20426 (Магнитометрические средства обнаружения)

Магнитометрические средства обнаружения

Введение

Магнитометрические средства обнаружения предназначены для регистрации факта проноса в их чувствительной зоне предметов, выполненных из металлов или их сплавов.

1. Виды магнитометрических СО, принципы их действия

МСО различают по физическим принципам действия, заложенным в основу построения средств обнаружения, как то:

- с использованием эффекта переизлучения сигнала;

- с использованием эффекта биения частоты;

- с использованием эффекта самоиндукции;

- с использованием эффекта локального искажения магнитного поля Земли.

Рассмотрим кратко физическую суть изложенных принципов.

СО с использованием эффекта переизлучения сигнала. СОП содержит две катушки - передающую и приемную. На передающую катушку подается опорный сигнал, частота и амплитуда которого постоянны во времени. Посредством передающей катушки этот сигнал излучается в окружающую среду. За счет явления самоиндукции во встреченном на пути сигнала проводящем предмете наводится ЭДС, которая в свою очередь вызывает излучение этим предметом "вторичного" поля, т.е. имеет место переизлучение сигнала.

Переизлученный сигнал принимается приемной катушкой СОП. Для ослабления эффекта прямого наведения ЭДС на приемную катушку от передающей, катушки располагают под углом друг к другу или даже разносят в пространстве.

Данное МСО обладает селективностью - четко выраженной способностью различать объекты, изготовленные из различных металлов и сплавов, по фазе отраженного сигнала за счет оптимизации выбора частоты сигнала излучающей катушки.

Уровень сигнала, наводимого в приемной катушке, обратно пропорционален 6-7-й степени расстояния до обнаруженного предмета, т.е. при увеличении расстояния от приемной катушки до обнаруживаемого предмета в 2 раза уровень сигнала U в приемной катушке уменьшится более чем в 2 раза и его новая величина Ui будет находиться в пределах:

СОП имеет четко выраженную диаграмму направленности. За счет этого он теоретически обладает максимальной помехоустойчивостью по сравнению с другими типами СО аналогичного назначения.

Схема применяется в подавляющем большинстве зарубежных СО. Обладает свойством обнаруживать объекты с минимальными размерами по сравнению с другими СО.

СО с использованием эффекта переизлучения сигнала, содержащее одну катушку индуктивности для передачи и приема сигналов. Это частный случай СОП. СОИН содержит только одну катушку индуктивности, возбуждаемую переменным током. При приближении катушки к металлическому предмету появляется переизлученный сигнал, который наводит в ней дополнительную ЭДС.

Уровень сигнала, наводимого в катушке, обратно пропорционален 6-й степени расстояния до обнаруженного предмета, т.е. при увеличении расстояния от катушки до обнаруживаемого предмета в 2 раза уровень сигнала U в катушке уменьшится более чем в 2 раза и его новая величина Ui составит:

СОИН сочетают в себе чувствительность и селективность к металлам СОП и простоту конструкции СОБ, который будет рассмотрен ниже. Недостаток - необходимость компенсации изменения параметров катушки индуктивности от температуры, так как в принципе действия СОИН заложено не только реагирование на полезный отраженный сигнал, но и на любое изменение параметров чувствительного элемента.

СО с использованием эффекта биения частоты. СОБ содержит два генератора, частоты которых при отсутствии внешних дестабилизирующих факторов равны.

Генераторы отличаются друг от друга тем, что частота первого стабильна и не зависит от внешних дестабилизирующих факторов, а частота второго может меняться.

Частоты генераторов поступают на устройство сравнения, выделяющее разностную частоту. Сигнал на выходе устройства появляется только в случае неравенства частот и он тем выше, чем больше это неравенство.

Изменение частоты второго генератора происходит за счет изменения параметров колебательного контура, определяющего частоту настройки генератора. Индуктивность колебательного контура может меняться за счет приближения последнего к металлическому предмету.

Таким образом, при отсутствии металла частоты генераторов равны и разностный сигнал равен нулю. Наличие металла приводит к перестройке контура не стабильного по частоте генератора и появлению разностного сигнала.

Уровень разностного сигнала обратно пропорционален 6-й степени расстояния от обнаруженного предмета, т.е. при увеличении расстояния до обнаруживаемого предмета в 2 раза уровень сигнала уменьшится более чем в 2 раза и его новая величина Ui составит:

По сравнению с другими типами МСО, СОБ обладает малой дальностью обнаружения вследствие эффекта паразитной синхронизации. Селекция по металлам отсутствует.

Рассмотренный принцип действия СО широко использовался в первых промышленных моделях миноискателей.

СО с использованием эффекта самоиндукции. Принцип действия СОИМ похож на СОП. Отличие заключается в том, что в СОП сигнал излучается и принимается непрерывно, например, в виде импульсной последовательности, а в СОИМ - в виде одиночных импульсов. В состав СОИМ обычно входят генератор импульсов тока, приемная и излучающая катушки, устройство коммутации и блок обработки сигналов.

Уровень сигнала, наводимого в приемной катушке, обратно пропорционален 4...6-й степени расстояния до обнаруженного предмета, т.е. при увеличении расстояния от приемной катушки до обнаруживаемого предмета в 2 раза уровень сигнала в приемной катушке уменьшится более чем в 2 раза и его новая величина будет находиться в пределах:

Практически отсутствует селекция по металлам. Существенный недостаток СОИМ в том, что он является источником помех импульсного характера.

СО с использованием эффекта локального искажения магнитного поля Земли. Принцип действия этого вида СО основан на явлении локального искажения магнитного поля Земли ферромагнитными материалами. Он обладает максимальной дальностью обнаружения. Это объясняется тем, что аналогом излучаемого поля для магнитометров является сильное однородное магнитное поле Земли, поэтому отклик на ферромагнитный предмет обратно пропорционален 3-й степени расстояния, т.е. при увеличении расстояния от катушки до обнаруживаемого предмета в 2 раза уровень сигнала в катушке уменьшится более чем в 2 раза и его новая величина 1 составит:

К недостаткам СОМ, как правило, следует отнести большие габаритные размеры и массу, а также невозможность обнаружения предметов из цветных металлов.

2. Основные характеристики МСО

Условно все МСО можно разделить на пассивные и активные. На практике в оперативных мероприятиях стараются применять пассивные МСО, т.е. такие, собственное излучение у которых отсутствует. Пассивные МСО значительно труднее обнаружить, а значит легче камуфлировать. Активные МСО применяют в тех случаях, когда не требуется их камуфлировать по излучению.

К активным МСО можно отнести СОП, СОБ, СОИН и СОИМ, к пассивным - СОМ.

Главное назначение МСО - поиск оружия. Поэтому, к основным характеристикам МСО можно отнести дальность обнаружения металлических предметов и помехоустойчивость.

Основные характеристики рассмотренных типов МСО сведены в морфологическую табл. 1.

Из табл. 1. видно, что наибольшую дальность обнаружения имеет пассивное средство СОМ, а наиболее помехоустойчивым является активное средство СОП. В то же время СОП позволяет определить вид металла, из которого изготовлен обнаруженный предмет.

На практике СОМ часто используется в камуфлируемой аппаратуре для обнаружения оружия. Такая аппаратура устанавливается скрытно и может работать длительное время в автономном режиме, так как собственное потребление СОМ незначительно или отсутствует. Благодаря пассивному характеру работы СОМ обнаружить такую аппаратуру по собственному излучению очень трудно. Наиболее важной характеристикой СОМ в этом случае является именно дальность обнаружения, так как специальные методы обработки сигналов позволяют существенно скомпенсировать чувствительность устройства к помехам.

Наиболее характерная область применения СОП - миноискатели. В этой аппаратуре идеально сочетаются сравнительно малые массогабаритные характеристики СОП с его высокой помехоустойчивостью. Дальность обнаружения не имеет существенного значения, так как мины часто устанавливают на малой глубине. Собственное излучение СОП в данном случае значения не имеет.

3. Характерные помехи при применении МСО и способы их компенсации

Условно помехи МСО можно разделить на внутренние и внешние. К внутренним помехам относятся помехи, создаваемые собственно работой МСО, и собственные шумы МСО. Для борьбы с внутренними помехами применяют различного рода экраны и развязки, используют комплектующие элементы с малым уровнем шума.

К внешним помехам можно отнести помехи от работы различного рода электрооборудования, а также помехи за счет естественного изменения магнитного поля Земли. Избавиться от внешних помех обычно удается путем пространственного разнесения МСО на расстояние L и их дифференциального включения.

В этом случае происходит взаимное вычитание сигналов помехи. Степень компенсации помех тем выше, чем дальше разнесены МСО и чем больше расстояние до источника помехи.

На рис. 2. показано изменение уровня сигнала на выходе дифференциального усилителя в зависимости от расстояния L₂ от МСО до источника помехи при фиксированном расстоянии L между МСО.

4. Особенности разработки и применения МСО

Как правило, конструкция активных МСО сложнее пассивных. При этом и массогабаритные характеристики активных МСО выше. Это объясняется прежде всего тем, что пассивные МСО работают в области низких и инфранизких частот часто без переноса спектра сигнала. Например, СОМ часто выполняют в виде катушки индуктивности с очень большим числом витков и сердечником из материала с возможно большей магнитной проницаемостью. Чувствительность СОМ пропорциональна количеству витков катушки, магнитной проницаемости сердечника и его длине. Все это приводит к увеличению массогабаритных характеристик СОМ.

Любую катушку индуктивности можно рассматривать как рамочную антенну. Действующую длину такой антенны можно вычислить по формуле

где X - длина волны; п - число витков катушки индуктивности; S -площадь витка.

Для рамки с сердечником можно записать:

где - действующая длина рамочной антенны с магнитным сердечником; ц_а - относительная магнитная проницаемость антенны;

где - магнитная проницаемость сердечника; - коэффи-

циенты, учитывающие зависимость между геометрическими размерами катушки и сердечника.

где ц - относительная магнитная проницаемость материала сердечника; D_c-диаметр сердечника; Ц-длина сердечника. Подставляя получим: