СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ МИН В ПОЧВЕ Российский патент 2003 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 тысяч 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 в последние годы поднимает вопрос о запрещении мин, как вида оружия.

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

Известны способы обнаружения мин в почве [4,5], основанные на принципах радиолокации, когда посылают радиоимпульсы в почву, 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 [6].

Принципиальным отличием данного 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 (несущая частота 2450 МГц, частота следования импульсов 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, ФРГ (Германии), Франции, Швеции, Японии и СССР (России) не обнаружено.

Судя по скудности информации [6], 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.

Известны способы обнаружения мин в почве [7], основанные на различных физических принципах.

Известен также способ обнаружения мин в почве [8], основанный на облучении почвы источником СВЧ-энергии и контроле температурного поля поверхности почвы, 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 кратких 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.

Данный способ, выбранный в качестве базового, не чувствителен лишь при равенстве теплофизических свойств грунта и мины, однако такие совпадения практически не бывают.

Вместе с тем надежные измерения контуров температурного поля поверхности, получающегося в результате нагрева слоя почвы на облучаемом участке, и идентификация их с контурами обнаруживаемой мины затруднены из-за высокого уровня вариаций температурного поля, не связанных с тепло-физическими параметрами обнаруживаемой мины: тепловые помехи естественного (Солнце) и искусственного (промышленные установки, трубопроводы с горячей водой, тепловые трубы и т.д.) происхождения.

Кроме того, мины и другие взрывоопасные объекты могут размещаться в почве различного происхождения, что оказывает существенное влияние на глубину проникновения энергии СВЧ-излучения. Глубина проникновения энергии СВЧ-излучения в зависимости от длины волны в различных грунтах представлена в таблице. Анализ указанной таблицы свидетельствует, что для облучения почвы целесообразно использовать многочастотный источник СВЧ-энергии.

Технической задачей изобретения является повышение однозначности обнаружения мин в почве путем исключения вариаций температурного поля, не связанных с теплофизическими параметрами мин, и использования многочастотного источника СВЧ-энергии.

Поставленная задача решается тем. что согласно способа обнаружения мин в почве, включающей облучение почвы источником СВЧ-энергией и измерение контуров температурного поля поверхности, получающегося в результате нагрева слоя почвы на облучаемом участке, и суждение о наличии и типе мины, при этом 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, для облучения почвы используют многочастотный источник СВЧ-энергии, перемещают его вместе с приемником тепловой энергии над исследуемой поверхностью почвы, периодически производят в точке наблюдения не менее двух последовательных измерений температуры почвы, определяют разность температур двух последовательных измерений, интегрируют полученную разность температур, делят разность температур на проинтегрированную разность температур, сравнивают полученное значение с заданным пороговым значением и, в случае превышения заданного порогового значения, фиксируют контуры прироста температуры.

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на чертеже, где введены следующие обозначения:
1 - многочастотный источник СВЧ-энергии;
2 - передающая антенна;
3 - приемная антенна;
4 - тепловизор;
5 - линия задержки;
6 - блок вычитания;
7 - блок интегрирования;
8 - блок деления;
9 - блок формирования эталонного значения температуры;
10 - блок сравнения;
11 - блок регистрации и анализа.

Причем к выходу приемной антенны 3 последовательно подключены тепловизор 4, линия 5 задержки, блок 6 вычитания, второй вход которого соединен с выходом тепловизора 4, блок 7 интегрирования, блок 8 деления, второй вход которого соединен с выходом блока 6 вычитания, блок 10 сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока 9 формирования эталонного значения температуры, и блок 11 регистрации и анализа.

Способ осуществляют следующим образом.

Обнаружение подповерхностных мин осуществляется сапером путем перемещения перед собой вправо-влево антенного блока, состоящего из передающей 2 и приемной 3 антенн, укрепленного на штанге, и движением вперед в заданном направлении. При этом необходимо следить за тем, чтобы антенный блок перемещался параллельно обследуемой поверхности на фиксированном расстоянии от нее (не более 5 см). Скорость перемещения антенного блока выбирается в зависимости от условий поиска и должна быть 0,1...1,0 м/с. В процессе поиска необходимо чередовать поперечные и продольные перемещения антенного блока таким образом, чтобы после каждого взмаха справа налево или слева направо антенный блок перемещался вперед на расстояние до 20 см (на величину своего линейного размера). При этом необходимо следить за тем, чтобы был обследован весь проверяемый участок местности.

Многочастотный источник 1 СВЧ-энергии обеспечивает облучение почвы и находящихся в ней объектов, в том числе и мин. При этом в зависимости от типа почвы выбирается соответствующая длина волны СВЧ-излучения. При сложном характере почвы могут использоваться две и более длин волн, одновременно или последовательно.

Возникающее температурное поле поверхности в результате нагрева слоя почвы на облучаемом участке воспринимается приемной антенной 3 и измеряется тепловизором 4. При этом в каждой точке наблюдения производят не менее двух последовательных измерений температурного поля. Затем производится операция вычитания двух последовательных измерений. Для этого тепловой сигнал, соответствующий предшествующему измерению, задерживается линией 5 задержки до момента сравнения его с последующим тепловым сигналом (температурой) в блоке 6 вычитания. Операции интегрирования разности температур и деления разности температур на проинтегрированную разность температур производится в блоках 7 и 8. В блоке 10 осуществляется сравнение нормированной температуры с пороговым значением температуры, задаваемых блоком 9. В случае превышения заданного порогового значения в блоке 11 фиксируются контуры прироста температуры.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, должно иметь следующие параметры:
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 (таблица). Таким образом, 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. При использовании нескольких длин они могут применяться последовательно или параллельно.

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 0,5х0,5 м² (больше размеров мины, но меньше величины шага сапера);
с - теплоемкость почв: 0,75±0,9 кДж/кг С^o;
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, составляющей для современных средств контроля (тепловизор, матрица из высокочувствительных термопар и т.д.) величину ~0,1^oС;
однако для надежного обнаружения это значение надо увеличить раз в 5. Учитывая, что при длине волны излучения ~ 12 м, мощность Р СВЧ-излучения затухает в почве в 2...3 раза, получим

т.е. излучаемая мощность должна составить сотни ватт.

3. Чувствительность устройства обнаружения мин
Согласно сути предлагаемого способа регистрации 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 задавать произвольно. Кроме того, для исключения неинформативного теплового фона осуществляют периодическое измерение температурного поля поверхности и операцию нормирования разности температур двух последовательных измерений, т.е. интегрируют разность температур и делят разность температур на проинтегрированную разность температур. Операция сравнения нормированной разности температур с заданным пороговым значением позволяет повысить достоверность принятия решения о наличии или отсутствии мины.

Использование в предлагаемом способе именно прироста температуры 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 температуры ΔT до 0,1^oС. Естественно, чем выше чувствительность ΔТ регистрирующего 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 четырех частей:
а) многочастотный генератор СВЧ-излучений. В случае использования маломощных магнетронов масса и габариты генератора составляют 4...6 кг и 7...10 дм³ соответственно;
б) источник питания. В случае использования аккумулятора (например, от автомобиля КАМАЗ) масса 25 кГ, а габариты - 5 дм³;
в) измеритель температурного поля. В случае использования тепловизора, питаемого от того же аккумулятора, масса 2...3 кг и габариты - 3 дм;
г) устройство защиты сапера от СВЧ-излучения. В принципе, возможно использовать просто спецодежду. Проблема защиты - тема отдельного технического решения и для предлагаемого способа 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 принципа обнаружения мин в почве 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. Испытание проводилось 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 ГТц, 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 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.

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения позволяет повысить надежность обнаружения мин в почве. Это достигается за счет исключения вариаций температурного поля, не связанных с теплофизическими параметрами мин, и использования многочастотного источника СВЧ-энергии.

Источники информации
1. Патент США 4091322, кл. 324/3, 1978.

2. Осборн Р. Возможности создания ИК-миноискателя.// Электроника, 1963, 31. -С.18.

3. Р. Mc.Goldrick. Searchiug for mines. Electronic Design, 1996, v.44, 25, р.75.

4. Патент 2044331 (РФ). Способ геоэлектроразведки. Дикарев В.И., Федоров В.В., Шилим И.Т. БИ 26, 1995; МКИ G 01 V 3/12.

5. Патент 2105330 (РФ). Геофизический радиолокатор. Чернышев Е.Э., Кротов Н.А., Астанин Л.Ю., Дорский Ю.Д., Норкин В.И. БИ 5, 1998; МКИ G 01 V 3/12.

6. P. Mc.Goldrick. Searching for mines // Electronic Design, 1996, 25, p.76, 78.

7. Дикарев В. И. , Койнаш Б.В., Сальников В.П., Сандулов Ю.А. Взрывоопасные объекты. Методы и средства поиска, обнаружения, обезвреживания и утилизации. - СПб, 2001 г.

8. Патент 2122224 (РФ). Способ обнаружения мин в почве. Морозов О.А., Воскобойник М.Ф. БИ 7, 1998; МКИ G 01 V 3/12.

Изобретение относится к технике обнаружения инородных образований в почве, а конкретно мин, в частности противопехотных. Технический результат: повышение надежности обнаружения. Облучают почву многочастотным источником СВЧ-энергии, перемещая его вместе с приемником тепловой энергии над поверхностью почвы. Периодически производят в точке наблюдения не менее двух последовательных измерений температуры почвы. Определяют разность температур двух последовательных измерений, интегрируют ее, делят разность температур на проинтегрированную разность, сравнивают полученное значение с заданным пороговым значением. В случае превышения порогового значения фиксируют контуры прироста температуры. 1 табл., 1 ил.

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, при этом облучение почвы проводят по поверхности, заведомо превышающей предполагаемые размеры мины, измеряют измерение распределения температуры по облучаемой поверхности в течение времени облучения, фиксируют контуры прироста температуры и сопоставляют эти контуры с контурами мины или ее характерных деталей, отличающийся тем, что для облучения почвы используют многочастотный источник СВЧ-энергии, перемещают его вместе с приемником тепловой энергии над исследуемой поверхностью почвы, периодически производят в точке наблюдения не менее двух последовательных измерений температуры почвы, определяют разность температур двух последовательных измерений, интегрируют полученную разность температур, делят разность температур на проинтегрированную разность температур, сравнивают полученное значение с заданным пороговым значением и в случае превышения заданного порогового значения фиксируют контуры прироста температуры.