CC BY
79Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies, 2018, 11(7), 755-763
yflK 53.09, 627.67
Parametric Robot Search System for Mines Based on the Interaction of Electromagnetic and Seismic Waves
Roman G. Shaydurov*
Siberian Federal University 79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041, Russia
Received 19.04.2018, received in revised form 14.09.2018, accepted 12.10.2018
A brief review of remote parametric methods for searching mines and minefields. The physical principles of a remote method for detecting subsurface objects of the mines type in the ground and in the aqueous medium are described on the basis of excitation along the interface between the Rayleigh shock waves and the registration of the Doppler phase shift of the radar signal that occurs when the body of the object is vibrated under the action of seismic impacts. The reasons for the hardware implementation of the new method are outlined, the quantitative correlations in the radio channel of the radar system are estimated.
Keywords: seismic wave, vibrational source, parametric method, radar.
Citation: Shaydurov R.G. Parametric robot search system for mines based on the interaction of electromagnetic and seismic waves, J. Sib. Fed. Univ. Eng. technol., 2018, 11(7), 755-763. DOI: 10.17516/1999-494X-0089.
Параметрическая роботизированная система поиска мин на основе взаимодействия электромагнитных и сейсмических волн
Р.Г. Шайдуров
Сибирский федеральный университет Россия, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79
Дается краткий обзор дистанционных параметрических методов поиска мин и минных полей. Описываются физические основы дистанционного метода обнаружения подповерхностных объектов типа мин в земле на основе возбуждения вдоль границы раздела земля-воздух ударных сейсмических волн Релея и регистрации радиолокационным методом доплеровского сдвига фаз, возникающего под действием сейсмических ударов вибраций корпуса объекта
© Siberian Federal University. All rights reserved
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License (CC BY-NC 4.0). Corresponding author E-mail address: rshaydurov@sfu-kras.ru
поиска. Изложены соображения по аппаратной реализации нового метода, дается оценка количественных соотношений в радиоканале радиолокационной системы.
Ключевые слова: сейсмическая волна, вибрационный источник, параметрический метод, радар.
Введение
Проблема увеличения производительности работ при гуманитарном разминировании больших площадей особенно остро встала в последнее время в связи с локальными войнами на Кавказе, Средней Азии, Ближнем Востоке и др. При этом обеспечение безопасности саперов является одним из главных критериев эффективности работ.
По опыту разминирования в Сирии можно утверждать, что основными средствами обнаружения мин и боеприпасов являются индивидуальные миноискатели, переносимые саперами. В связи с недостаточной условной вероятностью их правильного обнаружения, при высокой условной вероятности «ложных тревог», скорость передвижения саперов не превышает 0,1-0,5 м/с. Это, конечно, во многом зависит от тактико-технических параметров используемых миноискателей. На сегодня самыми распространенными переносимыми миноискателями признаны радиоволновые, основанные на измерениях электропроводности и диэлектрической проницаемости почвы в широком диапазоне частот в пределах 300-3000 МГц [1]. В печати сообщалось также о разработке голографических подповерхностных радиолокаторов (МГТУ им. Баумана) и видеоимпульсных, работающих с наносекундными импульсами зондирования.
В [2, 3] сообщалось о работах по созданию параметрических миноискателей, основанных на возбуждении корпусов мин сейсмическими волнами и считывании вибрации поверхности почвы с помощью радиолокатора [3], либо лазера [4].
Этот метод позволяет получить дополнительный признак обнаружения мин с использованием собственных частот механических колебаний их корпусов, что в комплексе с радиоволновым методом улучшает тактико-технические параметры поиска.
Целью статьи является рассмотрение возможностей построения роботизированного комплекса разминирования больших площадей, обеспечивающего максимальную безопасность работ саперов с одновременным увеличением производительности. За счет дублирования классических радиоволновых миноискателей параметрической радиолокационной системой повышается вероятность распознавания целей на фоне различных мешающих предметов.
Исходные предпосылки
Возможный вариант подобного комплекса, включающий базовую машину с командой операторов и несколько управляемых на расстоянии подвижных блоков-роботов (БР) с навесными миноискателями различных классов, изображен на рис. 1.
На базовой машине кроме команды операторов, управляющих индивидуально каждым из БР, размещены передатчик радиолокатора с дальностью действия 100-200 м и навесной сейсмический вибратор с рабочим диапазоном частот в пределах механических резонансов корпусов поисковых объектов - мин и других взрывных устройств, в частности фугасов, авиабомб и пр.
Поисковыми элементами на борту БР являются набор приемников с антеннами для приема отраженных от почвы радиолокационных сигналов, излучаемых передатчиком РЛС с базовой
машины, и радиоволновые датчики. Система синхронизации обеспечивает временное разделение сигналов комплекса, при котором вначале используется параметрическая система с передатчиком РЛС и затем радиоволновые датчики. Примерная конструкция блока-робота приведена на рис. 2.
Все данные наблюдений по обоим каналам передаются на компьютер оператора по проводной связи либо по радиотракту.
При обнаружении мины оператор останавливает БР, отводит на безопасное расстояние и расстреливает объект поиска из бортового пулемета или другого средства уничтожения.
Такова в общем виде конструкция комплекса и его алгоритм работы.
Рис. 1. Возможный вариант робототехнического комплекса: 1 - базовая машина; 2 - сейсмический вибратор; 3 - операторы БР; 4 - пульт управления БР; 5 - БР; 6 - радиоканал управления БР; 7 - проводная линия управления БР; 8 - совмещенный миноискатель; 9 - антенна бортовой РЛС; 10 - сейсмическая волна; 11 - объект поиска
Fig. 1. Possible version of the robotic complex: 1 - basic machine; 2 - seismic vibrator; 3 - RU operators; 4 - RU remote control; 5 - the robot unit RU; 6 - RU control radio channel; 7 - wire control line RU; 8 - combined mine detector; 9 - onboard radar antenna; 10 - seismic wave; 11 - search object
Рис. 2. Конструкция блока-робота: 1 - корпус БР; 2 - антенна управляющего радиоканала; 3 - рама; 4 - антенны параметрического и радиоволнового миноискателей
Fig. 2. The design of the the robot unit: 1 - carcass RU; 2 - control radio channel antenna; 3 - frame; 4 - antenna of parametric and radio wave mine detectors
Оценкатактико-техническиххарактеристик параметрического канала
На рпс.Зиоо брсжена схемеодновранонногооозбуждени я по лкофнотркнссва земля-воздух сейсмипескипивосноми Релея и электромагнитными волнами со считыванием отраженных сигналов в точке облучения.
Под действием сейсмического (акустического) вибратора, состоящего из ударно-волнового датчика р 1, возбре<и;огмюгсгенздотором -2, з поозртнкптннм слое оемле ссздается сейсмическая волнз Ремег - 3, наспностнаняющаясяврбрс ссскортптыооа. Черезизкоторое время
r
ta = —, где r - расстояние между точкой излучения и объектом поиска (мины) - 4, с направка
ленной антенны - 5 радиопередатчика - 6 излучается квазинепрерывный радиосигнал - 7 в сторону объекта, а отраженный электромагнитный сигнал от поверхности почвы принимается антенными элементами БР - 8 и после обработки входным каскадом приемника - 9 передается по каналу связи - 10, 11, 12 на приемоиндикатор оператора - 13.
Временная диаграмма излучения и приема сигналов представлена на рис. 4. Импульсы излучения сейсмического вибратора - 1 повторяются с периодом Ta, устанавливаемым заранее в зависимости от плотности грунта и дальности поиска. Через время задержки tP, после окончания работы вибратора на отрезок времени AtP включается передатчик радиоволнового миноискателя - 2, входящего в комплекс. Этопозволяет исключить влияние на радиоволновый канал вибрации грунта. В момент - 3 включается приеоник РЛСпырвмоырп-ческого миноискателя, обрабатывающего отраженные сигнаяылляоаичесного сдлигаиочсы и объектов поиска. Таким образом реализуется двухканальная схема работы миноискателя,
включающая получение информации о тангенсе угла потерь tgp = -^, даваемом радиоволно-
ае
вым каналом, и параметр механического сдвига Ax, где е - диэлектрическая проницаемость почвы; а - ее электропроводность; а> - рабочая частота радиоволнового канала. Передатчик
Рис. 3. Схема возбуждения и приема механических колебаний корпуса и мины Fig. 3. Scheme of excitation and reception of mechanical vibrations of the mines
- 758 -
Рис.4. Временнаядиаграммаизлученияи приема Fig.4.Timingdiagramofradiationandreception
Таблица 1 Table 1
Среда распространения Песок Сухая почва Супесь Глина
Скорость Va, м/с 100-500 200 300 800-2000
классического радиоволнового миноискателя располагается совместно с приемником на поис-ковомэлементеБР.
В табл. 1 представлена зависимость скорости поперечных Va сейсмических волн для различных видов почв [5].
Как видлм,наимемыпуюскороссьраспроэтмлрения сейсмических волн имеет песок - Va доСОЛм/с.
При заданной максимальной дальности действия сейсмического вибратора, ra=100 м, время запаздывания сейсмической волны составит порядка tn=1 с. Откуда период повторения те йэмимледого си гнала с у чпэсм времени ратдры радиоволновог о канала должен быть Ta >1 с. Пкскорьку на расссмяниига=1е0 м еепмярапаздывапля ЭМсдгнала незначительно, то радиопередатчик - 6 может излучать с запаздыванием во времени относительно сейсмического импульса на время tn= 0,9 с.
Малее оцвмимнеобходимуюрурствительность мртемоика РЛС, если будем использовать фасмлый меиод лммодусслии лмрпженногл трповепынортд птчвы сигнала. В соответствии с [2] ампмитудрмеханичесмсго смыщолрб корпррд рибы подмемарсмем сейсмического воздействия силой удара Pa (Н) можно оценить как
Ar AsQr2, (1)
4nR„ r„ m
где Ra - радиус излучающей плиты сейсмоисточника; S(м1) - площадь боковой поверхности мины; т(кг) - ее масса; т(с) - длительность полупериода возбуждающего сейсмического
удара;Ра(Я) - сала удара;^-- -рассто^1^ие от сейсмоисточника до мины; - - добротно сть корпуса.
Как видномеСЫ амплитудамеханического смещения корпуса объекта Ах в первую оче-редьзависит от отношониа Жар т.<с. от площади его пооепоноала кмасое. Этот палооютр ц-ифичен олямин рмзного типм, поэмом- ножам быть зоранее отстав разоеую помять системы расспазсавантя.
При фазовдп меувое уеирдппянии аианада оп мины смещение фазы раражсннаго радио-сигиаладарпдвит:
. ллк мм
Аф = ® —, им
иу
с
грию-рабачдя частота ОПОнС сигомла; ДС - смещепие пуезераноо^],! поввьо; иэ = —;=п-снорость
\Е
ЭМ волны в с-->чве; е - аетооепроичеекуе псоницоедогттпочвы.
По даннтшэксперинпнтаоь-ркицрледований, вертикальный сдвиг объекта примерно со-ответствуетгоризонсолт-тму ПН ~Дм
С учетом глубины слоя скин-эффекта ЭМ волны в почве при ожидаемом заглублении мины h ~ 0,3 плрабочая допна.Мвалныдомжма быте влогп же пуросло.Г[оэтому цеоесолфаз-ной рабочей чпстотой,рсзртшенеме к примененпю дмс этих целай реомлментом радиосвязи, может быть/з^0-^0 т у-етьм поцерь и грунте. Пусть Ай=10-6 е; е=Ц; вагоа оз (2) получаом:
. .. АН йк4п
Ар = Гпр — = ГпгрЭ-и 0,01 гроя.
ип с
Откуда спемуем,аоо ,^;е^с;с:аяеллтнр^'^ь приемнива ЦЛМ ьео аеиппе^;^,^!; мелжне емотвелисэор вать полупериодунесущейчастоты,т.е.оцениватьсяпоотношениюксдвигуфаз 180°:
е^-^м 0 -4.
£ Е 1800
При требовании в отношении сигнал/шум порядка 10 дБ общая необходимая чувствительность приемникасоставит дЕ = Ы0-5.
Поскольку п-и минимтльной фановой манипулядиирадиояигиила ее индекс соответствует амплитудной модуляции, то в итоге требуемое отношение сигнал/шум по амплитуде долж-
нобытьнауиьаа qE = — = 1 • 105 = 50 дБ.
8К
Далее дадимоценкутребуемоймощностисейсмического удара. ПустьАх=106 м; ^„=0.1 м2; г„=100м;т=10кг; т=540 3 с.В этом случае
Ра = 1.7 •104 Н.
На фото (рис. 5) показан экспериментальный сейсмический вибратор с силой удара 500 Н. Потенциальным резервом для увеличения смещения Ах, кроме длительности полупериода удара т2, является также в целом длительность виброимпульса тв.
Рис. 5. Экспериментальный сейсмическийвибратор:1 - опорная рама;2 - электромагнит Fig. 5. Experimental SeismicVibrator: 1 -supportframe; 2-electromagnet
При средней частоте механического резонанса мины FM = 20 Гц [2] и длительности чи-броимпульсноговоздействия тв~ И50 мвифоизводится 5 ударсв вибратора, као иавносильно увеличению силе! Едара в 5 раз. Это повышает отношение сигнал/шум на величину в20дБ и еоставит ас=80 д13. Дллнееьниста уибдлиионного вокделсрсия отределяется скоростью движе-нияпеискового аппарасе.
Оценим даебуемую нддошженность пеавичнтго ЭМ иодялстсе свИвттенныИ шом приемника. Будем исходить из необходимой полосы частот приемника AFM для всех возможных скбссаоннв1х вастот мсханичеекил колебаниамин р/анноао нипа -вл нрчтииопехотаыидоврс-ткахланкоаых.
Вэтомслачлемощностн аеалотого шума oía слслп нриемот ка
Рш = кТ°к Аим qul, (3)
лде к =1.38-Ч0"23 - пЕхаелниея Бельцмана ; ТС0 - температура входных цепей по Кельвину; qШ = 50 дБ - косТфициент шумд; AFM -пплосаотоьдшканая приемгика.
Сигнал первичнозо пеод ивоемнела сдаешом ислдВоеишя ваоричногк идав мины г 50 дБ
P = Р -105
P ПР Р Ш хс •
В итоге имеем мри AFM = 10Ш0 До р = ИОдМ
РПР=кТ0кАFMqш -105 = 4,14-Ю-6Вт.
Требуемую мощностьпередатчика РП РЛСполучим черезизвестное уравнение:
4пРПР r
_ПР
Qn Sn
Рп . (4)
QП = 4п—П-т"! - коэффициент направленного действия антенны передатчика;
X
эффективная площадьэлементаприемнойантенны поисковогоБРввидерупора.
При длине волны, соответствующей рабочей частоте РЛС 2,5 ГГц Х=0,12 м, эффективной площади передающей антенны РЛС 5П=0.1 м2 и КПД антенны п=0,5, на максимальном расстоя-ниидообъекта г=100м, требуемаямощность передатчика РП РЛСне превышает1мВт.
Аппаратный комплекс, система и технология работы
Количество периферийных роботов-носителей может составить 5-6 на борт с соответствующим числом операторов. Управление производится по видеоканалу с размещением видеокамер как на самом роботе-носителе, так и на машине - операторе. Представляет интерес конструкция периферийных управляемых роботов-носителей датчиков обнаружения мин. Это могут быть высокопроходимые самодвижущиеся машины массой 10-50 кг для обработки открытых площадей. Поскольку масса полезного груза миноискателей небольшая 1-2 кг, возможна установка на БПЛА квадрокоптеров. Процесс сканирования местности обеспечивает оператор.
Принцип работы электромеханического вибратора показан на рис. 6. Он содержит ударную плиту - 1, ударник с электромеханическим приводом - 2 и возбудитель вибратора - 3, синхронизируемый от бортового синтезатора частот - 4.
Конструктивно вибратор размещается в металлическом кожухе в виде саней, подвешивается на корме базовой машиныиприводится в контактсгрунтомгидравлическимприводом.
Поисковый элемент, собственно двухканальный миноискатель, устанавливается на подвеске робота-носителя БР, управляемого по видеоканалу оператором базовой машины. Предварительная обработка информации и перевод в цифровую форму производится в самих элементах миноискателей и передается оператору базовой машины по радиоканалу либо по проводной линии.
Технология работы заключается в том, что задачу по обследованию площади с базовой машины выполняют периферийные управляемые устройства БР - носители миноискателей.
^ П
Здесь - _
~ 4
Рис. 6 Fig. 6
Базовая машина останавливается, начинает работать вибратор, а БР обследуют заминированную площадь на расстоянии 10-100 м вдоль трассы поиска с шириной полосы 10 м, охватываемой БР.
При обнаружении мины, БР отводится оператором от этого места, возможно навигатором или какой-либо меткой отмечается местоположение объекта, а потом решается задача уничтожения. Таким образом реализуется задача безопасного разминирования с увеличением производительности поиска.
Заключение
1. Описанный в статье аппаратный комплекс может быть использован в первую очередь для гуманитарного разминирования больших площадей.
2. Двухканальный принцип построения поискового элемента в сочетании радиоволнового искателя и параметрического, с привлечением дополнительного признака распознавания мины - механического смещения корпуса под действием виброударов, позволяет снижать число ложных тревог, увеличив вероятность верного обнаружения цели и тем самым ускорив процесс поиска.
3. Физические основы работы комплекса не противоречат основным законам электро- и сейсмодинамики и могут быть реализованы в достаточно короткое время с учетом актуальных проблем.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-07-00180 А.
Список литературы
[1] Щербаков Г.Н., Анцелевич М.А. Новые методы обнаружения скрытых объектов. М.: ООО «Эльф ИПР», 2011. 503 с. [Shcherbakov G.N, Ancelevich M.A. New methods for detecting hidden objects. М.: OOO «Alf IPR», 2011. 503 P. (in Russian)]
[2] Шайдуров Г.Я., Кудинов Д.С. Дистанционный метод поиска минно-взрывных заграждений и мин в любых корпусах на основе взаимодействия электромагнитных и акустических волн. Специальная техника, 2011, 4, 39-43 [Shaydurov G.Y, Kudinov D.S. Remote method of mineexplosive obstacles and mines search in any hulls on the basis of interaction of electromagnetic and acoustic waves, Special equipment, 2011, 4, 39-43 (in Russian)]
[3] Шайдуров Г.Я. Пат. № 2390801 РФ. Способ поиска объектов искусственного происхождения в земле и устройство для его осуществления. Зарегистрировано в Гос. реестре изобретений РФ 27 мая 2010 г. [Shaydurov G.Y. Pat. No. 2390801 RU. The method of searching for objects of artificial origin in the earth and the device for its implementation. Registered in the Register of inventions of the Russian Federation 27 may 2010 (in Russian)]
[4] Robert W. Haupt., Kenneth D. Rolt. Standoff Acoustic Laser Technique to Locate Buried Land Mines, Lincoln laboratory journal, 2005, 1 (15), 3-23
[5] Бондарев В.И. Сейсморазведка. Екатеринбург: УГГА, 2007. 690 с. [Bondarev V.I. Seismic exploration. Ekaterinburg, UGGA, 2007, 690 p. (in Russian)]
