Электромагнитные системы обнаружения служат для поиска объектов из
материалов, электропроводность которых отличается от электропроводности
морской воды и грунта. Электрическая составляющая электромагнитного
поля, создаваемого в морской воде, чувствительна к любым локальным
изменениям электропроводности среды, вносимым объектами поиска.
Непроводящие объекты поиска обнаруживаются тем лучше, чем больше
электропроводность морской воды и частота электромагнитного поля, так
как от этих параметров зависит величина электрической составляющей
электромагнитного поля. На обнаружение проводящих объектов
электропроводность воды практически влияния не оказывает, поскольку
такие объекты искажают и магнитную составляющую электромагнитного поля.
Это искажение обусловлено воздействием магнитного поля вихревых токов,
индуцируемых в проводящих телах магнитной составляющей электромагнитного
поля. Электромагнитные системы способны также обнаруживать проводящие
объекты поиска под слоем морского грунта.
Электромагнитные системы относятся к активным, поскольку их действие
связано с необходимостью создания в среде первичного электромагнитного
поля. Блок-схема электромагнитной системы изображена на рис. 3.23 [1].
Система имеет генераторный блок (ГБ), .предназначенный для
преобразования электрической энергии в энергию электромагнитного поля.
Искажения электромагнитного поля, вносимые объектами поиска,
воспринимаются приемным блоком (ПБ). Электрический сигнал, возникающий в
приемном блоке, через усилительно-селектирующий блок (УСБ) поступает в
исполнительный блок
(ИБ), приводящий в действие, как правило, систему обозначения
обнаруженных объектов. Основным элементом генераторного блока является
излучатель, в качестве которого применяется переменный магнитный диполь
в виде генераторной катушки, питаемой переменным током. Генераторная
катушка может снабжаться ферромагнитным сердечником. Питание излучателя
осуществляется от генератора гармонических колебаний через усилитель
мощности. В качестве приемных элементов электромагнитных систем
применяются индукционные катушки с ферромагнитными сердечниками или без
них. Встречаются схемы электромагнитных систем с совмещенными
излучателем и приемником. В этих схемах излучатель выполняет
одновременно функции приемника, изменяя свои магнитные и электрические
характеристики под действием электромагнитного поля объекта поиска [1,
2].
Остановимся вначале на рассмотрении характерных особенностей
электромагнитной системы с разделенными излучателем и приемником. Ее
отличительной особенностью является расположение приемного элемента
вблизи излучателя. На такой приемный элемент воздействует сильное
первичное электромагнитное поле, напряженность которого может в десятки
тысяч раз превышать электромагнитное поле объекта поиска. Поэтому
основным требованием к электромагнитным системам обнаружения с
разделенными излучателем и приемником является максимально возможная
компенсация влияния первичного поля на приемный элемент. От глубины этой
компенсации зависит чувствительность системы и дальность обнаружения
объектов поиска. Компенсация влияния первичного поля достигается
первоначально геометрической балансировкой воспринимающего элемента, т.
е. таким его расположением относительно излучателя, при котором их
потокосцепленне минимально. Дальнейшая компенсация осуществляется
электрическими методами, в частности подачей в приемный блок напряжения,
равного по величине компенсируемому, но обратного ему по знаку [2, 38].
На рис. 3.24 показаны возможные положения приемной катушки в поле
излучающей 1. Очевидно, что в положениях 5 и 2 приемная катушка
пронизывается силовыми линиями магнитной составляющей первичного
электромагнитного ноля и в ней наводится ЭДС. Снизить величину этой ЭДС
можно, лишь увеличивая расстояние между приемной и излучающей катушками.
В положениях 3 и 6 приемная катушка расположена в плоскостях,
перпендикулярных плоскости излучающей катушки. При этом силовые линии
магнитной составляющей первичного поля скользят по плоскости
расположения приемной катушки, ее потокосцепление с первичным полем
теоретически отсутствует и ЭДС в ней не наводится. Интерес с точки
зрения компенсации влияния первичного поля представляет расположение 4
приемной катушки. В этом положении происходит ее потокосцспление с
первичным полем. Однако через часть площади приемной катушки,
расположенной под излучающей, магнитные силовые линии первичного поля
идут сверху вниз, а через остальную площадь — снизу вверх. ЭДС,
наводимые в приемной катушке встречными магнитными потоками, вычитаются.
Следовательно, может быть найдено такое положение приемной катушки, при
котором ЭДС, наводимая в ней первичным полем, отсутствует.
Практически точную геометрическую балансировку приемных элементов
осуществить невозможно. В связи с этим для обеспечения более глубокой
компенсации наведенной ЭДС применяется ее электрическая компенсация [2].
Электрический мост (рис. 3.25), применяемый для этой цели, включается на
входе усилительно-селектирующего блока. Регулируемые емкость и
сопротивление в одном из плеч моста позволяют менять фазу и амплитуду
тока в нем. При равенстве фаз п амплитуд тока в обоих плечах моста
напряжение на его выходе будет отсутствовать.
Как указывалось выше (§ 2.3), искажение первичного электромагнитного
поля объектом поиска можно уподобить воздействию на приемную катушку
поля индуцированного магнитного или электрического диполя. Под действием
этого поля по приемной катушке потечет ток. Его фаза будет отлична от
фазы тока, вызываемого первичным полем. Угол фазового сдвига тока,
индуцированного в приемной катушке объектом поиска, зависит от многих
факторов, а именно: электропроводности воды, расстояния до объекта
поиска, его формы, электропроводности и магнитной проницаемости
материала корпуса. Например, фаза сигнала от ферромагнитного объекта
поиска благодаря его высокой магнитной проницаемости может резко
отличаться от фазы сигнала, индуцированного неферромагнитным объектом.
Если усилительно-селектирующий блок содержит фазочувствительный
детектор, предназначенный для разделения сигналов по фазе, то
электромагнитная система обнаружения способна отличать ферромагнитные
объекты поиска от неферромагнитных. Схема и векторные диаграммы
фазочувствительного детектора приведены на рис. 3.26. На вход
фазочувствительного детектора (точки 1—2) подается напряжение сигнала Uc,
а к точкам 3—4 — опорное напряжение Uon> фаза которого может
регулироваться. На выходе фазового детектора включен индикатор, например
самописец. Постоянный ток 1, текущий через
индикатор, пропорционален косинусу угла ф сдвига фаз между векторами
опорного напряжения и напряжения сигнала.
Если на вход фазочувствительного детектора поступают два сигнала
Uc1 и Uc2, сдвинутые по фазе, то при установке
вектора опорного напряжения таким образом, что (ф1<90°, а ф2>90°, ток
через индикатор будет течь в положительном направлении при поступлении
сигнала Uc1 и в отрицательном — при поступлении сигнала Uc2. Радиус
действия электромагнитной системы с разделенными излучателем и
приемником при поиске тел цилиндрической формы длиной 2—3 м и диаметром
0,5 м достигает 4 м.
Электромагнитные системы обнаружения с совмещенными излучателем и
приемником обладают конструктивно более простым и более надежным в
эксплуатации приемо-излучающнм блоком, однако значительно уступают
рассмотренной выше электромагнитной системе в чувствительности и радиусе
обнаружения [2]. Принцип действия таких систем основан на изменении
магнитных и электрических характеристик приемо-излучающей системы под
действием электромагнитного поля объекта поиска. В частности, в
окрестностях металлического объекта происходит изменение индуктивности
прнемо-нзлу-чающей катушки. При этом настройка резонансного
колебательного контура ухудшается, что приводит к изменению его
электрических параметров. Одним из методов, позволяющих установить
изменение индуктивности приемо-излучающей катушки в присутствии объекта
поиска, является так называемый метод биений. Блок-схема
электромагнитной системы с использованием этого принципа приведена на
рис. 3.27. Колебательный контур КК1 состоящий из приемо-излучающей
катушки, включенной параллельно емкости, питается синусоидальным током с
частотой f1 от генератора Г1.
Приемо-излучающая катушка буксируется в воде на определенном расстоянии
от грунта. Другой колебательный контур КК2 расположенный на корабле,
питается от генератора Г2 синусоидальным током с частотой /г- Напряжения
с колебательных контуров КК1, и КК2 подаются
на смеситель СМ, где они складываются и вычитаются таким образом, что на
выходе смесителя помимо частот и f1 существуют
еще их сумма и разность (биения). Частоты и f1
отфильтровываются фильтром Ф. На вход усилителя подается только
напряжение с частотой биений. При воздействии электромагнитного поля
объекта поиска самоиндукция приемо-излучающей катушки изменяется, что
приводит к изменению частоты f1,
колебательного контура КК1 и частоты биений. Изменение частоты биений
тем заметнее, чем больше напряженность магнитной составляющей поля
объекта поиска, т. е. чем больше объект поиска и чем ближе расположена к
нему приемо-излучающая катушка системы обнаружения.