СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ МИН В ПОЧВЕ Российский патент 1998 года по МПК G01V3/12 G01N22/00 

Изобретение относится к технике обнаружения инородных образований в почве, а конкретно мин, в частности противопехотных.

Проблема поиска и обнаружения мин чрезвычайно актуальна. Число их, находящихся в почве, измеряется сотнями миллионов, ежегодно к ним прибавляется 2,0 - 2,5 миллиона новых, а обезвреживается в лучшем случае 100 тыс. мин в год. На минных полях гибнут или получают увечья не только военнослужащие во время боевых действий, но и гражданские лица, посещающие места былых сражений. Мировая общественность последние годы поднимает вопрос о запрещении мин, как вида оружия.

Современные средства обнаружения мин недалеко ушли от уровня Второй мировой войны.

Известны способы обнаружения мин, основанные на измерении искажения статических характеристик почвы (магнитных [1], электростатических, тепловых [2], запаха [3] и др.), обусловленного наличием в почве постороннего предмета, например мины. Эти способы сложны, громоздки и, тем не менее, недостаточно надежны, не обеспечивают 100% выявления.

Известны способы обнаружения мин в почве, основанные на принципах радиолокации, когда посылают радиоимпульсы, а измеряют сигнал, отраженный от препятствия (мины) и отличающийся амплитудой или фазой от посылаемого сигнала. Вследствие большого поглощения радиоволн в почве эти способы обладают малой чувствительностью обнаружения и недостаточным разрешением, особенно неметаллических, например пластиковых мин.

Известен способ обнаружения мин в почве, основанный на облучении почвы источником СВЧ-энергии и измерения температурного поля поверхности почвы, получающегося вследствие нагрева слоя почвы на облучаемом участке с последующим суждением о типе мины [4, прототип]. Принципиальным отличием способа является измерение сигнала иной природы, чем посылаемый, а именно - измеряются последствия облучения СВЧ волной: возникающее тепловое поле. Согласно этому способу, доложенному на Конференции по обнаружению мин в Эдинбурге, Шотландия (октябрь 1996 г.), почву облучали антенной магнетрона микроволновой печи (частота 2450 МГц, импульсы 60 Гц, излучаемая мощность 750 Вт); метод измерения температуры и время обнаружения мины не указаны. Проведенные опыты показали разную, но различимую температуру поверхности почвы при наличии и при отсутствии в ней мины. Иных источников информации этого плана в просмотренных патентных фондах США, Великобритании, Германии, Франции, Швеции и России (СССР) не обнаружено.

Судя по скудности информации [4] и нашего опыта начальных поисков технического решения, можно утверждать, что измерение просто теплового поля связано с большими ошибками при разрешении объекта среди помех. Для снижения этих ошибок необходимо либо чрезвычайно точное измерение температуры с погрешностью менее 0,1 градуса, либо большой расход СВЧ-энергии на нагрев почвы до уровня, при котором станет разрешимым градиент температуры по наблюдаемой поверхности, а все это приводит к возрастанию массогабаритных характеристик миноискателя. Таким образом, поиск технического решения, основанного на принципе "облучать минированное поле СВЧ-энергией, а измерять температуру почвы", требует существенно новых подходов.

Техническим результатом настоящего изобретения является надежное обнаружение мин в почве, в том числе пластиковых, противопехотных, малогабаритной аппаратурой, доступной переноске сапером или, в крайнем случае, перемещению на легкой тележке.

Технический результат достигается использованием того же принципа, что и в [4] - "облучаем почву СВЧ энергией, а контролируем возникающее на поверхности почвы тепловое поле", но контроль этого поля проводят в динамике, дискретно - через заданные промежутки времени. При этом регистрируют лишь прирост температуры, который становится неравномерным, если на пути поглощения СВЧ-потока почвой появляется предмет с отличающимися от окружающей почвы теплофизическими параметрами, т.е. изменяется тепловой поток к поверхности, проявляясь именно над этим теплофизически инородным предметом. Фиксируя контур, в котором исказился тепловой поток, и сравнивая этот контур с контурами характерных деталей искомого предмета - мины, судят о ее наличии под слоем почвы.

Искажение теплового потока миной проявляется в различных грунтах по-разному, но это различие сказывается не на форме обнаруживаемого контура, а на величине и знаке градиента температуры. Поясним это на двух крайних примерах:
грунт (например, песок) слабо поглощает СВЧ-энергию, т.е. пропускает ее вглубь, к месту установки мин. Если при этом мина поглощает СВЧ-энергию и, следовательно, нагревается, то над ней поверхность почвы будет нагреваться быстрее, чем над участком, где искажения теплового потока нет;
грунт (например, суглинок, влажный песок, асфальт) хорошо поглощает СВЧ-энергию, так что мина, не поглощающая СВЧ-энергию, будет экранировать отток тепла от поверхности, что опять таки проявится в изменении скорости нагрева поверхности.

Предлагаемый способ не чувствителен лишь при равенстве теплофизических свойств грунта и мины, однако таких совпадений практически не бывает.

Изложенная суть изобретения реализуема набором, вообще говоря, известных технических средств, удовлетворяющих комплексу требований поставленной задачи. Оценка этих требований приводит к следующим параметрам аппаратуры, реализующей заявленный способ:
1. Частота разогревающего почву СВЧ-излучения
Длина волны должна быть сравнима с глубиной проникновения излучения в почву и с размером искомого предмета (мины), обладающего иными, чем почва, теплофизическими свойствами. При этом следует учесть и нелинейный характер поглощения СВЧ-энергии в материалах, увеличивающегося с повышением частоты. Таким образом, минимальную длину волны следует выбрать на уровне 2 - 3 см, а максимальную частоту (с учетом 2 - 3 кратного затухания) на уровне 3 - 5 ГГц. Минимальную частоту следует выбирать из условия, чтобы волна не "обтекала" мину, т. е. длина волны не должна существенно превышать размер искомого предмета. Отсюда следует, что максимальную длину волны целесообразно брать не более 50 - 60 см, а минимальную частоту излучения соответственно порядка 500 МГц.

2. Мощность СВЧ-излучения
Эту мощность можно оценить из условия необходимости разогрева слоя почвы до заданного уровня, определяемого возможностью индикации объекта, при этом размеры слоя почвы определяются тактико-техническими требованиями поиска мин. Таким образом, для оценки мощности можно использовать следующие цифры.

l - толщина разогреваемого слоя порядка 5 см (глубина укладки противопехотной мины),
S - облучаемая поверхность 0,5 x 0,5 м² (больше размеров мины, но меньше величины шага сапера),
c - теплоемкость почв: 0,75 ± 0,9 кДж/кг, ^oC,
ρ - плотность почв: 900 - 1600 кг/м³,
Δt - время облучения (время между шагами сапера по заминированному полю) не более 2 мин,
ΔT - прирост температуры, регистрируемой датчиком, составляющий для современных средств контроля (тепловизор, матрица из высокочувствительных термопар и т.д.) величину ~ 0,1^oC; однако для надежного обнаружения это значение надо увеличить раз в 5.

Учитывая, что при длине волны излучения ~ 12 см, мощность СВЧ P затухает в почве в 2 - 3 раза, получим

т.е. излучаемая мощность должна составить сотни Ватт.

3. Чувствительность обнаружения
Согласно сути предложенного способа регистрируют не абсолютную температуру облучаемой поверхности, а ее прирост, отсекая постоянный, неинформативный для поставленной задачи тепловой фон. Это легко осуществить, разделив время облучения, равное времени измерения температуры, на отдельные интервалы, величину и число которых можно задать произвольно. Использование в предложенном способе именно прироста в качестве регистрируемого параметра позволяет:
использовать известные из радиотехники устройства и методы выделения и анализа переменных сигналов на фоне постоянной составляющей,
повысить информативность выявления мин, ибо лишь габариты мины и различие теплофизических свойств мин и почвы отражаются на искажении теплового потока, проявляясь в контуре искажающего тепловой поток предмета. Как правило, мины имеют некоторые правильные конфигурации (круг, прямоугольник, кольцо), обусловленные технологией изготовления мин. Помехи же (булыжники, корни растений, обломки кирпича и др.) имеют очертания неправильной формы. Чем выше чувствительность различения ΔT, тем резче проявляются контуры искажающего тепловой поток предмета.

Современные медицинские тепловизоры с построчным сканированием могут различить прирост ΔT до 0,1^oC. Понятно, что, чем выше чувствительность регистрирующего ΔT устройства, тем меньше уровень мощности, необходимый для облучения почвы.

4. Массогабаритные характеристики миноискателя
Массогабаритные характеристики миноискателя также определяются тактико-техническими требованиями его эксплуатации: миноискатель должен быть автономным и обслуживаться персоналом из 1 - 2 человек.

Массогабаритные характеристики миноискателя складываются из 4 частей:
а) генератор СВЧ. В случае использования маломощных магнетронов масса и габариты генератора составляют 4 - 6 кг и 7 - 10 дм³ соответственно;
b) источник питания. В случае использования аккумулятора (например, от - автомобиля КАМАЗ) масса 25 кг, а габариты - 5 дм³;
c) измеритель температурного поля. В случае использования тепловизора, питаемого от того же аккумулятора, масса 2 - 3 кг и габариты ~ 3 дм³;
d) устройство защиты сапера от СВЧ-излучения. В принципе, возможно использовать просто спецодежду. Проблема защиты - тема отдельного технического решения и для настоящего изобретения важно, что масса защитных устройств не должна превышать 2 - 3 кг.

Таким образом, даже при использовании комбинации известных устройств получаем габариты миноискателя на уровне 20 дм³, а массу порядка 35 кг. Такие характеристики уже приемлемы для автономного обслуживания персоналом 1 - 2 человека, хотя не исключена возможность их снижения (например, повышением чувствительности измерителя температуры, снижением массы аккумулятора и др. ).

Опробование способа было проведено на большом количестве предметов под слоем почвы (глубиной 3 - 5 см) и особенно мин различных типов и модификаций, в том числе в пластмассовых корпусах. Испытания проводились в различных грунтах (песок, суглинок и т.д.); помехами служили булыжники, куски дерева, обломки кирпича. Облучение производилось генераторами СВЧ, включающими магнетрон с частотой микроволновой печи (f = 2,45 ГГц, магнетрон М-105) или магнетрон с частотой 0,915 ГГц, При испытаниях в условиях излучения мощности 500 Вт в течение 2-минутного облучения (шаг сапера) удалось различить:
в суглинке, асфальте и подобных почвах (с большим поглощением СВЧ) все типы мин и в металлических, и в пластмассовых корпусах;
в песке лишь некоторые, которые сами поглощали СВЧ-энергию и, следовательно, нагревались (т.е. в неметаллических корпусах).

Для обнаружения слаборазогревающихся мин необходимо было либо увеличить время облучения (свыше 2 мин), либо увеличивать мощность генератора свыше 500 Вт.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки
[1] Патент США N 4091322, кл. 324/3, 1978.

[2] Осборн Р. , Возможность создания ИК-миноискателя, "Электроника", 1963, N 31, стр. 18.

[3] P. McGoldrick, Searching for mines, Electronic Design, 1996, v. 44, N 25, p. 75.

[4] P. McGoldrick, Searching for mines, Electronic Design, 1996, v. 44, N 25, p. 76, 78. (прототип).

Использование: для надежного обнаружения мин под поверхностью почвы малогабаритной аппаратурой. Сущность изобретения: облучают поверхность почвы энергией СВЧ и контролируют прирост температуры, получающийся в результате нагрева почвы, разный на участках, где имеется мина в почве и где ее нет. Сопоставляя контуры прироста температуры с характерными размерами мины, судят с ее наличии в почве.

Способ обнаружения мин в почве, включающий облучение почвы источником СВЧ-энергии и измерение контуров температурного поля поверхности, получающегося в результате нагрева слоя почвы на облучаемом участке, и суждение о наличии и типе мины, отличающийся тем, что облучение почвы проводят по поверхности, заведомо превышающей предполагаемые размеры мины, измеряют изменение распределения температуры по облучаемой поверхности в течение времени облучения, фиксируют контуры прироста температуры и сопоставляют эти контуры с контурами мины или ее характерных деталей.