Нелинейные локаторы, металлоискатели, обнаружи-тели пустот и рентгеновские аппараты

Эта группа средств использует физические свойства среды, в которой может размещаться закладное устройство, или свойства элементов закладных устройств, независимо от режима их работы.
Разработки нелинейных локаторов, получивших такое название из-за использования в своей работе нелинейных свойств полупроводниковых элементов, начались в США, Великобритании и СССР в середине 70-х годов. Первым устройством, поступившим на вооружение ЦРУ, был локатор "Super Scout", серийный выпуск которого начался с 1980 г. В 1981 г. появился британский "Broom", который несколько уступал американскому аналогу. Отечественный серийный локатор появился в 1982 г. и назывался "Орхидея". Еще раньше ему предшествовали несколько образцов, которые были сняты с появлением "Орхидеи" [53].
В настоящее время для поиска закладных устройств широко применяются нелинейные локаторы отечественного производства: "Обь", NR - 900Е, "Родник - 23", "Энвис", "Циклон", "Переход", "Омега-3" и др., а также импортные локаторы: Super Broom, Orion (NJE - 4000), Super Scout и т.д. (рис. 2.29... 2.31).
Характеристики некоторых нелинейных локаторов приведены в Приложении 7.

Что касается важности применения нелинейного локатора, то в настоящее время это единственное техническое средство, которое гарантирует почти 100 процентное качество обследования помещений по выявлению скрытых радиоэлектронных устройств.
Способность нелинейного локатора обнаруживать радиоэлектронные устройства основана на следующем. Любые радиоэлектронные устройства (РЭУ), независимо от размера и функционального назначения, состоят из печатных плат с проводниками, которые представляют для зондирующего сигнала локатора набор элементарных антенн - вибраторов. В разрыв отдельных проводников включены полупроводниковые элементы: диоды, транзисторы, микросхемы [53].
В результате облучения РЭУ зондирующим сигналом на частоте f на его полупроводниковых элементах через элементарные антенны наводится переменная ЭДС. В силу нелинейного характера вольт- амперной характеристики (ВАХ) элементов РЭУ переменный сигнал высокой частоты локатора претерпевает нелинейное преобразование в набор гармоник, частоты которых равны кратному целому числу зондирующей частоты локатора (2f, 3f и т.д.). С помощью тех же самых проводников печатной платы (элементарных антенн) весь спектр, включающий сигналы как на основной частоте f, так и на частотах гармоник 2f, 3f и т.д., переизлучается в эфир. Приемник локатора, принимая любую высшую гармонику переотраженного зондирующего сигнала локатора, устанавливает наличие в зоне облучения РЭУ [16, 53]. Так как амплитуда сигнала на гармонике резко убывает с увеличением ее номера, то в нелинейных локаторах в основном используют 2-ю и реже 3-ю гармоники.
Коэффициент преобразования энергии зондирующего сигнала в энергию высших гармоник очень мал, что относит нелинейные локаторы к системам ближнего действия. Существенное влияние на величину коэффициента преобразования оказывают значения мощности и частоты зондирующего сигнала локатора. Зависимость коэффициента преобразования от мощности зондирующего сигнала в первом приближении с точностью до 80% повторяет структуру ВАХ полупроводниковых элементов. Следовательно, на процесс преобразования влияет не величина средней мощности, а пиковая (импульсная) мощность сигнала [16, 53].
Сам процесс преобразования не зависит от состояния РЭУ: активное (включенное) или пассивное (выключенное), но коэффициент преобразования, а, следовательно, и мощность сигнала гармоник, являются функцией состояния объекта. При активном режиме объекта поиска мощность переизлученного на гармониках сигнала возрастает [53].
Наличие нелинейности характерно не только для полупроводниковых элементов радиоэлектронных средств, но контактов между металлическими предметами с пленкой окислов на поверхности, например, ржавых прутьев в железобетонных плитах домов. Все металлические контакты, в том числе и ржавчина, представляют собой нелинейный элемент с неустойчивым р-n переходом, поскольку он образован путем естественного прижима двух или более поверхностей. В физике полупроводников подобная структура известна как структура металл-окисел-металл, а нелинейный элемент подобной структуры называется МОМ-диод [53]. Поэтому обнаружение 2-й гармоники в отраженном сигнале не является достаточным условием наличия закладного устройства. Одновременный анализ 2-й и 3-й гармоник позволяет приближенно провести селекцию их источников: полупроводников РЭУ и других металлических элементов с полупроводниковым эффектом. Только в результате последующего обследования места облучения достоверно выявляется закладное устройство.
Как правило, на индикаторном устройстве современного нелинейного локатора отображаются относительные уровни принимаемых сигналов на второй и третьей гармониках и их разница. Индикаторные устройства располагаются или на приемо-передающем блоке (локаторы Super Broom, "Омега-3" и др.), или непосредственно на антенной штанге (локаторы NJE - 4000, NR-900E, "Энвис" и др.).
В нелинейных локаторах в основном используются передающие антенны с линейной поляризацией и приемные антенны - с круговой поляризацией.
Проникающая глубина зондирующего сигнала зависит от мощности и частоты излучения. Вследствие увеличения затухания электромагнитной волны в среде распространения с повышением частоты зондирующего сигнала (с ростом частоты наблюдается экспонен-циальный рост затухания) и вследствие физической природы процесса преобразования частоты полупроводниковыми приборами, связанной с их частотными свойствами, и в частности с граничной рабочей частотой, уровень мощности преобразованного отраженного сигнала тем выше, чем ниже частота зондирующего сигнала локатора [53]. Но для излучений с более низкой частотой ухудшаются возможности локатора по локализации места нахождения нелинейности, так как при приемлемых размерах его антенны расширяется ее диаграмма направленности. В основном в нелинейных локаторах используются частоты от 600 до 1 000 МГц [53].
При выборе частоты зондирующего сигнала необходимо учитывать и тот факт, что приемники нелинейных локаторов обладают высокой чувствительностью, поэтому на частотах приема не должно быть сигналов посторонних радиоэлектронных средств даже сравнительно небольшого уровня. В противном случае наличие мешающих сигналов значительно затрудняет процесс поиска закладных устройств. Например, в центре Москвы работа с нелинейным локатором "Энвис" может быть затруднена, так как в полосе приема отраженного сигнала на второй гармонике (около 1806 МГц) постоянно работает мощное радиоэлектронное средство.
Поэтому наиболее эффективно применение нелинейных локаторов, имеющих возможность перестройки рабочей частоты в некотором диапазоне. Например, в нелинейном локаторе Orion (NJE - 400) фирмы Research Electronics International (REI) предусмотрен автоматический режим выбора рабочей частота в диапазоне от 880 до 1000 МГц. При этом в качестве рабочей выбирается частота, на второй гармонике которой наблюдается наименьший уровень помех.
В зависимости от режима излучения нелинейные локаторы делят на локаторы с непрерывным и импульсным излучением.
Очевидно, что чем выше мощность излучения локатора, тем глубже проникает электромагнитная волна в облучаемую поверхность, и тем больше вероятность обнаружения помещенной в стену закладки. Но большая мощность излучения на высоких частотах оказывает вредное воздействие на оператора [53].
Для обеспечения его безопасности максимальная мощность излучения локатора в непрерывном режиме не должна превышать 3... 5 Вт [53]. При импульсном режиме мощность в импульсе достигает 300 Вт, однако, средняя мощность очень мала. Например, в локаторах серии "Циклон" максимальная средняя мощность составляет 0,12 Вт, а локаторе "Октава" - от 0,45 Вт до 1,5 Вт [53].
Современные нелинейные локаторы имеют возможность изменения мощности зондирующего сигнала. Например, в локаторе NJE - 400 (непрерывного излучения) мощность регулируется в пределах от 10 мВт до 1 Вт, в Super Broom Plus (непрерывного излучения) - от 1 мВт до 3 Вт, а в локаторе "Циклон-М" (импульсный) - от 80 до 250 Вт. Причем в некоторых локаторах (например, в Super Broom Plus) мощность излечения устанавливается (снижается) автоматически в зависимости от мощности сигнала, принимаемого на второй гармонике, и тем самым предотвращается перегрузка приемника.
Приемники нелинейных локаторов с непрерывным излучением имеют чувствительность -120... 145 дБ, с импульсным - 110... 120 дБ и обеспечивают дальность обнаружения полупроводниковых элементов 0,5... 1 м и более. Максимальная глубина обнаружения объектов в маскирующей среде (строительных конструкциях) составляет десятки сантиметров. Например, локаторы серии "Циклон" обнаруживают радиоэлектронные изделия в железобетонных стенах толщиной до 50 см, в кирпичных и деревянных стенах - до 70 см [53].
В большинстве современных локаторов используются приемники с регулируемой чувствительностью. Например, в нелинейном локаторе "Энвис" диапазон регулировки чувствительности приемника составляет 45 дБ, а в NR-900Е - 50дБ.
Точность определения местонахождения РЭУ составляет несколько сантиметров (например, в локаторах "Родник" и "Циклон" - 2 см).
Радиолокаторы «Родник-ПМ», «Переход», «Энвис», Super Broom и др. обеспечивают дополнительный режим прослушивания модулированных сигналов локатора, отраженных от полупроводниковых элементов закладок. Принцип модуляции аналогичен модуляции при высокочастотном навязывании [57, 62].
Современные нелинейные локаторы имеют небольшие размеры, вес и позволяют работать как от электросети, так и от автономных источников питания (аккумуляторов).
Например, у нелинейного локатора "Омега" вес приемо-передающего блока составляет 2 кг, а антенны со штангой - 0,8 кг. Вес нелинейного локатора "Циклон-М" в упаковке (кейсе) - 5,5 кг (при этом вес приемо-передающего блока составляет 1,2 кг). У нелинейного локатора Orion (NJE - 400) приемо-передающий блок и антенна закреплены на одной телескопической штанге, и общий вес конструкции не превышает 1,8 кг. Для удобства работы в этом локаторе используются беспроводные инфракрасные наушники.
Ряд закладных устройств выполняются по МОП- технологии, в экранированных корпусах. Поэтому их обнаружение даже с использованием нелинейных локаторов затруднено, так как уровень переизлученных сигналов на второй и третьей гармониках незначителен. Для поиска таких закладных устройств могут использоваться металлоискатели (металлодетекторы).
В металлоискателях используются магнитные и электрические свойства электропроводящих материалов, которые в той или иной степени присутствуют в закладных устройствах. Любая закладка содержит токопроводящие элементы: резисторы, индуктивности, соединительные проводники, антенну, корпус элементов питания или металлический корпус закладки и т.п.
Принципы работы металлоискателей основаны на измерении и селекции изменений активной и реактивной составляющей напряжения, наводимого на измерительной катушке металлоискателя вихревыми токами в исследуемом объекте, или изменении активного и реактивного сопротивления катушки [63, 87, 98, 102]. Вихревые токи возникают при облучении объекта магнитным полем, создаваемым другой, так называемой поисковой катушкой металлоискателя. На эту катушку поступает аналоговый или импульсный сигнал от соответствующего генератора металлоискателя. Наводимые в приемной катушке сигналы усиливаются и анализируются встроенным в металлоискатель микропроцессором, обеспечивающим преобразование сигнала в ряд Фурье. Характеристики сигнала зависят от размеров токопроводящей поверхности объекта, коэффициента ее электропроводности, магнитной проницательности материала и частоты поля, которую подбирают в зависимости от решаемых задач.
В металлоискателях, применяемых для поиска закладок, частота составляет несколько кГц. Компенсация сигналов в измерительной катушке, возникающих в результате непосредственного действия мощного поля поисковой катушки, достигается за счет соответствующего пространственного расположения поисковой и измерительной катушек, использования компенсационной катушки с параметрами, идентичными параметрам измерительной, но с противоположным направлением намотки провода, или обеспечивается электронным путем [63].
Для обнаружения закладок применяются в основном ручные металлоискатели. Измерительная и поисковая катушки в них могут выполняться в виде торроида диаметром порядка 140... 150 мм, конструктивно объединенного с кожухом в виде ручки, в котором размещаются остальные узлы металлоискателя, или устанавливаться в едином кожухе металлоискателя.
Металлоискатели имеют звуковые и световые индикаторы, регулятор настройки чувствительности. Питание ручных металлодетекторов осуществляется от встроенных аккумуляторов.
Основная проблема, возникающая в металлодетекторах - подстройка коэффициента усиления под параметры среды. В современных металлодетекторах эта проблема решается микропроцессором, который обеспечивает автоматическую настройку его чувствительности.
Типовым представителем металлоискателей является портативный селективный металлодетектор "Унискан" [63]. Он представляет собой вихретоковый селективный металлодетектор с компенсированным вихретоковым преобразователем. Прибор имеет встроенную систему дискриминации (игнорирования) мелких ферромагнитных предметов (булавок, скрепок, иголок и т.п.).
Сигнализация обнаружения металлических предметов осуществляется выдачей сигнала на встроенный пьезоэлектрический излучатель и светодиодный индикатор. В случае обнаружения ферромагнитного объекта, прибор выдает монотонный звуковой сигнал частотой 2... 3 кГц, а в случае обнаружения объекта из цветного металла - прерывистый [63].
В приборе реализован динамический режим работы, то есть, обнаружение предмета происходит при перемещении детектора над этим предметом (рекомендуемая скорость перемещения - 50 см/с). Он позволяет обнаружить винт М 3 7 на дальности 8 см, а латунный диск 25·1 мм - на дальности до 17 см [63].
Металлодетектор имеет небольшие размеры (400·145·35) и весит 260 г [63].
Технические средства обнаружения пустот позволяют повысить достоверность выявления пустот в сплошных средах (кирпичных и бетонных стенах, в деревянных конструкциях и др.), которые выявлялись путем простукивания этих сред. Пустоты в сплошных средах изменяют характер распространения структурного звука и спектр колебаний среды под действием ударов. В итоге звук от участка с пустотой воспринимается более громким и звонким. В качестве технических средств, выявляющих пустоты на основе акустических свойств, могут применяться различные ультразвуковые приборы.
Для обнаружения пустот в стенах или предметах используются также приборы, принцип работы которых основан на определении:
· различия в значениях диэлектрической проницаемости среды и пустоты;
· различия в значениях теплопроводности воздуха и сплошной среды.
В пустоте (воздухе) диэлектрическая постоянная близка к единице, для бетона, кирпича, дерева - она существенно меньше. Обнаружитель пустоты содержит высокочастотный генератор, контур которого вынесен в виде датчика (зонда). При приближении зонда к пустоте изменение диэлектрической постоянной вызывает изменение частоты генератора, которое интерпретируется оператором как информации о наличии в контролируемой зоне пустоты.
Эффективным средством выявления пустот в стенах являются тепловизоры. Чувствительность охлаждаемых тепловизоров достигает сотых долей градуса по Цельсию, неохлаждаемых - на порядок хуже. За счет разницы теплопроводности бетона или кирпича стен и воздуха пустот границы пустот наблюдаются на экране тепловизора.
Например, переносной неохлаждаемый тепловизор ТН-З («Спектр») со встроенным цифровым процессором обеспечивает возможность наблюдения на экране изображений в ИК- диапазоне (8...13 мкм) объекта при минимальной разности температуры элементов его поверхности 0,15 град, а тепловизионная система "Иртис-200" при охлаждении жидким азотом позволяет наблюдать тепловые поля и определять перепады температур до 0,05 0С [67].
Комплект тепловизора ТН-З содержит камеру размером 110·165·455 мм и массой 6 кг, малогабаритный монитор и блок питания.
Система "Иртис-200" включает инфракрасную камеру (размеры 100·140·210 мм, вес - 2 кг), портативный компьютер типа "Notebook" и специальное программное обеспечение. Угол поля зрения камеры 20·20 град, а угловое разрешение - 2·2 мрад. Время формирования кадра - 2 с. Время работы ИК- камеры от встроенного Ni-Cd аккумулятора не менее 5 часов [67].
Для просмотра предметов неизвестного назначения и выявления закладных устройств применяют переносные досмотровые рентгеновские комплексы двух видов: с отображением изображении на экране просмотровой приставки (переносные флюороскопы) и рентгено-телевизионные установки.
Переносные флюороскопы состоят из излучателя, пульта дистанционного управления, просмотровой приставки с люминесцентным экраном, аккумуляторного блока, зарядного устройства, соединительных кабелей и сумок для переноса установки (транспортной упаковки). В них используется метод рентгеноскопии, который основан на получении информации об объекте путем просвечивания его рентгеновским излучением и регистрации изображения с помощью флюороскопического экрана и усилителя изображения [73].
Обследуемый предмет размещается вплотную к просмотровой приставке и на расстоянии около 50 см от излучателя. Рентгеновское излучение от аппарата, проходя через обследуемый объект, образует теневое рентгеновское изображение, которое преобразуется флюороскопическим экраном в видимое изображение. С помощью поворотного зеркала изображение направляется в сторону входной оптики, которая проецирует его на фотокатод усилителя изображения. Усиленное изображение наблюдается оператором через входную оптику [73].
Для решения задач исследования неизвестных предметов используется переносная досмотровая рентгеновская установка «Шмель-90/К» (с анодным напряжением 90 кВ) (рис. 2.32). Питание установки автономное, она компактна (размеры рентгеновского аппарата - 260·82·290 мм, вес 6,3 кг; размеры визуализирующего устройства - 980·270·260 мм, вес - 2,9 кг) и имеет высокую разрешающую способность [73].

Досмотровая рентгеновская установка «Шмель-90/К» способна обнаружить электронные устройства за преградой из пластика (толщиной 50 мм), алюминия (толщиной 15 мм) и стали (толщиной 1,5 мм). Разрешающая способность позволяет различить расположенные на расстоянии 1 мм друг от друга за преградой из алюминия толщиной 3 мм две медные проволоки диаметром менее 0,2 мм, или за преградой из пластика толщиной 10 мм - два проводника печатной платы шириной 0,5 мм [73].
Рабочее поле экрана просмотровой приставки - круг диаметром 255 мм.
Режим работы аппарата - повторно-периодический. Время одного включения не должно превышать 30 с, интервал между включениями должен быть не менее 60 с, а время работы аппарата не должно превышать 10 мин/час [67].
Для обеспечения безопасности работы включение рентгеновского аппарата может производиться с пульта, выносимого на расстояние до 3 м [67].
Для просвечивания тонких предметов с неметаллическими корпусами используются установки, в которых применяются радиоактивные изотопы с низкой активностью. Они компактны, просты в управлении и безопасны. Например, рентгеновская микроустановка РК-990 имеет габариты 220·210 мм и весит 1,7 кг [136].
Развитием рентгеновских комплексов являются рентгено-телевизионные аппараты «Шмель-ТВ» и "Рона" (рис. 2. 33... 2.35). В них теневое рентгеновское изображение преобразуется в телевизионное, проецируемое на экран удаленного от излучателя телевизионного монитора [87].

Рентгеновский аппарат «Шмель-ТВ» обеспечивает возможность наблюдения объекта как на экране монитора, удаленного до 2 м от рентгеновской установки, так и экране просмотровой приставки комплекса «Шмель-90К». Размер экрана рентгено-телевизионного преобразователя- 360 · 480 мм или 240 · 180 мм. Блок управления комплекса позволяет запоминать до 1000 изображений, проводить контрастирование, увеличение масштаба (девять зон с двукратным увеличением), преобразование негатив/позитив и обеспечивает информационно-техническое сопряжение с ПЭВМ, что позволяет при наличие внешнего компьютера проводить дополнительную обработку изображений, распечатывать их на принтере и создавать базы данных для дальнейшего использования [87].
Переносная рентгено-телевизионная установка " Рона " включает блок управления и индикации, излучатель и рентгено-телевизионный преобразователь. Общая масса установки - 28 кг [54].
Максимальный разнос блока управления от рентгено-телевизионного преобразователя и излучателя составляет 10 м [54].
Комплекс позволяет получать рентгеновские изображения контролируемых предметов, находящихся за преградой из алюминия толщиной до 40 мм.
Режим работы рентгеновского аппарата импульсный с длительностью импульса 5 с. Напряжение на аноде аппарата- 70 кВ [54].
Размер рабочего поля преобразователя- 270·360 мм, а экрана монитора (диагональ)- 23 см [54].
Разрешающая способность установки позволяет выявлять медные проволочки диаметром 0,25 мм за преградой из алюминия толщиной 1 см [54].
После кратковременного включения рентгеновского излучателя поток излучения образует на рентгено-телевизионном экране преобразователя теневое оптическое изображение контролируемого предмета. Это изображение считывается телевизионной камерой и в цифровом виде записывается в блоке управления и индикации. Затем изображение внутреннего строения предмета выводится на монитор блока [54].
Полученное изображение может быть представлено в позитивном или негативном виде. Возможно изменение контраста наблюдаемого изображения и его электронное масштабирование, которое позволяет увеличивать в 2 раза любую из 9 частей изображения.
В случае необходимости полученные изображения записываются в долговременную память (архив). Запоминающее устройство блока управления позволяет записываемых в архив до 1000 изображений [54].
Наряду с рентгеновскими комплексами для обнаружения закладных устройств, скрытых в стенах и предметах, могут использоваться специальные приборы, позволяющие получать их радиоизображения, так называемые подповерхностные локаторы [79].
Например, прибор "Раскан-1" дает возможность наблюдать радиоизображения объектов на глубине до 200... 500 мм. При этом разрешение - не хуже 2 см. Прибор состоит электронного блока, включающего генератор, приемник и контроллер, антенны, механического сканирующего устройства, портативного компьютера и блока питания. Масса прибора - 3, 5 кг [79].
Отображение информации происходит в реальном масштабе времени на экране дисплея в виде полутонового изображения. Качество изображений может быть улучшено при использовании цифровых методов их обработки.
Средняя производительность при использовании механического сканера - около 10 минут на 1 м2 поверхности [79].
Подповерхностные локаторы по сравнению с рентгеновскими комплексами имеют, конечно, намного худшее разрешение и не позволяют обнаружить малоразмерные детали, но они имеют перед ними и ряд преимуществ: возможность одностороннего просмотра, отсутствие опасных излучений, сравнительно малые размеры и т.п. [79].
Эти приборы целесообразно использовать как дополнение к нелинейным локаторам при обследовании строительных конструкций.