RU2040803C1 - Method of detection of moving objects and device for its implementation - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: invention is based on measurement of magnetic or electric components of variable magnetic field of turbulence and/or shock wave created by movement of object as well as on simultaneous measurement of modulus of vector of magnetic inductance of magnetic field of the Earth, on determination on basis of results of measurements of precession frequency of protons in magnetic field of the Earth ω and magnetic or electric component of variable electromagnetic field on frequency w by which value presence of moving object is evaluated. EFFECT: enhanced efficiency of detection. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к способам обнаружения объектов по электромагнитному полю, создаваемому их движением, и предназначено для обнаружения батискафов, глубоководных аппаратов и других объектов, скрытых от прямого наблюдения. The invention relates to methods for detecting objects by the electromagnetic field created by their movement, and is intended to detect bathyscaphe, deep-sea vehicles and other objects hidden from direct observation.

Известны способ и устройство обнаружения движущихся объектов по создаваемому ими электромагнитному полю, широко используемые в магнитных минах и индукционных взрывателях ракет [1]
Недостаток этого способа состоит в небольшой дальности обнаружения, обусловленной быстрым затуханием электромагнитного поля на больших дальностях.A known method and device for detecting moving objects by the electromagnetic field created by them, widely used in magnetic mines and induction fuses of rockets [1]
The disadvantage of this method is the small detection range due to the fast attenuation of the electromagnetic field at long ranges.

Наиболее близким к предлагаемому является способ, в котором обнаружение подводных лодок, находящихся в погруженном состоянии, или загоризонтных низколетящих самолетов осуществляется путем измерения магнитной или электрической составляющей переменного электромагнитного поля, создаваемого турбулентностью и/или ударными волнами, возникающими в процессе движения объекта [2]
Устройство для осуществления этого способа содержит индукционный магнитоприемник, усилительную схему и блок индикации.Closest to the proposed is a method in which the detection of submarines in a submerged state, or over-the-horizon low-flying aircraft is carried out by measuring the magnetic or electric component of an alternating electromagnetic field created by turbulence and / or shock waves that occur during the movement of an object [2]
A device for implementing this method comprises an induction magnetic receiver, an amplifying circuit, and an indication unit.

Однако этот способ и устройство для его осуществления характеризуется недостаточной дальностью обнаружения. Измерения выполняются в широкой полосе частот от 10 Гц до 100 кГц, что не соответствует физическим процессам формирования электромагнитного поля, энергия которого сосредоточена в основном в узких спектральных полосах. Необоснованно широкая полоса частот служит источником повышенного уровня шумов и обусловливает низкую помехоустойчивость, вследствие чего дальность обнаружения невелика. However, this method and device for its implementation is characterized by insufficient detection range. The measurements are carried out in a wide frequency band from 10 Hz to 100 kHz, which does not correspond to the physical processes of the formation of an electromagnetic field, the energy of which is concentrated mainly in narrow spectral bands. Unreasonably wide frequency band serves as a source of increased noise and causes low noise immunity, as a result of which the detection range is small.

Задача предлагаемого изобретения повышение дальности обнаружения. The task of the invention is to increase the detection range.

Для этого в способе обнаружения движущихся объектов, включающем измерение магнитной или электрической составляющей переменного электромагнитного поля, создаваемого турбулентностью и/или ударной волной, дополнительно измеряют модуль вектора магнитной индукции магнитного поля Земли по сигналам модульного магнитометра, по измеренному значению модуля вектора магнитной индукции В определяют частоту прецессии протонов среды в магнитном поле Земли ω γ В, где γ гидромагнитное отношение протона, определяют значение магнитной (или электрической) составляющей переменного электромагнитного поля на частоте ω и по значениям упомянутой составляющей электромагнитного поля судят о наличии движущегося объекта. For this, in a method for detecting moving objects, including measuring the magnetic or electric component of an alternating electromagnetic field generated by turbulence and / or a shock wave, the module of the Earth’s magnetic induction vector is additionally measured from the signals of a modular magnetometer, the frequency is determined from the measured value of the module of the magnetic induction vector B the precession of the protons of the medium in the Earth’s magnetic field ω γ B, where γ is the hydromagnetic ratio of the proton, determine the value of the magnetic (or electric tion) component of the alternating electromagnetic field at frequency ω and in the values of said component of the electromagnetic field is judged on the presence of a moving object.

Решение задачи достигается также тем, что в схему устройства для реализации способа обнаружения движущихся объектов, содержащего индукционный магнитоприемник, усилительную схему, блок индикации и регистрации, введены преобразователь магнитной индукции в частоту, делитель частоты, 90-градусный фазовращатель, первый и второй фазочувствительные детекторы (ФЧД), блок вычисления модуля и пороговое устройство, причем информационные входы первого и второго ФЧД соединены с выходом усилителя, выход преобразователя магнитной индукции в частоту соединен с входом делителя частоты, к выходу которого подключен синхронизирующий вход первого ФЧД и через 90-градусный фазовращатель синхронизирующий вход второго ФЧД, к входам первого и второго ФЧД подключены входы блока вычисления модуля, выход которого соединен с входами блока индикации и регистрации непосредственно и через пороговое устройство. The solution to the problem is also achieved by the fact that a magnetic induction to frequency converter, a frequency divider, a 90-degree phase shifter, the first and second phase-sensitive detectors are introduced into the device circuit for implementing a method for detecting moving objects containing an induction magnetic receiver, an amplifying circuit, an indication and registration unit ( PSF), module calculation unit and threshold device, wherein the information inputs of the first and second PSF are connected to the amplifier output, the output of the magnetic induction to frequency converter connected to the input of the frequency divider, to the output of which the synchronizing input of the first PSF is connected and through the 90-degree phase shifter the synchronizing input of the second PSF, the inputs of the calculation unit of the module are connected to the inputs of the first and second PSF, the output of which is connected to the inputs of the indication and registration unit directly and through the threshold device.

Сущность способа и устройства характеризуется следующим составом признаков и последовательностью их осуществления:
измеряют магнитную составляющую переменного электромагнитного поля, например, по сигналам индукционного магнитоприемника или электрическую составляющую переменного электромагнитного поля по сигналам разнесенных в пространстве электродов (операция прототипа);
измеряют значение модуля вектора В магнитной индукции магнитного поля Земли по сигналам модульного магнитометра, например, по сигналам квантового магнитометра (операция новая);
определяют частоту прецессии протонов среды в магнитном поле Земли ω γ В (операция новая);
определяют значение измеряемой составляющей переменного электромагнитного поля на частоте ω (операция новая);
по значению упомянутой составляющей электромагнитного поля судят о наличии движущегося объекта (операция прототипа с новым содержанием измеренного параметра).The essence of the method and device is characterized by the following composition of features and the sequence of their implementation:
measuring the magnetic component of the alternating electromagnetic field, for example, by the signals of the induction magnetic receiver or the electric component of the alternating electromagnetic field by the signals of electrodes spaced in space (prototype operation);
measure the magnitude of the vector In the magnetic induction of the Earth's magnetic field by the signals of a modular magnetometer, for example, by the signals of a quantum magnetometer (new operation);
determine the frequency of the precession of the protons of the medium in the Earth's magnetic field ω γ B (new operation);
determine the value of the measured component of the alternating electromagnetic field at a frequency ω (new operation);
by the value of the aforementioned component of the electromagnetic field they judge the presence of a moving object (prototype operation with the new content of the measured parameter).

Введение в известный способ новых операций обеспечивает повышение дальности. Значение составляющей электромагнитного поля определяется на частоте ω прецессии протонов водной массы. На этой частоте сосредоточена основная часть энергии электромагнитной волны, генерируемой турбулентностью и/или ударными волнами, порожденными движением объекта. Вместо широкой полосы частот прототипа измерения выполняются на наиболее информативной частоте, что обеспечивает существенное снижение уровня шумов и повышает помехоустойчивость. Обеспечивается возможность выделения слабых сигналов, обусловленных движением объектов на больших дальностях. Introduction to the known method of new operations provides increased range. The value of the electromagnetic field component is determined at the frequency ω of the precession of the protons of the water mass. At this frequency, the bulk of the energy of the electromagnetic wave generated by turbulence and / or shock waves generated by the movement of the object is concentrated. Instead of a wide frequency band of the prototype, measurements are performed at the most informative frequency, which provides a significant reduction in noise level and increases noise immunity. It provides the ability to highlight weak signals due to the movement of objects at long ranges.

Теоретические основы предлагаемого способа состоит в следующем. Под воздействием турбулентности и ударных волн, порожденных движением объекта, происходит магнитная поляризация ансамбля атомов среды, например водной, при которой среда приобретает избыточный магнитный момент. Возникает прецессия магнитного момента вокруг вектора магнитного поля Земли, причем частота прецессии определяется значением модуля вектора магнитной индукции В и гиромагнитным отношением протона γ в соответствии с зависимостью
ω γ В. (1)
Так, с учетом значения γ 2,6751301˙10⁸

в магнитном поле Земли В 50 000 нТл, частота прецессии составляет 2128,8 Гц. Под влиянием теплового движения атомов избыточный магнитный момент разрушается и интенсивность прецессии падает по экспоненциальному закону и вновь возобновляется под влиянием новых турбулентностей и ударных волн. Гиромагнитное отношение протона является физической константой, известной с высокой точностью. Следовательно, для определения частоты прецессии достаточно измерить значение модуля вектора магнитной индукции В, который определяется по сигналу модульного магнитометра с высокой точностью. Этого достаточно для определения ω в соответствии с зависимостью (1) и избирательного детектирования сигнала прецессии на частоте максимальной энергии электромагнитной волны. Магнитная поляризация, порождаемая ударными волнами, принципиально может быть обнаружена непосредственно по показаниям модульного магнитометра путем измерения приращений магнитной индукции, однако эти приращения малы и их обнаружение на фоне шумов затруднительно. В отличие от прямого измерения магнитной поляризации по изменению модуля вектора магнитной индукции, измерения на частоте прецессии протонов возможны при более высоком отношении полезного сигнала к шумам, поскольку на частоте индукционный магнитоприемник обладает более высокой чувствительностью, по сравнению с модульным магнитометром, а уровень шумов при синхронном детектировании на фиксированной частоте достаточно низок.The theoretical basis of the proposed method is as follows. Under the influence of turbulence and shock waves generated by the movement of the object, there is a magnetic polarization of an ensemble of atoms of a medium, such as water, in which the medium acquires an excess magnetic moment. There is a precession of the magnetic moment around the Earth’s magnetic field vector, and the precession frequency is determined by the magnitude of the magnetic induction vector B and the gyromagnetic ratio of the proton γ in accordance with the dependence
ω γ B. (1)
So, taking into account the value of γ 2.6751301˙10 ⁸

in the Earth's magnetic field of 50,000 nT, the precession frequency is 2128.8 Hz. Under the influence of the thermal motion of atoms, the excess magnetic moment collapses and the precession intensity decreases exponentially and resumes again under the influence of new turbulences and shock waves. The gyromagnetic ratio of the proton is a physical constant known with high accuracy. Therefore, to determine the precession frequency, it is sufficient to measure the value of the module of the magnetic induction vector B, which is determined by the signal of the modular magnetometer with high accuracy. This is sufficient to determine ω in accordance with dependence (1) and selectively detect the precession signal at the frequency of the maximum energy of the electromagnetic wave. The magnetic polarization generated by shock waves can, in principle, be detected directly from the readings of a modular magnetometer by measuring the increments of the magnetic induction, however, these increments are small and their detection against the background of noise is difficult. In contrast to direct measurement of magnetic polarization by changing the magnitude of the magnetic induction vector, measurements at the proton precession frequency are possible with a higher ratio of the useful signal to noise, since the frequency of the induction magnetoretector has higher sensitivity compared to a modular magnetometer, and the noise level is synchronous fixed frequency detection is quite low.

На чертеже приведена функциональная схема одного из возможных вариантов устройства для осуществления способа. The drawing shows a functional diagram of one of the possible variants of the device for implementing the method.

Устройство содержит индукционный магнитоприемник 1, усилитель 2, первый фазочувствительный детектор (ФЧД) 3, второй ФЧД 4, преобразователь 5 магнитной индукции в частоту, делитель 6 частоты, 90-градусный фазовращатель 7, блок 8 вычисления модуля, пороговое устройство 9 и блок 10 индикации и регистрации. The device comprises an induction magnetic receiver 1, an amplifier 2, a first phase-sensitive detector (PSF) 3, a second PSF 4, a magnetic induction to frequency converter 5, a frequency divider 6, a 90-degree phase shifter 7, a module calculation unit 8, a threshold device 9 and an indication unit 10 and registration.

К выходу индукционного магнитоприемника 1 через усилитель 2 подключены информационные входы первого 3 и второго 4 ФЧД. К выходу преобразователя 5 магнитной индукции в частоту подключен делитель 6 частоты, выход которого соединен с синхронизирующим входом первого ФЧД 3 и через 90-градусный фазовращатель 7 соединен с синхронизирующим входом второго ФЧД 4. Выходы первого 3 и второго 4 ФЧД соединены с входами блока 8 вычисления модуля, выход которого через пороговое устройство 9 соединен с первым выходом блока 10 индикации и регистрации и соединен непосредственно с вторым входом блока 10 индикации и регистрации, являющегося выходным блоком устройства. The information inputs of the first 3 and second 4 PSFs are connected to the output of the induction magnetic receiver 1 through the amplifier 2. A frequency divider 6 is connected to the output of the magnetic induction converter 5 to the frequency, the output of which is connected to the synchronizing input of the first PSF 3 and through a 90-degree phase shifter 7 is connected to the synchronizing input of the second PSF 4. The outputs of the first 3 and second 4 PSF are connected to the inputs of the calculation unit 8 a module, the output of which through a threshold device 9 is connected to the first output of the display and registration unit 10 and connected directly to the second input of the display and registration unit 10, which is the output unit of the device.

Принцип действия устройства состоит в следующем. The principle of operation of the device is as follows.

Индукционный магнитоприемник 1 выполнен в виде многовитковой рамки или катушки с ферромагнитным сердечником или без него. На выходе индукционного магнитоприемника формируется электрический сигнал в виде переменного напряжения с частотами электромагнитного поля, пропорционального его амплитудным значениям. Он представляет сумму полезного сигнала U_s(t) и помех U_n(t), создаваемых грозами, хозяйственной деятельностью, а также собственными шумами индукционного магнитоприемника
U(t) U_s(t) + U_n(t).The induction magnetic receiver 1 is made in the form of a multi-turn frame or coil with or without a ferromagnetic core. An electric signal is formed at the output of the induction magnetic receiver in the form of an alternating voltage with electromagnetic field frequencies proportional to its amplitude values. It represents the sum of the useful signal U _s (t) and interference U _n (t) caused by thunderstorms, economic activity, as well as the intrinsic noise of the induction magnetic receiver
U (t) U _s (t) + U _n (t).

Полезный сигнал обусловлен магнитной составляющей переменного электромагнитного поля прецессии протонов морской среды, поляризованной ударными волнами, создаваемыми движением объекта. После усиления усилителем 2 сигнал поступает на информационные входы первого 3 и второго 4 ФЧД. Одновременно преобразователь 5 магнитной индукции в частоту, выполненный в виде квантового самогенерирующего магнитометра с оптической накачкой, формирует электрический сигнал в виде переменного напряжения, частота которого пропорциональна значению модуля вектора магнитной индукции. С выхода преобразователя 5 магнитной индукции в частоту сигнал поступает на вход делителя 6 частоты. Коэффициент деления частоты выбран таким образом, чтобы частота сигала на выходе делителя частоты ω была равна частоте прецессии протонов вокруг вектора магнитной индукции геомагнитного поля. Сигнал с выхода делителя 6 частоты поступает на синхронизирующий вход первого ФЧД 3 и через 90-градусный фазовращатель 7 поступает на синхронизирующий вход второго ФЧД 4. Благодаря тому что частота напряжения, поступающего на синхронизирующие входы ФЧД 3 и 4, равна частоте прецессии, из суммы сигнала и помех выделяется только полезный сигнал в сумме с той незначительной частью помех, частота которой совпадает с частотой полезного сигнала. Сигналы, продетектированные каждым из двух ФЧД в отдельности, еще не служат однозначной характеристикой полезного сигнала, поскольку продетектированные сигналы зависят не только от амплитуды сигнала, но и от его фазы, которая неизвестна и может изменяться с течением времени. Это обусловлено тем, что значения модуля вектора магнитной индукции в морской среде, где возникает прецессия, и в месте нахождения преобразователя магнитной индукции в частоту могут отличаться вследствие неоднородности геомагнитного поля. Для исключения указанной неопределенности в устройстве вычисляется модуль полезного сигнала по двум его составляющим. Сигналы с выходов первого и второго ФЧД U₃ и U₄поступают на входы блока 8 вычисления модуля. Этот блок выполнен в виде микросхемы, представляющей собой программируемую микроЭВМ с аналоговыми устройствами ввода и вывода для цифровой обработки информации в реальном масштабе времени. Сигналы U₃ и U₄, поступившие на входе микросхемы, преобразуются в соответствующие их значениям коды и поступают на входы микроЭВМ. В соответствии с программой, записанной в ее память, выполняется вычисление модуля сигнала по двум его составляющим на основе соотношения
U

После преобразования кода в напряжение сигнал с выхода блока 8 поступает на вход порогового устройства 9, где сравнивается с пороговым значением, и в случае превышения порогового значения на выходе порогового устройства 9 формируется сигнал обнаружения, поступающий на первый вход блока 10 индикации и регистрации. Одновременно на второй вход блока 10 поступают сигналы U, пропорциональные значению модуля, что позволяет оператору идентифицировать объект путем сравнения сигнала с априорно известными сигналами от движущихся объектов разных классов.The useful signal is due to the magnetic component of the alternating electromagnetic field of the precession of the protons of the marine environment, polarized by shock waves created by the movement of the object. After amplification by amplifier 2, the signal is fed to the information inputs of the first 3 and second 4 PSFs. At the same time, the magnetic induction to frequency converter 5, made in the form of a quantum self-generating magnetometer with optical pumping, generates an electrical signal in the form of an alternating voltage, the frequency of which is proportional to the value of the magnetic induction vector module. From the output of the Converter 5 magnetic induction into the frequency signal is fed to the input of the frequency divider 6. The frequency division coefficient is chosen so that the sigal frequency at the output of the frequency divider ω is equal to the proton precession frequency around the geomagnetic field magnetic induction vector. The signal from the output of the frequency divider 6 is fed to the synchronizing input of the first PSF 3 and, through the 90-degree phase shifter 7, is fed to the synchronizing input of the second PSF 4. Due to the fact that the frequency of the voltage supplied to the synchronizing inputs of the PSF 3 and 4 is equal to the precession frequency, from the signal sum and interference, only the useful signal is allocated in total with that insignificant part of the interference, the frequency of which coincides with the frequency of the useful signal. The signals detected by each of the two PSFs separately do not yet provide an unambiguous characteristic of the useful signal, since the detected signals depend not only on the amplitude of the signal, but also on its phase, which is unknown and can change over time. This is because the magnitude of the magnetic induction vector module in the marine environment where the precession occurs and at the location of the magnetic induction to frequency converter can differ due to the heterogeneity of the geomagnetic field. To eliminate this uncertainty in the device, the module of the useful signal is calculated by its two components. The signals from the outputs of the first and second PSFs U ₃ and U ₄ are fed to the inputs of the module calculation unit 8. This unit is made in the form of a microcircuit, which is a programmable microcomputer with analog input and output devices for digital information processing in real time. The signals U ₃ and U ₄ received at the input of the chip are converted into codes corresponding to their values and fed to the inputs of the microcomputer. In accordance with the program recorded in its memory, the calculation of the signal module based on its two components is performed based on the ratio
U

After converting the code to voltage, the signal from the output of block 8 is fed to the input of the threshold device 9, where it is compared with a threshold value, and if the threshold value is exceeded, the output signal of the threshold device 9 generates a detection signal that is received at the first input of the indication and registration unit 10. At the same time, U signals proportional to the module value are received at the second input of block 10, which allows the operator to identify the object by comparing the signal with a priori known signals from moving objects of different classes.

Таким образом, в устройстве реализуется предлагаемый способ и благодаря синхронному детектированию сигнала на частоте прецессии протонов обеспечивается существенное повышение отношения полезного сигнала к уровню шумов, благодаря чему повышается дальность обнаружения. Thus, the device implements the proposed method and due to the synchronous detection of the signal at the proton precession frequency, a significant increase in the ratio of the useful signal to the noise level is provided, thereby increasing the detection range.

При движении объекта в район с другим значением модуля вектора магнитной индукции изменяется частота полезного сигнала. Одновременно изменяется частота сигнала на выходе преобразователя магнитной индукции в частоту, в силу чего частота сигнала на синхронизирующих входах ФЧД остается равной частоте полезного сигнала и сохраняются условия оптимального приема несмотря на изменения частоты полезного сигнала в широком диапазоне. When an object moves to an area with a different magnitude of the magnetic induction vector, the frequency of the useful signal changes. At the same time, the frequency of the signal at the output of the magnetic induction to frequency converter changes, due to which the frequency of the signal at the synchronizing inputs of the PSF remains equal to the frequency of the useful signal and the conditions for optimal reception are maintained despite changes in the frequency of the useful signal in a wide range.

Claims (2)

1. Способ обнаружения движущихся объектов, включающий измерение магнитной или электрической составляющей переменного электромагнитного поля, создаваемого турбулентностью и/или ударной волной, отличающийся тем, что дополнительно измеряется модуль вектора магнитной индукции магнитного поля Земли по сигналам модульного магнитометра, по измеренному значению модуля вектора магнитной индукции В определяется частота прецессии протонов среды в магнитном поле Земли ω = γB , где γ гидромагнитное отношение протона, определяют значение магнитной (или электрической) составляющей переменного электромагнитного поля на частоте w и по значениям упомянутой составляющей электромагнитного поля судят о наличии движущегося объекта. 1. A method for detecting moving objects, including measuring the magnetic or electric component of an alternating electromagnetic field created by turbulence and / or a shock wave, characterized in that it additionally measures the magnitude of the magnetic induction vector of the Earth’s magnetic field using signals from a modular magnetometer, using the measured value of the magnetic induction vector module In determines the frequency of the precession of the protons of the medium in the Earth's magnetic field ω = γB, where γ is the hydromagnetic ratio of the proton, determine the value of the magnetic minutes (or electric) component of the alternating electromagnetic field at a frequency w and the values of said component of the electromagnetic field is judged on the presence of a moving object. 2. Устройство для обнаружения движущихся объектов, содержащее индукционный магнитоприемник, усилительную схему, блок индикации и регистрации, отличающееся тем, что в него введены преобразователь магнитной индукции в частоту, делитель частоты, 90-градусный фазовращатель, первый и второй фазочувствительные детекторы (ФЧД), блок вычисления модуля и пороговое устройство, причем информационные входы первого и второго ФЧД соединены с выходом усилителя, выход преобразователя магнитной индукции в частоту соединен с входом делителя частоты, к выходу которого подключен синхронизирующий вход первого ФЧД и через 90-градусный фазовращатель синхронизирующий вход второго ФЧД, к выходам первого и второго ФЧД подключены входы блока вычисления модуля, вход которого соединен с входами блока индикации и регистрации непосредственно и через пороговое устройство. 2. A device for detecting moving objects, comprising an induction magnetic receiver, an amplifying circuit, an indication and registration unit, characterized in that a magnetic induction to frequency converter, a frequency divider, a 90-degree phase shifter, first and second phase-sensitive detectors (PSF) are introduced into it, module calculation unit and threshold device, wherein the information inputs of the first and second PSFs are connected to the amplifier output, the output of the magnetic induction to frequency converter is connected to the input of the frequency divider, to in the course of which the synchronizing input of the first PSF is connected and through the 90-degree phase shifter the synchronizing input of the second PSF, the inputs of the module calculation unit are connected to the outputs of the first and second PSF, the input of which is connected to the inputs of the indication and registration unit directly and through the threshold device.

Images