Разработка алгоритма обнаружения закладных устройств в железнодорожном транспорте тепловым методом

Министерство транспорта Российской Федерации Федеральное агентство железнодорожного транспорта Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС) Кафедра «Вагоны и вагонное хозяйство»

Разработка алгоритма обнаружения закладных устройств в железнодорожном транспорте тепловым методом Омск 2012

Реферат

Пояснительная записка содержит 59 стр., 14 рис., 9 табл., 14 источников.

Тепловидение, теплопроводность, тепловизор, обнаружение закладного устройства под железнодорожным полотном, метеорологические условия.

Целью работы является разработка метода обнаружения закладок в грунте путем анализа теплового поля.

В ходе работы был проведен анализ существующих типов закладных устройств и способов их обнаружения, также была построена модель для расчета теплового поля поверхности земли.

Найден временной интервал в течение суток, когда тепловой контраст на поверхности земли максимален.

Содержание Введение

1. Закладные устройства и способы их обнаружения

1.1 Демаскирующие признаки взрывных устройств

1.2 Методы обнаружения закладных устройств

2. Тепловой вид неразрушающего контроля

2.1 Теплофизическое описание дефектов

2.2 Тепловой метод обнаружения мин и устройство для осмотра минных полей

2.3 Область применения тепловидения

2.4 Анализ развитой модели ТК (на примере обнаружения заглубленных мин)

3. Описание теплового метода обнаружения закладок

3.1 Математическая модель

3.2 Описание численного метода

4. Метеоусловия влияющие на проведение исследования

4.1 Приборы, используемые для проведения исследования

5. Описание расчетов

6. Экономический расчет

6.1 План проведения

6.2 Расчет стоимости научно-исследовательских работ

7. Безопасность жизнедеятельности

7.1. Организационная структура СУОТ на предприятии

7.2 Анализ и оценка уровня безопасности оборудования и технологических процессов

7.3 Планирование и прогнозирование по охране труда

7.4 Коэффициенты безопасности труда Заключение Библиографический список Введение

Цель работы: Разработка метода обнаружения закладных устройств в железнодорожном полотне путем анализа теплового поля.

Основные задачи работы:

1 Обзор видов закладных устройств и способов их обнаружения.

2 Анализ алгоритма.

3 Численная формулировка задачи.

4 Нахождение временного интервала в течение суток, когда тепловой контраст на поверхности земли максимален.

На рубеже XX и XXI веков мировая цивилизация столкнулась с новыми террористическими угрозами и вызовами, как на глобальном, так и на национальном уровне. Участились случаи террористических актов и крупных диверсий, выполняемых с использованием транспортных средств в качестве оружия.

Все, что связано с терроризмом и безопасностью, обсуждается с большим энтузиазмом, на разных уровнях, с различным итоговым результатом. Это бесспорно необходимо и актуально, но при этом необходимо понимать, что проблемы безопасности требуют тщательного исследования, изучения и анализа с обязательным прогнозированием итогового результата. Безопасность на железнодорожном транспорте должна сопровождаться диагностикой с помощью известных методов и средств исследования.

Сегодня мины — одна из самых больших опасностей в мире, которая со временем только усугубляется: на одну найденную и обезвреженную мину приходится два десятка вновь установленных. По оценкам ООН, наша планета хранит 100 — 120 миллионов (!) противопехотных мин. Ежемесячно их жертвами становятся 500 — 800 человек, каждый третий пострадавший — ребенок. По мнению экспертов, при использовании существующих технологий на разминирование всей планеты потребуется около тысячи лет и до ста миллиардов долларов. А на каждые 5 000 обезвреженных мин придется один погибший и двое покалеченных саперов.

В настоящее время на железной дороге обострилась проблема обнаружения закладных устройств. Противотранспортные мины предназначены для минирования автомобильных, железных дорог, аэродромов. Заряд мины может быть рассчитан не только на поражение транспортных средств, но и на разрушение дороги. Закладку устанавливают внутри разрушаемого объекта в специальных минных колодцах (камерах) или грунте, а взрываются от воздействия проходящего транспорта на ее реагирующий орган.

Методы, определяющие настоящее и будущее проблемы поиска мин в железнодорожном полотне, основываются на различных физических, химических и биофизических принципах. Нетрудно предположить, что наиболее информативным инструментом, позволяющим создавать эффективные диагностические технологии, методики и высокочувствительную аппаратуру, является интроскопия (внутривидение). Интроскопия обеспечивает достоверную регистрацию диагностических информационных параметров объектов поиска мин на фоне помех, генерируемых укрывающими средами. К укрывающим средам относятся грунты различного состава и влажности: растительность, снег, лед, строительные конструкции (бетон, железобетон, дерево и т. п.).

Тепловой метод обнаружения устройств не предполагает столь активного воздействия на обследуемую поверхность. Таким образом, он является пассивным и не может стать причиной активации защиты закладного устройства.

Тепловой метод обнаружения закладных устройств универсален и может быть использован для поиска закладных устройств любого материала, независимо от их состава. Для оценки возможности обнаружения той или иной неоднородности требуется разработать математическую модель взаимодействия тепловых потоков в железнодорожном полотне с закладным устройством.

Новизна работы: Новизна работы заключается в том, что в открытых источниках не было обнаружено детальных разработок такого рода. Возможно, такие работы ведутся, но они не разглашаются.

1. Закладные устройства и способы их обнаружения

1.1 Демаскирующие признаки взрывных устройств Известные и применяемые в настоящее время мины подразделяются:

а) по тактическому назначению на: противотанковые, противотранспортные (дорожные), противопехотные, объектные и специальные (противодесантные, мины-ловушки, мины-сюрпризы и т. п.);

б)по материалу корпуса на: металлические, неметаллические (пластмасса, дерево), бескорпусные (штампованная взрывчатка);

в)по уровню установки на: подвешенные (установленные выше человеческого роста, на башнях танков, кабинах автомобилей); устанавливаемые на поверхности земли, зарытые в землю (вмонтированные в строения или технические объекты); устанавливаемые на дне водоемов, плавающие в воде.

Особо опасными из-за многочисленности и многообразия, а также по причине сложности в обнаружении являются противопехотные мины.

Противопехотные мины поражают живую силу противника ударной волной (фугасные мины) или разлетающимися из корпуса мины заранее приготовленными осколками в виде шариков, цилиндров, стрел или осколками, образующимися за счет дробления корпуса (осколочные мины).

В качестве противопехотных мин иногда используют артиллерийские снаряды, приспособленные для взрывания. Противопехотные мины используют также для устройства «мин-сюрпризов», «мин-ловушек» .

Противотранспортные мины предназначены для минирования автомобильных, железных дорог, аэродромов. Заряд мины может быть рассчитан не только на поражение транспортных средств, но и на разрушение дороги. Мины устанавливаются в боевое положение через определенное (заданное) время, а взрываются от воздействия проходящего транспорта на ее реагирующий орган.

Объектные мины предназначены для разрушения мостов, тоннелей и других сооружений. Их устанавливают внутри разрушаемого объекта в специальных минных колодцах (камерах) или грунте (см. рисунок 1.1). Специальные мины-боеприпасы имеют узкоцелевое назначение (магнитные, сигнальные мины и др.).

В общем случае взрывное устройство (ВУ) содержит взрывчатое вещество (ВВ) в количестве от нескольких десятков граммов до сотен килограммов. К демаскирующим признакам ВУ относятся: наличие ВВ в конструкции взрывного устройства; наличие локальной массы металла (зачастую характерной формы); присутствие антенны с приемным устройством у радиоуправляемых ВУ; наличие часового механизма или электронного таймера (временной замедлитель); наличие проводов или проводных линий и другие конструктивные особенности его исполнения.

Рисунок 1.1 — Пример установки мины под железнодорожное полотно В общем случае взрывное устройство (ВУ) содержит взрывчатое вещество (ВВ) в количестве от нескольких десятков граммов до сотен килограммов. К демаскирующим признакам ВУ относятся: наличие ВВ в конструкции взрывного устройства; наличие локальной массы металла (зачастую характерной формы); присутствие антенны с приемным устройством у радиоуправляемых ВУ; наличие часового механизма или электронного таймера (временной замедлитель); наличие проводов или проводных линий и другие конструктивные особенности его исполнения.

Что касается главной компоненты ВУ — заряда, то его демаскирующие признаки определяются основными физико-химическими свойствами ВВ. К ним можно отнести: запах, плотность, коэффициенты диэлектрической и магнитной проницаемости, химический состав, сечения взаимодействия с ионизирующими излучениями, характеристические линии испускания и поглощения электромагнитного излучения.

В настоящее время известно несколько сотен типов химических ВВ, одним из важных демаскирующих признаков которых является плотность.

В зависимости от состояния вещества плотность ВВ может варьироваться в довольно широких пределах. Так, плотность гексагена может изменяться от 0,8 г/см³ (порошок) до 1,73 г/см³ (спрессованное вещество). ВВ могут быть смешаны со многими органическими и неорганическими материалами (наполнителями типа ваксы, растительного масла, алюминия), чтобы придать им новые, маскирующие черты (цвет, среднюю плотность, химический состав). В таком виде они могут быть легко закамуфлированы или сформированы в виде тонких листов или футляров. Чтобы избежать последствий высокой летучести определенных ВВ, они могут быть герметически упакованы.

Другой важный демаскирующий признак ВВ — химический состав. В состав широко распространенных взрывчатых веществ входят водород, углерод, азот и кислород.

ВВ характеризуются высоким содержанием азота, в несколько раз превышающим аналогичные величины для безвредных материалов (шелк, полиуретан, нейлон и т. п.). Кроме того, отношения между концентрациями кислорода и азота, а также углерода и азота находятся в довольно узких пределах: кислород/азот = 0,9… 3,4; углерод/азот = 0,44… 2,0.

Практически все ВВ содержат кислород и топливо в одной и той же молекуле. Поэтому взрывчатые вещества обычно не нуждаются в притоке кислорода извне и способны взрываться в атмосфере азота, в вакууме, в земле, в космосе.

Демаскирующие признаки ВВ несут определенный объем информации о наличии взрывчатки в объекте контроля. Объем регистрации такой информации и эффективность ее обработки на основе выбранных алгоритмов определяется функциональными возможностями применяемых аппаратурных средств поиска и досмотра. По мнению многих специалистов, практически единственным надежным способом выявления ВВ в объекте контроля является использование методов и принципов построения стационарных постов проверки пассажиров, ручной клади и багажа.

Однако представляется, что будущее в предотвращении незаконного провоза ВВ именно за массовыми стопроцентными проверочными мероприятиями, проводимыми как гласно, так и конспиративно, в зависимости от ситуации и оперативной обстановки. Повышение эффективности и результативности контроля может быть достигнуто путем применения новой, более совершенной техники в тесной связи с оперативными и аналитическими мероприятиями.

Чувствительность технических средств (ТС) для обнаружения следовых количеств ВВ обеспечивает надежную регистрацию тридцати различных видов взрывчатки. Переносные и стационарные ТС обладают близкими характеристиками. Они требуют отбора газообразных проб и микрочастиц с поверхности обследуемого объекта путем отсоса воздуха окружающей среды и предназначены для использования персоналом, не имеющим специального образования и навыков работы с аналитическим оборудованием.

Но достоинства такой аппаратуры и ее исключительная полезность для служб безопасности ответственных объектов могут оказаться малоэффективными в случае применения несложных приемов укрытия ВВ. Например, ВВ может быть помещено в пластмассовую упаковку, что исключает возможность его регистрации «электронным носом», так как требуется слишком большое время для диффузии молекул на поверхность упаковки. Более того, в этом случае малоэффективными окажутся металлоискатели и радиоволновый метод. Нетрудно предположить, что революционный прорыв в создании ТС обнаружения ВВ могут обеспечить только перспективные физические методы.

1.2 Методы обнаружения закладных устройств В настоящее время разработаны методы и производится достаточно широкий спектр технических средств, предназначенных для поиска взрывчатых веществ и взрывоопасных предметов (ВОП).

При обнаружении мины главная проблема состоит в распознавании полезного сигнала (от мины) на фоне многочисленных помех от неоднородностей окружающей среды и различных включений.

Среди технических средств, применяемых для разминирования мин, наибольшее распространение получил индукционный миноискатель, способный обнаруживать несколько граммов металла, содержащегося в минах с неметаллическими корпусами. Однако высокая чувствительность миноискателя приводит к тому, что на одну обнаруженную мину приходится до 100 — 1000 ложных сигналов, источниками которых становятся осколки и пули, находящиеся в земле. Это делает практически невозможным дальнейшее использование прибора и заставляет сапера взять в руки саперный щуп и сантиметр за сантиметром прощупывать впереди себя почву. Щуп — это металлический, заостренный стержень, при помощи которого зондируют (прокалывают) почву или снег с целью обнаружения мин. Щупом можно обнаружить как металлические, так и другие мины. Также для обнаружения мин используют стетоскопы, назначение — определять наличие мин с часовыми механизмами. Стетоскоп дает возможность обнаружить мину в земле на глубине до 50 см; в снегу до 60 см. К недостаткам такого обнаружения мин является: малая площадь контролируемого объекта и человеческий фактор. Почва, как правило, покрыта травой или кустарником, что еще больше снижает темп поиска мин и увеличивает риск работы сапера. Для поиска мин используются также специально натренированные собаки, однако время уверенной работы собаки не превышает 30 — 50 мин, после чего надежность поиска резко падает.

На сегодняшний день известно небольшое число проектов по созданию устройств для поиска мин, основанных на различных методах обнаружения. Одним из таких методов является магнитометрический метод, который позволяет зафиксировать пространственные искажения магнитного поля Земли, создаваемого ферромагнитным объектом поиска. Обнаружение диэлектрических (пластмассовых, деревянных и т. п.), а также диамагнитных (дюралюминий, золото, серебро, бронза и т. п.) объектов с использованием этого метода невозможно. Однако обнаружение локальных ферромагнитных объектов (из чугуна, стали, железоникелевых сплавов и др.) возможно практически в любых естественных укрывающих средах (глинистых и песчаных грунтах, пресной и морской воде, льдах и т. д.) на значительных глубинах. В то же время использование переносной аппаратуры на основе этого метода затруднено из-за мешающего влияния стальных элементов конструкций.

Радиоволновой метод и аппаратурные средства на его основе позволяют обнаруживать практически все типы мин и взрывных устройств, а также выявлять любые диэлектрические аномалии и пустоты в грунте на глубинах 150…200 мм. Основной недостаток этого метода — значительное число ложных срабатываний, что резко снижает темп поиска, ограничивая производительность — 80… 100 м²/ч, требует допроверки результатов поиска техническими средствами, основанными на другом методе вплоть до механического зондирования. Эффективность радиоволнового метода значительно снижается влиянием растительного покрова и неоднородностью почвы. Вообще характеристики почвы, включаемые в качественный анализ процесса поиска мин, представляют собой функцию волновой частоты и зависят от типа почв и материалов, составляющих преграду. Кроме того, неровность поверхности почвы, неоднородность ее структуры, форма препятствий влияют на количественные характеристики информации об объекте поиска. Поскольку заминированные участки, как правило, в течение нескольких лет остаются неприкосновенными, они зачастую покрыты плотным слоем растительности, что мешает использовать поисковую аппаратуру, располагая ее вблизи поверхности почвы, снижает интенсивность принимаемого сигнала и усложняет идентификацию объекта поиска.

Существует еще один метод, основанный на регистрации гармоник в спектре отраженного СВЧ-сигнала. Нелинейный метод эффективен при дистанционном поиске мин и взрывчатых веществ, содержащих электронные компоненты (электронные взрыватели, сейсмические, ПК и акустические таймеры и т. п.). Однако мины с обычными механическими взрывателями им не обнаруживаются.

При обнаружении мины главная проблема состоит в распознавании полезного сигнала (от мины) на фоне многочисленных помех от неоднородностей окружающей среды и различных включений.

Тепловой метод обнаружения не предполагает столь активного воздействия на обследуемую поверхность. Таким образом, он является пассивным и не может стать причиной активации защиты закладного устройства. С помощью тепловидения можно определить различия в интенсивности инфракрасного излучения с поверхности объекта. Эти различия вызваны разницей в содержании тепла в объекте или его разных частях, на которые дополнительно влияют показатели эмиссионной способности поверхности. Когда неоднородная структура, имеющая различные температурные характеристики (обычно находящиеся в термическом равновесии с окружающей средой), подвергается тепловой стимуляции, разница температур отмечается в структуре так же, как и на ее видимых поверхностях.

Тепловой метод все большим количеством специалистов квалифицируется как наиболее информативный, обеспечивающий одновременно высокую чувствительность, достоверность и производительность поиска. Этот метод может быть использован для поиска закладных устройств любого материала, независимо от их состава. Однако этот метод требует разработки диагностических технологий, методик поиска и создания алгоритмов обработки информации, исключающих влияние помех, обусловленных неоднородностью верхнего слоя грунта и растительности.

2. Тепловой вид неразрушающего контроля (ТНК) Температура, как количественный показатель внутренней энергии тел, является универсальной характеристикой объектов и процессов физического мира, в котором непрерывно происходит генерация, преобразование, передача, накопление и использование энергии в ее различных формах. Анализ тепловых процессов (температурных полей, потерь тепла ит.п.) позволяет получить разнообразную информацию о состоянии объектов и протекании физических процессов в природе, энергетике, строительстве, промышленности и медицине.

Тепловой вид НК основан на регистрации изменений тепловых и температурных полей контролируемого объекта.

В тепловом неразрушающем контроле используется тепловая энергия, распространяющаяся в объекте контроля (ОК). Температурное поле поверхности объекта является источником информации об особенностях процесса теплопередачи, которые, в свою очередь, зависят от наличия внутренних или наружных факторов (наличие полостей, инородных включений и т. д.), всевозможных отклонений физических свойств объекта, наличия мест локального нагрева — охлаждения и т. п. 1]

Основной характеристикой температурного поля, являющегося индикатором дефектности, служит величина локального температурного перепада, зависящая от внешних и внутренних факторов. К внешним факторам можно отнести характеристики теплообмена на поверхности ОК: величина коэффициента конвективной теплоотдачи, мощность источника нагрева, теплопроводность, теплоемкость, скорость перемещения источника нагрева вдоль объекта контроля. К внутренним факторам относятся теплофизические свойства ОК и дефекта, их геометрические размеры.

Основным информационным параметром при ТНК является разность температур между дефектной и бездефектной областью ОК.

Процесс переноса тепла в среде за счет теплопроводности и конвекции характеризуется дифференциальным уравнением [2]

(2.1)

где — коэффициент температуропроводности, характеризующий скорость распространения температуры в пространстве, м²/с;

— теплоемкость вещества, равная количеству тепловой энергии, необходимой для нагрева 1 К единицы массы вещества, Дж/кгК;

— коэффициент теплопроводности, показывающий способность тел передавать теплоту, Вт/м²;

— плотность вещества, кг/м³;

— плотность теплового потока, Вт/м²;

— время;

— координаты температурного поля;

— составляющие скорости движения компонентов системы по координат .

В результате решения уравнения с использованием граничных условий и условий непрерывности потока и сохранения массы можно определить распределение температур на ОК в зависимости от его формы, размеров, наличия дефектов. [3]

Существует три способа передачи тепловой энергии от более нагретого к менее нагретому телу:

— теплопроводность (молекулярный перенос теплоты на микроуровне за счет передачи изменения интенсивности колебаний от молекулы к молекуле);

— конвекция (перенос теплоты перемещающимися в пространстве частицами вещества) — для жидкостей и газов;

— тепловое излучение (передача теплоты испускания коротких электромагнитных волн частотой от 310¹¹ до 410¹⁴ Гц).

Плотность теплового потока в твердом теле между точками с различной температурой и подчиняется закону Фурье:

в интегральном выражении:, (2.2)

в дифференциальном выражении:. (2.3)

Следовательно, коэффициент теплопроводности, выраженный в Вт/(мК), определяет плотность теплового потока в твердом теле при градиенте температуры, равном единице, и характеризует режим стационарного теплообмена, поскольку в размерности величины отсутствует время.

Конвекция означает перемешивание теплых и холодных слоев газа или жидкости. Охлаждение (или нагрев) поверхности тела газом или жидкостью описывается законом Ньютона:

(2.4)

где — коэффициент конвективной теплоотдачи, называемый в общем случае коэффициентом теплообмена;

и — соответственно температуры поверхности тела и среды (жидкой или газообразной).

На рисунке 2.1 эти температуры обозначены через Т_п и Т_с. Определение не является столь строгим как в случае, так как этот параметр описывает не столько материал, сколько взаимодействие двух разнородных сред (геометрию).

Рисунок 2.1- Механизмы теплопередачи Излучение есть поток квантов электромагнитного излучения, которое испускается всеми физическими телами с температурой выше абсолютного нуля (0 К).

В интегральном выражении плотность радиационного излучения описывается законом Стефана-Болъцмана, который для теплообмена между двумя телами с температурами и (>) имеет следующий вид:

(2.5)

где — плотность результирующего теплового потока;

— постоянная Стефана-Больцмана (Вт/(мК⁴);

— геометрический фактор;

— приведенный коэффициент излучения.

Теплообмен между теплым объектом T_s и холодной окружающей средой T_amb происходит путем конвекции и излучения:

(2.6)

Формулы (2.4) и (2.6) становятся идентичными, если ввести комбинированный коэффициент теплообмена с окружающей средой:

(2.7)

Значение зависит от формы объекта и его ориентации в пространстве, а также от разницы температур T_s — Т_атЬ.

2.1 Теплофизическое описание дефектов Внутренние дефекты искажают регулярное течение тепловых потоков в объекте контроля и соответственно приводят к локальным температурным аномалиям, которые передаются через материал объекта на его поверхность, где регистрируются аппаратурой теплового контроля (ТК) в виде температурных сигналов. [4]

Внутренние дефекты различного вида описываются различными граничными условиями. Если дефект моделируют слоем инородного материала, например, газонаполненным промежутком между слоями композита, на границе тело — дефект имеют место условия неразрывности теплового потока и температуры:

(2.1.1)

При введении условий (2.1.1) необходимо решать дифференциальное уравнение теплопроводности не только в основном материале, но также и в дефекте, «сшивая» решения на границе дефект — основной материал. При этом распределение температуры в объекте контроля будет зависеть от теплопроводности и температуропроводности (теплоемкости) дефекта.

Теплоемкость дефекта может существенно влиять на величину температурного сигнала и его временное развитие в ходе нагрева — охлаждения, если она сопоставима с теплоемкостью объекта контроля (в двусторонней процедуре ТК) или слоя материала над дефектом (в односторонней процедуре). Такие дефекты иногда называют емкостными. Емкостными дефектами являются противопехотные мины, размещаемые в почву на глубину до 10 см.

Влияние теплоемкости дефекта также может быть заметным в случае обширных неглубоких расслоений в композиционных материалах. Емкостной характер дефекта ответствен за так называемую инверсию температурного сигнала, когда дефектная область над низкотеплопроводным (воздушным) дефектом в односторонней процедуре ТК становится холоднее бездефектных областей, т. е. < 0.

Если теплоемкостью дефекта можно пренебречь, то его основной теплофизической характеристикой является тепловое сопротивление. Такие дефекты часто называют резистивными. На границах резистивных дефектов температура изменяется скачкообразно, а тепловой поток остается неразрывным:

;, (2.1.2)

где и обозначают переднюю и заднюю поверхность дефекта.

В зоне контакта двух шероховатых материалов возникает «контактное тепловое сопротивление». Модели ТК с резистивными дефектами имеют более простой вид и часто используются при разработке алгоритмов тепловой дефектометрии.

2.2 Тепловой метод обнаружения мин (ТМОМ) и устройства для осмотра минных полей Различают пассивный и активный тепловые методы обнаружения мин. При пассивном ТМОМ анализ тепловых полей производят в процессе их естественного состояния. Активный ТМОМ предлагает нагрев объекта внешним источником энергии. Основной характеристикой температурного поля, являющейся индикатором мин, служит величина локального температурного перепада. Координаты места перепада, его рельеф или, иными словами, топология температурного поля и его величина являются функцией большого количества факторов. Эти факторы можно подразделить на внутренние и внешние. 4]

Внутренние факторы определяются теплофизическими свойствами контролируемого объекта, а также его геометрическими параметрами. Они определяют временные параметры процесса теплопередачи, в основном, процесса развития температурного перепада. Внешними факторами являются характеристики процесса теплообмена на поверхности объекта контроля (чаще всего коэффициент конвективной теплоотдачи), мощность источника нагрева и скорость его перемещения вдоль объекта контроля.

Основным информационным параметром при ТМОМ является локальная разность температур между объектом и фоном. В каждом конкретном случае следует оптимальным образом выбирать момент регистрации t_m температурного перепада. Величина t_m зависит от теплои температуропроводности изделия и почвы, а также глубины залегания мины. Момент времени наступления максимального перепада и глубина залегания обычно связаны линейной зависимостью, причем угол наклона соответствующей прямой зависит от теплофизических свойств изделия и грунта. Чем больше теплопроводность изделия, тем меньше величина t_m. В зависимости от типа материала и глубины залегания мины величина t_m для металлов колеблется от долей до десятков секунд, для неметаллов t_m может составлять десятки минут. Увеличение мощности нагревателя и уменьшение интенсивности теплообмена приводит к росту уровня нагрева изделия и лучшему выявлению мин.

В основе аналитического решения задач активного теплового контроля лежит уравнение теплопроводности.

Для решения уравнения используют граничные условия, а при конвективном теплообмене — условие непрерывности потока и сохранения массы. Граничные условия задают, например, в виде известного распределения температур или тепловых потоков.

Существуют следующие способы активного теплового контроля изделий:

1. По истечении некоторого времени (чтобы зона контроля успела остыть) переходят к следующей точке и т. д. Так будет пройдена вся поверхность, причем измеренная температура областей с минами будет существенно отличаться от температуры участков без мин.

2. С использованием сканирующей системы, состоящей из жестко закрепленных друг относительно друга источника нагрева и регистрирующего прибора (например, радиометра), перемещающихся с постоянной скоростью вдоль поверхности образца.

3. Одновременный нагрев поверхности образца вдоль некоторой линии с последующей регистрацией температуры вдоль этой же линии (при одностороннем контроле) или вдоль аналогичной линии с противоположной поверхности образца (при двустороннем контроле). Подобная регистрация может быть осуществлена, например, прибором термопрофиль.

4. Одновременный нагрев всей поверхности образца и последующая регистрация температурного распределения на этой же или на противоположной поверхности. Подобный способ контроля может быть осуществлен при помощи тепловизора.

Эффективность каждого из описанных способов теплового контроля уменьшается (от первого к четвертому), а производительность возрастает.

Бесконтактные методы теплового контроля основаны на использовании ИК-излучения, испускаемого всеми нагретыми телами. ИК-излучение занимает широкий диапазон длин волн 0,76… 1000 мкм. Спектр, мощность и пространственные характеристики этого излучения зависят от температуры тела и его излучаемой способности, обусловленной, в основном, его материалом и микроструктурными характеристиками излучающей поверхности. Например, шероховатые поверхности излучают сильнее, чем зеркальные. При повышении температуры мощность излучения быстро растет, а ее максимум сдвигается в область более коротких длин волн. Спектр излучения может быть непрерывным или дискретным.

Характер спектра зависит, в основном, от агрегатного состояния вещества. Для твердых и жидких тел, как правило, характерны непрерывные спектры излучения, а для газообразных — линейные, которые при больших давлениях или больших толщинах чаще переходят в непрерывный.

Объекты ТМОМ весьма многообразны. Они различаются по физической сущности, положению в пространстве, связи с антропогенной деятельностью и другим свойствам. Основной признак, определяющий возможности ТМОМ — характер формирования регистрируемого теплового контраста.

Принципиально возможно существование двух видов объектов, которые условно можно назвать температурнои радиационно-контрастными. Первые выделяются из-за различия термодинамических температур объекта и фона, а вторые — различием коэффициентов излучения. Естественно, что в первом случае контраст может быть зарегистрирован как дистанционно, так и при непосредственном измерении. Во втором случае возможна только дистанционная регистрация.

Формирование теплового поля температурно-контрастных объектов в первую очередь определяется основным источником нагрева. По этому признаку можно выделять объект с внешним источником и с внутренним. Внешним источником теплоты является Солнце, за счет излучения которого происходит нагрев земной поверхности, а внутренними (не связанными с солнечным нагревом) могут быть как природные (например, очаги возгорания), так и антропогенные (например, подземные теплопроводы) источники. Хотя солнечное излучение определяет распределение температур земной поверхности, для тепловой диагностики главную роль в формировании тепловой аномалии играют внутренние источники.

В целом температура почвы и образований на ее поверхности (руины зданий, обломки других техногенных сооружений, следы селевых потоков и т. д.) определяется как свойствами этих объектов и активного слоя почвы (тепловая инерция, геотермальный поток, альбедо, экспозиция), так и соотношением между составляющими теплового баланса (радиационный баланс, турбулентный обмен, испарение).

Заметно понижает температуру объектов ветер. В частности, в местах, защищенных от ветра, наблюдаются ветровые аномалии (локальный перегрев почвы). Это позволяет увереннее проводить поиск.

Методы измерения теплофизических характеристик основаны на анализе температурного отклика объекта Т (х, y, z, t) на тепловое воздействие в специально оговариваемых условиях (х, у, z — декартовы координаты; t — время). Теория теплопроводности позволяет аналитически определять эту функцию. [5]

Контактные средства измерения температуры, главным образом термоэлектрические, применяются только при калибровке инфракрасной аппаратуры дистанционного обнаружения мин для коррекции характеристик излучаемой способности грунтов.

Тепловизионная аппаратура. Преобразователи с оптико-механическим сканированием (ПОМС) используют главным образом на средневолновом участке ИК-спектра (2 … 15 мкм) для анализа собственного теплового излучения объектов. Принцип действия тепловизора заключается в просмотре по заданному закону движения поверхности объекта узким оптическим лучом, сформированным системой объектив — приемник. Тепловизоры имеют черно-белые или цветные видеомониторы и устройства аналоговой и цифровой обработки изображения. Термограммы регистрируют с помощью фотокамер и аналоговых видеомагнитофонов. В последнее время широко применяют тепловизионные системы с блоками цифровой памяти, имеющие интерфейс и работающие в комплексе с ПЭВМ.

ТМОМ строят на основе трех вариантов тепловой ИК-съемки: воздушной, наземной и водной. При любом варианте выполнения тепловой ИК-съемки, как и при всех видах дистанционных методов исследований, в состав комплекса работ входят непосредственные наземные исследования. Синхронные наземные исследования проводятся на эталонных площадках с целью получения фактических значений параметров среды на момент дистанционной регистрации теплового поля. Эти данные используют при интерпретации тепловых изображений, главным образом при количественной оценке состояния объектов наблюдения.

Основные технологические вопросы — это вопросы, связанные с выбором оптимальных условий, режима и технических параметров съемки. Условия включают время суток (солнечное время), сезонную и отчасти метеорологическую обстановку.

Солнечное излучение является основным фактором, определяющим регистрируемый контраст мин. Для выявления таких объектов необходима двукратная съемка, выполняемая в дневное и ночное время.

Для объектов с внутренним источником нагрева (теплотрассы вдоль минных полей и т. д.) наиболее информативна ночная съемка. Время суток мало влияет на величину регистрируемых контрастов, однако им определяются неоднородности теплового поля фоновой поверхности. В светлое время суток распределение температур, обусловленное различиями в составе верхнего слоя грунта и его влажности, в состоянии земной поверхности (особенно ее покрытия) и в рельефе, маскирует тепловые аномалии, связанные с большинством объектов наблюдения с выходом нагретого вещества на дневную поверхность (например, аварийные утечки из тепловых сетей, неглубокие очаги возгорания).

Сезонное время для проведения ТМОМ выбирают с учетом как времени возникновения объектов наблюдения (или критического изменения их состояния), так и оптимальных условий проявления объектов. Важен учет факторов с изменением влажности почв, грунтов, оптимальный период приходится на июнь-сентябрь. В наибольшей степени на условия съемки влияют такие параметры метеорологической обстановки, как температура воздуха, скорость ветра, осадки, облачность и состояние атмосферы.

Выделение объектов наблюдения на тепловых изображениях производится по совокупности дешифрованных признаков, основные из которых — яркостный контраст, пространственная характеристика и конфигурация тепловой аномалии.

Анализ тепловых динамических изображений (хронотермограмм) позволяет точнее выявлять подповерхностные аномалии теплофизических характеристик объектов, обнаруживать изменения плотности пород, зоны повышенного влагосодержания, наличие пустот и т. д.

ИК-изображения могут регистрироваться (даже при отсутствии температурных перепадов на объекте) только за счет различий в излучаемой способности его деталей. Например, в предрассветные часы, когда температурные различия на почве практически выравниваются, тепловизор четко выделяет металлические предметы в силу их малой, по сравнению с фоном, излучаемой способности.

2.3 Область применения тепловидения

Тепловидение — получение видимого изображения объектов по их собственному, либо отражённому от них тепловому (инфракрасному) излучению. Тепловизор служит для определения местоположения и формы объектов, находящихся в темноте или в оптически непрозрачных средах, а также для изучения степени нагретости отдельных участков сложных поверхностей и внутренней структуры тел, непрозрачных в видимом свете.

Каждое нагретое тело испускает тепловое излучение, интенсивность и спектр которого зависят от свойств тела и его температуры. Для тел с температурой несколько десятков градусов характерно излучение в инфракрасной области спектра электромагнитных колебаний. Инфракрасное излучение невидимо для человеческого глаза, но может быть обнаружено различными приёмниками теплового излучения и тем или иным способом преобразовано в видимое изображение.

Анализ источников информации позволяет привести краткий перечень областей применения и объектов контроля для тепловидения, приведенный в таблице 1.

Таблица 1 — Области применения тепловидения

2.4 Анализ развитой модели ТК (на примере обнаружения заглубленных мин)

Анализ развитой модели ТК рассмотрен ниже на примере обнаружения противопехотных и противотанковых мин в грунте (см. рисунок 2.2). Номенклатура таких мин весьма широка, однако в теоретических моделях чаще всего их имитируют однородным диском, расположенным в почве на глубинах от 1 до 15 см. Почва нагревается солнечным излучением, суточный ход которого моделируют функцией:, где циклическая частота связана с суточным изменением солнечной освещенности .

Большинство исследователей полагают, что обнаружение мины с помощью тепловизора возможно благодаря локальному возмущению ТФХ почвы, которое возникает при внесении мины в почву. Это доказывается четко фиксируемым в экспериментах суточным ходом, что хорошо согласуется с простейшей моделью ТК. Однако, термографический контраст в месте расположения мины зависит не только от температуры, но и от изменения коэффициента излучения почвы, обусловленного ее разрыхлением и изменением влажности. Дополнительным фактором является наличие растительности, которая затеняет истинную температуру поверхности почвы.

1) Классическая модель обнаружения мин в грунте. Пусть требуется обнаружить в почве противопехотные безоболочные мины на основе тринитротолуола. Классическая двухмерная модель ТК в цилиндрических координатах позволяет получить зависимости сигнала от времени, глубины залегания, размеров мины, ТФХ и неровностей почвы (рисунок 2.2). Вследствие более низкой интегральной теплопроводности тринитротолуола по сравнению с типичными почвами, в дневное время над миной имеет место локальное повышение температуры, т. е. > 0, достигая почти ~ 5 °C в середине дня (рисунок 2.3). Для неглубоко залегающих мин в ночное время может иметь место инверсия, когда участок почвы над миной характеризуется пониженной температурой. В простейшей модели обнаружения мин наиболее сильным фактором, влияющим на, является глубина залегания мины l.

Рисунок 2.2 — Модель ТК мин, заглубленных в почве: а — схема контроля и граничные условия на поверхности почвы; б — дискретизация пространственной сетки на поверхности (моделирование шероховатости)

2) Развитая модель ТК (на примере обнаружения заглубленных мин). Пусть безоболочная мина из тринитротолуола диаметром 20 см находится в почве на двух глубинах: 1 и 5 см. Различные виды типов и профилей нагрева изображены на рисунке 2.4. Отсчет времени ведется от 6−00 ч утра (соответствует 0 ч на рисунке 2.4); максимум солнечной инсоляции приходится на 12−00 ч дня. Для численного анализа использована программа Thermo Heat-3D Pro (фирма «Инновация», Россия), в которой все параметры модели можно задавать в табличной форме как функцию времени. Результаты моделирования приведены в таблице 2.

Рисунок 2.3 — Изменение температурных сигналов при обнаружении дискообразной безоболочной мины в почве на глубине 1 см (Q_m = 500 Вт/м²; r_d = 10 см; d = 10 см; l = 1 см)

Таблица 2 — Результаты численного моделирования ситуаций, возникающих при обнаружении мин в почве

Рисунок 2.4 — Профили нагрева при обнаружении мин в почве: а — нагрев лучистым потоком (солнечная инсоляция в безоблачный день; максимум инсоляции в 12−00 ч дня); б — моделирования возрастания скорости ветра, начиная с 12−00 ч; в — совместный нагрев лучистым потоком и изменяющейся температурой среды; г — совместный нагрев лучистым потоком и изменяющейся температурой среды (солнце за облаками, лучистый поток равен нулю с 13−00 до 14−00ч); д — совместный нагрев лучистым потоком и изменяющейся температурой среды (включение дополнительного источника, лучистый поток увеличен на 500 Вт/м² с 15−00 до 16−00 ч)

Профиль I моделирует нагрев косинусоидальным импульсом (полная поглощенная энергия в течение 12 часов равна 3 кВтч/м²). Сравнивая данные видно, что оптимальные параметры обнаружения весьма близки (различия объясняются отклонениями ступенчатого профиля нагрева от гладкого и тем, что в программе Thermo-Heat-3DPro возможно моделировать дефекты прямоугольной формы в отличие от дискообразных дефектов в программе Thermo Calc-2D).

Влияние ветра. В рамках принятой модели изменение скорости ветра может быть сведено к изменениям коэффициента теплообмена. Пример временного профиля II коэффициента теплообмена изображен на рисунке 2.4, б: смоделировано увеличение интенсивности теплоотдачи, начиная с 12−00 ч, с 10 до 30 Вт/м²К, это может быть следствием увеличения скорости ветра с 2 до 11 м/с. Очевидно, что усиление теплоотдачи с поверхности снижает сигнал от заглубленных мин. В особенности, этот эффект характерен для мины, расположенной на глубине 5 см, поскольку увеличение произошло в период ее оптимального проявления.

Совместный нагрев солнечным излучением и средой. До сих пор рассматривали нагрев объекта контроля тепловым потоком мощностью, причем начальная температура была равна температуре окружающей среды _amb, а граничное условие имело вид уравнения:[4]

(2.4.1)

Нетрудно показать, что если температура среды изменяется, то это эквивалентно поступлению дополнительной энергии, которая будет нагревать тело, если T_amb > Т₀ и охлаждать его, если T_amb < T₀. В частности, при тепловом обнаружении мин температура воздуха подвержена суточным колебаниям, а солнечный поток существенно зависит от облачности. В таком случае следует рассматривать произвольную функцию нагрева солнцем и средой в виде:

(2.4.2)

Профиль III моделирует такой комбинированный способ нагрева, причем рост температуры среды _amb происходит относительно начального момента, за который принято 6−00 ч утра. Поскольку даже в момент максимальной температуры среды (рост на 8 °C в период с 13−00 до 14−00) эквивалентный дополнительный поток равен только _amb = 80 Вт/м², т. е. существенно меньше основного лучистого потока, приращение температурного сигнала вследствие дополнительного подогрева окружающей средой незначительно

Уход солнца за облака. Пример суточной функции нагрева, моделирующей кратковременный уход солнца за облака (с 13−00 до 14−00 ч), показан на рисунке 2.4, г (профиль IV). Из данных таблицы 2 видно, что даже столь существенный спад инсоляции слабо влияет на температурные сигналы над заглубленными минами, поскольку основная мощность этих сигналов обусловлена солнечной энергией, поглощенной в течение первой половины дня.

Нагрев с помощью дополнительного источника. В рамках модели с произвольным нагревом возможен анализ возможности улучшения выявляемости мин путем использования искусственного источника нагрева: функция нагрева для этого случая изображена на рисунке 2.4, д (профиль V, мощность лучистого потока с 15−00 до 16−00 ч увеличена на 500 Вт/м²). Как и следовало ожидать, улучшение выявляемости заглубленного объекта наступает спустя некоторое время после включения источника, что в рассмотренном случае приводит к возрастанию временной задержки. Величина стимулированного зависит от мощности источника и в случае профиля V возрастает на 3 … 5%. Очевидно, что столь малое повышение сигнала связано с неоптимальным временем включения дополнительного источника, использование которого более эффективно при малых .

Неровности почвы. При обнаружении температурных отпечатков заглубленных мин существенную помощь оператору в идентификации мины оказывает ее правильная геометрическая форма, которая в идеальном случае однородного фона может искажаться только, если тепловизор ионизирует поверхность под углом, отличным от нормального (рисунок 2.4, а). Однако в реальных ситуациях неровности почвы изменяют как глубину залегания дефекта, так и количество поглощаемой энергии, причем последняя изменяется по мере перемещения солнца по небосклону; например, многочисленные впадины сопоставимых с миной размеров создают на термограммах многочисленные температурные сигналы, которые могут быть интерпретированы как сигналы от мин.

Влажность почвы. Влияние изменившейся влажности почвы на выявляемость заглубленных в почву предметов существенно, но не изучено исчерпывающим образом, поскольку зависит от комбинации нескольких факторов, которые могут действовать на противоположным образом, а именно: 1) как правило, осадки имеют температуру ниже температуры поверхности почвы, что приводит к снижению и выравниванию температуры поверхности после их выпадения; 2) наличие в почве влаги изменяет ее ТФХ; 3) испарение влаги на поверхности почвы изменяет баланс тепловых потоков; 4) влажная почва изменяет свой коэффициент поглощения (излучения).

Приблизительно можно считать, что в первые моменты времени после начала дождя, температура поверхностного слоя почвы становится близкой к температуре выпавшей воды, и температурные отпечатки заглубленных предметов полностью «смазываются» .

Во многих случаях наличие влаги увеличивает теплопроводность пористой среды, тогда как зависимость температуропроводности почвы от влажности может иметь выраженный экстремум. Влияние влажности почвы на величину температурных контрастов зависит от того, как она влияет на отношение ТФХ заглубленного предмета и почвы. Так, для тринитротолуола во влажном песке температурный сигнал, по сравнению с сухим песком, изменяет знак (точнее, последовательность наступления сигналов обоих знаков), и возрастает по модулю в несколько раз благодаря существенному увеличению теплопроводности песка при его увлажнении.

3. Описание теплового метода обнаружения закладок

Всякое физическое явление, в том числе и процесс теплопередачи, происходит в пространстве и времени. Поэтому аналитическое исследование теплопроводности сводится к изучению пространственно-временного изменения основной физической величины — температуры, характерной для данного явления, т. е. к нахождению зависимости

(3.1)

где — пространственные координаты в декартовой системе, — время.

Для решения задач, связанных с нахождением температурного поля, необходимо иметь дифференциальное уравнение теплопроводности. Под дифференциальным уравнением обычно понимают математическую зависимость, выражаемую дифференциальным уравнением, между физическими величинами, характеризующими изучаемое явление, причем эти физические величины являются функциями пространства и времени. Такое уравнение характеризует протекание физического явления в любой момент времени.

Дифференциальное уравнение теплопроводности дает зависимость между температурой, временем и координатами элементарного объема. Уравнение теплопроводности имеет вид: