CC BY
75
ЩЕРБАКОВ1 Григорий Николаевич, доктор технических наук, профессор МОТАШЕНКО2 Сергей Владимирович, кандидат технических наук ПРОХОРКИН3 Александр Геннадьевич,
кандидат технических наук ВЕРЕВКИН4 Александр Сергеевич МИТРЯСОВ5 Алексей Алексеевич КИМ6 Николай Алексеевич
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕЗОНАНСНЫХ СВОЙСТВ ТОНКОГО ПРОВОДНИКА В ПОЛУПРОВОДЯЩЕЙ СРЕДЕ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЗАДАЧЕ ПОИСКА САМОДЕЛЬНЫХ ВЗРЫВНЫХ УСТРОЙСТВ
В последнее время силовым, структурам, в ходе борьбы, с терроризмом, приходиться, сталкиваться с новым, видом самодельных взрывных устройств (СВУ), которые не обнаруживаются, современными средствами поиска. Решение данной задачи возможно за счет, использования, резонансного радиоволнового явления, возникающего в объекте поиска при зондировании электромагнитным, полем, с изменяемой несущей частотой. Для. определения, диапазона перестройки частоты, авторами произведена теоретическая, оценка резонансных свойств объекта поиска.
Ключевые слова: самодельные взрывные устройства, резонансно-радиоволновой, средства поиска. Keywords: improvised, explosive devices, radio-wave resonance, search, tools.
Входе выполнения задач по ликвидации незаконных вооруженных формирований, силовые структуры Российской Федерации несут потери в Северо-Кавказском регионе. Высокий процент потерь личного состава обусловлен использованием незаконными вооруженными формированиями минирования местности. Причем доля использования инженерных боеприпасов промышленного изготовления, по сравнению с применением СВУ, очень мала и составляет всего 10%.
Применение террористами СВУ несомненно наиболее опасно по сравнению с применением инженерных боеприпасов заводского изготовления, так как не позволяет по внешним признакам произвести точную идентификацию обнаруженного объекта, а так же оценить степень его опасности и в некоторых случаях обнаружить взрывоопасный объект.
В последнее время, в частности, с 2003 г. в Северо-Кавказском регионе отмечено появление новых видов
самодельных взрывных устройств с нажимными замыкателями, соединенными с взрывателями короткими проводами, т.е. с коротким контактно-проводным датчиком цели (ККПДЦ). Для того чтобы сапер с миноискателем не смог обнаружить металлическую минометную мину или заряд тротила с поражающими элементами, боевые элементы устанавливались на расстоянии 2 — 3 м от тропы, по которой осуществлялось движение группы. Масса металла, содержащегося в контактно-проводном
' - с.н.с. Центра НИОиИТ ВУНЦ СВ «ОВА ВС РФ»;2 - начальник Центра НИОиИТ ВУНЦ СВ «ОВА ВС РФ»;
3 - докторант ВУНЦ СВ «ОВА ВС РФ»;4 - адъюнкт ВУНЦ СВ «ОВА ВС РФ»;5 - адъюнкт ВУНЦ СВ «ОВА ВС РФ»;
6 - адъюнкт ВУНЦ СВ «ОВА ВС РФ».
рТТЫ
датчике цели слишком мала для обнаружения его индукционными миноискателем, а его длина не достаточна для обнаружения кабелеискателями. При использовании прибора НР-900ЕК «Коршун» возможно обнаружение только СВУ, имеющих в своем составе множественные поражающие элементы, а при использовании в качестве боевого элемента минометной мины — обнаружение затруднительно. Поражающего же действия заряда достаточно, чтобы с этого расстояния нанести повреждения личному составу группы [1]. Таким образом, для обнаружения и последующего уничтожения (обезвреживания) данного типа СВУ необходимо обнаружить именно контактно-проводные датчики цели, т.к. именно они находятся непосредственно на маршруте движения пеших групп. Это и вызывает наибольшую сложность. Контактно-проводной датчик цели с точки зрения радиотехники представляет собой антенну, в которой при облучении ЭМП возникают наведенные ЭДС, и антенна переизлучает радиоволны в окружающую среду. По данным инженерных служб силовых структур длина тонкого изолированного провода используемого в качестве ККПДЦ составляет от 2 до 6 м. Если рассматривать самый сложный случай: длина провода 2 м, расположение в грунте на глубине 0,1 м, то при облучении провода ЭМП с длиной волны, много большей его линейных размеров, его ЭПР стремиться к нулю, следовательно, наведенных ЭДС в проводе не возникает и в окружающую среду не излучается ЭМВ [2]. Если длина волны зондирующего поля сопоставима с длиной проводника, его ЭПР принимает значения, отличные от нуля, и в нем наводится ЭДС. В этом случае провод представляется в виде антенны, излучающей ЭМВ. Мощность излучения антенны имеет прямо пропорциональную зависимость от тока протекающего в антенне. А ток, в свою очередь, зависит от входного сопротивления антенны. Характеристики и параметры линейных антенн в проводящих средах в работах [3 — 5 и др.] вычислены различными методами, из которых можно выделить как основные: ♦ метод численного решения интегрального уравнения, нахождения па-
раметров антенн путем определения постоянной распространения и волнового сопротивления для бесконечно длинной антенны с последующим использованием теории длинных линий;
♦ вычисление входных сопротивлений методом наведенных ЭДС, развитым применительно к излучателям с потерями;
♦ метод эквивалентных зеркальных отражений;
♦ метод интегрирования вектора Пой-тинга по поверхности изолирующего провод диэлектрика.
Для инженерных расчетов параметров подземных антенн наиболее простым и удобным является метод, основанный на теории длинных линий. Однако для антенн, длина которых сравнима с длиной волны в среде, его применение может привести к значительным ошибкам, так как при этом не учитывается влияние мощности излучения на входной импеданс.
Метод наведенных ЭДС свободен от этого недостатка и проще способов, связанных с решением интегрального уравнения и интегрированием вектора Пойтинга. Входное сопротивление вибратора в методе наведенных ЭДС [6] определяется выражением:
(1)
2„ =120-
1
У {1-е»2')2 + 2 а (у 20 - 2 ¿БКу 2/) - 2 С({у 4(( + (2)
+ /Й(у4/) - 0,577 - 2е~" 1п у 21 -- СЦу 21) + jSi(y21) + 0,577 - е"*4' 1п
где С, — интегральные косинус и синус; к0 - волновое число среды; 1 — дли-
на антенны; а — радиус провода антенны; у — постоянная распространения тока.
Для вычисления входного сопротивления из (2) необходимо определить постоянную распространения тока вдоль антенны у, вариант расчета которой представлен в [4, 7]. В соответствии с [7]:
у2 = -ZY,
(3)
где Z и У — сопротивление и проводимость на единицу длины антенны, рассчитываемые с помощью выражений:
у _ . 2 ЛОЗЕд
1 1п (Ь/а)
(4)
(5)
где 1вх — ток на входе антенны; Ь(^) — ток вспомогательного вибратора; Е(Е,) — касательная составляющая поля первичного вибратора в области вспомогательного вибратора. Основное допущение работы [4] связано с предположением о совпадении постоянных распространения поля и тока вдоль провода антенны. Задача решается для синусоидального распределения тока с нулевыми значениями тока на концах вибратора. В результате вычислений в [4] найдено следующее выражение для входного сопротивления тонкого вибратора:
где £Д — абсолютная диэлектрическая проницаемость изоляции антенны; Ь — радиус изоляции; а — радиус провода антенны; Zпр — сопротивление на единицу длины провода антенны; 5 — глубина скин-слоя; а — циклическая частота.
В ограниченных средах подход к решению задач существенно зависит от соотношения длины волны и характерного размера Ь области V при рассмотрении внутренних задач или размера тела при рассмотрении внешних задач. Различают три характерные области: а) квазистатическая (релеевская) область, когда Ь/А <<1; б) резонансная область, когда Ь/А ~ 1 (параметры среды могут меняться быстро на расстоянии, равном длине волны); в) квазиоптическая область, когда Ь/А >>1 (параметры среды меняются мало на расстоянии, равном длине волны). Формула (2) может применяться только в резонансной области по причинам, указанным выше. Результаты расчета входного сопротивления поля тонкого изолированного проводника в толще грунта длиной 2, 4 и 6 м в зависимости от частоты зондирующего электромагнитного показан на рис. 1, штриховкой выделены области, для которых не применима формула (2).
Из анализа графиков на рис. 1 можно сделать вывод, что входное сопротивление в зависимости от частоты зондирующего электромагнитного поля очень интенсивно изменяется в широких пределах. Это подтверждает
ZBx, Ом
800
600
400
200
а
Zbx, ом
800
600
400
200
20
40
60
80
/, МГц
б
800
600
400
200
m
/, МГц VCs^s 1 1
20
40
/, МГц
60
80
в
Рис. 1. Результат расчета входного сопротивления тонкого вибратора в изоляции в грунте длиной: а) 2 м; б) 4 м; в) 6 м
возможность поиска тонких обесточенных проводников в толще грунта резонансно-радиоволновым способом. Для реализации данного способа поиска применительно к ККПДЦ длиной 2 — 6 м необходимо осуществлять плавную перестройку частоты зондирую-
щего электромагнитного поля в диапазоне от 20 до 80 МГц, чтобы обеспечить хотя бы один резонансный отклик от объекта поиска в зависимости от его длины.
Для того чтобы выделить сигнал от объекта поиска на фоне отражения
от грунта предлагается использовать выделение производной по времени от амплитуды принятого сигнала. Это позволит четко выделять «резкий всплеск», обусловленный наличием объекта поиска от «плавного изменения» амплитуды, вызванного изменением несущей частоты и неоднородно-стями грунта [8].
Таким образом, по мнению авторов, метод наведенных ЭДС позволяет производить достоверные инженерные расчеты входного сопротивления тонкого изолированного проводника в грунте в интересах создания устройства поиска СВУ с короткими контактно-проводными датчиками цели
Литература
1. Щербаков Г.Н., Веревкин А.С. и др. Использование резонансно-радиоволнового явления, для. обнаружения, взрывных устройств с короткими контактно-проводными датчиками цели./ Специальная, техника, 2012. — № 6.
2. Щербаков Г.Н., Анцелевич М.А. Новые методы, обнаружения, скрытых объектов. — М.: Эльф ИПР, 2011. — 503 с.
3. Лавров Г.А., Князев А.С. Приземные и подземные антенны.. — М.: Наука, 1982. — 620 с.
4. Кинг Р., Смит Т. Антенны в материальных средах. — М.: Мир, 1984. — 822 с.
5. Павлов П.П. Электромагнитное поле и распределение тока вдоль бесконечного длинного провода в проводящей среде// Радиотехника и электроника. — 1961. Т.8. —С. 71-80
6. Князев А.С. Вычисление входных сопротивлений излучателей с потерями./ Радиотехника — 1980. — Т. 35. — № 11. — С. 23 — 29.
7. Burrows M.L. ELF communications antennas./ Stevenage England. Peter Peregrinus, 1987. — 275 р.
8. Щербаков Г.Н., Веревкин А.С. и др. Способ и устройство обнаружения. противопехотных взрывных устройств с контактно-проводными датчиками цели. Заявка на патент. РФ №2012123590/28(035933).
