Центр комплексной безопасности и гуманитарного разминирования
Очистка территорий и акваторий от ВОП
Звежинский Станислав Сигизмундович, доктор технических наук, профессор Парфенцев Игорь Валерьевич, кандидат технических наук
Введение
При гуманитарном или боевом разминировании, а также поиске неразорвавшихся боеприпасов широко применяется метод пассивного магнитометрического обнаружения взрывоопасных предметов (ВОП) по наличию у них ферромагнитных оболочек, другими словами - метод поиска магнитных аномалий (MAD - magnetic anomaly detection). Метод по своей «популярности» уступает только активным металлообнаружителям, обладая в то же время несомненными достоинствами [1].
В данной статье представлен обзор современных средств поиска ВОП - феррозондовых градиентометров, реализующих данный метод. Мировым лидером-производителем данного вида специальной техники является Институт им. доктора Ф.Ферстера (Foerster, Германия), обеспечивая наивысший (достижимый) уровень чувствительности и чрезвычайно расширенный пользовательский интерфейс [2]. По некоторым характеристикам к ним приближаются изделия фирм Ebinger и Vallon (Германия), Geoscan Research и Bartington Instruments (Великобритания). Однако только Foerster гарантирует устойчивую работоспособность для всех грунтов, в том числе железистых (латериты, магматические породы), где остальные изделия работают менее устойчиво [3].
Прежде всего, отметим, что при поиске ВОП шумы, обусловленные неидеальностью баланса феррозондовых магнитометрических преобразователей, более чем на порядок превышают собственные шумы качественного градиентометра в статическом положении [4,5]. Поэтому различаются 3 режима поиска с различной достижимой пороговой чувствительностью SП (на уровне индикации тревоги или пикового шума), выражаемой в единицах магнитного поля нТл = 10-9 Тл:
Динамический режим применяется для поиска ВОП «с ходу» (например, при разминировании территории саперами), квазистатический предназначен для более тщательной (достоверной) идентификации магнитных аномалий, статический (наиболее точный) предназначен для магнитного картографирования участка местности с дальнейшей визуализацией и идентификацией предметов, представляющих интерес.
Современные феррозондовые градиентометры, которые используются для поиска ВОП, можно разделить на 3 условных класса, представленных ниже в порядке убывания цены для потребителя:
Полным требованиям военных стандартов НАТО на механические воздействия, климатику, пыль и солнечную радиацию (MIL-STD810E, 9 позиций; MIL-STD461D, 2 позиции) удовлетворяет лишь градиентометр FEREX 4.032 производства Foerster, остальные изделия - в той или иной степени [3]. Чем больше требований военного стандарта удовлетворяет изделие, тем выше его цена в общем случае.
«Сердцем» градиентометра является чувствительный модуль (ЧМ) или измерительный блок, который представляет собой 2 идентичных феррозонда, расположенных на расстоянии - базе а (в известных изделиях а = 0,25….1,7 м), оси чувствительности которых совпадают. ЧМ, вращаясь относительно шарнирного подвеса, в процессе поиска под собственным весом устанавливается вертикально, и измеряет градиент вертикальной составляющей индукции магнитного поля. Оно представляет собой суперпозицию магнитного поля Земли (МПЗ) с ничтожным градиентом и магнитного поля от объекта поиска, который представим в виде диполя с магнитным моментом М. Значимый градиент измеряемого поля отражает магнитную аномалию, свойственную ферромагнитному объекту поиска.
1. Градиентометры для поиска магнитных аномалий 1970-90 годов
Возникновение данного класса специальной техники напрямую связано с прогрессом в измерительной технике в начале 70-х годов, в частности, в улучшении «точечных» феррозондовых преобразователей магнитного поля, известных с 30-х годов [5]. Их чувствительность благодаря успехам в материаловедении и электроники стала на 2 порядка выше, энергопотребление и массогабариты - меньше на порядок. Улучшенная технология изготовления, настройки и калибровки феррозондов позволила создать на их базе «жесткие» дифференциальные конструкции с угловой погрешностью на уровне 0,010 и погрешностью коэффициента преобразования на уровне 10-5. Это дало возможность устранить (в первом приближении) влияние постоянного магнитного поля Земли (МПЗ) с индукцией ~5·104 нТл на процесс регистрации магнитных аномалий и создать переносные приборы. При этом стало возможным обнаружение ВОП по их ферромагнитным оболочкам, размещенным в толщине грунта на глубинах до 5…8 м.
Концептуальный прибор, широко применяемый градиентометр FEREX 4.021L разработки и производства Института им. доктора Ф.Ферстера (основатель предприятия, известный физик-метролог, один из изобретателей феррозонда), принят на вооружение стран НАТО в конце 70-х годов под аббревиатурой МК-26 [6,7]. В начале 90-х годов он появился в продаже и коммерческом использовании (поиск кладов, старого оружия и пр.). Этот прибор являлся для того времени и вплоть до середины 90-х годов наиболее совершенным изделием в мире. Его конструкция стала базовой для последующих аналогов других фирм и вообще этого класса, и предусматривала 4-е основные части (рис.1): 1) трубчатый алюминиевый конструктив, к нему крепились остальные части; 2) блок электронный (БЭ) со стрелочным указателем величины градиента поля, переключателями режима и чувствительности, кнопками управления; 3) чувствительный модуль (ЧМ) - труба из алюминия (диаметром 50 мм и длиной около 600 мм) с размещенными внутри идентичными феррозондами (соосность не хуже 0,010), разнесенными на расстояние (базу) а = 40 cм; ЧМ подключался к БЭ с помощью кабеля связи, механически вращаясь вдоль оси, под собственным весом всегда занимая вертикальное положение; 4) модуль питания (МП) в виде двойной трубки под разный диаметр питающих элементов: MnZn - батарей «D» типа (А373), Li - батарей или NiCd - аккумуляторов.
Рисунок 1 - FEREX 4.021L (слева) и блок электронный с Datalogger (справа)
Максимальный габаритный размер изделия 148 см по горизонтали, по вертикали - 78 см, масса в снаряженном состоянии - 6,2 кг. ЧМ был выполнен по классу защиты IP68 и допускал погружение в воду на глубину до 100 м, БЭ с классом защиты IP65 имел переключатель чувствительности на 8 диапазонов: 0…3 нТл - первый, наиболее чувствительный, 0…10000 нТл - последний, наиболее грубый. Разрешающая способность (пороговая чувствительность) ~ 0,3 нТл соответствует одному делению первого диапазона измерений [2,7]. Типично 6 батарей «D» - типа емкостью ~14 А?ч обеспечивали питание 9 В и работоспособность в температурном диапазоне -32…+55 0С; литиевые батареи удовлетворяли требованиям НАТО по температуре: -55…+80 0С. Изделие сохраняло работоспособность при напряжении питания 6…12 В, потребление составляло ~50 мА (6 В). В изделии имелось 4 режима работы:
Глубина поиска ВОП составляла [4,7,8]:
Типовой поиск ВОП осуществляется на местности по параллельным условным линиям, отстоящим друг от друга на расстояние 1 м. Места, где раздавались сигналы громкоговорителя (настроенного на порог 20 % от шкалы выбранного диапазона измерений), метились флажками. Для применения в скважине и под водой (на глубинах до 100 м) выпускались 2 модификации - FEREX 4.021K - для наземного, подземного (скважина) и подводного мониторинга, FEREX 4.021W - для подземного и подводного применения. ЧМ на специальном кабеле длиной 30 м мог опускаться в отверстие скважины или под воду. На БЭ (рис.1) имелся: переключатель режимов работы (1-4); стрелочный индикатор с нулем посередине; встроенный динамик; кнопки: «Тест», «Громкость больше/меньше», «Автокомпенсация нуля», переключатель чувствительности (он же «ВКЛ»); разъем для подключения наушников; разъем интерфейса RS-232.
В начале 90-х годов для FEREX 4.021 был разработан дополнительный блок - Datalogger (DLG), предназначенный для запоминания результатов измерений - магнитуд и их визуализации на ЖК-дисплее (рабочая температура -20…+600С). Блок массой 0,5 кг подключался к БЭ посредством RS-232 (рис.1), он позволял привязывать результаты измерений к координатам с помощью GPS - позиционирования с дальнейшим построением магнитной карты местности. Емкость RAM составляла 16 MB, каждое измерение занимало 18 бит. Максимальная скорость записи - 20 изм./с, что обеспечивало пространственное разрешение не менее 0,1 м при скорости передвижения по маршруту до 2 м/с. После записи данные по интерфейсу RS-232 (или RS-485) перекачивались с DLG на ноутбук со специализированным программным обеспечением FEREX DATALINE (Windows). На экране компьютера отображалась цветная карта магнитных аномалий («плюс» - красный, «минус» - синий, «нейтральный» - желтый), вычислялись максимальное и минимальное значение аномалии у полюсов объекта, производилась оценка дипольного магнитного момента М, его направления и глубины залегания. С направлением связывался максимальный линейный размер, с величиной - масса ферромагнитного материала - предполагаемый тип ВОП. К одному блоку DLG можно было подключать 3 или 4 ЧМ для увеличения скорости поиска, расширяя зону чувствительности (ЗЧ) с типовых 0,5…1 м до 2…3,5 м.
Изделие FEREX 4.021 было настолько удачным по конструкции и реализации высокой чувствительности на уровне около 1 нТл/м, что определило мировой стандарт для последующих модификаций Foerster и других фирм.
Градиентометр OGF-L (различные модификации) разработки начала 80-х (ГДР) стоял на вооружении Вооруженных Сил СССР в 80-90х годах. Созданный как аналог FEREX 4.021, прибор имел существенно худшие основные ТТХ. Пороговая чувствительность была на порядок хуже SП ~ 12 нТл [9] несмотря на увеличенную базу а = 47 см что приводило, однако, не к фатальному уменьшению предельной глубины поиска в раза. Масса прибора - 9 кг, питание - 8 щелочных батарей по 1,5 В, ток потребления - 180 мА (время работы было поэтому меньше). Прибор не позволял осуществлять цифровую регистрацию результатов измерений, выполняя функцию только индикатора относительных магнитных аномалий (стрелка прибора, звук в наушниках). Цена изделия была в ~3 раза меньше, чем у FEREX 4.021.
Рисунок 2 - Градиентометр OGF-L: модификации 83015 (слева) и 83017 (справа)
Градиентометр OGF-L при тестах позволяло устойчиво обнаруживать металлическую сферу радиусом 7,5 см (массой 13 кг) на глубине 1,2 м, массой 0,38 кг - на глубине 0,6 м [9]. Сигнал выводился на стрелочный индикатор, отклонение которого на 30 % вызывало звук в наушниках, как место нахождения возможного ВОП. К достоинствам градиентометра относилось обеспечение необходимых по военному ГОСТ стойкости к климатике и механическим воздействиям. Калибровка и настройка изделия была весьма сложной, осуществлялась механическим путем. БЭ, в отличие от Ferex 4.021, был жестко связан с ЧМ, вращаясь вместе с ним вокруг шарнира, автоматически занимая вертикальное положение под собственным весом при поиске. Глубина поиска ВОП составляла: ручная граната, противопехотная мина - до 0,5 м; артиллерийский снаряд, мина до 80 мм - 1 м; артиллерийский снаряд, мина до 120 мм - 2 м; снаряды, авиабомбы 120 кг - до 3 м.
Фирма Plessey Radar в середине 70-х годов разработала градиентометр Р10, который по чувствительности значительно уступал FEREX 4.021 [10]. Длина ЧМ в виде трубы диаметром 70 мм, составляла 1,2 м. Вес прибора - 5 кг, время непрерывной работы от перезаряжаемых аккумуляторов - около 8 час. Полоса регистрируемых частот 0…3 Гц, полная шкала отклонения стрелки (чувствительность) ± 3750 нТл. При этом собственный шум оценивался на уровне 50 нТл, что приводило к уменьшению глубины обнаружения в ~3 раза по сравнению с FEREX 4.021. В приборе имелся переключатель чувствительности, изменение поля, превышающего порог (~ 30 % шкалы), активизировало звук в наушниках.
2. Современные градиентометры двойного назначения для поиска ВОП
2.1 Foerster во второй половине 90-х годов осуществил разработку своего нового изделия FEREX 4.032, в аббревиатуре НАТО МК-26 Mod.1 [2,-4,8]. В 2002 г. осуществлена последняя модификация FEREX 4.032, призванная улучшить удобство эксплуатации. По сравнению с FEREX 4.021 обеспечен: меньший вес; более высокая чувствительность за счет большей базы ЧМ; меньшее энергопотребление и большее время непрерывной работы; встроенное устройство записи данных и возможность работы с несколькими (3 или 4) ЧМ одновременно (вариант DLG); регистрация близкорасположенных подземных силовых кабелей (50 Гц, 60 Гц) на уровне 1 мкТл; большая точность и скорость измерений (до 25 изм./с), емкость памяти; интерфейс RS-232, RS-485 (DLG); более удобный графический интерфейс.
Изделие полностью удовлетворяет требованиям по климатике (БЭ - по классу IP65), механической прочности и электромагнитной совместимости в соответствии со стандартами НАТО. Типовая скорость поиска ВОП составляет 0,5…1 м/с, направление движения оператора - с севера на юг. В изделии могут использоваться 2 вида ЧМ, выполненных по классу защиты IP68: 1) probe CON 650 с базой а = 65 см (масса 0,55 кг) - стандарт; 2) probe CON 1600 с базой а = 160 см (масса 1,0 кг, используется только с DLG) - сверхчувствительный вариант. Чувствительные модули сконструированы так, что не требуют никакой механической подстройки в течение всего срока службы. Это обеспечивается специальной запатентованной системой центрирования МП на основе натянутой струны [2]. Специальная модификация предусматривает соединительный кабель-трос длиной до 100 м, чтобы использовать ЧМ под водой и в скважине.
Линейка изделий, отличающихся функциональными возможностями (при неизменности чувствительности и массогабаритов) насчитывает 4 модели:
В «многомодульном» режиме к БЭ может подключаться 3 или 4 ЧМ, параллельно расположенных на расстоянии 25 или 50 см друг относительно друга - меньшее расстояние используется для большей точности карты магнитных аномалий (рис.4б). При этом ЗЧ расширяется соответственно до 1,5 и 2 м, способствуя более быстрому темпу поиска. Масса снаряженного FEREX 4.032 DLG с держателем 3-х ЧМ составляет 8,9 кг, с держателем 4-х ЧМ - 9,9 кг.
Рисунок 3 - Градиентометры FEREX4.032API (а), FEREX 4.032LCD (б), FEREX 4.032DLG(в)
Рисунок 4 - а) Градиентометр FEREX 4.032 DLG GPS (сверху ЧМ - антенна GPS); б) FEREX 4.032 DLG с 3-я ЧМ; в) FEREX 4.032 DLG GPS с 3-я ЧМ
На рис.5 показаны варианты применения изделия с 4 ЧМ, в том числе на колесной базе. Штатное батарейное питание позволяет обеспечить работоспособность FEREX 4.032 для различных конфигураций в течение не более: LCD - 80 час; DLG (1 ЧМ) - 36 час; DLG (3 ЧМ) - 18 час; DLG (4 ЧМ) - 14 час. Технические характеристики FEREX 4.032 представлены в табл.1. Обеспечивается: 8 линейных диапазонов чувствительности и один логарифмический (0…10000 нТл); смещение нуля - не более 1 нТл, температурный дрейф - не более 1 нТл/град; диапазон регистрируемых частот 0…240 Гц, частота выборки - до 20 Гц; питание - 4 х LR20 (тип «D», емкость ~14 А·ч); 6 х NiMH аккумулятора 1,24 В; максимальный габарит (длина) - 140 см;
Рисунок 5 - Градиентометр FEREX 4.032 DLG с 4 ЧМ)
БЭ (API) позволяет: включать/выключать питание, переключать чувствительность; выбирать 6 режимов обработки данных, а также фильтр для селекции малый /большой ФМП; визуализировать величину аномалии с помощью стрелочного индикатора; управлять кнопкой компенсации (COMP) для устранения смещения нуля ЧМ при переходе на другие диапазоны чувствительности (вследствие влияния окружающего магнитного поля и железистых грунтов); переключать громкость головных телефонов, которые срабатывают, когда регистрируемый сигнал превышает 20% от выбранной шкалы; показывать наличие близкого силового подземного силового кабеля; контролировать разряд батареи питания. БЭ LCD позволяет дополнительно визуализировать магнитуду и показывать ее величину в нТл. Оба эти варианта имеют аналоговый выход (разъем на БЭ, заглушен).
В DLG - версии оператор работает с помощью понятного меню посредством кнопок и курсора. На ЖК-дисплее отражаются результаты измерений, координаты, текст подсказок и комментарий, ошибки и предупреждения и т.д. Емкость RAM памяти - 20 МБ. Данные (точки измерения) могут экспортироваться в компьютер (ноутбук) в формате .csv, .xyz, .txt, .fdl, .bmp, формат данных - 24 бита. Компьютер с помощью программного обеспечения (ПО) «DATALINE 4800» позволяет:
Наилучшие результаты по времени поиска и точности карты магнитных аномалий получаются, если используется FEREX 4.032 DLG в комплектации с 3-я или 4-я ЧМ. Карта представляется в различных форматах (рис.6).
Рисунок 6 - Карты магнитных аномалий на экране компьютера
На боковых полях экрана выводится дополнительная информация о МПЗ в этом месте (склонение, наклонение), географических координатах, максимальной и минимальном сигнале относительно фона и др.; могут быть построены 3D - модели поля, сигнатуры вдоль прохода, гистограммы (рис.7).
Рисунок 7 - Формы представления результатов DATALINE 4800: слева - обнаруженный ВОП - диполь (в кружке)
Обнаружительная способность FEREX 4.032 со стандартным ЧМ probe CON 650 немного лучше (до 10%), чем у FEREX 4.021 за счет большей базы ЧМ (табл.1). Со сверхчувствительным ЧМ probe CON 1600 глубина обнаружения авиабомб массой 500 кг достигает 10 м [2,11]. Весьма важно, что характеристики изделия не ухудшаются в железистых почвах.
В настоящее время FEREX 4.032 продается в 40 странах, включая РФ, применяется в основном для геофизических исследований, поиска ФМП (трубопроводы, кабели, фундаменты), кладов. Обучение осуществляется в представительствах (в России - www.foerster.ru). Стоимость FEREX 4.032 API (c чувствительным модулем Probe CON 650) в США составляет 13,5…15 тыс. $, стоимость FEREX 4.032 DLG - на 10…15 % больше [2,3,12].
На базе 2-х FEREX 4.032 DLG GPS в комплекте с 4-я ЧМ типа probe CON 650 разработана уникальная измерительная платформа барабанного типа - FOERSTER MULTICAT 4.850 (рис.8). Платформа, буксируемая легковым автотранспортом, предназначена для обнаружения, локализации, идентификации и картографирования ФМП, ВОП на больших территориях. Двухколесный трейлер (вес 130 кг) сделан полностью из неферромагнитного материала с шириной дорожки 2 или 4 м. Чувствительные модули (общее количество 4, 8, 16) устанавливаются с промежутком 25 или 50 см, обеспечивая ЗО шириной не менее 2,5 м. При проезде специальная полиуретановая пена, выливаясь на поверхность, маркирует ЗО (через 2 м), движение по следующему маршруту происходит рядом. Изделие позволяет существенно ускорить процесс поиска на скоростях до 2,5 м/с, для него используется ПО «DATAMONITOR» (рис.8, справа) [2,11].
Рисунок 8 - FOERSTER MULTICAT 4.850 на автомобильной тяге
В целом, продукция Института им. Ф.Ферстера отвечает самым высоким современным требованиям, являясь мировым эталоном. Однако и стоимость изделий наивысшая для данного класса специальной техники
2.2 Фирма Ebinger (Кельн, Германия) [13] разработала магнитометрический градиентометр MAGNEX 120 LW в середине 90-х годов, который представляет собой классический образец ручного изделия, по конструкции аналогичного FEREX 4.021 (рис.9). По 2006 г. включительно по утверждению производителя выпущено более 1200 изделий. Оно позволяет осуществлять поиск и оценку ВОП (глубину залегания, размеры) на основе анализа амплитуды и полярности сигналов, их пространственного распределения. Ebinger - небольшая фирма, находящаяся «под покровительством» Foerster; последний продает некоторые изделия под своим брэндом (например, металлообнаружители METEX 4.100, 4.115), ему же принадлежат и все права по экспорту Ebinger.
Основные ТТХ изделия MAGNEX 120 LW приведены в табл.1. К изделию может подключаться до 3-х ЧМ с измерительной базой а = 43 см (цилиндр длиной массой 1,5 кг). Имеется 6 диапазонов чувствительности, разрешающая способность приблизительно в 2,5 раза хуже, чем у FEREX 4.032. Магнитная аномалия регистрируется как по показанию стрелки, так и по звуку в наушниках. Изделие комплектуется дополнительным цифровым модулем DLM, который производит оцифровку и запоминание данных измерений с одного или 3-х ЧМ. Специализированное ПО «Magneto», разработанное компанией SENSYS [13], позволяет визуализировать карту магнитных аномалий.
Рисунок 9 - Поиск ФМП с помощью градиентометра MAGNEX 120 LW
Для обнаружения магнитных аномалий в скважинах применяется специальная модификация ЧМ с соединительным кабелем длиной 25 м. По сравнению с FEREX 4.032, градиентометр MAGNEX 120 LW отличается существенно меньшей ценой - в Европе она составляет ~ 5000 $ [3,13]. Однако изделие ограничено работоспособно в железистых грунтах, оно удовлетворяют требованиям НАТО по климатике и воздействиям не в полном объеме, но тем не менее принято на вооружение Бундесвера. На рис.10 показан внешний вид изделия MAGNEX 120 LW (слева) и трехканальный вариант (двухколесная конструкция) на основе цифрового блока DLM; 3 ЧМ находятся на расстоянии 50 см друг от друга. Ebinger в 2003-04 гг. осуществила модернизацию своего изделия, выпустив новые улучшенные модификации - MAGNEX 1600 и MAGNEX 125, однако технические характеристики в открытой печати не раскрываются.
Рисунок 10 - Внешний вид градиентометра MAGNEX 120 LW (слева) и трехканальный (двухколесный) вариант измерительной системы на основе блока DLM
2.3 Компания Vallon (Eningen, Германия) уже более 40 лет специализируется в области производства средств для поиска ВОП, геологических и археологических поисковых приборов [14]. Градиентометр Vallon EL 1302 (модификации A1, D2) по конструкции изделие незначительно отличается от FEREX 4.032, и предназначен, прежде всего, для ручного поиска ВОП, удовлетворяя большинства требованиям военных стандартов НАТО по климатике и электромагнитной совместимости [3,14].
Его основные характеристики приведены в табл.1, обнаружение ВОП (значимой аномалии МПЗ) сопровождается появлением звука в наушниках оператора.. Для питания могут использоваться батареи С-типа, Ni-MH аккумуляторы или внешняя батарея 9…12 В. Имеется 7 переключаемых диапазонов чувствительности: 0…±2 нТл, …, 0…±2000 нТл; декадный переключатель (х1 или х10) обеспечивает грубый диапазон 0…±20000 нТл. Разрешающая способность соответствует FEREX 4.032, однако меньшая база ЧМ определяет несколько меньшую (10…30 %) обнаружительную способность. Поиск ВОП осуществляется со скоростью не более 1 м/с, при этом за 1 с снимается 20…40 точек магнитуды (соответственно через 5…2,5 см пути) по 22 бита. Типовое расстояние меду параллельными линиями поиска ВОП, в отличие от FEREX, меньше и составляет 33 или 50 см. Изделие не требует никаких регулировок при включении питания, - нажатием клавиш «Компенсация» и затем «Тест» инициируется автокалибровка прибора (занимает до 10 с), и затем изделие готово к работе.
Vallon EL 1302 А1 является классическим аналоговым регистратором магнитных аномалий (стрелочный прибор, наушники), звуковой сигнал тревоги генерируется, если регистрируется аномалия заданной величины и определенной полярности. Vallon EL 1302 D2 (по конструкции идентичный) является цифровым регистратором, сохранив функцию и аналогового. На БЭ находятся: стрелочный индикатор с «0» в середине шкалы; переключатель чувствительности на 7 линейных диапазонов; встроенный динамик; разъем для подключения головных телефонов; кнопки «Тест» и «Компенсация»; входной разъем для системы позиционирования SEPOS; выходной разъем для аналоговых и цифровых данных; разъем для внешнего питания; переключатель режимов (умножитель линейного диапазона измерений 1/10; логарифмический диапазон; проверка заряда батареи под нагрузкой; выбор интерфейса передачи данных. Обе модификации обеспечивают аналоговый выход (0…±6 В), к которому может подключаться специализированный полевой миникомпьютер VFC1.
EL 1302 D2 предназначен для работы по интерфейсу RS-232 (другой интерфейс - Bluetooth) с одним из трех инструментов Vallon, которые запоминают результаты измерений в цифровом виде: 1) накопителем Memobox MB4; 2) полевым миникомпьютером VFC1; 3) полевым миникомпьютером VFC2. MB4 осуществляет запись измерений до 26 км трассы: при расстоянии между точками измерений 2,5 см - 106 измерений, при траверсе 0,33 м охватывая около 2,5 га площади мониторинга. Блок связывается с системами позиционирования (GPS, SEPOS - разработки Vallon) с целью привязки измерений географическим координатам. VFC1 имеет ч/б ЖК-дисплей 10 х 8 см, позволяя наблюдать в реальном времени сигнатуру аномалии. К VFC1 может быть подключен либо один, 1 или 4 ЧМ, плюс SEPOS/GPS. Емкость памяти достаточна для записи измерений с 175 км трассы. Диапазон рабочих температур VFC1, ограниченный дисплеем, составляет -5…+50 0С, масса 1,4 кг. VFC2 имеет цветной монитор, отличаясь от VFC1 большим пользовательским интерфейсом и оперативной памятью 1 ГБ (охват ~100 га площади поиска). Специализированное ПО EVA2000 (в усеченном варианте) позволяет с помощью VFC2 непосредственно определять местонахождение и глубину залегания ВОП. Данные могут обрабатываться непосредственно с одного ЧМ; с помощью блока VCU2 - с 4 ЧМ; с помощью блока VCU2-8 - с 8 ЧМ. VFC2 обеспечивает навигацию в реальном времени, визуализацию магнитуды вдоль маршрута, текстовый режим, режим подсказок. Емкости батареи хватает на 10 час работы в режиме RS-232 и 7 час для Bluetooth.
Данные с MB4 / VFC1/ VFC2 транслируются на стандартный ноутбук, на котором установлено ПО VALLON EVA2000. При этом обеспечивается визуализация карты магнитных аномалий, определение местоположения, глубины залегания и величины магнитных диполей - предметов поиска (рис.11, слева). Функция пространственной фильтрации облегчает оценку ВОП. Программа может одновременно обрабатывать данные с 16 ЧМ. На карту может быть наложена реальная географическая карта, полученная, например, с помощью GOOGLE Map, координатная и географическая сетка. EVA2000 совместима с программой AutoCAD.
Чтобы осуществлять точную привязку измерительных координат, используется уникальная навигационная система точного позиционирования Vallon SEPOS (рис.2.11, слева), либо GPS (рис.2.11, справа). Без системы позиционирования данные должны быть привязаны к бумажной карте, что делает их менее точными.
Рисунок 11 - Карта магнитных аномалий VALLON EVA2000 (слева); системы позиционирования на основе: SEPOS (EL 1302 D2 + VFC1, в центре) и GPS (справа)
Система наиболее точного позиционирования SEPOS состоит из маркеров, встроенных через 1 м в специальный трос длиной 100 м (рис.11, в центре) и SEPOS-датчика, устанавливаемого внизу ЧМ, подключаемого к MB4 / VFC1/ VFC2. При проходе над маркером происходит пространственная коррекция результатов на этом отрезке, запись начинается с первого маркера и заканчивается на последнем.
Градиентометр Vallon VET2, аналогичный EL 1302D, имеет ЧМ с базой а = 170 см (диаметр 35 мм), что обеспечивает наивысшую обнаружительную способность (рис.12, слева). Запитывается прибор либо от литиевого аккумулятора (12 В, 9,2 А·ч), обеспечивая 40 час непрерывной работы, либо вообще от любого внешнего источника напряжением 9…12 В. Вес ЧМ - 1,8 кг, БЭ - 1,1 кг, аккумуляторный отсек - 3,3 кг, конструктив - 1,2 кг). VET2 удовлетворяет большинству (но не всем) требованиям военного стандарта MIL STD-810E. Выходными сигналами прибора являются: аналоговый порт (0…±6 В), цифровой порт RS-232, головные телефоны (звуковая тревога при достижении порога и определенной полярности выходного сигнала). Обнаружительная способность VET2 достигает 8 м для крупных ВОП (авиабомбы).
Рисунок 12 - Градиентометры VET2(слева) и VXC1 (справа)
Vallon разработал небольшой простой аналоговый градиентометр VXC-1 (рис.12, справа), предназначенный для обнаружения ВОП в режиме поиска (табл.1). Изделие применяется, в том числе, для гуманитарного разминирования местности, в том числе на неглубоких (до 1 м) водоемах [14]. Прибор имеет низкое энергопотребление, работает от двух батареек «D», но может запитываться и от двух Ni-MH аккумуляторов. VXC-1 удовлетворяет большинству требований стандарта MIL STD 810, выполнен по классу защиты IP65 (ЧМ - по классу IP67). ЧМ может вращаться вокруг шарнирной оси, занимая как вертикальное, так и горизонтальное положение, телескопически выдвигаться (на ~30 см) для подстройки под рост оператора, в процессе работы никаких его регулировок не требуется.. Инициализация прибора производится путем выбора режима «Test» в начале измерений, калибровка осуществляется по ходу поиска путем периодического нажатия на кнопку «Comp», расположенную на ручке управления (она же ручка для переноса). Звуковой сигнал тревоги генерируется автоматически в зависимости от величины аномалии и полярности, интенсивность звука в наушниках регулируется, имеется 3 диапазона чувствительности. Визуальный контроль осуществляется по линейному светодиодному индикатору (10 шт. в шкале) на конце ручки управления. Положение загоревшегося индикатора отображает относительную величину сигнала аномалии.
4-канальная измерительная система VXV4 (рис.13, слева) предназначена для увеличения темпа поиска ВОП на больших территориях, построена на основе 4-х ЧМ EL1302. Данные с ЧМ в формате RS-485 поступают в блок VCU1, где они «замешиваются» с данными системы позиционирования, и далее передаются на миникомпьютер VFC2. Может использоваться также система позиционирования DGPS или более точная система SEPOS с расстоянием между маркерами в 2 м. Запитывается система от перезаряжаемой батареи 12 В (9,2 А?ч). Расстояние между ЧМ составляет 0,33 м, общая ширина зоны чувствительности - 1,5 м. Все части системы сделаны из немагнитного материала, диаметр фиберглассовых колес - 80 см. Имеется и аналогичная 8-канальная система VXV8, ширина зоны чувствительности - не менее 2,5 м. Обработка данных на ноутбуке осуществляется с помощью ПО Vallon EVA 2000.2.х. На дисплее VFC2 воспроизводятся 4-е магнитуды в реальном времени, величины аномалий в нТл, а также упрощенная карта магнитных аномалий. Емкости памяти оказывается достаточным для мониторинга 5 га площади [15].
Рисунок 13 - Измерительные системы: VXV4 на двухколесной базе (справа) и комбинированная VMV8 на базе автомобиля (справа)
На рис.13 (справа) показана новое изделие VMV8- 8-канальная комбинированная система обнаружения ВОП, основанная на 2-х принципах работы - активном вихретоковом и пассивном магнитометрическом (линейка феррозондов). Такая система располагается впереди автомобиля, регистрирует данные непосредственно на ноутбуке, воспроизводит их в реальном времени на экране монитора с помощью ПО EVA 2000.2.х, данные позиционируются с помощью системы DGPS. Система VMV8 позволяет существенно ускорить темп и качество поиска, обеспечив ширину зоны чувствительности 2,5 м. 16-канальная система VMV16 обеспечивает зону чувствительности шириной 4 м [13,14].
Системы градиентометрического типа Vallon производит с 1977 г., активного типа - c 1992 г. Комбинирование пассивного и активного принципов обнаружения позволяет добиться большей вероятности правильной идентификации обнаруженных предметов (на глубинах до 2 м); такие системы (несколько модификаций) фирма производит с 1999 г. Один из известных вариантов системы включает 4 градиентометрических ЧМ и 8 активных металлодетекторов, причем половина из них размещена на другой высоте от поверхности грунта. Все физические преобразователи подключаются к центральному блоку, который связан с ноутбуком (ПО EVA2000 2.X) по интерфейсу RS-232.
Цены Vallon держатся на достаточно высоком уровне, но ниже Foerster на 10…20 %; например, стоимость EL 1302А1 составляет около 9800 $, EL 1302D2 - 11100 $ (в Европе). Трехканальная градиентометрическая система VEV-3 для автомобиля (прототип VMV8) стоит около 24000. Стоимость специализированного ПО EVA2000 составляет 4420 $ [12].
2.4 Компания Schontedt Instrument (США) уже более 30 лет разрабатывает и изготавливает поисковые градиентометрические приборы, которые отличаются, прежде всего, упрощенной конструкцией, невысокой чувствительностью и весьма низкой стоимостью, - в 4…5 раз меньше, чем даже наиболее дешевый европейский градиентометр компании Ebinger. Конструкция изделий позволяет использовать их в одной руке (one hand exploration). В принципе, за весьма ограниченные возможности их можно было бы отнести к коммерческим образцам, однако, по крайней мере, одно изделие GA-72Cd (табл.1) стоит на вооружении НАТО и используется при проведении поиска ВОП «с ходу», другие изделия используются для целей гуманитарного разминирования [16].
Магнитный градиентометр GA-72Cd (рис.14) выполнен в едином конструктиве, (БЭ и ЧМ присоединяются между собой с помощью 4-х болтов), разработан в начале 90-х годов. Чувствительный модуль HeliFlux (запатентованная марка) выполнен по классу защиты IP67. Четырехсегментный индикатор ЖК-дисплея показывает заряд батареи (1-10%; 10-20%; 20-25%; 25-100%), питание обеспечивают 2 перезаряжаемые литиевые батареи 9 В, вставляемые внутрь БЭ. Преимущество литиевых батарей перед щелочными заключается не только в большей удельной емкости, но и отсутствии ферромагнитных частей, которые могут исказить работу прибора.
Рисунок 14 - Градиентометр GA-72Cd
Значимые аномалии магнитного поля регистрируются посредством: 1) аудиосигнала, издаваемого пьезокерамическим излучателем при превышении порога; 2) ЖК-дисплея. Подача аудиосигнала в ответ на увеличение / уменьшение магнитной аномалии может идти в двух форматах (переключатель - под корпусом БЭ): 1) увеличение / уменьшение громкости звука относительно среднего фона; 2) изменение частоты звука. На ЖК-дисплее показывается величина (и полярность) разностного сигнала индукции магнитного поля, выраженной в 100 нТл, на показание отводится 3 цифры. Чувствительность градиентометра GA-72Cd регулируется переключателем на 4 диапазона по принципу: низкая, средняя, высокая, очень высокая. Обнаружительная способность прибора характеризуется максимальной глубиной поиска, показанной в табл.1. В изделии есть разъем, откуда результаты измерений в аналоговом формате могут подаваться для дальнейшей обработки. Стоимость изделия GA-72Cd в США от производителя составляет чуть более 1000 $ [16]. Его отличает высокая эксплуатационная надежность, поэтому фирма предоставляет 5-летнюю гарантию. В ферронасыщенных грунтах изделие малоэффективно, его не рекомендуется использовать.
2.5 НИИ «Проект» (г. Томск) в начале 2000-х годов разработал магнитометрический градиентометр МБИ-П (индекс БИВР.411172.001), который, по сути, представляет собой, отечественный аналог изделия FEREX 4.021 [18]. МБИ-П предназначен для поиска ВОП в металлических (ферромагнитных) корпусах, находящихся в грунте, воде или под снегом. Изделие регистрирует градиент магнитной индукции, который преобразуются в электрические сигналы, удобные для индикации с помощью стрелочного измерительного индикатора и головных телефонов. Обнаруживая значимое изменение градиента индукции, определяется место максимальной аномалии, которое отмечается (например, флажком). Ширина ЗО составляет 1,5 м (по отношению к авиабомбе ФАБ -500).
Основными частями МБИ-П являются [18]: 1) блок обработки сигналов (БОС); 2) измерительный блок (ИБ), включающий 2 датчика - феррозонда на базе а = 50 см; 3) несущий конструктив - штанга; 4) кассета источников тока; 5) головные телефоны. Основные тактико-технические характеристики МБИ-П представлены в табл.1.
Запитывается изделие от 8 элементов типа А343 или А373, а также от одной секции 10РЦ83, оно удовлетворяет требованиям российских ГОСТ по климатике (-50…+50 0С) и механическим воздействиям. Имеется 4 переключаемых диапазона, позволяющих изменять пределы чувствительности в соотношении 1:2:10:20 (1-й диапазон - самый грубый). Стрелочный измерительный прибор - микроамперметр имеет шкалу -50…0…+50 мкА, в зависимости от величины регистрируемого градиента частота сигнала, поступающего на головные телефоны, изменяется от десятков Гц до единиц кГц. Время подготовки к работе после включения - 3 мин.
К основным недостаткам МБИ-П можно отнести: 1) отсутствие абсолютной шкалы измерений, - изделие является всего лишь индикатором относительной интенсивности градиента магнитного поля, связанного с потенциальным ВОП, без привязки к абсолютным значениям индукции; 2) относительно большие массогабариты; 3) отсутствие цифрового и аналогового выхода для сохранения данных; 4) относительность результатов измерений (больше-меньше); 5) сложная процедура механической подстройки ИБ вследствие его недостаточно высокой технологичности изготовления. Вследствие последнего, в процессе поиска необходима постоянная компенсация погрешностей (сигнала ошибки), вызванных: 1) непараллельностью осей чувствительности двух феррозондов; 2) разностью коэффициентов преобразования двух датчиков (при изготовлении).
В изделии обеспечивается 3 канала компенсации и дополнительный компенсационный датчик (расположенный посередине между феррозондами), на БОС имеется 3 кнопки - «БК» и «МК» и «ОФК точно». В режиме быстрой компенсации с помощью кнопки «БК» включается таймер на 5 с, в течение которых она и осуществляется. Если полной компенсации не произошло (стрелка прибора на 1-м диапазоне не находится на нуле), необходимо снова нажать кнопку «БК». В режиме медленной компенсации кнопка «МК» удерживается до достижения полной компенсации (стрелка находится на нуле на 4-м диапазоне), после отпускания кнопки компенсация заканчивается. Контроль чувствительности осуществляется путем нажатия кнопки чувствительности (КЧ). Проверка баланса изделия осуществляется на 4-м диапазоне, ИБ вращают на 3600 вокруг своей оси, при этом максимальный сигнал ошибки не должен превышать 20 мкА (40 % шкалы). Если она больше, то снимается накидная гайка и затем защитный кожух ИБ, вращением оси резистора в середине его добиваются уменьшения сигнала ошибки, и затем осторожно надевается кожух и заворачивается гайка. При проверке сигнала ошибки, возникающего при ходьбе оператора, ось ИБ отклоняется от вертикали в направлении Юг, затем Север на величину ~20 0, при этом максимальное отклонение стрелки индикатора не должно превышать ± 40 % на 4-м диапазоне. Если стрелка отклоняется на величину большую, то вращением шлица (резистора) «ОФК точно», расположенного на передней панели БОС, добиваются уменьшения сигнала до приемлемого уровня.
Описанные процедуры настройки изделия весьма сложны и ухудшают эксплуатационную надежность изделия. Относительность измерений не дает возможности оценить ни вероятной глубины залегания ВОП, ни его типа, исходя из величины прогнозируемого магнитного момента. Отсутствие выходного цифрового сигнала измерений не дает возможности строить карту магнитных аномалий в случаях, когда не важен темп поиска (гуманитарное разминирование). Таким образом, МБИ-П по своим основным ТТХ уступает зарубежным аналогам вследствие, прежде всего, несовершенной технологии изготовления измерительного блока (чувствительного модуля). Однако климатическим и механическим требованиям российского ГОСТ изделие удовлетворяет. Все это в совокупности определяет его высокую стоимость ~400 тыс.руб.
3. Технологические (коммерческие) градиентометры
Коммерчески доступные изделия, выпускаемые в основном в США для решения индустриальных задач, очень дешевые. Они доступны практически для каждого человека и поэтому получили большое распространение за рубежом не только у строителей, но и у фермеров, энергетиков, искателей кладов и пр.
3.1 Компания Schontedt Instrument (США) выпускает 2 изделия, отличающиеся низкой ценой, которые при определенных условиях (например, не очень низкой температуре) могут быть использованы для поиска ВОП, хотя и обладают невысокой чувствительностью. Зато их простая конструкция и недорогой запатентованный ЧМ обеспечивают им низкую стоимость и высокую конкурентоспособность. Основное их предназначение - это поиск промышленных конструкций в грунте и воде, а также трубо- и кабелепроводов [17].
Градиентометр GA-52Cх (рис.15) выполнен в едином конструктиве, представляет собой упрощенную модель конца 80-х гг. [19]. Масса изделия в снаряженном состоянии - 1,13 кг, максимальный габаритный размер (длина) - 108 см. Питание обеспечивают 2 щелочные батареи типа «Крона» (каждая 9 В, 0,65 А·ч), поддерживающие работоспособность прибора в течение 40 час (потребляемая мощность ~ 0,3 Вт). Диапазон рабочих температур составляет -25…+60 0С.
Рисунок 15 - Градиентометр GA-52Cx
Чувствительный модуль выполнен по классу защиты IP67 и имеет базу а = 50,8 см (длина 87 см). Разряд питания не контролируется, визуального индикатора нет. Это, конечно же, суживает его функциональные возможности по поиску ВОП. Аномалии магнитного поля регистрируются посредством аудиосигнала, издаваемого встроенным пьезокерамическим излучателем. Типично сигнал имеет 40 Гц (при нулевом откалиброванном градиенте магнитного поля), и тон (частота) повышается или понижается соответственно при увеличении или уменьшении градиента поля.
Чувствительность градиентометра регулируется - 5 выбираемых линейных диапазонов, он - несколько более чувствительный, чем модель GA-72Cd, пороговая чувствительность составляет ~30 нТл (ширина ЗО - около 0,3 м). Стоимость изделия в США от производителя составляет всего 900 $ [16]. Изделие отличает еще более высокая эксплуатационная надежность (нет ЖК-индикатора), поэтому фирма изготовитель предоставляет 7-летнюю гарантию.
Градиентометр GA-92XT (рис.16) - относительно новое изделие (2004 г.), выполненное в едином раздвижном конструктиве по схеме «пистолета»: ручка, БЭ в кожухе, выдвижной ЧМ [17,20]. Изделие представляет собой модернизацию GA-72Cd с уменьшенными массогабаритами и повышенной функциональностьью. Масса в снаряженном состоянии - 1,1 кг, габаритный размер (длина): 66 см - в рабочем положении и 39 см - при хранении. Диапазон рабочих температур -25…+60 0С.
Чувствительный модуль, который при работе выдвигается из кожуха - «футляра», выполнен по классу защиты IP 67, имеет базу а = 24 см (при длине 30 см). Питание обеспечивает литиевая батарея 9В, поддерживающая работоспособность прибора в течение 24 час. Разряд питания контролируется посредством 4-сегментного индикатора на ЖК - дисплее БЭ.
Имеется две разновидности прибора GA-92XT: 1) GA-92XTi - звуковой детектор (индикатор) аномалии без визуализации сигнала (рис.16, в центре); 2) GA-92XTd - звуковой и визуальный (ЖК-дисплей) детектор магнитной аномалии (рис.16, справа). Звуковой сигнал издается пьезокерамическим излучателем - при нулевом градиенте частота звука равна 10 Гц, отклонение сигнала приводит к увеличению частоты. На ЖК-дисплее GA-92XTd показывается величина и полярность сигнала градиента индукции магнитного поля, выраженного в мГс (1 мГс ≡ 100 нТл), на показание отводится 3 цифры.
Рисунок 16 - Градиентометр GA-92XT: слева - в режиме работы и хранения; в середине - вид панели управления GA-92XTi; справа - вид панели управления GA-92XTd
Чувствительность градиентометра GA-92XT регулируется непрерывно с помощью потенциометра. На ЖК - дисплее выбранная чувствительность показывается в одном из 4 диапазонов - низкая, средняя, высокая, очень высокая. GA-92XT имеет аналогичную GA-72Cd пороговую чувствительность (~50 нТл). Однако ввиду меньшей базы его обнаружительная способность (максимальная глубина поиска) приблизительно на 10…20 % меньше, чем у GA-72Cd [20]: пистолет, 81 мм мина миномета - 0,3 м; нож - 0,35 м; снаряд 175 мм - 1,2 м; авиабомба MК-81 - 2,1 м.
Стоимость изделия GA-92XT в США от производителя составляет 1030 $ [79]. Изделие отличает очень высокая эксплуатационная надежность, фирма изготовитель предоставляет 7-летнюю гарантию. Изделия фирмы Schontedt защищены несколькими патентами США: №№ 4163877, 4258320, 4803773, 4839624, 5097211, 5136245 и др.
3.2 CST Corporation (США) выпускает дешевый магнитометрический градиентометр «Magna-Trak 102», предназначенного для обнаружения и локализации различных ферромагнитных объектов в толщине грунта, мелкой воде, под снегом и пр (рис.17) [21,22]. Он является модернизацией известного в США изделия «Magna-Trak 100». В приборе имеется ЖК - дисплей и встроенный звуковой динамик, он не является классическим измерителем магнитной аномалии, а лишь регистратором ее относительной силы (аналогового или цифрового выхода данных нет).
База ЧМ, заключенного в алюминиевую трубу, составляет а = 50,8 см. В его состав входят магнитные тороидальные датчики феррозондового типа, применяется запатентованная электронная схема балансировки модуля (патент США № 4439732). Когда аномалии нет, то звук - низкой частоты; при появлении аномалии частота звука повышается в соответствии с ее амплитудой. ЖК - дисплей показывает уровень аналогового сигнала по линейной шкале и цифры (2 знака - от «00» до «99»), соответствующие текущему значению аномалии. На панели управления находится клавиши включения и выключения питания.
Рисунок 17 - Градиентометр «Magna-Trak 102»
Новая функция «Удаление», вводимая нажатием клавиши на дисплее, осуществляется, если поиск происходит рядом с крупным ферромагнитным объектом, например, сеточным забором. Тогда это влияние подавляется, и нет нужды, как в обычных приборах, уменьшать чувствительность. Прибор обнаруживает силовые кабели (50, 60 Гц), высвечивая соответствующий сигнал на индикаторе.
На конце ручки изделия имеются галетный переключатель чувствительности на 8 положений и галетный переключатель громкости звука на 8 положений. Здесь же расположен громкоговоритель и кейс для батареек. Питание прибора (9 В) осуществляется от 6 стандартных щелочных элементов питания «АА» емкостью 3,1 Ач, которые обеспечивают 100 час функционирования без смены элементов (потребляемая мощность около 0,24 Вт). Разряд батареек контролируется с помощью ЖК - дисплея. Вес прибора 1,3 кг, максимальный габарит - 102 см, рабочие температуры -20…+50 0С. Гарантия производителя - 5 лет. Стоимость «Magna-Trak 102» в США составляет в среднем около 700 $. В России стоимость прибора на июнь 2008 г. составляла около 37 тыс. руб.
3.3 Фирма «АКА-Контроль» (г. Москва) разработала малогабаритный градиентометр ФТ-100, предназначенный для поиска ферромагнитных предметов на глубинах до 3 м при температуре не менее -20 0С [4,28]. Единый конструктив измерительной головки (чувствительного модуля) и прибора-индикатора (БЭ) обеспечивает перенос прибора в руке. Его чувствительность приблизительно в 20…30 раз хуже, чем у изделия FEREX4.021. В настоящее время ФТ-100 уже не выпускается.
На смену ему пришел аналог - ферролокатор ФТ-601 [29]. Он предназначен для поиска и локализации люков колодцев, запорной аппаратуры, баллонов, труб и других ферромагнитных предметов под землей, снегом и водой, может использоваться для поиска ВОП. БЭ и ЧМ конструктивно объединены в единый прибор, габариты составляют 4,5x8x119 см, масса - 0,8 кг, диапазон рабочих температур - 10…+40 0C. Изделие весьма просто в использовании, обладает ударопрочной конструкцией, ЧМ - водонепроницаемый. У него имеется звуковая сигнализация об уровне сигнала с изменяющейся частотой. Чувствительность прибора ФТ-601(по оценке) на 2 порядка хуже, чем у FEREX4.021, что приводит к уменьшению в ≈ 3 раза глубины обнаружения ВОП. К примеру, глубина обнаружения отрезка трубы диаметром 86 мм и длиной 0,5 м составляет всего 0,3…0,5 м, люка колодца - до 1,5 м [29].
4. Инструментальные (геофизические) градиентометры
Известные фирмы в сфере прикладной геофизики и магнитометрии - Bartington Instuments и Geoscan Research (Великобритания) и другие сосредоточили свои усилия, в основном, на гражданском и коммерческом секторе - геофизических измерений, археологии, поиске, кладов и т.д. По сравнению с военными изделиями, которые должны удовлетворять требованиям стандарта, в них допускается более узкий диапазон рабочих температур (по минусу), менее жесткие требования по вибрациям и климатике, высокие требования по ограничению инструментальных погрешностей. Их конструкция, как правило, не предполагает механических воздействий во время эксплуатации. Пороговая чувствительность обеспечивается максимально возможной (для данной технологии), интерфейс - разносторонним, поэтому их стоимость может быть сравнима с изделиями двойного назначения.
4.Компания BGIF (Beijing Geological Instrument Factory, Китай) с 2006 г. производит феррозондовый градиентометр «CCT-2 Magnetic Detector», который вошел в каталог Международной организации по гуманитарному разминированию [3]. По конструкции прибор напоминает известных FEREX 4.021,, и представляет собой БЭ в пластмассовом корпусе, носимый на ремне (на плече), к которому с помощью кабеля связи длиной ~2 м подключен ЧМ, шарнирно закрепленный на держателе. Детектирование ВОП происходит в двух режимах - динамическом (поиске) и статическом; в первом намечается место нахождения предполагаемого ВОП, во втором место тщательно обследуется при повышенной чувствительности.
ЧМ имеет базу а = 50 см, выполнен в виде алюминиевой трубы Ø 40 мм (длина 75 см). Максимальный габаритный размер (длина) прибора составляет 110 см, масса ~ 6 кг, питание осуществляется от перезаряжаемой литиевой батареи емкостью 4,4 А·ч, которая обеспечивает работоспособность в течение не менее 8 час (в состав входит заряжающее устройство). Диапазон рабочих температур составляет -20…+50 0С.
БЭ имеет ЖК-дисплей с экраном 192х64 пикс., который визуализирует параметры режимов поиска, а также измеряемый градиент магнитного поля в виде магнитуды и цифр. БЭ может хранить до 8 тыс. результатов измерений, которые затем переносятся на ноутбук со специализированным ПО. Функционирование изделия в почвах с высоким содержанием магнетитов (латеритов) невозможна или ограничена. Оптимальная скорость поиска составляет 0,2…1 м/с.
Перед проведением работ требуется калибровка прибора, занимающая до 10 с, во время работы требуется подстройка нуля. Градиентометр удовлетворяет некоторым требованиям военного стандарта по климатике и вибрациям. Гарантия производителя - 2 года.
4.2 Geoscan Research (Брэдфорд, Англия) является известным в мире производителем измерительной аппаратуры [23], применяемой главным образом для геофизических исследованиях и археологии. Кроме магнитометрических приборов, компания разрабатывает системы, основанные на измерении измерений проводимости грунта, вызванных предметами поиска. Феррозондовый градиентометр FM-256, производство которого началось в 2004 г., пришел на смену изделию FM-36 - известному геофизическому прибору 1990-2000 гг. Градиентометр FM-256 представляет собой прибор весом 2,3 кг, который удобно размещается и переносится в руке оператора (рис.18).
Конструкция прибора (класс защиты IP65) представляет собой ЧМ и БЭ, жестко соединенных алюминиевой ручкой. На БЭ (типа DL256) находится дисплей и клавиши управления, внутри - элементы питания. Максимальный габаритный размер (длина) прибора - 64 см, в нем используется цифровая фильтрация сигнала накоплением, увеличивающая отношение сигнал/шум. Количество циклов накопления (21…25) варьируется в зависимости от скорости поиска (типично 1 м/с).
Рисунок 18 - Градиентометр FM-256 (слева); конструктив CF6 для сдвоенного градиентометра (в центре); сдвоенный градиентометр
Geoscan Research разработала дифференциальный градиентометр на базе 1 м на основе двух градиентометров FM-256 - (рис.18, в центре и справа). Специальная станина CF6 из алюминия и сопутствующее оборудование (массой 2,3 кг) позволяет вдвое увеличить траверс поиска (до 2 м) и соответственно темп. Общий вес такой системы составляет 7,3 кг, данные записываются синхронно на оба БЭ.
База градиентометра FM-256 составляет а = 50 см; как заявляется, именно такой размер обеспечивает оптимальный компромисс между чувствительностью и точностью балансировки, обеспечивая относительную нечувствительность к близкорасположенным ферромагнитным предметам на поверхности, типа сеточного забора. Прибор имеет 8 диапазонов измерения аналоговых (± 5; 10; 20; 40; 80; 160; 320; 640 нТл), 3 диапазона для цифрового формата данных (±200; 2000; 20000 нТл). Пороговая чувствительность прибора (на уровне пикового шума на нижнем пределе измерения) составляет 0,05 нТл (по цифре) - наименьшая величина из известных аналогов, текущая магнитная аномалия показывается с разрешением 0,1 нТл [25].
Запись осуществляется в энергонезависимую память БЭ, емкость которой рассчитана на 256 тыс. результатов измерений. Типично памяти хватает для сканирования более 3 га площади, - при поиске на длине 1 м осуществляется 1…16 измерений (темп выбирается), траверс траекторий выбирается 0,5 м или 1 м в зависимости от допускаемой точности интерполяции при дальнейшем построении карты магнитных аномалий. Выходные данные с БЭ (в формате .txd, .gnd, .cts, .rts) переводятся на компьютер со специализированным ПО, используя интерфейс RS-232.
ЖК-монитор с подсветкой (необходима в темное время суток) предназначен для записи измерений, визуализации событий управления прибором и функций меню. Мембранная панель с 12 кнопками используется, чтобы контролировать различные инструментальные функции, кнопка «Старт/стоп» - для начала/остановки работы автоматического набора данных, а также при ручном наборе данных. Запитывается прибор всего от 2-х щелочных батарей типа «C» (1,5 В, емкость 7,3 А·ч), при этом обеспечивается не менее 44 час непрерывной работы (потребляемая мощность ~0,5 Вт). Как вариант питания - два Ni-MH аккумулятора по 1,24 В (емкостью 3,5 А·ч), при этом гарантируется 21 час работы. Зарядное устройство для аккумуляторов поставляется в комплекте прибора.
GEOPLOT3.0 (под Windows, 7-я версия) является одним из самых мощных специализированных ПО, предназначенным для обработки и визуализации результатов магнитометрических измерений (рис.19). Оно позволяет строить черно-белую/цветную графику 2D и 3D, сигнатуры сигналов вдоль траектории, представлять данные в различных форматах для их дальнейшей обработки другими программами. ПО обеспечивает многочисленные функции, недоступные в других программах, позволяющие улучшить качество представления данных, отфильтровать шум, увеличив отношение сигнал/шум. В распоряжении пользователя находятся такие инструменты, как: пространственные полосовые фильтры высокого и низкого уровня; пространственный фильтр периодических дефектов (карты магнитных аномалий); фильтр изменения нулевого уровня; фильтры Wallis; коррекция переноса данных; интерполяция данных различными полиномами; выравнивание краевых дефектов; устранение пиков и медианное выравнивание; комбинирование данными из различных источников; инструменты статистического и спектрального анализа.
Рисунок 19 - Окно ПО GEOPLOT3.0
Диапазон рабочих температур FM-256 составляет -10…+50 0С, что, конечно же, ограничивает его использование для поиска ВОП. Стоимость изделия FM-256 - максимально высокая и составляет в США ~25 тыс. $, стоимость программного обеспечения GEOPLOT3.0 - около 2 тыс. $ [24,25].
В целях улучшения обнаружительных характеристик систем поиска Geoscan Research разработала измерительную платформу MSP40 (на четырехколесной базе), где комбинируются 2 разных физических метода регистрации предметов поиска - магнитометрический градиентометрический и по изменению проводимости грунта. В нее включаются измеритель резистивности RS-15, использующий 4-е колеса как зонды, и градиентометр FM-256 (рис.20). Заряда аккумуляторной батареи Ni-MH хватает на 20 час работы. Общий вес системы - около 32 кг, база между немагнитными колесами составляет 0,75 м. В качестве конструкционных материалов используется алюминий и нержавеющая сталь, которая очень слабо проявляет магнитные свойства.
Рисунок 20 - Колесная измерительная платформа MSP40 реализующая два метода регистрации предметов, находящихся в грунте
Запись данных с двух измерителей через мультиплексор MPX40 идет на БЭ типа DL256 (250 тыс. измерений, интенсивность - 1,2,4 или 8 изм./с). Данные обрабатываются и визуализируются программой GEOPLOT3.0. Типичная скорость поиска в такой системе составляет 2 м/ мин, что, конечно же, явно мало при проведении поиска ВОП. Однако для археологии принято «не торопиться».
4.3 Компания Bartington Instruments (Оксфорд, Англия) является мировым лидером в области разработки и производства феррозондовых преобразователей для космических, военных, медицинских (диагностических), строительных (неразрушающий контроль) и других применений [26]. 80% продукции экспортируется в разные страны, в основном в ЕС, Японию и США. Крупнейшими заказчиками являются НАСА и Пентагон (США), прямым конкурентом (по некоторым позициям) - фирма Geoscan Research.
Grad601 представляет собой одноосевой феррозондовый градиентометр с одним ЧМ (модель Grad601-1, рис.21) или двумя ЧМ (модель Grad601-2, расстояние между модулями 1,0 м, рис.22). Основное его применение - в геофизике и археологии, но может применяться и для целей гуманитарного разминирования, поиска ВОП. По данным [27], градиентометр Grad601 имеет преимущества по сравнению с FM-256: меньшая цена, легче регулировка и визирование, большая база ЧМ, обеспечивая при прочих равных условиях выигрыш в обнаружительной способности в раза.
Рисунок 21 - Градиентометр Bartington Grad601-1 с одним ЧМ
Рисунок 22 - Сдвоенный градиентометр Grad601-2 с двумя ЧМ
В Grad601 база между феррозондами составляет а = 1,0 м, собственный шум прибора в диапазоне регистрируемых частот 0…14 Гц составляет 0,05 нТл (пик), что соответствует лучшему мировому уровню. На частотах 50 Гц и 60 Гц (промышленной сети) уже на уровне ЧМ обеспечивается подавление сигнала не менее 40 дБ. Общее подавление прибором сигнала на частотах 50 Гц и 60 Гц достигает не менее 60 дБ.
Конструкция градиентометра Grad601-1 - классическая, сочетающая ЧМ (Grad-01-1000), БЭ (DL601), трубчатую станину и блок питания (BC601), все выполнено по классу защиты IP65. На крышке БЭ находится ЖК-дисплей (2х20 знаков) и 6 кнопок управления: «Вкл./выкл.», «↑», «↓» и др. ЧМ выполнен из алюминиевой трубы диаметром 38 мм и длиной 105 см.
Градиентометр Grad601-1 (рис.21) имеет 2 линейных диапазона измерений (точность не хуже 2 %): 1) 0…±100 нТл/м (разрешение 0,1 нТл); 2) 0…±1000 нТл/м (разрешение 1 нТл). Штатное питание осуществляется от Li-Ion аккумулятора емкостью 4 А·ч (12 В), обеспечивая непрерывную работу в течение не менее 36 час. Энергопотребление ~1,3 Вт, из этой мощности около 0,55 Вт потребляет БЭ и 0,75 Вт - чувствительный модуль. Общий вес градиентометра Grad601-1 составляет 2,9 кг (ЧМ - 0,85 кг), диапазон рабочих температур -20…+70 0С.
Градиентометр Grad601-2 (рис.22) состоит из 2-х ЧМ, подключенных к единому БЭ. При этом обеспечивается синхронная запись данных и увеличенный в 2 раза темп поиска (траверс 2 м). То же питание позволяет прибору работать не менее 24 час (энергопотребление 2 Вт). Общий вес прибора составляет 5,3 кг [87,88].
Результаты измерений путем многих циклов суммируются и усредняются, чтобы увеличить отношение сигнал/шум; емкость памяти БЭ - 256 кБ, чего достаточно для сканирования площади в 0,1 га [26,27]. Типичным траверсом при измерениях является 1 м, при этом измерения осуществляются 4 раза за 1 с, калибровка прибора осуществляется автоматически при нажатии клавиши на клавиатуре. Через порт RS-232 данные с Grad601-1 (3 возможных формата) загружаются на ноутбук, на котором установлено специализированное ПО «ArcheoSurveyor» (под оболочкой Windows). ПО обрабатывает данные, обеспечивая реализацию адекватной карты магнитных аномалий, как это делается у ведущих производителей данной техники. Цена прибора Grad601-1 составляет около 20 тыс. $.
4.4 НПФ «Импеданс» (г. Троицк, Московская обл.) разработал и изготавливает (штучно, мелкими партиями) прибор «GRADIMAG GF-01», предназначенный для измерения градиента магнитного поля (в т.ч. в движении), его вариаций в статике, а также для исследования полей, создаваемых искусственными источниками [30]. Его отличительная особенность - простая конструкция, невысокая балансировка ЧМ, низкая цена, суженный температурный диапазон. Прибор «GRADIMAG GF-01» может быть использован для поиска ВОП, он состоит из двух основных частей: блока датчиков (БД) на основе феррозондов и блока измерения и накопления (БИН), соединенного с БД посредством кабеля длиной 1,5 м. Габариты: 110х5х2 см - БД; 23х11х5 см - БИН, масса 1,2 кг; его общий вид показан на рис.23.
В приборе (измерительная база а = 1,0 м) имеется один измерительный диапазон для измерения градиента магнитного поля 0...±20000 нТл. При этом возможно масштабирование регистрации данных на графическом индикаторе в 2/4 раза в сторону увеличения разрешающей способности., цена единицы младшего разряда цифрового отсчетного устройства составляет 1 нТл, относительная точность измерений 0,1%, скорость автоматических измерений - до 10 изм./с; имеется возможность программного изменения цикла автоматических измерений. Таким образом, чувствительность прибора «GF-01» достаточно высокая - всего в 3…4 хуже, чем у FEREX 4.021. Конструкция предполагает использование в полевых условиях с некоторыми мерами осторожности, не допуская ударов по БД, что может привести к рассогласованию [31].
Рисунок 23 - Общий вид градиентометра «GRADIMAG GF-01»
Объем энергонезависимой памяти БИН для регистрации измеренных данных - 1 МБ, позволяя проводить непрерывные измерения с циклом 0,1 с и накапливать данные в течение 8 час. Передача накопленных данных осуществляется в компьютер по протоколу RS-232 со скоростью 9600 бод. Напряжение питания прибора 9…12 В постоянного тока, обеспечивается батареей типа «Крона». Предусмотрена возможность питания от сети переменного тока (~220 В, 50 Гц) при помощи стандартного сетевого адаптера. Мощность потребления от источника постоянного тока не более 0,6 Вт. Стоимость «GRADIMAG GF-01» составляет 2600 $ (2008 г.).
НПФ «Импеданс» разработал и производит градиентометр «MAGIC MF-03G» [31], который является ранней версией градиентометра «GF-01». Он представляет собой еще более компактный, но менее чувствительный «hand-held» инструмент, предназначенный для проведения научно-исследовательских, поисковых и рекогносцировочных работ как в статике, так и в движении. Магнитный измерительный преобразователь (МИП) прибора выполнен на основе 2-х феррозондов, дифференциально включенных на базе а = 0,5 м. «Жесткость» обеспечивается конструкцией немагнитной «Г-образной» штанги, на обоих концах которой установлены немагнитные штыри-упоры. БД соединен при помощи кабеля длиной 1,5 м с блоком измерения и накопления (БИН), на котором расположены все органы управления прибором и цифровое табло. Источник питания - 9 В постоянного тока (типа «Крона» или ее зарубежный аналог - «6R22»). Предусмотрена возможность питания прибора от сети переменного тока при помощи стандартного сетевого адаптера напряжением 7...12 В (мощность потребления - не более 0,3 Вт).
Результаты измерения градиента магнитного поля фиксируются на цифровом табло в единицах магнитной индукции, отнесенных к длине измерительной базы (нТл/м). Градиентометр имеет 5 измерительных диапазонов: ±2000,...±200000 нТл, цена единицы младшего разряда цифрового табло при этом соответственно составляет: 2… 200 нТл/м. MF-03G имеет аналоговый выход (0...±3 В), что позволяет использовать его в длительном непрерывном режиме измерения, например, в качестве вариационной станции. Общая масса прибора - 1,5 кг, стоимость - 1200 $ [31].
Выводы
Интересуют наши услуги?
Обращаетесь к нам
Заключаем договор
Наши специалисты обследуют объект
Вы получаете акт, согласованный с МЧС
Просто оставьте заявку прямо сейчас – наши специалисты вам перезвонят!
