ES2980042B2 - Sistema y metodo para detectar y desactivar o detonar artefactos explosivos - Google Patents

Description

DESCRIPCIÓN

SISTEMA Y MÉTODO PARA DETECTAR Y DESACTIVAR O DETONAR ARTEFACTOS

EXPLOSIVOS

Campo de la invención

La presente invención se engloba en el campo de los sistemas electromagnéticos para detección, destrucción o detonación de artefactos explosivos improvisados (IED), minas, bombas y otros artefactos explosivos.

Antecedentes de la invención

Actualmente existen sistemas portables por un operador para detectar artefactos explosivos, como minas. Sin embargo, no se conocen sistemas portables que permitan, además de la detección, la desactivación o la detonación de artefactos explosivos.

Descripción de la invención

La invención se refiere a un sistema y método para detectar y desactivar o detonar artefactos explosivos.

El sistema para detectar y desactivar o detonar artefactos explosivos comprende una cabeza magnética y un dispositivo de potencia y control. Ambos elementos están conectados mediante un cable largo (e.g. de 50 metros), preferentemente enrollable en un tambor.

La cabeza magnética está configurada para generar un campo magnético alterno e incluye un oscilador electrónico que comprende circuito resonante, un circuito de realimentación y un circuito amplificador. El circuito resonante incluye un condensador en paralelo con una bobina metálica encargada de generar el campo magnético alterno cuando circula por la bobina una corriente alterna a una determinada frecuencia de resonancia. El circuito de realimentación comprende un transformador con un primer devanado en paralelo con el condensador del circuito resonante. El circuito de realimentación está configurado para proporcionar al circuito amplificador, a través de un segundo devanado del transformador, una corriente de realimentación positiva proveniente del circuito resonante. El circuito amplificador, el cual comprende al menos un transistor de potencia, está configurado para amplificar la corriente de realimentación proveniente del circuito resonante. El rango de frecuencias del oscilador electrónico está preferentemente comprendido entre 40 kHz y 1MHz, aunque también se pueden utilizar bandas de radio ISM (industriales, científicas y médicas), especialmente las bandas de frecuencias bajas, centradas en 6,75MHz, 13,56MHz o 27,12MHz.

El dispositivo de potencia y control comprende una batería, un convertidor de potencia, al menos un interruptor y una unidad de detección de explosivos. El convertidor de potencia está configurado para, cuando está activado, alimentar al oscilador electrónico con una tensión continua mayor (e.g. 8 veces mayor) que la suministrada por la batería. El al menos un interruptor (que puede formar parte del convertidor de potencia o ser un elemento aparte) está configurado para alternar entre al menos dos estados incluyendo:

- Un primer estado en el que el convertidor de potencia está activado.

- Un segundo estado en el que el convertidor de potencia está desactivado, de forma que el oscilador electrónico está alimentado una tensión continua igual o inferior a la suministrada por la batería.

La unidad de detección de explosivos está configurada para detectar cambios en la frecuencia de resonancia del oscilador electrónico cuando el convertidor de potencia está desactivado.

El sistema permite por un lado detectar artefactos explosivos, para lo cual hay que desactivar el convertidor de potencia y alimentar al oscilador electrónico con la tensión de la batería (i.e. sin amplificar su tensión), y emplear la unidad de detección de explosivos. Por otro lado, el sistema también permite desactivar o detonar artefactos explosivos mediante la activación del convertidor de potencia. Preferentemente, se emplea un determinado patrón de activación y desactivación del convertidor de potencia para realizar la desactivación o detonación de los artefactos explosivos.

Con respecto a la función de desactivación o detonación de artefactos explosivos, el sistema de la presente invención tiene por objeto generar un producto w B ( w= 6.28 f, donde f es la frecuencia y B es la densidad de flujo magnético) lo más grande posible con el objeto de destrozar cualquier circuito eléctrico para neutralizar el artefacto explosivo, o calentar las partes metálicos del artefacto explosivo para (i) cambiar el estado del explosivo secundario de solido a líquido (e.g. el TNT, alrededor de 90°C) para desactivar el artefacto explosivo, (ii) cambiar el estado del explosivo secundario de líquido a gas (e.g. evaporar TNT, alrededor de 220°C) para desactivar el artefacto explosivo, o (iii) detonar el artefacto explosivo.

El método para detectar y desactivar o detonar artefactos explosivos emplea el sistema anteriormente descrito. El método comprende las siguientes etapas:

- Realizar un barrido de la cabeza magnética en una zona de búsqueda.

- Detectar, mediante la unidad de detección de explosivos, cambios en la frecuencia de resonancia del oscilador electrónico durante el barrido.

- Determinar una posición de la bobina de la cabeza magnética que produce un mayor cambio en la frecuencia de resonancia del oscilador electrónico.

- Activar y desactivar, mediante el al menos un interruptor, el convertidor de potencia de acuerdo a los siguientes patrones de activación:

• Activar el convertidor de potencia en una serie de pulsos cortos de activación de una duración inferior a un primer umbral de activación.

• Si no ha habido detonación del artefacto explosivo, activar el convertidor de potencia en una serie de pulsos largos de activación de una duración superior a un segundo umbral de activación, siendo el segundo umbral de activación superior al primer umbral de activación.

Breve descripción de los dibujos

A continuación, se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.

La Figura 1 muestra los elementos de un sistema para detectar y desactivar o detonar un artefacto explosivo según la presente invención.

La Figura 2 ilustra componentes de un sistema de la presente invención de acuerdo a una realización.

La Figura 3 represente un ejemplo de realización del sistema.

La Figura 4 muestra un ejemplo de una cabeza magnética.

Las Figuras 5A y 5B muestran la extensión del cable en la etapa de desactivación o detonación de un artefacto explosivo.

La Figura 6 es un diagrama de flujo de un método para detectar y desactivar o detonar artefactos explosivos que utiliza el sistema anteriormente descrito.

En la Figura 7A se representa el barrido de la cabeza magnética en una zona de búsqueda. En la Figura 7B se muestra la colocación la bobina en una determinada posición en la que se produce el mayor cambio en la frecuencia de resonancia del oscilador electrónico durante el barrido.

La Figura 8A muestra un ejemplo de circuito empleado como oscilador electrónico. Las Figuras 8B y 8C ilustran varias simulaciones realizadas en dicho circuito.

La Figura 9A representa un ejemplo de circuito eléctrico que incluye el oscilador electrónico y el convertidor de potencia. La Figura 9B ilustra una simulación realizada en dicho circuito.

La Figura 10 muestra un barrido de la bobina para estimar la distancia a un artefacto explosivo enterrado y, opcionalmente, la masa de hierro contenida en el mismo.

Descripción detallada de la invención

LaFigura 1ilustra de manera simplificada los componentes de un sistema 1 para detectar y desactivar o detonar un artefacto explosivo 10, tal como una mina, bomba o un artefacto explosivo improvisado (IED).

El sistema 1 comprende un dispositivo de potencia y control 2 y una cabeza magnética 3. Ambos elementos están conectados por al menos un cable 4. En laFigura 2se ilustran con más detalle los componentes internos del sistema 1.

La cabeza magnética 3 es una unidad configurada para generar un campo magnético alterno. La cabeza magnética 3 incluye un dipolo magnético formado por una bobina circular que conduce corriente alterna de gran amplitud para generar un fuerte campo magnético alterno alrededor de la bobina. La cabeza magnética 3 incorpora un oscilador electrónico 5, el cual comprende un circuito resonante 6, un circuito de realimentación 7 y un circuito amplificador 8.

El circuito resonante 6 comprende un condensador 9, de capacitancia C, en paralelo con una bobina 10 metálica, de inductancia L, que determinan una primera frecuencia de resonancia f<0>del oscilador:

El condensador 9 es de baja pérdida capaz de trabajar con al menos 100 A, por ejemplo 500 A, 1 KV AC (por lo tanto, 500 kVAR a alta frecuencia, típicamente entre 40 kHz y 1 MHz). La bobina 10 es la encargada de generar el campo magnético alterno cuando circula por la bobina una corriente alterna a una determinada frecuencia de resonancia f del oscilador.

En una realización, la bobina 10 tiene un diámetro D exterior superior a 50 mm, preferentemente entre de 100 mm y 600 mm.

En una realización, la bobina 10 está hecha de un tubo metálico hueco, con una o más vueltas (por ejemplo, un tubo de cobre o aluminio y con una sección de 12 mm de diámetro). La bobina 10 puede implementarse de otras formas diferentes; por ejemplo, mediante tiras o láminas de aluminio, mediante cable trenzado, etc. Las bobinas de cable trenzado tienen pérdidas a alta frecuencia más bajas (por una menor resistencia), pero son difíciles de enfriar y caras de fabricar. Las láminas de aluminio son ligeras, pero aportan menor estabilidad mecánica. Las bobinas de tubos huecos de cobre o aluminio se pueden enfriar mediante la circulación de aire en su interior.

En condiciones de uso normales, cuando no hay elementos externos próximos a la bobina que interactúen con el campo magnético generado por la misma, la corriente alterna generada por el sistema 1 en la bobina 10 tiene una frecuencia de resonancia feq igual a f<0>(feq= f<0>). Sin embargo, cuando se acerca la bobina 10 a un artefacto explosivo 11 que contiene partes metálicas, el metal cerca de la bobina 10 cambia la frecuencia de resonancia feq equivalente del oscilador electrónico 5, al modificar la inductancia equivalente Leq de la bobina 10 en el circuito resonante 6.

Por ejemplo, el aluminio y otros metales (oro, plata, cobre) cerca de la bobina 10 reduce la inductancia equivalente Leq de la bobina 10 y aumenta la frecuencia de resonancia feq, mientras que el hierro aumenta la inductancia equivalente Leq de la bobina 10 y reduce la frecuencia de resonancia feq. Normalmente hay hierro en un artefacto explosivo 11, lo cual produce una disminución de la frecuencia de resonancia feq.

En la Figura 1 se representa el campo magnético Bp generado por la corriente Ip alterna circulando por la propia bobina 10. La resonancia es necesaria para tener una corriente Ip muy alta en la bobina 10 y, con ello, un campo magnético Bp muy fuerte. Debido a que la corriente Ip que circula por la bobina 10 es alterna, el campo magnético Bp generado es variable en el tiempo. La magnitud del campo magnético Bp sobre el artefacto explosivo 11, situado por debajo de la bobina 10, depende además de su distancia a la bobina 10.

La variación en el tiempo del campo magnético Bp genera, de acuerdo a la ley de inducción electromagnética de Faraday, una corriente inducida Is en la parte metálica del artefacto explosivo 11, la cual a su vez genera un campo magnético Bs que impacta en la bobina 10, cambiando el valor de la inductancia equivalente Leq de la bobina 10 y, con ello, la frecuencia de resonancia feq equivalente del oscilador electrónico 5.

El circuito amplificador 8 proporciona la corriente Ip alterna en la bobina 10, a la frecuencia de resonancia feq. El circuito amplificador 8 comprende al menos un transistor de potencia y está configurado para amplificar la corriente de realimentación proveniente del circuito resonante 6.

El circuito amplificador 8 recibe una realimentación positiva del circuito resonante 6 a través del circuito de realimentación 7, el cual comprende un transformador 12 con un primer devanado 12a (devanado principal) en paralelo con el condensador 9 del circuito resonante 6. El circuito de realimentación 7 está configurado para proporcionar al circuito amplificador 8, a través de un segundo devanado 12b (un devanado secundario) del transformador 12, una corriente de realimentación positiva proveniente del circuito resonante 6.

Durante la operación del sistema 1 se emplean altas potencias, lo cual puede calentar en exceso la bobina 10 metálica. Dicho sobrecalentamiento se puede transmitir a los demás componentes del oscilador electrónico 5. Con el fin de mantener la temperatura de los componentes electrónicos (e.g. los semiconductores) por debajo de una temperatura máxima de funcionamiento (e.g. 100°C) durante la transferencia de alta potencia al artefacto explosivo 11, la bobina 10 metálica se puede refrigerar mediante un circuito de refrigeración, preferentemente por aire. En una realización, el circuito de refrigeración de la bobina 10, integrado en la cabeza magnética 3, incluye un compresor 13 o un ventilador (alimentado por el dispositivo de potencia y control 2 a partir de la tensión suministrada por el cable 4) configurado para hacer circular aire de manera forzada por el interior de la bobina 10 metálica formada por un tubo metálico hueco, tal y como se ilustra en el ejemplo de la Figura 2.

El dispositivo de potencia y control 2 está conectado mediante cable 4 al oscilador electrónico 5 y comprende una batería 14 que proporciona alimentación al sistema, un convertidor de potencia 15, un primer interruptor 16 y una unidad de detección de explosivos 17. El dispositivo de potencia y control 2 es utilizado por un operador para detectar artefactos explosivos 11 y, una vez detectados, desactivarlos por inducción de alta tensión o detonarlos mediante calentamiento por inducción.

La desactivación o neutralización del artefacto explosivo 11 se puede producir por el calentamiento producido en los elementos metálicos debido al campo magnético alterno en la bobina 10, el cual induce corrientes de Foucault en el metal del artefacto explosivo 11. La inducción puede destruir la electrónica del artefacto explosivo 11 induciendo sobrevoltajes y sobrecorrientes. Así, por ejemplo, en una bomba (que es normalmente un hueco metálico con TNT u otro explosivo secundario), la inducción calienta el metal, que luego calienta el TNT, el cual cambia de estado sólido a estado líquido cuando se calienta por encima de unos 90°C. Si el hueco de la bomba tiene alguna salida, el TNT puede salir como un líquido y la bomba queda neutralizada. Si no el TNT líquido no puede salir, la inducción continua y prolongada puede calentar mucho el metal, llegando a una temperatura de explosión (e.g. a unos 200°C) de la carga primaria o cambiando el estado del explosivo secundario de líquido a gas. Por tanto, el sistema 1 es capaz de desactivar artefactos explosivos 11 o de detonarlos, en función del tipo de artefacto explosivo y del perfil de calentamiento que se utilice.

La batería 14 puede ser cualquier fuente portable de suministro de energía incluyendo una batería, una agrupación de baterías y uno o varios supercondensadores, entre otras fuentes de energía. La batería puede ser, por ejemplo, de 36 V y 150 A.

El convertidor de potencia 15 está configurado para alimentar al oscilador electrónico 5 con una tensión continua mayor que la suministrada por la batería 14. En una realización, el convertidor de potencia 15 suministra al menos 8 veces la tensión de la batería 14; por ejemplo, transforma los 36 voltios de la batería en 288 voltios (8 veces la tensión de la batería 4) de tensión continua que se suministra a través del cable 4 al oscilador electrónico 5. El convertidor de potencia puede ser, por ejemplo, de 5kW de salida. El convertidor de potencia 15 puede ser un convertidor DC/DC (e.g. un convertidor DC/DC elevador).

El primer interruptor 16 se encarga de encender o apagar (i.e. activar o desactivar) el convertidor de potencia 15. Cuando el convertidor de potencia 15 está encendido (activo o activado), suministra al oscilador electrónico 5 una determinada potencia (que puede ser regulada) a una tensión continua mayor que la de la batería. Cuando el convertidor de potencia 15 está apagado (inactivo o desactivado), no se aumenta la tensión de la batería; en su lugar, el voltaje de la batería 14 alimenta directamente al oscilador electrónico 5. El primer interruptor 16 alterna por tanto entre al menos dos estados, un primer estado en el que el convertidor de potencia 15 está activo, proporcionando al oscilador electrónico una tensión mayor continua mayor que la batería 14, y un segundo estado en el que el convertidor de potencia 15 está inactivo, de forma que es la batería 14 la que alimenta directamente al oscilador electrónico 5.

El primer interruptor 16 puede ser gobernado manualmente, por ejemplo mediante un selector que permita a un operador seleccionar el encendido o apagado del convertidor de potencia 15.

Alternativamente, el primer interruptor 16 puede ser controlado por una unidad de control, como por ejemplo un microcontrolador, en función de una entrada recibida a través de unos medios de entrada. Por ejemplo, un operador puede seleccionar en un panel de control el encendido o el apagado del convertidor de potencia 15, o incluso una determinada potencia de salida del convertidor de potencia 15, y la unidad de control recibe dicha orden de entrada y controla el primer interruptor 16 según la orden recibida. Los medios de entrada pueden incluir, entre otros, un panel de control, una pantalla táctil, un selector, un módulo de comunicación inalámbrica para recibir instrucciones remotas, etc.

El primer interruptor 16 puede implementarse de diferentes formas para cumplir las funciones descritas de encendido y apagado del convertidor de potencia 15; por ejemplo, mediante un selector rotativo gobernado manualmente, mediante uno o más transistores gobernados por una unidad de control, mediante un circuito con una combinación de semiconductores (e.g. uno o varios transistores y resistencias), etc.

La unidad de detección de explosivos 17 está configurada para detectar (o monitorizar) cambios en la frecuencia de resonancia del oscilador electrónico 5, los cuales se producen cuando se acerca la cabeza magnética 3 al metal de un artefacto explosivo 11. Para detectar dichos cambios la unidad de detección de explosivos 17 recibe de la cabeza magnética 3, de manera continuada, una señal Sfeq representativa de la frecuencia de resonancia feq del oscilador electrónico 5, esto es, una señal alterna a la frecuencia de resonancia feq del oscilador electrónico 5 (por ejemplo, la intensidad que circula por un devanado secundario del transformador 12). Dicha señal puede ser enviada a través del cable 4 o de manera inalámbrica mediante una señal de radio.

La detección de cambios en la frecuencia de una señal se puede realizar por cualquiera de los métodos conocidos en el estado del arte. Por ejemplo, se puede realizar de manera acústica o mediante un contador de frecuencia. La detección de artefactos explosivos 11 utilizando la cabeza magnética 3 funciona de manera similar a un dispositivo detector de metales.

En laFigura 3se muestra un ejemplo de realización del sistema en el que se emplea la detección de la desviación de frecuencia del heterodino. En esta realización la unidad de detección de explosivos 16 comprende un mezclador 20, un oscilador local 21 sintonizable mediante una entrada E, un amplificador de audio 22 y un altavoz 23 o un auricular. El mezclador 20 recibe una señal Sfeq (en este caso, la señal Sfeq es proporcionada por un segundo devanado secundario 12c del transformador 12) de frecuencia feq, la frecuencia de resonancia feq del oscilador electrónico 5, y la mezcla con la señal Sfs proveniente del oscilador local, a una frecuencia fs sintonizable a través de la entrada E. El mezclador 20 proporciona una señal de salida con la diferencia de frecuencias (i.e. a una frecuencia f=feq-fs) a un amplificador 22, el cual amplifica la señal para reproducirla en un altavoz 23 o un auricular.

Un operador puede sintonizar la frecuencia del oscilador local 21 para que el tono de la diferencia de frecuencias se mantenga en un rango de frecuencia de audio audible, de 16 Hz a 20000 Hz. La frecuencia del oscilador local 21 se puede ajustar para que la diferencia de frecuencias se sitúe en un tono de audio cómodo, entre 200Hz y 5 kHz, preferentemente próximo a 500 Hz. Al realizar un escaneo en busca de artefactos explosivos 11, mediante un barrido de la cabeza magnética 3 sobre un determinado área o terreno, la presencia de metal en el artefacto explosivo 11 (e.g. una mina enterrada en el terreno escaneado) hará que el tono de audio reproducido por el altavoz 23 cambie debido al cambio de frecuencia feq de la señal Sfeq proveniente del oscilador electrónico 5. En el barrido de la cabeza magnética 3, realizado por un operador o por un vehículo/dron que porta la cabeza magnética 3, se busca el punto donde se obtiene el cambio de frecuencia máxima y, una vez encontrado, la cabeza magnética 3 se deja inmóvil en dicha posición para proceder a la desactivación o destrucción del artefacto explosivo 11.

La unidad de detección de explosivos 17 puede detectar un cambio en la frecuencia de resonancia del oscilador electrónico 5 usando otros métodos, como por ejemplo mediante un contador de frecuencia, a través del cual se puede medir la frecuencia de la señal a la salida del mezclador 20 o medir directamente la frecuencia de la señal Sfeq proveniente del oscilador electrónico 5, la cual se puede representar en una pantalla. Un operador que realice un barrido con la cabeza magnética 3 puede detectar el cambio de frecuencia máxima mediante la lectura de la medida de frecuencia.

Cuando la cabeza magnética 3 se mueve sobre un metal, como por ejemplo un pequeño detonador, se produce un incremento en el consumo de potencia de la batería y una variación en la frecuencia de resonancia, que dependerá del tipo de metal. La unidad de detección de explosivos 17 puede estar configurada para medir la variación de potencia Ap suministrada por la batería (usando por ejemplo un sensor de corriente) y la variación de frecuencia de resonancia Af durante el barrido de la cabeza magnética 3 para, en base a dichas variaciones, estimar una cantidad de metal que produce dicha variación y/o determinar (e.g. mediante la comparación con unos valores de referencia) si corresponde a un artefacto explosivo 11.

En la Figura 3 se muestra un ejemplo de realización del oscilador electrónico 5. En esta realización los elementos activos del circuito amplificador 8 son dos transistores de potencia MOSFET (Q1,Q2) que trabajan en configuración push-pull, aunque se podrían usar otras topologías que cumplan la función de amplificar la corriente de realimentación proveniente del circuito resonante. El circuito de realimentación 7 puede incluir, tal y como se refleja en el ejemplo de la Figura 3, el transformador 12 y las resistencias R1 y R2 como componentes de retroalimentación y controlador de puerta de los transistores. Los diodos Zener Z1 y Z2 se encargan de sujetar los voltajes de la puerta de los transistores Q1 y Q2 a valores seguros, y los diodos rápidos D1 y D2 están sujetando los voltajes de la puerta de los transistores Q1 y Q2, para evitar la conducción simultánea de dichos transistores. Las resistencias R3 y R4 y el diodo Zener Z3 se encargan de proporcionar voltaje de polarización a los transistores Q1 y Q2. Las inductancias L2 y L3 proporcionan una fuente de alimentación de corriente continua al drenador de los transistores de conmutación Q1 y Q2.

LaFigura 4muestra un ejemplo de cabeza magnética 3, donde la bobina 10 es un tubo metálico con dos vueltas o espiras y el resto de los componentes del oscilador se integran en el interior de una carcasa 25.

La cabeza magnética 3 puede ser portada por un operador o puede estar montada en un vehículo (e.g. un vehículo terrestre o un dron) controlado a distancia.

En una realización, durante la detección del artefacto explosivo 11, el operador porta el dispositivo de potencia y control 2 (por ejemplo, a la espalda, en una mochila) y la cabeza magnética 3 en una mano. El operador mueve la cabeza magnética 3 en un área de búsqueda hasta detectar un posible artefacto explosivo 11 (mina, bomba, granada, IED, etc.). Una vez detectado, se deja inmóvil la cabeza magnética 3 en el punto de máximo cambio de frecuencia de resonancia y se pasa a la fase de desactivación o detonación, para lo cual el operador se aleja con el dispositivo de control y potencia 3 desenrollando el cable 4.

En laFigura 5Ase muestra la extensión del cable 4 en una etapa de desactivación o detonación del artefacto explosivo 11, donde la cabeza magnética está montada en un soporte 26 para ser portado por el operador 30 durante la búsqueda.

El cable 4 se incorpora preferentemente en un tambor para poder recoger o extender el cable. El cable 4 permite aumentar la distancia entre la cabeza magnética 3 y el operador 30 que controla el dispositivo de potencia y control 2, hasta 50 metros o más, dependiendo del tipo de artefacto explosivo 11 que se vaya a desactivar o detonar.

En otra realización, durante la detección del artefacto explosivo 11 un vehículo, controlado mediante control remoto por el operador o de forma autónoma, porta la cabeza magnética 3 y se desplaza por un área de búsqueda hasta detectar un artefacto explosivo 11. LaFigura 5Bmuestra el operador 30 alejado del vehículo 27 que porta la cabeza magnética 3, durante la fase de búsqueda o durante la fase de desactivación/detonación.

En laFigura 6se muestra un diagrama de flujo de un método 100 para detectar y desactivar o detonar artefactos explosivos que utiliza el sistema 1 previamente descrito.

El método 100 comprende realizar un barrido 110 de la cabeza magnética 3 en una zona de búsqueda 40. En la Figura 7A se representa el barrido en una zona de búsqueda 40 de la cabeza magnética 3 (no se ilustra el resto de los componentes del sistema 1, esto es, el cable 4 y el dispositivo de potencia y control 2). El barrido de la cabeza magnética 3 comprende cambios en las posiciones (xi,yi,zi) de la bobina 10 dentro de dicha zona de búsqueda, siguiendo una determinada trayectoria 41, pudiendo también incluir cambios en las orientaciones (e.g. ángulos de inclinación con respecto al suelo) de la bobina 10. En línea discontinua se ilustra la cabeza magnética 3 en una posición inicial (x<0>,y<0>,z<0>) del barrido y en línea continua la cabeza magnética 3 en una posición final (xf,yf,zf), una vez recorrida la trayectoria 41.

Durante el barrido se detectan 120 (e.g. mediante monitorización acústica), utilizando la unidad de detección de explosivos 17, cambios en la frecuencia de resonancia feq del oscilador electrónico 5. A continuación, se determina una posición (xm,ym,zm) de la bobina 10 de la cabeza magnética 3, y opcionalmente una orientación de la misma, que produce el mayor cambio en la frecuencia de resonancia feq del oscilador electrónico 5 durante el barrido, y se dispone 130 la bobina 10 en dicha posición (y orientación), según se ilustra en la Figura 7B. Adicionalmente, para asegurar la presencia de metal de un posible artefacto explosivo (11) se puede exigir, como requisito para continuar con el método 100, que la variación de frecuencia de resonancia Af y/o la variación de potencia Ap suministrada por la batería cumplan unas determinadas condiciones, por ejemplo que el cambio producido en la frecuencia de resonancia feq sea superior a un determinado umbral y/o que haya una determinada variación de potencia Ap suministrada por la batería.

Una vez la bobina 10 esté correctamente posicionada y el operador 30 del dispositivo de potencia y control 2 esté alejado a una determinada distancia de seguridad, fuera del radio de acción del artefacto explosivo 11, se controla el primer interruptor 16 (e.g. manualmente por parte del operador 30) para activar y desactivar el convertidor de potencia 15 siguiendo unos determinados patrones de activación. Primero se activa 140 el convertidor de potencia 15 en una serie de pulsos cortos de activación 142 de una duración TONinferior a un primer umbral de activación T i, donde TON es la duración de activación de cada pulso durante la cual el convertidor de potencia 15 está activado. Durante estas ráfagas de pulsos cortos de activación 142 del convertidor de potencia 15, se proporciona un alto voltaje al oscilador electrónico 5 a través del cable 4, aumentando considerablemente la densidad de flujo magnético Bp generado por la bobina 10. En una realización, los pulsos cortos de activación 142 tienen una duración TONinferior a 3 segundos (esto es, T i=3s). Por ejemplo, se pueden emplear una serie de pulsos de 2 segundos de activación (TON=2s) repetidos cada 5 segundos (esto es, cada 5 segundos se enciende el convertidor de potencia 2 segundos y permanece desactivado 3 segundos). La repetición de estos pulsos cortos de activación 142 un número determinado de veces, utilizando por ejemplo 10 o más pulsos cortos, puede dañar circuitos electrónicos incluidos en el interior de un artefacto explosivo 11 o destruir la electrónica interna, en cuyo caso el artefacto explosivo 11 se desactiva o detona, en función del artefacto explosivo 11 y del circuito destruido.

A continuación, se comprueba si ha habido detonación 150. Si el artefacto explosivo 11 ha explotado, se termina el proceso (en ese caso la cabeza magnética 3 posiblemente haya sido también destruida y tenga que ser reemplazada). En caso contrario, se activa 160 el convertidor de potencia 15 en una serie de pulsos largos de activación 162 de una duración TONsuperior a un segundo umbral de activación Ts, donde Ts>Ti. En una realización, los pulsos largos de activación 162 tienen una duración (TON) superior a 10 segundos (esto es, Ts=10<s>); por ejemplo, se pueden emplear pulsos de 20s de activación (TON=20s). En este caso se emplean pulsos de mayor duración para calentar la parte metálica del artefacto explosivo 11. Estos pulsos largos de activación 162 se repiten un determinado número de veces (por ejemplo, 10 veces).

La aplicación de una corriente alterna a la bobina 10 establece un campo magnético Bpalterno dentro y fuera de la bobina 10. Al introducir un artefacto explosivo con una parte metálica en el interior del campo magnético Bpgenerado por la bobina 10, se genera una fuerza electromotriz en el interior del metal que origina una corriente eléctrica interna que produce calor debido a que los metales tienen resistencia eléctrica. Las pérdidas en el hierro incluyen pérdidas de histéresis y pérdidas debido a la resistencia eléctrica.

Así, por ejemplo, en un artefacto explosivo improvisado (IED) las corrientes inducidas generadas por los pulsos cortos de activación 142 pueden estropear la electrónica asociada, con lo que el IED queda neutralizado. La inducción de altos voltajes en el cableado eléctrico dentro y fuera de un IED puede ocasionar su desactivación. Los pulsos cortos de activación 142 son pulsos de inducción de alta tensión que tiene como objetivo neutralizar la electrónica del artefacto explosivo 11 por sobretensión o sobrecorriente.

Los pulsos largos de activación 162 son pulsos de calentamiento que tienen por objeto generar un importante calentamiento por inducción en el artefacto explosivo 11, el cual puede generar su desactivación o su detonación, en función del tipo de artefacto explosivo 11. De esta forma, si la carga principal del artefacto explosivo 11 es TNT, cuando la temperatura del artefacto explosivo 11 sube a unos 90°C se produce un cambio en el estado del TNT a líquido. El TNT puede acabar saliendo por los orificios de ventilación en la tapa metálica que rodea la carga principal de la granada, mina o bomba, con lo que el artefacto explosivo queda desactivado o la detonación final se vuelve menos destructiva.

En otros artefactos explosivos 11 el calentamiento por inducción puede generar su explosión, cuando se alcanza la temperatura del detonador. Por ejemplo, si el artefacto explosivo 11 es una bomba clásica, se calienta debido al hierro y explota.

La función principal de la cabeza magnética 3 es proporcionar un producto frecuencia por campo magnético muy alto para inducir corrientes destructivas en los circuitos eléctricos que forman parte del artefacto explosivo 11. El voltaje inducido por metro cuadrado es V=2nfB .La resonancia en el oscilador electrónico 5 permite obtener corrientes muy elevadas en la bobina 10 y, por tanto, un campo magnético B muy fuerte. Además, el circuito resonante se configura para tener una alta frecuencia de resonancia. Por ejemplo, si la frecuencia de resonancia es 500kHz y el campo magnético en el artefacto explosivo es B= 0.001T, el voltaje inducido es 3142 V/m2. Estas elevadas corrientes inducidas, generadas primero por los pulsos cortos de activación 142, pueden dañar los circuitos electrónicos del artefacto explosivo 11, deshabilitándolos o explotándolos. Además, las corrientes inducidas generan a lo largo del tiempo, especialmente cuando se aplican pulsos largos de activación 162, un calentamiento por inducción en el artefacto explosivo 11, que puede ocasionar también su desactivación o denotación.

En una realización, el calentamiento por inducción puede ser controlado mediante la monitorización de la temperatura de calentamiento, utilizando por ejemplo una cámara o sensor infrarrojo. De esta forma se puede controlar la activación del convertidor de potencia 15 en función de un perfil de temperatura, teniendo en cuenta la temperatura actual monitorizada y las temperaturas objetivos del perfil de temperatura.

En laFigura 8Ase muestra, únicamente a modo de ejemplo, un circuito empleado como oscilador electrónico 5. V4 representa la tensión de alimentación procedente del dispositivo de potencia y control 2 a través del cable 4. El metal del artefacto explosivo 11 se representa por L7 y R4. L representa la bobina 10 del circuito resonante 6, y C el condensador 9 del circuito resonante 6 que hace la resonancia con la bobina L y el metal que hay cerca (en este caso, el metal del artefacto explosivo 11 representado por L7 y R4). M1 y M2 son dos transistores de potencia del circuito amplificador 8.

En lasFiguras 8By8Cse ilustra una simulación simplificada del circuito de la Figura 8A, sin elementos no lineares. En particular, la Figura 8B muestra la corriente I(L) en la bobina L y I(L7) la corriente inducida en la bobina L7, esto es, la corriente inducida en el artefacto explosivo 11. I(L) tiene un pico de 170 A, mientras que I(L7) tiene un pico de unos 30 A. Por su parte, la Figura 8C representa la corriente I(M1) en el transistor M1, de unos 20.5 A de pico.

En laFigura 9Ase muestra un ejemplo de un circuito eléctrico que representa los componentes del oscilador electrónico 5 y del convertidor de potencia 15, conectados por el cable 4. También se muestra el metal del artefacto explosivo 11, representado por una bobina y una resistencia, en el cual se induce corriente por la proximidad de la bobina 10.

V1 es una fuente de tensión (por ejemplo, una fuente de 15V y 100mA) que alimenta los transistores del convertidor de potencia 15, proporcionando la tensión necesaria para su encendido. El primer interruptor 16, en serie con la fuente de tensión V1, controla el encendido o apagado del convertidor de potencia 15. V representa la tensión proporcionada por la batería 14 (e.g. de 36 V). La batería 14 está conectada al oscilador electrónico 5 mediante un diodo 28. Opcionalmente, se puede incorporar un segundo interruptor 29 (e.g. de 10A) en serie con el diodo.

La activación (conexión o desconexión) del primer interruptor 16 (y, opcionalmente, del segundo interruptor 29 en el caso de que esté presente) define al menos dos estados en el sistema 1.

La conexión del primer interruptor 16 define un primer estado por el cual el convertidor de potencia 15 está activado (V1 suministra tensión a los transistores del convertidor de potencia 15) y suministra al oscilador electrónico 5 la tensión de la batería amplificada; por ejemplo, en el circuito de la Figura 9A la fuente de 36V de la batería se multiplica por 8, proporcionando al oscilador una tensión de unos 288V.

La desconexión del primer interruptor 16 define un segundo estado, por el cual el convertidor de potencia 15 está desactivado (ya que no se suministra tensión a los transistores del convertidor de potencia 15) y el oscilador electrónico 5 está alimentado con una tensión continua igual o inferior a la suministrada por la batería. Este segundo estado requiere adicionalmente que el segundo interruptor 29 esté conectado, en el caso de que esté presente. En este segundo estado el convertidor de potencia 15 está conectado a la batería 14, pero no consume corriente debido a que todas las puertas de los transistores MOSFET están a 0 voltios, y el sistema 1 está en modo de detección de artefactos explosivos, por el cual el consumo de la batería es bajo y se suministra al oscilador la tensión de la batería (o ligeramente inferior, considerando la caída de tensión intermedia en el diodo 28).

Cuando se emplea el segundo interruptor 29, el sistema 1 puede pasar a un tercer estado, para lo cual ambos interruptores (16,29) deben estar desconectados. De esta forma, el sistema 1 está apagado, sin consumo por parte del oscilador electrónico 5 o el convertidor de potencia 15.

El sistema 1 representado en la Figura 9A tiene, por tanto, tres modos de operación:

- Apagado: Este modo de funcionamiento se da cuando el convertidor de potencia 15 está desactivado (primer interruptor 16 desconectado) y el segundo interruptor 29 está desconectado. En este caso la tensión suministrada al oscilador electrónico 5 es cero, y el consumo del sistema 1 es nulo.

- Modo de detección de artefactos explosivos: Cuando el convertidor de potencia 15 está desactivado (primer interruptor 16 desconectado) y el segundo interruptor 29 está conectado. El voltaje aportado al oscilador electrónico 5 es aproximadamente el voltaje de la batería (unos 36V). En este modo, en el cual hay un consumo bajo, la unidad de detección de explosivos 17 detecta cambios en la frecuencia de resonancia del oscilador electrónico 5.

- Modo de desactivación o detonación de artefactos explosivos: Este modo de funcionamiento ocurre cuando el convertidor de potencia 15 es activado por la maniobra del primer interruptor 16 en pulsos cortos de activación 142 para inducción de altos voltajes y posteriormente en pulsos largos de activación 162 para calentar el metal del artefacto explosivo 11. En el ejemplo de la Figura 9A el voltaje proporcionado al oscilador electrónico 5 es de unos 288V y el consumo de la batería 14 de unos 5 kW.

LaFigura 9Bilustra una simulación de la corriente I(L) en la bobina 10 en un primer estado 50, cuando el convertidor de potencia 15 está activado (90 A de pico), y en un segundo estado 52, cuando el convertidor de potencia 15 está desactivado y solo se suministra al oscilador tensión de la batería (unos 30 A de pico). El primer interruptor 16 es el encargado de conmutar entre ambos estados (50,52).

El fuerte campo magnético alterno generado por la bobina cuando el convertidor de potencia 15 está activado provoca el calentamiento del metal en el artefacto explosivo 11. En el caso de que el artefacto explosivo 11 incluya hierro, el material más usado, el calor específico del hierro es 450 J/kg*K., es decir, cuesta 450 julios calentar un grado a un kilogramo de hierro. Así, suponiendo que el artefacto explosivo 11 tenga 1Kg de hierro que se calienta con 1kW, la subida de temperatura será de 2.22 grados C/ secundo. La velocidad del calentamiento del hierro variará por tanto en función del contenido de hierro del artefacto explosivo y la intensidad de las corrientes inducidas en el metal.

Volviendo al diagrama de flujo de la Figura 6, el método 100 puede incluir la obtención de una estimación de la distancia de la cabeza magnética 3 al artefacto explosivo 11 y de la masa de hierro contenida en el artefacto explosivo 11. En laFigura 10se muestra un barrido 110 de la bobina 10 de la cabeza magnética 3 en una línea recta horizontal (eje x) a una determinada altura H sobre el terreno 60, intentando localizar un artefacto explosivo (e.g. una mina 11) enterrado en el terreno 60. Se representan tres diferentes posiciones (A, B y C) de la bobina 10 durante el barrido. En la figura se muestra la sección transversal del tubo de la bobina 10 cuando está centrada en la posición B. El barrido se puede realizar de manera manual (un operador) o de manera automática (e.g. usando un robot).

Mientras se realiza el barrido se detectan 120 cambios en la frecuencia de resonancia del oscilador. La bobina 10 se sitúa 130 donde hay máximo cambio de frecuencia, que corresponde a la posición B centrada en la mina 11. En esta posición la distancia entre la bobina 10 y la mina 11 es d. La deviación de frecuencia es la mitad en las posiciones A y B, correspondiente a una distancia 1.41 d entre bobina 10 y mina 11. Así, una vez determinado la distancia AB entre las posiciones A y B (o la distancia BC entre las posiciones B y C), es posible estimar la distancia d entre la bobina 10 y el artefacto explosivo 11 cuando la bobina 10 se encuentra en la posición B con más deviación de frecuencia.

La deviación de frecuencia Af máxima, en la posición B, es proporcional a la masa del hierro de la mina 11. Una vez estimada la distancia d y medida la deviación de frecuencia Af en la posición B, se puede estimar el tamaño del artefacto explosivo 11 buscando en una tabla de medidas de frecuencia para diferentes minas relevantes.

La obtención de una distancia d y una masa de hierro estimada en el artefacto explosivo 11 se puede emplear para determinar un patrón de activación del convertidor de potencia adecuado, esto es, los tiempos de activación del convertidor de potencia (los pulsos cortos de activación 142 y/o los pulsos largos de activación 162) para calentar el hierro del artefacto explosivo 11.

Claims (9)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema para detectar y desactivar o detonar artefactos explosivos, caracterizado por que el sistema (1) comprende:

- una cabeza magnética (3) configurada para generar un campo magnético alterno y que incluye un oscilador electrónico (5) que comprende:

un circuito resonante (6) que comprende un condensador (9) en paralelo con una bobina (10) metálica encargada de generar el campo magnético alterno cuando circula por la bobina (10) una corriente alterna a una determinada frecuencia de resonancia (f<eq>);

un circuito de realimentación (7) que comprende un transformador (12) con un primer devanado (12a) en paralelo con el condensador (9) del circuito resonante (6), estando el circuito de realimentación (7) configurado para proporcionar a un circuito amplificador (8), a través de un segundo devanado (12b) del transformador (12), una corriente de realimentación positiva proveniente del circuito resonante (6); y

el circuito amplificador (8), que comprende al menos un transistor de potencia y que está configurado para amplificar la corriente de realimentación proveniente del circuito resonante; y

- un dispositivo de potencia y control (2), conectado mediante un cable (4) al oscilador electrónico (5), y que comprende:

una batería (14) de tensión continua,

un convertidor de potencia (15) configurado para, cuando está activado, alimentar al oscilador electrónico (5) con una tensión continua mayor que la suministrada por la batería (14), donde el convertidor de potencia (15) es un convertidor DC/DC;

al menos un interruptor (16,29) configurado para alternar entre al menos dos estados incluyendo:

un primer estado (50) en el que el convertidor de potencia (15) está activado, existiendo dos modos distintos de desactivación o detonación de explosivos en función del tiempo de activación del convertidor de potencia (15): calentamiento e interferencia electromagnética;

un segundo estado (52) en el que el convertidor de potencia (15) está desactivado y el oscilador electrónico (5) está alimentado con una tensión continua igual o inferior a la suministrada por la batería (14); y

una unidad de detección de explosivos (17) configurada para detectar cambios en la frecuencia de resonancia (f<eq>) del oscilador electrónico (5) cuando el convertidor de potencia (15) está desactivado.

2. El sistema de acuerdo a la reivindicación 1, caracterizado por que la bobina (10) está formada por un tubo metálico hueco dispuesto en una o varias vueltas.

3. El sistema de acuerdo a la reivindicación 2, caracterizado por que la cabeza magnética (3) comprende un circuito de refrigeración de la bobina que incluye un compresor (13) o un ventilador configurado para hacer circular aire por el interior de la bobina (10).

4. El sistema de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que bobina (10) tiene un diámetro exterior superior a 50 mm.

5. El sistema de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el rango de frecuencias del oscilador electrónico (5) es 40 kHz-1 MHz.

6. Un método para detectar y desactivar o detonar artefactos explosivos utilizando el sistema (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, caracterizado por que el método (100) comprende:

- realizar un barrido (110) de la cabeza magnética (3) en una zona de búsqueda (40); - detectar (120), mediante la unidad de detección de explosivos (17), cambios en la frecuencia de resonancia (f<eq>) del oscilador electrónico (5) durante el barrido;

- determinar (130) una posición de la bobina (10) de la cabeza magnética (3) que produce un mayor cambio en la frecuencia de resonancia (f<eq>) del oscilador electrónico (5);

- activar y desactivar el convertidor de potencia (15) de acuerdo a los siguientes patrones de activación:

activar (140) el convertidor de potencia (15) en una serie de pulsos cortos de activación (142) de una duración TONinferior a un primer umbral de activación T<i>; y si no ha habido detonación del artefacto explosivo (11), activar (160) el convertidor de potencia (15) en una serie de pulsos largos de activación (162) de una duración T<ON>superior a un segundo umbral de activación T<s>, siendo T<s>>T<i>.

7. El método de acuerdo a la reivindicación 6, caracterizado por que los pulsos cortos de activación (142) tienen una duración (T<o n>) inferior a 3 segundos.

8. El método de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 6 a 7, caracterizado por que los pulsos largos de activación (162) tienen una duración (TON) superior a 10 segundos.

9. El método de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, caracterizado por que comprende estimar la distancia (d) de la bobina (10) al artefacto explosivo (11) en la posición en que se produce un mayor cambio en la frecuencia de resonancia, en base al barrido (110) realizado y a la detección (120) de cambios en la frecuencia de resonancia producidos en dicho barrido.