Utilizando un detector NQR móvil mediante un mini-helicóptero.

Usando un detector NQR móvil usando un mini -helicóptero..

USO DE UN DETECTOR NUCRF MÓVIL USANDO UN MINI HELICÓPTERO  

El artículo analiza un sistema de detección de minas NQR mejorado, caracterizado por una mayor estabilidad de fase y diseñado para detectar señales NQR con alta multiplicidad y ancho espectral. También se propone un programa para la evaluación espectral de señales NQR de banda ancha (hasta 100 kHz) con una relación señal-ruido baja. El detector NQR móvil está integrado con un mini-helicóptero.

El primer experimento para detectar la mina doméstica TM-62P se llevó a cabo cerca de Kaliningrado (KVIUIV) en 1984 [1] a una frecuencia de 3410 kHz (RDX) a una distancia de 7 cm, con una elevación adicional del plano de la superficie de la bobina por encima. del suelo a 2 cm. La potencia del pulso fue de 0,5 kW, para el tren de pulsos SORC con desafinación de 1 kHz. Se utilizó un detector síncrono con una señal de absorción pura [2]. En 1985, se diseñó un nuevo dispositivo (Fig. 1) a una frecuencia de 5192 kHz (RDX) [3], mientras que se detectaron las minas TS-2.5, TS-6 y M-14 (por tetril 5290 kHz). Durante la producción de minas, el tetril fundido se solidifica directamente en el cuerpo de la mina y representa una solución sólida, por lo tanto, la señal 14N NQR en TNT tiene una estructura multiplete más compleja que las señales de RDX y requiere que el dispositivo de detección tenga alta sensibilidad y resolución en un Señal NQR de banda ancha (hasta 100 kHz). El uso de un detector síncrono permite el uso de acumulación de señal digital para aumentar la relación señal-ruido. El oscilador de cristal sincroniza el funcionamiento de los generadores de RF 1 y 2, así como el generador de impulsos. La señal sinusoidal de la salida de los generadores se envía a la entrada de los formadores de señales digitales correspondientes (ФЦС 1 y ФЦС 2), de cuya salida se toma la onda cuadrada de la frecuencia correspondiente. Luego, estas señales se modulan mediante una señal de generador de impulsos, se mezclan y se introducen en un amplificador de potencia. El uso de un oscilador de cuarzo sincronizador permite mantener constante la fase de la señal en todos los circuitos del circuito. El sistema de bobina consta de una bobina de alimentación plana de una sola vuelta y 4 antenas receptoras de ferrita. El circuito de supresión de timbre (Q-switch) se utiliza para amortiguar la señal del circuito receptor durante la acción de los pulsos irradiantes. Después de amplificar la señal de eco recibida de la mina, se mezcló en un detector síncrono de dos canales, tipo Schuster, con las señales de los osciladores maestros 1 y 2. Después de digitalizar la señal NQR de TNT con un muestreo de no más de 5 μs, se acumula y registra en forma de archivo, lo que permite su posterior procesamiento digital mediante métodos de estimación espectral para mejorar la resolución y la relación señal-ruido.

Fig. 1 Diagrama del dispositivo de detección de minas

También se probó un detector de fase digital basado en un disparador J,K. Las frecuencias resonantes de los circuitos de irradiación y recepción y el grado de su acoplamiento se ajustaron de tal manera que la respuesta de frecuencia máxima del sistema de recepción e irradiación coincidiera con las frecuencias de los osciladores maestros.

Además de las soluciones de explosivos, también se estudiaron soluciones sólidas de paranitrotolueno y trinitrotolueno, que se encuentran a menudo en la práctica. La presencia de paranitrotolueno confiere al TNT su característico color amarillo y olor desagradable, que los perros utilizan para encontrar minas. Cuando se agregó TNT al 7% al paranitrotolueno, la línea NQR a una frecuencia de 1144 kHz se ensanchó 10 veces y para observarla fue necesario utilizar una secuencia de ecos estimulados, mientras que para las minas TC-2.5 y TC-6 una secuencia de igualmente Se utilizaron pulsos desafinados espaciados (SORC). La misma secuencia utilizamos para detectar minas de tetril (M-14). En la figura. La figura 2 muestra la sintonización de una bobina de superficie en forma de anillo, de 25 cm de diámetro, y cuatro bobinas de ferrita sobre ferritas M-61 para las frecuencias n- y n+ de TNT. Los factores de calidad parciales de las curvas alcanzaron 460, y con el uso de un multiplicador de factor de calidad, hasta 4600, lo que permite detectar espectros NQR en modo de doble frecuencia para la mina TS-2.5 a una distancia de hasta 8 cm Para suprimir los efectos piezoeléctricos, el anillo plano se elevó 2 cm por encima de la superficie del suelo. Los contornos se ajustan con condensadores variables y se cambia el coeficiente de acoplamiento entre las bobinas planas y de ferrita cambiando la distancia entre el anillo y las ferritas perpendiculares. En este caso también se puede ajustar dentro de amplios límites el factor de calidad de las curvas de resonancia parciales. Normalmente, el trabajo se realiza con factores de calidad parciales de 450 — 500.

Fig. 2. Sintonización de frecuencias de trinitrotolueno

De hecho, el sistema ajusta cada circuito para sintonizar dos frecuencias. Si el coeficiente de acoplamiento era menor que la unidad, se producía un fuerte aumento en el factor de calidad y aumentaba el rango de detección de la señal NQR. Si los factores de calidad de los circuitos conectados (un anillo plano y cuatro ferritas con bobinas) son diferentes, entonces los factores de calidad parciales son muy diferentes entre sí. Se cree que ambos circuitos se pueden sintonizar a diferentes frecuencias y tienen diferentes factores de calidad. Cambiar el coeficiente de acoplamiento no afecta los factores de calidad parciales, pero tiene un fuerte efecto en las frecuencias parciales. Para una configuración más precisa y conveniente, se utilizó un programa de computadora. No sólo se estudiaron soluciones sólidas de TNT, sino también sus complejos con naftaleno y paranitrotolueno, así como algunos isómeros de TNT que se pueden encontrar en los rellenos de las minas. Para ello se utilizó el doble NQR [4, 5]. Aunque el NQR puede utilizarse para detectar minas, los informes de la Conferencia Internacional sobre Acción contra las Minas celebrada en Ljubljana (2000) mostraron una vez más la presencia de una serie de problemas graves en la detección de TNT, a diferencia del RDX y el tetril [1, 2]. El sistema [3] se probó solo en un entorno de laboratorio, ya que requería una configuración compleja, mientras que el sistema [2] resultó ser el más simple y confiable probado en KVIUIV en Borisovo, así como en Nakhabino y Novosibirsk. Un sistema similar incluía una bobina de superficie con un diámetro de 20 cm (coaxialmente con la bobina de TNT) y bobinas de acoplamiento para RDX y tetril enrolladas en cada una de las cuatro ferritas M61 con ajustes como en la Fig. 3.

Fig.3. Sintonización de frecuencias RDX y tetril

Fig.5. Espectro de señal de inducción después del procesamiento mediante el método MPM

En [12], se realizó una comparación de los métodos para mejorar la relación señal-ruido: el método de matriz MPM y el método de predicción lineal (LPSVD) para la señal NQR de RDX. Se superpuso ruido aleatorio a la señal original y se intentó detectar la señal NQR utilizando los métodos anteriores. Los resultados se presentan en la tabla. 1.

Tabla 1.

La tabla muestra que ambos métodos son aproximadamente iguales en sus capacidades. Ambos métodos pueden extraer la señal útil con una relación señal-ruido de al menos 0,5, que es mucho mejor que la transformada de Fourier estándar, que no funciona bajo ruido. El método LSPD funciona con mayor precisión, pero los costos computacionales son más del doble que el método MPM. En los cálculos, el número de datos es N = 575. Para los cálculos se utilizó MatLab V5. Cuando N> En 2000 hubo problemas con LSPD, esto no se observó con el método MPM.

Para digitalizar señales, se escribió un programa para extraer automáticamente datos de gráficos y generar ruido del nivel requerido en C++ Builder V5.

Foto 1. Amplificador de potencia de un detector NQR móvil

El dispositivo utiliza amplificadores de potencia del tipo AR-347 –1kW después de la modificación. El peso del detector móvil NQR era de unos 20 kg junto con un miniordenador y un teléfono LG7030, que, a través del programa LGInternetKit, permitía el acceso a Internet mediante Datos y Llamada GPRS.

El mini-helicóptero se muestra en la foto 2. Su peso es de 40 kg, su velocidad es de 90 km/h y su tiempo de vuelo es de 10 horas. La zona se inspeccionó con una cámara digital Digimax 101. En la plataforma del minihelicóptero se instaló una cámara termográfica, cuyos datos se transmitieron al monitor detector NQR y se utilizaron para la detección preliminar de minas. También se transmitió al detector NQR una imagen de un mapa digital de la zona con datos del sistema GPS y el minihelicóptero se controló desde un mando a distancia especial. Todo el sistema está controlado por una sola persona. El sistema se transporta al lugar de trabajo en el maletero de un coche. El detector y sistema de control NQR se mueve sobre un pequeño carro. Motor mini-helicóptero de 15 litros. s.

La profundidad de detección es de 25 cm para tetril y hexógeno, 8 cm para TNT.

Foto 2. Detector NQR en minihelicóptero

La señal NQR consiste en una mezcla de la señal de absorción V(fp) y la señal de dispersión u(fp), que tienen diferentes dependencias de la desafinación fp. Un detector de cuadratura puede aislar una señal de absorción pura si j = 0 para un canal y j = p/2 para otro, pero en el caso general V2(fp)cos2Dj + u2(fp)sin2Dj No. 1, es decir el error de fase no se compensa y se observa una señal distorsionada en ambos canales. Trabajar con desafinación en el programa SQRC [5] se vuelve difícil, porque la desafinación no se puede hacer óptima. La señal de absorción pura de 14N obtenida usando un detector de bloqueo a 5192 kHz en RDX se muestra en la Fig. 4 (muestra de 450 g a una distancia de 20 cm de la superficie de la bobina). En la figura. La Figura 5 muestra la señal NQR en RDX con SNR = 0,5. Los parámetros obtenidos se presentan en la tabla, que demuestra la ventaja de los métodos paramétricos cuando se trabaja con ruido. En NQR local, la SNR cae como 1/r, donde r es la distancia desde la muestra hasta la bobina de superficie, es decir a una distancia de 25 cm, la SNR cae en un factor de 25 y es 0,2, por lo que para utilizar los métodos LPSVD e ITMPM (SNR = 0,5) se requiere una acumulación preliminar de señal (10 acumulaciones), pero a 12 cm no es necesario Utilice un acumulador, lo que simplifica significativamente el equipo. Se realizó un experimento de este tipo.

Para reducir el papel de las resonancias acústicas que surgen en diversas piezas de plástico, se utilizó el método del latido cuántico, cuando las transiciones n0 = 1782 kHz y n- = 3410 kHz se excitaron mediante dos bobinas toroidales cruzadas y se transmitió radiación a la frecuencia n+ (5192 kHz). recibido en un anillo de 20 cm de diámetro, ubicado perpendicular a los campos de las bobinas toroidales, lo que redujo significativamente el tiempo muerto en la transición n+, así como la interferencia de las resonancias acústicas responsables de las falsas alarmas en el proceso de detección de una sustancia. [2]. Este método funciona bien a distancias de hasta 10 cm, pero cumple con los requisitos para una probabilidad de detección confiable del 99,6%.

Si sumamos n veces la señal con ruido S(t) + u(t ), luego la señal en SNR > 1 se agrega de manera incoherente y el ruido tiene dispersión

y luego obtenemos
.
Desde aquí

Sin embargo, este caso ideal se viola cuando SNR <1, porque como primera aproximación 
para la señal en sí: también está sujeta a dispersión.

Si SNR = 0,5, entonces

y la dispersión de fase es 390, que es significativamente menor que la dispersión de ruido. La relación SNR cae como 1/r, donde r es la distancia desde la bobina de superficie a la muestra. Creemos que la potencia del pulso para cada distancia es óptima, es decir,

, donde ;

Р – potencia de pulso;
g – relación giromagnética de los núcleos 14N;
Q – factor de calidad de la bobina de superficie;
n – frecuencia;
V – volumen del campo pr de la bobina;
tw – duración del pulso.

Si P = 2 kW, Q = 450; n = 5192 kHz, V = 5 l, entonces la duración del pulso a 20 cm será de 150 μs y SNR = 0,1, es decir dispersión
,
y a 35 cm
.

A grandes distancias, la dispersión del ruido y la señal se vuelven iguales y luego
dará
,
aquellos. una mayor acumulación ya no puede dar nada [1]. Sin embargo, el método ITMPM funciona con SNR = 0,5, lo que permite observar la señal NQR a 10 cm con un solo barrido, es decir. en 1 s, se puede detectar RDX en una persona. Relación

encontramos usando una gran cantidad de acumulaciones (10000 — 40000) a distancias de 25 a 35 cm para RDX. Si la distancia aumentó, entonces

,
después cuya acumulación ya no funcionaba. Tener en cuenta la no linealidad aumenta la dispersión de la señal en 20 cm a
,
y 30 cm a
.
Dado que la dispersión es el segundo momento de la línea, a 20 cm la línea NQR en RDX se ensancha 4,2 veces, y a 30 cm, 5,5 veces y se convierte en 1,6 kHz, es decir es necesario reducir 5 veces la duración del pulso excitador, aumentando 5 veces su potencia, que es lo que se hizo durante los experimentos.

Es fácil demostrar que a distancias superiores a 10 cm este error ya no puede ignorarse y debe ajustarse la fase de la tensión de referencia. El uso de métodos paramétricos de estimación espectral y ajuste de fase al aumentar la distancia a la sustancia permitió aumentar la probabilidad de detección confiable al 99,6%, lo que cumple con los requisitos de la ONU. Se pueden observar efectos similares al rotar grupos CCL3 en NQR, donde la transformada de Fourier no se puede utilizar en condiciones de ruido y trabajar con desafinación conduce a un aumento en la dispersión.

Me gustaría darle un papel especial al llamado ruido “coloreado”. Todos los resultados anteriores parecen sorprendentes, pero tenga en cuenta que el ruido que modelamos y agregamos a las señales es «blanco». Su poder se distribuye uniformemente en todo el espectro. En realidad, hay que trabajar con “ruido de colores”. Su densidad espectral de potencia está modulada por varias funciones. Son menos susceptibles a la acumulación estadística que el ruido blanco.

Foto 3. Vista de la zona desde un mini-helicóptero

Los resultados de la investigación se discutieron muchas veces en seminarios científicos en Kaliningrado, Aquisgrán, Dortmund, Darmstadt (Alemania) y Liubliana. (Eslovenia), Seúl

El uso de un mini-helicóptero permite reducir el tiempo necesario para despejar un área, ya que la cámara termográfica del mini-helicóptero ya da la ubicación aproximada de las minas, donde se envía al operador con un detector cuadrupolar, lo que hace que posible determinar con precisión la posición de la mina con una probabilidad del 97%.

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