Перспективы использования методов обнаружения мин и взрывчатых веществ

НАУКА И ВОЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ № 2/2006, стр. 58-60

Перспективы использования методов обнаружения мин и взрывчатых веществ

УДК 621.396.96

Полковник С.А.САВЕНКО,

первый заместитель начальника (по научной работе)

Научно-исследовательского института

Вооруженных Сил Республики Беларусь,

доктор технических наук, профессор

Полковник Н.Я.ВАСИЛИН,

начальник информационно-аналитического центра

Научно-исследовательского института

Вооруженных Сил Республики Беларусь

Капитан А.В.ГРИНКЕВИЧ,

адъюнкт Военной академии Республики Беларусь

Постоянно возникающие в мире военные конфликты, различающиеся по характеру и масштабам, как правило, сопровождаются широким применением противоборствующими сторонами средств минирования. Опыт последних лет свидетельствует о неуклонно продолжающемся расширении масштабов ведения наземной «минной войны». Согласно данным ООН на территории 65 стран мира установлено около 110 миллионов мин (рис. 1) и 100 миллионов находится на складах.

На брошенных минных полях ежегодно гибнут до 10 тысяч человек и 20 тысяч получают тяжелые увечья, причем более 30% жертв - женщины и дети [1].

По мнению экспертов ООН, активное использование мин в вооруженных конфликтах объясняется рядом причин, основными из которых являются:

простота устройства и применения боеприпасов, допускающая их установку малоквалифицированным персоналом;

дешевизна производства, позволяющая приобретать крупные партии по низкой цене (стоимость некоторых образцов противопехотных мин составляет три доллара США, а противотанковых - 75);

высокая поражающая способность, вызывающая смертельное или тяжелое ранение, требующее длительного лечения;

возможность широкого выбора типов мин на международном рынке оружия, где представлено более 700 образцов, разработанных 100 фирмами в различных странах мира.

В качестве примера можно привести данные [1], согласно которым сегодня на каждые 48 жителей планеты приходится одна мина, а в таких странах, как Ангола и Камбоджа, количество мин, стоящих на боевом взводе, превышает количество жителей. Неблагоприятная «минная обстановка» сложилась и на территории некоторых стран СНГ, таких как Таджикистан, Грузия, Молдова, Чеченская Республика. Даже на территории Республики Беларусь спустя 60 лет после окончания последней войны ежегодно обезвреживается более 10 тысяч взрывоопасных предметов, которые несут опасность людям. По оценкам экспертов, при современном уровне развития средств поиска и обезвреживания мин, разминирование установленных на данный момент мин займет более 1000 лет, причем суммарные расходы по нейтрализации одной мины могут достигать 1000 долларов.

Опыт работы по сплошному разминированию местности подтверждает мнение специалистов о серьезном отставании техники поиска и уничтожения наземных мин и невзорвавшихся боеприпасов от современных требований.

Сохраняющийся в качестве основного ручной способ разминирования трудоемок, длителен и опасен, о чем свидетельствуют потери саперов (при разминировании каждых 5 тысяч мин погибает один сапер и два получают ранения). Применение ручного способа разминирования, предусматривающего поиск мины и уничтожение ее на месте, считается достаточно медленным и дорогим. По опыту Афганистана команда в составе 30 человек за день может расчистить всего 2330 м2 площади [1].

Таким образом, уровень современных технологий позволяет производить дешевые мины с применением минимального количества металла, вместе с тем средства минной разведки продолжают оставаться традиционными, а именно: индукционные металлодетекторы различного типа и радиоволновые миноискатели, не способные эффективно обнаруживать мины в неметаллическом корпусе.

Основные мировые разработчики средств обнаружения мин продолжают исследования, направленные на повышение эффективности традиционных средств обнаружения мин. Целями исследований являются повышение чувствительности и избирательности традиционных металлодетекторов. Так, австрийский миноискатель индукционного типа AN-19/2, считающийся стандартным для НАТО, способен обнаруживать металлическую деталь массой 0,15 г, что по весу соответствует взрывателю пластмассовой мины. Однако такая чувствительность приводит к увеличению количества ложных срабатываний на местности, где проходили боевые действия и в грунте находится большое количество металла (гильзы, проволока, осколки и т. д.).

Перспективы использования методов обнаружения мин и взрывчатых веществ

В свете всего этого ведущие компании мира начали разработку средств обнаружения мин, использующих различные методы [2 - 7], классификация которых представлена на рис. 2.

Механический метод на данный момент является одним из самых распространенных методов. Он предполагает обнаружение мины путем механического контакта с ней при помощи различного вида щупов, тралов и т. д.

Недостатком данного метода является зависимость эффективности обнаружения мины от натренированности сапера, его личного опыта и, кроме того, данный метод является наиболее опасным из-за необходимости непосредственного контакта с миной.

Оптический метод обнаружения основывается на визуальном обнаружении мины (взрывчатого вещества) и предполагает использование всевозможных оптических устройств.

Данный метод эффективен только при обнаружении незамаскированных, находящихся на поверхности мин.

Тепловизионный метод обнаружения мин изначально базируется на температурных различиях между материалом мины и почвы. Уже разработаны приборы, способные различать заглубленные объекты, имеющие тепловой контраст более 0,1°С. Они могут обнаружить крупноразмерный объект в сухом песке на глубине до 30 см. Однако для обнаружения небольших объектов или при сложных окружающих условиях (влажная почва, густая растительность) данные приборы неэффективны [2].

Газоаналитический метод основывается на способности к испарению взрывчатого вещества. Давно известно, что для поиска мин и взрывоопасных предметов эффективно используются собаки, которые способны обнаруживать даже незначительные испарения. Чтобы найти альтернативу использованию животных, ряд зарубежных компаний ведет работы по созданию приборов, способных фиксировать испарения взрывчатого вещества, однако значительных успехов в этой области на данный момент нет.

Биофизический метод, основанный на использовании генетически модифицированных растений, предложили канадские и американские ученые [8].

Специалисты из Университета Альберты (Канада) и ряда университетских центров США участвуют в программе по выведению специальных растений, способных менять свой цвет в том случае, если в почве содержатся элементы взрывчатых или других химических веществ, применяемых в фугасах. Тем самым растения смогут предупреждать людей об опасности.

Конечно, учитывая довольно длительный период роста растений, их нельзя использовать в «боевых условиях», то есть для быстрого обнаружения взрывных устройств. Однако биофизический метод вполне можно применять в ходе продолжительных миротворческих операций или при обезвреживании минных полей в послевоенное время.

К ядерно-физическим методам относится метод ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР), гамма-активационный метод и метод, основанный на медленных и быстрых нейтронах.

Суть ЯКР заключается в том, что каждое вещество в радиочастотном поле имеет свою собственную резонансную частоту. Применительно к взрывчатым веществам ЯКР возникает в неоднородном электрическом поле на несферических ядрах изотопов азота. Известно, что определенному веществу соответствует свое окружение атомов азота, которое имеет определенную частоту ЯКР. Таким образом, частота ЯКР является характеристикой каждого соединения и отличается от ЯКР частоты другого вещества.

Основным недостатком данного метода является низкая чувствительность. Несколько граммов исследуемого вещества дает интенсивность сигнала, сравнимую с тепловыми шумами. Таким образом, обнаружение взрывчатого вещества даже на глубине нескольких сантиметров требует длительного накопления.

Суть гамма-активационного метода состоит в обнаружении продуктов распада короткоживущих изотопов 12В (бор-12) и 12N (азот-12), которые присутствуют во взрывчатых веществах (ВВ) в большом количестве.

Методы, основанные на медленных (тепловых) и быстрых нейтронах, также находят широкое применение для обнаружения взрывчатых веществ. Суть методов заключается в том, что ВВ отличаются большим содержанием азота (>15% от общей массы ВВ). При активации нейтронами ВВ ядра азота излучают высокоэнергетические гамма-лучи, которые легко обнаруживаются по их отличию от фонового излучения при помощи спектрального анализа.

Достоинствами данных методов является малое время анализа и возможность обнаружения ВВ на большой глубине.

Несмотря на достоинства, ядерно-физические методы обладают и существенным недостатком: приборы, реализующие данные методы, очень дороги и громоздки.

Акустический метод основан на облучении поверхности грунта акустическими волнами и измерении мощности флуктуаций электрического поля в диапазоне излучаемых волн, а о наличии мины судят по превышению мощности флуктуаций электрического поля фонового значения.

Недостатком метода является малая информативность о типе, размерах и глубине установки мины. Поэтому он может применяться только совместно с другими методами.

Электромагнитные методы нашли широкое применение для обнаружения мин и ВВ. Кратко рассмотрим основные из них. Так, индукционный и радиоволновой методы давно применяются в миноискателях. Однако из-за большого количества ложных тревог, обусловленных засоренностью грунта, в настоящее время они не считаются достаточно эффективными.

К нелинейному методу можно отнести радиометрический метод, основанный на использовании радиометрических датчиков (радиометров), которые также могут использоваться для обнаружения мин. Радиометр использует различие естественного излучения самого объекта и фона. В качестве рабочего диапазона, как правило, используется радиодиапазон с длиной волны, лежащей в сантиметровом или миллиметровом диапазоне.

Частота fm, на которой спектральная плотность излучения имеет максимум, определяется формулой Вина [2]

Перспективы использования методов обнаружения мин и взрывчатых веществ

При температуре Т≈300°К спектральная плотность имеет максимум в инфракрасной области спектра, а ее значение в сантиметровом и миллиметровом диапазоне в тысячи раз меньше. Однако с понижением температуры до 1°К максимум излучения сдвигается в миллиметровый диапазон.

Несмотря на малую мощность излучения в радиодиапазоне при температурах, характерных для окружающей среды, чувствительность современных радиоприемников такова, что данное излучение может приниматься на больших дальностях. Этому также благоприятствует слабое затухание радиоволн в атмосфере по сравнению с инфракрасным излучением. Другим преимуществом радиометрических датчиков является возможность естественной селекции металлических объектов на фоне подстилающей поверхности. Радиометр может работать как в пассивном режиме, так и в режиме со сторонним источником подсвета, в качестве которого может использоваться генератор шума в диапазоне собственного излучения обнаруживаемых объектов. Совместное использование двух режимов позволяет получить дальность обнаружения металлических противотанковых мин 15 - 20 м.

Основным недостатком радиометров является возможность обнаружения только металлических мин, расположенных на поверхности.

Метод подповерхностной радиолокации является одним из перспективных методов обнаружения мин, в том числе и в неметаллическом корпусе. Основное преимущество подповерхностного радиолокатора состоит в том, что он позволяет определить характеристики лоцируе-мого объекта (мины): глубину установки и толщину, оценить размеры и материал мины, а при наличии сканирующего антенного устройства - его линейные размеры и форму.

Подповерхностные радиолокаторы излучают электромагнитную энергию в диапазоне частот от нескольких сотен мегагерц до нескольких гигагерц. Исследуются два основных принципа построения подповерхностных локаторов: импульсные, использующие зондирующие импульсы длительностью единицы пикосекунд, и непрерывного излучения со ступенчатой перестройкой частоты. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки [2,3,7].

Для импульсного локатора основная проблема заключается в генерации импульса малой длительности и сложности построения стробируемого приемного устройства, а также в необходимости применения слабодисперсных антенн.

Для локатора с непрерывным излучением основная научно-техническая проблема - компенсация сигнала, отраженного от земной поверхности, мощность которого в десять и более раз превышает мощность сигнала, отраженного от заглубленного объекта.

Перспективы использования методов обнаружения мин и взрывчатых веществ

Разрешающая способность локатора зависит от ширины спектра зондирующего сигнала и определяется следующим выражением:

Перспективы использования методов обнаружения мин и взрывчатых веществ

где с - скорость распространения электромагнитной волны в исследуемом грунте;

∆f- ширина спектра зондирующего сигнала.

Для обеспечения разрешения 3 см, что соответствует толщине противопехотных мин SB-33 (Италия), М409 (Бельгия), РМА-1 (Югославия), требуется ширина спектра зондирующего сигнала не менее ∆ƒ=5 ГГц. Если ширина спектра меньше указанной величины, отражения от верхней и нижней поверхности мины не будут разрешаться.

Разработкой подповерхностных радиолокаторов занимаются компании России, США, Великобритании, Израиля и ЮАР. Экспериментальный образец такого радиолокатора создан и в Беларуси учеными ИПФ НАНБ. Он был испытан в 1999 г. на полигоне в/ч 22249.

Однако, несмотря на проводимые исследования, ни одно из разработанных на данный момент устройств не позволяет обнаруживать 99,6% взрывоопасных предметов, что соответствует качеству, предъявляемому к гуманитарному разминированию. Для выполнения данного требования необходимы дополнительные исследования, направленные на развитие и совершенствование методов обработки отраженных сигналов, разработку более совершенных антенных систем и алгоритмов распознавания заглубленных объектов.

Подводя итоги всего вышесказанного, следует отметить, что наиболее перспективным средством обнаружения мин является подповерхностный радиолокатор. Однако разработка подобного радиолокатора, способного эффективно обнаруживать заглубленные объекты (мины), связана с решением ряда научно-технических проблем, к которым в первую очередь следует отнести:

большое затухание зондирующего СВЧ-сигнала в грунте (10 -100 дБ/м);

сильную зависимость коэффициента поглощения электромагнитной волны от частоты зондирующего сигнала, от типа и влажности грунта;

необходимость компенсации отражений от поверхности почвы, которые значительно превышают по мощности отражения от заглубленного объекта и могут маскировать объекты на малой глубине;

высокую разрешающую способность по глубине и угловым координатам для эффективного обнаружения малоразмерных объектов типа противопехотная мина;

повышенные требования к приемо-передающему тракту и антенной системе при применении широкополосных зондирующих сигналов ∆ƒ ≥3 ГГц.

Кроме того, большое число ложных обнаружений (до 500 на 1 мину) требует применения специальных алгоритмов распознавания заглубленных объектов [9].

Перечисленные проблемы могут решаться по-разному, но это приводит к усложнению конструкции локатора и, как следствие, к увеличению массогабаритных характеристик и стоимости изделия. Вместе с тем проблемы, связанные со снижением требований к широкополосности локатора и уменьшению числа ложных обнаружений, могут быть решены за счет применения современных алгоритмов обработки сигналов, которые позволяют улучшить разрешение при формировании радиолокационного изображения исследуемой поверхности. К таким алгоритмам относятся как классические алгоритмы спектрального оценивания на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ) с использованием временных окон, так и алгоритмы «сверхразрешения». Наиболее известными из них являются алгоритмы спектрального оценивания на основе метода Берга, метода Масикуса (Musicus), являющегося модификацией метода Берга, а также метода максимального правдоподобия, предложенного Дж. Кейпоном [10].

Одномерное радиолокационное изображение заглубленной мины, полученное с помощью различных алгоритмов спектральной обработки отраженного сигнала, показано на рис. 3.

Специальные алгоритмы обработки сигнала позволяют уменьшить маскирующее действие составляющих радиолокационного изображения, соответствующих малоразмерным объектам, боковыми лепестками более мощных сигналов, точнее определить границы объекта и его толщину (рис 3). Поскольку в качестве устройства цифровой обработки сигнала применяется ПЭВМ, использование новых алгоритмов не требует изменения конструкции локатора, а лишь доработки программного обеспечения.

В целях дальнейшего повышения эффективности обнаружения мин возможно комплексное использование (комплексирование) нескольких каналов обнаружения, использующих различные методы (рис. 4). Использование нескольких каналов обнаружения позволит обнаруживать не только мины, установленные в грунт, но и замаскированные на поверхности, а также повысит эффективность обнаружения различных типов мин как в металлическом, так и неметаллическом корпусе.

Основным достоинством перспективного миноискателя (см. рис. 4) является возможность идентифицировать объекты, обнаруженные традиционным индукционным миноискателем, с помощью дополнительного теплового и радиолокационного каналов. Это значительно уменьшит число ложных обнаружений и, следовательно, повысит эффективность устройства в целом. Кроме того, имеется возможность получения радиолокационного изображения заглубленных объектов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Жуков С. Опыт разминирования местности в условиях локальных военных конфликтов // Зарубежное военное обозрение. - 1998. -№6.-С. 14-19. ' ч- I,

2. Вопросы подповерхностной радиолокации. Коллективная монография /Под ред. А.Ю. Гринева. - М.: Радиотехника, 2005. - 416 с.: ил.

3. Подповерхностная радиолокация / Финкельштейн М.И., Карпухин В.И., Кутеев В. А., Метелкин В.Н. - М.: Радио и связь, 1994. - 216 с.

4. S. G.Azevedo. Landmarks making land-mine detection and removal practical // Science & technology review. -1997. - November. -P. 18- 21.

5. Find the mine, not the clutter. Armada international. - 2003. -№2.-P. 28.

6. Radar bullets //New sci. -1998. -160. № 2157. - P. 11.

7. Индзука К., Фройндорфер А.П. Обнаружение находящихся в грунте неметаллических предметов с помощью радиолокатора со ступенчатым изменением рабочей частоты. - М.: ТИИЭР, 1983. - Т.71. №2.

8. http://www.russerdina/ru/print - Растения и миноискатели.

9. Василин Н.Я. Пути повышения эффективности обнаружения современных взрывных устройств подповерхностным локатором // Наука и военная безопасность. -2006. -№1.

10. Марпл мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения /Под ред. Рыжака И.С. - М.: Мир, 1990. - 584 с.


Для комментирования необходимо зарегистрироваться на сайте

  • <a href="http://www.instaforex.com/ru/?x=NKX" data-mce-href="http://www.instaforex.com/ru/?x=NKX">InstaForex</a>
  • share4you сервис для новичков и профессионалов
  • Animation
  • На развитие сайта

    нам необходимо оплачивать отдельные сервера для хранения такого объема информации