ОКЕАНОЛОГИЯ, 2015, том 55, № 2, с. 337-341
МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
УДК 623.98
МАГНИТОЛОКАЦИЯ - ПЕРСПЕКТИВНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ РАЗВИТИЯ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПОИСКА ПОДВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
© 2015 г. Б. А. Нерсесов1, М. С. Афанасьев2, Э. И. Карабашева1
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва e-mail: nba1940@yandex.ru 2Институтрадиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Москва e-mail: michaela2005@yandex.ru Поступила в редакцию 15.03.2012 г., после доработки 25.11.2013 г.
Проанализированы теоретическикие аспекты создания третьего поколения поисковых магнитометров — средств пассивной локации. Разработаны практические рекомендации по оценке точностных характерисик магнитолокационных систем. Приведены данные технологии создания и технические характеристики новых твердотельных датчиков морских магнитолокаторов на основе микроразмерных гетероструктур.
DOI: 10.7868/S0030157415020124
ВВЕДЕНИЕ
Современое развитие средств морской магнитометрии требует, расширения функциональных возможностей магнитометрических средств (ММС) за счет повышения порядка измеряемого параметра магнитного поля: скаляр, вектор, градиент первого порядка, тензор второго порядка (табл. 1).
Отметим, что целевыми функциями магнитометра, использующего два пространственно-расположенных датчика магнитного поля (ДМП), являются не только обнаружение (фиксация объекта в зоне поиска), но и пеленгация (определение направления на обнаруженный объект). В настоящее время почти все эксплуатируемые ММС второго поколения имеют конструкцию магнито-градиентометра. Причем наиболее приемлемым вариантом градиентометра является расположение двух датчиков в одном буксируемом контейнере (на жесткой базе 1—2 м).
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ МАГНИТОЛОКАЦИИ
В 80-90-е годы ХХ века отечественными и зарубежными специалистами была начата разработка научных основ создания третьего поколения магнитометрических систем — пассивных локаторов ферромагнитных объектов с использованием сложной системы пространственно-распределенных датчиков магнитного поля (МП).
В основу алгоритмов магнитной локации объекта положен метод решения обратной задачи магнитостатики — определение направления г и модуля радиуса — вектора И, а также величины дипольного магнитного момента — М.
Программное же обеспечение методов магни-толокации дипольного источника предполагает повышение порядка измеряемого параметра МП от скаляра и вектора до тензора градиента магнитной индукции В, компонентами которого яв-
Таблица 1. Основные тенденции развития средств морской магнитометрии
Функции ММС Измеряемый параметр МП Тип датчика МП
Обнаружение Ортогональные составляющие вектора, модуль вектора Трехкомпонентный датчик, модульный датчик
Пеленгация Градиент первого порядка, радиус-вектор Система двух трехкомпонентных датчиков (градиентометр)
Локация Тензор второго порядка, модуль вектора магнитного момента Система девяти градиентометрических датчиков
338
НЕРСЕСОВ и др.
ПО
Рис. 1. Векторные соотношения характеристик магнитного поля диполя в режиме пеленгации.
ляются пространственные производные вектора индукции:
дВ, дВ, дВх
Б =
дх ду дг дВу дВу дВу
дх ду дг
дВг. д_В± В
дх ду дг
дВ. дВ ■ дВ
дх ду дг
Кроме того, было показано , что тензор Б симметричен т.е.:
дв1 дВ, . д} д/ и не имеет следа, т.е.
дВх дВу дВ7
■ + -
= 0.
Установлено [5, 6], что, магнитометрическая система, состоящая из системы датчиков девяти пространственных градиентов магнитного поля и измеряющей тензор 2-го порядка, позволяет определить радиус-вектор И, проходящий через точку наблюдения на обнаруженный объект, а также модуль М его магнитного момента, а также определить координаты подводного объекта (ПО).
Первое решение обратной задачи магнитометрии методом определения корней полинома шестой степени по данным измерения тензора Б было получено У. Вином в 1975 году. Однако данное решение имело два принципиальных недостатка. Оно не было однозначным и инвариантным.
Поэтому в 1980 г. Семеновым [5] были разработаны новые методы обработки информации на основе теоремы Эйлера для однородных функций. Для дипольного источника были получены следующие соотношения:
Я = - 3Бх В.
дх ду дг
Эти выводы позволили значительно упростить алгоритм определения тензора, поскольку из девяти компонент тензора Б независимыми являются только пять:
дВг,дВг,дВг. д_Вх.дВу.
дх ду дг ду ду
Однако решение обратной задачи при условии информации только об элементах тензора Б неоднозначно. Условием однозначного решения является дополнительная информация о составляющих вектора В.
При пеленгации используется магнитогради-ентометр (продольный или поперечный), состоящий из двух магнитометров с фиксированной (жесткой или гибкой) базой (рис. 1).
В режиме локации алгоритм определения местоположения дипольного объекта по постоянному МП (при его дипольной аппроксимации) предполагает измерение трех компонент вектора индукции, а также пяти его независимых пространственных производных, что позволит опре-
МАГНИТОЛОКАЦИЯ - ПЕРСПЕКТИВНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ РАЗВИТИЯ
339
В2
У
дВ. дВ. дВ
дх ду дг
Я = -3Бх В
ПО
Рис. 2. Векторные соотношения характеристик магнитного поля диполя в режиме локации.
делить дальность (модуль радиуса-вектора) и величину магнитного момента ПО (рис. 2).
Как следует из [4, 6], весьма критичным является выбор расстояний между датчиками МП -базы измерительной системы, поскольку их увеличение снижает точность вычисления пространственных производных и помехоустойчивость системы в целом. Кроме того, значительной технической проблемой при большой измерительной базе является небходимость обеспечения ее жесткости.
ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
Практическая реализация процедуры определения параметров дипольных объектов МП ставит задачу получения оценок точностных характеристик измерительных систем с учетом не только устойчивости алгоритмов, но и аппаратурных шумов и ошибок всех элементов системы, в первую очередь входного аналогового тракта.
Теоретические и экспериментальные исследования [1, 4, 6], позволили выявить главные источники ошибок, приводящих к погрешностям оценивания параметров Я и М: собственные шумы датчиков, асимметрия и разбаланс градиентометров, помехи и дифракционные искажения структуры поля источника МП.
Установлено [1], что наиболее весомый вклад в общую ошибку дает разбаланс градиентометров. Ошибки оценки величины магнитного момента ПО примерно в 6 раз превышают ошибки оценки
радиуса-вектора. Так, для определения расстояния до объекта, имеющего магнитный момент 0.1 А м2, с точностью 10% разбаланс градиентометров (при базе 0.1 м) должен быть не хуже 10.
Актуальность измерения пространственных производных МП с малой базой стимулировала создание градиентометров на основе микроразмерных технологий.
Особое внимание при разработке магнитоло-катора должно также уделяться технологии создания миниатюрного датчика как базового элемента тензорной ММС.
В табл. 2 приведены характеристики протоного (штатного) и сегнетоэлектрического (разработанного) датчиков. Их сравнительная оценка показывает перспективность использования миниатюрных датчиков в разоабатываемых магнитолокаторах.
Датчики на основе ферроэлектрических материалов представляют собой микроструктуру из пленок пьезоэлектрического (сегнетоэлектриче-ского) (ПЭ) материала и магниточувствительного материала, обладающего магнитострикционны-ми (МС) свойствами [1, 2]. Магнитоэлектрический эффект (МЭ) возникает как результат произведения свойств отдельных слоев, составляющих структуру.
Принцип действия ДМП на основе МЭ показан на рис. 3а, и 3б. При приложении к структуре внешнего магнитного поля Н возникает магнито-стрикция, что приводит к деформации пьезоэлектрических слоев. В результате этого ПЭ слои поляризуются и на их поверхностях генерируется элек-
340
НЕРСЕСОВ и др.
Н
О
(а)
МС ПЭ
V) СБИС
Н
(б)
о
МС ПЭ
Рис. 3. Принцип действия ДМП на основе гетероструктур ПЭ/МС.
(а) — на поверхности ПЭ генерируется электрическое напряжение (V) — в потенциальном режиме; (б) — на поверхности ПЭ происходит изменение частоты генерации (А!) — в токовом режиме. СБИС — сверхбыстродействующая интегральная система.
трическое напряжение (V) — в потенциальном режиме (рис. 3а) или происходит изменение частоты генерации (А!) ПЭ — в токовом режиме (рис. 3б). При этом величины (амплитуды) сигнала пропорциональны напряженности магнитного поля Н.
Проведенный цикл электрофизических и технологических исследований позволил с исполь-
зованием гетероструктур ПЭ/МС реализовать магнитоэлектрический эффект [2].
В табл. 3 приведены параметры ДМП на основе гетероструктуры ПЭ/МС (Ва8гТЮ^еВ81С).
Таким образом, разработанная технология изготовления магнитоэлектрических ДМП (на ос-
Таблица 2. Технические и эксплуатационные характеристики различных типов датчиков магнитного поля
Характеристики Протонный датчик (ММП-203М1С) Сегнето-электрический датчик
Диапазон измерений, Гц 0.2-10 10-1-103
Пороговая чувствительность, нТл 0.1 0.01
Систематическая погрешность, не более, нТл 2.5 0.5
Время одного измерения и регистрации, не более, с 3.0 0.1
Потребляемая мощность, не более, Вт 1 0.01
Габаритные размеры магнито-чувствительно-го блока, мм 140 х 72 х 960 30 х 30 х 5
Вес, г 1400 50
Диапазон рабочих температур, °С -30 .„+50 -30.+80
МАГНИТОЛОКАЦИЯ - ПЕРСПЕКТИВНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ РАЗВИТИЯ 341
Таблица 3. Основные параметры ДМП на гетероструктурах ПЭ/МС
Наименование параметра Значение параметра
Диапазон частот переменных магнитных полей, Гц 10...103
Пороговая чувствительность, Тл 10-10
Постоянная времени, с 10-4
Диапазон рабочих температур, °С ±50
Габаритные размеры, мм 25.0 х 10.0 х 1.5
Вес, г 3.0
нове микроразмерных гетероструктур сложных оксидов пьезоэлектрических и магнитострикци-онных материалов) позволяет создавать магнито-локаторы, не имеющие ограничений по энергопотреблению и массогабаритным характеристикам.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аверкиев В.А., Нерсесов Б.А., Афанасьев С.А. и др. Поисковые исследования по созданию нового поколения магнитометрических систем пассивной локации // Отчет
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.