СОСТАВНОЙ ДЕТЕКТОР С ПОПЕРЕЧНЫМИ КАТУШКАМИ
COMPOSITE DETECTOR WITH CROSS COILS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области обнаружения целевых объектов и более конкретно к обнаружению взрывных устройств, таких как закопанные в землю наземные мины.
Уровень техники
Для обнаружения взрывных устройств используют составные детекторы (англ. «dual detector», т.е. детектор двойной технологии или детектор с чувствительными элементами двух типов), содержащие детекторную головку, вмещающую индуктивный датчик и георадар, поскольку эти технологии дополняют друг друга в отношении типов обнаруживаемых материалов (металлы для индуктивного датчика и разность диэлектрических постоянных материалов и относительное положение для радара).
Однако на практике заявитель обнаружил, что грунт не является нейтральным сточки зрения электромагнетизма и, следовательно, может нарушать связь между катушками. Кроме того, грунт редко намагничен равномерно, таким образом, что при сканировании оператором грунта с помощью детектора детектируемый сигнал 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 могут 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.
Раскрытие сущности 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 количество ложных тревог, которые могут возникать при сканировании грунта с помощью детектора, обладая при этом более высокой чувствительностью.
Для этого в соответствии с настоящим изобретением предложен составной детектор, содержащий детекторную головку, закрепленную на ручке с помощью механического соединения, причем детекторная головка содержит:
- корпус, содержащий крышку, на которой закреплено механическое соединение, и основание, противоположное крышке и расположенное таким образом, чтобы оно было обращено к подлежащему зондированию грунту;
- индуктивный датчик, жестко закрепленный в корпусе, и
- георадар, жестко закрепленный в корпусе.
Радар расположен в корпусе таким образом, чтобы он проходил между индуктивным датчиком и основанием. Кроме того, индуктивный датчик содержит отдельно передающую и приемную катушки, каждая из которых образует контур, причем в центре одной из этих передающей катушки и приемной катушки расположена передающая антенна, а в центре другой катушки расположена приемная антенна.
Ниже описаны некоторые предпочтительные, но не ограничивающие, признаки описанного выше составного детектора, взятые по отдельности или в сочетании:
- минимальное расстояние между радаром и основанием меньше или равно одному сантиметру, предпочтительно от приблизительно одного миллиметра до приблизительно пяти миллиметров;
- расстояние между индуктивным датчиком и основанием составляет от приблизительно 15 миллиметров до приблизительно 30 миллиметров;
- кроме того, детектор содержит соединенный с радаром согласователь импеданса;
- согласователь импеданса расположен в корпусе между индуктивным датчиком и крышкой;
- передающая катушка и приемная катушка являются отдельными и не концентричны друг относительно друга;
- по меньшей мере одна из передающей катушки и приемной катушки имеет вытянутую форму в заданном направлении, причем передающая антенна и приемная антенна также имеют вытянутую форму в указанном направлении таким образом, чтобы максимизировать их излучающую поверхность;
- как передающая катушка, так и приемная катушка имеют вытянутую форму в заданном направлении;
- передающая катушка и приемная катушка являются гомополярными;
- передающая катушка и приемная катушка содержат намотанную проволоку, причем передающая катушка содержит большее число витков, чем приемная катушка;
- передающая катушка и приемная катушка напечатаны непосредственно на платформе, причем платформа образует печатную плату;
- радар содержит передающую антенну и приемную антенну одного из следующих типов: четверная гребенчатая рупорная радиоантенна, конусная антенна «бабочка», прямоугольная конусная антенна «бабочка», Архимедова спиральная антенна, логарифмическая спиральная антенна, антенна Вивальди, растянутая логарифмическая спиральная антенна;
- передающая антенна и приемная антенна изготовлены по меньшей мере частично из никеля или хрома;
- центральная часть передающей антенны и приемной антенны изготовлена из меди и содержит на поверхности защитный слой, выполненный из золота;
- толщина передающей антенны и приемной антенны составляет от ста нанометров до одного микрона, например приблизительно 200 нм.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки, цели 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 аксонометрии детектора в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
На фиг. 2 представлен разнесенный покомпонентный вид сверху и в аксонометрии детекторной головки детектора с фиг. 1.
На фиг. 3 представлен разнесенный покомпонентный вид снизу и в аксонометрии детекторной головки детектора по фиг. 1.
На фиг. 4 представлен разрез в плоскости Р1 детекторной головки детектора с фиг. 1.
Осуществление изобретения
Составной детектор 1 в соответствии с изобретением содержит детекторную головку 10, закрепленную на ручке 20 с помощью механического соединения 21.
Детекторная головка 10 соответствует части, предназначенной для приближения к грунту для обнаружения целевых объектов. Для этого она содержит:
- корпус 18, содержащий крышку 15, на которой закреплено механическое соединение, и основание 16, противоположное крышке 15 и расположенное таким образом, чтобы быть обращенным к подлежащему зондированию грунту;
- индуктивный датчик 12, 13, жестко закрепленный в корпусе 18, и
- георадар 60, жестко закрепленный в корпусе 18.
Выражение «жестко закрепленный» в настоящем контексте означает, что при нормальных условиях работы индуктивный датчик 12, 13 и радар 60 неподвижны относительно корпуса 18. Индуктивный датчик 12, 13 и радар 60 могут быть или сняты без повреждения, например, для проведения технического обслуживания, или наоборот, несъемно закреплены в корпусе 18.
Индуктивный датчик 12, 13 содержит либо единственную катушку, образующую передатчик (излучатель) и приемник, либо отдельно передающую катушку 12 и приемную катушку 13. В таком случае каждая из передающей катушки 12 и приемной катушки 13 образует контур. В соответствии с одним из вариантов осуществления, контур передающей катушки 12 и контур приемной катушки соответствуют друг другу 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 датчике минимальной взаимной индуктивностью.
По сравнению с индуктивным датчиком, содержащим одну катушку, являющуюся передатчиком (излучателем) и приемником и образованную двумя последовательными контурами противоположных направлений 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.
Ниже настоящее изобретение будет описано более конкретно на примере индуктивного датчика, содержащего отдельные передающую катушку 12 и приемную катушку 13. Однако этот вариант не является ограничивающим, и изобретение применимо также к индуктивному датчику, содержащему единственную катушку.
Передающая катушка 12 и приемная катушка 13 являются гомополярными. Традиционно передающая и приемная катушки 12, 13 выполнены с возможностью передачи и приема волн частотой от 300 Гц до 180 кГц.
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 волн передается на поверхность и регистрируется приемной антенной 62.
Для оптимизации связи между радаром 60 и грунтом радар 60 расположен в корпусе 18 таким образом, что он проходит между индуктивным датчиком 12, 13 и основанием 16. В самом деле, для высоких частот электромагнитных волн, передаваемых и принимаемых радаром 60 (1 ГГц и более), соответствующие длины волн составляют порядка десяти сантиметров, таким образом, что, в целом, пучности электромагнитных волн следуют друг за другом каждые два - пять сантиметров. Таким образом, радар 60, расположенный вблизи основания 16, при сканировании оператором находится вблизи грунта и, таким образом, в положении, в котором чувствительность является максимальной.
Кроме того, при помещении индуктивного датчика 12, 13 на некотором расстоянии от основания 16, индуктивный датчик при сканировании удален от грунта, что снижает его чувствительность к магнитному лому, присутствующему в грунте, или к магнитному грунту. В самом деле, если целевой объект больше, чем лом, то его сигнал ослабляется медленнее при удалении индуктивного датчика 12, 13. Отношение между амплитудой сигнала целевого объекта и амплитудой сигнала лома, таким образом, является наилучшим.
Наконец, эта пространственная конфигурация индуктивного датчика 12, 13 и радара 60 позволяет лучше их разъединять и ограничивать, и даже избегать рисков взаимных помех.
Таким образом, соответственное положение радара 60 и индуктивного датчика 12, 13 относительно основания 16 обеспечивает оптимальную связь и, следовательно, позволяет повысить чувствительность обнаружения детектора 1.
Предпочтительно радар 60 расположен как можно ближе к основанию 16 и даже в контакте с ним. Например, радар 60 расположен в корпусе 18 таким образом, что минимальное расстояние d между радаром 60 и основанием 16 меньше одного сантиметра, предпочтительно от приблизительно одного миллиметра до приблизительно пяти миллиметров (с точностью до 10%).
Передающая антенна 61 и приемная антенна предпочтительно расположены таким образом, что при осуществлении обнаружения они проходят параллельно грунту. Такая пространственная конфигурация позволяет на самом деле оптимизировать обнаружение изменений среды радаром 60. Для этого передающая антенна 61 и приемная антенна 62 предпочтительно расположены в корпусе 18 таким образом, что они проходят в плоскости, параллельной основанию 16 корпуса 18. Минимальное расстояние между радаром 60 и основанием 16 корпуса 18 таким образом равно толщине разделяющего их воздушного зазора.
Индуктивный датчик 12, 13 может быть расположен вблизи крышки 15 и в частности той части крышки 15, которая содержит механическое соединение, чтобы удерживать индуктивный датчик 12, 13 на расстоянии от грунта при использовании детектора 1. Например, индуктивный датчик 12, 13 может быть расположен на расстоянии D в несколько сантиметров от основания 16, обычно от приблизительно пятнадцати миллиметров до приблизительно тридцати миллиметров (с точностью до 10%).
Если контуры детектора 1 имеют высокое электрическое сопротивление (т.е. порядка пятидесяти Ом), то детектор 1 содержит, кроме того, согласователь 30 импеданса, соединенный с передающей антенной 61 и приемной антенной 62.
Согласователь 30 импеданса может быть, в частности, расположен в корпусе 18 между крышкой 15 и индуктивным датчиком 12, 13.
В соответствии с первым вариантом осуществления, передающая катушка 12 и приемная катушка 13 напечатаны непосредственно на верхней поверхности платформы 11. Таким образом, платформа 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 стоимость является существенной. Следовательно, в соответствии со вторым вариантом осуществления, представленным на фиг. 2 и 3, передающая катушка 12 и приемная катушка 13 могут содержать намотанную проволоку, причем передающая катушка 12 содержит большее число витков, чем приемная катушка 13.
Механическое соединение 21 может содержать соединение типа жесткого вделывания в паз, поворотного шарнира или шарового шарнира. Предпочтительно, как можно видеть на чертежах, механическое соединение 21 содержит поворотный шарнир.
Как вариант, детектор 1 содержит, кроме того, 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, предназначенную для захвата оператором.
Ручка 20 может быть телескопической и/или содержать множество отдельных частей, выполненных с возможностью сборки друг с другом перед их скреплением, например, с помощью винтового соединения.
Традиционно детектор 1 содержит также средства обработки 50, содержащие, в частности, микропроцессор, выполненный с возможностью обработки сигнала, детектированного индуктивным датчиком 12, 13, такие как одна или множество электронных карт, запоминающее устройство и, в случае необходимости, средства оповещения и/или устройство 51 отображения.
Средства 50 обработки могут быть расположены целиком или частично в области средств 40 захвата.
Контуры передающей катушки 12 и приемной катушки 13 могут иметь вытянутую форму, т.е. их размер в плоскости платформы 11 превышает другие размеры. Когда каждая из передающей антенны 61 и приемной антенны 62 расположена в центре одного из контуров передающей катушки 12 и приемной катушки 13, эти антенны 61, 62 также имеют вытянутую форму, следующую наибольшему размеру контуров передающей катушки 12 и приемной катушки 13, чтобы максимизировать их поверхность излучения и, таким образом, пропускную способность. Например, передающая антенна 61 и приемная антенна 62 могут иметь форму логарифмической спирали, которая была растянута для максимизации излучающей поверхности и коэффициента усиления 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 см. Как вариант, передающая антенна 61 и приемная антенна 62 радара 60 могут быть следующих типов: четверная гребенчатая рупорная радиоантенна, конусная антенна «бабочка» (известная под своим английским названием «bow tie»), прямоугольная конусная антенна «бабочка», Архимедова спиральная антенна, антенна Вивальди.
Традиционно передающая антенна 61 и приемная антенны 62 могут быть изготовлены из меди, которая является хорошим электрическим проводником.
Однако, чтобы снизить риски окисления антенн 12 и 13, 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 электрическими проводниками.
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, чтобы ограничить взаимодействия с передающей и приемной катушками 12, 13, толщина передающей антенны 61 и приемной антенны 62 меньше толщины скин-эффекта катушек 12, 13. Таким образом, антенны 61, 62 становятся невидимыми для магнитного поля индуктивного датчика. Однако следует заметить, что толщина передающей антенны 61 и приемной антенны 62 должна оставаться больше заданной толщины, чтобы обеспечить достаточную механическую прочность антенн 61, 62 и избежать всякого риска поломки. Таким образом, толщина передающей антенны 61 и приемной антенны 62 выбирается таким образом, чтобы она составляла от ста нанометров до одного микрона. Например, толщина передающей антенны 61 и приемной антенны 62 может составлять приблизительно 200 нм (с точностью до 10%).
Для изготовления антенн 61, 62 такой толщины, можно, в частности, использовать технологию физического осаждения из газовой фазы (обычно обозначаемую английской аббревиатурой PVD от 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.