СОСТАВНОЙ ДЕТЕКТОР С ТРАНСВЕРСАЛЬНЫМИ КАТУШКАМИ
COMPOSITE DETECTOR WITH TRANSVERSAL COILS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к обнаружению заданных объектов и более конкретно к обнаружению взрывных устройств, таких как закопанные в землю наземные мины (фугасы).
Уровень техники
Для обнаружения взрывных устройств используют составные детекторы (англ. «dual detector»), содержащие детекторные головки, вмещающие индуктивный датчик и георадар, поскольку эти технологии дополняют друг друга в отношении типов материалов, подлежащих обнаружению (металлы для индуктивного датчика и разность диэлектрических постоянных материалов и относительное положение для радара).
Однако на практике Заявитель обнаружил, что грунт не является нейтральным с точки зрения электромагнетизма и, следовательно, может нарушать связь между катушками. Кроме того, грунт редко намагничен равномерно, таким образом, что при зондировании оператором с помощью детектора сигнал детектора может изменяться только из-за присутствия металлического лома или даже из-за состава грунта, инициируя ложные тревоги.
Кроме того, операторы, использующие эти детекторы, могут быть недостаточно обучены и неправильно держать детектор или осуществлять неправильные сканирующие движения. При этом детекторная головка может образовывать латеральный угол с землей таким образом, что одна из катушек находится ближе к земле, чем другие, что создает сильную модуляцию сигнала и, таким образом, риск инициирования ложных тревог. И даже в том случае, когда оператор хорошо обучен и пытается удерживать детекторную головку по существу параллельно земле в любой момент сканирующего движения, он не может локально изменить ее наклон с учетом неровности грунта.
Чтобы ослабить эти недостатки, изготовители стремятся снизить чувствительность таких детекторов. Однако при этом создается риск потери способности к обнаружению погруженных в грунт целевых объектов и таким образом подвергания опасности жизни операторов.
В патентном документе US 3758849 раскрыт способ обнаружения целевого объекта с помощью детектора, содержащего детекторную головку, причем детекторная головка содержит индуктивный датчик, содержащий отдельные передающую и приемную катушки. Передающая и приемная катушки образуют зону связи.
Однако детектор является неподвижным, а перемещается перед ним в направлении сканирования подлежащий сканированию объект. Таким образом, детектор не осуществляет сканирования грунта. Кроме того, речь не идет о составном детекторе, т.е. детекторе, который для повышения эффективности обнаружения содержит дополнительные средства детектирования, в дополнении к индуктивному датчику.
В патентном документе US 9733353 раскрыт детектор, содержащий один контур обнаружения.
В документе WO 2012/024133 раскрыт детектор, содержащий индуктивный датчик, образованный приемной катушкой и передающей катушкой, расположенными таким образом, чтобы образовалась поперечная планка, и V-образные антенны радара.
Сущность изобретения
Таким образом, задачей настоящего изобретения является предложение составного детектора, содержащего детекторную головку, вмещающую индуктивный датчик и другой датчик, такой как георадар, который может уменьшить число ложных тревог, могущих возникать при сканировании грунта с помощью детектора, обладая при этом более высокой чувствительностью.
Для этого в соответствии с настоящим изобретением предложен способ обнаружения целевого объекта с помощью составного детектора, содержащего детекторную головку, причем детекторная головка содержит индуктивный датчик, содержащий отдельные передающую и приемную катушки, каждая из которых образует контур, причем контур передающей катушки по меньшей мере частично перекрывает контур приемной катушки таким образом, чтобы сформировать зону связи, вытянутую в первом продольном направлении, определяющем первую ось. Детектор перемещают в направлении сканирования, определяющем ось сканирования, таким образом, что при перемещении детекторная головка ориентирована так, что первая ось зоны связи по существу параллельна оси сканирования.
В соответствии со вторым аспектом изобретения, предложен составной детектор, который может быть использован в описанном выше способе поиска, содержащий детекторную головку, закрепленную на ручке с помощью механического соединения, причем детекторная головка содержит:
- пластину, и
- индуктивный датчик, закрепленный на пластине и содержащий отдельные передающую и приемную катушки, каждая из которых образует контур, причем контур передающей катушки по меньшей мере частично перекрывает контур приемной катушки таким образом, что образуется зона связи, вытянутая в первом продольном направлении, определяющем первую ось. Кроме того, ручка проходит в плоскости, перпендикулярной пластине, а первая ось зоны связи трансверсальна указанной плоскости.
Ниже описаны некоторые предпочтительные, но не ограничивающие, признаки описанного выше составного детектора, взятые по отдельности или в сочетании:
- каждый из контуров по существу вытянут во втором продольном направлении, определяющем вторую ось, причем первая и вторая оси по существу параллельны друг другу;
- детекторная головка вытянута и проходит вдоль первой оси;
- передающая и приемная катушки содержат проволочные спирали, причем передающая катушка содержит большее число витков, чем приемная катушка;
- передающая и приемная катушки напечатаны непосредственно на пластине, причем пластина образует печатную плату;
- передающая и приемная катушки являются униполярными;
- механическое соединение закреплено с возможностью вращения вокруг третьей оси, причем третья ось заключена в плоскости.
- третья ось трансверсальна первой оси.
- механическое соединение содержит поворотное соединение, соединение типа жесткой заделки или шаровую цапфу;
- детектор дополнительно содержит рукоять, выполненную с возможностью захвата оператором, причем эта рукоять проходит в плоскости;
- детектор дополнительно содержит георадар, содержащий передающую и приемную антенны, каждая из которых расположена в центре одного из контуров передающей и приемной катушек;
- передающая и приемная антенна являются антеннами следующих типов: четырехгребневая рупорная антенна, конусная антенна «бабочка», прямоугольная конусная антенна «бабочка», антенна «спираль Архимеда», антенна «логарифмическая спираль», антенна Вивальди, антенна «растянутая логарифмическая спираль»;
- передающая и приемная антенны изготовлены по меньшей мере частично из никеля или хрома;
- центральная часть передающей и приемной антенн изготовлена из меди и содержит на поверхности защитный слой, выполненный из золота;
- толщина передающей и приемной антенн меньше одного микрона и предпочтительно равна приблизительно 200 нм.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки, задачи и преимущества настоящего изобретения станут ясны из подробного описания, которое будет приведено ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, приведенные в качестве неограничивающих примеров.
На фиг. 1 представлен вид в перспективе детектора в соответствии с одним из вариантов осуществления.
На фиг. 2 представлен вид сверху, покомпонентный и в перспективе, детекторной головки детектора по фиг. 1.
На фиг. 3 представлен вид снизу, покомпонентный и в перспективе, детекторной головки детектора по фиг. 1.
На фиг. 4а схематично представлена ориентация передающей и приемной катушек известного детектора в зависимости от направления сканирования направо/налево.
На фиг. 4b схематично представлена ориентация передающей и приемной катушек детектора в соответствии с изобретением в зависимости от направления сканирования направо/налево.
На фиг. 5а и 5b представлена амплитуда сигнала, измеренная для известного детектора и детектора в соответствии с изобретением соответственно, когда детектор находится в контакте с намагниченным грунтом, на который помещен стальной шарик, и который детектор исследует сканирующим движением направо/налево.
На фиг. 6а и 6b представлена амплитуда сигнала, измеренная для известного детектора и детектора в соответствии с изобретением соответственно, когда детектор находится в контакте с намагниченным грунтом, в который было закопано имитирующее устройство типа LI-11 и который детектор исследует сканирующим движением направо/налево.
На фиг. 7а и 7b представлена амплитуда сигнала, измеренная для известного детектора и детектора в соответствии с изобретением соответственно, когда детектор находится в контакте с намагниченным грунтом, в который было закопано имитирующее устройство типа РМА-2, и который детектор исследует сканирующим движением направо/налево.
На фиг. 8а и 8b представлена амплитуда сигнала, измеренная для известного детектора и детектора в соответствии с изобретением соответственно, когда детектор находится в 5 см от намагниченного грунта, на который помещен стальной шар, и который детектор исследует сканирующим движением направо/налево.
На фиг. 9а и 9b представлена амплитуда сигнала, измеренная для известного детектора и детектора в соответствии с изобретением соответственно, когда детектор находится в 5 см от намагниченного грунта, в который был закопан имитатор типа LI-11, и который детектор исследует сканирующим движением направо/налево.
На фиг. 10а и 10b представлена амплитуда сигнала, измеренная для известного детектора и детектора в соответствии с изобретением соответственно, когда детектор находится в 5 см от намагниченного грунта, в который был закопан имитатор типа РМА-2, и который детектор исследует путем сканирующего движения направо/налево.
На фиг. 11а и 11b представлена амплитуда сигнала, измеренная для известного детектора и детектора в соответствии с изобретением соответственно, когда детектор находится в неподвижном состоянии в 5 см от намагниченного грунта, относительно которого детектор наклонен в бок на 20°.
На фиг. 12а и 12b представлена амплитуда сигнала, измеренная для известного детектора и детектора в соответствии с изобретением соответственно, когда детектор находится в 5 см от намагниченного грунта, относительно которого детектор наклонен в бок на 20° и исследует сканирующим движением направо/налево.
Осуществление изобретения
Составной детектор 1 в соответствии с изобретением содержит детекторную головку 10, закрепленную на ручке 20 с помощью механического соединения 30.
Детекторная головка 10 соответствует части, предназначенной для приближения к грунту для поиска заданных объектов. Для этого она содержит:
- пластину 11;
- индуктивный датчик, закрепленный на пластине 11 и содержащий отдельные передающую катушку 12 и приемную катушку 13, и
- другой датчик, предпочтительно георадар.
Передающая катушка 12 и приемная катушка 13 являются униполярными. Традиционно передающая и приемная катушки 12, 13 выполнены с возможностью передачи и приема волн частотой от 300 Гц до 180 кГц. Передающая катушка 12 и приемная катушка 13 являются униполярными. Традиционно передающая и приемная катушки 12, 13 выполнены с возможностью передачи и приема волн частотой от 300 Гц до 180 кГц. Каждая из передающей и приемной катушек 12, 13 образует контур и выполнена таким образом, что контур передающей катушки 12 по меньшей мере частично перекрывает контур приемной катушки 13 таким образом, что образуется зона 14 связи. Такая конфигурация позволяет получить индуктивный датчик с минимальной взаимной индуктивностью.
По сравнению с индуктивным датчиком, содержащим одну катушку, являющуюся излучателем и приемником и образованную двумя последовательными контурами с обратными знаками для нейтрализации внешних паразитных эффектов, использование двух отдельных катушек 12, 13, образующих передающую катушку 12 и приемную катушку 13, позволяет усилить сигнал и таким образом не требует снижения порога обнаружения для того, чтобы избежать риска ложных тревог.
1
1
1
1
Зона связи вытянута в первом продольном направлении, определяющем первую ось Х. Для дополнительного уменьшения риска ложных тревог и одновременно с этим повышения чувствительности детектора 1 индуктивный датчик расположен таким образом, что при использовании ручка 20 проходит в плоскости P, перпендикулярной к пластине 11, на которой закреплены передающая и приемная катушки 12, 13, а первая ось X зоны 14 связи пересекает эту плоскость Р.
1
1
Термин «пересекает» в настоящем контексте означает, что первая ось X образует с плоскостью P угол, составляющий от 70° до 110°, предпочтительно приблизительно 90°. Кроме того, контур передающей катушки 12 и контур приемной катушки 13 имеют симметричную форму, причем первая ось проходит через точки 14а, 14b пересечений двух контуров.
Под «продольным направлением» детали или элемента в настоящем контексте подразумевается направление, в котором деталь или элемент имеют наибольший размер.
0
0
Иными словами, при сканировании грунта оператором, которое осуществляется сообразно со сканирующим движением направо/налево, определяющим ось Х сканирования, т.е. перпендикулярно направлению продвижения оператора, детекторная головка 10 ориентирована таким образом, что зона 14 связи находится по существу на одной линии с направлением сканирующего движения. Таким образом, в каждый момент передающая и приемная катушки 12, 13 находятся по существу на одинаковом расстоянии от грунта, даже при наклоне детекторной головки 10 и/или при неровностях грунта, что значительно снижает риски ложной тревоги. Кроме того, благодаря этой новой ориентации, металлический лом, находящийся на грунте, необязательно пересекает зону 14 связи, в отличие от известного детектора (фиг. 4а), в котором зона 14 связи трансверсальна оси Х сканирования и, таким образом, обязательно пересекается.
2
2
1
Контуры передающей и приемной катушек 12, 13 вытянуты во втором продольном направлении, определяющем вторую ось Х. Эта вторая ось Х по существу параллельна первой оси X. Иными словами, контур передающей катушки 12, зона 14 связи и контур приемной катушки 13 имеют одно продольное направление и проходят рядом друг с другом.
1
Кроме того, форма детекторной головки 10 приспособлена к конфигурации и пространственной ориентации передающей и приемной катушек 12, 13. Таким образом, она вытянута в том же направлении, что и контуры катушек, и проходит в продольном направлении, по существу параллельном первой оси Х.
В соответствии с первым вариантом осуществления, передающая катушка 12 и приемная катушка 13 напечатаны непосредственно на верхней пластине 11. Таким образом, пластина 11 и передающая и приемная катушки 12, 13 образуют печатную плату. Преимущество этого варианта осуществления состоит в уменьшении пространства, занимаемого индуктивным датчиком в детекторной головке 10, а также общей массы детектора 1. Однако его цена является существенной. Следовательно, в соответствии со вторым вариантом осуществления, представленным на фиг. 2 и 3, передающая и приемная катушки 12, 13 могут содержать проволочные спирали, причем передающая катушка 12 содержит большее число витков, чем приемная катушка 13.
3
1
1
3
0
Механическое соединение 30 содержит соединение типа жесткой заделки, поворотное соединение или шаровую цапфу. Предпочтительно, механическое соединение 30 закреплено с возможностью вращения вокруг третьей оси Х, заключенной в плоскости Р и перпендикулярной первой оси X. Блокирование вращения вокруг третьей оси Х побуждает оператора держать детектор 1 таким образом, чтобы зона 14 связи при поиске была по существу параллельна оси Х сканирования.
Как вариант, детектор 1 дополнительно содержит средства 40 для захвата детектора 1 оператором. Обычно средства 40 захвата могут содержать дугу 41, выполненную с возможностью вмещения руки оператора с возможностью скольжения, а также рукоять 42, выполненную с возможностью захвата оператором.
1
0
В соответствии с одним из вариантов осуществления, рукоять 42 проходит в плоскости Р, чтобы структурно вынуждать оператора удерживать детектор 1 так, чтобы зона 14 связи была ориентирована таким образом, чтобы при поиске она проходила по существу параллельно оси Х сканирования.
Ручка 20 может быть телескопической и/или содержать множество отдельных частей, выполненных с возможностью сборки друг с другом перед их скреплением, например, с помощью болтового соединения.
Традиционно детектор 1 содержит также средства обработки 50, содержащие в частности микропроцессор, выполненный с возможностью обработки сигнала, обнаруженного индуктивным датчиком 12, 13, такой как одна или множество электронных карт, запоминающее устройство и в случае необходимости средства оповещения и/или индикаторное устройство 51.
Средства 50 обработки могут быть расположены целиком или частично в области средств захвата.
0
1
0
На фиг. 5а-10b проиллюстрирована первая серия сравнительных испытаний, проведенных, с одной стороны, с известным детектором 1 (фиг. Ya, Y ∈ [5; 12]), т.е. составным детектором 1, содержащим индуктивный датчик с перекрывающимися передающей и приемной катушками, но с зоной связи, проходящей перпендикулярно оси Х сканирования, и с детектором 1 в соответствии с изобретением (фиг. Yb, Y ∈ [5; 12]), т.е. с детектором 1, в котором ось X передающей и приемной катушек 12, 13 параллельна оси Х сканирования.
Эти испытания проводились на намагниченном грунте. В первом случае (фиг. 5а, 8а и 8b) на намагниченный грунт был помещен стальной шарик диаметром 6,5 мм. Во втором случае (фиг. 6а, 6b, 9а и 9b) в намагниченный грунт был закопан имитатор взрывателя типа LI-11. В третьем случае (фиг. 7а, 7b, 10а и 10b) в намагниченный грунт был закопан имитатор взрывателя типа РМА-2.
0
1
Детекторная головка 10 проводилась сканирующим движением направо/налево в соответствии с движением, рекомендованным операторам на участке. Под сканирующим движением направо/налево в настоящем контексте подразумевается боковое движение, т.е. движение по оси Х сканирования, перпендикулярной плоскости Р, в которой проходит ручка 20.
В этой первой серии испытаний при сканирующем движении детекторная головка 10 находилась в контакте с грунтом (0 см - фиг. 5а-7b), а затем размещалась в 5 см от грунта (фиг. 8а-10b). Интенсивность сигнала обнаружения регистрировалась при каждом сканирующем движении (направо/налево).
Результаты измерений для трех случаев с известным детектором и детектором 1 в соответствии с изобретением при 0 см и 5 см от грунта приведены в таблице ниже.
0
1
Таким образом, из этой серии сравнительных испытаний следует, что при изменении ориентации передающей катушки 12 и приемной катушки 13 относительно оси Х сканирования отношение между амплитудой сигнала при 0 см (при контакте с грунтом) и на расстоянии 5 см от грунта значительно уменьшается. Иными словами, влияние типа грунта и металлического лома или лома, содержащего оксиды, находящегося в грунте, значительно снижается, когда направление сканирования параллельно первой оси X (и, таким образом, продольному направлению зоны 14 связи).
Таким образом, эта конфигурация позволяет значительно повысить чувствительность обнаружения детектора 1 в соответствии с изобретением, поскольку тип грунта и случайные обломки оказывают меньшее влияние на обнаружение и таким образом инициируют меньше ложных тревог.
На фиг. 11а, 11b, 12а и 12b проиллюстрирована вторая серия сравнительных испытаний, демонстрирующая влияние этой конфигурации на ложные тревоги, вызванные неоднородностью грунта и/или неправильными сканирующими движениями оператора.
В ходе этой второй серии испытаний детекторную головку 10 известного детектора и детектора 1 в соответствии с изобретение проводили над намагниченным грунтом в пяти сантиметрах от него. Коэффициент усиления двух детекторов был уравнен, чтобы они выдавали одинаковую интенсивность для одного и того же коэффициента усиления. Однако в первом случае детекторная головка 10 была наклонена под углом в 20° относительно грунта и оставалась неподвижной (отсутствие сканирующего движения - фиг. 11а и 11b), а во втором случае детекторная головка 10 была наклонена под этим же углом в 20° относительно грунта, осуществляя то же сканирующее движение направо/налево, что и в первой серии испытаний (фиг. 12а et 12b). Следует заметить, что при этом угле в 20° для известного детектора одна из передающей и приемной катушек 12, 13 находилась дальше от грунта, чем другая, тогда как для детектора 1 в соответствии с изобретением обе катушки были одинаково наклонены относительно грунта, но каждая из них имела часть, расположенную ближе к грунту, и более удаленную часть.
Результаты измерений для этих двух случаев с известным детектором и детектором 1 в соответствии с изобретением приведены в таблице ниже.
0
Таким образом, из этой серии сравнительных испытаний следует, что при изменении ориентации передающей катушки 12 и приемной катушки 13 относительно оси Х сканирования значительное уменьшение амплитуды сигнала обеспечивается простым наклоном детектора 1. В самом деле, в случае с известным детектором разность амплитуды сигнала вследствие простого наклона детекторной головки в неподвижном состоянии составляет 350 мВ против 200 мВ в случае с детектором 1 в соответствии с изобретением. Аналогичным образом, амплитуда сигнала вследствие простого сканирования с наклоном составляет 400 мВ для известного детектора против 250 мВ для детектора 1 в соответствии с изобретением.
Детектор 1 содержит дополнительный датчик, предпочтительно георадар 60.
В этом случае георадар 60 содержит передающую антенну 61 и приемную антенну 62, выполненные с возможностью передачи и приема электромагнитных волн в грунте, например, с частотой от 100 МГц до 8 ГГц. Когда эти волны встречают изменения среды, часть передается на поверхность и регистрируется приемной антенной 62.
0
Предпочтительно, за счет ориентации передающей и приемной катушек относительно оси Х сканирования, доступная поверхность внутри каждого из контуров увеличивается. Таким образом, каждая из передающей и приемной антенн 61, 62 может быть расположена в центре одного из контуров передающей и приемной катушек 12, 13. Таким образом, максимальная чувствительность радара 60 находится в той же зоне, что и максимальная чувствительность индуктивного датчика, т.е. в зоне 14 соединения. Иными словами, лепестки диаграммы направленности микроволн радара 60 и лепестки диаграммы направленности магнитных волн индуктивного датчика 12, 13 соответствуют таким образом, что позволяют оператору считать, что обнаружение целевого объекта осуществляется в центральной зоне детекторной головки 10 при наведении на точку.
4
2
Поскольку контуры передающей и приемной катушек 12, 13 имеют вытянутую форму, передающая и приемная антенны 61, 62 могут быть вытянуты вдоль четвертой оси X, параллельной второй оси Х, чтобы максимизировать излучающую поверхность и, таким образом, пропускную способность. Например, передающая и приемная антенны 61, 62 могут иметь форму логарифмической спирали, которая была растянута для максимизации излучающей поверхности и коэффициента направленного действия антенн, при этом минимизируя длину каждого из вибраторов 63, образующих спираль антенн 61, 62, чтобы не увеличивать импульс. В антенне в виде растянутой логарифмической спирали расстояние между вибраторами 63 спирали на самом деле больше и возрастает логарифмически.
Например, растянутая логарифмическая спираль, образующая антенны 61, 62, может иметь высоту приблизительно 150 см для 80 мм.
Как вариант, передающая и приемная антенны 61, 62 радара 60 могут быть следующих типов: четырехгребневая рупорная антенна, конусная антенна «бабочка» (англ. «bow tie»), прямоугольная конусная антенна «бабочка», антенна «спираль Архимеда», антенна Вивальди.
Традиционно передающая и приемная антенны 61, 62 могут быть изготовлены из меди, которая является хорошим проводником электрического тока.
Однако, чтобы снизить риски окисления антенн, передающая и приемная антенны 61, 62 могут быть частично изготовлены из никеля и/или хрома, а частично из меди. Никель и хром имеют то преимущество, что они не окисляются со временем, будучи при этом проводниками электрического тока.
Например, центр 64 каждой из антенн 61, 62 может быть изготовлен из меди и защищен слоем, содержащим золото, тогда как остальная часть 65 антенн 61, 62 выполнена из никеля и/или хрома. Область, проходящая между центром 64 каждой из антенн 61, 62 и остальной антенной 61, 62 может быть выполнена из меди и покрыта слоем никеля (и/или хрома).
Кроме того, для ограничения взаимодействия с передающей и приемной катушками 12, 13, толщина передающей и приемной антенн 61, 62 меньше толщины скин-эффекта катушек 12, 13. Таким образом, антенны 61, 62 становятся невидимыми для магнитного поля индуктивного датчика 12, 13. Однако следует заметить, что толщина передающей и приемной антенн 61, 62 должна оставаться больше заданной толщины, чтобы обеспечить достаточную механическую прочность антенн 61, 62 и избежать всякого риска поломки. Таким образом, толщина передающей и приемной антенн 61, 62 выбирается таким образом, чтобы она составляла от ста нанометров до одного микрона. Например, толщина передающей и приемной антенн 61, 62 может составлять приблизительно 200 нм (с точностью до 10%).
Для изготовления передающей и приемной антенн 61, 62 такой толщины, можно, в частности, использовать технологию физического осаждения из паровой фазы (PVD, от англ. Physical Vapor Deposition). Эта технология позволяет на самом деле получить антенны 61, 62 очень малой толщины с высокой размерной точностью и изготовить множество антенн за один раз.