Пути повышения помехоустойчивости магнитометрических средств поиска и их практическая реализация..
ЩЕРБАКОВ Григорий Николаевич, профессор, доктор технических наук,
АНЦЕЛЕВИЧ Михаил Александрович, профессор, доктор технических наук,
УДИНЦЕВ Дмитрий Николаевич, кандидат технических наук,
ФИЛИН Владимир Григорьевич,
ВОЛОШКО Виталий Сергеевич.
ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПОИСКА И ИХ ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ
Рассмотрены пути практического повышения помехоустойчивости и безопасности магнитометрических средств поиска. Представлена их реализация в виде опытного образца портативного магнитометрического поискового прибора для обнаружения скрытно носимых ферромагнитных объектов (оружия, мин и взрывоопасных предметов) в условиях неблагоприятной помеховой обстановки.
В настоящее время в условиях действий криминальных и радикальных группировок, активизации террористической деятельности, актуальность выявления подобных объектов определяется необходимостью решения задачи обеспечения безопасности населения, организаций и предприятий. Все чаще и чаще мы наблюдаем картину ручного досмотра сотрудниками органов безопасности подозрительных лиц и их вещей в целях поиска предметов, являющихся источником повышенной опасности для населения.
Целью исследований в данном направлении является создание технических средств борьбы с терроризмом, предназначенных для ускоренного и безопасного выявления огнестрельного оружия, гранат, холодного оружия, замаскированных под одеждой или в багаже.
В настоящее время силовыми структурами и частными охранными организациями используются различные металлодетекторы, работающие по вихретоковому (индукционному) принципу обнаружения и предназначенные для поиска металлических предметов как из цветных, так и черных металлов [1 – 3]. Основным недостатком такого металлодетектора является большое число ложных срабатываний по причине реагирования на любые металлические предметы (часы, ювелирные изделия, фольга кондитерских изделий и т.д.), что значительно снижает скорость поиска. Способность различать цветные и черные металлы по фазе далеко не всегда дает положительный эффект и зависит от формы и геометрических размеров возмущающего тела.
При необходимости досмотра большого количества людей, например, при проведении массовых мероприятий низкая скорость поиска приводит к невозможности качественного проведения контроля.
Кроме того, индукционные металлодетекторы относятся к активным, т.е. обладающим собственными зондирующими полями, поисковым приборам, и могут привести к подрыву взрывного устройства, например пояса шахида [4].
Современные переносные металлодетекторы, предназначенные для выявления огнестрельного оружия, гранат, холодного оружия, замаскированных под одеждой или в багаже, должны отвечать следующим требованиям:
- обнаруживать изделия только из черных металлов (ферромагнитных материалов);
- не иметь собственных зондирующих полей.
Для обнаружения локальных неоднородностей поля в неферромагнитных укрывающих средах (земле, воде, снеге и т.д.), вызываемых ферромагнитными объектами искусственного происхождения, наибольшее применение нашли такие магниточувствительные приборы, как феррозондовые градиентометры или магнитометры [1, 2, 5 – 8]. Подобная задача возникает при поиске стальных нефте- и газопроводов, затонувшей техники, стрелкового, огнестрельного и холодного оружия, невзорвавшихся авиабомб и артиллерийских снарядов, большинства инженерных противотанковых, противодесантных и противопехотных мин. Данные объекты обладают либо собственным магнитным полем, либо искажают однородное поле Земли, и в том и другом случае величина магнитного поля в зоне чувствительного элемента – феррозонда изменяет свою величину и направление. Это и является признаком наличия ферромагнитного объекта. По отношению к искомому объекту эти приборы являются пассивными, то есть не оказывают на объект никакого воздействия.
Э.д.с. на выходе чувствительной системы градиентометра [6] пропорциональна разности значений напряженности магнитного поля в двух точках пространства (рис. 1), находящихся на расстоянии l друг от друга (база градиентометра). Основным параметром магнитометра является его чувствительность. Чувствительность измеряется величиной магнитной индукции или напряженности магнитного поля, которую способен зарегистрировать прибор. Другой, не менее важной характеристикой является разрешающая способность, определяющая ту минимальную разницу параметров магнитного поля, которую возможно зарегистрировать прибором. Современные магнитометры обладают разрешающей способностью от 0,01 до 1 нТ, в зависимости от принципа действия и класса решаемых задач.
Недостатками таких приборов являются, во-первых, наличие собственных, хотя и значительно меньших, чем у индукционных приборов, магнитных полей, индуцируемых феррозондовыми чувствительными элементами, снижающих безопасность работы вблизи взрывоопасных предметов; во-вторых, неустойчивая работа вблизи искусственных сооружений и других объектов, искажающих магнитное поле Земли. В нашем же случае измерительная система должна регистрировать локальные неоднородности, не реагируя при этом на относительно плавное изменение магнитного поля.
Рис.1. Обнаружение малоразмерных ферромагнитных неоднородностей
в неферромагнитных укрывающих средах феррозондовыми градиентометрами
Первый недостаток устраняется применением чувствительных элементов, не имеющих собственных полей. Одними из пассивных магниточувствительных элементов, наиболее удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к элементам, входящим в состав портативных приборов, являются датчики Холла [10]. Проведенные исследования показали, что их применение позволило избавиться от собственных зондирующих полей и тем самым повысить безопасность поиска.
Второй недостаток, значительно ограничивающий область применения магнитометрических феррозондовых переносных поисковых приборов, устраняется выбором оптимальной длины базы (расстояния между магниточувствительными элементами).
В работе [9] приведена зависимость, связывающая основные характеристики феррозондового градиентометра с характеристиками объекта поиска, аппроксимированного ферромагнитной сферой и дальностью его обнаружения:
, (1)
где 
– разница между напряженностями внешнего возмущенного магнитного поля в центрах феррозондов магнитометра, А/м;
H0 – напряженность постоянного магнитного поля Земли, А/м;
Rсф – радиус ферромагнитной сферы, м;
mсф – относительная магнитная проницаемость объекта поиска;
mвн – относительная магнитная проницаемость внешней укрывающей среды;
l – расстояние между феррозондами (длина базы), м;
rобн – максимальное расстояние обнаружения феррозондовым градиентометром объекта поиска, аппроксимированного ферромагнитной сферой, м.
На практике наиболее точной характеристикой ферромагнитного объекта поиска является не его приведенный радиус, а масса ферромагнитного материала. В этом случае зависимость (1) примет следующий вид:
, (2)
mоп – масса ферромагнитного материала объекта поиска, кг;
rоп – плотность материала объекта поиска, кг/м3.
На рис. 2 представлена зависимость дальности обнаружения rобн объекта поиска (mсф = 100) от массы его ферромагнитного материала (сталь) и расстояния между феррозондами l дифференциального магнитометра с разрешающей способностью по напряженности магнитного поля в 0,1 А/м.
Рис.2. Зависимость дальности обнаружения rобн объекта поиска (mсф = 100) в зависимости от массы его ферромагнитного материала (сталь) и расстояния между феррозондами l дифференциального магнитометра с разрешающей способностью по напряженности магнитного поля в 0,1 А/м
Анализ зависимостей (1, 2) и графика (рис. 2) показал, что:
- уменьшение длины базы повышает значение минимальной массы обнаруживаемого ферромагнитного материала и уменьшает максимальное расстояние обнаружения объекта поиска;
- для каждой длины базы существует предельное расстояние, на котором прибор практически не обнаруживает любой объект, являющийся помехой;
- целесообразная длина базы зависит и должна быть согласована с ожидаемой ферромагнитной массой объекта поиска и его геометрическими размерами;
- целесообразной является длина базы, превышающая в 1,5 – 2 раза приведенный радиус объекта поиска.
Правильный выбор длины базы магнитометрического поискового прибора позволяет обеспечить поиск локальных объектов в условиях существующих на практике электромагнитных помех, приводящих к плавному изменению внешнего магнитного поля.
Так, например, при длине базы 0,1 м и разрешающей способности по напряженности магнитного поля в 0,1 А/м на расстоянии 0,1 м обнаруживаются объекты ферромагнитной массой (сталь) более 46 г, а на расстоянии 1 м более 165 кг. Соответственно в месте проведения досмотра на расстоянии более 1 м предметы массой до 165 кг не влияют на качество работы досмотровой аппаратуры, имеющей указанные характеристики. На расстоянии более 2 м уже можно пренебречь посторонними предметами, изготовленными из стали, массой до 2410 кг.
В отдельных случаях, например, работа в экранированных сооружениях, в местах нахождения большого количества посторонних ферромагнитных предметов, использовать магнитное поле Земли для обнаружения объектов поиска крайне затруднительно. В этом случае возможно использование собственного источника магнитного поля [11], искажение линий магнитного поля которого фиксируется поисковым прибором. Проведенные экспериментальные исследования показали, что для обеспечения устойчивой работы прибора вне зависимости от наличия и степени искаженности магнитного поля Земли напряженность его магнитного поля в зоне поиска должна не менее, чем на порядок, превосходить суммарную напряженность внешнего магнитного поля.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать следующие выводы
- Магнитометрические поисковые приборы целесообразно использовать в качестве технических средств борьбы с терроризмом, предназначенных для ускоренного и безопасного выявления огнестрельного оружия, гранат, холодного оружия, замаскированных под одеждой или в багаже.
- Для обеспечения безопасной работы магнитометрического поискового прибора необходимо использовать чувствительные элементы, не имеющие собственных электромагнитных полей, или имеющие поля, не способные по своим характеристикам привести к подрыву взрывного устройства.
- Помехоустойчивость данных средств поиска достигается оптимизацией длины базы и введением в его состав собственного источника магнитного поля.
Данные идеи запатентованы [11, 12].
В настоящее время представленные идеи реализованы в обнаружителе ферромагнитных объектов “Зонд-Ф” (фото 1), предназначенном для поиска ферромагнитных объектов (оружие, мины и взрывоопасные предметы) под одеждой человека.
Фото 1. Внешний вид опытного образца обнаружителя ферромагнитных объектов предназначенного для поиска оружия, мин и взрывоопасных предметов под одеждой человека
Основные преимущества данного магнитометрического прибора перед существующими индукционными металлодетекторами:
- Более высокая скорость обнаружения за счет поиска только ферромагнитных изделий и электронных устройств, находящихся в активном состоянии. Прибор не реагирует на изделия из цветных металлов (фольга от кондитерских и табачных изделий, ювелирные украшения, монеты и др.).
- Высокая безопасность поиска взрывных устройств за счет отсутствия собственных зондирующих полей, вызывающих случайное срабатывание взрывных устройств.
- Небольшие габариты, позволяющие носить изделие в кармане рубашки.
Проведенные испытания показали перспективность использования данного средства для ускоренного и безопасного выявления взрывных устройств, огнестрельного оружия, гранат, холодного оружия, замаскированных под одеждой или в багаже.
Авторы выражают благодарность Миронову Станиславу Ивановичу и Глущаку Борису Павловичу 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. Саулов А.Ю. Металлоискатели для любителей и профессионалов. СПб.: Наука и Техника, 2004, 224 с.:ил.
4. Шикин А.С. Как уберечь себя от взрыва. М.: Мир безопасности, 1999, 79 с.
5. Арбузов С.О. Магниточувствительные поисковые приборы./Специальная техника, 2000, №6.
6. Любимов В.В. Диагностические магнитометры для проведения электромагнитного мониторинга в условиях города и современные методы и средства индивидуально-массовой визуализации его результатов. Обзор. Препринт №6 (1116). М.: ИЗМИРАН, 1998.
7. Магниторазведка. Справочник геофизика./Под ред. В.Е.Никитского, Ю.С.Глабовского. М.: Недра, 1980.
8. Афанасьев Ю.В. Феррозонды. Л.: Энергия, 1969.
9. 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.
10. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника.Т.1. М.: ДМК Пресс, 2001.
11. Обнаружитель ферромагнитных объектов./Щербаков Г.Н., Анцелевич М.А., Удинцев Д.Н., Миронов С.И. Патент N38962 от 06.02.2004 г.
12. Обнаружитель ферромагнитных объектов./Щербаков Г.Н., Анцелевич М.А., Удинцев Д.Н., Миронов С.И., Глущак Б.П., Филин В.Г. Патент N42329 от 08.09.2004 г.