Обнаружение противопехотных мин в почве с использованием теплового воздействия СВЧ-энергии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Бакуменко, Алексей Викторович

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Бакуменко, Алексей Викторович

1.1. Методы обнаружения объектов под поверхностью почвы.

1.2. Мины как вид вооружения.

1.3. Методы обнаружения мин, основанные на различии физических и химических свойств почвы и объекта.

1.3.1. Индукционные детекторы металлических предметов в почве.

1.3.2. Детекторы испаренных миной веществ.

1.3.3. ИК детекторы.

1.3.4. Акустические методы обнаружения мин.

1.3.5. Радиолокационные методы.

1.4. Метод Воскобойника-Морозова.

1.5. Выводы по обзору литературы. Постановка задачи.

Глава 2. Формирование температурного поля на поверхности почвы при облучении ее СВЧ энергией.

2.1. Обнаружение неметаллической мины.

2.1.1. Обоснование модели расчета.

2.1.2. Математическая модель и результаты расчетов для однородной среды.

2.1.3. Математическая модель и результаты расчетов для двухслойной среды.

2.2. Обнаружение металлической мины.

2.2.1. Обоснование модели расчета.

2.2.2. Математическая модель и результаты расчетов.

Глава 3. Экспериментальные исследования.

3.1. Обоснование выбора частотного диапазона.

3.2. Экспериментальное оборудование.

3.2.1. Источники излучения на частоте 2,45 ГГц.

3.2.2. Источники излучения на частоте 5,8 ГГц.

3.2.3. Регистратор теплового (ИК) излучения.

3.2.4. Ящик с песком.

3.3. Исследования нагрева почвы.

3.4. Исследования скорости нагрева почвы в двухслойной модели.

3.5. Эксперименты по обнаружению реальных мин.

Глава 4. Военно-технические аспекты разработанного метода.

4.1. Требования к аппаратуре миноискания.

4.1.1. Требования к частоте излучения.

4.1.2. Требования к выходной мощности.

4.1.3. Однородность излучения по площади.

4.1.4. Специфические требования.

4.1.5. Требования к ИК индикатору.

4.1.6. Требования к обработке результатов.

4.1.7. Требования к аппаратуре в целом.

4.1.8. Требования к аппаратуре по защите сапера от СВЧ излучения.

4.2. Организационно-технические мероприятия.

4.2.1. Необходимость сочетания методов поиска.

4.2.2. Обучение саперов. 102 Заключение. 104 Литература.

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Радиофизика», 01.04.03 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обнаружение противопехотных мин в почве с использованием теплового воздействия СВЧ-энергии»

Одним из видов вооружения в настоящее время являются мины, укрытые под поверхностью почвы. Имеющие малую цену, легко изготовляемые, легко устанавливаемые они наносят ощутимый урон живой силе и технике наступающего противника. Как оборонительное оружие мины используются для защиты своих позиций, для противодействия перемещению противника по коммуникациям, когда он вынужден тратить время на разминирование. В наступательной операции необходимо взламывать оборону противника, нейтрализуя при этом не менее 90 % мин на узких направлениях. После окончания боевых действий такое разминирование становится недостаточным. Согласно данным ООН, в настоящее время в 65 странах мира в земле установлено около 110 млн. мин, и ежегодно устанавливается от 2 до 5 млн. мин и взрывоопасных предметов, а обезвреживается в год в лучшем случае 100 тысяч. Более 95 % составляют мины противопехотные. На неочищенной от мин территории уже в мирное время гибнут гражданские лица, в том числе женщины и дети.

Известные способы обнаружения посторонних предметов под поверхностью почвы, в частности мин, основаны на измерении искажения статических характеристик почвы (магнитных, электростатических, тепловых, запаха и др.), обусловленного наличием в ней посторонних предметов. Эти способы сложны, громоздки по оборудованию и, тем не менее, недостаточно надежны, не обеспечивают 100%-го выявления. Эффективность средств обнаружения мин недалеко ушла от уровня Второй мировой войны. Наиболее перспективным представляется сейчас метод, основанный на принципах радиолокации, т.е. направленного облучения поверхности почвы СВЧ волной и фиксации сигнала, отраженного от 6 предмета, обладающего иными, чем почва электромагнитными свойствами. Но и этот способ испытывает затруднения при обнаружении мин, не содержащих металла, или содержащих его в очень малых количествах.

В 1998 г. сотрудниками ГУ НЛП "Магратеп" (Фрязино) М.Ф. Вос-кобойником и O.A. Морозовым на основе их исследований поглощения СВЧ энергии диэлектриками был предложен способ обнаружения мин в почве, заключающийся также в облучении почвы СВЧ энергией, но фиксацией не отраженного сигнала, а изменения температуры поверхности почвы, появляющегося, если под облучаемой поверхностью спрятан предмет, независимо от того, какой он природы - диэлектрический или металлический.

Но авторы предложенного способа ограничились, по сути дела, только идеей и не довели его до уровня научных и технических решений, при этом остались не выясненными ни физика явления, ни пути построения реальных систем миноискателей. Цели и задачи работы

Целью настоящей работы стало изучение процесса теплоперено-са в почве, в которой происходит объемное выделение энергии, и проявления этого переноса в изменении температуры поверхности над участками, где заложена и не заложена мина.

Были поставлены следующие задачи: -выявить физику процесса обнаружения мины в почве в зависимости от свойств грунтов, параметров облучения и от вида объекта - диэлектрические и металлические мины;

-оценить граничные возможности метода по времени поиска, глубине заложения мин, необходимой СВЧ мощности;

-сформулировать пути конкретных инженерных разработок, исходя из физико-технических и военных требований. 7

Для решения поставленных задач были проведены теоретические и экспериментальные исследования. Особенностью теоретических расчетов было доведение их до приближенных аналитических выражений, выявляющих характерные черты явления в явном виде. Эксперименты проводились как на имитаторах мин, выполненных из разных материалов, так и на реальных образцах мин, применяемых в инженерных войсках РФ.

1) Выявлен и обоснован физический механизм явлений, лежащих в основе способа обнаружения противопехотных мин путем закачки в грунт СВЧ мощности.

2) Выявлены закономерности появления теплового рельефа на поверхности почвы в зависимости от мощности облучения, типа грунтов, типа материалов корпусов мин и глубины их размещения в грунте.

1. Для обнаружения противопехотных мин, углубленных в грунт, вполне может быть использован эффект, проявляющийся при облучении поверхности почвы СВЧ энергией и выражающийся в появлении разницы температур над участками, под которыми имеется и отсутствует объект.

2. Физический механизм исследованного эффекта состоит в объемном поглощении почвой СВЧ энергии и развитии тепловых потоков, изменяющихся от наличия в почве объектов с иными, чем почва, теп-лофизическими свойствами.

3. Глубину залегания мины в почве можно определить исследованным способом по экстремуму временной зависимости второй производной разницы температур над миной и в стороне от нее. 8

Практическая значимость работы

1.Способ может быть применен для обнаружения противопехотных мин как в металлических, так и в диэлектрических корпусах

2.На основе проведенных экспериментальных и теоретических исследований сформулированы технические требования к аппаратуре и подготовлено техническое задание на разработку.

Объем и структура работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы. Объем диссертации составляет 124 страницы, включая 26 рисунков и 5 таблиц. Библиография содержит 106 наименований.

Похожие диссертационные работы по специальности «Радиофизика», 01.04.03 шифр ВАК

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Бакуменко, Алексей Викторович

1.5. Выводы по обзору литературы. Постановка задачи.

Из всех рассмотренных методов обнаружения мин в почве весьма привлекательным представляется метод, заключающийся в нагреве почвы СВЧ излучением и измерении температуры поверхности. Но предложившие этот метод М.Ф. Воскобойник и O.A. Морозов, также как и новозеландский ученый Л.Картер, ограничились, по сути дела, только идеей и не довели способ до уровня, с которого можно отрабатывать конструкторские решения. Остальные методы встречают серьезные трудности при поиске мин, не содержащих металлы или с минимальным количеством в них металла. И при этом требуют еще сложной радиоаппаратуры.

Но чтобы развить этот метод, надо провести ряд конкретных исследований. В настоящей работе были поставлены следующие задачи:

-выявить физику процесса обнаружения мины в почве в зависимости от свойств грунтов, параметров облучения и от вида объекта - диэлектрические и металлические мины;

-оценить граничные возможности метода по времени поиска, глубине заложения мин, необходимой СВЧ мощности;

-сформулировать пути конкретных инженерных разработок, исходя из физико-технических и военно-тактических требований.

Глава П. Формирование температурного поля на поверхности почвы при облучении ее СВЧ энергией.

В настоящей главе представлен теоретический анализ процесса формирования температурного поля на поверхности почвы для случаев наличия и отсутствия в ней мин. Почва облучается СВЧ энергией с заданной плотностью и тепловые потоки по-разному распространяются в объемах почвы, в одном из которых имеется, а в другом отсутствует объект, обладающий иными, чем почва, теплофизическими свойствами. Таким образом, над участками поверхности почвы, где имеется и не имеется спрятанная мина, должен проявиться градиент температуры, который укажет на наличие мины. Таковы физические предпосылки разработанной теории. Целью исследования было получение приближенных аналитических выражений, позволяющих оценить время формирования температурного поля для различных грунтов и глубину залегания мины. А это позволит получить очень важные с практической точки зрения качественные и количественные данные по оценке скорости обнаружения, необходимые для принятия решений о развитии аппаратуры и методики разведки.

2.1. Обнаружение неметаллической мины.

2.1.1. Обоснование модели расчета.

Для простоты предположим, что коллемированный поток мощности, излучаемой СВЧ антенной, поглощается почвой без отражения, что, вообще говоря, справедливо (с точностью порядка 5%) для не очень влажного (менее 10%) грунта. В соответствии с [50] примем, что затухание СВЧ волны в почве имеет экспоненциальный характер, так что выделяемая в каждом элементарном объеме почвы мощность (Вт/см3) определяется как

37 где а - коэффициент затухания (см"1); г - координата, отсчитываемая от поверхности вглубь почвы (см); Яо- плотность СВЧ мощности на поверхности почвы (Вт/см2).

Отвлечемся от столь важных для конкретного случая сведений о форме мины, угле ее расположения относительно поверхности почвы и конкретного значения коэффициента теплопроводности материала мины. Будем считать, что он, по крайней мере, в несколько раз меньше коэффициента теплопроводности почвы.

Задачу определения разности температур на поверхности почвы целесообразно решать в два этапа. Первый этап - определение зависимости температуры на поверхности почвы, равномерно облучаемой энергией плотностью 5*0, от времени для случая отсутствия неоднородностей в глубине разогреваемого слоя. Второй этап - определение зависимости температуры на поверхности "двухслойной" почвы, равномерно облучаемой энергией той же плотностью ¿>о от времени. В данном случае "двухслойность" означает, что, начиная с некоторой глубины Н, значения параметров почвы - теплоемкости с и теплопроводности к - скачком изменяются на некоторую величину и далее остаются таковыми до г = +оо.

Таким образом, мы смоделировали тот факт, что мина достаточно резко изменяет теплопроводность среды в месте ее установки, и в то же время избежали необходимости учитывать граничные условия для мины конкретной формы.

Вычитая один график Т=Т (1) из другого, можно получить "отклик" на облучение СВЧ энергией почвы с миной.

Можно и дальше упростить рассмотрение задачи. Положим, что теплоемкость воздуха равна нулю, а конвекция его над почвой отсутствует.*

Поскольку измерители температуры позволяют фиксировать очень малые ее изменения, целесообразно ввести условие, что превышение температуры почвы над миной незначительно по сравнению с температурой окружающей почвы. А это значит, что отдача тепла в воздух будет примерно одинакова на обоих участках почвы: с миной и без нее.

Введенные упрощения, конечно, идеализируют задачу, но они позволяют оценить скорость нарастания температуры и влияние на нее различных параметров почвы.

2.1.2. Математическая модель и результаты расчетов для однородной среды.

Уравнение теплопроводности в однородной среде, т.е. в почве без мины, при простейших граничных условиях и достаточно простых областях решается сравнительно легко. Наличие же переменных параметров (плотности р, коэффициента теплопроводности к, удельной теплоемкости с) существенно усложнит задачу.

Разведка мин целесообразна в течение небольшого отрезка времени (десятки - сотни секунд), поэтому можно задать в качестве граничного условия теплоизоляцию (условие Неймана). На самом деле теплообмен существует, но, как правило, на интересующих нас отрезках времени, и при наблюдающихся перепадах температур он пренебрежимо мал. Учет этих обстоятельств превратил бы нестационарную тепловую задачу в задачу с массообменом, которая имеет к тому же переменные параметры, не внося существенных коррекций в рассматриваемую картину.

Уравнение теплопроводности с внутренними источниками тепла [56] имеет вид: дТ с(х) д (х) — = сИу ¿(х) gradГ + / (х, , (1) где х = <х, у, г >, ось г направлена вниз; А = сНу grad- оператор Лапласа; ( - источник тепла (плотность тепла, выделяемого в элементе с1 х), В = к/(ср) - коэффициент температуропроводности. Задача рассматривается в полупространстве г>0.

Начальное значение температуры совпадает с температурой окружающей среды. Его можно принять равным 0. Это означает, что отсчет температуры ведется от исходного начального значения температуры среды.

На поверхности почвы, т.е. при г = 0, нормальную производную также зададим нулевой: дг

Определим функцию ((х,/), которая представляет собой мощность, выделяемую в элементарном объеме почвы. Для площади, облучаемой

СВЧ энергией, т.е. находящейся внутри круга радиуса Я (т.е. х +у <Я ), функция = А ехр(-у г).

Понятно, что для площади, не облучаемой источником СВЧ энергии, ( = 0.

Здесь у = 2а, где а - коэффициент затухания электромагнитного поля; где - плотность энергии электромагнитного поля, падающего на поверхность.

Решение уравнения (1) с условием Неймана (2) для полупространства г > 0, продолженного четным образом по г, известно [56].

В центре круга, т.е. при х = 0, производная дт дг т (о,о,о,г) = х .юсосо / / 2 2 2 г < \

-со - оо - со \ / ^ х ¿у с1г .

Тройной интеграл из выражения (3) сводится к произведению двух интегралов: