Бакуменко, Алексей Викторович. Обнаружение противопехотных мин в почве с использованием теплового воздействия СВЧ-энергии

Краткое описание

Бакуменко, Алексей Викторович. Обнаружение противопехотных мин в почве с использованием теплового воздействия СВЧ-энергии : диссертация ... кандидата физико-математических наук : 01.04.03.- Москва, 2000.- 124 с.: ил. РГБ ОД, 61 01-1/462-9

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ)
На правах рукописи
УДК 621.365.52
БАКУМЕНКО Алексей Виюх>рович

Обнаружение
противопехотных мин в почве
с использованием теплового воздействия
СВЧ энергии
диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
(Специальность 01.04.03.-радиофизика)
Научный руководитель Кандидат физико-математических наук, Старший научный сотрудник А.Б. Киселев
г. Москва-2000

з
Оглавление Стр.
Введение. 5
Главаї. Обзор литературы. 16
1.1. Методы обнаружения объектов под поверхностью почвы. 16
1.2. Мины как вид вооружения. 17
1.3. Методы обнаружения мин, основанные на различии физических и химических свойств почвы и объекта. 25

1.3.1. Индукционные детекторы металлических предметов в почве. 25
1.3.2. Детекторы испаренных миной веществ. 26
1.3.3. ИК детекторы. 28
1.3.4. Акустические методы обнаружения мин. 29
1.3.5. Радиолокационные методы. 29
1.4. Метод Воскобойника-Морозова. 31
1.5. Выводы по обзору литературы. Постановка задачи. 35
Глава 2. Формирование температурного поля на
поверхности почвы при облучении ее СВЧ энергией. 36
2.1. Обнаружение неметаллической мины. 36
2.1.1. Обоснование модели расчета. 3 6
2.1.2. Математическая модель и результаты расчетов
для однородной среды. 38
2.1.3. Математическая модель и результаты расчетов
для двухслойной среды. 43
2.2. Обнаружение металлической мины. 53
2.2.1. Обоснование модели расчета. 53
2.2.2. Математическая модель и результаты расчетов. 55 Глава 3. Экспериментальные исследования. 63

3.1. Обоснование выбора частотного диапазона. 63
3.2. Экспериментальное оборудование. 67

4
3.2.1. Источники излучения на частоте 2,45 ГГц. 67
3.2.2. Источники излучения на частоте 5,8 ГГц. 67
3.2.3. Регистратор теплового (ИК) излучения. 67
3.2.4. Ящик с песком. 70
3.3. Исследования нагрева почвы. 70
3.4. Исследования скорости нагрева почвы в двухслойной модели. 71
3.5. Эксперименты по обнаружению реальных мин. 87
Глава 4. Военно-технические аспекты разработанного метода. 91
4.1. Требования к аппаратуре миноискания. 91
4.1.1. Требования к частоте излучения. 91
4.1.2. Требования к выходной мощности. 91
4.1.3. Однородность излучения по площади. 95
4.1.4. Специфические требования. 96
4.1.5. Требования к ИК индикатору. 96
4.1.6. Требования к обработке результатов. 98
4.1.7. Требования к аппаратуре в целом. 99
4.1.8. Требования к аппаратуре по защите сапера
от СВЧ излучения. 99
4.2. Организационно-технические мероприятия. 100
4.2.1. Необходимость сочетания методов поиска. 100
4.2.2. Обучение саперов. 102 Заключение. 104 Литература. 107 Приложение. Технические задания на разработку миноискателя. 118

5 Введение.
Одним из видов вооружения в настоящее время являются мины, укрытые под поверхностью почвы. Имеющие малую цену, легко изго-товляемые, 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 тра¬тить 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 тер¬ритории уже в мирное время гибнут гражданские лица, в том числе женщины и дети.
Известные способы обнаружения посторонних предметов под по¬верхностью почвы, в частности мин, основаны на измерении искажения статических характеристик почвы (магнитных, электростатических, теп¬ловых, запаха и др.), обусловленного наличием в ней посторонних пред¬метов. Эти способы сложны, громоздки по оборудованию и, тем не ме¬нее, недостаточно надежны, не обеспечивают 100%-го выявления. Эф¬фективность 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 свойст¬вами. Но и этот способ испытывает затруднения при обнаружении мин, не содержащих металла, или содержащих его в очень малых количест¬вах.
В 1998 г. сотрудниками ГУ НЛП "Магратеп" (Фрязино) М.Ф. Вос-кобойником и О.А. 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 поверхно¬сти 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, толь¬ко идеей и не довели его до уровня научных и технических решений, при этом остались не выясненными ни физика явления, ни пути по¬строения реальных систем миноискателей. Цели и задачи работы
Целью настоящей работы стало изучение процесса теплоперено-еа в почве, в которой происходит объемное выделение энергии, и про-явления этого переноса в изменении температуры поверхности над уча¬стками, 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 - диэлек¬трические и металлические мины;
-оценить граничные возможности метода по времени поиска, глуби¬не 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 рас¬четов было доведение их до приближенных аналитических выражений, выявляющих характерные черты явления в явном виде. Эксперименты проводились как на имитаторах мин, выполненных из разных материа¬лов, так и на реальных образцах мин, применяемых в инженерных вой¬сках РФ.

Список литературы

Заключение.
1. В настоящей работе проведены теоретические и экспериментальные исследования метода обнаружения противопехотных мин под поверхно¬стью грунта путем облучения почвы СВЧ энергией и фиксированием получающегося теплового рельефа почвы. Доказано, что этот метод яв¬ляется вполне приемлемым для внедрения в войска как метод разведки минных полей.
2. В результате теоретических исследований сформулированы модели распространения тепла в облучаемом СВЧ энергией грунте при наличии в нем мины в корпусах с отличающимися от грунта теплофизическими характеристиками.
Решения доведены до приближенных аналитических выражений, позволяющих представить зависимости проявляемого теплового релье¬фа поверхности почвы от свойств грунта, параметров облучения, типа объекта и глубины его залегания.
При этом показана возможность обнаруживать не только мины в метал¬лических корпусах, для которых пригодны и известные методы, но и мины в диэлектрических корпусах, применение для которых известных методов затруднительно.
Разработан способ, позволяющий с приемлемой точностью определять глубину залегания мины в грунте, в частности, мины в диэлектрическом корпусе. Способ заключается в снятии зависимости температуры по¬верхности почвы над объектом от времени облучения, преобразовании этой зависимости в зависимость второй производной температуры по времени от времени и суждении по характерным особенностям кривой о глубине залегания мины.
3. Проведены лабораторные экспериментальные исследования нагрева
поверхности грунтов при облучении их СВЧ энергией на частоте 5,8 ГГц
для разных вариантов материалов - имитаторов корпусов мин, заложенных

105
под поверхность грунта (медь, сталь, плексиглас, фторопласт, полиэтилен, войлок, резина и др.). Все они обнаруживаемы.
4. Проведены испытания в полевых условиях на реальных (но без взрыва¬телей) образцах мин, используемых в российской армии. Испытания прове¬дены на частоте 2,45 ГГц. В качестве критерия обнаруживаемости исполь¬зована разница в температурах поверхности почвы над соседними участ¬ками, равная 1°С, что на порядок выше точности примененного регистра¬тора температуры - тепловизора. Этот критерий вполне может быть реко¬мендован для использования на стадии исследования.
5. На основе проведенных исследований сформулированы конкретные фи¬зико-технические и военные требования для разработки миноискателя.
В заключение хочу выразить благодарность: -моему научному руководителю Киселёву Алексею Борисовичу за по¬становку задачи и постоянное внимание к работе,
-коллективу Военного Представительства № 67 Министерства Обороны РФ, и прежде всего, Герасименко Сергею Валерьевичу, Арсентьеву Алексею Юрьевичу, Техану Александру Иосифовичу, Дмитренко Ген¬надию Николаевичу и Чевордаеву Юрию Анатольевичу - за помощь в оформлении диссертации и понимание трудностей диссертанта, -Гордину Владимиру Александровичу за помощь в проведении теоре¬тических исследований,
-сотрудникам ГНПП «Исток» Жукову Анатолию Григорьевичу и Пуга¬чеву Евгению Петровичу за предоставление тепловизора для экспериен-тов,
-сотрудникам 15ЦНИИ МО Ханюченко Николаю Ивановичу и Качкину Владимиру Павловичу - за помощь в проведении экспериментальных исследований на полигоне,
-Генеральному Конструктору ГНПП «Исток» Реброву Сергею Иванови¬чу - за суровую, но доброжелательную критику,

106
-сотрудникам ГУ НПП "Магратеп" Морозову Олегу Александровичу, Воскобойнику Михаилу Филипповичу и Грибачеву Алексею Викторо¬вичу - за дружескую поддержку и помощь в проведении лабораторных экспериментов.