СЕЛЕКТИВНЫЙ МЕТАЛЛОДЕТЕКТОР С ГАРМОНИЧЕСКИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ Российский патент 2005 года по МПК G01V3/10 

Область техники.

Металлодетектор относится к устройствам досмотра, входящим в состав интегрированных средств охраны или используемым автономно. Устройство предназначено для обнаружения предметов, запрещенных к проносу на охраняемые объекты. К запрещенным предметам, обычно скрытно размещаемым в одежде, относятся огнестрельное оружие, ручные гранаты и ножи, а также баллончики с распыляемыми химическими веществами. Конструктивно металлодетектор может быть выполнен в виде ворот или быть встроенным в устройства заграждения систем контроля и управления доступом.

Предшествующий уровень техники.

Известен стационарный металлообнаружитель, содержащий намагничивающую катушку, подключенную к генератору, принимающую катушку, усилитель, выход которого подключен к первому входу синхронного детектора, выход которого соединен со входом анализатора, выход которого соединен со входом индикатора, устройство управления, первый выход которого соединен со входом генератора, а второй выход соединен со вторым входом синхронного детектора, отличающийся тем, что последовательно с намагничивающей катушкой включена вторая намагничивающая катушка, последовательно и градиентометрически с приемной катушкой включена вторая приемная катушка, свободные выходы приемных катушек подключены к переменному резистору, управляющий выход которого соединен со входом усилителя, причем намагничивающие катушки устанавливаются в соседних углах контролируемой зоны, а приемные катушки - в противоположных углах [Патент на полезную модель Российской Федерации, "Металлообнаружитель", №2165094, опубликованный 20 января 2001 года].

При появлении в зоне контроля металлического предмета, подлежащего обнаружению (например, пистолета), этот предмет намагничивается переменным полем намагничивающих катушек, в результате чего вокруг него возникает веерообразно расходящееся переменное поле переизлучения. Селективными параметрами обнаруживаемого предмета является индуцированный в нем магнитный момент. Горизонтально направленные компоненты этого поля воздействуют на приемные катушки, вызывая появление на их выходах соответствующие переменные напряжения.

Устройство работает в двух режимах. В первом режиме измеряется синфазная с током возбуждения составляющая полезного сигнала, что позволяет по изменению знака на выходе синхронного детектора судить о материале объекта (цветной или ферромагнитный), а также по величине (амплитуде) сигнала о величине наведенного магнитного момента, который примерно пропорционален объему обнаруживаемого предмета. Во втором режиме измеряется квадратурная составляющая полезного сигнала, которая пропорциональна электромагнитным потерям в обнаруживаемом предмете. Они имеют характерную частотную зависимость и зависят от состава объекта, его объема и формы. Это позволяет использовать дополнительную селективность при обнаружении конкретного объекта на фоне остальных бытовых предметов, находящихся у человека (монеты, перочинные ножи, часы, ключи и т.д.), и обеспечивает высокую достоверность обнаружения запрещенных предметов.

Режимы работы металлообнаружителя задаются устройством управления, которое посылает управляющие сигналы на синхронный детектор. Выделенные и первично обработанные сигналы, несущие информацию об амплитуде и квадратурной составляющей полезного сигнала, поступают на анализатор. Анализатор осуществляет вторичную обработку сигналов, анализируя все селективные компоненты, и выдает информацию о металлическом предмете. Информация отображается на индикаторе.

Недостатком данного устройства является одноканальный анализ, обусловленный наличием одного синхронного детектора. Такой анализ не позволяет достоверно определить одновременно параметры объектов поиска, если один из них изготовлен из ферромагнитного материала, а другой - из цветного металла, тогда как в реальных условиях работы металлообнаружителя зачастую необходимо одновременно распознать наличие пистолета (ферромагнитный объект) и баллончика с отравляющими веществами, обычно в алюминиевом корпусе.

Кроме того, данный металлообнаружитель работает на одной частоте, что также снижает его селективность, поскольку для различных объектов имеются свои оптимальные частоты.

Дополнительным недостатком данного металлообнаружителя является низкая чувствительность. Уровень чувствительности ограничен воздействием помех, отстройка от которых достигается только за счет градиентометрического включения катушек, что недостаточно.

Известен металлодетектор, содержащий селективные схемы различения различных типов металла при обнаружения скрытых объектов [Патент США, "Metal detector apparatus utilizing controlled phase response to reject ground effects and to discriminate between different types of metals", №4486713, опубликованный 04 декабря 1984 года].

Металлодетектор содержит генератор, выход которого подключен к выводам передающей катушки, приемную катушку, выводы которой подключены к первому и второму демодулятору, управляющие входы первого и второго демодуляторов подключены соответственно к выходам управляемого фазовращателя, вход которого соединен с выходом генератора. Выход первого демодулятора через управляемый усилитель и схему выделения абсолютного значения сигнала соединен с первым входом компаратора, а выход второго модулятора через вторую схему выделения абсолютного значения сигнала соединен со вторым входом компаратора.

Металлодетектор позволяет получать управляемый фазовый ответный сигнал, что позволяет отстроиться от нежелательных объектов (в данном случае это минерализованная земля). Алгебраические отношения между двумя сигналами в компараторе определены так, что только входные сигналы, попадающие в пределах желательных алгебраических отношений, используются для формирования выходного сигнала.

Недостатком данного устройства является то, что алгоритм обработки сигнала основан на изначальной фазовой отстройке от нежелательных объектов поиска, в данном случае это минерализованная земля, и дополнительной амплитудной отстройке от слабых сигналов. Такой алгоритм недопустим в стационарных металлодетекторах, где необходимо оценить полный сигнал, выявить ориентировочные объем, массу и материал проносимых через зону контроля объектов и только потом делать вывод о наличии запрещенного объекта. Современные технологии позволяют создать такие материалы и покрытия для оружия, что оно будет излучать энергию непосредственно в том диапазоне, от которого отстроились.

Дополнительным недостатком данного металлообнаружителя является низкая чувствительность.

Известен металлодетектор, содержащий селективные схемы, для обнаружения нежелательных объектов [Патент США, "Metal detector circuit having selectable exclusion range for unwanted objects", №4700139, опубликованный 13 октября 1987 года]. Металлодетектор содержит генератор, выводы которого подключены к выводам передающей катушки, приемную катушку, выводы которой соединены с входами первой и второй фазовращательной цепочки, выходы которой соответственно соединены с первым и вторым синхронным детекторами, причем управляющие входы синхронных детекторов подключены к генератору, выходы синхронных детекторов соединены с вычислительным блоком (который содержит сумматор, усилители, дифференциальные цепи, пороговые элементы и логические схемы).

Металлодетектор используется для обнаружения скрытых металлических объектов. Из сигнала, полученного с приемных катушек, формируют два параллельных сигнала, причем один сдвигается на 5°, а второй - на 60°. Каждый из сдвинутых сигналов проходит через первый и второй синхронные детекторы для получения первого и второго векторных сигналов. Затем в схеме обработки сигнала они суммируются для получения третьего векторного сигнала. Первые и третьи векторные сигналы суммируются, чтобы получить четвертый векторный сигнал, имеющий желательный векторный диапазон между минимальными и максимальными векторными углами. Металлодетектор обеспечивает получение полезного сигнала только для объектов, имеющих фазовый ответный сигнал вне выбранного нежелательного фазового диапазона. Таким образом, схема обработки сигнала позволяет устранить ложные по мнению оператора сигналы и анализировать только полезный сигнал.

Недостатком данного металлодетектора является то, что схема обработки сигнала выполнена на аналоговых элементах. Это не позволяет оперативно настраивать его на требуемые объекты поиска, задавая требуемую чувствительность и изменяя фазовые настройки и частоту генератора.

Дополнительным недостатком данного устройства является низкая чувствительность, поскольку невозможно увеличить чувствительность выше определенного предела, ввиду того, что приобретает существенную амплитуду медленно меняющийся во времени в зависимости от внешних условий наведенный сигнал. Этот сигнал не компенсируется, причем для полной компенсации его необходимы два ортогональных сигнала.

Раскрытие изобретения.

В основу изобретения положена задача создания селективного металлодетектора с гармоническим возбуждением, с высокой достоверность обнаружения запрещенных предметов путем повышения селективности и чувствительности.

Высокая достоверность с низким уровнем ложных срабатываний обеспечивается за счет высокой селективности устройства и высокой чувствительности. Селективность отражает способность устройства различать потенциально опасные металлические объекты от предметов личного пользования (ключи, кольца, цепочки, часы и пр.). При использовании металлодетекторов с низкой селективностью предметы личного пользования вызывают большое количество ложных срабатываний сигнала тревоги, снижая, таким образом, эффективность работы. Высокая селективность достигается сложной обработкой сигнала, когда при одинаковом гармоническом составе намагничивающего поля можно получить информацию об электромагнитных характеристиках намагничиваемого объекта поиска в зоне контроля как в частотной области, измеряя амплитуды и фазы гармоник поля переизлучения, так и во временной области, изучая временные изменения этого поля.

Высокая чувствительность устройства необходима для выявления слабых сигналов, поскольку в настоящее время запрещенные предметы, в частности оружие, покрываются специальными защитными пленками, искажающими реальные свойства объекта и уменьшающими его магнитные свойства. Кроме того, запрещенные объекты изготавливаются из материалов и сплавов с низкими магнитными свойствами, таких как композитные материалы, синтетические материалы и их комбинации (графит, KEVLAR-армированный материал). Постоянно уменьшаются размеры запрещенных объектов и, как правило, они проносятся через зону контроля в разобраном виде. Высокая чувствительность позволяет получать качественный сигнал от этих объектов, достаточный для достоверного различения их от предметов личного пользования, путем дальнейшей обработки сигнала.

Поставленная задача решается тем, что в селективном металлодетекторе с гармоническим возбуждением, содержащем приемную катушку, соединенную с предварительным фазовращателем, передающую катушку, генератор, первый и второй синхронные детекторы, вычислительный блок, выход которого соединен с блоком индикации, дополнительно вычислительный блок выполнен в виде процессора, а генератор выполнен в виде преобразователя, устройство содержит вторую приемную катушку, соединенную со вторым предварительным усилителем, причем первая и вторая приемные катушки включены последовательно и градиентометрически, выходы первого и второго предварительных усилителей соединены соответственно с первым и вторым входами сумматора, выход сумматора соединен с первыми входами первого и второго синхронных детекторов, выход каждого из которых соответственно через первый и второй аналого-цифровые преобразователи соединен с первым и вторым входами процессора, третий вход процессора соединен с клавиатурой, второй выход процессора соединен через преобразователь с входом усилителя мощности, первый и второй выходы которого соединены с выводами передающих катушек, причем первая и вторая катушки включены встречно, третий выход усилителя мощности соединен с входом датчика тока, выход которого соединен с входом первого компаратора, входом первого управляемого усилителя и входом фазовращателя, выход фазовращателя соединен с входом второго управляемого усилителя и входом второго компаратора, выход первого управляемого усилителя соединен с третьим входом сумматора, а выход второго управляемого усилителя соединен с четвертым входом сумматора, выход первого компаратора соединен со вторым входом первого синхронного детектора, а выход второго компаратора соединен с вторым входом второго синхронного детектора, выход первого синхронного детектора через первый интегратор соединен с управляющим входом первого управляемого усилителя, а выход второго синхронного детектора через второй интегратор соединен с управляемым входом второго управляемого усилителя.

Выполнение вычислительного блока в виде процессора 14 позволяет проводить сложный гармонический анализ входных сигналов. Они сначала обрабатываются фильтрами низкой частоты 27 и 28, далее перемножаются с коэффициентами К1, К2, К3, К4 умножителями 29, 30, 31 и 32 и суммируются сумматорами 33 и 34 с целью получения двух линейных комбинаций, которые эквивалентны измерениям составляющих сигнала с приемных катушек с произвольно выбранной фазой. Далее эти сигналы умножаются на коэффициенты К5 и К6 умножителями 35 и 36, которые задают требуемую чувствительность. Данная обработка сигналов позволяет повысить селективность устройства. Все коэффициенты К1-К6 могут быть оперативно изменены с помощью клавиатуры 15, исходя из задач.

Выполнение генератора в виде преобразователя 17, управляемого процессором 17, позволяет выбирать рабочие частоты ƒ_р исходя из задач, что также повышает селективность устройства.

Введение обратной связи посредством интегратора 26 и управляемого усилителя 23, а также интегратора 25 и управляемого усилителя 21 позволило компенсировать медленно меняющуюся во времени в зависимости от внешних условий амплитуду наведенного сигнала, которая может достигать существенных значений. Причем компенсация осуществляется по двум ортогональным каналам. Это позволило повысить чувствительность устройства, получить от запрещенных объектов небольшого размера качественный сигнал, достаточный для достоверного различения их от предметов личного пользования, путем дальнейшей обработки сигнала.

Краткое описание чертежей.

Сущность изобретения поясняется чертежами: на фиг.1 приведена блок-схема устройства, на фиг.2 показаны расположения приемных и передающих катушек и объекта поиска в зоне контроля, на фиг.3 дана блок-схема математической обработки сигнала.

Осуществление изобретения.

Устройство содержит две передающие катушки 1 и 2, установленные в нижних углах зоны контроля 3, и две приемные катушки 4 и 5, включенные последовательно и градиентометрически для вычитания сигналов, наведенных однородной внешней помехой, и установленные в верхних углах зоны контроля 3 (Фиг.2). Объект поиска 6, скрытно размещенный в одежде, при перемещении досматриваемого попадает в зону контроля 3. Выводы первой и второй приемных катушек 4 и 5 соответственно через первый и второй предварительные усилители 7 и 8 соединены с первым и вторым входами сумматора 9 (Фиг.1). Выход сумматора 9 соединен с первыми входами синхронных детекторов 10 и 11, выход каждого из которых соответственно через аналого-цифровой преобразователь 12 и 13 соединен с первым и вторым входами процессора 14. Третий вход процессора 14 соединен с клавиатурой 15, а первый выход процессора 14 соединен с индикатором 16. Второй выход процессора 14 соединен через преобразователь 17 с входом усилителя мощности 18, первый и второй выходы которого соединены с выводами передающих катушек 1 и 2. Третий выход усилителя мощности 18 соединен с входом датчика тока 19. Выход датчика тока соединен с входом компаратора 20, входом управляемого усилителя 21 и входом фазовращателя 22. Выход фазовращателя 22 соединен с входом управляемого усилителя 23 и входом компаратора 24. Выход управляемого усилителя 21 соединен с третьим входом сумматора 9, а выход управляемого усилителя 23 соединен с четвертым входом сумматора 9. Выход компаратора 20 соединен с вторым входом синхронного детектора 10, а выход компаратора 24 соединен с вторым входом синхронного детектора 11. Выход синхронного детектора 10 через интегратор 25 соединен с управляющим входом управляемого усилителя 21. Выход синхронного детектора 11 через интегратор 26 соединен с управляемым входом управляемого усилителя 23.

Процессор представляет собой устройство управления и устройство обработки сигналов. Блок-схема обработки сигнала (Фиг.3) содержит первый и второй фильтры низких частот 27 и 28, умножители 29, 30, 31 и 31, сумматоры 33 и 34, умножители 35 и 36. Выходы умножителей 35 и 36 являются выходами процессора 14.

Микропроцессор 14 генерирует меандр с частотой, в 10 раз больше рабочей частоты ƒ_p, и подает его на вход преобразователя 17 меандр-синус. Преобразователь 17 преобразует этот сигнал в синусоидальный сигнал с рабочей частотой и подает этот сигнал на усилитель мощности 18. Усилитель мощности 18 усиливает синусоидальный сигнал и подает его на передающие катушки 1 и 2, которые создают в зоне 3 контроля электромагнитное поле. При этом ток, пропорциональный магнитному полю, регистрируется датчиком тока 19. Магнитное поле передающих катушек 1 и 2 совместно с электромагнитным полем переизлучения, создаваемым объектом 6 поиска и предметами личного пользования, индуцирует напряжение синусоидального сигнала в приемных катушках 4 и 5. Это напряжение усиливается предварительными усилителями 7 и 8. Сигнал с датчика тока 19 подается на фазовращатель 22, управляемый усилитель 21 и компаратор 20. Коэффициент усиления управляемого усилителя 21 может изменяться в определенных пределах, включая положительные и отрицательные значения, исходя из сигнала, подаваемого на управляющий вход с интегратора 25. Фазовращатель сдвигает входной сигнал на 90° и подает его на вход управляемого усилителя 23, который управляется сигналом с интегратора 26, и на компаратор 24. Сигналы с управляемых усилителей 21 и 23 и с предварительных усилителей 7 и 8 суммируются сумматором 9. Сигнал с сумматора подается на два синхронных детектора 10 и 11, которые выделяют в виде выпрямленного сигнала составляющие входного сигнала, синфазные с опорными сигналами синхронных детекторов 10 и 11, которые создаются компараторами 20 и 24 соответственно.

Сигнал с выхода синхронного детектора 10 через интегратор 25 поступает на управляющий вход управляемого усилителя 21. Характеристика регулирования и полярность выходного сигнала управляемого усилителя 21, коэффициенты передачи сумматора 9, синхронного детектора 10 и интегратора 25 выбраны таким образом, что они образуют петлю отрицательной обратной связи по отношению к составляющей сигнала на выходе сумматора 9, которая синфазна сигналу с датчика тока 19.

Управляемый усилитель 23, синхронный детектор 11 и интегратор 26, параметры которых соответственно идентичны параметрам управляемого усилителя 21, синхронного детектора 10 и интегратора 25, образуют петлю обратной связи по отношению к составляющей сигнала на выходе сумматора 9, ортогональной сигналу с датчика тока 19. Таким образом, схема работает как двумерная система обратной связи, которая компенсирует постоянный и медленно меняющийся сигнал с приемных катушек 4 и 5 и стабилизирует работу устройства.

Выходной сигнал синхронного детектора 10 преобразуется в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем 12 и передается для дальнейшего анализа в процессор 14. Выходной сигнал синхронного детектора 11 преобразуется в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем 13 и также передается для дальнейшего анализа в процессор 14. Входные сигналы сначала обрабатываются фильтрами низкой частоты 27 и 28, далее перемножаются с коэффициентами К1, К2, К3, К4 умножителями 29, 30, 31 и 32 и суммируются сумматорами 33 и 34 с целью получения двух линейных комбинаций, которые эквивалентны измерениям составляющих сигнала с приемных катушек с произвольно выбранной фазой. Далее эти сигналы умножаются на коэффициенты К5 и К6 умножителями 35 и 36, которые задают требуемую чувствительность и подаются на индикатор 16, показывающий величину сигналов для различных материалов в виде светящихся столбиков. Величина сигналов пропорциональна массе объектов поиска. Величины коэффициентов К1-К6 задаются пользователем с помощью клавиатуры 15.

Металлодетектор может работать в нескольких режимах. Для более достоверного обнаружения объектов поиска используется режим с несколькими гармоническими частотами возбуждения. При этом режиме сначала процессор 14 формирует меандр с первой частотой 10 ƒ_p1, a преобразователь 17 генерирует синусоидальный сигнал первой рабочей частоты ƒ_p1. Процессор 14 производит полный цикл обработки сигналов.

Затем процессор 14 формирует меандр со второй частотой 10 ƒ_p2, a преобразователь 17 генерирует синусоидальный сигнал второй рабочей частоты ƒ_p2. Рабочие частоты ƒ_p выбираются исходя из задач, поскольку известно, что для обнаружения массивных ферромагнитных объектов поиска целесообразно использовать более низкие рабочие частоты, а для обнаружения небольших объектов и объектов из цветных металлов - более высокие частоты.

Анализ характеристик селективного металлодетектора проводился с использованием в качестве объектов поиска пистолета Макарова и алюминиевого баллончика с OВ, а в качестве предметов личного пользования были взяты:

- Ботинки со стальными супинаторами;

- Ключи для "английского" замка (семь);

- Часы в металлическом корпусе и на металлическом браслете;

- Две шариковые ручки с металлическими корпусами;

- Очки в металлической оправе;

- Монеты (5 шт. - по 5 коп., 3 шт. - по 10 коп., 3 шт. - по 1 рублю и 2 шт. - по 5 рублей);

- Металлическая пряжка ремня из немагнитного материала;

- Пачка сигарет (в твердой упаковке с фольгой);

- Золотое обручальное кольцо;

- Зажигалка в металлической корпусе.

Испытания проводились, с применением методики AST (Американского Общества Материалов и Испытаний), используемой в США. Запрещенные предметы и предметы личного пользования находились в карманах одежды испытуемого.

Предметы поиска определялись селективным металлодетектором с достаточно высокой вероятностью. В соответствии с методикой тестовых процедур достоверность обнаружения пистолета Макарова составила 100%; достоверность обнаружения алюминиевого баллончика с О В составила 99,7%.

Таким образом, подтвердились высокие потребительские свойства металлодетектора:

- 100% или близкая к этому достоверность определения объектов поиска;

- высокая селективность (способность "различать" объекты поиска и предметы личного пользования);

- очень низкая вероятность ложных тревог;

- стабильность параметров во времени.

Дополнительно проводился "3 - Gun Test", разработанный FAA (Федеральной Авиационной службой США) для оценки характеристик металлодетекторов, предназначенных для использования в аэропортах США.

Методикой в качестве тестовых предметов рекомендованы:

- Пистолет МР-25, калибр 0.25, длина 121 мм, высота 80 мм, ширина 22 мм, вес 420 г. Ствол и механические части - из стали, затвор и рама - из цинкоалюминиевого сплава;

- MINI - 5-зарядный револьвер, калибр 0.22, длина 100 мм, высота 59 мм, ширина 20 мм, вес 130 г. Нержавеющая сталь;

- Двухзарядный пистолет Derringer MP-7, калибр 0.38, длина 123 мм, высота 83 мм, ширина 31 мм, вес 230 г. Алюминиевый сплав.

В качестве объектов обнаружения были взяты искусственные модели предметов, изготовленные аналогичных размеров и выполненные из соответствующих материалов.

Предметы поиска определялись селективным металлодетектором с достаточно высокой вероятностью. В соответствии с методикой тестовых процедур достоверность обнаружения пистолета МР-25 составила 100%; достоверность обнаружения зарядного револьвера MINI - 5 составила 100%; достоверность обнаружения двухзарядного пистолета Derringer MP-7 составила 100%.

Металлодетектор относится к устройствам досмотра, входящим в состав интегрированных средств охраны или используемым автономно. Селективный металлодетектор содержит две приемные катушки, фазовращатель, передающую катушку, генератор, синхронные детекторы, вычислительный блок и блок индикации. Вычислительный блок выполнен в виде процессора, а генератор выполнен в виде преобразователя. Технический результат: повышение чувствительности устройства. 3 ил.

Селективный металлодетектор с гармоническим возбуждением, содержащий приемную катушку, соединенную с предварительным усилителем, фазовращатель, передающую катушку, генератор, первый и второй синхронные детекторы, вычислительный блок, выход которого соединен с блоком индикации, отличающийся тем, что вычислительный блок выполнен в виде процессора, а генератор выполнен в виде преобразователя, устройство содержит вторую приемную катушку, соединенную со вторым предварительным усилителем, причем первая и вторая приемные катушки включены последовательно и градиентометрически, выходы первого и второго предварительных усилителя соединены соответственно с первым и вторым входами сумматора, выход сумматора соединен с первыми входами первого и второго синхронных детекторов, выход каждого из которых соответственно через первый и второй аналого-цифровые преобразователи соединены с первым и вторым входами процессора, третий вход процессора соединен с клавиатурой, второй выход процессора соединен через преобразователь с входом усилителя мощности, первый и второй выходы которого соединены с выводами передающих катушек, причем первая и вторая катушки включены встречно, третий выход усилителя мощности соединен с входом датчика тока, выход которого соединен с входом первого компаратора, входом первого управляемого усилителя и входом фазовращателя, выход фазовращателя соединен с входом второго управляемого усилителя и входом второго компаратора, выход первого управляемого усилителя соединен с третьим входом сумматора, а выход второго управляемого усилителя соединен с четвертым входом сумматора, выход первого компаратора соединен с вторым входом первого синхронного детектора, а выход второго компаратора соединен с вторым входом второго синхронного детектора, выход первого синхронного детектора через первый интегратор соединен с управляющим входом первого управляемого усилителя, а выход второго синхронного детектора через второй интегратор соединен с управляемым входом второго управляемого усилителя.