Пути повышения эффективности обнаружения современных взрывных устройств подповерхностным локатором

НАУКА И ВОЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ № 1/2006, стр. 47-49

Пути повышения эффективности обнаружения современных взрывных устройств подповерхностным локатором

УДК 621.396.96

Полковник Н.Я ВАСИЛИН,

начальник информационно-аналитического центра

Научно-исследовательского института

Вооруженных Сил Республики Беларусь

Усложняющаяся минная обстановка в районах вооруженных конфликтов, низкие темпы обезвреживания установленных мин после завершения военных действий требуют разработки новых, более эффективных способов их обнаружения. Современный уровень технологий, большой выбор оружия, прежде всего взрывчатых веществ и мин, предлагаемых на рынке вооружений, превратили минную войну в одну из наиболее дешевых и эффективных. Например, стоимость одной противопехотной мины составляет 3-10 долл., противотанковой - 75 - 100 долл., их установка не требует больших временных затрат и длительного обучения персонала. В то же время стоимость обезвреживания одной мины может достигать 1000 долл. Особую сложность создавшейся обстановке придает факт, что современные мины и взрывные устройства изготавливаются из пластмассы с применением минимального числа металлических деталей, что существенно осложняет их обнаружение штатными средствами, состоящими на вооружении армий многих стран мира

Известно, что большинство миноискателей, которыми оснащаются армейские подразделения, являются индукционными. Принцип работы этих миноискателей основан на обнаружении металлических деталей взрывных устройств. Для обнаружения современных взрывных устройств ряд ведущих компаний России, США, Великобритании, Германии, ЮАР ведет разработку средств обнаружения мин, основанных на применении новых физических принципов [1,2,3]. Это устройства, позволяющие улавливать и анализировать пары взрывчатого вещества, тепловизионные - принцип их работы основан на тепловом контрасте заглубленных мин и грунта, а также подповерхностные локаторы, которые представляют собой разновидность геолокаторов (георадаров), используемых для геологической разведки.

Наиболее наглядные результаты по поиску мин дают два последних способа. Использование тепловизионного способа обнаружения позволяет получить изображение мины в ИК-диапазоне, что дает возможность идентифицировать обнаруженный объект по его форме, размерам и глубине. Весьма перспективным средством обнаружения заглубленных объектов (мин) является подповерхностный локатор, который позволяет измерить глубину и толщину обнаруженного подповерхностного объекта, оценить материал, из которого он изготовлен. При наличии сканирующей антенной системы и многоканального устройства обработки отраженного сигнала можно определить форму обнаруженного объекта и, используя совокупность измеренных параметров, идентифицировать объект (мина, ее класс или мешающий объект). Существует два основных вида подповерхностных локаторов: импульсные, использующие зондирующие импульсы наносекундной или пикосекундной длительности и сверхширокополосные локаторы со ступенчатой перестройкой частоты. Каждый из предлагаемых локаторов имеет свои достоинства и недостатки. Наиболее перспективным, с точки зрения информативности отраженного от подповерхностного объекта сигнала и простоты практической реализации, является локатор со ступенчатой перестройкой частоты. Ступенчатое изменение частоты зондирующего сигнала (рис.1) позволяет скорректировать ошибки, вносимые несовершенством широкополосной антенной системы, и затухания, вызванные нелинейностью частотной зависимости поглощения электромагнитной волны в грунте.

Схема такого локатора приведена на рис. 2. В простейшем случае канал обработки отраженного сигнала представляет собой устройство вычисления быстрого преобразования Фурье (БПФ), реализуемое аппаратно или с помощью персональной ЭВМ, на которую подается сигнал с детектора локатора после оцифровки на аналого-цифровом преобразователе (АЦП). В этом случае обработка отраженного сигнала производится в режиме, близком к реальному времени.

Экспериментальный образец подповерхностного локатора со ступенчатой перестройкой частоты создан группой белорусских ученых под руководством доктора технических наук В.А. Михнева в Институте прикладной физики НАН Беларуси в рамках выполнения ОКР «Район-АН». Локатор успешно испытан на полигоне в/ч 22249. При этом характеристики обнаружения заглубленных объектов экспериментального образца и штатных миноискателей РВМ-2 и ИМП были сопоставимы, а по некоторым показателям экспериментальный образец существенно превосходил их. Подповерхностный локатор позволял обнаруживать объекты, не обнаруживаемые штатными миноискателями, в частности - безоболочечные имитаторы тротилового заряда, а также определял его глубину и толщину.

Эффективность обнаружения подповерхностного локатора может быть повышена за счет изменения алгоритма обработки отраженного сигнала. Разрешающая способность локатора по дальности (глубине) может быть улучшена за счет введения дополнительных программных вычислительных блоков. Так, применение метода максимального правдоподобия в 2,5 - 3 раза позволяет повысить разрешающую способность локатора, а использование дополнительного модуля для вычисления интегральной формы преобразования Фурье позволяет измерить фазу отраженного сигнала и оценить материал, из которого изготовлен заглубленный объект [4]. Изменение алгоритма обработки сигнала (рис.3) не требует изменений конструкции локатора, а получаемые таким образом дополнительные информативные параметры позволяют реализовать алгоритм распознавания обнаруженных объектов и уменьшить число ложных обнаружений.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Сигнал с детектора подповерхностного локатора оцифровывается с помощью АЦП и через интерфейс RS-232S поступает на ПЭВМ типа ноутбук. С помощью специализированной программы вычисляется БПФ, результат спектральной обработки отображается на мониторе. Спектральные составляющие отраженного сигнала характеризуют отражения от границ скачкообразного изменения диэлектрической проницаемости (воздух - почва, почва - объект, объект - почва). Их положение на спектральной оси характеризует глубину и толщину обнаруженного объекта, а в фазе отраженного сигнала заключена информация о диэлектрической проницаемости объекта. Предлагаемые доработки позволяют реализовать алгоритм распознавания обнаруживаемых объектов. В качестве информативных параметров для распознавания используются глубина, толщина и оценочное значение диэлектрической проницаемости объекта (больше или меньше, чем у грунта). Измерение соотношения амплитуд отражений от верхней и нижней плоскости объекта дает дополнительную возможность отсеивания ложных обнаружений. Предлагаемый алгоритм распознавания показан на рисунке 4.

Алгоритм работает следующим образом. На вход модуля распознавания поступает сигнал после спектральной обработки сигнала с помощью БПФ, вычисления интегральной формы преобразования Фурье и метода максимального правдоподобия. Если амплитуда второго пика превышает заданный порог, принимается решение об обнаружении объекта и начинается анализ радиолокационного изображения для определения его класса. На первом этапе измеряется глубина обнаруженного объекта - Г. Если она меньше 50 см, предполагается, что объект может быть миной, и анализируется количество пиков в отраженном сигнале Ni. Если их два (что соответствует отражению от верхней и нижней поверхностей мины), то измеряется толщина обнаруженного объекта h. Если она находится в пределах 3-6 см, выдается команда на оценку диэлектрической проницаемости объекта εn. Если диэлектрическая проницаемость выше, чем у грунта, принимается решение, что обнаруженный объект - пластмассовая противопехотная мина. Аналогичным образом работает ветвь алгоритма по распознаванию противотанковых пластмассовых мин. Разница состоит в том, что противотанковые мины имеют толщину 9-25 см. Если на индикаторе один пик большой амплитуды, делается предположение, что обнаружен металлический объект и выдается рекомендация на проведение доразведки с помощью индукционного (или другого) миноискателя.

Дополнительной ветвью алгоритма идентификации обнаруженного объекта является глубина его установки Г. Известно, что для эффективного срабатывания противопехотной мины глубина ее установки не должна превышать 3-5 см, а противотанковой - 5 - 8 см. Измеренная глубина позволяет отнести объект к определенному классу.

Итак, введение алгоритма распознавания классов подповерхностных объектов позволяет значительно повысить эффективность локатора за счет уменьшения числа ложных срабатываний.

Для повышения результативности обработки отраженного сигнала на приемное устройство может подаваться строби-рующий импульс, который формируется с помощью дополнительного канала (ИК или ультразвукового) и позволяет компенсировать отражения от поверхности почвы, амплитуда которых значительно превышает отражения от заглубленных объектов.

Таким образом, модернизированный подповерхностный локатор в отличие от ИМП-2 способен эффективно обнаруживать пластмассовые мины, в том числе и противопехотные.

Предлагаемые доработки подповерхностного локатора позволяют значительно повысить его разрешающую способность по дальности (глубине) и произвести идентификацию обнаруженных объектов - определить класс. Модернизация не требует изменения конструкции локатора, достаточно лишь ввести дополнительные программные модули в алгоритм обработки отраженного сигнала.

Предлагаемые изменения алгоритма обработки отраженного сигнала связаны с увеличением объема вычислений и потребуют дополнительного машинного времени, что несколько увеличивает общее время обнаружения мин. Проблема может быть решена за счет применения быстродействующих ПЭВМ, прореживания или округления сигнала после АЦП или же использования программы обработки сигнала на машинном языке. Вводимые программные модули могут включаться автоматически, с помощью порогового устройства, или оператором вручную. Включение дополнительных программных блоков только для распознавания обнаруженных объектов позволяет снизить общее время поиска мин.

Подповерхностные локаторы могут найти применение не только для поиска мин, но и для обнаружения радиозакладок в стенах, схронов и складов оружия под землей, фугасов, установленных под полотном дороги, полостей в различных строительных конструкциях, кабелей, трубопроводов и т. д.

ЛИТЕРАТУРА

1. Жуков С. Современные средства противоминной борьбы // Зарубежное военное обозрение. -1998. - №6. - С.14 -17.

2. Azevedo S. G. LANDMARC Making Land-Mine Detection and Removal Practical// Science & Technology Review. - 1997. - November. -P. 18- 20.

3. http://www.epfl.ch/w3lami/detec/.

4. Михнев В.А. Реконструктивная микроволновая структуроскопия многослойных диэлектрических сред. - Мн.: ПЧУП «Светоч», 2002. - 192 с.