОП по карте магнитных аномалий, «с ходу» он затруднителен. Кроме того, квантово-оптические приборы относятся скорее к классу научных и обладают, даже по отношению к недешевым феррозондовым градиентометрам, повышенной стоимостью (порядка 20 тыс. долларов), требуют более бережного и компетентного обращения, чем это предписывается для обычных поисковых приборов.

Производителей магнитометрических средств поиска ВОП в мире примерно в 3 раза меньше, чем производителей металлоискателей, а в России только один – НИИ «Проект», г. Томск (изделие «МБИ-П»). За рубежом это, прежде всего, Institute Dr.Forster или Foerster (FEREX 4.032, Германия), Ebinger (MAGNEX 120LW, Германия), Vallon (EL1302D2, Германия), Schontedt Instument (GA-72 Cd, GA-52Cx, GA-92XT, США), CST (Magna-Trak, США), Geoscan Research (FM-256, Великобритания), Bartington Instruments (Grad601, Великобритания). Большее распространение металлоискателей вызвано тремя основными причинами:

1. существенно меньшая стоимость;
2. возможность обнаружения любых металлов;
3. расширенная область применения – поиск кладов, трубопроводов и кабелей в укрывающей толще, археология.

В доступных научных работах и отчетах отмечается, что наилучшими характеристиками по обнаружению ВОП обладают приборы, комбинирующие пассивный магнитометрический и активный электромагнитный принципы обнаружения, например, ERDC EM61HH & G-822, SAIC STOLS/VSEMS (на велосипедной базе), SAIC MSEMS [11 – 13]. Такие системы, обнаруживающие любой тип металла, типично конструируются в виде линейки датчиков. Они конструируются на велосипедной или автомобильной базе, весьма дороги, изготавливаются штучные экземпляры. В табл. 1 приведены сравнительные характеристики пассивных магнитометров и активных металлоискателей, проанализированные на основании ряда работ [1, 2, 4, 7, 11 – 14] и полученные посредством экспертных оценок.

Таблица 1. Сравнительные характеристики пассивных градиентометров и активных металлоискателей для поиска взрывоопасных предметов

Таким образом, преимуществами пассивных градиентометров перед металлоискателями являются:

1. бóльшая в среднем в 2 раза (по сравнению с металлоискателями) максимальная глубина поиска ВОП в стальных (ферромагнитных) оболочках;
2. независимость функционирования от проводимости грунта, климатических условий, наличия воды;
3. высокая точность локализации цели и потенциальная возможность достоверного прогнозирования глубины залегания, типа и ориентации ВОП в пространстве;
4. возможность объединения в мультисенсорную систему (переносную или на колесной базе), обеспечивающую максимально высокую скорость поиска «с ходу».

Для активного металлоискателя важна не столько масса конкретного ВОП, сколько площадь поверхности, связанная с его диаметром d . При этом, как показывает практика, для оценки максимальной глубины hMAX обнаружения ВОП с помощью «хорошего» активного металлоискателя в условиях сухого грунта (проводимость104 − 105 Ом×м), допустима инженерная формула [11]:

h1MAX ≈ 11d, (1)

где d − диаметр (минимальный габарит) ВОП.

Полезные качества ВОП как объекта пассивного магнитометрического обнаружения обусловливают: 1) главным образом масса m (объем V) ферромагнитной защитной оболочки, которая, как правило, не меньше массы взрывчатого вещества (ВВ); 2) в меньшей степени форма предмета, характеризуемая отношением максимального геометрического размера к минимальному или отношением длины к диаметру; 3) в наименьшей степени магнитная проницаемость μ ферромагнетика.

При этом максимальная глубина поиска hMAX связана с достижимой чувствительностью градиентометра dB/dr, а также с формой и массой ферромагнитной оболочки сложной зависимостью. Она упрощается, если принять, что: 1) форма «магнитомягкого» ВОП − шар; 2) магнитная проницаемость μ ≥ 100 (типично); 3) расположение ОЧ градиентометра и магнитного момента М шара, приобретаемого в постоянном МПЗ с индукцией ВТ − наилучшее, соосное; 4) магнитные шумы и помехи много меньше чувствительности градиентометра. Такая формула приведена в [8], с учетом других переменных она приводится к виду:

, (2)

где [dB/dr] = нТл/м − достижимая чувствительность, [ВТ ] = нТл.

На территории РФ магнитное наклонение изменяется практически от 90° (на высоких широтах, за полярным кругом) до 57° (Владивосток). Величину ВТ на средних российских широтах (С.-Петербург − Астрахань) можно оценить исходя из известных данных [21]: ВТ ≈ (5,4 ± 0,4)×104 нТл. При этом вертикальная составляющая BВ главного МПЗ на территории РФ в среднем в 2,8 раза превышает горизонтальную BГ и является доминирующей, в среднем можно полагать: BГ  ≈ 18 мкТл; BВ ≈ 50 мкТл.

Наилучшие изделия − градиентометры (типа FEREX 4.032, VALLON EL1302 D2) характеризуются собственным шумом на уровне ~ 0,3 нТл, что на базе 0,5 − 0,65 м дает оценку пороговой чувствительности ~ 0,5 нТл/м [16, 17]. Такую чувствительность, однако, реализовать в реальных условиях невозможно − мешают шумы МПЗ и «неидеальность» градиентометра − погрешности несоосности (магнитометрических преобразователей) и неравенства коэффициентов преобразования. Как показано в работах [6, 8, 18, 20, 22], для типовой окружающей обстановки (эквивалентный шум не более 2 – 3 нТл), возможна реализация порога обнаружения (dB/dr)МИН = 10 нТл/м.

Тогда при подстановке ВТ и (dB/dr)МИН в (2) получаем оценку максимальной глубины обнаружения ВОП градиентометром:

h ≈ 8·d3/4. (3)

Приравняв (1) и (3), можно сделать вывод, что для реальных ВОП с диаметром менее 30 см применение градиентометра дает лучшие результаты. В условиях мокрого грунта (проводимость 102 − 103 Ом×м), при наличии постоянной намагниченности и «вытянутости» реального предмета большая предельная дальность обнаружения для градиентометра обеспечивается практически всегда.

Экспериментальный сравнительный анализ обнаружительной способности металлоискателей и градиентометров подтверждает (3) и показывает, что для «малых» и «средних» ВОП (калибром от 20 до 81 мм) при глубинах поиска до 0,5 м (и типовых грунтах) первые лучше [11, 23]. В области калибров ВОП 100 – 155 мм характеристики сравниваются, далее имеет преимущество градиентометр. Однако если размеры излучающей/приемной антенны металлоискателя относительно велики (Vallon VMH 3CS, диаметр ~1 м), то вероятность обнаружения ВОП металлоискателем на глубинах до 1,5 м даже несколько выше, чем у пассивного FEREX 4.032 [121]. Таким образом, металлоискатели имеют большую обнаружительную способность ВОП на тех относительно малых глубинах (до 1 м), где они функционируют устойчиво.

В табл. 2 представлены массогабаритные характеристики ВОП отечественного производства и максимальная глубина заглубления при ударе о грунт типа суглинка. При установке мины или фугаса на глубину более 1 м его действие резко ослабевает. В табл. 3 представлены характеристики типичных ВОП НАТО по данным [11, 15].

Таблица 2. Массогабаритные характеристики взрывоопасных предметов

Таблица 3. Характеристики взрывоопасных предметов стран НАТО

 В ручных градиентометрах два идентичных магнитометрических преобразователя (МП) − феррозонда размещаются в измерительном модуле или зонде на «жесткой» базе длиной а, их оси чувствительности параллельны базе [7, 8]. В большинстве известных изделий а = 0,25¼1 м, совсем недавно (3 − 4 года назад) появились изделия с а = 1,6¼1,7 м (Foerster, Vallon) [14, 16, 17]. Однако использование последних не подразумевает поиск «с ходу» с типичной скоростью 0,2 – 1 м/с, а скорее уточнение места залегания ВОП практически в стационарном режиме.

На рис. 1 показана условная схема измерения аномалии магнитной индукции с помощью градиентометра с базой а; высота ∆ нижнего МП1 над поверхностью (5 – 10 см) по сравнению с вероятной глубиной h нахождения ВОП принимается малой.

Рис. 1. Измерительная схема поиска ВОП с помощью градиентометра

Условные оси координат X, Y, Z могут быть связаны соответственно с направлением по меридиану, широте и радиусу к центру Земли, координаты x, y могут быть привязаны к другой удобной сетке измерений. При этом направление движения при поиске ВОП происходит условно вдоль оси OX через равные интервалы (типично 1 м), отложенные по оси ОY. Вектор МПЗ ВМПЗ направлен к центру Земли (в южном полушарии наоборот, от центра) под углом c наклонением j.

На глубине h в толще грунта располагается возможный объект обнаружения − ВОП в ферромагнитной оболочке, обладающей индуцированной (в МПЗ) и/или остаточной намагниченностью. Последняя является случайной величиной, приобретаемой в основном при изготовлении ВОП (термообработка), и не подлежит прогнозируемой оценке − даже для однотипных серийных ферромагнитных предметов она изменяется в пределах более 20 дБ. Как показано в работах [15, 18, 19], при ударе артиллерийского или авиационного ВОП о грунт происходит его практически полное ударное размагничивание или утрата остаточной намагниченности («встряска» доменов). Индуцированная намагниченность зависит от магнитной проницаемости ферромагнетика и его формы и поддается оценке с погрешностью около ±3 дБ. Обычно только она и учитывается при оценочных расчетах обнаружительной способности градиентометра.

Однако это не вполне справедливо для мин, где остаточная намагниченность может и преобладать. Противотанковые (противотранспортные) мины выполняются обычно в виде цилиндра или параллелепипеда с наибольшим размером (диаметром) 15 – 30 см, толщиной от 5 до 9 см. Они закладываются на различную глубину не менее 15 см. Противопехотные мины выполняются в виде дисков или цилиндров диаметром 2 – 13 см, длиной 5 – 10 см, и могут весить менее 30 г. Они устанавливаются на поверхности земли или на глубине не более 5 см (при большей глубине их поражающая способность уменьшается).

Переменное поле В(t), которое регистрируется градиентометром при поиске, является помеховым. Поле порождается геомагнитными флуктуациями (в т.ч. магнитными бурями и суббурями, геомагнитным шумом), полями от промышленных токов, − как правило, основной частоты промышленной сети f = 50 Гц (в США – 60 Гц) и ее гармониками [21]. Однако основной косвенной причиной появления помехового сигнала при мониторинге ВОП является действие МПЗ при погрешностях измерительной части градиентометра, связанных с различиями в двух МП:

1. дисбалансе ∆G коэффициентов преобразования;
2. несоосности (расхождению) ∆φ их осей чувствительности.

Наиболее трудно минимизируемой погрешностью при изготовлении является вторая, во время эксплуатации, тряска, непреднамеренные удары, температурные изменения способствуют хаотическому увеличению ∆φ. Для компенсации применяют различные методы, подразделяемые на две группы − электрические и механические. Предельно достижимая механическая величина несоосности достигается в современных изделиях (например, Institute Dr.Forster) ∆φ ≈ 0,01° [17]. При начальном положении ОЧ градиентометра перпендикулярно силовым линиям МПЗ указанная несоосность при осуществлении мониторинга приводит к появлению помехового сигнала величиной порядка Впом ≈ BТ×∆φ ≈ 9 нТл.

МПЗ не вполне однородно − на поверхности земли имеется градиент, однако он пренебрежительно мал и потенциальную чувствительность градиентометрического метода обнаружения ВОП не ограничивает. Градиент dВ/dr вертикальной (Z) составляющей главного МПЗ в любой точке на поверхности земли не превышает 0,03 нТл/м − на полюсах, на территории РФ меньше на ~6 дБ, на экваторе нулевой [21, 25]. При этом на базе а ≤ 1 м такая пространственная неравномерность МПЗ может приводить к максимальному разностному сигналу ошибки ∆Вош ≤ 0,03 нТл, что находится на уровне собственных шумов современных феррозондов, и им можно пренебречь.

Городской магнитный шум, обусловленный суперпозицией полей от различных промышленных источников, как показывает практика, достигает:

Вшгор @ 10…100/ a, нТл /м. (4)

Поэтому градиент индустриальных помех вблизи источников сильных токов (электрифицированный транспорт, ЭЖД, высоковольтные ЛЭП и пр.) может превышать ошибку небаланса градиентометра. Вследствие этого в изделиях предусматривается регулировка, обеспечивающая уменьшение чувствительности в местах, где уровень шума выше обычного, что приводит к уменьшению глубины поиска ВОП.

Общеприменимой магнитной моделью ВОП с ферромагнитным объемом V является магнитный диполь с моментом М, величина которого определяется векторной суммой индуцированной намагниченности Jи и остаточной намагниченности Jо: М = (Jи+Jо)×V. Индуцированная намагниченность зависит от формы ферромагнетика и точно определяется лишь в случае изотропного эллипсоида:

Jи = | | c || HТ, (5)

где || c || − симметричный тензор восприимчивости формы, состоящий из трех коэффициентов {cx, cy, cz}, причем: ci = c/(1+c×Ni), i = x, y, z − индексы осей симметрии предмета и соответствующей системы координат; c = (μ−1) − восприимчивость ферромагнетика; Ni − коэффициенты размагничивания вдоль соответствующих осей, связанные условием нормировки S Ni = 1 (для шара Ni = 1/3), зависящие от соотношения длин осей [21, 25].

Несмотря на то, что лишь эллипсоидальные тела имеют однородную индуцированную намагниченность, допущение об этом независимо от формы тела является повсеместным. При этом любой ВОП с характеристическим размером rv в первом приближении представляется в виде эллипсоида, коэффициенты размагничивания которого находятся экспериментально или теоретически [18, 19, 25]. Продолговатые сфероиды дают очень хорошую аппроксимацию для абсолютного большинства ВОП и могут применяться для магнитного моделирования, близкое схождение результатов моделирования сфероида с реальными объектами установлено достоверно [18 − 20, 22, 24]. При этом магнитная аномалия от целикового сфероида близка к полому сфероиду.

Магнитная индукция В на расстоянии R находится как общее решение для магнитного потенциала [25]. При условии R > rv предмет любой формы с любым распределением намагниченности рассматривается как магнитный диполь, имеющий момент М (5). Выражение для индукции поля диполя, определяемое величиной и взаимной ориентацией М и R, известно: B = 100/R3×(3(M×R)·R/R2 − M),

где [В] = нТл, [М] = Ам2, [R] = м. Для градиентометра (рис. 1):

В1 = 100·M·(3(m·r1)r1 − m)·1/R13, В2 = 100·M·(3(m·r2)r2 − m)·1/R23 , (6)

где m − единичный вектор магнитного момента; r1, r2 − радиус-вектора из точки нахождения диполя − ВОП к текущему положению соответственно МП1 и МП2.

Выражения (6) раскладывается по координатам X, Y, Z (рис. 1) в зависимости от измеряемой компоненты магнитного поля. При измерении Z − компоненты выходной сигнал градиентометра: ВГ = BZ1 − BZ2. При прочих равных условиях максимум обеспечивается, если направления векторов m, r1, r2 − коллинеарные, градиентометр находится непосредственно над ВОП, расположенном на расстоянии h (рис. 1). При этом величина сигнала:

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

При h ≥ 3a выражение (7) упрощается: ВГ ≈ 600·M×a×/h4.

Если принять, что В0 [нТл] − чувствительность градиентометра, получается оценка предельной глубины h0 обнаружения ВОП с магнитным моментом М по сути аналогичная (3), но отражающая магнитные, а не массогабаритные свойства ВОП:

h04 ≈ 600M/(B0/а). (8)

Зависимости h0 (М,В0,а) − весьма «плавные», поэтому изменение максимальной глубины обнаружения h0 при изменении (в некоторых пределах) основных параметров градиентометра или модели ВОП не столь очевидные. Разница в чувствительности В0 «хорошего» и «удовлетворительного» прибора может составлять более 20 дБ (например, соответственно FEREX 4.032 и Schontedt GA-92XT), разница в цене − приблизительно такая же (в 10 раз). Разница в их обнаружительной способности составляет всего 20lg = 5 дБ.

Ферромагнитная оболочка − полый эллипсоид приобретает индуцированный магнитный момент М, направленный в общем случае навстречу вектору ВТ индукции МПЗ, отклоняясь на угол φ, максимальная величина которого зависит от формы (отношения длины к диаметру) и ориентации вектора ВТ относительно наибольшей оси симметрии ВОП. Для шара φ = 0, для вытянутых эллипсоидов φ − конечна. Впервые на UXO Forum в 1996 г. [19] было заявлено и подтверждено другими работами [18, 24], что направление индуцированной намагниченности (магнитного момента) артиллерийского и авиационного ВОП лежит в телесном угле относительно вектора МПЗ:

φ ≤ 60°. (9)

Если измеренное градиентометром отклонение вектора М превышает указанную величину (велик вклад остаточной намагниченности), то появляется аргумент рассматривать выявленный предмет как потенциальную мину или ложную цель. Если угол φ находится в пределах (11) − остаточная намагниченность несущественная, − то это может быть снаряд или авиабомба, испытавшие ударное размагничивание.

При картографировании местности получение информации о направлении вектора М ВОП с помощью единственного градиентометра затруднительно. При этом снимается профиль магнитуды вдоль первичного направления движения (условно ОХ), получая значения индукции в точках измерения типично через 20 – 50 см. Следующая траектория, отстоящая типично на 1 м, плохо «связана» с предыдущей, поэтому точность интерполяции карты магнитных аномалий относительно мала. Для того чтобы повысить точность, одновременно регистрируются сигналы с нескольких (не менее 3-х) градиентометров, «жестко» закрепленных вместе и расположенных рядом на некотором расстоянии друг от друга (типично 0,5 м) перпендикулярно линии движения оператора. Дополнительным преимуществом является увеличение ширины «охвата» зоны вдоль направления движения до 2 − 2,5 м, что приводит к пропорциональному сокращению времени поиска. В случае единственного градиентометра ширина составляет типично ±(0,25 − 0,5) м в зависимости от чувствительности прибора В0 и прогнозируемых М и h.

В [6] утверждается, что глубину h залегания ВОП можно приблизительно определить по ширине огибающей полезного сигнала на уровне 0,5 от максимума, достигаемого в точке наилучшего расположения (наибольшего приближения) градиентометра. Вид огибающей полезного сигнала и ширина зоны чувствительности (вдоль оси OY) градиентометра для вертикальной направленности вектора М (вдоль оси ОZ) требуют уточнения (рис. 2).

Рис. 2. К оценке зоны чувствительности градиентометра

При Y = 0 сигнал на выходе максимальный и описывается (7). Пусть Y = L, тогда полезный сигнал ВГ (L,h) = BZ1 − BZ2, где выражения для компонент индукции магнитного поля в точках размещения МП1 и МП2 имеют вид:

, . (10)

Если h ≥ 3a, то есть когда ВОП достаточно заглублен, допустима аппроксимация , при этом выражение для полезного сигнала ВГ(L) имеет вид:

, (11)

которое при L = 0 эквивалентно (8). При

L0 = 0,82h (12)

функция (11) обращается в нуль и далее изменяет знак. В случае если направление вектора М близко к вертикальному (регистрируется только один максимум от ВОП), определение расстояния L0 от точки максимума до места смены знака дает по (12) предполагаемую глубину нахождения ВОП. Знание h и величины регистрируемого сигнала ВГ позволяет оценить величину магнитного момента, а значит и его предположительный тип, − чем больше магнитный момент, тем больше в общем случае ферромагнитная масса.

Ширина L0,5 зоны чувствительности градиентометра, при которой полезный сигнал уменьшается на -6 дБ по отношению к максимуму, составляет:

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

что несколько меньше, чем показано в [6]. В этом случае угол 2ψ (рис. 2), в котором возможно обнаружение ВОП по его магнитной аномалии, при условии обеспечения заданной чувствительности, составляет около 40°.

Как показывает анализ результатов моделирования [15, 1 − 20], если карта магнитных аномалий местности точна, появляется возможность оценки не только глубины залегания ВОП и его типа, но и характера ориентации предмета в грунте. «Идеальный» магнитный момент М, который характеризует предмет, приложен в точке, у него нет полюсов − они как бы слиты. Реальные предметы, в том числе ВОП, имеют полюса: положительный, откуда силовые линии выходят, и отрицательный, куда силовые линии входят, здесь концентрация силовых линий максимальная [6, 21, 25]. Следовательно, вблизи этих точек магнитная аномалия достигает максимумов (с разными знаками), и если они равны, то предмет находится горизонтально. Если на карте аномалий выявляется только один полюс, это означает, что ВОП расположен вертикально и второй полюс (невидимый) находится под первым.

Чем длиннее предмет, чем больше он отличается от шара, тем больше расхождение полюсов. Как правило, полюса располагаются на крайних гранях максимального размера объекта в силу анизотропии формы [10, 25]. Определение местоположения полюсов предмета позволяет уточнить его ориентацию в грунте, а значит сделать процесс разминирования более контролируемым. В [15] установлено, что в наилучшей степени подходит модель ВОП в виде удлиненного сфероида с отношением максимального размера к диаметру, равным 3,5. На основании этой и других работ в табл. 4 приведены данные по магнитным моментам некоторых ВОП, обусловленные индуцированной намагниченностью (Минд) и остаточной намагниченностью (Мост).

Таблица 4. Магнитные моменты неразорвавшихся боеприпасов

Составление карты магнитных аномалий с помощью градиентометра, а лучше с помощью мультисенсорной системы, позволяет оценить глубину залегания, размеры (величину) и ориентацию в грунте возможного ВОП, а значит облегчить процесс последующего разминирования. Однако такие возможности предоставляет только гуманитарное разминирование. В боевых или приближенным к ним условиях, при задаче обнаружения ВОП «с ходу», составление карты магнитных аномалий крайне затруднено. Тем не менее увеличение количества градиентометров, одновременно участвующих в поиске (реально до 3 − 4), позволяет не только пропорционально увеличить ширину зоны чувствительности вплоть до 2 – 3 м, но и более точно идентифицировать место возможного нахождения предмета.

Растр зоны поиска градиентометра в среднем составляет около 40°. Нахождение мест уменьшения магнитной индукции до нуля или на -6 дБ позволяет оценить глубину залегания предполагаемого ВОП даже «с ходу». Далее возможна оценка магнитного момента и благодаря этому − определение типа (калибра) взрывоопасного предмета. Если предполагаемые ВОП − снаряды или авиабомбы, то нахождение угла отклонения вектора магнитного момента от направления МПЗ в пределах (9) может дать дополнительную информацию о предметах.

Другими полезными новациями в методе магнитометрического поиска ВОП являются вейвлет-анализ карты магнитных аномалий, исключение всех аномалий с моментом меньшим 0,05 Ам2, нахождение октопольных магнитных моментов предполагаемых ВОП и другие, описанные в специальной литературе. Увеличение информативности процесса магнитометрического и комбинированного обнаружения ВОП является главной линией развития этого направления специальной техники.

Литература

1. Hussein E.M.A., Waller E.J. Landmine Detection: The Problem and the Challenge// Applied Radiation and Isotopes, 2000, Vol. 53, p. 557 − 563.
   unb.ca/ME/LTMD/

2. Дикарев В.И., Заренков В.А., Заренков Д.В. Методы и средства обнаружения объектов в укрывающих средах. СПб.: Наука и Техника, 2004, − 280 с.

3. www.gichd.org.

4. Mine Action Technology Newsletter, 2006 − 2008. / gichd.org/gichd-newsletters/
   Руководство по вопросам противоминной деятельности. Женева: Женевский международный центр гуманитарного разминирования, 2005, ISBN 2-88487-028-8, − 271 c.

5. Арбузов С.О. Магниточувствительные поисковые приборы/ Специальная техника, 2000, № 6.

6. Щербаков Г.Н. Обнаружение скрытых объектов. М.: «Арбат-Информ», 2004, − 144 с.

7. Щербаков Г.Н. Средства обнаружения тайников с оружием и боеприпасами в толще грунта/ Специальная техника, 2000, № 2, с. 18 − 23.

8. Щербаков Г.Н., Анцелевич М.А., Удинцев Д.Н. Оценка предельной глубины обнаружения ферромагнитных объектов искусственного происхождения в толще полупроводящей среды/ Специальная техника, 2004, № 2, с. 29 − 33.

9. Афанасьев Ю.В. Феррозондовые приборы. Л.: Энергоатомиздат, 1986, − 187 с.

10. Survey of Munitions Response Technologies. ESTCP, ITRC, SERDP. − USA, June 2006, − 216 p.

11. Military munitions response actions. Engineering manual. − USA army Corps of Engineers, EM 1110-1-4009, − 15 June 2007, − 346 p.

12. Test, evaluation and demonstration of the man-portable simultaneous EMI and magnetometry system (MSEMS). ESTCP project 200416, 2004 (estcp.org).

13. Metal detectors and PPE Catalogue 2005. — Geneva International Centre for Humanitarian Demining. − Geneva, Feb. 2007, − ISBN 2-940369-01-1, − 203 p ( gichd.org).

14. Billings S., Pasion C., Walker S., Beran L. Magnetic models of unexploded ordnance/ IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2006.

15. vallon.de

16. foerstergroup.de

17. Billings S.D., Pasion L.R., Oldenburg D. UXO discrimination and identification using magnetometry/ SAGEEP Conference, Las Vegas, Feb. 10 − 14, 2002.

18. AltshulerT.W. Shape and orientation effects on magnetic signature prediction for unexploded ordnance. Proc.UXO Forum Mar. 1996, p. 282 − 291.

19. Billings S. D., Herrmann F. Automatic detection of position and depth of potential UXO using a continuous wavelet transforms/ Proc. of SPIE Conference on Detection and Remediation Technologies for Mines and Minelike Targets VII, Orlando, April 21 – 25, 2003, vol. 5089, p. 1012 − 1022.

20. Яновский Б.М. Земной магнетизм. Л.: Издат. ЛГУ, 1978, − 591 с.

21. Billings S., Youmans C. Experiences with unexploded ordnance discrimination using magnetometry at a live-site in Montana/ Journal of Applied Geophysics Special Issue, 2006.

22. Li Y. Improving detection and discrimination of UXO in magnetic environments. SERDP project 1414. March 2006. serdp.org/research/UX/UX_1414.pdf

23. Nelson H.H. et. al. Magnetic modeling of uxo and uxo-like targets and comparison with signatures measured by mtads/ Proc. UXO Forum May 1998, p. 282 − 291.

24. Паркинсон У. Введение в геомагнетизм. М.: Мир, 1986, − 527 с.

25. Billings S.D., Pasion L.R., Oldenburg D. Discrimination and classification of UXO using magnetometry: Inversion and error analysis using robust statistics/ SAGEEP Conference, San Antonio, April 6 − 10, 2003.