Периметровые маскируемые магнитометрические средства обнаружения.Звежинский
Станислав Сигизмундович, кандидат
технических наук ПЕРИМЕТРОВЫЕ МАСКИРУЕМЫЕ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ОБНАРУЖЕНИЯ Периметровые средства обнаружения (далее по тексту – средства обнаружения, СО), предназначенные для повышения эффективности охраны рубежей промышленных, военных и гражданских объектов, занимают особое место в отрасли специальной техники. Наблюдающийся с середины 60-х годов непрерывный рост мирового рынка средств обнаружения обусловлен: увеличением угрозы терроризма по отношению к ядерно-опасным, химическим, энергетическим и другим большим по площади объектам; высокой эффективностью применения таких средств в локальных военных конфликтах (Ближний Восток, Афганистан); возрастанием угрозы распространения религиозного и национального экстремизма через границы государств, нелегальной миграции, контрабанды оружия, наркотиков. Чем больше протяженность периметра, тем выше сравнительная эффективность использования технических средств по отношению к человеческому фактору охраны. СО выявляют вторжение нарушителей (люди, транспортные средства, военная техника) в охраняемую область пространства – зону обнаружения (ЗО) по характерным возмущениям физического поля, которые регистрируются чувствительным элементом (ЧЭ) средства. Вид ЧЭ определяет геометрию зоны обнаружения, распределенную вдоль охраняемого рубежа, в отличие от более компактных точечных средств обнаружения, у которых зона распространяется вокруг и вблизи их места (точки) установки. В соответствии с физическим принципом регистрации вторжения, существуют различные типы периметровых СО: сейсмические, вибрационные, радиотехнические и другие [ 1,2,3] , которые могут быть разделены на классы:
Маскируемые СО, чувствительный элемент которых размещен в грунте на глубине до 50 см, имеют тактическое преимущество в том, что идентификация зоны обнаружения для нарушителя затруднена. Это делает маловероятным ее преодоление ухищренными способами, при которых резко уменьшается обнаружительная способность заградительного средства. Для маскируемых СО, как правило, перечень источников значимых помех существенно меньше, средства не требуют регулярного технического обслуживания, сужается диапазон воздействующих температур. С другой стороны, заградительные СО в целом более дешевые и практичные, их монтаж и замена в случае повреждений не представляет затруднений [ 3] . При применении активных СО нарушитель обнаруживается на основе регистрации его взаимодействия со специально создаваемым физическим полем (например, радиолуч); в пассивных он обнаруживается по вносимому возмущению в существующее поле (например, магнитное поле Земли). К преимуществам пассивных СО можно отнести, как правило, существенно меньшие массогабаритные характеристики и энергопотребление, удовлетворение требованиям радиомаскирования. К преимуществам активных можно отнести в целом большую обнаружительную способность, более широкие возможности по совершенствованию изделий. В таблице1 приведена классификация и примеры известных отечественных и зарубежных периметровых СО. В нашей стране безусловным лидером-разработчиком является СНПО “Элерон” и его дочерние предприятия НИКИРЭТ (г. Заречный), Дедал” (г. Дубна); за рубежом – это прежде всего США (Sandia, Honeywell, Sylvania, Southwest Microwave), Израиль (Magal S.S., Galdor-Secotec, G.M. Advanced Security Technologies) и Великобритания (Geoquip, Remsdaq L.T.D.), в меньшей степени Швейцария (Alarmcom), Япония (Optex), Канада (Senstar-Stellar), Франция. Таблица 1. Классификация периметровых средств обнаружения
Особое место среди СО занимают магнитометрические средства обнаружения (МСО), основанные на регистрации полезных сигналов (ПС) изменений потока магнитной индукции, вызванных перемещающимися объектами-нарушителями из-за наличия у них ферромагнитных предметов [ 3,4] . Чувствительный элемент МСО представляет собой распределенную вдоль зоны обнаружения кабельную линию и является петлевым индукционным контуром с дифференциальной структурой, образованным витками кабеля. Кабель укладывается в грунт на глубину 25…50 см вдоль охраняемого рубежа в 1…3 траншеи. Ослабление удаленных электромагнитных помех в ЧЭ (на 30…60 дБ) происходит практически без ослабления полезных сигналов. Объектами обнаружения – нарушителями являются транспортные средства и боевая техника, а также люди, имеющие при себе оружие (нож, пистолет, автомат), ручной инструмент (пассатижи, кусачки), различные бытовые предметы (ключи, очки), различные ферромагнитные предметы в обуви, одежде, поклаже (гвозди, супинаторы, пуговицы, застежки и т.д.). Магнитометрические СО менее распространены, чем, например, сейсмические, в основном по двум причинам:
Второе ограничение является существенным, а первое, как показывает практика, несущественным:
Проблема подготовленного нарушителя свойственна всем без исключения СО. Решение этой проблемы лежит на путях комплексирования нескольких средств с различными физическими принципами обнаружения, либо применения комбинированного СО с несколькими принципами обнаружения – например, сейсмомагнитометрического средства “Дуплет” [ 4] . Магнитометрические средства, в отличие от сейсмических, нечувствительны к агрегатному состоянию грунта и большинству природно-климатических факторов (за исключением молний и магнитных бурь), что определяет их относительно высокую потенциальную помехоустойчивость. Отстройка от импульсных электромагнитных помех достигается построением отдельного помехового канала, а также алгоритмическим путем [ 3] . Известны МСО, способные работать под бетонным покрытием взлетно-посадочных полос, под водой и т.д. МСО “направлено” на предметы человеческой деятельности (черный металл), что позволяет наиболее достоверным способом различать людей и крупных животных, которые, в некоторых случаях, являются основными источниками помех для других типов СО. Маловероятное и относительно слабое воздействие источника механической помехи, изменяющее конфигурацию ЧЭ в магнитном поле Земли, является побочным, в отличие от заградительного вибромагнитометрического СО, где этот эффект существенно больше и является определяющим [ 6] . Отличительной чертой МСО также является возможность организации дистанционного контроля работоспособности с полной глубиной, недоступной в других средствах. Зона обнаружения средства однородная вдоль всего рубежа, без мертвых” зон, свойственных, например, для периметровых СО на физическом эффекте линии вытекающей волны или для распространенных радиолучевых СО. Как показывает практика, эффективность МСО очень высока в случаях:
МСО выгодно отличается от других средств тем, что математическое моделирование процесса обнаружения с большей достоверностью соответствует реальности [ 6] :
Основными ТТХ, определяющими эффективность МСО, являются вероятность Р0 обнаружения нарушителей и средняя наработка Тлс на ложное срабатывание. Величина Р0 определяется не только чувствительностью средства –порогом обнаружения П0, но и полезной характеристикой нарушителей магнитным моментом М. Величина Тлс определяется не только построением МСО, но и интенсивностью, частотой следования значимых помех. Методы построения МСО В любом МСО можно выделить четыре последовательно включенных функциональных узла:
Последовательное соединение чувствительного элемента, усилителя-фильтра и порогового устройства носит название магнитометрический обнаружитель (МО), который является простейшим магнитометрическим средством обнаружения, обладающим (при прочих равных условиях) наивысшей обнаружительной способностью и минимальной помехоустойчивостью. Совокупность нескольких МО, подключенных к блоку обработки сигналов, образует, по сути, реальное МСО. Методы построения магнитометрических средств обнаружения подразделяются на методы построения МО и БОС. Первые подразделяются на методы построения:
Вторые подразделяются на методы повышения помехоустойчивости и информативности сигналов. Трассировка ЧЭ вдоль рубежа охраны должна быть максимально точной (по ширине и длине соседних встречно включенных участков), чтобы обеспечить максимальный коэффициент подавления удаленных магнитных помех. Двухрубежное обнаружение позволяет существенно повысить помехоустойчивость МСО, основываясь на временной корреляции помех, одновременно и примерно с равной интенсивностью воздействующих на оба магнитометрических обнаружителя, разнесенных вглубь рубежа, в то время как воздействие нарушителя на них носит последовательный во времени характер. По сравнению с однорубежными (при одинаковой обнаружительной способности) достигается выигрыш в помехоустойчивости в несколько раз. Недостатки такого решения: двойное увеличение массогабаритов и стоимости, проигрыш в тактике применения (расширение зоны обнаружения). Двухфланговое построение периметрового МСО позволяет в 3…5 раз повысить помехоустойчивость к импульсным электромагнитным помехам. Принцип основан на том, что вероятность одновременного, в пределах интервала неопределенности, пересечения двух флангов скрытого рубежа двумя нарушителями ничтожно мала. Магнитная помеха действует на оба фланга одновременно, а интервал неопределенности служит для устранения эффектов, связанных с неидентичностью МО и пространственным градиентом помехи. Недостатком такого решения, по сравнению с однофланговым, является возрастание массогабаритов, энергопотребления, стоимости. Однако, если на длину зоны обнаружения накладываются ограничения (связанные, например, с уровнем магнитного шума), тогда ее разбиение на два фланга является оптимальным. Имеется три способа первичной дискриминации сигналов и помех, позволяющих реализовать их отличительные признаки:
Введение отдельного датчика помехи (распределенный вдоль ЗО имеет преимущество перед сосредоточенным) является исключительно важным в периметровых МСО и позволяет повысить их помехоустойчивость более чем в 10 раз. Датчик помехи может также использоваться для осуществления дистанционного контроля работоспособности МСО. Выбор оптимального порога обнаружения П0 является важнейшим. Для распределенного индукционного ЧЭ имеется три постоянно действующих ограничивающих фактора:
Их совокупное влияние, как показывают исследования, ограничивает предельно достижимый порог обнаружения (при длине зоны обнаружения до 500 м) величиной П0 = 1,5…2,0 нВ/вит. Если МСО располагается вблизи источников мощных индустриальных помех, например в городе, П0 должен быть увеличен: его величина должна превышать пиковый уровень суммарного шума не менее, чем в 2,5 раза. Методы повышения помехоустойчивости МСО подразделяются на обработку сигналов путем:
По существу они направлены на выявление и закрепление в алгоритме БОС совокупности признаков различения полезных сигналов и помех, таких как длительность, межсигнальная (межимпульсная) пауза, полярность экстремумов, их чередование и др. Аналоговое (интегрирование) или цифровое (счет импульсов) накопление сигналов есть эффективный критерий различения, основанный на том, что, как правило, длительность и величина ПС больше, чем у помехи. Корреляционная обработка ПС и помех подразумевает их анализ по:
Методы сводятся к идентификации помеховой ситуации, когда вырабатывается запрет на сигнал обнаружения. С увеличением времени запрета увеличивается помехоустойчивость, однако возрастает вероятность пропуска нарушителя, появление которого в ЗО может совпасть с действием помехи. Методы повышения информативности ПС основаны на математическом моделировании процесса магнитометрического обнаружения и являются своего рода “ноу-хау” разработчиков. Существует три типа построения МСО: однолинейные, двухлинейные и трехлинейные, в зависимости от количества кабелей вдоль рубежа охраны, образующих индукционный ЧЭ [ 2] . В однолинейных средствах ЧЭ образовывает проводник, намотанный посекционно вокруг пермаллоевого сердечника (диаметром ~ 8 мм), с изменением направления намотки через базу А = 1,8…3 м так, чтобы количество секций с одинаковым направлением было равным (рис. 1). Двухлинейный ЧЭ образуется кабелем, который на пути своего распространения вдоль зоны обнаружения (длиной L0) через расстояние А “перекрещивается” из одной в другую параллельные траншеи, образуя четное число попарно равных по площади “открытых контуров, включенных встречно (рис. 2). Трехлинейный ЧЭ образуют с помощью коммутационных коробок три параллельных кабеля, идущих на равном расстоянии А друг от друга вдоль рубежа; виток ЧЭ охватывает два открытых, встречно включенных индукционных контура, лежащих рядом на расстоянии А. В однолинейных ЧЭ при изготовлении обеспечивается максимальный коэффициент подавления “дальней” электромагнитной помехи Кп = 50…60 дБ. Стоимость ЧЭ относительно высокая (за счет применения пермаллоя или другого магнитного наполнителя с высоким m ), технология изготовления достаточно уникальная, длина L0 не превышает 100…150 м. Все это определило его ограниченное применение, несмотря на тактические и технические преимущества. Созданный и испытанный на рубеже 80 – 90-х годов (“Дедал”) опытный образец подтвердил декларируемые за рубежом высокие ТТХ однолинейного МСО. В настоящее время отечественная технология изготовления такого ЧЭ утрачена. В двухлинейных ЧЭ коэффициент подавления достигает 35…40 дБ, что обеспечивается точностью монтажа на местности. Ширина “петли ЧЭ (1,2…2,4 м) оптимизируется в зависимости от модели нарушителя. Величина базы А = 2…50 м, которая может изменяться вдоль ЗО (длиной до 500…700 м), зависит от электромагнитной обстановки и изгибов трассы. Данный тип является наиболее распространенным несмотря на то, что его главными недостатками являются:
В трехлинейных ЧЭ (ширина, база петли” А = 1…1,2 м), несмотря на максимальное количество кабелей и меньшую достижимую длину ЗО (не более 300 м), за счет меньшей базы коэффициент подавления “дальней” помехи достигает 45…50 дБ. При этом необходимы концевые коммутационные коробки, с помощью которых в едином кабельном конструктиве формируется дифференциальная структура ЧЭ и открытый контур распределенного датчика помехи. Используемый для двух-, трехлинейных ЧЭ (ниже рассматриваются только такие) экранированный кабель (для предотвращения электростатических наводок) может быть одножильным или многожильным, причем с увеличением числа витков W в целом возрастает обнаружительная способность МСО и снижаются требования (по шумам) к усилителю-фильтру. В то же время уменьшается надежность ЧЭ, возрастают его собственные шумы, усложняется конструкция (за счет появления распаечных узлов), поэтому выбор типа кабеля представляется альтернативным. Рис. 1.
Однолинейное магнитометрическое средство
обнаружения(однофланговое) Объекты обнаружения Характеристикой, адекватно отражающей магнитные полезные свойства нарушителя на расстояниях, превышающих линейные размеры присущего ему намагниченного объема, является дипольный магнитный момент М, величина которого прямо коррелирована с массой ферромагнитного материала [ 5] . Возможность классификации нарушителей по величине М в определенной степени отражает их потенциальную угрозу охраняемому объекту. В таблице 2 приведены усредненные значения магнитного момента M для различных типов нарушителей. Распределение моментов у однотипных нарушителей (реальный диапазон около 20 дБ) подчиняется сложной зависимости, которая может быть экстраполирована законом Релея. Таблица 2 Средние величины магнитных моментов у нарушителей
Нарушитель, обладающий магнитным
моментом М, перемещающийся над плоскостью
двух-, трехлинейного ЧЭ со скоростью V0 и
высотой траектории h0, в соответствии с
законом электромагнитной индукции генерирует
полезный сигнал, средняя величина которого При подстановке в (1) типичных значений
модели невооруженного нарушителя без поклажи (М1
=0,045Ам2, V0=1,0 м/с, h0=1,5 м), получим: Зарубежным разработкам МСО, по сравнению с отечественными, характерен более прагматический подход к оценке магнитной модели человека [ 2,7] :
Помехи В таблице 3 приведены значимые источники промышленных электромагнитных и сейсмических помех, среднестатистические оценки их допустимого приближения к МСО с зоной обнаружения длиной L0 = 500 м, при минимальном известном пороге обнаружения П0 =2,5 нВ/виток (т.е. максимальной чувствительности) и эффективность подавления электромагнитных помех ~ 40 дБ, которая вполне достижима на практике при качественном монтаже кабельного ЧЭ с помощью рулетки. Таблица 3. Значимые источники промышленных помех для МСО
Степень влияния магнитных помех на МСО зависит от:
Влияние помех пропорционально ширине чувствительной площади ЧЭ, поэтому при прочих равных условиях необходимо стремиться к ее уменьшению до предела, когда ПС начинает уменьшаться. С увеличением L0 влияние всех помех также возрастает пропорционально, а увеличение внутреннего шума МП происходит ~ (L0)1/2 , что позволяет прогнозировать достижимую помехоустойчивость МСО с любой длиной зоны обнаружения. Влияние “однородной” помехи (например, магнитной бури) пропорционально точности e / А, с которой на местности устанавливается МП, и не зависит от количества N секций или длины базы А. Точность реально не изменяется с увеличением L0, поэтому влияние других видов помех на практике обусловливается величиной базы А: с ее уменьшением помеха примерно пропорционально уменьшается вплоть до определенного предела Амин, который определяется как:
где k=1, 2, 3 соответствует однопроводному”, “двухпроводному” и точечному” источнику помехи. Дальнейшее уменьшение А практически не приводит к уменьшению помехи, поэтому зная вид (k) и примерное расстояние ri от всех N значимых источников до ЧЭ, можно вычислить Аi согласно (2) и определить minN{Ai} , который будет являться оптимальной величиной. Из помеховых факторов природного происхождения выделяются грозы. Возникающие при ближней грозе (на удалении не более 3…5 км) молнии являются источниками мощных импульсных электромагнитных полей – атмосфериков, которые есть главный, постоянно действующий (с сезонным интервалом) фактор, определяющий помехоустойчивость МСО. Статистические данные позволяют оценить количество атмосфериков в году, например, для средней полосы России ~ 4400. Другим естественным фактором являются магнитные бури, связанные с солнечной активностью, однако при точном монтаже их влияние существенно меньше (они “однородные”), кроме того, их спектр лежит в основном ниже полосы регистрируемых частот. Корни крупных деревьев, заграждения, неустойчивые строительные конструкции при сильном ветре (свыше 10...15 м/с), раскачиваясь, производят низкочастотные колебания верхнего слоя грунта, являющиеся значимой помехой для маскируемых МСО. Удаление от ствола дерева, при котором помехи не превышают уровня флуктуационного шума магнитного поля Земли, приблизительно соответствует среднему радиусу кроны дерева, что связано c корреляцией между развитием корневой системы и кроны деревьев. Известны способы уменьшения действия сейсмо-магнитных помех:
В дальнейшем мы надеемся продолжить разговор о магнитометрических средствах обнаружения для охраны периметров и протяженных рубежей, и подробней остановиться на практических разработках магнитометрического способа обнаружения как в России, так и за рубежом. Литература Hant A.R. Detection and assessment requirements definition for the ICBM physical security system // Proc. Carnahan Conf. on security technology.-Lexington: Univ.of Kentucky, 1985, UKY BU137, p. 104 – 109. Allen R.L. et al. Buried line sensor evaluation for BISS // Proc. Carnahan Conf. on crime countermeasures. Lexington: Univ.of Kentucky, 1974, UKY BU105, p .9 – 21. Perimeter defence // Defence: London, 1990, June, p. 279 – 284. Свирский Ю.К. Рынок периметровых средств охранной сигнализации на пороге третьего тысячелетия // Системы безопасности, 2000, 38, c. 26 – 30. Яроцкий В.А. Методы обнаружения и определения местоположения объектов по их постоянному магнитному полю // Зарубежная радиоэлектроника, 1984, № 7, c. 45 – 56. Магнитометрическое устройство для охранной сигнализации // Патент РФ № 2075905 от 20.03.96. Haben J.F., Scarzello J.F. Law enforcement application of magnetic sensors // Proc. Carnahan Conf. on electronic crime countermeasures.-Lexington: Univ.of Kentucky, 1972, UKY BU98, p. 90 – 94. LeBlanc E.A. Remotely monitored, multichannel magnetic and IR intrusion sensors // Proc. Carnahan Conf. on security technology.-Lexington: Univ.of Kentucky, 1982, UKY BU127, p. 43 – 52. Underground passive perimeter detection system // Secotec Technology LTD.-Technical description #8-157-98, 1998. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(при выполнении условия А і h0) может быть
оценена по формуле:
(1)
(2)