«ОСЬ» ПЕРЕНОСНОЙ ГРАДИЕНТОМЕТР

Ткач Владимир Николаевич¹,

Парфенцев Игорь Валерьевич, кандидат технических наук, доцент²,

Звежинский Станислав Сигизмундович, доктор технических наук, профессор³

В специальной технике поиска в толще укрывающих сред достойное место занимает магнитометрический градиентометр, обеспечивающий обнаружение ферромагнитных объектов посредством регистрации локальных изменений главного (стационарного) магнитного поля Земли (МПЗ) [1]. Хотя индукция этого поля и достигает величины порядка Т ≈5*10⁴нТл, однако его градиент чрезвычайно мал (менее 10^-4нТл/м), что и позволяет на фоне МПЗ обнаруживать локальные аномалии градиента магнитной индукции, связанные с близкорасположенным сосредоточенным ферромагнетиком, представляющим интерес для поиска, например, взрывоопасные предметы в оболочке, взрывчатые устройства (ВУ) с готовыми поражающими элементами, тайники с оружием и др.

Основными преимуществами магнитометрического метода (или метода поиска магнитных аномалий, MAD) по сравнению с широко применяемыми активными (импульсными или гармоническими) металлоискателями является большее дальнодействие и независимость результатов от вида укрывающей среды и подстилающей поверхности (грунта, воды, болота,травы и пр.) [1, 2]. Конечно, обнаружение диэлектрических (например, ВУ в пластиковой оболочке) и диамагнитных (дюралюминий) объектов с помощью этого метода невозможно, однако такие объекты, как правило, «несут» гораздо меньшую угрозу жизнедеятельности.

Магнитометрический градиентометр представляет собой изделие, состоящее из 3-х основных частей [3, 4]:

• чувствительный зонд (ЧЗ) в «жестком» герметичном конструктиве, где на базе а (типично величиной 0,4…0,7 м) с помощью двух встречно-включенных идентичных и коллинеарных «точечных» магнитометров (как правило, феррозондового типа), измеряется разность значений магнитной индукции порядка единиц – сотен нТл;
• блок обработки на базе микропроцессора, обеспечивающий не только усиление, фильтрацию и визуализацию сигналов с ЧЗ, но и минимизацию инструментальной погрешности, ограничивающей чувствительность градиентометра;
• неферромагнитный конструктив вместе с встроенными элементами питания (типично – литиевыми батареями или аккумуляторами).

Разрешающую способность (чувствительность) градиентометра определяют два вида инструментальной погрешности ЧЗ:

1)        угловая ξ_угл, связанная с неколлинеарностью ∆ осей чувствительности двух магнитометров в ЧЗ;

2)        амплитудная ξ_амп, связанная с неравенством их коэффициентов преобразования.

Вторая погрешность достаточно просто устраняется путем проведения калибровки и подстройки (в процессе изготовления изделия или его эксплуатации, в том числе в автоматизированном режиме). Угловая погрешность – основная и определяется технологией изготовления ЧЗ и является доминирующей. Для наихудшего случая - перпендикулярности оси чувствительностиО ЧЗ (вдоль основного габарита) и вектора Т МПЗ - эта погрешность может быть оценена как:

(1)

и при ∆ = 1 угл. сек = = 3·10^-4 рад составляет ~15 нТл, что позволяет устойчиво регистрировать изменения индукции только на уровне не менее 30 нТл. Для наилучшего (коллинеарного)случая соосности векторов О и Т угловая погрешность уменьшается в сотни раз. Поскольку вектор главного МПЗ на территории России, Европы и США имеет преимущественно вертикальную ориентацию, «выгодно» регистрировать вертикальную компоненту градиента магнитного поля Земли, что и делается в современных изделиях. ЧЗ подвешивается к корпусу градиентометра на шарнире и под действием собственного веса ориентируется вертикально. Такое техническое решение позволяет снизить максимальное влияние угловой погрешности по сравнению с (1) в 2-3 раза.

При поиске объектов на местности оператор перемещается по маршруту, регистрируя по показанию индикатора (светодиодного, жидкокристаллического или стрелочного) значения градиента магнитной индукции, - шум (в ту или иную сторону от нуля) связан с проявлением угловой (амплитудной) погрешностью градиентометра. При приближении к объекту поиска индикатор начинает показывать доминирующий тренд (на фоне флуктуаций шума) – сигнатуру полезного сигнала, которая в зависимости от ориентации намагниченности  объекта (остаточной, индуцированной) имеет два основных типа, показанных на рис.1 (реальная сигнатура имеет «промежуточную» форму). Опытный оператор, исследуя место возникновения устойчивых сигналов и фиксируя вид сигнатуры, может приблизительно определить местоположение, глубину и даже магнитный момент М объекта поиска, косвенно связанный с его габаритами или весом [3]. При совмещении функции измерения с данными о местоположении (при помощи GPS или ГЛОНАСС – навигатора) возможно осуществление картографирования местности и построения т.н. карты магнитных аномалий.

Рисунок 1 – Основные сигнатуры полезных сигналов при обнаружении ферромагнитных объектов

Дальность обнаружения R ферромагнитых объектов, имеющих магнитный момент М, может быть приблизительно оценена по формуле [2, 3]:

(2)

где , м; а – база, м (рис.1); М – дипольный магнитный момент объекта, Ам2; В – регистрируемый максимум полезного сигнала, нТл (или разрешающая способность). Например, для 155 мм снаряда можно принять М ≈ 1 Ам² [3], что для уровня сигнала В = 5 нТл (шуме менее 2 нТл) и типовой базе градиентометра а = 0,65 м, дает: R ≈ 2,1 м.

Как показано в [4], наилучшие в мире магнитометрические градиентометры разрабатывает и изготавливает фирма Inst. Dr. Foerster (Германия), к ним приближаются изделия других фирм – Ebinger (Германия), Geoscan Research (Великобритания), Schonted Instr. (США) и др. Изделие Института им. Ферстера FEREX 4.032 принято на вооружение стран НАТО как MK-26 Mod.1, и уже более 10 лет определяет технологический стандарт данного вида спецтехники. Решающим преимуществом этого изделия является уникальный ЧЗ, обеспечивающий угловую погрешность менее 5·10^-5 рад в течение всего срока службы в полевых условиях (без периодической настройки), что определяет его наивысшую чувствительность среди известных аналогов. К достоинствам FEREX 4.032 можно отнести удобный интерфейс управления и картографирования, несколько режимов работы (в том числе в связке с GPS-навигатором), возможность одновременной работы нескольких изделий в составе поискового комплекса на автомобильной базе, а также несколько видов ЧЗ – типовой (с базой 0,65 м), малой чувствительности.

В России более 10 лет назад были разработаны несколько видов градиентометров (например, «МБИ-П», «ФТ-601»), но все они существенно уступают лучшим зарубежным аналогам, прежде всего, по достижимой чувствительности, скудности опций и сложности технического обслуживания изделий в процессе их эксплуатации [4]. За это время угроз безопасности как в военной сфере, так и в области гуманитарного разминирования, для противодействия которым нужна такая спецтехника, меньше не стало. Это обусловило актуальность разработки нового отечественного магнитометрического градиентометра, характеристики которого в целом должны соответствовать достигнутому зарубежному уровню.

В ЗАО «Группа Защиты-ЮТТА» [5] проводится инициативный ОКР по разработке нового отечественного переносного магнитометрического градиентометра. В таблице представлены основные тактико-технические характеристики изготовленного опытного экспериментального образца градиентометра «Ось», подтвержденные в ходе предварительных испытаний. В целом представленные характеристики соответствуют современному зарубежному уровню развития данного вида спецтехники.

Таблица – Основные тактико-технические характеристики магнитометрического градиентометра «Ось»

Градиентометр «Ось» обеспечивает звуковую и световую сигнализацию при превышении регистрируемого магнитометрического сигнала В заранее установленного порога обнаружения, имеет 8 поддиапазонов переключения чувствительности: от 3 нТл до 10⁴ нТл. Он обеспечивает четыре режима работы:

1) динамический (при движении оператора) дифференциальный – поиск и обнаружение ферромагнитных объектов «с ходу» при пониженной чувствительности;

2) статический (при остановке оператора) дифференциальный – локализация и оценка объекта на месте остановки при повышенной чувствительности;

3) статический селективный – поиск и локализация только относительно больших объектов, расположенных на значительной глубине, и подавление влияния малых предметов на малой глубине (т.н. режим пространственного фильтра);

4) статический абсолютный – включение одного (нижнего) магнитометра для составления карты магнитных аномалий.

Градиентометр будет комплектоваться 4 видами ЧЗ: с базой 40 см; 65 см (типовой) и 140 см (высокой чувствительности); для работы в воде на глубине. Внешний вид экспериментального опытного образца показан на рис.2.

Рисунок 2 – Внешний вид магнитометрического градиентометра «Ось»: а) при транспортировке и хранении; б) в рабочем положении

Вывод

Новый отечественный переносной магнитометрический градиентометр, предназначенный для поиска ферромагнитных объектов в толще укрывающих сред, разработка которого продолжается в ЗАО «Группа Защиты «ЮТТА», по совокупности параметров в целом соответствует современному уровню и призван восполнить существующую «нишу» в данном классе спецтехники. Интерфейс и функционал данного изделия будет дорабатываться по результатам испытаний и пожеланий потенциальных заказчиков.

Литература

1. Дикарев В.И., Заренков В.А., Заренков Д.В. Методы и средства обнаружения объектов в укрывающих средах. - СПб.: Наука и Техника, 2004. - 280 с.
2. Щербаков Г.Н. Средства обнаружения тайников с оружием и боеприпасами в толщине грунта // Специальная техника. – 2000. - № 2.
3. Звежинский С.С., Парфенцев И.В. Метод магнитометрического обнаружения взрывоопасных предметов // Спецтехника и связь. - 2008. - № 2.
4. Звежинский С.С., Парфенцев И.В. Магнитометрические феррозондовые градиентометры для поиска взрывоопасных предметов // Спецтехника и связь. - 2009. - № 1; № 2.
5. http://www.detektor.ru.

¹Ткач В.Н. – генеральный директор ЗАО «Группа Защиты-ЮТТА», +7(499)649-09-86;

²Парфенцев И.В. – зам.ген. директора ЗАО «Группа Защиты-ЮТТА», labtop@mail.ru, +7(499)649-09-86;

³Звежинский С.С. - профессор МТУСИ

Portable magnetometer gradiometer for detection of reserved ferromagnetic objects

Tkach Vladimir Nikolaevich¹,

Parfentsev Igor Valerjevich², Candidate of Engineering Sciences, assistant professor,

Zwierzynski Stanislaw Sigizmundowich³, Doctor of Engineering Sciences, professor.

1 – ZAO “Gruppa Zashchity JUTTA”, Moscow.

2- MTUCI, Moscow

In article are considered results in developing a new portable magnetometer gradiometer for ferromagnetic objects searching in thickness of environment variety.

Keywords: magnetometer gradiometer, Earth's magnetic field, detection range, instrumental error.

References

1. Dikarev V.I., Zarenkov V.A., Zarenkov D.V. Methods and tools for object detection in environments harboring. - SPb.: Science and Technology, 2004. - 280 p.

2. Shcherbakov G.N. Means for detection caches of weapons and ammunition in thickness of soil // Special technique. - 2000. - № 2.

3. Zwierzynski S.S. Parfentsev I.V. Magnetometric method for explosive objects detection // Special equipment and communication. - 2008. - № 2.

4. Zwierzynski S.S., Parfentsev I.V. Flux-gate magnetometer gradiometers for seaching explosive devices // Special equipment and communication. - 2009. - № 1; № 2.

5. http://detektor.ru.