+7 (495) 232-07-86

Магнитометрия для поиска неразорвавшихся боеприпасов

Методы потенциальных полей для определения

местоположения неразорвавшихся боеприпасов

DWAIN K. BUTLER, Центр Инженерных Исследований и Разработок Армии США, Виксбург, Миссисипи, США

image002.jpg

Рис 1.

Миллионы акров земли, которые использовались прежде, и используются в настоящее время для проведения военных мероприятий, засорены неразорвавшимися боеприпасами (UXO), лежащими или на поверхности земли, или на некоторой глубине. Поверхностные и заглубленные UXO находятся в самых разных местах, характеризуемых самыми разными геологическими и внешними условиями. UXO могут располагаться как на поверхности, так и на глубинах до 10 метров, а их размеры варьируются от 20-мм пуль до 2000-фунтовых бомб (Рисунок 1). Очистка земли от UXO в настоящее время является первоочередной задачей Министерства Обороны США по обеспечению качества окружающей среды на территориях Площадок Полного Прекращения Деятельности и Закрытия (BRAC) и Старых Площадок Системы Обороны (FUDS). Извлечение старых UXO, помимо всего прочего, является активной проверкой и средством изучения методов безопасного использования существующих технических средств.

Наиболее часто применяемыми методами проведения съемки с целью обнаружения UXO являются магнитометры для измерения полной напряженности магнитного поля (TFM) и "простые" приборы, основанные на временном анализе электромагнитной индукции (TDEM). Простой прибор TDEM можно условно отнести к системам, измеряющим 1-2 временных окна (строб-импульса) от сигнала с вынужденной кратковременной задержкой. При проведении исследований опытными геофизиками-профессиналами, во время демонстрационных показов на испытательных площадках с известным расположением UXO, вероятность обнаружения UXO превысила 90%. В целом, для проведения исследований в промышленных масштабах, на больших площадях, будет применяться только одна из этих систем.

Другими средствами геофизических исследований, которые были предложены, продемонстрированы и/или использованы для обнаружения UXO, являются радары с проникающим в землю излучением (GPR), много-импульсные TDEM, много-компонентные TDEM, много-компонентные (векторные) магнитометры, магнитные градиентометры, акустические/сейсмические методы, гравиметрия, и системы воздушной съемки разных типов. GPR не является приемлемым инструментом для поиска UXO на больших площадях

Тем не менее, GPR может применяться, и имеет весьма значительный потенциал, при классификации и идентификации UXO, обнаруженных с помощью других методов. Попытки задействовать для поиска UXO воздушную геофизическую съемку, как правило, на высоте более 25 метров, включая магнитометрию, GPR, и SAR, потерпели неудачу. Однако, недавние съемки с помощью TFM и простого TDEM, проводившиеся с площадки, подвешенной к вертолету, и имевшей возвышение над поверхностью земли примерно 1,5-2,5 метра, продемонстрировали перспективность такого подхода для поиска UXO на больших площадях, обнаруживая как места концентрации UXO, так и отдельные крупные объекты UXO. Системы на основе много-импульсных, много-компонентных TDEM, и системы на основе много-частотных FDEM имеют перспективы для поиска UXO, и, возможно, для классификации в реальном времени, или последующей классификации обнаруженных аномалий на небольшой площади. Так же, как и GPR, некоторые их этих подходов будут иметь очень ограниченную пригодность при проведения исследований по обнаружению UXO на больших площадях, но могут оказать помощь при проведении классификации на ограниченных площадях. Гравиметрические и сейсмические/акустические методы, в частности, скорее всего, будут иметь очень ограниченное, узкое применение (или не будут применяться вовсе) при поиске UXO на небольших площадях. Если гравитационная съемка, и в частности, микрогравитационная съемка, могут измерить величину гравитационной аномалии, образованной находящимися в толще земли UXO, результаты могут быть использованы для оценки массы UXO. Никакие другие методы, применяемые в настоящее время для обнаружения и классификации UXO, не могут применяться для оценки их массы. Аномалия TFM не зависит от массы железа, а определяется объемом содержащегося железа, толщиной стенки, отношением длины к диаметру, магнитной проницаемостью, и ориентацией в магнитном поле Земли (Altshuler, UXO Forum 1996). Совмещение метода инверсии TFM с данными микрогравитационной съемки для геометрически приемлемой модели могло бы дать значения массы и объема, и таким образом, позволило бы оценить плотность. Оцененная плотность может служить в качестве критерия для классификации UXO, так как объемная плотность UXO будет меньше плотности твердой стали. Тем не менее, на практике микрогравитационная съемка представляется перспективной только для классификации и идентификации UXO, при исследовании на небольшой площади тех объектов, которые были найдены другими методами. Кроме того, микрогравитационная съемка перспективна при поиске крупных UXO.

image002_0.jpg

Рис 2

В данной статье проиллюстрированы некоторые попытки разработать инструменты для выполнения прямого и инверсионного моделирования для классификации UXO, и, в частности, аналитические решения для гравитационной и магнитной характеристик, используемых при создании реалистичных, геометрически совместимых моделей UXO. Для аналитической разработки, в качестве приемлемой модели UXO был выбран вытянутый сфероид, частный случай обычного сфероида. Прогнозы на основе TFM и гравитационной модели сопоставимы с результатами измерений. Примеры, продемонстрированные в данной статье, представляют собой некоторые из комплектов данных потенциальных полей, с наибольшей, когда-либо полученной, величиной разрешения (данные TFM получены при расстоянии между линиями 25 см, и шагом 10 см вдоль линий; измерения микрогравитации проводились на сетке 50 х 50 см). Помимо требования выполнять измерения с высокой точностью, и обрабатывать большой объем данных, дополнительным требованием является точное определение местоположения, что позволит впоследствии определить координаты источников аномалии.

Модели для магнитной и гравитационной характеристик UXO. Модель в виде вытянутого сфероида является реалистичным представлением обычной формы артиллерийского снаряда, и имеет также продолговатую геометрию, которая может воспроизвести эффекты размагничивания и ориентации. Вытянутый сфероид с длиной и диаметром, соответствующими артиллерийскому снаряду, является хорошим приближением для внешней стальной оболочки снаряда. Индуцированное магнитное поле, внешнее по отношению к сфероиду, можно задать решением полного поля, или разложением мультиполя. Мультипольное разложение не имеет монопольной составляющей, а квадрапольная составляющая, в силу симметрии, равна нулю. Таким образом, октопольная составляющая является следующей составляющей более высокого порядка после дипольной, а так как октопольная составляющая уменьшается по закону 1/r5, практически нет причин учитывать что-либо сверх октопольной составляющей. Altshuler (UXO Forum, 1996) сравнивает поле диполя (для сфероидной модели) с решением полного поля, и делает вывод, что если расстояния, на которых производятся измерения, превышают удвоенную величину большой полуоси (длины) от центра объема сфероида, предварительно оцениваемая величина поля диполя составляет приблизительно 10% от предварительно оцениваемой величины полного поля. Таким образом, для маленьких расстояний вклад поля октополя становится более значительным. Преимущества решения мультиполя, в сравнении с решением полного поля таковы: (а) немного уменьшается время вычислений, и (б) имеется возможность выделить дипольную составляющую вытянутого сфероида, для того, чтобы сравнить ее с решением диполя для сферы, или с решением ориентированного диполя. Основным недостатком является, возможно, низкая точность для очень маленьких расстояний от модели до плоскости расчета характеристики.
Имеющиеся методы гравитационного моделирования не вполне применимы для UXO, находящихся в толще земли. Некоторые подходы делают необходимыми некорректные геометрические допущения, такие как двухмерность источников, или требуют комплексной оценки геометрических параметров источника, как, например, аппроксимация поверхности источника при помощи плоских треугольных граней, или полная дискретизация тела источника UXO. Как упоминалось выше, приемлемую аппроксимацию фактической формы артиллерийского снаряда дает вытянутый сфероид. Для точного определения каждого сфероида требуется относительно немного параметров: длина, диаметр, угол наклонения, азимут, и контраст плотности. Аналитическое выражение для гравитационного поля обычных однородных эллипсоидов (частным случаем которых является сфероид) представляется в виде элементарных функций.

Таким образом, расчет гравитационной характеристики однородных сфероидов является достаточно простым. Тем не менее, не существует программных средств для моделирования гравитационной характеристики вытянутого сфероида. Средства моделирования UXO в виде вытянутого сфероида были разработаны в качестве вспомогательного инструмента, позволяющего оценить целесообразность гравитационных измерений при поиске неразорвавшихся боеприпасов. Геометрические построения при создании магнитной и гравитационной моделей показаны на Рисунке 2. (Более подробная информация по созданию модели, вместе с примерами, представлена в журнале Journal of Environmental and Engineering Geophysics (Природоохранная и инженерная геофизика), 2001, автор - Butler и другие).

Примеры магнитного моделирования. Данные, вводимые в программу магнитного моделирования UXO, включают параметры сетки вычислений, напряженность магнитного поля Земли (величина, склонение и отклонение), относительную магнитную проницаемость модели, длину и диаметр сфероида, наклон и азимут сфероида, координаты горизонтального положения центра сфероида, глубину центра сфероида, и высоту измерений (высота плоскости расчетов над уровнем Z=0). Эффективность программы подтверждена сравнением с величиной TFM, измеренной над UXO, находящимся в толще земли.

image006.jpg

image008.jpg
 

image008_0.jpg

Рис 3

На Рисунке 3 дан пример подтверждения, в котором данные измерений были получены Военно-Морской Исследовательской Лабораторией (Nelson и другие, UXO Forum, 1997). Пример, представленный на Рисунке 3, относится к 105-мм снаряду, расположенному горизонтально, ориентированному в направлении С-Ю, глубина до центра составляет 0,54 м, высота измерения составляет 0,25 см. На участке измерений величина магнитного поля Земли, составляет 53 600 nT, и имеет склонение 67,1°.

image008_1.jpg

image014.jpg
image018.jpg

image016.jpg

Рис 4

Влияние ориентации UXO (сфероида) на магнитную характеристику проиллюстрировано на Рисунке 4, где показаны характеристики модели 105-мм снаряда для четырех углов наклона. Примечательно, что вид характеристики изменяется от почти симметричной диполярной, до асимметричной диполярной и почти монополярной. Величины характеристик (измеренные от точки минимума до точки максимума) изменяются от 19 nT до 140 nT. Максимум величины наблюдается, когда горизонтальная ось сфероида расположена параллельно магнитному полю Земли (максимальная индукция), в то время как минимум величины наблюдается, когда горизонтальная ось расположена перпендикулярно магнитному полю Земли. Главный вывод из значительного различия формы и величины характеристик, изображенных на Рисунке 4, заключается в том, что интерпретация аномалии простого диполя (сфера) дает различную величину глубины и размера источника для одной и той же модели UXO.

Примеры гравитационного моделирования. Объемная плотность артиллерийских боеприпасов изменяется от 3,3 г/см3 до > 6 г/см3. При обычной плотности почвы, равной 2 г/см3, контраст плотности изменяется, таким образом, от 1,3 г/см3 до > 4 г/см3. Особенности гравитационной аномалии вытянутого сфероида наглядно проиллюстрированы на Рисунке 5 для 14-дюймового артиллерийского снаряда (длина = 1,48 м, диаметр = 0,356 м, плотность = 6,6 г/см3). Для горизонтальной сфероидной модели гравитационная аномалия симметрична относительно двух горизонтальных осей (Рисунок 5а).

image020.jpg image022.jpg
image024.jpg image026.jpg

Рис 5. a,b,c,d

По мере увеличения наклона, начиная от нуля, аномалия становится симметричной только относительно проекции главной оси сфероида на поверхность (Рисунок 5b). В отличие от магнитной аномалии полного поля, которая индуцируется магнитным полем Земли, поле гравитационной аномалии для модели UXO в виде вытянутого сфероида изменяется (т.е. не отстает) по мере изменения азимута сфероида (Butler и другие, 2001). Гравитационная аномалия осесимметрична относительно вертикальной оси, по мере изменения азимута сфероида (Рисунки 5b и 5с). Увеличение глубины сфероида вдвое, от 0,3 м до 0,6 м, приводит к резкому уменьшению напряженности поля, от ~22 микроГал, до ~7 микроГал (Рисунки 5с и 5d), вместе с ожидаемым увеличением ширины. Аномалии для случаев, изображенных на Рисунке 5, обнаруживаются при тщательном проведении микрогравитационной съемки. Однако, 14-дюймовый артиллерийский снаряд - довольно крупный объект (сравнимый по размеру с 1000-фунтовой бомбой, но имеющий большую плотность).

image028.jpg image030.jpg

Рис 6

На Рисунке 6 произведено сравнение расчетной и измеренной гравитационных аномалий 155-мм артиллерийского снаряда, находящегося в толще земли. На Рисунке 7 дана топография и основные подробности участка проведения съемок. Измерения производились при помощи

прибора EDCON Super-G Meter, по сетке со стороной 0,5 м, на площади 3 х 3 м, центр которой располагался над снарядом. Каждое измерение состоит в среднем из пяти (на менее) 15-секундных записей, и среднее стандартное отклонение всех измерений равно 1,5 микроГал. Для того, чтобы облегчить сравнение с расчетной аномалией, на карте измерений показаны только положительные значения аномалии. Очевидно, что центр положительной гравитационной аномалии приблизительно совпадает с погребенным в земле 155-мм снарядом.

image032.jpg

Рис 7 a,b,c

image034.jpg

Хотя в зоне съемки имеются другие аномалии, совпадение положительной аномалии с местоположением артиллерийского снаряда, скорее всего, не случайно (Рисунок 7с). Положительная аномалия имеет приблизительно правильную пространственную волну и величину. Максимальное значение измеренной аномалии приходится на хвостовую часть снаряда, а при смещении к "носу" снаряда, величина аномалии и пространственная волна уменьшаются; эти особенности заметны для гравитационной характеристики реального артиллерийского снаряда, находящегося в земле на небольшой глубине. Центр расчетной аномалии для модели в виде вытянутого сфероида располагается на симметричной модели (т.е., разница между носовой и хвостовой частями модели отсутствует).

Наблюдения и выводы.

image036.jpg

Рис 8

image038.jpg

Рис 9 a,b,c

image040.jpg

Рис 10

Обсуждаемый в данной статье метод прямого моделирования форм магнитной и гравитационной аномалий для моделей UXO в виде вытянутого сфероида, полезен для параметрического изучения влияния ориентации боеприпасов, их размера, глубины залегания, а также напряженности и ориентации магнитного поля Земли (т.е., местоположения). Итоговые графические отображения позволяют рассматривать возможность обнаружения данных боеприпасов как функцию глубины, для случаев с ограниченной ориентацией

Например, на Рисунке 8 максимальная величина положительной магнитной аномалии полного поля для модели 105-мм артиллерийского снаряда представлена как функция глубины, для двух вариантов ориентации. Кроме того, показан порог номинального обнаружения, и максимальная глубина проникновения для 105-мм снаряда, расположенного в песке и гравии. 105-мм снаряд с азимутом = 0 и наклоном = 45° должен обнаруживаться на глубинах, превышающих максимальную ожидаемую глубину проникновения для песка и гравия, в то время как для случая с наклоном = 0°, возможность обнаружения на глубине максимального проникновения будет минимальна. Рассмотрение возможности обнаружения аномалии, создаваемой боеприпасами при конкретной величине магнитного фона, представляется гораздо более сложной задачей, чем просто превышение некоего постоянного порогового значения. Более качественная оценка возможности обнаружения представляет собой сравнение спектральной плотности мощности характеристик боеприпасов, и спектральной плотности мощности фона (Khadr и другие, UXO Forum, 1997).

Три примера значений магнитного фона представлены на Рисунке 9. Диапазон этот охватывает как площадки с очень слабым "шумом" (9а), так и площадки с чрезвычайно сильными местными помехами (9b), и площадки с заметными геологическими фоновыми аномалиями (9с). Для площадок со слабым "шумом" (9а), для оценки возможности обнаружения достаточно простого постоянного порогового значения. И если для обнаружения UXO в присутствии локальных геологических аномалий (9с) может быть применена фильтрация пространственной волны, обнаружение UXO с помощью метода магнитометрии в условиях сильных помех (9b) будет крайне затруднено, если вообще возможно.
Аналогичная ситуация для гравитационных аномалий. На Рисунке 10 представлено итоговое графическое отображение величины максимальной гравитационной аномалии как функции глубины для 10 видов боеприпасов (ориентированных горизонтально). Боеприпасы представлены в диапазоне от 105-мм артиллерийских снаряда до 16-дюймовых снарядов и 2000-фунтовых бомб. Важно то, что все боеприпасы создают максимальные аномалии, обнаруживаемые в тех случаях, когда глубина залегания боеприпасов очень мала (т.е., непосредственно под поверхностью земли). Для боеприпасов меньшего размера, пространственная волна малой длины потребует выполнения измерений с небольшим шагом, чтобы получить характеристики аномалии. Лишь два типа боеприпасов имеют величину максимальной аномалии, превышающую 5 микроГал на глубине 0,5 м; на глубине 1,0 м только 16-дюймовый артиллерийский снаряд имеет величину аномалии, равную ~5 микроГал. Очевидный смысл данных, представленных на Рисунке 10, состоит в том, что микрогравитационная съемка вряд липрименима для классификации и идентификации UXO. Один показатель, который не учитывался при рассмотрении модели гравитационной аномалии - это "ореол" сдавленной почвы (т.е., почвы с повышенной плотностью)

вокруг UXO, вызванный процессом проникновения. Объем ореола, скорее всего, сравним с объемом самого UXO, и присутствие ореола не может быть воспроизведено на испытательной площадке, где боеприпасы помещались в выкопанные ямы.

Благодарность: Обнародование этой информации

стало возможным благодаря Центру Инженерных Исследований и Разработок Армии США, на Экспериментальной Станции Waterways. Разрешение на эту публикацию было предоставлено Начальником Инженерной службы. Финансирование этой работы осуществлялось в рамках Программы Природоохранных Стратегических Исследований и Разработок (SERDP), Инициативы SERDP SEED, а также Инженерным Корпусом Программы Природоохранных Технологий AF25.

Переписка с автором: butlerd@wes.army.mil

(Boyve, со стр. 889)
(Земные недра, 1986).
"Использование магнитных свойств в качестве метода приближения при составлении карты загрязнения гавани Hamilton", автор - versteeg и другие (Journal of Great Lakes Research (Журнал по исследованиям Великих Озер), 1995).
"Составление карт магнитной восприимчивости загрязнений на обочинах дорог", автор - Hoffmann и другие (Journal of Geochemical Exploration (Журнал по геохимической разведке), 1999).
"Магнитная восприимчивость к слабому полю - приближенный метод оценки загрязнения различных природных систем", автор - Petrovsky и другие (Environmental Geology, 2000).

Благодарность: Финансирование этой работы было обеспечено Центром Исследований Земных и Космических технологий (CRESTech), и грантами Совета по Естественным Наукам и Инженерным Исследованиям Канады, предоставленными Boyce и Morris. Отдельная благодарность: Doug Hrvoic и Melissa Marlowe из организации Marine Magnetics, Канада, за сотрудничество и техническую поддержку. Также спасибо Ken Versteeg за обсуждение и возможность использования данных по восприимчивости земной коры.

Переписка с автором: Boyce, boycej@mcmas-ter.ca