Возможности новых магнитометрических средств обнаружения для охраны гражданских и военных объектов

Наше время диктует новые задачи по обнаружению нарушителей объектов, они обусловлены происходящими изменениями в стране, в моделях нарушителей, а также в условиях охраны, например, появлением новых границ со странами ближнего зарубежья. Прошедшая недавно выставка “Интерполитех-2005” показала, что спектр техники ТСО, предлагаемый для решения задач двойного назначения (гражданского и военного), расширяется. В связи с этим представляет интерес рассмотреть технические возможности новых отечественных изделий, и в частности, стационарных магнитометрических средств обнаружения (МСО), предназначенных для сигнализационного блокирования “открытых” протяженных рубежей объектов, государственной границы [1]. Их отличает пассивный способ действия, маскируемость (радио и визуальная), высокая помехоустойчивость вследствие направленности “действия” на ферромагнитные предметы, что позволяет, например, наиболее достоверным способом дискриминировать людей и животных - основного источника помех в других средствах.

Основными ТТХ МСО являются вероятность обнаружения нарушителя Р₀ и средняя наработка на ложную тревогу Т_л, которые определяют его сигнализационную надежность. В соответствии с международными стандартами, МСО должно обеспечивать Р₀³ 0,95 и Т_л ³ 720 час; в РФ единого стандарта не выработано, у производителей принято завышать основные ТТХ, особенно Т_л, по конъюнктурным соображениям [2].

Функционирование МСО обеспечивается практически в любом грунте без инженерной подготовки местности, при любых природно-климатических условиях (глубокий снег, растительность, потоки воды), им свойственно относительно малые энергопотребление (~ 0,5 Вт/км) и стоимость, высокая эксплуатационная надежность, ремонтопригодность и большая длина (до 700 м) зоны обнаружения (ЗО). Они не требуют технического обслуживания в течение срока службы (не менее 8 лет). С другой стороны, пассивные МСО имеют ограничения на область применения: 1) подготовленные “магниточистые” (т.е. удалившие из своей одежды и амуниции все ферромагнетики) нарушители не обнаруживаются; 2) низкая электромагнитная совместимость (ЭМС) в непосредственной близости к промышленным источникам сильных токовых электромагнитных полей. Проблема подготовленного нарушителя в той или иной степени свойственна всем без исключения СО (например, для радиолучевых - это нарушитель, ползущий в траве) и решается на путях комплексирования различных принципов обнаружения, организации нескольких рубежей охраны.

Несмотря на имеющиеся недостатки, потребность в современных МСО по сигнализационному блокированию отдельных рубежей госграницы, протяженных объектов возрастает, что обусловлено несколькими обстоятельствами:

обустройство новых протяженных границ РФ должно осуществляться посредством преимущественно маскируемых СО в соответствии с дружескими отношениями с сопредельными странами СНГ, оно должно сопровождаться минимальными инженерно-ландшафтными работами, СО должны быть, по возможности, не обслуживаемыми, всепогодными;
требование минимального потребления электроэнергии обусловлено возможным использованием СО в автономном режиме (с радиоканалом) и трудностями с раздачей питания на длинные рубежи;
модель современного нарушителя границы все более криминализируется и приобретает “вооруженный”, намагниченный вид;
применение заградительных СО зачастую нецелесообразно по многим причинам - экономическим (дорого), экологическим (естественные миграции животных).

Обычные невооруженные нарушители обнаруживаются МСО по имеющимся у них в одежде (пуговицы, змейки, ключи и пр.), обуви (гвозди, супинаторы) и амуниции (очки, портсигар, ножик, зажигалка и т.д.) ферромагнитным предметам. Однако вследствие неустойчивого распределения “полезных” ферромагнитных качеств - дипольного магнитного момента (в среднем ~ 0,03…0,05 Ам²) их обнаружение (Р₀³ 0,8) происходит на предельной высокой чувствительности, следовательно подвержены действию многочисленных индустриальных электромагнитных помех. Вооруженные нарушители, обладающие куда большим магнитным моментом (М ~ 0,06…0,6 Ам²), обнаруживаются надежно (Р₀³ 0,95), но также при обеспечении высокой чувствительности.

Согласно модели магнитометрического обнаружения [2] транспорт, обладающий магнитным дипольным моментом на 20…60 дБ больше, чем у вооруженного человека, обусловливает такое же увеличение “полезных” сигналов. Ограничивая класс объектов обнаружения только транспортом (снизив чувствительность), можно при обеспечении очень высокую Р₀, реализовав большую помехоустойчивость и более широкую область применения (приближенность к индустриальным источникам помех).

В настоящее время на отечественном рынке ТСО появилось новое МСО “Дукат”, успешно проведены его предварительные и государственные испытания, в начале 2006 г. планируется выпуск опытной партии. МСО предназначено для скрытного обнаружения транспорта (включая гужевой и велосипедистов) на подъездах к важным объектам, а также для сигнализационного блокирования протяженных участков госграницы. В нем за счет отказа от универсальности и применения импортных комплектующих удалось добиться уникально малых массогабаритов, простоты монтажа, низкой погонной стоимости ~ 7 $/м. Трудоемкость развертывания изделия на 500 м с применением ручного труда составляет в среднем не более 50 человеко-часов, с применением механизации может быть сокращена на порядок. Основные ТТХ МСО “Дукат” представлены в табл.1.

Таблица 1 - Основные тактико-технические характеристики МСО “Дукат”

Основные ТТХ	Значения
1.Протяженность участка рубежа охраны, м,	до 500
2.Вероятность обнаружения Р_отранспорта (велосипед, гужевой транспорт, мотоцикл, автомобиль), не менее	0,98
3.Средняя наработка Т_л на ложное срабатывание, час, не менее
4.Вероятность правильного определения направления Р_н, не менее	0,95
5.Ширина зоны обнаружения по автотранспорту, м, не более
6.Установка в грунт на глубину, см	25 ± 5
7. Рабочая температура, ⁰С	- 50…+ 50
8.Питающее напряжение постоянного тока, В	10…30
9.Потребляемая электрическая мощность, мВт, не более
10.Выходные сигналы “к нам”, “от нас”	твердотельное реле
11.Общая масса изделия при блокировании 500 м рубежа, кг
12.Оценочная погонная стоимость серийного изделия при блокировании 500 м рубежа, руб./ м, не более
13. Настройка изделия	не требуется

МСО “Дукат” состоит из 3-х основных частей:

одновитковый распределенный чувствительный элемент (ЧЭ) на основе провода П-274М, который поставляется в заводской упаковке, развертывается, коммутируется и герметизируется на месте применения;
блок электронный (БЭ), расположенный в герметичном контейнере, устанавливается в грунт на расстоянии не более 5 м от ЧЭ;
комплект монтажных частей (КМЧ), который обеспечивает надежное соединение и герметизацию ЧЭ, БЭ и др. на месте применения.

В процессе проверки работоспособности к БЭ стыкуется и затем отстыковывается блок контроля и индикации. Стыковка изделия с системой сбора и обработки информации (ССОИ) осуществляется с помощью узла сопряжения, герметизируемого на местности. МСО устойчиво работоспособно в условиях:

дождя, снегопада и града с интенсивностью до 30 мм/ч;
ветра со скоростью до 30 м /с;
талых вод, снежного покрова, наличия травяного покрова произвольной высоты, мелких кустов;
сезонных и естественных миграций любых животных через рубеж охраны.

Область применения МСО, в том числе в городской черте, ограничена допустимыми расстояниями до помеховых источников: электрифицированная ЖД - 300 м; энергетические узлы АЭС, ГЭС, ГРЭС, ТЭЦ - 200 м; ЛЭП напряжением 110 кВ, городской электротранспорт, неэлектрифицированная ЖД - 50 м; проезд вдоль рубежа и/или работа транспортных средств - 10 м; ЛЭП напряжением 220/380 В - 5 м, допуская пересечение линии ЧЭ.

Пониженное энергопотребление и выходные параметры обусловливают его возможное функционирование в автономном режиме с радиоканальной ССОИ. Отличительной особенностью МСО “Дукат” является отсутствие регулировок (настройки), тем самым преодолевается известный компромисс между чувствительностью и помехоустойчивостью. Другим преимуществом является высокая ремонтопригодность в полевых условиях, обеспечиваемая новой импортной технологией коммутации линий связи типа “скоч-лок” (“3M”, “Rayhem”).

По сравнению с известными изделиями, МСО обеспечивает повышенную помехоустойчивость, высокую эксплуатационную надежность, простоту монтажа, который может быть механизирован, очень низкую погонную стоимость (в ~ 10 раз меньшую, например, по сравнению с МСО “Multiguard-2000” фирмы Galdor/Secotec) и массогабариты. Однако реализованная чувствительность в МСО “Дукат” не позволяет обнаруживать людей, даже тяжеловооруженных.

Новой идеей, реализованной в устройстве, является возможность построения структуры распределенного ЧЭ так, чтобы она вбирала в себя преимущества и трехлинейных, и двухлинейных ЧЭ [2], обеспечивая определение направления движения объекта. БЭ реализуется на базе широко применяемого импортного микроконтроллера AT90Mega8535, он выполнен на конструкционной базе полиэтиленовой герметичной муфты “3М”, внутренний объем которой используется для размещения электронных узлов и элементов. Нахождение БЭ в грунте обеспечивает “военный” диапазон рабочих температур несмотря на применение обычных электронных компонентов. Герметизация осуществляется специальными уплотнителями типа “сырой” резины и полиуретановым герметиком, позволяющими добиться и простоты, и высокой надежности изделия. Штатный узел обеспечивает заземление (R £ 100 Ом), необходимое для отвода токов при грозовых разрядах.

На рис.1 показана схема МСО “Дукат” на месте применения, где:
1 - муфта оконечная (из состава КМЧ) - конец ЗО
2 - тупиковая муфта соединительная (из состава КМЧ) - середина ЗО;
3 - провод П-274М - ЧЭ;
4 - блок электронный (БЭ);
5 - кабели соединительные (из состава БЭ);
6 - очаг заземления (из состава БЭ);
7 - узел сопряжения (из состава БЭ);
8 - отсоединяемый блок контроля и индикации;
I, II, III – параллельные траншеи вдоль рубежа охраны

В изделии “Дукат” имеется потенциальная возможность передавать информацию о скорости обнаруживаемых объектов (с точностью ~ 10%) и проводить их правильную классификацию с вероятностью не менее 0,9 по принципу “малый” - “средний” - “большой” транспорт. По “малым” может подразумеваться велосипед и гужевой транспорт, “средним” - мотоцикл и легковой автомобиль, “большим” - “Газель”, грузовой автомобиль, военная техника. Проблема состоит в том, что известные периметровые ССОИ не позволяют передавать эту тактически важную информацию, необходимую для повышения эффективности действия сил охраны.

Рисунок 1 - Схема МСО “Дукат”

Другое перспективное направление разработки новых МСО, которое может иметь практический выход уже в ближайшем будущем, связано с обнаружением подводных пловцов и диверсантов в придонном слое воды на глубине, полосе прибоя или по маловодным преградам (ручьи, речки, водосбросы), где известные гидролокационные системы обнаружения неработоспособны. Решение таких задач, связанных, например, с защитой плавучих важных гражданских и военных объектов, становится более актуальным.

Для охраны прибрежных объектов со стороны воды при глубине не менее 3...4 м применяются гидроакустические системы обнаружения (при меньшей глубине вследствие переотражения сигналов от дна они практически неработоспособны). Со стороны суши, на расстоянии более 10...15 м от уреза воды, вне непосредственного действия волн прибоя, возможно использование СО (маскируемых или заградительных), устанавливаемых соответственно в грунт или на сигнализационное заграждение по периметру. Для создания непрерывного (сплошного) рубежа охраны объекта требуется “замкнуть” два протяженных рубежа (по суше и воде). Т.е. необходимо обеспечить блокирование локального рубежа, начинающегося с глубины 3 м в воде (на мелководье), и заканчивающегося на суше на расстоянии 10 м от уреза воды. В зависимости от рельефа дна и берега длина такого локального рубежа может быть различной, но маловероятно, чтобы она превышала 150…200 м.

При этом выбор подходящих СО существенно ограничен тем обстоятельством, что они должны функционировать внутри и на разделе различных сред (вода/грунт/воздух) с различными физическими свойствами, в условиях динамического воздействия прибоя, возможных приливов и отливов. Поэтому такие принципы обнаружения, как радиотехнический и инфракрасный будут, по всей видимости, неработоспособны, а вибрационные и сейсмические СО - испытывать помеховые воздействия, существенно превосходящими по величине полезные сигналы от нарушителей, что неминуемо приведет к высокой частоте ложных тревог.

Задача сигнализационного блокирования участков мелководья и побережий от проникновения подводных диверсантов, людей на малых плавательных средствах на важные объекты не является новой в ТСО. Однако в технической литературе не обнаружено прямых по назначению известных изделий, хотя, по-видимому, аналогичная задача должна была решаться в США, обладающей большим количеством военно-морских баз. Косвенным образом, для решения этой задачи могут быть приспособлены два известных зарубежных технических решения:

1) Оптоволоконная сеть в воде высотой до 10 м, укрепляемая на понтонах и грузах вдоль побережья, применяется для защиты от проникновения ПД в толще воды - изделие “F-8000” фирмы TSS (Израиль) [3]. Нарушение или сильная деформация прочного многомодового оптоволоконного ЧЭ приводит к выдаче сигнала тревоги. Однако такое решение дорогостоящее (~ 1000 у.е./м), кроме того, оно предоставляет возможность “перелаза” по верху понтона, который также нужно блокировать. В полосе прибоя или уреза воды оптоволоконная сеть неработоспособна.

2) МСО точечного типа (MINIMAGID, GSQ-180) в конце 60-х - начале 70-х годов использовались армией США для обнаружения вооруженных пловцов, в том числе проплывающих в узких каналах или даже канавах (шириной до 3…4 м), используемых для орошения земель Южного Вьетнама [ 4]. Обнаружение ПД осуществлялось по наличию у диверсантов автоматического оружия (автомат, пулемет), других ферромагнитных предметов.

Кардинальные отличия новой задачи заключаются в следующем:

размеры ЗО (мелководье может простираться до 100 м и более);

наличие нестандартной “магнитной” массы у нарушителя (акваланг, мина);

присутствие помехового источника - волнения водной среды, которое может достигать 3-х баллов (считается, что при большем волнении передвигаться затруднительно), производящего сильные сейсмические, оптические и другие помехи, которые ограничивают или исключают использование большинства типов СО;

наличие “близких” источников промышленных электромагнитных помех (например, защищаемым объектом может быть плавучая АЭС).

Магнитометрический способ, как перспективный для решения задач обнаружения объектов в воде, в технической литературе упоминается достаточно часто [ 5]. В связи с этим представляет интерес применение стационарного МСО с распределенным индукционным ЧЭ для решения вышеназванной задачи. Общефизические умозаключения, а также опыт по разработке и испытаниям различных МСО, позволяют положительно оценивать такую перспективу:

1) Нет физических ограничений на работоспособность МСО (в отличие, например, от сейсмики), основанного на регистрации изменений магнитного поля Земли, вызванных ферромагнитиками у перемещающегося нарушителей. Принцип обнаружения не претерпевает никакого изменения в трех средах образования и распространения полезных сигналов грунт, воздух, вода) вследствие их диамагнитного характера.

2) Помехообразование от прибоя носит, в основном, опосредованный, механический характер, микроскопически изменяя конфигурацию ЧЭ в МПЗ, что снижает влияние этого основного помехового фактора. Влиянием магнитного поля турбулентности волн прибоя при достижимых уровнях регистрации сигналов в первом приближении можно пренебречь.

3) Влияние вибраций ЧЭ от прибоя может быть уменьшено известными конструкционными методами.

4) Проводенные ранее натурные испытания МСО на морском побережье показали его полную функциональную работоспособность и высокую помехоустойчивость в условиях шторма до 4-х баллов и наката волны на ЧЭ.

5) Если принять естественную модель ПД в виде аквалангиста (вооруженного или невооруженного), плывущего или идущего по мелководью или по краю берега, то дипольный магнитный момент, интегрально характеризующий его “полезные” качества, будет составлять ~ 0,5...1,5 Ам² в зависимости от марки акваланга и наличия вооружения. Такая относительно большая величина позволяет надежно обнаруживать нарушителя на расстоянии 2…3 м.

Поэтому не удивительно, что на выставке “Интерполитех-2005” было анонсировано новое отечественное МСО “Нептун”, которое осуществляет сигнализационное блокирование мелководной и береговой части побережья. Оно предназначено для создания маскируемых рубежей охраны мелководных участков водной среды с целью обнаружения нарушителей, в т.ч. подводных пловцов-диверсантов, имеющих при себе ферромагнитные предметы (акваланг, автомат, магнитные мины и др.), а также в придонном слое воды на глубине до 100 м. Собственное ССОИ, предназначенное для поддержки нескольких МСО, позволяет говорить даже не о средстве, а о системе обнаружения “Нептун”. Ее испытания подтвердили ТТХ, представленные в табл.1.

Таблица 1 - Тактико-технические характеристики системы “Нептун”

Характеристика Значение

1. Вероятность обнаружения снаряженного боевого пловца Р₀, не менее 0,95

2. Дальность обнаружения, м, не менее

3. Длина охраняемого рубежа МСО, м, не менее

4. Глубина применения, м, не более

4. Количество МСО на одну ССОИ, не более

5. Напряжение питания ССОИ, В =24; ~ 220

6. Напряжение питания МСО пост. тока, В 10…30

7. Потребляемая мощность МСО, мВт, не более

8. Диапазон рабочих температур, ⁰С -50….+50

МСО состоит из кабельного ЧЭ на базе герметизированного судового кабеля СМПЭВГ-60-27х0,5 с пластмассовой изоляцией и БЭ. Кабели ЧЭ (3 шт.) укладываются на дно параллельно на расстоянии 2 м друг от друга в произвольном месте водного рубежа. БЭ устанавливается в грунт или на дно. Связь БЭ и ССОИ (устанавливаемой на берегу) осуществляется посредством кабельной линии.

На рис.2 представлен разрез рубежа охраны. ЧЭ МСО “Нептун” длиной до 200 м, начиная с места вблизи конечного элемента гидроакустической “косы”, укладывается на дно мелководья и под собственным весом, дополнительно используя крепежные блоки, фиксируется. Вблизи уреза воды (начиная с глубины ~ 1 м и менее), в зоне возможного отлива, ЧЭ зарывается и фиксируется бетонными блоками, проходит по дну и в грунте до места стыковки со стационарным СО, блокирующим сухопутный рубеж объекта. Здесь он коммутируется с БЭ, к которому подходит линия связи от ССОИ.

Рис. 2. Рубеж охраны береговой полосы объекта

Нарушитель с аквалангом или оружием, пытающийся преодолеть рубеж по мелководью - вплавь или шагом, по суше - ползком, шагом или бегом (диапазон возможных скоростей движения 0,3...3 м/с), вызовет локальное низкочастотное изменение магнитного поля - полезный сигнал, который будет зарегистрирован и дискриминирован как событие вторжения, с выдачей информации на ССОИ.

На рис.3 показан вариант конструкции кабельного ЧЭ. Герметичные оконечные коммутационные муфты с помощью специальных разъемов связаны со стыкуемым кабелем, формируют 13-витковый дифференциальный распределенный индукционный датчик с базой а = 2 м; на месте применения осуществляется коммутация кабелей ЧЭ друг с другом и с БЭ.

Рис. 3. Вариант конструкции ЧЭ МСО "Нептун"

Работа по созданию МСО “Гарпун-М”, предназначенного для охраны водных рубежей важных объектов, вышла на заключительную стадию и должна завершиться в 2006 г. В настоящее время существуют опытные образцы, успешно прошедшие натурные испытания, в т.ч. на море.

Возможной областью применения изделия “Нептун” является блокирование относительно больших водопропусков важных объектов. При определенной доработке, изделие может быть использовано при блокировании водных преград (до 3-х м глубиной на госгранице - речек, ручьев, озер и т.д