Автономные информационные системы обнаружения скрытых объектов

Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ



Е.В. ДЕНИСОВА, В.Н. ЛЕГКИЙ




АВТОНОМНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ СКРЫТЫХ ОБЪЕКТОВ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия
Ответственный редактор член-корр. РАН В.Н. Опарин








НОВОСИБИРСК
2012

УДК 621.396.969(075.8)
     Д 332

Работа подготовлена на кафедре автономных информационных и управляющих систем совместно с лабораторией горной геофизики Института горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН

Рецензенты:
канд. техн. наук В.И. Востриков
канд. техн. наук В.П. Ющенко



        Денисова Е.В.

Д 332 Автономные информационные системы обнаружения скрытых объектов: учеб. пособие / Е.В. Денисова, В.Н. Легкий; отв. ред. В.Н. Опарин - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2012.- 128 с.
          ISBN 978-5-7782-1961-8
           Представлены теоретические основы и обзор принципов построения современных систем навигации для решения широкого круга практических задач. Разработаны и реализованы новые подходы к созданию автономных систем навигации, предназначенных для определения угла отклонения объекта от заданной траектории, угла его поворота вокруг оси движения, дальности до него. Выбран и обоснован радиочастотный диапазон электромагнитных волн для проектирования отдельных устройств системы навигации. Выполнено математическое моделирование взаимодействия системы навигации и простейшего проводящего объекта поиска; диаграмм направленности передающих антенн георадара.
           Учебное пособие предназначено для студентов старших курсов и аспирантов, обучающихся по следующим специальностям: 220400 «Управление в технических системах», 2202200 «Автоматизация и управление», 220203 «Автономные информационные и управляющие системы», 170000 «Оружие и системы вооружения», 170100 «Боеприпасы и взрыватели».
УДК 21.396.969(075.8)
ISBN 978-5-7782-1961-8                    © Денисова Е.В., Легкий В.Н., 2012
                                          © Новосибирский государственный технический университет, 2012

            ПРЕДИСЛОВИЕ


   В учебном пособии приводится обзор методов и принципов построения современных автономных устройств навигации, предназначенных для решения широкого круга задач (обнаружение координат наземных и подземных объектов, измерение углов поворота объектов вокруг оси их движения, измерение дальности до объектов как наземных, так и находящихся в приповерхностном слое земли). Предложены новые схемотехнические решения указанных систем, теоретическое обоснование принципов взаимодействия системы навигации с объектом поиска.
   В первой главе учебного пособия приведены требования, предъявляемые к системам навигации. Выполнен обзор методов обнаружения, которые лежат в основе построения современных автономных систем навигации.
   Во второй главе представлены разработанные авторами методики расчета параметров взаимодействия индукционного датчика с проводящим объектом поиска. Обосновано использование УКВ диапазона для реализации индукционных металлодетекторов.
   В третьей главе предложены теоретические основы реализации амплитудного радиочастотного метода и его экспериментальные исследования применительно к решению задачи определения угла отклонения движущегося объекта от заданной траектории. При этом сам объект используется в качестве передающей антенны заданного типа.
   Четвертая глава учебного пособия содержит обзор современного состояния датчиков угла поворота объекта вокруг оси его движения. Авторами впервые предложена реализация такого устройства с использованием ртутных датчиков.
   В пятой главе представлен обзор современных георадаров для подповерхностного зондирования сред с целью выявления в них различного типа неоднородностей. Выполнен значительный объем теоретических расчетов и математического моделирования процессов взаимодействия георадара с объектом поиска, расположенным в грунтовом массиве.

3

   Шестая глава посвящена классическим принципам построения дальномерных радиочастотных устройств; в ней предложена практическая реализация отдельных блоков дальномера с шумовой модуляцией.
   Авторы выражают свою искреннюю благодарность член-корр. В.Н. Опарину и профессору Б.Н. Смоляницкому за поддержку и внимание к теме исследований; Б.Е. Беланову за щедрость, с которой он делится своим опытом и знаниями; аспирантам ИГД СО РАН С.Ю. Гаврилову, А.П. Хмелинину за помощь в изготовлении и разработке представленных технических средств, а также сотрудникам лабораторий горной геофизики и механизации горных работ ИГД СО РАН за предоставленную возможность испытать разработанные системы навигации в реальных условиях.

                ГЛАВА 1




            КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ АВТОНОМНЫХ СИСТЕМ ОБНАРУЖЕНИЯ СКРЫТЫХ ОБЪЕКТОВ


        1.1. ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К УСТРОЙСТВАМ И СИСТЕМАМ ОБНАРУЖЕНИЯ

   Технические требования, предъявляемые к радионавигационным устройствам и системам, весьма многогранны и жестки, а часто и противоречивы. Они обусловливаются разнообразием и сложностью задач, решаемых радионавигационными устройствами и системами. Особенно жесткие требования предъявляются к самолетной аппаратуре, размещаемой в обшивке объекта там, где действуют наибольшие перегрузки. Характеристика основных требований приводится ниже [1].
   1.   Надежность. Под этим понятием подразумевается безотказность устройств и систем в работе, способность обеспечивать свои тактикотехнические характеристики в любых самых сложных условиях. Устройство и система считаются работающими надежно в том случае, если оператору заранее известна погрешность, с которой производятся навигационные измерения, и если эта погрешность не превосходит требуемого заранее уровня. Надежность обеспечивается простым и правильно выбранным принципом, положенным в основу прибора. Особенно большое значение имеет правильный выбор диапазона волн, а также применение мер по повышению помехоустойчивости и помехозащищенности устройств и систем по отношению к внешним наводкам и шумам.
   2.   Точность. Радионавигационные устройства и системы должны обеспечивать заданную точность измерения навигационных величин, определяемую их назначением. Точности систем различного назначения существенно различны.
   Следует указать, что излишняя точность не нужна и нежелательна, так как она усложняет аппаратуру, а следовательно, и снижает надежность из-за возможностей ложного срабатывания.


5

   3.    Дальность действия. Под дальностью действия понимается наибольшее расстояние между объектом и радионавигационной точкой, при котором обеспечивается заданная точность устройства или системы. Как правило, работать можно и при больших дальностях, но при этом существенно снижается точность. Современные радионавигационные системы имеют дальность действия по воздуху от нескольких сотен метров до нескольких тысяч километров. При локации подземных объектов дальность определяется, помимо выбранного частотного диапазона, поглощающими свойствами среды, которые не всегда однородны на пути распространения электромагнитной волны.
   4.    Рабочий диапазон волн. Выбор рабочего диапазона волн тесно связан с надежностью, дальностью действия и точностью системы или устройства. Выбор диапазона во многом определяет технические свойства системы. Современные радионавигационные устройства и системы работают во всем освоенном диапазоне радиоволн.
   5.    Помехоустойчивость. Помехоустойчивостью называется способность радиоаппаратуры сохранять технические показатели работы в заданных пределах при воздействии различного рода помех (индустриальных, эфирных или естественных). Помехоустойчивость определяется главным образом рациональным выбором схемы и параметров приемоиндикаторного тракта, метода приема-передачи электромагнитного сигнала и метода обработки полученных данных.
   Наряду с работой радиостанций помехи радиоприему вносят и различные электрические установки и аппараты (промышленные или индустриальные помехи), а также грозовые атмосферные разряды (атмосферные помехи).
   6.    Размеры и вес устройств навигации. Размеры и вес устройств особенно важны как для самолетной аппаратуры, так и для устройства, размещаемого внутри обшивки самолета. Большое значение имеют вес и габариты приемопередающих устройств, особенно антенн. Желательно не иметь никаких частей аппаратуры, выступающих за обшивку объекта.
   7.    Экономичность системы навигации. Экономичность системы складывается в первую очередь из экономичности эксплуатации и из экономичности ее производства. Система навигации должна быть проста в эксплуатации, допускать обслуживание малоквалифицированным персоналом, потреблять минимальное количество электроэнергии, иметь минимальное число органов управления и автономный источник питания.

6

        1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ОБНАРУЖЕНИЯ СКРЫТЫХ ОБЪЕКТОВ

   При решении задач исследования различных сред для выявления в них рукотворных (искусственных) проводящих неоднородностей используют различные методы обнаружения, отличающиеся между собой рабочим частотным диапазоном и принципом действия. Эффективность методов обнаружения помимо дальности определяется их разрешающей способностью, а также достоверностью получаемых экспериментальных результатов при возможной простоте практической реализации используемого метода.
   Методы обнаружения должны характеризоваться рядом информативных признаков (диапазон изменения рабочей частоты, амплитуды или фазы и т. п.), степень изменения которых при вариации свойств и структуры исследуемой среды должна быть достаточной для надежного обнаружения объектов поиска с использованием современных схемотехнических решений.
   Основная задана систем обнаружения-, определить, какого рода объект (неоднородность, аномалия) находится в среде (воде, воздухе, грунте, под слоем воды, льда или снега); каковы глубина его залегания, форма, размеры, электромагнитные свойства и пространственная ориентация. Примерами тому могут служить задачи обнаружения искусственных (рукотворных) аномалий, представляющих собой магнитные и немагнитные неподвижные структуры: силовые электрокабели, неф-те- и газопроводы, водопроводы, кабели телекоммуникаций, различного рода металлические объекты, боеприпасы, а также движущиеся объекты (самолетная техника) [1].
   Наиболее распространенные электромагнитные методы обнаружения данного рода аномалий представлены на рис. 1.1 в соответствии с [2].

Рис. 1.1. Классификация электромагнитных методов обнаружения скрытых объектов

7

    Одна из важных характеристик методов обнаружения - тип обнаруживаемого объекта (материал, из которого он изготовлен). На рис. 1.2 представлена классификация методов обнаружения по этой характеристике.

Рис. 1.2. Типы объектов поиска, обнаруживаемых различными методами [3]

   Рассмотрим особенности каждого из отмеченных методов: принцип действия, область применения, достоинства и недостатки.
   При подземном обнаружении данные методы используют в основном для поиска скрытых коммуникаций, а в оборонной промышленности и археологии - для обнаружения проводящих рукотворных объектов на дальностях до 10 м.



        1.2.1. ФЕРРОЗОНДОВЫЙ (ИЛИ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИЙ) МЕТОД

   Метод позволяет зафиксировать пространственные искажения магнитного поля Земли, создаваемые ферромагнитным объектом поиска (см. рис. 1.2). Обнаружить диэлектрические (пластмассовые, деревянные и т. п.), а также диамагнитные (дюралюминий, золото, серебро, бронза и т. п.) объекты с помощью данного метода невозможно. Однако обнаружение локальных ферромагнитных объектов осуществляется практически в любых естественных укрывающих средах (глинистых и

8

песчаных грунтах, пресной и морской воде, льдах и т. д.). В то же время использованию переносной аппаратуры на основе этого метода внутри или вблизи современных сооружений (зданий, мостов, аэродромных покрытий и т. д.) мешает влияние стальных элементов в их конструкциях (арматуры, балок, труб ит. д.). Иногда и в горной местности, богатой металлосодержащими рудами, использовать магнитометры трудно.
   Стационарные и квазистационарные магнитные поля измеряют, как правило, с помощью следующих приборов: протонных магнитометров; датчиков Холла; волоконно-оптических датчиков с лазерной накачкой; феррозондовых приборов.
   В полевых условиях наиболее широко применяют феррозондовые приборы, характеризующиеся не только высокой чувствительностью и точностью, но и возможностью непосредственно измерять составляющие вектора магнитного поля (обеспечивая тем самым получение полной информации о структуре поля и его источниках), а также пригодностью для работы в очень слабых магнитных полях, в широком температурном диапазоне, высокой надежностью, долговечностью и низкой стоимостью. По принципу действия феррозонды наиболее близки к магнитным усилителям. По существу, они и есть магнитные усилители, у которых управляющая электрическая цепь заменена разомкнутой магнитной цепью. Существует довольно много типов и модификаций феррозондов, которые отличаются друг от друга режимом работы, способом наложения вспомогательного поля, схемным решением и конструктивным исполнением. Эти отличия более или менее существенны в зависимости от диапазона и частотного спектра измеряемых полей, условий, в которых проводятся измерения, особенностей преобразования полезного сигнала в измерительной схеме.
   Наиболее распространен дифференциальный феррозонд (рис. 1.3). Он содержит два одинаковых пермаллоевых сердечника, выполненных в виде тонких стержней прямоугольного сечения, уложенных в специальные каркасы параллельно друг другу. Поверх каркасов нанесены первичные обмотки, включенные последовательно и образующие цепь возбуждения феррозонда. Эту цепь питают переменным током звуковой или ультразвуковой частоты. Кроме первичных обмоток имеется также общая вторичная обмотка. Вторичная обмотка вместе с подключаемым к ней индикаторным прибором образует измерительную цепь.

9

Рис. 1.3. Схема дифференциального феррозонда:
1 - пермаллоевые сердечники; 2 -первичные обмотки; 3 - вторичная обмотка

                                  Феррозондовый преобразователь - векторный прибор, т. е. его выходной сигнал зависит от величины и направления приложенного поля. Это позволяет получать дополнительную информацию об ориентации и размерах скрытого ферромагнитного предмета [4-6].
     С помощью феррозондового магнитометра можно оценивать глубину залегания предметов. Использование двух феррозондов позволяет создать прибор для измерения разности индукций магнитного поля в двух точках пространства. Такой прибор фактически содержит два канала магнитометра, один из которых применяется для компенсации однородной части поля Земли в объеме двух феррозондов. Этот прибор целесообразно использо

  вать для поиска локальных ферромагнитных объектов, расположенных в толще немагнитной среды (грунт, вода).
   Реальная чувствительность лучших современных портативных переносных магнитных градиентометров составляет 1О⁻⁷...1О⁻⁸ Тл/м. Глубина обнаружения ферромагнитных объектов в грунте достигает 1,5...5,0 м (в зависимости от размеров объекта поиска); в воде - 10 м; ширина зоны обнаружения оценивается в 1...2 м [7,8].
   При поиске крупных металлических объектов глубинного заложения сильное помеховое воздействие на магнитометр оказывают мелкие металлические предметы (гильзы, осколки снарядов и т. п.), расположенные в верхнем слое грунта. Однако опытный оператор сможет в значительной степени избавиться от этих помех, поскольку сигналы от крупных объектов «растянуты» в пространстве, а помехи от мелких близкорасположенных предметов имеют вид характерных коротких пространственных «всплесков».
   Наиболее известны в нашей стране феррозондовые металлодетекторы «Института доктора Ферстера» (Германия). Это модели OGF, Ferex 4.021 и Ferex 4.032.

10