Parametric robot search system for mines based on the interaction of electromagnetic and seismic waves

Проблема увеличения производительности работ при гуманитарном разминировании больших площадей особенно остро встала в последнее время в связи с локальными войнами на Кавказе, Средней Азии, Ближнем Востоке и др. При этом обеспечение безопасности саперов является одним из главных критериев эффективности работ.

По опыту разминирования в Сирии можно утверждать, что основными средствами обнаружения мин и боеприпасов являются индивидуальные миноискатели, переносимые саперами. В связи с недостаточной условной вероятностью их правильного обнаружения, при высокой условной вероятности «ложных тревог», скорость передвижения саперов не превышает 0,1-0,5 м/с. Это, конечно, во многом зависит от тактико-технических параметров используемых миноискателей. На сегодня самыми распространенными переносимыми миноискателями признаны радиоволновые, основанные на измерениях электропроводности и диэлектрической проницаемости почвы в широком диапазоне частот в пределах 300-3000 МГц [1]. В печати сообщалось также о разработке голографических подповерхностных радиолокаторов (МГТУ им. Баумана) и видеоимпульсных, работающих с наносекундными импульсами зондирования.

В [2, 3] сообщалось о работах по созданию параметрических миноискателей, основанных на возбуждении корпусов мин сейсмическими волнами и считывании вибрации поверхности почвы с помощью радиолокатора [3], либо лазера [4].

Этот метод позволяет получить дополнительный признак обнаружения мин с использованием собственных частот механических колебаний их корпусов, что в комплексе с радиоволновым методом улучшает тактико-технические параметры поиска.

Целью статьи является рассмотрение возможностей построения роботизированного комплекса разминирования больших площадей, обеспечивающего максимальную безопасность работ саперов с одновременным увеличением производительности. За счет дублирования классических радиоволновых миноискателей параметрической радиолокационной системой повышается вероятность распознавания целей на фоне различных мешающих предметов.

Исходные предпосылки

Возможный вариант подобного комплекса, включающий базовую машину с командой операторов и несколько управляемых на расстоянии подвижных блоков-роботов (БР) с навесными миноискателями различных классов, изображен на рис. 1.

На базовой машине кроме команды операторов, управляющих индивидуально каждым из БР, размещены передатчик радиолокатора с дальностью действия 100-200 м и навесной сейсмический вибратор с рабочим диапазоном частот в пределах механических резонансов корпусов поисковых объектов – мин и других взрывных устройств, в частности фугасов, авиабомб и пр.

Поисковыми элементами на борту БР являются набор приемников с антеннами для приема отраженных от почвы радиолокационных сигналов, излучаемых передатчиком РЛС с базовой – 756 – машины, и радиоволновые датчики. Система синхронизации обеспечивает временное разделение сигналов комплекса, при котором вначале используется параметрическая система с передатчиком РЛС и затем радиоволновые датчики. Примерная конструкция блока-робота приведена на рис. 2.

Все данные наблюдений по обоим каналам передаются на компьютер оператора по проводной связи либо по радиотракту.

При обнаружении мины оператор останавливает БР, отводит на безопасное расстояние и расстреливает объект поиска из бортового пулемета или другого средства уничтожения.

Такова в общем виде конструкция комплекса и его алгоритм работы.

Рис. 1. Возможный вариант робототехнического комплекса: 1 – базовая машина; 2 – сейсмический вибратор; 3 – операторы БР; 4 – пульт управления БР; 5 – БР; 6 – радиоканал управления БР; 7 – проводная линия управления БР; 8 – совмещенный миноискатель; 9 – антенна бортовой РЛС; 10 – сейсмическая волна; 11 – объект поиска

Fig. 1. Possible version of the robotic complex: 1 – basic machine; 2 – seismic vibrator; 3 – RU operators; 4 – RU remote control; 5 – the robot unit RU; 6 – RU control radio channel; 7 – wire control line RU; 8 – combined mine detector; 9 – onboard radar antenna; 10 – seismic wave; 11 – search object

Рис. 2. Конструкция блока-робота: 1 - корпус БР; 2 - антенна управляющего радиоканала; 3 - рама;

4 – антенны параметрического и радиоволнового миноискателей

Fig. 2. The design of the the robot unit: 1 – carcass RU; 2 – control radio channel antenna; 3 – frame; 4 – antenna of parametric and radio wave mine detectors

Оценка тактико-технических характеристик параметрического канала

На рис. 3 изображена схема одновременного возбуждения полупространства земля-воздух сейсмическими волнами Релея и электромагнитными волнами со считыванием отраженных сигналов в точке облучения.

Под действием сейсмического (акустического) вибратора, состоящего из ударно-волнового датчика – 1, возбуждаемого генератором – 2, в поверхностном слое земли создается сейсмическая волна Релея – 3, распространяющаяся вдоль со скоростью υ a . Через некоторое время

r ta =   , где r – расстояние между точкой излучения и объектом поиска (мины) – 4, с направ-

υa ленной антенны – 5 радиопередатчика – 6 излучается квазинепрерывный радиосигнал – 7 в сторону объекта, а отраженный электромагнитный сигнал от поверхности почвы принимается антенными элементами БР – 8 и после обработки входным каскадом приемника – 9 передается по каналу связи – 10, 11, 12 на приемоиндикатор оператора – 13.

Временная диаграмма излучения и приема сигналов представлена на рис. 4.

Импульсы излучения сейсмического вибратора – 1 повторяются с периодом T_a , устанавливаемым заранее в зависимости от плотности грунта и дальности поиска. Через время задержки t_P , после окончания работы вибратора на отрезок времени Δ t_P включается передатчик радиоволнового миноискателя – 2, входящего в комплекс. Это позволяет исключить влияние на радиоволновый канал вибрации грунта. В момент – 3 включается приемник РЛС параметрического миноискателя, обрабатывающего отраженные сигналы механического сдвига почвы и объектов поиска. Таким образом реализуется двухканальная схема работы миноискателя,

σ включающая получение информации о тангенсе угла потерь tgϕ=   , даваемом радиоволно-

ωε вым каналом, и параметр механического сдвига Δx, где ε – диэлектрическая проницаемость почвы; σ – ее электропроводность; ω – рабочая частота радиоволнового канала. Передатчик

Рис. 3. Схема возбуждения и приема механических колебаний корпуса и мины

Fig. 3. Scheme of excitation and reception of mechanical vibrations of the mines

Таблица 1

Table 1

Среда распространения	Песок	Сухая почва	Супесь	Глина
Скорость V a , м/с	100-500	200	300	800-2000

Рис. 4. Временная диаграмма излучения и приема

Fig. 4. Timing diagram of radiation and reception

классического радиоволнового миноискателя располагается совместно с приемником на поисковом элементе БР.

В табл. 1 представлена зависимость скорости поперечных V a сейсмических волн для различных видов почв [5].

Как видим, наименьшую скорость распространения сейсмических волн имеет песок – V a до 100 м/с.

При заданной максимальной дальности действия сейсмического вибратора, r a =100 м, время запаздывания сейсмической волны составит порядка t_П =1 с. Откуда период повторения сейсмического сигнала с учетом времени работы радиоволнового канала должен быть T a >1 с. Поскольку на расстоянии r_a =100 м время запаздывания ЭМ сигнала незначительно, то радиопередатчик – 6 может излучать с запаздыванием во времени относительно сейсмического импульса на время t_П = 0,9 с.

Далее оценим необходимую чувствительность приемника РЛС, если будем использовать фазовый метод демодуляции отраженного от поверхности почвы сигнала. В соответствии с [2] амплитуда механического смещения корпуса мины под действием сейсмического воздействия силой удара P_a (Н) можно оценить как

Δx≈

P a R а Q 2

⋅ τ , 4 π R_а ² r_a m

где Ra – радиус излучающей плиты сейсмоисточника; S(м2) – площадь боковой поверхности мины; m(кг) – ее масса; τ(с) – длительность полупериода возбуждающего сейсмического – 759 – удара; Pa(H) - сила удара; ra(м) - расстояние от сейсмоисточника до мины; Q - добротность корпуса.

Как видно из (1), амплитуда механического смещения корпуса объекта A x в первую очередь зависит от отношения S/m, т.е. от площади его поверхности к массе. Этот параметр специфичен для мин разного типа, поэтому может быть заранее внесен в базовую память системы расспознавания.

При фазовом методе демодуляции сигнала от мины смещение фазы отраженного радиосигнала составит:

Δ h

Δϕ=ω  ,

υЭ где ω – рабочая частота ЭМ сигнала; Δh – смещение поверхности почвы; υэ = с – скорость ЭМ волны в почве; ε – диэлектрическая проницаемость почвы.

По данным экспериментальных исследований, вертикальный сдвиг объекта примерно соответствует горизонтальному A h ~ A x .

С учетом глубины слоя скин-эффекта ЭМ волны в почве при ожидаемом заглублении мины h ~ 0,3 м рабочая длина ЭМ волны должна быть этого же порядка. Поэтому целесообразной рабочей частотой, разрешенной к применению для этих целей регламентом радиосвязи, может быть f_э ≈ 2,5 ГГц с учетом потерь в грунте.

Пусть A h =10 ⁶ м ; £ =9; тогда из (2) получаем:

Δ ϕ = 2 π f Э ^{Δ h} = 2 π f Э ^{Δ h} ε ≈ 0,01град. ^υ Э          ^c

Откуда следует, что чувствительность приемника РЛС по амплитуде должна соответствовать полупериоду несущей частоты, т.е. оцениваться по отношению к сдвигу фаз 180°:

^δ Е ⁼

ΔE

E

Δϕ

≈ 1 ⋅ 10 ^{- 4}.

При требовании в отношении сигнал/шум порядка 10 дБ общая необходимая чувствительность приемника составит 3 E = И0^-5.

Поскольку при минимальной фазовой манипуляции радиосигнала ее индекс соответствует амплитудной модуляции, то в итоге требуемое отношение сигнал/шум по амплитуде долж- но быть не менее q =   =1 ⋅105 =50 дБ.

δ E

Далее дадим оценку требуемой мощности сейсмического удара.

Пусть A x =10^-6 м; R a =0.1 м²; r a =100 м; m=10 кг; т=500^-3 с. В этом случае

P a = 1.7 ∙ 10⁴ Н.

На фото (рис. 5) показан экспериментальный сейсмический вибратор с силой удара 500 Н.

Потенциальным резервом для увеличения смещения Δ x , кроме длительности полупериода удара т ², является также в целом длительность виброимпульса т_в .

Рис. 5. Экспериментальный сейсмический вибратор: 1 – опорная рама; 2 – электромагнит

Fig. 5. Experimental Seismic Vibrator: 1 – support frame; 2 – electromagnet

При средней частоте механического резонанса мины F M ~ 20 Гц [2] и длительности ви-броимпульсного воздействия τ ≈ 250 мс производится 5 ударов вибратора, что равносильно увеличению силы удара в 5 раз. Это повышает отношение сигнал/шум на величину в 20 дБ и составит q_E =80 дБ. Длительность вибрационного воздействия определяется скоростью движения поискового аппарата.

Оценим требуемую напряженность первичного ЭМ поля через собственный шум приемника. Будем исходить из необходимой полосы частот приемника Δ F M для всех возможных собственных частот механических колебаний мин разного типа - от противопехотных до противотанковых.

В этом случае мощность теплового шума на входе приемника

Р ш = кТ^ А F м q ш ,                                                 (3)

₀ где к = 1.38∙10^–23 – постоянная Больцмана; Т_К ⁰ – температура входных цепей по Кельвину; q_Ш = 50 дБ – коэффициент шума; Δ F_M – полоса пропускания приемника.

Сигнал первичного поля приемника с учетом ослабления вторичного поля мины в 50 дБ

Р__ = Р_ . 10 5

В итоге имеем при Δ F M = 1000 Гц q Ш = 50 дБ

Р^ПР = ^кТ К ^А F^Mqш - 10 = ^4,14 - 10 Вт.

Требуемую мощность передатчика P РЛС получим через известное уравнение

_{Р =} 4 π Р _ПР r ² _.

^{П   Q} П ^S ПР ^.

S

Здесь Q = 4 π ^П η – коэффициент направленного действия антенны передатчика; λ ²

λ ²

S_ПР ≈    – эффективная площадь элемента приемной антенны поискового БР в виде рупора.

При длине волны, соответствующей рабочей частоте РЛС 2,5 ГГц λ=0,12 м, эффективной площади передающей антенны РЛС S_n =0.1 м² и КПД антенны п =0,5, на максимальном расстоянии до объекта r =100 м, требуемая мощность передатчика P_П РЛС не превышает 1 мВт.

Аппаратный комплекс, система и технология работы

Количество периферийных роботов-носителей может составить 5-6 на борт с соответствующим числом операторов. Управление производится по видеоканалу с размещением видеокамер как на самом роботе-носителе, так и на машине – операторе. Представляет интерес конструкция периферийных управляемых роботов-носителей датчиков обнаружения мин. Это могут быть высокопроходимые самодвижущиеся машины массой 10-50 кг для обработки открытых площадей. Поскольку масса полезного груза миноискателей небольшая 1-2 кг, возможна установка на БПЛА квадрокоптеров. Процесс сканирования местности обеспечивает оператор.

Принцип работы электромеханического вибратора показан на рис. 6. Он содержит ударную плиту – 1, ударник с электромеханическим приводом – 2 и возбудитель вибратора – 3, синхронизируемый от бортового синтезатора частот – 4.

Конструктивно вибратор размещается в металлическом кожухе в виде саней, подвешивается на корме базовой машины и приводится в контакт с грунтом гидравлическим приводом.

Поисковый элемент, собственно двухканальный миноискатель, устанавливается на подвеске робота-носителя БР, управляемого по видеоканалу оператором базовой машины. Предварительная обработка информации и перевод в цифровую форму производится в самих элементах миноискателей и передается оператору базовой машины по радиоканалу либо по проводной линии.

Технология работы заключается в том, что задачу по обследованию площади с базовой машины выполняют периферийные управляемые устройства БР – носители миноискателей.

Рис. 6

Fig. 6

Базовая машина останавливается, начинает работать вибратор, а БР обследуют заминированную площадь на расстоянии 10-100 м вдоль трассы поиска с шириной полосы 10 м, охватываемой БР.

При обнаружении мины, БР отводится оператором от этого места, возможно навигатором или какой-либо меткой отмечается местоположение объекта, а потом решается задача уничтожения. Таким образом реализуется задача безопасного разминирования с увеличением производительности поиска.

Заключение

• 1.    Описанный в статье аппаратный комплекс может быть использован в первую очередь для гуманитарного разминирования больших площадей.

• 2.    Двухканальный принцип построения поискового элемента в сочетании радиоволнового искателя и параметрического, с привлечением дополнительного признака распознавания мины – механического смещения корпуса под действием виброударов, позволяет снижать число ложных тревог, увеличив вероятность верного обнаружения цели и тем самым ускорив процесс поиска.

• 3.    Физические основы работы комплекса не противоречат основным законам электро- и сейсмодинамики и могут быть реализованы в достаточно короткое время с учетом актуальных проблем.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-07-00180 А.