Метод магнитометрического обнаружения взрывоопасных предметов

Проблема гуманитарного разминирования, а также поиск не-разорвавшихся боеприпасов (НВБ) являются в настоящее время весьма насущными. На территории более чем 70 «проблемных» стран заложено от 60 до 120 млн. мин (по разным данным), не говоря уже о существовании миллионов неразорвавшихся снарядов и авиабомб, оставшихся не только со времен Второй мировой войны, но и как «остатки» военных полигонов (только в США их более 20). В мире каждый год от мин погибает около 26 тыс. человек, в таких странах, как Ангола, в среднем у одного из 334 ам- путирована конечность, в Камбодже таких инвалидов более 25 тыс. человек, количество мин превышает число жителей. Другими проблемными странами являются Афганистан, Ирак, Кувейт, Индия, Колумбия, Ливан, Йемен, Мозамбик, Чад, Непал, Босния и др. Более 22 млн. человек в мире каж- дый день подвергаются риску в условиях минной опасности, при этом прогнозируется, что кризис, связанный с этим фактором, будет только нарастать [1, 2]. Две трети стран присоединилось к Конвенции (вступила в силу с 1 марта 1999 г.) о запрещении противопехотных мин - наиболее распространенных взрывоопасных предметов (ВОП). Но России, США, Израиля, Китая - крупнейших мировых производителей - в их числе не было (на начало 2005 г.).

В мире существует достаточно много организаций, кроме подразделений военно-инженерных войск, которые решают практические задачи по поиску ВОП и разминированию местности, в их ряду важнейшее место занимает Женевский международный центр гуманитарного разминирования (GICID) [3]. Проводятся периодические международные научно-практические конференции и рабочие совещания (наиболее значимые - UXO Forum, UNMAS Conf., US HDR Workshop, NDR Forum и др.), несколько научных лабораторий при университетах (Канада), прикладных НИИ (Германия, Великобритания) или военных научных лабораторий (США) проводят исследования в целях увеличения эффективности поиска. Однако ввиду комплексного характера и сложности проблемы единственно оптимального способа обнаружения и идентификации ВОП не существует [2, 3].

Химические (запах) и биологические (собаки, крысы и даже насекомые) методы поиска хотя и применяются, но обладают явной субъективностью, а значит недостоверностью результатов. Преимущественно используются физические методы обнаружения ВОП: активное электромагнитное зондирование приповерхностного слоя грунта электромагнитными импульсами и синусоидальными полями (метал-лообнаружители 2 - 50 кГц, георадар 100 – 900 МГц), сейсмической волной и нейтронным излучением, регистрация аномалий электропроводности и плотности грунта, измерения инфракрасного и гравитационного полей и пр. [2 – 5]. Каждый имеет свои преимущества и недостатки, выделить оптимальный невозможно, иначе бы промышленность выпускала, а инженеры использовали бы только его.

Наиболее широко применяемыми являются гармонические (FM – frequency domain) или импульсные (TD – time domain) активные металло-обнаружители или металлоискатели, принцип действия которых основан на регистрации вторичного электромагнитного поля, наводимого токами Фуко в металлическом теле под действием возбуждаемого первичного поля [3, 5]. В настоящее время более 30 фирм за рубежом и в России производят такие приборы, самыми известными являются CEIA (изделия MIL-D1, MIL-D1/DS, Италия), Vallon (VMC1, VMH2, VMH3, VMH3CS, VMM3, VMW1, Германия), Ebinger (EBEX-420, EBEX-535, Германия), Fisher (1235-X, 1266-XB, Германия), Minelab Electronics (FIA4, F3, F1A4, Австралия), Shie-bel Electronics (AN-19/2, ATMID, MIMID, Австрия), Geonics (EM61-Mk2, Канада), Guartel (MD4, MD8, MD2000, Великобритания), Whites (AF-108, DI-PRO-5900, MXT-300, DFX-300, Spec-trum-XLT, США), Garrett (GTAx-550, GTP-1350, GTI-2500, США), «АКА-Кон-троль» («Пилигрим-7246», «Кондор-7252», «Вектор-7262», Россия).

В ряду методов обнаружения ВОП значимое место занимает поиск магнитных аномалий (MAD – magnetic anomaly detection), которые создаются ферромагнитными металлическими оболочками абсолютного большинства ВОП [2, 4, 6]. При этом безоболочные взрывные устройства или специальные боеприпасы не обнаруживаются, однако они обладают наименьшей поражающей силой, так же неустойчиво обнаруживаются и другими методами. MAD – один из самых «глубоких» методов поиска, позволяющий обнаруживать ВОП (например, крупные авиабомбы, фугасы) на глубинах до 8 м. Кроме того, магнитометрический метод является пассивным, что обеспечивает неподрыв ВОП инициирующими физическими полями при активном зондировании, что зачастую необходимо.

В литературе метод поиска ВОП по выявленным аномалиям магнитного поля Земли (МПЗ) выделяется как один из самых перспективных [2, 7 – 9], обоснованы достижимые характеристики регистрирующих приборов – магнитометров и градиентометров, показаны ограничения. В данной работе развиваются некоторые положения магнитометрического метода поиска ВОП.

Метод реализуется с помощью пас-сивных«векторных»градиентометров, в максимальной степени устраняющих действие постоянного (главного) МПЗ, которое имеет ничтожный пространственный градиент. Таковые приборы используют 2 идентичных датчика – феррозонда [10], разнесенных вдоль оси чувствительности (ОЧ) на 25 – 170 см и регистрирующих с большим градиентом магнитные аномалии, возможно связанные с ВОП [6, 9]. Неградиентометрические приборы поиска, основанные, как правило, на квантовых магнитометрах с оптической накачкой паров цезия или калия (Geome-trix G-858, США; Scintrex NAVIMAG, Великобритания) применяются в основном для снятия карты магнитного поля на местности. После этого возможен поиск ВОП по карте магнитных аномалий, «с ходу» он затруднителен. Кроме того, квантово-оптические приборы относятся скорее к классу научных и обладают, даже по отношению к недешевым феррозондовым градиентометрам, повышенной стоимостью (порядка 20 тыс. долларов), требуют более бережного и компетентного обращения, чем это предписывается для обычных поисковых приборов.

Производителей магнитометрических средств поиска ВОП в мире примерно в 3 раза меньше, чем производителей металлоискателей, а в России только один – НИИ «Проект» , г. Томск (изделие «МБИ-П»). За рубежом это, прежде всего, Institute Dr. Forster или Foerster (FEREX 4.032, Германия), Ebinger (MAGNEX 120LW, Германия), Vallon (EL1302D2, Германия ), Schontedt Instument (GA-72 Cd, GA-52Cx, GA-92XT, США), CST (Magna-Trak, США), Geoscan Research (FM-256, Великобритания), Bar-tington Instruments (Grad601, Великобритания). Большее распространение металлоискателей вызвано тремя основными причинами:

• 1)    существенно меньшая стоимость;

• 2)    возможность обнаружения любых металлов;

• 3)    расширенная область применения – поиск кладов, трубопроводов и кабелей в укрывающей толще, археология.

  
  
  

Таблица 1. Сравнительные характеристики пассивных градиентометров и активных металлоискателей для поиска взрывоопасных предметов

Характеристика метода (прибора)	Экспертная оценка
	Пассивный градиентометр	Активный металлоискатель
Энергопотребление (типично), Вт	0,1 - 0,2	1 - 2
Продолжительность непрерывной работы от штатной батареи, аккумулятора (типично), ч	30 - 120	5 - 20
Обнаружение металла	только черный (ферромагнетик)	любой
Глубина поиска, типично/максимум, м	3/ 8	0,6/ 3 (антенна ∅ 1 м)
Работоспособность в железистых грунтах	неудовлетворительно	удовлетворительно
Работоспособность в воде, в том числе соленой	да	нет
Влияние проводимости грунта (дождь, снег) на эффективность работы	нет	существенная
Зависимость полезного сигнала от глубины R залегания ВОП	~ 1/R3…1/R4	~ 1/R6
Чувствительность к малым ферромагнитным предметам вблизи поверхности	повышенная	высокая
Чувствительность к металлическому неферромагнитному мусору	нет	повышенная
Относительная интенсивность ложных тревог, ВОП/ посторонние предметы (типичная местность поиска)	высокая, 1/ 3 - 5	умеренная, 1/ 1 - 2
Влияние близких подземных металлических труб и силовых линий, сеточных заборов	высокое	умеренное
Влияние близкорасположенных подземных кабелей связи (медь, свинец)	незначительное	высокое
Эффективность функционирования при неровном рельефе	высокая	умеренная
Точность локализации цели (типично), см	3 - 5	10 - 15
Оценка глубины залегания и типа ВОП	да	незначительная
Оценка размера и ориентации ВОП в грунте	да	незначительная
Возможность оценки типа металла	нет	незначительная
Объединение в мультисенсорную систему, переносную или на колесной базе (тачка)	да, 2 - 4 зонда	нет, только на автоплатформе
Масса прибора (типично), кг	3 - 5	5 - 9
Цена прибора, доллар (в Европе)	4000 - 18 000	800 - 4000
Цена мультисенсорной системы, доллар (в Европе)	28 000 (FEREX 4.032, 4 канала)	17 000 (Defender-2000, 16 каналов, Vallon)

SAIC MSEMS [11 – 13]. Такие системы, обнаруживающие любой тип металла, типично конструируются в виде линейки датчиков. Они конструируются на велосипедной или автомобильной базе, весьма дороги, изготавливаются штучные экземпляры. В табл. 1 приведены сравнительные характеристики пассивных магнитометров и активных металлоискателей, проанализированные на основании ряда работ [1, 2, 4, 7, 11 – 14] и полученные посредством экспертных оценок.

Таким образом, преимуществами пассивных градиентометров перед металлоискателями являются:

• 1)    бóльшая в среднем в 2 раза (по сравнению с металлоискателями) мак-

• симальная глубина поиска ВОП в стальных (ферромагнитных) оболочках;

• 2)    независимость функционирования от проводимости грунта, климатических условий, наличия воды;

• 3)    высокая точность локализации цели и потенциальная возможность достоверного прогнозирования глубины залегания, типа и ориентации ВОП в пространстве;

• 4)    возможность объединения в муль-тисенсорную систему (переносную или на колесной базе), обеспечивающую максимально высокую скорость поиска «с ходу».

Для активного металлоискателя важна не столько масса конкретного ВОП, сколько площадь поверхности, связанная с его диаметром d . При этом, как показывает практика, для оценки максимальной глубины h _MAX обнаружения ВОП с помощью «хорошего» активного металлоискателя в условиях сухого грунта (проводимость10⁴ - 10⁵ Ом×м), допустима инженерная формула [11]: h¹ max— lid,                  (1)

где d - диаметр (минимальный габарит) ВОП.

Полезные качества ВОП как объекта пассивного магнитометрического обнаружения обусловливают: 1) глав- ным образом масса m (объем V) ферромагнитной защитной оболочки, которая, как правило, не меньше массы взрывчатого вещества (ВВ); 2) в меньшей степени форма предмета, характеризуемая отношением максимального геометрического размера к минимальному или отношением длины к диаметру; 3) в наименьшей степени магнитная проницаемость μ ферромагнетика.

При этом максимальная глубина поиска hMAX связана с достижимой чувствительностью градиентометра dB/dr, а также с формой и массой ферромагнитной оболочки сложной зависимостью. Она упрощается, если принять, что: 1) форма «магнитомягкого» ВОП - шар; 2) магнитная проницаемость μ ≥ 100 (типично); 3) расположение ОЧ градиентометра и магнитного момента М шара, приобретаемого в постоянном МПЗ с индукцией ВТ - наилучшее, соосное; 4) магнитные шумы и помехи много меньше чувствительности градиентометра. Такая формула приведена в [8], с учетом других переменных она приводится к виду:

Pr -093-d3iA

^HMAX — ^VV^{a U} 1

BT dB! dr

где [ dB/dr ] = нТл/м - достижимая чувствительность, [ В_Т ] = нТл.

На территории РФ магнитное наклонение изменяется практически от 90° (на высоких широтах, за полярным кругом) до 57° (Владивосток). Величину В_Т на средних российских широтах (С.-Петербург - Астрахань) можно оценить исходя из известных данных [21]: ВТ ~ (5,4 ± 0,4)^104 нТл. При этом вертикальная составляющая B_В главного МПЗ на территории РФ в среднем в 2,8 раза превышает горизонтальную B_Г и является доминирующей, в среднем можно полагать: B_Г ≈ 18 мкТл; BВ ≈ 50 мкТл.

Наилучшие изделия - градиентометры (типа FEREX 4.032, VALLON EL1302 D2) характеризуются собственным шумом на уровне ~ 0,3 нТл, что на базе 0,5 - 0,65 м дает оценку пороговой чувствительности ~ 0,5 нТл/м [16, 17]. Такую чувствительность, однако, реализовать в реальных условиях невозможно - мешают шумы МПЗ и «неидеальность» градиентометра - погрешности несоосности (магнитометрических преобразователей) и неравенства коэффициентов преобразования. Как показано в работах [6, 8, 18, 20, 22], для типовой окружающей обстановки (эквивалентный шум не более 2 – 3 нТл), возможна реализация порога обнаружения

( dB/dr ) МИН = 10 нТл/м.

Таблица 2. Массогабаритные характеристики взрывоопасных предметов

Наименование ВОП	Калибр (тип)		Масса, кг		Диаметр, см	Длина, см	Отношение длины к диаметру	Макс. глубина проникновения (установки) в грунт, типично, м
	кг	мм	ВВ	Ферромагнитная
	10	-	0,6	9,4	9	38	4,2	0,8
	50	-	34	31	24	110	4,6	2,3
Авиационные	100	-	60	60	27	150	5,6	3,3
	250	-	100	170	33	190	5,8	6,5
	500	-	200	320	45	250	5,6	6,8
	-	82	0,5	2,6	8,2	33	4,0	0,4
Артиллерийские	-	120	1,4	14,1	12	60	5,0	1,2
	-	160	9	32	16	110	6,9	2,1
	-	240	32	100	24	160	6,7	3,4
Противопехотные, противотанковые мины, гранаты, фугасы			0,03 - 100	0,2 - 300			0,5 - 5	0,05 - 1

Таблица 3. Характеристики взрывоопасных предметов стран НАТО

Образцы ВОП	Длина, мм	Диаметр, мм	Отношение длины к диаметру	Масса общая, кг
20 mm М55	75	20	3,8	0,11
37 mm М47	120	37	3,2	0,86
40 mm МК II	179	40	4,5	0,70
40 mm М385	80	40	2,0	0,25
М42	62	40	1,6	0,16
BDU-26	66	66	1,0	0,43
BDU-28	97	67	1,4	0,77
57 mm M86	170	57	3,0	2,7
MK118 ROCKEYE	344	50	6,9	0,61
60 mm M49A3	243	60	4,1	1,3
81 mm M374	480	81	5,9	4,0
M230 2.75'' ROCKET	328	70	4,7	4,3
105 mm M456 HEAT ROUND	640	105	6,1	8,9
105 mm M60	426	105	4,1	12,9
155 mm M483A1	803	155	5,2	25,6

Тогда при подстановке В_Т и ( dB/dr ) _МИН в (2) получаем оценку максимальной глубины обнаружения ВОП градиентометром:

h ~ 8-d^3/4 . (3)

Приравняв (1) и (3), можно сделать вывод, что для реальных ВОП с диаметром менее 30 см применение градиентометра дает лучшие результаты. В условиях мокрого грунта (проводимость 102 - 103 Ом×м), при наличии постоянной намагниченности и «вытянутости» реального предмета большая предельная дальность обнаружения для градиентометра обеспечивается практически всегда.

Экспериментальный сравнительный анализ обнаружительной способности металлоискателей и градиентометров подтверждает (3) и показывает, что для «малых» и «средних» ВОП (калибром от 20 до 81 мм) при глубинах поиска до 0,5 м (и типовых грунтах) первые лучше [11, 23]. В области калибров ВОП 100 – 155 мм характеристики сравниваются, далее имеет преимущество градиентометр. Однако, если размеры излучаю-щей/приемной антенны металлоискателя относительно велики (Vallon VMH 3CS, диаметр ~1 м), то вероятность об- наружения ВОП металлоискателем на глубинах до 1,5 м даже несколько выше, чем у пассивного FEREX 4.032 [121]. Таким образом, металлоискатели имеют большую обнаружительную способность ВОП на тех относительно малых глубинах (до 1 м), где они функционируют устойчиво.

В табл. 2 представлены массогабаритные характеристики ВОП отечественного производства и максимальная глубина заглубления при ударе о грунт типа суглинка. При установке мины или фугаса на глубину более 1 м его действие резко ослабевает. В табл. 3 представлены характеристики типичных ВОП НАТО по данным [11, 15].

В ручных градиентометрах два идентичных магнитометрических преобразователя (МП) - феррозонда размещаются в измерительном модуле или зонде на «жесткой» базе длиной а, их оси чувствительности параллельны базе [7, 8]. В большинстве известных изделий а = 0,25...1 м, совсем недавно (3 - 4 года назад) появились изделия с а = 1,6...1,7 м (Foerster, Vallon) [14, 16, 17]. Однако использование последних не подразумевает поиск «с ходу» с типичной скоростью 0,2 – 1 м/с, а скорее уточнение места залегания ВОП практически в стационарном режиме.

На рис. 1 показана условная схема измерения аномалии магнитной индукции с помощью градиентометра с базой а ; высота Δ нижнего МП1 над поверхностью (5 – 10 см) по сравнению с вероятной глубиной h нахождения ВОП принимается малой.

Условные оси координат X, Y, Z могут быть связаны соответственно с направлением по меридиану, широте и радиусу к центру Земли, координаты x, y могут быть привязаны к другой удобной сетке измерений. При этом направление движения при поиске ВОП происходит условно вдоль оси OX через равные интервалы (типично 1 м), отложенные по оси ОY. Вектор МПЗ В_МПЗ направлен к центру Земли (в южном полушарии наоборот, от центра) под углом c наклонением j .

На глубине h в толще грунта располагается возможный объект обнаружения - ВОП в ферромагнитной оболочке, обладающей индуцированной (в МПЗ) и/или остаточной намагниченностью. Последняя является случайной величиной, приобретаемой в основном при изготовлении ВОП (термообработка), и не подлежит прогнозируемой оценке - даже для одно- типных серийных ферромагнитных предметов она изменяется в пределах более 20 дБ. Как показано в работах [15, 18, 19], при ударе артиллерийского или авиационного ВОП о грунт происходит его практически полное ударное размагничивание или утрата остаточной намагниченности («встряска» доменов). Индуцированная намагниченность зависит от магнитной проницаемости ферромагнетика и его формы и поддается оценке с погрешностью около ±3 дБ. Обычно только она и учитывается при оценочных расчетах обнаружительной способности градиентометра.

Однако, это не вполне справедливо для мин, где остаточная намагниченность может и преобладать. Противотанковые (противотранспортные) мины выполняются обычно в виде цилиндра или параллелепипеда с наибольшим размером (диаметром) 15 – 30 см, толщиной от 5 до 9 см. Они закладываются на различную глубину не менее 15 см. Противопехотные мины выполняются в виде дисков или цилиндров диаметром 2 – 13 см, длиной 5 – 10 см, и могут весить менее 30 г. Они устанавливаются на поверхнос- ти земли или на глубине не более 5 см (при большей глубине их поражающая способность уменьшается).

Переменное поле В(t) , которое регистрируется градиентометром при поиске, является помеховым. Поле порождается геомагнитными флуктуациями (в т.ч. магнитными бурями и суббурями, геомагнитным шумом), полями от промышленных токов, - как правило, основной частоты промышленной сети f = 50 Гц (в США – 60 Гц) и ее гармониками [21]. Однако, основной косвенной причиной появления помехового сигнала при мониторинге ВОП является действие МПЗ при погрешностях измерительной части градиентометра, связанных с различиями в двух МП: 1) дисбалансе ΔG коэффициентов преобразования;

• 2)    несоосности (расхождению) Д ф их осей чувствительности.

Наиболее трудно минимизируемой погрешностью при изготовлении является вторая: во время эксплуатации тряска, непреднамеренные удары, температурные изменения способствуют хаотическому увеличению Д ф. Для компенсации применяют различные методы, подразделяе- мые на две группы: электрические и механические. Предельно достижимая механическая величина несоос-ности достигается в современных изделиях (например, Institute Dr. Forster) Дф ~ 0,01 ° [17]. При начальном положении ОЧ градиентометра перпендикулярно силовым линиям МПЗ указанная несоосность при осуществлении мониторинга приводит к появлению помехового сигнала величиной порядка Впом ^ Вт^Д ф ~ 9 нТл.

МПЗ не вполне однородно - на поверхности земли имеется градиент, однако он пренебрежительно мал и потенциальную чувствительность градиентометрического метода обнаружения ВОП не ограничивает. Градиент dВ/dr вертикальной (Z) составляющей главного МПЗ в любой точке на поверхности земли не превышает 0,03 нТл/м - на полюсах, на территории РФ меньше на ~6 дБ, на экваторе нулевой [21, 25]. При этом на базе а ≤ 1 м такая пространственная неравномерность МПЗ может приводить к максимальному разностному сигналу ошибки ΔВ_ош ≤ 0,03 нТл, что находится на уровне собственных шумов современных феррозондов, и им можно

Рис. 1. Измерительная схема поиска ВОП с помощью градиентометра

пренебречь.

Городской магнитный шум, обусловленный суперпозицией полей от различных промышленных источников, как показывает практика, достигает:

. (4)

Поэтому градиент индустриальных помех вблизи источников сильных токов (электрифицированный транспорт, ЭЖД, высоковольтные ЛЭП и пр.) может превышать ошибку небаланса градиентометра. Вследствие этого в изделиях предусматривается регулировка, обеспечивающая уменьшение чувствительности в местах, где уровень шума выше обычного, что приводит к уменьшению глубины поиска ВОП.

Общеприменимой магнитной моделью ВОП с ферромагнитным объемом V является магнитный диполь с моментом М , величина которого определяется векторной суммой индуцированной намагниченности J_и и остаточной намагниченности J_о: М = (J_и+J_о)×V. Индуцированная намагниченность зависит от формы ферромагнетика и точно определяется лишь в случае изотропного эллипсоида:

j^UxIIHt, (5)

где II X II - симметричный тензор восприимчивости формы, состоящий из трех коэффициентов { X x , X y , X z } , причем: X i = X /(1+ X ^xN i ), i = x, У, z - индексы осей симметрии предмета и соответствующей системы координат; X = (^-1) - восприимчивость ферромагнетика; N_i - коэффициенты размагничивания вдоль соответствующих осей, связанные условием нормировки 5 N i = 1 (для шара N_i = 1/3 ), зависящие от соотношения длин осей [21, 25].

Несмотря на то, что лишь эллипсоидальные тела имеют однородную индуцированную намагниченность, допущение об этом независимо от формы тела является повсеместным. При этом любой ВОП с характеристическим размером rv в первом приближении представляется в виде эллипсоида, коэффициенты размагничивания которого находятся экспериментально или теоретически [18, 19, 25]. Продолговатые сфероиды дают очень хорошую аппроксимацию для абсолютного большинства ВОП и могут применяться для магнитного моделирования, близкое схождение результатов моделиро- вания сфероида с реальными объектами установлено достоверно [18 - 20, 22, 24]. При этом магнитная аномалия от целикового сфероида близка к полому сфероиду.

Магнитная индукция В на расстоянии R находится как общее решение для магнитного потенциала [25]. При условии R > r_v предмет любой формы с любым распределением намагниченности рассматривается как магнитный диполь, имеющий момент М (5). Выражение для индукции поля диполя, определяемое величиной и взаимной ориентацией М и R, известно:

, где [В] = нТл, [М] = Ам2, [R] = м. Для градиентометра (рис. 1):

Bi=100M-(3(m-ri)ri~m)-l/Ri3,

В2=100-М-(3(т-Г2)г2—т)-1/К23, где m - единичный вектор магнитного момента; r1, r2 - радиус-вектора из точки нахождения диполя - ВОП к текущему положению соответственно МП1 и МП2.

Выражения (6) раскладываются по координатам X, Y, Z ( рис. 1 ) в зависимости от измеряемой компоненты магнитного поля. При измерении Z -компоненты выходной сигнал градиентометра: В_Г = B_Z1 - B_Z2 . При прочих равных условиях максимум обеспечивается, если направления векторов m, r₁, r₂ - коллинеарные, градиентометр находится непосредственно над ВОП, расположенном на расстоянии h ( рис. 1 ). При этом величина сигнала:

Вг=200-M-/h3-200-M-/(h+a)3= ^=72>00-M-a-(3h2+3ha+a)/h3(h+a)3' (7

При h ≥ 3a выражение (7) упрощается:                               .

Если принять, что В ₀ [нТл] - чувствительность градиентометра, получается оценка предельной глубины h₀ обнаружения ВОП с магнитным моментом М по сути аналогичная (3), но отражающая магнитные, а не массогабаритные свойства ВОП:

.                        (8)

Зависимости h0 (М,В0,а) - весьма «плавные», поэтому изменение максимальной глубины обнаружения h0 при изменении (в некоторых пределах) основных параметров градиентометра или модели ВОП не столь очевидные. Разница в чувствительности В0 «хорошего» и «удовлетворительного» прибора может составлять более 20 дБ (например: соответственно FEREX 4.032 и Schontedt GA-92XT), разница в цене -приблизительно такая же (в 10 раз). Разница в их обнаружительной способности составляет всего дБ.

Ферромагнитная оболочка - полый эллипсоид приобретает индуцированный магнитный момент М , направленный в общем случае навстречу вектору В_Т индукции МПЗ, отклоняясь на угол ф, максимальная величина которого зависит от формы (отношения длины к диаметру) и ориентации вектора В_Т относительно наибольшей оси симметрии ВОП. Для шара ф = 0 , для вытянутых эллипсоидов ф - конечна. Впервые на UXO Forum в 1996 г. [19] было заявлено и подтверждено другими работами [18, 24], что направление индуцированной намагниченности (магнитного момента) артиллерийского и авиационного ВОП лежит в телесном угле относительно вектора МПЗ:

ф < 60 ° . (9)

Если измеренное градиентометром отклонение вектора М превышает указанную величину (велик вклад остаточной намагниченности), то появляется аргумент рассматривать выявленный предмет как потенциальную мину или ложную цель. Если угол ф находится в пределах (11) - остаточная намагниченность несущественная, -то это может быть снаряд или авиабомба, испытавшие ударное размагничивание.

При картографировании местности получение информации о направлении вектора М ВОП с помощью единственного градиентометра затруднительно. При этом снимается профиль магнитуды вдоль первичного направления движения (условно ОХ), с получением значения индукции в точках измерения типично через 20 – 50 см. Следующая траектория, отстоящая типично на 1 м, плохо «связана» с предыдущей, поэтому точность интерполяции карты магнитных аномалий относительно мала. Для того, чтобы повысить точность, одновременно регистрируются сигналы с нескольких (не менее 3-х) градиентометров, «жес-

Рис. 2. К оценке зоны чувствительности градиентометра

тко» закрепленных вместе и расположенных рядом на некотором расстоянии друг от друга (типично 0,5 м) перпендикулярно линии движения оператора. Дополнительным преимуществом является увеличение ширины «охвата» зоны вдоль направления движения до 2 - 2,5 м, что приводит к пропорциональному сокращению времени поиска. В случае единственного градиентометра ширина составляет типично ±(0,25 - 0,5) м в зависимости от чувствительности прибора В₀ и прогнозируемых М и h .

В [6] утверждается, что глубину h залегания ВОП можно приблизительно определить по ширине огибающей полезного сигнала на уровне 0,5 от максимума, достигаемого в точке наилучшего расположения (наибольшего приближения) градиентометра. Вид огибающей полезного сигнала и ширина зоны чувствительности (вдоль оси OY) градиентометра для вертикальной направленности вектора М (вдоль оси ОZ) требуют уточнения ( рис. 2 ).

При Y = 0 сигнал на выходе максимальный и описывается (7). Пусть Y = L, тогда полезный сигнал В_Г (L,h) = B_Z1 - B_Z2 , где выражения для компонент индукции магнитного поля в точках размещения МП1 и МП2 имеют вид:

,

.

Если h ≥ 3a , то есть когда ВОП достаточно заглублен, допустима аппроксимация

В,

dB =--а

, при этом выражение для полезного сигнала ВГ(L) имеет вид: 3Z2        1- —

, (11)

,     , -      /г4 Z2 7(А2+^2)2          (1 + -т)2

и которое при L = 0 эквивалентно (8). При

L 0 = 0,82h                                              (12)

функция (11) обращается в нуль и далее изменяет знак. В случае, если направление вектора М близко к вертикальному (регистрируется только один максимум от ВОП), определение расстояния L₀ от точки максимума до места смены знака дает по (12) предполагаемую глубину нахождения ВОП. Знание h и величины регистрируемого сигнала В_Г позволяет оценить величину магнитного момента, а значит и его предположительный тип, - чем больше магнитный момент, тем больше в общем случае ферромагнитная масса.

Ширина L_0,5 зоны чувствительности градиентометра, при которой полезный сигнал уменьшается на -6 дБ по отношению к максимуму, составляет:

L 0,5 = 0,72h , (13)

что несколько меньше, чем показано в [6]. В этом случае угол 2ψ ( рис. 2 ), в котором возможно обнаружение ВОП по его магнитной аномалии, при условии обеспечения заданной чувствительности составляет около 40 ° .

Как показывает анализ результатов моделирования [15, 1 - 20], если карта магнитных аномалий местности точна, появляется возможность оценки не только глубины залегания ВОП и его типа, но и характера ориентации предмета в грунте. «Идеальный» магнитный момент М , который ха-

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ЦЕНТР

«ЗОНД- Р»

Проходной обнаружитель ферромагнитных объектов

на принципе магнитного томографа

Сертификат соответствия ЖВФ Фф№ЖВФ <КфООО1ЖОО237 Изделие запатентовано.

Изделие предназначено для поиска ферромагнитных объектов (оружия, мин и взрывоопасных предметов) под одеждой человека

Отсутствует электромагнитное излучение, влияющее на здоровье человека

Габариты изделия обеспечивают мобильность и при необходимости скрытность установки

Время готовности 10 с Габариты 190x4x2 см Масса не более 8 кг

Интерфейс многозонного обнаружения

Тел.: (495) 106-57-99; ; E-mail:

рактеризует предмет, приложен в точке, у него нет полюсов - они как бы слиты. Реальные предметы, в том числе ВОП, имеют полюса: положительный, откуда силовые линии выходят, и отрицательный, куда силовые линии входят, здесь концентрация силовых линий максимальная [6, 21, 25]. Следовательно, вблизи этих точек магнитная аномалия достигает максимумов (с разными знаками), и если они равны, то предмет находится горизонтально. Если на карте аномалий выявляется только один полюс, это означает, что ВОП расположен вертикально и второй полюс (невидимый) находится под первым.

Чем длиннее предмет, чем больше он отличается от шара, тем больше расхождение полюсов. Как правило, полюса располагаются на крайних гранях максимального размера объекта в силу анизотропии формы [10, 25]. Определение местоположения полюсов предмета позволяет уточнить его ориентацию в грунте, а значит сделать процесс разминирования более контролируемым. В [15] установлено, что в наилучшей степени подходит модель ВОП в виде удлиненного сфероида с отношением максимального размера к диаметру, равным 3,5. На основании этой и других работ в табл. 4 приведены данные по магнитным моментам некоторых ВОП, обусловленные индуцированной намагниченностью ( М_инд ) и остаточной намагниченностью ( М_ост ).

Составление карты магнитных аномалий с помощью градиентометра, а лучше с помощью мультисенсорной системы, позволяет оценить глубину залегания, размеры (величину) и ориентацию в грунте возможного ВОП, а значит

Таблица 4. Магнитные моменты неразорвавшихся боеприпасов

Боеприпас Магнитный момент по [15], Ам2 По другим источникам, Мполн, Ам2 Миндмин Миндмакс Мостмакс 1. 20-мм снаряд M55 0,0014 0,0051 0,001 2. M42 (диаметр 40 мм) 0,054 0,010 0,0025 3. 40-мм снаряд MKII 0,012 0,048 0,001 4. 57-мм снаряд APC M86 0,036 0,12 0,048 5. 60-мм минометная мина 0,030 0,12 0,007 6. 60-мм минометная мина M49A3 0,036 0,11 0,04 7. BDU-26 (Ø66 мм) 0,0060 0,079 0,016 8. BDU-28 (Ø67 мм) 0,0014 0,011 0,11 9. 70-мм ракетный снаряд M230 0,02 1,3 7,7 10. 76-мм снаряд АР 0,074 0,26 0,0045 0,24 [26] 11. 81-мм минометная мина 0,081 0,35 0,13 12. 81-мм минометная мина М374 0,06 0,26 0,045 0,32 [26] 13. 90-мм снаряд АР 0,127 0,55 0,009 14. 105 -мм снаряд М60 0,255 1,42 0,17 0,68 [26] 15. 105 -мм снаряд М456 0,146 0,75 0,26 16. 155 -мм снаряд М483А1 0,828 2,61 1,6 0,55 - 1,4 [22] облегчить процесс последующего разминирования. Однако, такие возможности предоставляет только гуманитарное разминирование. В боевых или приближенным к ним условиях, при задаче обнаружения ВОП «с ходу», составление карты магнитных аномалий крайне затруднено. Тем не менее увеличение количества градиентометров, одновременно участвующих в поиске (реально до 3 - 4), позволяет не только пропорционально увеличить ширину зоны чувствительности вплоть до 2 – 3 м, но и более точно идентифицировать место возможного нахождения предмета.

Растр зоны поиска градиентометра в среднем составляет около 40°. Нахождение мест уменьшения магнитной индукции до нуля или на -6 дБ позволяет оценить глубину залегания предполагаемого ВОП даже «с ходу». Далее возможна оценка магнитного момента и благодаря этому - определе- ние типа (калибра) взрывоопасного предмета. Если предполагаемые ВОП - снаряды или авиабомбы, то нахождение угла отклонения вектора магнитного момента от направления МПЗ в пределах (9) может дать дополнительную информацию о предметах.

Другими полезными новациями в методе магнитометрического поиска ВОП являются вейвлет-анализ карты магнитных аномалий, исключение всех аномалий с моментом меньшим 0,05 Ам2, нахождение октопольных магнитных моментов предполагаемых ВОП и другие, описанные в специальной литературе. Увеличение информативности процесса магнитометрического и комбинированного обнаружения ВОП является главной линией развития этого направления специальной техники.