АМПЛИТУДНО-ФАЗОВЫЙ СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ МЕТАЛЛОСОДЕРЖАЩИХ ОБЪЕКТОВ И РАДИОЧАСТОТНЫЙ ИЛИ СВЧ-МЕТАЛЛОДЕТЕКТОР ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК G01V3/12 

Используется в металлодетекторах для обнаружения локальных неоднородностей в виде металлических и металлосодержащих предметов ограниченных размеров из ферромагнитных и немагнитных металлов. Например, искрообразующие предметы в сырье (в тюках хлопка на х/б комбинатах), оружие под одеждой человека, люки канализации и телефонные колодцы под слоем снега. Применение амплитудно-фазового способа обнаружения металлосодержащих объектов и радиочастотного (или СВЧ) металлодетектора позволяет обнаруживать не только цельные металлические тела, но и сыпучие материалы в виде опилок и солей металлов, что важно при угрозе терроризма. Так же амплитудно-фазовый способ обнаружения металлосодержащих объектов позволяет фиксировать движение металлического тела в любой непроводящей среде и пресной воде.

Известен индукционный способ обнаружения объектов (А.Щедрин, Металлоискатели для поиска кладов и реликвий. - М.: "Арбат-Информ", 1998 г., 160 с., с.42-47), использующий возбуждение катушки переменным током. Появление вблизи датчика металлического объекта вызывает переизлучение сигнала от объекта (появление переизлученного сигнала), который наводит в катушке дополнительный электрический сигнал. Амплитуда переизлученного сигнала зависит от параметров объекта. Дополнительный сигнал детектируется, и далее по его амплитуде вырабатывается команда о наличии объекта поиска.

Недостаток этого способа обнаружения заключается в том, что на катушку наводится не только полезный переизлученный от объекта поиска сигнал, но и проявляется любое изменение ее параметров за счет дестабилизирующих факторов, а так же помех амплитудного характера. Недостаточная чувствительность металлоискателя, работающего в низкочастотном диапазоне, определяется температурной нестабильностью параметров в системе.

Наиболее близким решением, принятым за прототип, является метод биений (А.Щедрин, Металлоискатели для поиска кладов и реликвий. - М.: "Арбат-Информ", 1998 г., 160 с., с.36-42), который заключается в регистрации разности частот от двух генераторов - один из которых является стабильным по частоте, а другой содержит в своей частотозадающей цепи датчик - катушку индуктивности. Изначально частоты двух генераторов равны или очень близки по значению. При появлении металлического объекта вблизи катушки датчика происходит изменение реактивных параметров датчика и как следствие изменяется частота соответствующего генератора. Изменение разности частот генераторов регистрируется по частоте биений.

Недостатком данного способа обнаружение металлических объектов является эффект взаимной синхронизации двух генераторов, приводящий к невозможности измерения разности частот с точностью до фазы переизлученного сигнала, недостаточная чувствительность и помехоустойчивость вследствие работы в области низких частот.

Устройство для реализации амплитудно-фазового способа обнаружения металлосодержащих объектов - радиочастотный (или СВЧ) металлодетектор.

Известен индукционный балансный металлодетектор с инверсной дискриминацией (US 4024468, 17.05.1977), содержащий приемную и передающую катушки, радиочастотный генератор, дискриминатор, демодулятор, импульсный генератор, усилитель, компаратор.

Недостатком этого устройства является низкая помехоустойчивость к амплитудным низкочастотным помехам вследствие работы в области низких частот (менее 100 кГц) и за счет амплитудного метода обработки переизлученного сигнала.

Наиболее близким решением, принятым за прототип, является универсальный металлоискатель ("Шпионские штучки-2" или как сберечь свои секреты. - СПб.: Полигон, 1997. - 272 с., ил., С.174-175), состоящий из антенны, колебательного контура, эталонного генератора, перестраиваемого генератора, смесителя, фильтра НЧ и звукового индикатора.

Недостатком данного устройства является невозможность выделять низкочастотные сигналы, получать информацию об объекте поиска с точностью до фазы. Вследствие эффекта взаимной синхронизации двух генераторов не удается обеспечить требуемую дальность обнаружения.

Решаемая настоящим изобретением задача заключается в создании амплитудно-фазового способа обнаружения металлосодержащих объектов, что позволяет повысить чувствительность, разрешающую способность, уменьшить влияние помех от внешних электрических и электронных устройств, осуществить автоматическую настройку порога срабатывания при выбранных условиях измерений.

Поставленная техническая задача решается тем, что в известный способ обнаружения металлосодержащих объектов, согласно которому посредством перестраиваемого генератора (выполняющего роль генерирующего детектора), нагруженного на антенну, излучается первичное переменное электромагнитное поле, которое переизлучается от объекта поиска и наводится на перестраиваемый генератор как полезный преобразованный сигнал, отличающийся от первичного амплитудой и фазой, по которому судят о факте присутствия в исследуемой среде скрытых объектов, дополнительно введена обработка по двум каналам, в фазовом канале: сигнал с перестраиваемого генератора после нормирования по амплитуде смешивается с сигналом гетеродина, управляемого по частоте, в балансном смесителе, охваченном петлею автоподстройки частоты, сигнал с которого после интегрирования и усиления сравнивается с порогом срабатывания, соответствующим фазовому сдвигу, близкому к нулю; в амплитудном канале: полезный преобразованный сигнал детектируется в амплитудном детекторе, выделяется постоянная составляющая, которая сравнивается с пороговым значением, соответствующим уровню постоянной составляющей при отсутствии объекта поиска, и по результатам сравнения в двух каналах судят о наличии объекта.

Технический результат заявляемого технического решения:

- повышение чувствительности и разрешающей способности по дальности за счет использования радиочастотного или СВЧ диапазонов волн;

- исключение влияния низкочастотных помех и помех амплитудного характера, обусловленных наводками от работы электротехнических систем;

- исключение влияния эффекта взаимной синхронизации генераторов в процессе обнаружения на работу системы;

- исключение получения ложной информации, обусловленной влиянием ложных объектов.

Сущность изобретения: излучается переменное электромагнитное поле посредством перестраиваемого генератора, нагруженного на антенну (колебательный контур). При отсутствии отражающего объекта излучаемый сигнал перестраиваемого генератора (представляющего собой генерирующий детектор) является радиочастотным или СВЧ сигналом в установившемся режиме, для которого выполняется баланс фаз и амплитуд. Этому режиму соответствует определенное значение напряженности излучаемого поля: Е_изл=К₁·cos(ω₀t), где K₁ - коэффициент характеризующий мощность излучаемого сигнала, ω₀ - частота генерируемых колебаний при отсутствии объекта поиска. При появлении в зоне излучаемого сигнала, создаваемого перестраиваемым генератором, объекта поиска в антенне появляется переизлученный сигнал:

который через колебательный контур поступает на перестраиваемый генератор (генерирующий детектор). К₂ - коэффициент характеризующий мощность переизлученного сигнала, с - скорость распространения электромагнитных колебаний, R - расстояние от датчика до объекта поиска, φ_{переизлуч} - фазовый сдвиг, возникший при взаимодействии объекта поиска и датчика.

Таким образом на нем будут действовать два сигнала: излучаемый и переизлученный.

В результате нелинейного взаимодействия этих сигналов в новом установившемся режиме вырабатывается сигнал, отличающийся амплитудой и фазой от излучаемого сигнала при отсутствии объекта поиска. Это изменение параметров излучаемого сигнала под воздействием переизлученного сигнала можно представить как полезный преобразованный сигнал. Таким образом, при взаимодействии с объектом поиска переизлученный сигнал навязывает перестраиваемому генератору свою частоту и определенную фазу, т.е. в данной автоколебательной системе, образованной перестраиваемым генератором и объектом поиска, в любой момент времени можно представить, что существуют два сигнала одной частоты (излучаемый и переизлученный), но отличающихся амплитудой и фазой (Е_{переизлуч} и Е_изл).

Переизлученный сигнал имеет определенную амплитуду и фазу, значения которых зависят от отражающих свойств объекта поиска и расстояния от антенны перестраиваемого генератора до объекта поиска. Изменение амплитуды и фазы переизлученного сигнала приводит к изменению амплитуды и фазы полезного преобразованного сигнала, что сопровождается изменением частоты генерации перестраиваемого генератора. Этот полезный преобразованный сигнал нормируется по амплитуде и смешивается с сигналом гетеродина, управляемого по частоте, в балансном смесителе, охваченном петлей автоподстройки частоты (ФАПЧ), непосредственно или с целью понижения частоты полученного сигнала после смешивания. При определенной разности частот сигнала гетеродина и полезного преобразованного сигнала происходит захватывание, т.е. взаимная синхронизация перестраиваемого генератора и гетеродина. В пределах полосы удержания амплитуда сигнала на выходе балансного смесителя пропорциональна фазовому сдвигу между результирующим сигналом и сигналом гетеродина. Эта разность фаз линейно пропорциональна постоянному напряжению, подаваемому на управитель частоты, т.о. определенная разность фаз соответствует определенному постоянному напряжению на управителе частоты. Одновременно полезный преобразованный сигнал анализируется по амплитуде в амплитудном канале - рассматривается приращение сигнала по отношению к уровню постоянной составляющей при отсутствии объекта поиска, что позволяет получать информацию об объекте поиска по двум признакам: амплитудному и фазовому.

При данном способе обнаружения система способна выделить сигнал с разностью частот преобразованного сигнала и сигнала гетеродина с точностью до фазы, а так же уровень выходного сигнала для амплитудного канала.

Для реализации амплитудно-фазового способа обнаружения металлосодержащих объектов предлагается радиочастотный (или СВЧ) металлодетектор, предназначенный для обнаружения металлических или металлосодержащих объектов, что позволяет повысить чувствительность, разрешающую способность, уменьшить влияние внешних помех от внешних электрических и электронных устройств, ложных объектов, осуществить автоматическую настройку порога срабатывания в реальных условиях обнаружения.

Поставленная техническая задача решается тем, что в известное устройство обнаружения металлосодержащих объектов, содержащее последовательно соединенные антенну, колебательный контур, перестраиваемый генератор, балансный смеситель, а также гетеродин и первый индикатор, дополнительно введены: первый интегратор для создания прерывистой генерации перестраиваемого генератора, в качестве которого использован радиочастотный или СВЧ генерирующий детектор, нормирующее устройство, второй интегратор, усилитель постоянного тока, управитель частоты, третий, четвертый, пятый и шестой интеграторы, первый и второй компараторы, амплитудный детектор, второй и третий индикаторы, при этом выход перестраиваемого генератора соединен со входом нормирующего устройства, выходом соединенного со входом балансного смесителя, в качестве которого использован фазовый детектор, к другому входу которого подключен гетеродин, ко входу гетеродина подключен через управитель частоты третий интегратор, выход балансного смесителя соединен со входом второго интегратора, выход которого соединен со входом усилителя постоянного тока, выход усилителя постоянного тока объединен со входом третьего интегратора и соединен с общим входом четвертого и пятого интеграторов, выходы которых соединены со входами первого и второго индикаторов через первый компаратор, выход перестраиваемогогенератора соединен со входом амплитудного детектора, выход которого соединен со входом шестого интегратора, выход которого соединен со входами третьего и четвертого индикаторов через второй компаратор.

Представленный радиочастотный (или СВЧ) металлодетектор реализует соответствующий изобретению амплитудно-фазовый способ обнаружения металлосодержащих объектов, направлен на решение той же задачи и обеспечивает достижение того же технического результата, а именно повышение помехоустойчивости к низкочастотным амплитудным помехам, ложным объектам, повышение разрешающей способности по дальности, повышение эффективности обнаружения скрытых объектов поиска.

Сущность изобретения: конструктивно датчик металлодетектора, представляющий собой кольцевую рамочную антенну (рамку), является одновременно колебательным контуром перестраиваемого генератора (генерирующего детектора) или может быть выполнен в виде щелевой антенны, подключенной к колебательному контуру перестраиваемого генератора. Объект поиска обладает электропроводностью, а в ряде случаев и магнитной проницаемостью. При появлении объекта поиска вблизи датчика, по которому протекает переменный электрический ток, создается первичное переменное электромагнитное поле, возбуждающее вихревые токи. В результате возникновения вихревых токов создается электромагнитное поле объекта поиска и в антенне датчика наводится переизлученный сигнал, за счет появления этого сигнала происходит изменение параметров датчика (электрических параметров антенны и как следствие изменение частоты перестраиваемого генератора). Переизлученный сигнал синхронизирует перестраиваемый генератор, навязывая ему определенную фазу и амплитуду, и затем сравнивается с сигналом гетеродина. Устройство для реализации амплитудно-фазового способа обнаружения металлосодержащих объектов - радиочастотный (или СВЧ) металлодетектор, принцип действия, которого поясняется чертежом, где на фиг.1 изображена его структурная схема.

Радиочастотный (или СВЧ) металлодетектор состоит из антенны 1, колебательного контура 2, перестраиваемого генератора 3, первого интегратора 4, фазовый канал включает в себя: нормирующее устройство 5, балансный смеситель 6, второй интегратор 7, усилитель постоянного тока 8, гетеродин 9, управитель частоты 10, третий интегратор 11, четвертый интегратор 12, пятый интегратор 13, первый компаратор 14, первый индикатор 15, второй индикатор 16, амплитудный канал включает в себя: амплитудный детектор 17, шестой интегратор 18, второй компаратор 19, третий индикатор 20, четвертый индикатор 21.

Устройство работает следующим образом.

При отсутствии объекта поиска: колебательный контур 2 обеспечивает начальную частоту, перестраиваемый генератор 3, работающий в режиме автомодуляции, вырабатывает радиочастотные или СВЧ колебания в виде импульсов с частотой следования равной частоте прерывистой генерации, которая создается первым интегратором 4 и зависит от его постоянной времени. Радиочастотные или СВЧ колебания через антенну 1 излучаются в окружающее пространство.

Сигнал частоты прерывистой генерации, которая лежит в пределах нескольких МГц, поступает на нормирующее устройство 5 и на сигнальный вход балансного смесителя 6. На другой вход балансного смесителя 6 подается сигнал от гетеродина 9 с управителем частоты 10. Если разность частот гетеродина 9 и прерывистой генерации входит в полосу захватывания или достаточно близка к ней, то на выходе балансного смесителя 6 появляется постоянное напряжение, величина которого зависит от фазового сдвига между частотами. Это напряжение поступает на второй интегратор 7, затем усиливается усилителем постоянного тока 8 и поступает через третий интегратор 11 на управитель частоты 10 гетеродина 9, и изменяет его частоту до равенства с частотой прерывистой генерации. С выхода усилителя постоянного тока 8 сигнал через четвертый интегратор 12 или через пятый интегратор 13 поступает на первый компаратор 14, к выходу которого подключены первый индикатор 15 и второй индикатор 16.

В результате взаимодействия с объектом поиска в антенне 1 радиочастотного (или СВЧ) металлодетектора появляется переизлученный сигнал, который изменяет в некоторых пределах амплитуду и фазу колебаний в перестраиваемом генераторе 3. Кроме того, изменяется добротность колебательного контура 2, что сопровождается изменением частоты и фазы прерывистых колебаний перестраиваемого генератора 3, т.о. на его выходе при взаимодействии с объектом поиска изменяется амплитуда и частота сигнала, то есть информацию о наличии объекта поиска можно получать по двум признакам амплитудному и фазовому.

В результате воздействия на выходы балансного смесителя 6 нормированного по амплитуде сигнала прерывистой генерации и сигнала гетеродина 9 на его выходе появляется сигнал разностной частоты, изменяется постоянная составляющая напряжения на выходе второго интегратора 7 и поступает на усилитель постоянного тока 8, с выхода которого через третий интегратор 11 подается на управитель частоты и через гетеродин 9 на балансный смеситель 6. Изменение постоянного напряжения происходит до тех пор, пока частота гетеродина 9 практически с точностью до фазы станет равной частоте прерывистой генерации. Этот же сигнал сравнивается с порогом срабатывания первого компаратора 14. При взаимодействии радиочастотного (или СВЧ) металлодетектора с объектом поиска в зависимости от расстояния между ними напряжение на выходе усилителя постоянного тока 8 равно U₀ и по отношению к порогу срабатывания U_ПОР может принимать значения: U₀+ΔU>U_ПОР, U₀-ΔU<U_ПОР, ΔU=0, т.е. U₀=U_ПОР. Последнее соответствует фазовому сдвигу близкому к нулю. Ключи, например транзисторы с подключенными к ним световыми индикаторами, позволяют распознавать знак изменения фазы.

(+) 0<ϕ<π - включается первый индикатор 15

(-) π<ϕ<2π - включается второй индикатор 16

В окрестностях перехода через точки nπ, где n=0, 1, 2, 3 ... N (зона нечувствительности), включается второй индикатор 16.

Таким образом при взаимодействии радиочастотного (или СВЧ) металлодетектора с объектом поиска в результате изменения фазы результирующего сигнала будет происходить переключение индикаторов, что свидетельствует о наличии объекта поиска.

Независимо от формы и протяженности объекта поиска при входе радиочастотного (или СВЧ) металлодетектора в зону взаимодействия, в которой выходной сигнал превышает порог срабатывания первого компаратора 14 в результате изменения фазы результирующего сигнала, индикаторы первый 15 и второй 16 будут переключаться.

Количество фазовых циклов N будет определяться относительным изменением расстояния между объектом поиска и траекторией движения радиочастотного (или СВЧ) металлодетектора l и длиной волны λ: где l_миним - минимальное расстояние между объектом поиска и траекторией движения радиочастотного (или СВЧ) металлодетектора, α - угол между касательной к траектории и направлением на объект поиска. Это же соотношение будет иметь место при выходе радиочастотного (или СВЧ) металлодетектора из зоны взаимодействия. При l=l_миним, т.е. α=π/2 будет сохраняться постоянная фаза и будет работать только один индикатор. Выходной сигнал при взаимодействии радиочастотного (или СВЧ) металлодетектора с объектом поиска для протяженного плоского объекта представлен на фиг.2, ϕ₀ будет определяться сдвигом фазы, обусловленным расстоянием l_миним и фазой коэффициента отражения от объекта поиска (см. стр.5). Интервал с между этими последовательностями фазовых циклов позволяет судить о протяженности объекта поиска. Таким образом при движении радиочастотного (или СВЧ) металлодетектора относительно протяженного объекта поиска при входе и выходе диаграммы направленности антенны перестраиваемого генератора из области взаимодействия с объектом поиска будут иметь место скачки фазы, что позволяет определить примерные размеры объекта поиска.

Работа амплитудного канала заключается в следующем: сигнал частоты прерывистой генерации поступает на амплитудный детектор 17, где происходит детектирование сигнала, который далее поступает на шестой интегратор 18, где выделяется постоянная составляющая, которая передается на второй компаратор 19 для сравнения с пороговым значением напряжения - U_ПОР и в случае U₁<U_ПОР (где U₁ - постоянная составляющая с выхода пятого интегратора 13) подается третий индикатор 20, и если U₁≥U_ПОР, на четвертый индикатор 21. Таким образом можно определить примерные размеры объекта поиска при фиксированной дальности. Наличие сигнала одновременно по двум каналам позволяет повысить помехоустойчивость.

Изготовлен экспериментальный образец радиочастотного (или СВЧ) металлодетектора, который подтвердил заявленные преимущества.

Изобретение относится к металлодетекторам для целей криминалистики, археологии, контроля при досмотрах и т.п. Сущность: излучается переменное электромагнитное поле посредством перестраиваемого генератора, нагруженного на антенну. При появлении объекта поиска появляется переизлученный сигнал, отличающийся от излученного амплитудой и фазой, синхронизирующий перестраиваемый генератор. Металлодетектор содержит антенну, колебательный контур, перестраиваемый генератор, первый интегратор для создания прерывистой генерации перестраиваемого генератора, в качестве которого использован радиочастотный или СВЧ генерирующий детектор. Фазовый канал содержит нормирующее устройство, балансный смеситель, второй, третий, четвертый, пятый интеграторы, усилитель постоянного тока, гетеродин, управитель частоты. Амплитудный канал содержит амплитудный детектор, интегратор, компаратор, два индикатора. Технический результат: повышение чувствительности, разрешающей способности, помехоустойчивость, осуществление автоматической настройки порога срабатывания. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Амплитудно-фазовый способ обнаружения металлосодержащих объектов, согласно которому посредством перестраиваемого генератора, выполняющего роль генерирующего детектора, нагруженного на антенну, излучается первичное переменное электромагнитное поле, которое переизлучается от объекта поиска и наводится на перестраиваемый генератор как полезный преобразованный сигнал, отличающийся от первичного амплитудой и фазой, по которому судят о факте присутствия в исследуемой среде скрытых объектов, отличающийся тем, что в фазовом канале сигнал с перестраиваемого генератора после нормирования по амплитуде смешивается с сигналом гетеродина, управляемого по частоте, в балансном смесителе, охваченном петлею автоподстройки частоты, сигнал с которого после интегрирования и усиления сравнивается с порогом срабатывания, соответствующим фазовому сдвигу, близкому к нулю; в амплитудном канале полезный преобразованный сигнал детектируется в амплитудном детекторе, выделяется постоянная составляющая, которая сравнивается с пороговым значением, соответствующим уровню постоянной составляющей при отсутствии объекта поиска, и по результатам сравнения в двух каналах судят о наличии объекта.2. Радиочастотный или СВЧ-металлодетектор, содержащий последовательно соединенные антенну, колебательный контур, перестраиваемый генератор, балансный смеситель, а также гетеродин и первый индикатор, отличающийся тем, что в него дополнительно введены первый интегратор для создания прерывистой генерации перестраиваемого генератора, в качестве которого использован радиочастотный или СВЧ-генерирующий детектор, нормирующее устройство, второй интегратор, усилитель постоянного тока, управитель частоты, третий, четвертый, пятый и шестой интеграторы, первый и второй компараторы, амплитудный детектор, второй и третий индикаторы, при этом выход перестраиваемого генератора соединен со входом нормирующего устройства, выходом соединенного со входом балансного смесителя, в качестве которого использован фазовый детектор, к другому входу которого подключен гетеродин, ко входу гетеродина подключен через управитель частоты третий интегратор, выход балансного смесителя соединен со входом второго интегратора, выход которого соединен со входом усилителя постоянного тока, выход усилителя постоянного тока объединен со входом третьего интегратора и соединен с общим входом четвертого и пятого интеграторов, выходы которых соединены со входами первого и второго индикаторов через первый компаратор, выход перестраиваемого генератора соединен со входом амплитудного детектора, выход которого соединен со входом шестого интегратора, выход которого соединен со входами третьего и четвертого индикаторов через второй компаратор.