ГИБРИДНЫЙ СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ПОДПОВЕРХНОСТНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
HYBRID METHOD OF DETECTING SUBSURFACE METAL OBJECTS

Изобретение относится к области обнаружения подповерхностных металлических и металлосодержащих объектов и может быть использовано, в частности, для трассирования подземных коммуникаций в виде электрических кабелей и трубопроводов, а также может применяться в качестве металлодетектора в контрольно-пропускных пунктах, для обнаружения подповерхностных металлических предметов, в качестве средства диагностики для мониторинга состояния железнодорожных путей и т.п.
Известны четыре основных метода обнаружения металлических объектов [Булак Л.В. Охота за сокровищами. Бытовые металлоискатели и их применение. - М.: Вече, 2007, стр. 26-34]:
1. Метод биений - BFO (Beat Frequecy Oscillation), использующий одну рамочную антенну. Основан на реакции входного импеданса приемника переизлученной электромагнитной волны на электромагнитные свойства зондируемой среды. Заключается в регистрации разности частот (частота пульсации) сигналов от двух генераторов, один из которых является стабильным по частоте, а другой содержит датчик в виде рамочной антенны в своей частотозадающей цепи.
2. Метод срыва резонанса - OR (Off Resonance), использующий одну рамочную антенну. Основан на реакции входного импеданса приемника переизлученной электромагнитной волны на электромагнитные свойства зондируемой среды. В основу метода положен принцип оценки изменения амплитуды сигнала на катушке (рамочной антенне) контура, резонансная частота которого близка к частоте подаваемого на него сигнала опорного генератора 3. Метод индукционного баланса - IB (Induction Balance), реализующий принцип «прием-передача», заключающийся в регистрации приемной рамочной антенной сигнала, переизлученного металлическим предметом вследствие воздействия на него переменного магнитного поля излучающей рамочной антенны. Основан на реакции параметров электромагнитного поля на внутренний или поверхностный импеданс среды при распространении электромагнитной волны в земле или над ее поверхностью.
Выполнение и взаимное расположение первичной и приемной антенн зависит от рабочих диапазонов частот:
а) ОНЧ-диапазон - IB/TR/VLF(Induction Balance/ Transmitter-Reciever/ Veri Low Frequency); применяются, как минимум, две совмещенные широкозахватные рамочные антенны типа 2D, одна из которых является передающей, а другая приемной;
б) НЧ-диапазон - IB/TR/LF (Induction Balance/ Transmitter-Reciever/ Low Frequency); применяются, как минимум, две концентрические (совмещенные) компланарные рамочные антенны, одна из которых является излучающей, а другая приемной;
в) ВЧ-диапазон - IB/TR/RF (Induction Balance/ Transmitter-Reciever/ Radio Frequecy), применяются, как минимум, две разнесенные рамочные антенны с перпендикулярными осями, одна из которых является излучающей, а другая приемной.
4. Импульсный метод - PI (Pulse Induction), использующий одну рамочную антенну с чередующимися режимами излучения и приема или две совмещенные широкозахватные рамочные антенны типа 2D. Основан на реакции параметров электромагнитного поля на внутренний или поверхностный импеданс среды при распространении электромагнитной волны в земле или над ее поверхностью. Осуществляется анализ сигнала, формирующегося в металле после воздействия возбуждающего импульсного сигнала.
Металлодетекторы, реализующие 1, 2 и 3-й методы обнаружения металлов, работают с непрерывным синусоидальным сигналом в резонансном или частотном режиме и относятся к группе первой категории -FD (Frequency Domain).
Металлодетекторы, реализующие 4-ый метод обнаружения металлов, относятся к группе второй категории - TD (Time Domain). Они используют импульсный сигнал с последующей оценкой изменения его параметров во времени.
Недостатки перечисленных известных методов обнаружения металла заключаются в том, что во всех этих методах отсутствует оптимальное сочетание между такими их основными характеристиками, как чувствительность, селективность, конструктивность и универсальность.
Известен способ обнаружения подповерхностных металлических объектов, в частности, электрических кабелей и подземных металлических коммуникаций [патент RU №2168746. Способ обнаружения токопроводящих и ферромагнитных объектов в геологической среде. G01V 3/12, G01V 3/11, G01S 13/88, опубл. 10.06.2001].
Данный способ включает в себя поэтапное манипулирование двумя пространственно разнесенными рамочными антеннами, при этом прямую связь между ними устраняют путем расположения оси одной из них в плоскости другой и последующем поочередном вращении их на малые углы вокруг осей, лежащих в плоскости каждой из них, и смещения их вдоль этих осей, контролируя при этом оптимальное их расположения по уровню сигнала с последующим фиксированием этого взаимного расположения рамочных антенн. Данный способ является вариантом высокочастотного индукционного баланса - IB/TR/RF.
Недостатками данного способа является его невысокая точность при значительной трудоемкости процесса предварительной настройки перед измерительными процедурами. Это объясняется тем, что для его реализации требуется этапное и поочередное регулирование взаимного линейного и углового положения передающей и приемной антенн-рамок. В процессе этого регулирования необходимо добиться такого их расположения, при котором исключается прямая связь передатчика с приемником. Это не только ограничивает оперативность получения информации, но и требует постоянного контроля и корректирования положения рамок в процессе эксплуатации. Кроме того, известный способ имеет ограниченные функциональные возможности, поскольку не позволяет определить физические характеристики и глубину залегания скрытого металлического объекта.
Наиболее близким к заявляемому является способ обнаружения подповерхностных металлических объектов, являющейся вариантом низкочастотного индукционного баланса - IB/TR/LF, реализуемого посредством индуктивного преобразователя металлодетектора, описанного в [патент SU №1831697. Индуктивный преобразователь металлодетектора. G01V 3/11, опубл. 30.07.1993].
Согласно данному способу, в окружающем пространстве посредством излучающей рамочной антенны, питаемой гармоническим сигналом, возбуждают первичное электромагнитное поле, которым наводят в подповерхностном металлическом объекте вихревые токи, создающие вторичное переизлученное электромагнитное поле, посредством приемной антенны воспринимают вторичное электромагнитное поле, которое наводит в ней ЭДС индукции, преобразуют эту ЭДС основным измерительным каналом в выходной сигнал и по появлению этого сигнала судят о наличие подповерхностного объекта. При этом компенсацию ЭДС в приемной антенне от первичного электромагнитного поля осуществляют посредством выполнения излучающей рамочной антенны в виде двух дифференциально включенных идентичных рамочных секций, расположенных симметрично относительно генераторной оси, совпадающей с осью симметрии приемной антенны, и перемещения приемной антенны относительно излучающей рамочной антенны в направлении, перпендикулярном генераторной оси.
Недостаток известного способа обнаружения подповерхностных объектов заключается в том, что он обладает недостаточной точностью и чувствительностью. Для обеспечения высокой чувствительности необходимо подавить или значительно уменьшить наведенный в приемной катушке прямой сигнал от первичного поля. Для этого секции излучающей рамочной антенны необходимо выполнить полностью одинаковыми, что технологически достаточно сложно. Кроме того, например, при механических нагрузках и изменении температуры в процессе поисковых работ, между секциями возникает сигнал раскомпенсации, создающий дополнительную помеху. Все это в итоге приводит к появлению методических помех и увеличивает погрешность измерения. Наряду с этим, известный способ не позволяет определить глубину залегания скрытого объекта.
Задача изобретения заключается в повышении точности и расширении функциональных возможностей способа обнаружения скрытых металлических объектов.
Поставленная задача решается тем, что в гибридном способе обнаружения подповерхностных металлических объектов, согласно которому в окружающем пространстве посредством излучающей рамочной антенны, питаемой гармоническим сигналом, возбуждают первичное электромагнитное поле, которым наводят в подповерхностном объекте вихревые токи, создающие вторичное переизлученное электромагнитное поле, посредством приемной антенны улавливают вторичное электромагнитное поле, которое наводит в ней ЭДС индукции, и преобразуют эту ЭДС основным измерительным каналом, в отличие от прототипа, посредством основного измерительного канала преобразуют ЭДС индукции в синфазный и квадратурный электрические сигналы, одновременно регистрируют и преобразуют посредством дополнительного измерительного канала реакцию импеданса излучающей рамочной антенны, вызванную электромагнитными свойствами подповерхностного металлического объекта, в электрический сигнал дополнительного измерительного канала, который совместно с электрическими сигналами основного измерительного канала подвергают процедуре алгоритмической обработки в соответствии со следующими выражениями:
ДИК
1
1
2
2
3
3
а
а
a
где σ и μ - соответственно удельная электрическая проводимость и магнитная проницаемость металлического объекта; h - глубина залегания металлического объекта;  - синфазная и квадратурная составляющие сигнала основного измерительного канала; U - сигнал дополнительного измерительного канала; , b и , b - коэффициенты статических функций квадратурного и синфазного преобразования основного измерительного канала приемной антенны; , b - коэффициенты статической функции преобразования дополнительного измерительного канала излучающей рамочной антенны.
При этом в качестве приемной антенны используют ферритовую магнитную антенну, процесс формирования первичного электромагнитного поля и регистрация вторичного электромагнитного поля осуществляют посредством совмещенных излучающей рамочной антенны и приемной магнитной ферритовой антенны, а прямую связь между излучающей рамочной антенной и приемной магнитной ферритовой антеннами устраняют путем расположения оси приемной магнитной ферритовой антенны в плоскости излучающей рамочной антенны. Процедуры синфазно-квадратурных преобразований посредством основного измерительного канала синхронизируют с временными параметрами гармонического сигнала, возбуждающего первичное электромагнитное поле.
Фактически, при реализации предложенного гибридного способа обнаружения подповерхностных объектов информация регистрируется посредством трех информационных каналов:
два информационно-измерительным канала от приемной ферритовой магнитной антенны, причем первый канал используют для измерения текущего значения амплитуды напряжения активной составляющей входного сигнала, а второй канал - для измерения текущего значения амплитуды напряжений реактивной составляющей входного сигнала;
- третий информационно-измерительный канал от излучающей рамочной антенны, который является каналом измерения текущего значения амплитуды возбуждающего тока.
Реализация такой информационной избыточности существенно повышает достоверность и точность способа обнаружения скрытых металлических объектов. Это повышает эффективность процессов подповерхностного зондирования в целом.
Таким образом, предложенный гибридный способ обнаружения подповерхностных металлических объектов фактически объединяет в себе два базовых метода обнаружения, реализуемые различными типами металлодетекторов:
1. Метод реакции параметров электромагнитного поля на внутренний или поверхностный импеданс среды при распространении электромагнитного поля соответственно в земле или над ее поверхностью;
2. Метод реакции входного импеданса приемной антенны на электромагнитные свойства зондируемой среды.
Реализация процедур гибридного способа обнаружения подповерхностных металлических объектов, ориентированных на совместное использование указанных двух методов, позволяет обнаруживать эти подповерхностные объекты, осуществлять их идентификации (по величинам удельной электрической проводимости и магнитной проницаемости подповерхностного объекта), и определять глубину их залегания.
Сущность предложенного способа интерпретируется структурной блок-схемой, представленной на фиг. 1; на фиг. 2 показана схема взаимодействия излучающей рамочной антенны с подповерхностным металлическим объектом, находящимся во вмещающей среде.
П
В
X
Y
Ш
1
1
2
2
3
3
ФА
ФА
ДИК
a
а
a
На блок-схеме, приведенной на фиг. 1, обозначено: 1 - излучающая рамочная антенна (РА); 2 - приемная ферритовая антенна (ФА); 3 - процедура регистрации и синфазно-квадратурного преобразования сигнала (ЭДС индукции) с ФА посредством основного измерительного канала (ОИК); 4 - процедура регистрации и преобразования реакции импеданса излучающей РА, вызванной электромагнитными свойствами подповерхностного объекта (ПО), в электрический сигнал посредством дополнительного измерительного канала (ДИК); 5 - процедура алгоритмической обработки измерительной информации для определения параметров ПО; 6 - генератор гармонического сигнала Uг, возбуждающий первичное электромагнитное поле; 7 - вмещающая среда; 8 - ПО; 9 - вихревые токи; Н - магнитная компонента первичного электромагнитного поля; Н - поляризованная магнитная компонента вторичного электромагнитного поля; H и H - горизонтальная и вертикальная составляющие поляризованной магнитной компоненты вторичного электромагнитного поля; R - измерительный токовый шунт;  и b - коэффициенты статической функции ОИК для синфазного преобразования;  и b - коэффициенты статической функции ОИК для квадратурного преобразования;  и b - коэффициенты статической функции преобразования ДИК; U - информационный сигнал (ЭДС индукции) с ФА;  - соответственно синфазная и квадратурная составляющие информационного сигнала (U; U - информационный сигнал с РА; F((ω; ϕ; t) - процесс синхронизации процедуры преобразования ОИК с временными параметрами гармонического сигнала, возбуждающего первичное электромагнитное поле; σ и μ - соответственно удельная электрическая проводимость и магнитная проницаемость ПО; h - глубина залегания ПО.
Способ реализуется следующим образом.
От генератора синусоидального напряжения 6 сигнал рабочей частоты подают на излучающую рамочную антенну 1. За счет этого в окружающем пространстве создают первичное электромагнитное поле. Процесс формирования первичного электромагнитного поля и регистрации вторичного электромагнитного поля осуществляют посредством пространственного совмещения излучающей РА 1 и приемной ФА 2, причем в качестве приемной антенны используют ферритовую магнитную антенну в виде катушки индуктивности с сердечником из ферромагнитного материала, за счет которого обеспечивают увеличение магнитного потока, сцепленного с витками ФА 2. Для того, чтобы в отсутствии ПО 8 во вмещающей среде 7 ЭДС индукции в ФА 2 отсутствовала, прямую связь между излучающей РА 1 и приемной ФА 2 устраняют путем расположения оси ФА 2 в плоскости РА 1, обеспечивая тем самым геометрическую компенсацию этого первичного поля.
В
ФА
ФА
При появлении ПО 8 во вмещающей среде 7 он будет намагничиваться первичным полем, за счет чего в нем начинает протекать индуцированный вихревой ток 9, который создает вторичное (переизлученное) электромагнитное поле с поляризованной магнитной компонентой Н. Вторичное поле воздействует на приемную ФА 2 и наводит в ней ЭДС индукции, в результате чего появляется сигнал U. Посредством основного измерительного канала сигнал U преобразуют в синфазный и квадратурный электрические сигналы, причем синфазный сигнал пропорционален удельной электропроводности σ ПО 8, а реактивный сигнал пропорционален магнитной восприимчивости μ ПО 8. Указанные синфазный и квадратурный электрические сигналы используют в качестве выходных сигналов ОИК. При этом процедуры преобразования посредством основного измерительного канала синхронизируют с временными параметрами гармонического сигнала генератора синусоидального напряжения 6, возбуждающего первичное электромагнитное поле.
Наведенные в ПО 8 вихревые токи 9 создают вторичное электромагнитное поле, направление которого по закону Ленца противоположно возбуждающему полю. Напряженность магнитной компоненты результирующего электромагнитного поля будет равна разности напряженностей магнитных компонент возбуждающего и вторичного электромагнитных полей.
ИШ
Таким образом, электромагнитное поле вихревых токов, при неизменном напряжении питания излучающей рамочной антенны 1, будет приводить к увеличению ее полного сопротивления и, как следствие, к уменьшению силы тока, протекающего в ней. Следовательно, полное сопротивление РА 1 будет зависеть от величины и характера распределения вихревых токов в ПО 8 во вмещающей среде, т.е. от удельной электрической проводимости σ и глубины залегания h ПО 8. В этом случае информативным параметром является амплитуда тока возбуждения рамочной антенны 1. Изменение импеданса излучающей РА 1, вызванное электромагнитными свойствами ПО 8, фиксируют посредством дополнительного измерительного канала. Для этого с измерительного токового шунта RДИК снимают электрический сигнал, пропорциональный току возбуждения излучающей РА 1, и подвергают его дальнейшему преобразованию. Полученный таким образом сигнал используют в качестве выходного сигнала ДИК.
а
а
a
1
1
2
2
3
3
Затем выполняют процедуру алгоритмической обработки измерительной информации для определения параметров ПО 8. Для этого в соответствии с исходной информацией, задаваемой в виде коэффициентов , b,  и b статических функций ОИК и коэффициентов  и b статической функции преобразования ДИК, осуществляют совместную алгоритмическую обработку выходных сигналов ОИК и ДИК. По результатам алгоритмической обработки фиксируют наличие подповерхностного ОП 8 в зоне поиска и глубину его залегания, а также осуществляет его идентификацию путем определения значений его магнитной проницаемости и электропроводности.
Все необходимые компоненты для алгоритма обработки информационных сигналов определяют на стадии предварительной подготовки способа к реализации путем воздействия на ФА определенным набором образцовых физических величин.
Для более полного представления существа предлагаемого гибридного метода индукционного зондирования рассмотрим отдельные физические процессы, лежащие в его основе.
Рассмотрим особенности функционирования двух информационных каналов ФА 2 основного измерительного канала.
ФА
В
По закону Фарадея напряжение U на выходе катушки индуктивности для внешнего переизлученного магнитного поля с амплитудой Н, меняющейся по гармоническому закону с циклической частотой со и являющейся функцией физических параметров σ и μ, определяется следующим соотношением:
эфф
0
-7
2
где j - мнимая единица; μ - эффективная магнитная проницаемость сердечника; μ=4π⋅10 Гн/м - магнитная проницаемость вакуума; w - количество витков в катушке индуктивности ФА 2; S=πd/4 – площадь сечения сердечника ФА; d - диаметр сердечника ФА 2;  - напряженность магнитной компоненты вторичного электромагнитного поля; σ и μ - величины соответственно удельной электрической проводимости и магнитной проницаемости ПО 8.
П
В этом случае для напряженности магнитной компоненты вторичного электромагнитного поля при условии, что на поверхности проводящего ПО 8 эта напряженность равна некоторому значению Н (амплитуда напряженности магнитной компоненты первичного электромагнитного поля), справедливо считать:
- коэффициент затухания;
- коэффициент фазы (фазовая постоянная).
С учетом того, что для рассматриваемого случая плотность тока проводимости ПО 8 намного больше тока смещения в нем (для чисто синусоидального процесса), т.е. σ/ωε >> 1, можем записать:
Окончательно, выражение (2) трансформируется к следующему виду:
Исходя из свойств уравнений (1) и (2), следует, что синфазная составляющая информационного сигнала ОИК пропорциональна, в основном, удельной электропроводности σ ПО 8, а квадратурная составляющая информационного сигнала ОИК - магнитной проницаемости μ ПО 8, соответственно:
где ϕ и ω - соответственно фаза и циклическая частота тока возбуждения РА;  - статические функции преобразования ОИК соответственно для синфазного и квадратурного преобразования
Статическую функцию преобразования практически любого измерительного преобразователя можно представить в виде [Брякин И.В. Метод адаптивной редукции // Проблемы автоматики и управления. Бишкек: Илим, 2014, №1(26). - С 134-143]:
a
a
1
n
где у - выходная величина; , …,  - параметры измерительного преобразователя.
С учетом (6) можно представить выражения (4) и (5) соответственно,
как:
а
а
1
1
2
2
где , b и , b - коэффициенты статических функций ОИК соответственно для квадратурного и синфазного преобразования, определяемые на стадии предварительной подготовки процесса сканирования вмещающей среды путем воздействия на ФА 2 определенным набором образцовых физических величин.
а
а
1
1
2
2
Значения вышеуказанных коэффициентов , b,  и b, полученных таким способом, в качестве исходных данных используются при алгоритмической обработке информационных сигналов.
Исходя из (3) и (4) составленные уравнения процедур преобразования (7) являются линейно независимыми алгебраическими уравнениями (принцип инвариантности), что делает данную систему уравнений корректно составленной и разрешимой относительно искомых параметров σ и μ.
Далее рассмотрим особенности процедуры преобразования ДИК (фиг. 2).
При отсутствии ПО 8 во вмещающей среде 7 для РА 1 можем записать:
0
0
0
0
0
0
1
В момент прохождения РА 1 над металлическим ПО 8, находящимся во вмещающей среде 7 и условно имеющим индуктивность L и сопротивление r, магнитный поток в пространстве, обусловленный контурным током генераторной катушки  вызывает появление в электрическом контуре Lr вихревого тока  Между контуром Lr ПО 8 и контуром LR РА 1 возникает взаимосвязь в виде взаимоиндукции М. Аналитическое выражение для этих взаимосвязанных контуров запишется в виде:
В связи с тем, что  то в электрическом контуре ПО 8 изменится контурный ток  который станет величиной
После несложных преобразований уравнений (9) получим
Э
0
где  h - глубина залегания ПО 8 во вмещающей среде, D - эквивалентны диаметр РА 1, М - коэффициент взаимной индукции электрического контура РА 1 и его зеркального изображения при h≈0.
Из выражения (10) следует, что составляющие импеданса РА 1 изменились соответственно на величины:
Перепишем уравнение (10) в более общем виде:
Где  - величина измененного импеданса РА 1.
Ш
Согласно (11), сигнал с измерительного шунта R можно представить в виде комплексной величины
По аналогии с уравнениями (7), для процедуры преобразования дополнительного измерительного канала излучающей РА 1 и в соответствии с (12) можем записать соответствующее уравнение вида:
а
3
3
где , b - коэффициенты статической функции преобразования дополнительного измерительного канала РА 1.
Обобщая, система уравнений измерительного процесса будет иметь следующий вид:
Уравнение (13), входящее в систему алгебраических уравнений (14), в силу своей физической сущности является линейно независимым по отношению к уравнениям (7). Поэтому, система уравнений (14) в целом также является корректно составленной и разрешимой относительно искомых параметров ПО 8:
Полученные выражения (15) фактически являются вычислительным алгоритмом для определения параметров ПО 8.
Таким образом, предложенный гибридный способ обнаружения подповерхностных металлических объектов объединяет два базовых метода контроля - метод реакции параметров электромагнитного поля на внутренний или поверхностный импеданс среды при распространении в ней электромагнитного поля и метод реакции входного импеданса приемной антенны на электромагнитные свойства зондируемой среды. За счет этого предложенный способ, реализуя принцип структурной избыточности, успешно решает задачу повышения эффективности процессов подповерхностного зондирования в целом. Он позволяет определить расположение и глубину залегания h подповерхностных объектов во вмещающей среде, а также идентифицировать объект по параметрам σ и μ. Все это существенно повышает информативность и эффективность предложенного гибридного способа обнаружения подповерхностных объектов, а также расширяет сферу его применения.