МИНОИСКАТЕЛЬ Российский патент 2003 года по МПК G01V3/12 G01N22/00 

Предлагаемое устройство относится к области контрольно-измерительной техники, а именно к устройствам, предназначенным для 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 последние годы поднимает вопрос о запрещении мин как вида оружия.

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

Известны устройства для обнаружения в почве инородных образований, в том числе и мин (авт. свид. СССР 336463, 380910, 411268, 417675, 734957, 930034, 932098, 941776, 947666, 1079946, 1208402, 1368685, 1462217, 1657988, 1781577, 1800219; патенты РФ 1806390, 2011110, 2036372, 2047039, 2047815, 2053436, 2084757; патенты США 3045116, 3744289, 4091322, 4289019; патент Великобритании 1349120; патенты Франции 2374628, 2504651; патент ФРГ 3112829; патенты Японии 46-11795, 55-6856, 63-22531; Дикарев В.И., Койнаш Б. В. , Сальников В.П., Сандулов Ю.А. Взрывоопасные объекты. Методы и средства поиска, обнаружения, обезвреживания и утилизации. - С-Пб., 2001 г. и другие).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является "Трассоискатель подземных коммуникаций" (патент РФ 1806390, G 01 V 3/00, 1991 г.), который и выбран в качестве прототипа.

Указанное устройство включает в себя комплект, состоящий из генератора тональных импульсов и приемника, антенна которого настраивается на частоту генератора.

Данное устройство основано на принципах радиолокации, когда посылаются радиоимпульсы в почву, а измеряется сигнал, отраженный от препятствия (мины) и отличающийся амплитудой или фазой от зондирующего сигнала. Вследствие большого поглощения радиоволны в почве это устройство обладает малой чувствительностью обнаружения и недостаточным разрешением, особенно неметаллических, например пластмассовых, мин.

Кроме того, надежные измерения и идентификация электромагнитных колебаний, обусловленных переизлучением подповерхностных объектов (мин), затруднено из-за высокого уровня помех естественного (грозовая активность, возмущения в ионосфере и т.д.) и искусственного (промышленные установки, радиотехнические средства коммуникаций и т.п.) происхождения.

Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости, чувствительности и надежности обнаружения в почве мин, в том числе и неметаллических, например пластмассовых, в условиях сильных помех естественного и искусственного происхождения.

Поставленная задача решается тем, что устройство, содержащее последовательно включенные блок питания, передающий блок и передающую антенну, первый - стрелочный индикатор и последовательно включенные первую приемную антенну и приемный блок, снабжено второй приемной антенной, тепловизиром, амплитудным детектором, измерителем температуры, вторым стрелочным индикатором и двумя блоками обработки, каждый из которых состоит из последовательно включенных линии задержки, блока вычитания, блока интегрирования, блока деления, второй вход которого соединен с выходом блока вычитания, блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока формирования эталонного значения, ключа и стрелочного индикатора, причем выход приемного блока через амплитудный детектор подключен к входу линии задержки, к второму входу блока вычитания и ключа первого блока обработки, к выходу второй приемной антенны последовательно подключены тепловизор и измеритель температуры, выход которого соединен с входом линии задержки и вторым входом блока вычитания и ключа второго блока обработки, в качестве передающего блока использован многочастотный источник СВЧ-энергии, антенны выполнены рупорными и объединены в антенный блок, укрепленный на штанге.

Структурная схема миноискателя представлена на чертеже. Глубина проникновения энергии СВЧ-излучения в зависимости от длины волны в различных грунтах представлена в таблице. Анализ указанной таблицы свидетельствует о том, что для облучения почвы целесообразно использовать многочастотный источник СВЧ-энергии.

Миноискатель содержит последовательно включенные блок 1 питания, передающий блок 2 и передающую антенну 3, последовательно включенные первую приемную антенну 4, приемный блок 6, амплитудный детектор 8, линию 10 задержки, блок 12 вычитания, второй вход которого соединен с выходом амплитудного детектора 8, блок 14 интегрирования, блок 16 деления, второй вход которого соединен с выходом блока 12 вычитания, блок 20 сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока 18 формирования эталонного напряжения, ключ 22, второй вход которого соединен с выходом амплитудного детектора 8, и стрелочный индикатор 24, последовательно включенные приемную антенну 5, тепловизор 7, измеритель 9 температуры, линию 11 задержки, блок 13 вычитания, второй вход которого соединен с выходом измерителя 9 температуры, блок 15 интегрирования, блок 17 деления, второй вход которого соединен с выходом блока 13 вычитания, блок 21 сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока 19 формирования эталонной температуры, ключ 23, второй вход которого соединен с выходом измерителя 9 температуры, и стрелочный индикатор 25. Антенны 3, 4 и 5 выполнены рупорными, объединены в антенный блок и укреплены на штанге.

Миноискатель работает следующим образом.

Основным режимом работы миноискателя является режим "Поиск". Этот режим устанавливается автоматически при включении прибора и используется при поиске и обнаружении подповерхностных объектов, в том числе и мин.

При подаче на миноискатель напряжений питания передающий блок 2 формирует зондирующий СВЧ-сигнал, излучаемый передающей антенной 3 в направлении поверхности Земли.

Обнаружение подповерхностных объектов в том числе и мин, в режиме "Поиск" осуществляется сапером путем перемещения перед собой вправо-влево антенного блока, содержащего антенны 3-5 и укрепленного на штанге (не показан на чертеже), и движением вперед в заданном направлении. При этом необходимо следить за тем, чтобы антенный блок перемещался параллельно обследуемой поверхности на фиксированном расстоянии (не более 5 см от нее). Скорость перемещения антенного блока выбирается в зависимости от условий поиска и должен быть в пределах 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.

Электромагнитная волна, отражающаяся от подповерхностного объекта (мины), воздействует на приемную антенну 4. При этом напряжение с выхода приемного блока 6 поступает на вход измерителя напряженности электромагнитного поля, в качестве которого может быть использован амплитудный детектор 8. В каждой точке наблюдения производится не менее двух последовательных измерений напряженности отраженного электромагнитного поля. Затем производится операция вычитания двух последовательных измерений. Для этого сигнал, соответствующий предшествующему измерению, задерживается линией 10 задержки до момента сравнения его с последующим сигналом в блоке 12 вычитания. Операции интегрирования разностного сигнала и деления разностного сигнала на проинтегрированный разностный сигнал производится в блоках 14 и 16. В блоке 20 осуществляется сравнение нормированного сигнала с пороговым значением сигнала, задаваемого блоком 18.

Операция сравнения нормированного сигнала с заданным пороговым значением позволяет принять решение о наличии или отсутствии подповерхностного объекта (мины). Если нормированный сигнал превышает пороговое значение, то в блоке 20 сравнения формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 22, открывая его. В исходном состоянии ключ 22 всегда закрыт. При этом напряжение с выхода амплитудного детектора 8 через открытый ключ 22 поступает на стрелочный индикатор 24.

Многочастотный источник 2 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 (таблица). 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 5, тепловизором 7 и измеряется измерителем 9 температуры. При этом в каждой точке наблюдения производится не менее двух последовательных измерений температурного поля. Затем производится операция вычитания двух последовательных измерений. Для этого тепловой сигнал, соответствующий предшествующему измерению, задерживается до момента сравнения его с последующим тепловым сигналом (температурой) в блоке 13 вычитания. Операции интегрирования разности температур и деления разности температур на проинтегрированную разность температур производится в блоках 15 и 17. В блоке 21 осуществляется сравнение нормированной температуры с пороговым значением температуры, задаваемым блоком 19. В случае превышения заданного порогового значения в блоке 19 формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 23, открывая его. При этом измерения температуры с выхода измерителя 9 через открытый ключ 23 поступают на стрелочный индикатор 25.

Предлагаемый миноискатель должен 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 (мина), 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, максимальную 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 подповерхностного объекта, при этом размеры слоя почвы определяются тактико-техническими требованиями поиска мин. Таким образом, для оценки мощности можно использовать следующие данные:
l - толщина разогреваемого слоя порядка 5 см (глубина укладки противопехотной мины);
S - облучаемая поверхность 0,5•0,5 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, составляющий для современных средств контроля (тепловизор с измерителем температуры, матрицы из высокочувствительных термопар и т.д.) величину ~0,1^oС, однако для надежного обнаружения это значение надо увеличить в пять.

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 миноискателя
Предлагаемое устройство регистрирует не абсолютную температуру облучаемой поверхности, а ее прирост, отсекая постоянный неинформативный для поставленной задачи электромагнитный и тепловой фоны. Это легко осуществить, разделив время облучения, равное времени измерения температуры, на отдельные интервалы, величину и число которых можно задавать произвольно. Кроме того, для исключения неинформативных электромагнитного и теплового фонов осуществляются периодические измерения напряженности электромагнитного температурного полей поверхности и операции нормирования разности напряженностей и температур двух последовательных измерений. Операции сравнения нормированных разностей температур и сигнала с заданными пороговыми значениями позволяют повысить достоверность принятия решения о наличие или отсутствие мины.

Использование в предлагаемом устройстве именно прироста температуры и напряженности электромагнитного поля в качестве регистрируемых параметров позволяет:
- использовать известные из радиотехники методы и устройства выделения и анализа переменных сигналов на фоне постоянных составляющих;
- повысить информативность выявления мин, ибо лишь габариты мины и различные теплофизические свойства 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 ΔТ, тем резче проявляются контуры искажающего тепловой поток предмета.

Современные медицинские тепловизоры и измерители температуры могут различать прирост температуры ΔT до 0,1^oС. Естественно, чем выше чувствительность ΔT 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 передающий блок СВЧ-излучений. В случае использования маломощных магнетронов масса и габариты передающего блока 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 и измерителя температуры масса 2...3 кг и габариты 3 дм³;
г) устройство защиты сапера от СВЧ-излучения. В принципе, возможно использовать просто спецодежду.

Проблема защиты - тема отдельного технического решения и для предлагаемого миноискателя важно, что масса защитных устройств не должна превышать 2...3 кг.

Следовательно, 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 из 1... 3 человека, хотя не исключена возможность их снижения (например, повышением чувствительности измерителя температуры, снижением массы аккумулятора и др. ).

Таким образом, предлагаемый миноискатель по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения позволяет повысить помехоустойчивость, чувствительность и надежность обнаружения в почве мин, в том числе неметаллических, например пластиковых, в условиях сильных помех естественного и искусственного происхождения. Это достигается за счет исключения вариаций электромагнитного и температурного полей, не связанных с отраженным электромагнитным полем и с теплофизическими параметрами мин: тепловые помехи естественного (Солнце) и искусственного (промышленные установки, трубопроводы с горячей водой, тепловые трубы и т.д.) происхождения, использования многочастотного источника СВЧ-энергии и применением рупорных антенн.

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для обнаружения инородных образований в почве, а конкретно мин, в частности противопехотных. Технический результат: повышение помехоустойчивости, чувствительности и надежности обнаружения в почве мин, в том числе и неметаллических, например пластиковых, в условиях сильных помех естественного и искусственного происхождения. Сущность изобретения: миноискатель содержит блок питания, передающий блок, передающую антенну, приемные антенны, приемный блок, тепловизор, амплитудный детектор, измеритель температуры, два блока обработки, каждый из которых состоит из последовательно включенных линии задержки, блока вычитания, блока интегрирования, блока деления, блока сравнения, ключа и стрелочного индикатора. 1 табл., 1 ил.

Миноискатель, содержащий последовательно включенные блок питания, передающий блок и передающую антенну, первый стрелочный индикатор и последовательно включенные первую приемную антенну и приемный блок, отличающийся тем, что он снабжен второй приемной антенной, тепловизором, измерителем температуры, вторым стрелочным индикатором и двумя блоками обработки, каждый из которых состоит из последовательно включенных линии задержки, блока вычитания, блока интегрирования, блока деления, второй вход которого соединен с выходом блока вычитания, блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока формирования эталонного значения, ключа и стрелочного индикатора, причем выход приемного блока через амплитудный детектор подключен к входу линии задержки, к второму входу блока вычитания и ключа первого блока обработки, к выходу второй приемной антенны последовательно подключены тепловизор и измеритель температуры, выход которого соединен с входом линии задержки и вторым входом блока вычитания и ключа второго блока обработки, в качестве передающего блока использован многочастотный источник СВЧ-энергии, антенны выполнены рупорными и объединены в антенный блок, укрепленный на штанге.