Оценка предельной глубины обнаружения ферромагнитных объектов искусственного происхождения в толще полупроводящей среды.

ЩЕРБАКОВ Григорий Николаевич, профессор, доктор технических наук
АНЦЕЛЕВИЧ Михаил Александрович, доктор технических наук
УДИНЦЕВ Дмитрий Николаевич, кандидат технических наук

ОЦЕНКА ПРЕДЕЛЬНОЙ ГЛУБИНЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ОБЪЕКТОВ ИСКУССТВЕННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ В ТОЛЩЕ ПОЛУПРОВОДЯЩЕЙ СРЕДЫ  

Для обнаружения локальных неоднородностей поля в неферромагнитных укрывающих средах (земле, воде, снеге и т.д.), вызываемых ферромагнитными объектами искусственного происхождения, наибольшее применение нашли такие магниточувствительные приборы как феррозондовые градиентометры или магнитометры [1 5]. Подобная задача возникает при поиске стальных нефте- и газопроводов, затонувшей техники, стрелкового, огнестрельного и холодного оружия, невзорвавшихся авиабомб и артиллерийских снарядов, большинства инженерных противотанковых, противодесантных и противопехотных мин. Данные объекты обладают либо собственным магнитным полем, либо искажают однородное поле Земли, и в том и другом случае величина магнитного поля в зоне чувствительного элемента-феррозонда изменяет свою величину и направление. Это и является признаком наличия ферромагнитного объекта. По отношению к искомому объекту эти приборы являются пассивными, то есть не оказывают на объект никакого воздействия.

Электродвижущая сила (э.д.с.) на выходе чувствительной системы градиентометра [2] пропорциональна разности значений напряженности магнитного поля в двух точках пространства (рис. 1), находящихся на расстоянии l друг от друга (база градиентометра). Основным параметром магнитометра является его чувствительность. Чувствительность измеряется величиной магнитной индукции или напряженности магнитного поля, которое способен зарегистрировать прибор. Другой, не менее важной характеристикой, является разрешающая способность, определяющая ту минимальную разницу параметров магнитного поля, которую возможно зарегистрировать прибором. Современные магнитометры обладают разрешающей способностью от 0,01нTл до 1нTл, в зависимости от принципа действия и класса решаемых задач [1, 2, 6].

 
Рис. 1. Обнаружение малоразмерных ферромагнитных неоднородностей искусственного происхождения в неферромагнитных укрывающих средах феррозондовыми градиентометрами

В работе [3] приведена зависимость, позволяющая приближенно определять дальность обнаружения феррозондовым градиентометром объекта поиска, аппроксимированного ферромагнитной сферой:

,(1)

где – радиус ферромагнитной сферы, м;

– магнитная постоянная, 1,257x10^-6 Гн/м;

– напряженность постоянного магнитного поля Земли, А/м;

– чувствительность градиентометра по полю, Тл/м.

Данная формула имеет удовлетворительную для практики точность, несмотря на ряд принятых допущений и ограничений:

• не учитывается значение магнитной проницаемости объекта поиска как значительно превосходящее магнитную проницаемость внешней укрывающей среды ;
• относительная магнитная проницаемость внешней укрывающей среды принята равной 1;
• не учитывается расстояние между феррозондами (длина базы) l.

Таким образом, формула (1) неприменима для комплексной оценки влияния на предельную дальность обнаружения магнитных свойств объекта поиска и укрывающей среды, длины базы магнитометра.

Последовательность вывода зависимости, учитывающей, кроме факторов учтенных в (1), магнитные свойства объекта поиска, укрывающей среды и длину базы магнитометра приводится ниже.

Напряженность внешнего возмущенного магнитного поля описывается выражением [7]:

(2)

где – напряженность внешнего невозмущенного магнитного поля, в нашем случае равная напряженности постоянного магнитного поля Земли , А/м;

r – расстояние от центра ферромагнитной сферы до точки наблюдения.

Учитывая равенство, в подавляющем большинстве случаев, магнитных проницаемостей среды, в которой находится средство измерения (воздуха, воды), и укрывающей среды (грунта, воды, снега и т.д.):

, (3)

условия на границе раздела сред:

, (4)

можно представить в виде:

. (5)

Напряженность внешнего возмущенного магнитного поля в центре нижнего феррозонда:

, (6)

где – максимальная глубина обнаружения феррозондовым градиентометром объекта поиска аппроксимированного ферромагнитной сферой.

Напряженность внешнего возмущенного магнитного поля в центре верхнего феррозонда:

, (7)

Разница между напряженностями внешнего возмущенного магнитного поля в центрах феррозондов магнитометра:

,(8)

Максимальная глубина обнаружения объектов соответствует условию:

, (9)

Анализ показал удовлетворительную сходимость результатов теоретических расчетов по формуле (8) и проведенных натурных экспериментальных исследований по оценке предельной глубины обнаружения ферромагнитных сфер различных радиусов (фото 1) прибором для определения местонахождения ферромагнетиков OGF-L типа 83 015 (фото 2, рис. 2).

Фото 1. Ферромагнитные сферы используемые при проведении экспериментальных исследований

Фото 2. Прибор для определения местонахождения ферромагнетиков OGF-L типа 83 015

Рис. 2. Результаты теоретических расчетов по формулам (1) 1, (8) – 2 и проведенных натурных экспериментальных исследований с использованием OGF-L типа 83 015 – 3

На рис. 3 представлены зависимости предельной глубины обнаружения ферромагнитной сферы дифференциальным магнитометром с разрешающей способностью по напряженности магнитного поля в 0,01 А/м от ее радиуса. Зависимости требуемой длины базы l дифференциального магнитометра для обнаружения ферромагнитной сферы радиуса на глубине 10 м при различной разрешающей способности прибора по напряженности магнитного поля представлены на рис. 4.

Из данных зависимостей (рис. 3, 4) видно, что относительная магнитная проницаемость объекта поиска более = 10, при = 1, может рассматриваться как значительно превышающая магнитную проницаемость среды. Погрешность определения предельной глубины залегания объекта поиска при этом составляет не более 8%. Наиболее значительное влияние на глубину поиска оказывает длина базы магнитометра. Объясняется это тем, что измерение в данных приборах носит относительный характер, а увеличение длины базы позволяет удалить один из чувствительных элементов от объекта поиска в зону наименьшего возмущения.

На рис. 5 представлена зависимость предельной дальности обнаружения ферромагнитной сферы различного радиуса дифференциальным магнитометром с разрешающей способностью по напряженности магнитного поля в 0,01 А/м от расстояния между феррозондами l. Анализ данного графика говорит о том, что целесообразная предельная длина базы магнитометра при заданной разрешающей способности зависит от размеров объекта поиска.

Зависимость предельной глубины обнаружения ферромагнитной сферы( = 100) от длины базы l и разрешающей способности дифференциального магнитометра по напряженности магнитного поля, представленная на рис. 6, показывает, что значительное увеличение глубины поиска возможно при увеличении разрешающей способности прибора.

Рис. 3. Зависимости предельной глубины обнаружения ферромагнитной сферы ( = 100) дифференциальным магнитометром с разрешающей способностью по напряженности магнитного поля в 0,01 А/м от ее радиуса

Рис. 4. Зависимость требуемой длины базы l дифференциального магнитометра для обнаружения ферромагнитной сферы радиуса на глубине 10 м при разрешающей способности прибора по напряженности магнитного поля: 1 – 0,01 А/м; 2 0,001 А/м; 3 – 0,0001 А/м

Рис. 5. Предельная глубина обнаружения ферромагнитной сферы ( = 100) в зависимости от ее радиуса и расстояния между феррозондами l дифференциального магнитометра с разрешающей способностью по напряженности магнитного поля в 0,01 А/м

а)

б)
Рис. 6. Зависимость предельной глубины обнаружения ферромагнитной сферы ( = 100) от длины базы l и разрешающей способности дифференциального магнитометра по напряженности магнитного поля при радиусе сферы: = 0,5 м (а); = 0,1 м (б)

Таким образом, зависимость (8) позволяет:

1. Оценивать предельную глубину обнаружения существующими магнитометрами объектов поиска с заданными геометрическими размерами.

2. Обосновывать характеристики разрабатываемых магнитометров в зависимости от требуемой (заданной) глубины залегания (поиска) и геометрических размеров объектов.

3. Определять магнитную проницаемость объектов с известными геометрическими размерами и расстоянием до объекта.

Анализ зависимости (8) и графиков (рис. 3 – 6) позволяет сделать следующие выводы:

1. Влияние относительной магнитной проницаемости объектов поиска при ее значении более 10 на глубину обнаружения незначительно.

2. Целесообразная длина базы зависит и должна быть согласована с ожидаемыми размерами объекта поиска. Целесообразной является длина базы, превышающая в 1,5 – 2 раза геометрические размеры объекта поиска. Уменьшение длины приводит к значительному снижению глубины поиска, увеличение – к незначительному увеличению.

3. Предельная глубина обнаружения современными магнитометрами характерных малоразмерных объектов поиска (стрелкового и холодного оружия, большинства инженерных противотанковых, противодесантных и противопехотных мин) не превышает 3 м.

Литература:

1. Арбузов С.О. Магниточувствительные поисковые приборы.\\Специальная техника, 2000, №6.

2. Любимов В.В. Диагностические магнитометры для проведения электромагнитного мониторинга в условиях города и современные методы и средства индивидуально-массовой визуализации его результатов. Обзор. Препринт 6(1116).М.: ИЗМИРАН,1998.

3. Щербаков Г.Н. Обнаружение объектов в укрывающих средах. Для криминалистики, археологии, строительства и борьбы с терроризмом. М.: Арбат-Информ, 1998.

4. Магниторазведка. Справочник геофизика./Под ред. В.Е.Никитского, Ю.С.Глабовского.-М.:Недра,1980.

5. Афанасьев Ю.В. Феррозонды. Л.:Энергия, 1969.

6. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника.Т.1.-М.:ДМК Пресс, 2001.

7. Никольский В.В. Теория электромагнитного поля.М.: Высшая школа, 1961.