СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ - МЕТАЛЛООБНАРУЖИТЕЛЬ
METHOD OF DETECTION OF METAL OBJECTS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION - METAL DETECTOR

Изобретение предназначено для обнаружения скрытых на теле человека или в багаже металлических объектов, например, огнестрельного или холодного оружия, в местах организованного прохода и досмотра людей, таких, как, например, аэропорты, стадионы, торговые центры.
Известен аналог - металлообнаружитель - патент РФ на полезную модель №49631, 04.05.2005, выполненный в виде вертикальной монопанели, внутри которой установлена приемная катушка, выходы которой через усилитель связаны с блоком индикации, при этом содержит, по крайней мере, одну намагничивающую катушку и вторую приемную катушку, также установленные в вертикальной монопанели, выводы намагничивающей катушки подключены к генератору, и вторая приемная соединена с первой приемной катушкой последовательно, свободные выводы приемных катушек соединены со входами усилителя, выход которого подключен к первому входу синхронного детектора, выход которого соединен с первым входом анализатора, выход которого соединен с входом блока индикации, устройство управления, первый выход которого соединен с входом генератора, а второй выход соединен со вторым входом синхронного детектора, первый и второй блоки контроля направления движения, каждый из выходов которых соединен соответственно со вторым и третьим входами анализатора. Способ по описанному выше патенту заключается в создании электромагнитного поля намагничивающей катушкой, наведении этим полем ЭДС индукции в приемной катушке и анализе полученного сигнала.
Недостатком аналога способа и аналога устройства является недостаточная чувствительность, из-за чего максимальное расстояние обнаружения, измеряемое от панели до объекта обнаружения, составляет не более одного метра, а также существенная неоднородность чувствительности, как это следует из представленных в патенте диаграмм.
Известен аналог - способ обнаружения металлических предметов - патент РФ на полезную модель №49287, 25.05.2005, принятый в качестве прототипа способа, включающий передачу передающими катушками исходящего сигнала путем создания электромагнитного поля в зоне контроля, получение входящего сигнала приемными катушками, расположенными с другой стороны зоны контроля, путем наведения в них ЭДС индукции от электромагнитного поля, созданного передающими катушками и металлическими объектами, находящимися в зоне контроля, и анализ полученного входящего сигнала.
Известен аналог - металлообнаружитель - патент РФ на полезную модель №49287, 25.05.2005, принятый в качестве прототипа устройства, выполненный в виде двух вертикальных стоек, внутри которых установлены две намагничивающие катушки и две приемные катушки, причем намагничивающие катушки соединены между собой последовательно и подключены к генератору, а две приемные катушки соединены между собой последовательно и подключены к усилителю, выход которого подключен к первому входу синхронного детектора, выход которого соединен со входом анализатора, выход которого соединен со входом блока индикации, устройство управления, первый выход которого соединен со входом генератора, а второй выход соединен со вторым входом синхронного детектора, причем намагничивающие катушки установлены ортогонально в центре одной из стоек, при этом одна из намагничивающих катушек установлена вертикально, а вторая - горизонтально перпендикулярно плоскости зоны контроля и приемные катушки установлены симметрично горизонтально и встречно в другой стойке, причем расстояние между приемными катушками выбирается в зависимости от ширины зоны контроля.
Прототип способа и прототип устройства обладают большей чувствительностью по сравнению с предыдущим аналогом, однако имеют недостатки.
Первым недостатком прототипа способа и прототипа устройства является необходимость изменения расстояния между приемными катушками при изменении ширины зоны контроля. Сигнал, наведенный в приемных катушках, является функцией только геометрического расположения передающих и приемных катушек друг относительно друга и тока, задаваемого генератором. Передающие катушки связаны между собой последовательно и излучают когерентные электромагнитные поля, вызванные протеканием через них одного и того же, при последовательном соединении, переменного тока. Это означает, что при возникновении необходимости изменения ширины зоны контроля металлообнаружителя в процессе эксплуатации, необходимо механически изменить расстояние между приемными катушками для обеспечения близкого к нулю сигнала на выходе приемных катушек, чтобы не перегрузить входной усилитель, имеющий ограниченный динамический диапазон. Процедура перемещения катушек затруднена тем, что катушки расположены внутри корпусов стоек, поэтому для перемещения необходима разборка стойки. Из-за этого процесс настройки и адаптации металлообнаружителя к новой ширине зоны контроля требует привлечения квалифицированного специалиста, что усложняет процесс настройки, увеличивает его трудозатраты и время на его осуществление, а также исключает мобильное использования данного устройства. Кроме того, при установке в непосредственной близи от стоек металлообнаружителя массивных металлических объектов, сравнимых по габаритам со стойками металлообнаружителя, происходит искажение электромагнитного поля, что вызывает выход усиленного предварительным усилителем сигнала приемных катушек за динамический диапазон предварительного усилителя, что исключает дальнейшую эксплуатацию металлообнаружителя.
Вторым недостатком прототипа способа и прототипа устройства является неоднородность чувствительности по всей высоте зоны контроля, обусловленная тем, что намагничивающие катушки расположены в одной стойке, а приемные в другой, и интенсивность электромагнитного поля имеет разное значение в различных по высоте точках контрольной зоны. Из-за такого расположения катушек работа металлообнаружителя осуществляется в несимметричном однонаправленном режиме генерации электромагнитного поля, который обуславливает пониженную чувствительность металлообнаружителя в одних точках по отношению к повышенной чувствительности в других, по высоте, точках контрольной зоны. Это становится особенно заметно при увеличении ширины зоны контроля, что также приводит к увеличению эффекта ориентации обнаружения, при котором один и тот же вытянутый в длину металлический объект дает разный отклик в приемных катушках при перемещении через одну и ту же точку параллельно плоскости зоны контроля и перпендикулярно ей, что затрудняет установку чувствительности на селективное обнаружение, когда следует гарантированно обнаруживать, например, холодное оружие на фоне более мелких безопасных бытовых предметов личного пользования, которые обнаруживаться не должны.
Технической задачей изобретения является автоматизация процесса настройки металлобнаружителя на выбранную пользователем ширину зоны контроля с одновременным повышением однородности чувствительности обнаружения, что повышает мобильность устройства, позволяя разворачивать пункты досмотра за короткий промежуток времени, и позволяя осуществлять более селективное обнаружение металлических объектов неравномерной геометрической формы.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в исключении необходимости перемещения катушек в стойках при изменении ширины зоны контроля и в повышении однородности чувствительности обнаружения.
Решение технической задачи в способе обнаружения металлических предметов, включающем создание исходящего сигнала источником электромагнитного поля, получение входящего сигнала приемником электромагнитного поля, проведение анализа изменения амплитуды и фазы полученного сигнала, вызванного перемещением металлических объектов между источником электромагнитного поля и приемником электромагнитного поля достигается тем, что исходящий сигнал создают двумя независимыми источниками электромагнитного поля, причем на этапе автоматизированной настройки, предшествующем выходу на режим обнаружения, амплитуду и фазу каждого источника устанавливают таким образом, чтобы обеспечить близкий к нулевому уровню минимальный входящий сигнал, получаемый приемником электромагнитного поля, который усиливают, компенсируют противоположным по фазе и равным по амплитуде сигналом компенсации, после чего дополнительно усиливают, а также осуществляют периодическое изменение направления электромагнитного поля, для чего периодически изменяют взаимное расположение источников электромагнитного поля и приемника электромагнитного поля друг относительно друга на противоположное, сопоставляя и суммируя значения изменения амплитуды и фазы входящих сигналов, получаемых при разных направлениях электромагнитного поля.
Решение технической задачи в устройстве для обнаружения металлических предметов - металлообнаружителе, содержащем две вертикальные стойки, в первой из которых установлены две передающие катушки, подключенные к генератору, а во второй две приемные катушки, соединенные последовательно и связанные с усилителем, содержащем вычислитель разницы фаз исходящего и входящего сигналов, блок индикации, причем передающие катушки установлены ортогонально в центре стойки так, что одна из них установлена вертикально, а другая горизонтально, параллельно плоскости зоны контроля, а приемные катушки установлены горизонтально симметрично относительно передающих, достигается тем, что для автоматизации процесса настройки металлобнаружителя на выбранную ширину контрольной зоны, передающие вертикально расположенная и горизонтально расположенная катушки подключены независимо друг от друга к отдельным генераторам, вторая стойка дополнительно содержит две передающие катушки, установленные аналогично первой стойке, а первая стойка дополнительно содержит две приемные катушки, установленные аналогично второй стойке, причем передающая вертикально расположенная катушка первой стойки и передающая вертикально расположенная катушка второй стойки подключены к первому генератору через первый демультиплексор, передающая горизонтально расположенная катушка первой стойки и передающая горизонтально расположенная катушка второй стойки подключены ко второму генератору через второй демультиплексор, приемные катушки первой панели подключены к первому усилителю, приемные катушки второй панели подключены ко второму усилителю, первый и второй усилители подключены к мультиплексору, мультиплексор подключен к полосовому фильтру, полосовой фильтр подключен к сумматору, сумматор подключен к третьему усилителю, который подключен к аналого-цифровому преобразователю, имеется электронно-вычислительный блок, выполненный с возможностью вычисления разности фаз исходящего и входящего сигналов; аналого-цифровой преобразователь, генераторы, мультиплексор, демультиплексоры и блок индикации подключены к электронно-вычислительному блоку.
На фиг. 1 изображена схема металлообнаружителя.
На фиг. 2 изображена схема установки стоек металлообнаружителя относительно зоны контроля.
На фиг. 3 изображен алгоритм работы металлообнаружителя.
Металлообнаружитель, схема которого изображена на рисунке 1, содержит две вертикальные стойки 1, 2, в первой 1 из которых установлены две передающие катушки 3, 4, подключенные к генераторам 5, 6 (через демультиплексоры 16 и 17), соответственно, а во второй 2 две приемные катушки 7, соединенные последовательно и связанные с усилителем 8. Металлообнаружитель содержит электронно-вычислительный блок 9, блок индикации 10, причем передающие катушки 3, 4 установлены ортогонально в центре стойки 1 так, что одна 4 из них установлена вертикально, а другая 3 горизонтально, параллельно плоскости 11 зоны контроля 12 (рисунок 2), а приемные катушки 7 установлены вертикально симметрично относительно передающих 3, 4 катушек. Передающие вертикально расположенная 4 и горизонтально расположенная 3 катушки подключены независимо друг от друга к отдельным генераторам 5, 6 через демультиплексоры 16 и 17 соответственно. Вторая стойка 2 дополнительно содержит две передающие катушки 13, 14, установленные аналогично первой стойке 1, а первая стойка 1 дополнительно содержит две приемные катушки 15, установленные аналогично второй стойке 2, причем передающая вертикально расположенная катушка 4 первой стойки 1 и передающая вертикально расположенная катушка 14 второй стойки 2 подключены к первому генератору 5 через первый демультиплексор 16, а передающая горизонтально расположенная катушка 3 первой стойки 1 и передающая горизонтально расположенная катушка 13 второй стойки 2 подключены ко второму генератору 6 через второй демультиплексор 17. Приемные катушки 15 первой панели 1 подключены к первому усилителю 18, приемные катушки 7 второй панели 2 подключены ко второму усилителю 8. Первый 18 и второй 8 усилители подключены к мультиплексору 19, мультиплексор 19 подключен к полосовому фильтру 20, полосовой фильтр 20 подключен к сумматору 21, сумматор 21 подключен к третьему усилителю 22, который подключен к аналого-цифровому преобразователю 23. В металлообнаружителе имеется электронно-вычислительный блок 9, выполненный с возможностью вычисления разности фаз исходящего и входящего сигналов, аналого-цифровой преобразователь 23, генераторы 5, 6, мультиплексор 19, демультиплексоры 16, 17 и блок индикации 10 подключены к электронно-вычислительному блоку 9. В отличие от прототипа, металлообнаружитель не содержит связи между горизонтальной 3 и вертикальной 4 катушками стойки 1, а также включает в себя сумматор, в котором осуществляется компенсация сигнала приемных катушек.
Рассмотрим пример конкретной реализации металлообнаружителя. Каждая из стоек 1 и 2, изображенных на рисунке 2, имеет коробчатую конструкцию, имеющую вертикальный габаритный размер А=2 м, габаритный размер в направлении прохода проверяемого человека Б=0,4 м и толщину В=150 мм. Катушки 3, 4, 7, 13, 14, 15 являются катушками индуктивности и выполнены в виде сердечника с обмотками. Электронно-вычислительным блоком 9 является микропроцессор, расположенный на основной печатной плате, которая не показана на рисунках. На основной печатной плате также расположены усилители 18 и 8, мультиплексор 19, полосовой фильтр 20, сумматор 21, усилитель 22, аналогово-цифровой преобразователь 23. Первые демультиплексор 16 с генератором 5 и вторые демультиплексор 17 с генератором 6 находятся на отдельных печатных платах, которые устанавливаются в основную печатную плату. Генераторы 5 и 6 выполнены в виде полумостового ключа на полевых транзисторах. Полосовой фильтр 20 выполнен в виде активного фильтра 4-го порядка. Полосовой фильтр 20 может быть выполнен в виде электросхемы колебательного контура LC контура. Блок индикации 10 выполнен в виде жидкокристаллического TFT-дисплея.
Рассмотрим пример реализации способа обнаружения металлических предметов. Металлообнаружитель в примере конкретной реализации используется для проверки наличия огнестрельного и холодного оружия под одеждой или в багаже лиц, проходящих в здание аэропорта. Перед началом работы стойки 1 и 2 устанавливаются рядом, как показано на рисунке 2, на расстоянии Г=2,0 м у входа в аэропорт. Расстояние Г между стойками может быть выбрано любое до Г=2,1 м. Оно выбирается исходя из условий работы, габаритов пространства помещения, в котором осуществляется досмотр, габаритов проверяемых объектов обнаружения. После включения питания устройство автоматически осуществляет подбор комбинации амплитуд и фаз генераторов 5 и 6, дающей минимальное значение сигнала в приемных катушках 7 и 15, далее осуществляет вычисление амплитуды и фазы сигнала, компенсирующего в сумматоре 21 сигналы приемных катушек 7 и 15, после чего сигнализирует о готовности к работе.
В электронно-вычислительный блок 9 запрограммирован цикл, изображенный на рисунке 3, который обеспечивает работу металлообнаружителя. В процессе работы металлообнаружителя программой, заложенной в электронно-вычислительный блок 9, выдаются команды генераторам 5 и 6 на генерацию гармонических колебаний напряжения амплитудой 10-15 В (как вариант 5 В) с частотой 3-10 кГц. Так как генераторы 5, 6 подключены к передающим катушкам 3, 4, 13, 14, то последние создают электромагнитные поля, проходящие через зону контроля 12. Эти поля являются гармоническими исходящими сигналами, они наводят ЭДС индукции в приемных катушках 7 и 15. Колебания напряжений в цепях с приемными катушками 7 и 15 являются входящими сигналами. Входящие сигналы усиливаются усилителями 8 и 18 и передаются на дальнейшую обработку. Полосовой фильтр 20 выделяет нужную рабочую частоту входящего сигнала на фоне индустриальных помех, которыми могут являться электромагнитные поля, создаваемые работой электродвигателя лифта, расположенного рядом с зоной контроля 12. Сумматор 21 выполняет сложение входящего сигнала с компенсационным сигналом. Компенсационный сигнал равен исходящему сигналу, поэтому в отсутствии проносимых через зону контроля 12 металлических объектов получаемый в сумме сигнал считается нулевым или сигналом холостого хода. Сигнал проходит через третий усилитель 22 и преобразуется аналогово-цифровым преобразователем 23 в цифровой сигнал для обработки электронно-вычислительным блоком 9.
При проносе металлического предмета через зону контроля 12, электромагнитное поле, создаваемое передающими катушками 3 и 4, 13 и 14, наводит токи в металлическом предмете. В результате этого проносимый предмет становится источником электромагнитного поля, которое изменяет ЭДС индукции приемных катушек 7 и 15 соответственно. В результате суммирования такого входящего сигнала в сумматоре 21 с сигналом компенсации образуется отличающийся от холостого хода сигнал, что сигнализирует о наличии металлического предмета в зоне контроля 12.
При переносе металлообнаружителя с одного места на другое может потребоваться изменение ширины зоны контроля, например, до Г=1,5 м. В этом случае обслуживающий персонал просто переставляет стойки 1 и 2 в новое место, устанавливает их на требуемом расстоянии Г и, после подключения питания, металлообнаружитель вновь автоматически настраивается и сигнализирует о готовности к работе. При необходимости изменения ширины зоны Г контроля 12 металлообнаружителя, являющегося прототипом данного устройства, потребовалась бы перестановка приемных катушек 7. Для этого необходимо привлечение квалифицированного специалиста, демонтаж стойки с приемными катушками и перенос с повторным подключением приемных катушек с настройкой их на новый размер зоны контроля 12. Обычно такие металлообнаружители изготавливались под конкретную зону контроля 12 и не подлежали мобильному использованию из-за трудоемкости операции переделки конструкции стойки.
Достигнутое преимущество в предлагаемом устройстве металлообнаружителя достигается благодаря тому, что отсутствует связь между горизонтальной 3 и вертикальной 4 передающими катушками стойки 1, катушки 3, 4 запитаны отдельными генераторами 5 и 6, а также введена схема компенсации сигнала приемных катушек. Благодаря этому возможна автоматическая настройка устройства на выбранную ширину зоны контроля 12 без перестановки приемных катушек 7.
Для обеспечения однородности чувствительности по всей высоте зоны контроля 12 в предлагаемое устройство металлообнаружителя добавлены дополнительные пары приемных 15 и передающих 13, 14 катушек, благодаря чему реализовано два симметрично-встречных приемо-передающих канала, каждый из которых содержит две передающих катушки и две приемные катушки, что эквивалентно изменению взаимного расположения источников электромагнитного поля и приемника электромагнитного поля друг относительно друга на противоположное. Передающие и приемные катушки одного канала расположены в разных стойках. Первый канал содержит передающие катушки 3, 4 и приемные катушки 7. Второй канал содержит передающие катушки 13, 14 и приемные катушки 15. Генерация исходящих сигналов в передающих катушках каждого канала осуществляется отдельными генераторами 5 и 6 для вертикальной и горизонтальной катушки. Демультиплексоры 16 и 17 по сигналу от электронно-вычислительного блока 9 осуществляют подачу входного сигнала то на один, то на другой канал. Выбор того с какого канала обрабатывается в данный момент времени входящий сигнал осуществляется мультиплексором 19 по сигналу от электронно-вычислительного блока 9. Если в текущий момент времени к генераторам 5 и 6 демультиплексорами подключены катушки 3 и 4 стойки 1, то мультиплексором 19 подключается к приемному тракту усиленный усилителем 8 сигнал приемных катушек 7 противоположной стойки 2. Если в текущий момент времени к генераторам 5 и 6 демультиплексорами подключены катушки 13 и 14 стойки 2, то мультиплексором 19 подключается к приемному тракту усиленный усилителем 18 сигнал приемных катушек 15 стойки 1. Сумма откликов приемных катушек обоих каналов, вызванных перемещением металлических объектов через контрольную зону, получаемая в электронно-вычислительном блоке, имеет слабо выраженную зависимость от ориентации вытянутых в длину объектов поиска относительно плоскости контрольной зоны 11 и от того, на какой высоте перемещается металлический объект, что позволяет точно настраивать чувствительность металлообнаружителя на поиск, например, холодного оружия на фоне более мелких бытовых предметов личного пользования независимо от того на какой высоте и каким образом относительно плоскости контрольной зоны 12 проносится холодное оружие.
В течении всего времени работы металлообнаружителя происходит многократное переключение каналов с частотой 10-200 Гц, благодаря чему достигается равномерное симметричное по объему зоны контроля 12 считывание информации из зоны контроля.
Следующие функции реализованы на программно-цифровом уровне в электронно-вычислительном блоке 9. Выделяется амплитуда входящего сигнала и ее девиация относительно сигнала холостого хода цифровым выпрямителем и цифровым интегратором. Выделяется фаза сигнала и ее девиация относительно сигнала холостого хода цифровым измерителем разности фаз с использованием соответствующего алгоритма преобразования. Измеренных значений изменений амплитуды и фазы, вызванных перемещением металлического объекта, достаточно для того, чтобы оценить массогабаритные параметры объекта и тип металла, из которого он состоит, так как разные типы металлов по-разному изменяют фазу электромагнитного поля.
Эффективность способа обнаружения металлических предметов и устройства для его осуществления - металлообнаружителя подтверждены эксплуатацией. Они позволяют осуществлять обнаружение металлических объектов большого диапазона габаритных размеров. Эксплуатация велась в условиях воздействия посторонних источников электромагнитных колебаний, таких как работающий лифт, генераторная установка, установка досмотрового рентгеноскопического контроля. Эффективность обнаружения объектов при этом не снизилась.
Технический результат изобретения в способе обнаружения металлических предметов достигается благодаря тому, что
- исходящий сигнал создают двумя независимыми источниками электромагнитного поля, причем на этапе автоматизированной настройки, предшествующем выходу на режим обнаружения, амплитуду и фазу каждого источника устанавливают таким образом, чтобы обеспечить наиболее минимальный, близкий к нулевому уровню, входящий сигнал, получаемый приемником электромагнитного поля, который затем, после усиления, компенсируют противоположным по фазе и равным по амплитуде сигналом компенсации, после чего дополнительно усиливают;
- осуществляют периодическое изменение направления электромагнитного поля, для чего периодически изменяют взаимное расположение источников электромагнитного поля и приемника электромагнитного поля друг относительно друга на противоположное, сопоставляя и суммируя значения изменения амплитуды и фазы входящих сигналов, получаемых при разных направлениях электромагнитного поля.
Технический результат изобретения в устройстве для обнаружения металлических предметов достигается благодаря тому, что
- передающие вертикально и горизонтально расположенные катушки не связаны между собой, а подключены к отдельным генераторам;
- сигнал приемных катушек через мультиплексор подключен к полосовому фильтру, полосовой фильтр подключен к сумматору, сумматор подключен к третьему усилителю, который подключен к аналого-цифровому преобразователю, а аналого-цифровой преобразователь, генераторы, мультиплексор, демультиплексоры и блок индикации подключены к электронно-вычислительному блоку;
- каждая стойка содержит две передающие и две приемные катушки;
- для управления передающими катушками введены демультиплексоры;
- для переключения между входящими сигналами от приемных катушек первой и второй стоек введен мультиплексор.
Дополнительным преимуществом предлагаемого устройства металлообнаружителя является то, что он имеет возможность работы как с двумя стойками, так и с одной стойкой. В этом случае, в качестве входящего сигнала используется сигнал той же стойки, в которой расположены передающие катушки. Демультиплексоры 16 и 17 подключают к генераторам 5 и 6 передающие катушки 3 и 4, мультиплексор 19 подключает к приемному тракту входящий сигнал катушек 15. В остальном логика работы остается без изменений.