5.2.3. Электромагнитные локационные системы специ­ального назначения

В последнее время все чаще электромагнитные принципы применяются для решения специальных задач экстремальной робототехники, а также связанных с обеспечением безопасности, контролем доступа и т.п. Первые разработки в этой области датируются 20-ми годами ХХ века, когда в США были созданы устройства, позволяющие обнаруживать выносимые с заводов детали. К середине века в СССР появились приборы, способные различать изделия из черных и цветных металлов, которые были установлены на Монетном дворе. Во время Второй мировой войны активно развивались средства поиска мин, и к концу ХХ века было разработано большое количество различных схем миноискателей, позволяющих обнаруживать мины всех типов, включая пластиковые. В зависимости от области применения ЭЛС специального назначения можно разделить на две группы:

• детекторы металлов;

• электромагнитные антенны.

Иногда, не вдаваясь в детали, их объединяют общим термином - металлоискатели, понимая под этим локационные активные или пассивные ЭЛС для обнаружения металлических предметов из чер­ных и цветных металлов в непроводящих и слабо проводящих средах (дерево, одежда, пластмасса). Да­ль­ность обна­ружения металличес­ких объектов со­с­­тавляет 20 ... 200 мм.

Рассмотрим некоторые базовые принципы построения металлоискателя. Его основой является специальная катушка - антенна, регистри­рую­щая пас­­сивные ме­таллосодержащие объ­екты в зоне обнаружения или определяющая наличие электромагнитных полей в этой зоне. Существует несколько базовых схем построения подобных ЭЛС, основанных на использовании методов биений, мостовых схем и «передатчика-при­емника» [ ].

Самым простым являетсяметод биений, заключающийся в сравнении значений частоты колеба­ний двух генераторов: образцового и перестраиваемого, частота которого изменяется под воздействием на его колебательный контур искомого металлического пре­дмета. По сравнению с ним мостовой метод (схема включает индуктивный мост) более точен и чувствителен, но сложнее и капризнее в эксплуатации. Наиболее распространены схемы «передат­чика-приемника», в которых используются две катушки - излучающая (передающая) и приемная. Также как и в вихретоковых ЭЛС здесь необходимо «развязывать» сигналы катушек, так, чтобы поле излучающей катуш­ки не наводило сигнал в приемной в отсутствии металлических предметов. Простейшие конструкции датчиков основаны на использовании катушек с перпендикулярными (рис. 5.25а) и скрещивающимися осями (рис. 5.25б). Однако, возможны и другие кон­структивные схемы. Так, получили распространение более сложные, но и более точные конструкции ЭЛС, антенны которых построены по дифференциальной (рис. 5.25в) и компланарной схемам (рис. 5.25г, д ). Данный подход позволяет максимально при­близить датчик к поверхности земли. В компланарной схеме приемная катушка может быть выполнена в виде «восьмерки» и помещена внутрь излучающей. В этом случае, ЭДС в каждой половинке «вось­мерки» при отсутствии объекта компенсируются. Дру­­гим решением является такое расположение катушек («обручальное»), при котором суммарный поток вектора магнитной индукции через поверхность приемной катушки равен нулю.

Рассмотрим вкратце один из методов расчета металлоискателей. Для простоты ограничимся схемой антенны, состо­ящей из двух катушек с перпенди­ку­лярными осями. Примем, что, каждая катушка представляет собой круглую бесконечно тонкую рамку [ ]. В этом случае, вектор магнитного момента P_m при протекании тока I равен: P_m = I n_s, где $ - площадь рамки, n_s - вектор нормали. Если эта катушка используется в качестве излучающей, то ток через нее на некотором большом, по сравнению с собственными размерами расстоянии r создаст вектор магнитной индукции B, с компонентами B_n и B_:

B = (₀/2) (P_m/r³),

B_n = (₀/2) (P_m/r³) cos

B_ = (₀/2) (P_m/r³) sin

где индексы n и  обозначают соответственно нормальную и тангенциальную составляющие вектора магнитной индукции и r >> $. Взаимодействие излучаю­щей, приемной катушек антенны и объекта можно представить следующим образом. Магнитный поток излучающей катушки попадает на объект и переизлучается от него на приемную катушку. Следовательно, объект апроксимируется эквивалентной рамкой, магнитный момент которой P_m* зависит от тока, т.е. проводимости объекта, его размеров и т.д. Таким образом, модель взаимодействия антенны металлоискателя с объектом представляется взаимодействием трех рамок с током (рис. 5.26). Расчет этой модели, приведенный в [ ] для r и L >> $, где L - база датчика, показывает, что величину отраженного от объекта сигнала можно оценить значением наведенной в приемной катушке индукции B’. Составляющая B’ в направлении нормали n_s’ B₀ вызывает в приемной катушке ЭДС индукции U₀ = B₀$₀N₀ p. Здесь $₀ и N₀ - площадь сечения приемной катушки и ее число витков, p - оператор Лапласа.

Для индукции B₀ справедливо выражение:

B₀ = (₀/2) (P_m*/r’³) sin 2(+).

Магнитный момент эквивалентной рамки в значительной степени определяется формой объекта. Для случая шарового однородного объекта имеем , гдеB - индукция магнитного поля излучающей катушки,  - магнитная проницаемость материала, R - радиус объекта-шара.

Существенно, что функция преобразования металлоискателя, использующего метод «передатчика-при­ем­ника» зависит от ориентации на объект (параметры  и ). Этот недостаток отсутствует у индукционных металлоискателей, в антеннах которых излучающая и приемная катушки совпадают. Наведенное в объекте магнитное поле воспринимается той же катушкой, при этом к индукции возбуждения добавляется составляющая пропорциональная величине магнитного момента P_m*.

Характеристиками металлоискателей являются чувствительность и селективность. Под селективностью понимается способность металлоискателя детектировать объекты из разных металлов и сплавов. Значения этих параметров в значительной степени определяются рабочей частотой прибора. Для определения рабочей частотой применяется универсальную за­­висимость, где в качестве константы используется размер монеты R. Оптимальная частота сигнала излучателя f приблизительно равна: , где - удельное сопротивление материала. Например, для медной монеты диаметром 25 мм - оптимальная частота составит около 1 кГц, хотя в промышленных металлоискателях са­мым распространенным диапазоном является 5 … 15 кГц. (Во­­­об­ще говоря, работа на высоких частотах  90 кГц ... 1 МГц обеспечивает более высокую чувствительность, в том числе при детектировании металлов со слабыми ферромагнитными свойствами - медь, серебро). Ис­пользование же в схемах низких частот обеспечивает, с од­ной стороны, слабую реакцию на не­желательные сигна­лы (мокрый песок, мелкие объекты, ти­па стружки), а с другой - хорошую чувствительность при поиске скрытых предметов малого и среднего размера (метал­ли­ческих коробок, труб, монет и пр.).

Одним из наиболее известных решений является схема низкочастотного металлоискателя [ ], постро­енного в рамках метода «передат­чика-при­емника» (рис. 5.27).

Генератор металлоискателя возбуждает колебания в передающей катушке, создавая в ней переменное магнитное поле, частотой 8кГц. При­­емная катушка выполнена в виде «вось­мерки» (или распо­ложе­на перпендикулярно пе­ре­да­ю­щей). Благодаря та­кому ра­с­­положению ЭДС в отсутствии объ­екта мала. Число витков катушкиn_к приближенно определяют по формуле: , гдеL и D - индуктивность (мкГн) и диаметр (см) катушки соответственно.

Металлический пред­мет, по­падая в поле катушки, изменяет ее индуктивность, и на выходе катушки появляется значительный сигнал, который усиливается, выпрямляется синхронным детектором и фильтруется. Дискриминатор служит для компенсации нулевого сигнала, для чего в УВЧ подмешивается часть сигнала генератора. Амплитуда постоянного по величине выходного сигнала возрастает, по мере приближения к металлическому объекту. На схеме сравнения этот сигнал сравнивается с опорным, величина которого соответствует порогу чувствитель­ности. При превышении этого значения электронный ключ подключает к выходному усилителю звуковой генератор, формирующий пачки прямоугольных импульсов частотой 2 кГц с частотой повторения 8 Гц.

Излучающая катушка имеет диаметр 190 мм и состоит из 200 витков, приемная - 125 мм, 100 витков.

Головка металлоискателя представляет из себя пластмассовую тарелку диаметром 25 см, на которой размещены две экранированные катушки (рис. 5.28). В рассматриваемой схеме они имеют одинаковую форму и размеры и наматываются на D-образный контур проводом диаметром 0,27 мм. Затем катушки экранируются алюминиевой фольгой, причем фольга на приемной должна содержать разрыв экрана, препятствующий образованию замкнутого витка по ок­ружности катушки.

В настоящее время промышленно выпускается много моделей металлоискателей. Однако, большинство из них используют один из рассмотренных выше методов. Сравнительная характеристика этих методов приведена в табл. 5.2.

Таблица 5.2. Сравнительная характеристика методов обнаружения метал­лов

Метод	Глубина обнаружения, см
	Монета	Пистолет	Каска
Биения	5	10	20
Индукционный	15	40	60
«Передача-прием»	25	50	1,1

Как следует из табл. 5.2 лучшей чувствительностью и селективностью обладают металлоискатели, построенные по методу «передача-прием», однако они существенно дороже.

Еще одним типом ЭЛС специального назначения являются устройства, работающие врадиоволновом СВЧ диапазоне и получившие название георадаров. Как следует из названия, системы этого типа используют принцип активной локации и предназначены для обнаружения различных объектов, расположенных в грунте. В отличие от рассмотренных выше ЭЛС георадар способен обнаружить не только металлические объекты. Георадары применяются при решении задач измерения толщины и определения местоположения подповерхностных слоев грунта, локализации труб и подземных коммуникаций, контроля состояния полотна дорог в строительстве, обнаружения пластмассовых мин, нахождения и определе­ния размеров залежей полезных иско­паемых, исследования толщины и со­стояния ледяных покровов, поиска грунтовых вод и т. п. Глубина локации современных систем достигает 7 … 10 м.

В основу работы ЭЛС положен принцип классической локации - обнаружение и регистрация вторичных радиоволн, отраженных или рассеянных подповерхностными объектами. Система, как правило, содержит две антенны - излучающую и приемную (рис. 5.29). Как известно, плотность потока мощности p излучаемой антенной мощностью P₀ на расстоянии R для изотропной среды определяется зависимостью: p = (P₀ /4R²) К(, ), где К(, ) - коэффициент направленного действия антенны. В случае рассеянного излучения плотность потока мощности p’ в точке приема равна

p’ = p$ /4R²) = P₀$ К(, )/16²R⁴.

Здесь $ - эффективная отражающая поверхность, характеризующая эффективность излучения в данном направлении. Па­раметр $ определяется свойствами обнаруженного объекта (его фор­мой, размером и ракурсом), удельным сопротивлением  и диэлектрической проницаемостью  среды. Однако в отличии от традиционного радара георадар работает в существенно анизотропной среде (грунте), что значительно затрудняет расчет его конструкции. Поэтому, вычисление размеров объекта на основе указанного выражения приводит к существенной ошибке.

Импульсный портативный георадар, схема которого представлена на рис. 5.29 предназначен для обнаружения объектов на глубине до 5 м и обладает разрешающей способностью 0,15 м. В системе используются согласованные по характеристикам приемные и передающие антенны, причем их параметры подобраны в зависимости от диапазона исследуемых глубин. Так, несущая частота излучений для ближнего и среднего диапазонов глубин 0 ... 1,5 м составляет 400 МГц и 1ГГц, а для диапазона глубин 0 ... 5 м - 150 МГц. Амплитуда импульсов достигает 50 В, что позволяет улучшить энергетические характеристики и повысить разрешающую способность. Передающая антенна, возбуждаемая генератором импульсов, излучает электромагнитный импульс, длительность которого определяется полосой пропускания антенны. Для антенн диапазона глубин 0 ... 1,5 м длительность равна 2,5 нс (цен­тральная частота 400 МГц) и 1 нс (цен­тральная частота 1 ГГц), а для антенн диапазона глубин  0 ... 5 м длительность рав­на б нс. Отраженные от подповерхностных структур сигналы регистрируются затем приемной антенной. Малошумящий стробоскопический пре­образо­ва­тель с высокой частотой стро­бирования (100 кГц), служит для накопления вводимых сигналов в сигнальный процессор фирмы Octa­gon с целью их последующей обработки и выде­ления сигнал от отражающего объекта на фоне шума. Электролюминесцентный индикатор фирмы Pla­nar, управляемый видеоконтроллером фирмы Octa­gon, позволяет осуществить выбор режимов функционирования и подготовку прибора к работе. Работа ЭЛС сводится к определению распределения диэлектрической проницаемости по глубине. С этой целью передающая и приемная антенны перемещаются вдоль обозна­чаемых на поверхности профилей. На основе собранных сигналов формируется временной про­филь, на котором ось глубин калибро­вана в единицах времени. Различные значения коэффициента отражения соответствуют различным значениям градаций яркости на индикаторе. С учетом диэлектрической проницаемости  рассчитывается шка­ла глубин, с помощью которой можно определить глубину каждой отражаю­щей границы.

На рис. 5.30 показано изображение профиля, полученного с использованием обыч­ной обработки и с использованием дополнительных корреляционных обработок (методом вычитания среднего по участку значения). На профиле, представленном на втором рисунке, значительно легче идентифицировать две трубы.