DE112010003147T5

DE112010003147T5 - Verbesserte Zielauflösung eines Metalldetektors in mit Mineralien durchsetzten Erdböden

Info

Publication number: DE112010003147T5
Application number: DE112010003147T
Authority: DE
Inventors: Bruce Halcro Candy
Original assignee: Minelab Electronics Pty Ltd
Current assignee: Minelab Electronics Pty Ltd
Priority date: 2009-07-31
Filing date: 2010-07-28
Publication date: 2012-08-30
Also published as: WO2011011820A1; US20120212227A1; GB201121831D0; GB2485079A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Empfangselektronik eines Metalldetektors zum Verarbeiten eines Empfangssignals von einem Ziel in einem Erdboden, wobei die Empfangselektronik umfasst: Verarbeitungselektronik zum synchronen Demodulieren oder Abtasten des Empfangssignals, um wenigstens zwei im Wesentlichen bodenabgeglichene Signale zu erzeugen; Verarbeitungselektronik zum Verarbeiten der wenigstens zwei im Wesentlichen bodenabgeglichenen Signale, um wenigstens zwei im Wesentlichen bodenabgeglichene, verarbeitete Signale zu erzeugen, wobei ein erstes im Wesentlichen bodenabgeglichenes, verarbeitetes Signal stärker auf eine Spreizung eines Zeitkonstanst als ein zweites im Wesentlichen bodenabgeglichenes, verarbeitetes Signal, und wobei das zweite im Wesentlichen bodenabgeglichene, verarbeitete Signal stärker auf eine durchschnittliche Zeitkonstante des empfangenen Signals hinweist als das erste im Wesentlichen bodenabgeglichene, verarbeitete Signal; und Verarbeitungselektronik zum Verarbeiten der wenigstens zwei im Wesentlichen bodenabgeglichenen, verarbeiteten Signale, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches wenigstens auf die Spreizung des Zeitkonstanten-Dichtespektrums hinweist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft Metalldetektoren, welche ein Zielauflösungsvermögen in mit Mineralien durchsetzten Erdböden aufweisen.
AUFNAHME DURCH IN BEZUGNAHME
Auf das folgende Dokument wird in der vorliegenden Beschreibung Bezug genommen:
US-Patent Nr. 5,506,506 mit dem Titel „Metalldetektor” zum Detektieren und Unterscheiden zwischen eisenhaltigen und nicht-eisenhaltigen Zielen im Boden.
Der gesamte Inhalt dieses Dokuments wird durch Inbezugnahme hierin aufgenommen.
HINTERGRUND
Die allgemeinen Formen der meisten Metalldetektoren zum Untersuchen von Erdböden sind entweder tragbare, batteriebetriebene Einheiten, an einer Fördervorrichtung angebrachte Einheiten oder an einem Fahrzeug angebrachte Einheiten. Beispiele für tragbare Produkte umfassen Detektoren, die zum Lokalisieren von Gold, explosiven Landminen oder Wehrmaterial, Münzen und Schätzen eingesetzt werden. Beispiele für an Fördermitteln angebrachte Einheiten umfassen Feingolddetektoren in Erzabbaubetrieben, und ein Beispiel für eine an einem Fahrzeug angebrachte Einheit umfasst eine Einheit zum Lokalisieren von vergrabenen Landminen.
Diese elektronischen Metalldetektoren bestehen für gewöhnlich aus einer Sendeelektronik, die einen sich wiederholenden Sendesignalzyklus erzeugt, welcher auf eine Induktivität, z. B. eine Übertragungsspule, angewendet wird, die ein resultierendes, magnetisches Wechselfeld überträgt, das manchmal als Sendemagnetfeld bezeichnet wird. Zeitbereich-Metalldetektoren umfassen für gewöhnlich innerhalb der Übertragungselektronik eine Schaltelektronik, die verschiedene Spannungen von verschiedenen Spannungsquellen während unterschiedlicher Zeitspannen in einem sich wiederholenden Sendesignalzyklus zu der Übertragungsspule schalten.
Metalldetektoren umfassen eine Empfangselektronik, die ein Empfangsmagnetfeld verarbeitet, um eine Indikatorausgabe zu erzeugen, wobei die Indikatorausgabe wenigstens auf die Anwesenheit von wenigstens einigen metallischen Zielen unter dem Einfluss des Sendemagnetfelds hinweist.
Zeitbereich-Metalldetektoren umfassen typischerweise Pulsinduktions-(„PI”) oder pulsinduktionsähnliche Metalldetektoren und Rechteckpuls-Metalldetektoren, wobei die Empfangsverarbeitung entweder ein Abtasten des Empfangssignals oder eine synchrone Demodulation über ausgewählte Zeitspannen umfasst, was auch eine Verstärkungsgewichtung umfassen kann.
Frequenzbereich-Metalldetektoren umfassen typischerweise eine Einzel- oder Multifrequenz-Übertragung oder eine Pulsübertragung, entweder mit einer sinuswellengewichteten, synchronen Demodulation oder einer ungewichteten synchronen Demodulation mit Bandpass- und/oder Tiefpass-Filterung vor der prä-synchronen Demodulation.
Münzdetektoren und zunehmend Minenbeseitigungsdetektoren benötigen eine Zielauflösung, typischerweise eine Zeitkonstantenauflösung und eine Eisen/Nicht-Eisen-Unterscheidung. Letztere wird erreicht, indem die empfangene „reaktive X-” oder „Inphase P-”Komponente bzw. Signal gemessen wird. Das Problem beim Messen der reaktiven X-Komponente besteht darin, dass die meisten Erdböden magnetische Mineralien enthalten, die gewöhnlich als „Mineralisierung” bekannt sind, welche ein unerwünschtes Störsignal von ähnlicher oder viel größerer Stärke als das reaktive X-Signal des Ziels hervorrufen können. Da der Betrag des reaktiven X-Signals des Erdboden zufällig verteilt ist, kann ein reaktives X-Signal des Erdbodens, welches stärker ist als das reaktive X-Signal des Ziels, es unmöglich machen, das reaktive X-Signal des Ziels von dem reaktiven X-Signal des Erdbodens zu unterscheiden, und macht somit eine Eisen-/Nicht-Eisen-Zielunterscheidung unmöglich. Im Gegensatz hierzu ist in den meisten Erdböden, außer einigen salzhaltigen Erdböden, eine „resistives R-” oder „Quadraturphase Q-”Komponente bzw. Signal des Erdbodens deutlich geringer als die reaktive X-Komponente des Erdbodens, wohingegen ein resistives R-Signal des Ziels typischerweise von ähnlicher Größenordnung wie das reaktive X-Signal des Ziels ist. In den meisten Erdböden ist die Größe des reaktiven X-Signals um eine oder mehrere Größenordnungen größer als die Größe des resistiven R-Signals. Somit kann, selbst wenn ein reaktives X-Signal des Ziels deutlich kleiner als ein reaktives X-Signal des Erdbodens sein kann, das resistive R-Signal des Ziels ähnlich wie, oder sogar größer als das resistive R-Signal des Erdbodens sein, was das Ziel vom Erdboden unterscheidbar macht.
Verarbeiten eines R-Signals des Ziels und Verbesserungen bei der R-Unterdrückung des Erdbodens, bekannt als „bodenabgeglichene” Signalverarbeitung, kann eine starke Unterdrückung der R-Signale des Erdbodens verglichen mit den R-Signalen des Ziels zur Folge haben. Somit wird jedes Auflösungsverfahren, das ausschließlich R-Signale oder „bodenabgeglichene” Signale des Ziels verwendet, und nicht X, zu einer beachtlichen Verbesserung hinsichtlich des Tiefenauflösungsvermögens in Bezug auf ein im Erdboden vergrabenes Ziel führen.
US 5,506,506 offenbart ein Auflösungsverfahren, welches wenigstens zwei (z. B. drei) verschiedene Frequenzen im Frequenzbereich demoduliert, oder ein „Äquivalent” im Zeitbereich, um drei verschiedene „Zeitkonstanten”-Sensitivitätsprofile zu liefern, die von verschiedenen Abtastwerten oder Empfangszeitspannen für synchrone Demodulation abgeleitet sind. Diese drei empfangenen Frequenzen oder drei unterschiedlichen Zeitbereich-„Zeitkonstanten”-Sensitivitätsprofile sind ungefähr bodenabgeglichen zu typischen magnetischen Erdböden, bei welchen X typischerweise mehr als eine Größenordnung größer ist als R. Diese drei Signale weisen Post-Abtast- oder Synchron-Demodulations-Filter auf, die eine erhebliche Tiefpassfilterung oder Mittelwertbildung beinhalten. Wenn diese Signale a, b und c sind, offenbart US 5,506,506 einen Vergleich von zwei verschiedenen Quotienten von a, b und c, wie z. B. a/b und b/c, um einen Hinweis auf den Grad einer Zeitkonstanten-Verteilung des Ziels zu geben, oder mit anderen Worten, den effektiven Bereich eines gespreizten Zeitkonstanten-Spektrums. Per Definition wird ein System aus einem reinen Widerstand des Werts R, der mit einer reinen Induktivität des Werts L verbunden ist, als eine reine, nicht verteilte Zeitkonstante mit einem einzelnen Wertes L/R antworten, z. B. als ein empfangenes Spannungssignal einer unbelasteten Empfangsspule, proportional zu exp(–tR/L), von einem isoliert übertragenen magnetischen Schritt oder Impuls im Zeitbereich. Im Gegensatz hierzu erzeugen alle metallischen Ziele, und insbesondere eisenhaltige Ziele, aus einer Einzelimpulsantwort eine Verteilung von Abklingsignalen proportional zu
d. h. ein Kontinuum oder gespreiztes Spektrum von Zeitkonstanten τ erster Ordnung, für welche die Impulsantwort erster Ordnung exp(–t/τ) ist, wobei F(τ) die Verteilungsdichtefunktion für die Zeitkonstanten ist. Mit anderen Worten umfasst das infolge eines übertragenen magnetischen Schritts oder Impulses empfangene Abklingsignal des Ziels einen simultanen Bereich von Zeitkonstanten-Abklingungen, der kurze, mittlere und lange Zeitkonstanten relativ zu einer Abklingung mit mittlerer Zeitkonstante umfasst.
US 5,506,506 legt dar, dass nur 2 Frequenzen im Frequenzbereich benötigt werden, für die drei verschiedene, bodenabgeglichene Kanäle erhalten werden können; R von jeder Frequenz, R₁ und R₂, und die reaktive Differenz X₂ – X₁. Angenommen zum Beispiel, ein Ziel kann grob mit drei simultanen Zeitkonstanten τ1, τ2 und τ3 mit einer relativen Größe α, β und χ dargestellt werden, wobei α, β und χ > 0 sind, dann ist für Übertragungsfrequenzen ω₁ und ω₂ von gleicher reaktiver Spannungsgröße die resistive Antwort bei ω₁ proportional zu R₁ = αω₁/(τ₁(ω₁ ² + 1/τ₁ ²)) + ω₁/(τ₂(ω₁ ² + 1/τ₂2)) + χω₁/(τ₃(ω₁ ² + 1/τ₃ ²)), und die resistive Antwort bei ω₂ ist proportional zu R₂ = αω₂/(τ₁(ω₂ ² + 1/τ₁ ²)) + βω₂/(τ₂(ω₂2 + 1/τ₂2)) + χω₂/(τ₃(ω₂ ² + 1/τ₃ ²)), und die reaktive Differenz ist proportional zu Xd₂₁ = α{1/(ω₂ ² + 1/τ₁ ²) – 1/(ω₁ ² + 1/τ₁ ²)}/τ₁ ² + β{1/(ω₂ ² + 1/τ₂ ²) – 1/(ω₁ ² + 1/τ₂ ²))/τ₂2 + χ{(ω₂ ² + 1/τ₃ ²) – 1/(ω₁ ² + 1/τ₃ ²)}/τ₃ ².
Ein Vergleich von zwei verschiedenen Quotienten zwischen irgendwelchen von R₁, R₂ und Xd₂₁ ist klar eine Funktion von α, β und χ und gibt somit zumindest einen Hinweis auf den Grad einer Zeitkonstantenverteilung des Ziels.
Im Zeitbereich ist das Abkling-Empfangssignal auf eine Einzelimpulsantwort α(exp(–t/τ₁)) + β(exp(–t/τ₂)) + χ(exp(–t/τ₃)), wobei t = 0 bei dem Impuls ist.
Wenn Abtastwerte bei t1, t2 und t3 gemessen werden, t3 > t2 > t1, ergeben sich Messwerte, die proportional sind zu α(exp(–t1/τ₁)) + β(exp(–t1/τ₂)) + χ(exp(–t1/τ₃)), α(exp(–t2/τ₁)) + β(exp(–t2/τ₂)) + χ(exp(–t2/τ₃)) und α(exp(–t3/τ₁)) + β(exp(–t3/τ₂)) + χ(exp(–t3/τ₃)).
Ein Vergleich von zwei verschiedenen Quotienten von den obigen wird einen Hinweis auf die Größe des verteilten Bereichs der Ziel-Zeitkonstante geben. Insbesondere sind die Abtastwerte bei t1 und t3, relativ zu dem Abtastwert bei t2, größer als die beste Anpassung einer Impulsantwort erster Ordnung δexp(–t/τ). Ähnlich kann eine synchrone Demodulation, welche über Bereiche von Empfangszeitspannen, z. B. t1 bis t2, t2 bis t3, t3 bis t4, t4 bis t5, etc. den Durchschnitt ermitteln kann, ähnlich nützliche Quotienten erbringen, wobei Beispiele davon in US 5,506,506 offenbart sind.
Diese Erfindung offenbart eine alternative Form und/oder Verbesserungen einer Zielauflösung in magnetischen Erdböden.
KURZER ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Nach einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine Empfangselektronik eines Metalldetektors zum Verarbeiten eines Empfangssignals von einem Ziel in einem Erdboden bereitgestellt, wobei die Empfangselektronik umfasst:

– Verarbeitungselektronik zum synchronen Demodulieren oder Abtasten des Empfangssignals, um wenigstens zwei im Wesentlichen bodenabgeglichene Signale zu erzeugen;
– Verarbeitungselektronik zum Verarbeiten der wenigstens zwei im Wesentlichen bodenabgeglichenen Signale, um wenigstens zwei im Wesentlichen bodenabgeglichene, verarbeitete Signale zu erzeugen, wobei ein erstes im Wesentlichen bodenabgeglichenes, verarbeitetes Signal stärker auf eine Spreizung eines Zeitkonstanten-Dichtespektrums des empfangenen Signals hinweist als ein zweites im Wesentlichen bodenabgeglichenes, verarbeitetes Signal, und wobei das zweite im Wesentlichen bodenabgeglichene, verarbeitete Signal stärker auf eine durchschnittliche Zeitkonstante des Empfangssignals hinweist als das erste im Wesentlichen bodenabgeglichene, verarbeitete Signal; und
– Verarbeitungselektronik zum Verarbeiten der wenigstens zwei im Wesentlichen bodenabgeglichenen, verarbeiteten Signale, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches wenigstens auf die Spreizung des Zeitkonstanten-Dichtespektrums hinweist.

In einer Form umfasst die Erzeugung des ersten im Wesentlichen bodenabgeglichenen, verarbeiteten Signals einen Prozess einer effektiven Subtraktion von wenigstens zwei Funktionen, wobei eine erste Funktion eine Funktion von wenigstens einem ersten im Wesentlichen bodenabgeglichenen Signal ist und eine zweite Funktion eine Funktion von wenigstens einem zweiten im Wesentlichen bodenabgeglichenen Signal ist, wobei das erste im Wesentlichen bodenabgeglichene Signal sensitiver gegenüber Komponenten des Empfangssignals mit kurzen Zeitkonstanten ist als das zweite im Wesentlichen bodenabgeglichene Signal, und das zweite im Wesentlichen bodenabgeglichene Signal sensitiver gegenüber Komponenten des Empfangssignals mit fangen Zeitkonstanten ist als das erste im Wesentlichen bodenabgeglichene Signal.
In einer Form umfasst die Erzeugung des ersten im Wesentlichen bodenabgeglichenen, verarbeiteten Signals einen Prozess einer effektiven Multiplikation von wenigstens zwei Funktionen, wobei eine erste Funktion eine Funktion von wenigstens einem ersten im Wesentlichen bodenabgeglichenen Signal ist und eine zweite Funktion eine Funktion von wenigstens einem zweiten im Wesentlichen bodenabgeglichenen Signal ist, wobei das erste im Wesentlichen bodenabgeglichene Signal sensitiver gegenüber Komponenten des Empfangssignals mit kurzen Zeitkonstanten ist als das zweite im Wesentlichen bodenabgeglichene Signal, und das zweite im Wesentlichen bodenabgeglichene Signal sensitiver gegenüber Komponenten des Empfangssignals mit langen Zeitkonstanten ist als das erste im Wesentlichen bodenabgeglichene Signal.
In einer Form umfasst das Verarbeiten von wenigstens zwei im Wesentlichen bodenabgeglichenen, verarbeiteten Signalen:
Normieren von jedem im Wesentlichen bodenabgeglichenen, verarbeiteten Signal zum Erzeugen eines entsprechend normierten, im Wesentlichen bodenabgeglichenen, verarbeiteten Signals; und
Auswählen von Bereichen einer durchschnittliche Zeitkonstante, die von wenigstens einem normierten, im Wesentlichen bodenabgeglichenen, verarbeiteten Signal abgeleitet sind, und von Bereichen der Spreizung des Zeitkonstanten-Dichtespektrums, die von wenigstens einem anderen normierten, im Wesentlichen bodenabgeglichenen, verarbeiteten Signal abgeleitet sind, um in das Ausgangssignal aufgenommen oder von diesem ausgeschlossen zu werden.
In einer Form sind die ausgewählten Bereiche Funktionen eines Signal-Rausch-Verhältnisses des empfangenen Signals.
Nach einem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Metalldetektor bereitgestellt, der zum Detektieren eines Ziels in einem Erdboden verwendet wird, umfassend:

a) Sendeelektronik zum Erzeugen eines sich wiederholenden Sendesignalzyklus;
b) ein Magnetfeld-Sender, der mit der Sendeelektronik verbunden ist, um den sich wiederholenden Sendesignalzyklus zu erhalten und ein Sendemagnetfeld zu erzeugen;
c) ein Magnetfeld-Empfänger zum Empfangen eines Empfangsmagnetfelds und zum Bereitstellen eines Empfangssignals, welches von dem Empfangsmagnetfeld hervorgerufen wird;
d) Empfangselektronik, die mit dem Magnetfeld-Empfänger verbunden ist, um das Empfangssignal zu verarbeiten, wobei die Empfangselektronik umfasst:
– Verarbeitungselektronik zum synchronen Demodulieren oder Abtasten des Empfangssignals, um wenigstens zwei im Wesentlichen bodenabgeglichene Signale zu erzeugen;
– Verarbeitungselektronik zum Verarbeiten der wenigstens zwei im Wesentlichen bodenabgeglichenen Signale, um wenigstens zwei im Wesentlichen bodenabgeglichene, verarbeitete Signale zu erzeugen, wobei ein erstes im Wesentlichen bodenabgeglichenes, verarbeitetes Signal stärker auf eine Spreizung eines Zeitkonstanten-Dichtespektrums des empfangenen Signals hinweist als ein zweites im Wesentlichen bodenabgeglichenes, verarbeitetes Signal, und wobei das zweite im Wesentlichen bodenabgeglichene, verarbeitete Signal stärker auf eine durchschnittliche Zeitkonstante des empfangenen Signals hinweist als das erste im Wesentlichen bodenabgeglichene, verarbeitete Signal; und
– Verarbeitungselektronik zum Verarbeiten der wenigstens zwei im Wesentlichen bodenabgeglichenen, verarbeiteten Signale, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches wenigstens auf die Spreizung des Zeitkonstanten-Dichtespektrums hinweist.

In einer Form umfasst die Erzeugung des ersten im Wesentlichen bodenabgeglichenen, verarbeiteten Signals einen Prozess einer effektiven Subtraktion von wenigstens zwei Funktionen, wobei eine erste Funktion eine Funktion von wenigstens einem ersten im Wesentlichen bodenabgeglichenen Signal ist, und eine zweite Funktion eine Funktion von wenigstens einem zweiten im Wesentlichen bodenabgeglichenen Signal ist, wobei das erste im Wesentlichen bodenabgeglichene Signal sensitiver gegenüber Komponenten des Empfangssignals mit kurzen Zeitkonstanten Ist als das zweite im Wesentlichen bodenabgeglichene Signal, und das zweite im Wesentlichen bodenabgeglichene Signal sensitiver gegenüber Komponenten des Empfangssignals mit langen Zeitkonstanten ist als das erste im Wesentlichen bodenabgeglichene Signal.
In einer Form umfasst die Erzeugung des ersten im Wesentlichen bodenabgeglichenen, verarbeiteten Signals einen Prozess einer effektiven Multiplikation von wenigstens zwei Funktionen, wobei eine erste Funktion eine Funktion von wenigstens einem ersten im Wesentlichen bodenabgeglichenen Signal ist, und eine zweite Funktion eine Funktion von wenigstens einem zweiten im Wesentlichen bodenabgeglichenen Signal ist, wobei das erste im Wesentlichen bodenabgeglichene Signal sensitiver gegenüber Komponenten des Empfangssignals mit kurzen Zeitkonstanten ist als das zweite im Wesentlichen bodenabgeglichene Signal, und das zweite im Wesentlichen bodenabgeglichene Signal sensitiver gegenüber Komponenten mit langen Zeitkonstanten des Empfangssignals ist als das erste im Wesentlichen bodenabgeglichene Signal.
In einer Form umfasst das Verarbeiten von wenigstens zwei im Wesentlichen bodenabgeglichenen, verarbeiteten Signalen:

– Normieren von jedem im Wesentlichen bodenabgeglichen, verarbeiteten Signal; und
– Auswählen von Bereichen einer durchschnittliche Zeitkonstante, die von wenigstens einem normierten, im Wesentlichen bodenabgeglichenen, verarbeiteten Signal abgeleitet sind, und von Bereichen der Spreizung des Zeitkonstanten-Dichtespektrums, die von wenigstens einem anderen normierten, im Wesentlichen bodenabgeglichenen, verarbeiteten Signal abgeleitet sind, um in das Ausgangssignal aufgenommen oder von diesem ausgeschlossen zu werden.

In einer Form sind die ausgewählten Bereiche Funktionen eines Signal-Rausch-Verhältnisses des Empfangssignals.
In einer Form umfasst jede Wellenform des sich wiederholenden Sendemagnetfelds eine erste Zeitspanne und eine zweite Zeitspanne, wobei sich das Sendemagnetfeld während der ersten Zeitspanne im Schnitt schneller als das Sendemagnetfeld während der zweiten Zeitspanne ändert.
In einer Form bleibt das Sendemagnetfeld in der zweiten Zeitspanne im Wesentlichen unverändert.
In einer Form demoduliert die Empfangselektronik das Empfangssignal während der zweiten Zeitspanne synchron oder tastet es ab.
Eine detaillierte Beschreibung von einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung wird nachfolgend bereitgestellt, zusammen mit beigefügten Figuren, die beispielhaft die Prinzipien der Erfindung veranschaulichen. Während die Erfindung in Verbindung mit solchen Ausführungsformen beschrieben wird, sollte es verstanden werden, dass die Erfindung nicht auf irgendeine Ausführungsform beschränkt ist. Im Gegenteil wird der Geltungsbereich der Erfindung nur durch die angehängten Ansprüche beschränkt und die Erfindung umfasst zahlreiche Alternativen, Modifikationen und Äquivalente. Beispielhaft werden zahlreiche spezifische Details in der folgenden Beschreibung dargelegt, um ein gründliches Verständnis der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Die vorliegende Erfindung kann gemäß der Ansprüche ohne einige oder alle dieser spezifischen Details ausgeführt werden. Zum Zwecke der Klarheit ist technisches Material, welches auf den technischen Gebieten, auf die sich die Erfindung bezieht, bekannt ist, nicht im Detail beschrieben worden, so dass die vorliegende Erfindung nicht unnötig verschleiert wird.
In dieser gesamten Beschreibung und den darauffolgenden Ansprüchen werden, sofern der Kontext nichts anderes erfordert, die Wärter „umfassen” und „enthalten” und Variationen, wie zum Beispiel „umfassend” und „enthaltend”, so verstanden, dass sie den Einschluss einer genannten natürlichen Zahl oder einer Menge von natürlichen Zahlen bedeuten, jedoch nicht den Ausschluss von irgend einer anderen natürlichen Zahl oder Menge von natürlichen Zahlen.
Die Bezugnahme auf irgendeinen Stand der Technik in dieser Beschreibung ist kein Anerkenntnis oder irgendeine Art von Andeutung, dass dieser Stand der Technik ein Teil des üblichen Allgemeinwissens auf dem technischen Gebiet ist, und sollte nicht als solches verstanden werden.
Um das Verständnis der Erfindung zu fördern, wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen:
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein allgemeines Blockschaltbild eines Metalldetektors.
2 zeigt ein Blockschaltbild einer elektronischen Schaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, mit einem elektronischen System, das in der Lage ist, einen sich wiederholenden Sendesignalzyklus zu erzeugen, der ein bipolares Pulsinduktionssendesignal umfasst, und mit vier Empfangskanälen für synchrone Demodulation.
3 zeigt Beispiele von Multiplikationsfunktion-Wellenformen für Senden und synchrone Demodulation, die für die in 2 gezeigte Ausführungsform geeignet sind.
4 zeigt ein Beispiel für ein Stromwirbel-Abklingsignal für Nichteisen, das einer Hochspannungszeitspanne folgt, im Vergleich mit einem Stromwirbel-Abklingsignal für Eisen von einer ähnlichen mittleren oder durchschnittlichen Zeitkonstante.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 ist ein Blockschaltbild, welches die Hauptteile eines Metalldetektors zeigt. Eine Sendeelektronik 101 umfasst Schalter und könnte auch lineare Elemente umfassen, die von einer Zeitgeberelektronik 103 geregelt/gesteuert werden, um einen sich wiederholenden Sendesignalzyklus in einer Übertragungsspule 105 zu erzeugen, die mit der Sendeelektronik 101 verbunden ist. Die Übertragungsspule 105 erzeugt in Reaktion auf den sich wiederholenden Sendesignalzyklus der Sendeelektronik 101 ein Sendemagnetfeld, welches ein (nicht dargestelltes) Erdboden-Medium bestrahlt, in dem sich gewünschte Ziele befinden könnten. Eine Empfangsspule 109, die in der Nähe des Erdboden-Mediums angeordnet ist, ist mit einer Empfangselektronik 111 verbunden. Das Empfangsmagnetfeld erzeugt ein Empfangssignal in der Empfangsspule 109 (ein Elektromotorikkraft- oder EMK-Signal), das von der Empfangselektronik 111 verarbeitet wird, um ein Indikatorausgangssignal 113 zu erzeugen, welches zumindest auf eine Spreizung eines Zeitkonstanten-Dichtespektrums des empfangenen Signals hinweist, was die Anwesenheit eines Ziels in dem Erdboden-Medium anzeigen kann.
Die physische Form der Spule ist dem Fachmann wohl bekannt und kann viele Formen annehmen. In einer Ausführungsform ist die Übertragungsspule 105 und die Empfangsspule 109 dieselbe Spule. Ferner können Übertragungselektronik 101 und Empfangselektronik 111 auf derselben Elektronikleiterplatte enthalten sein.
Bezug nehmend auf 2 und 3 ist eine Sende- und Empfangsspule 1 mit Schaltern 4, 5, 8, 9 und 12 verbunden. Diese Schalter 4, 5, 8, 9 und 12 werden mittels einer Zeitgeberelektronik 13 über Steuerleitungen 14, 15, 18, 19 bzw. 22 so gesteuert, dass sie in einem eingeschalteten Zustand oder in einem ausgeschalteten Zustand sind. Eine Sendespannungswellenform des sich wiederholenden Sendesignalzyklus an der Sende- und Empfangsspule 1 ist in 3 als 65, 64, 66, 67, 69 und 68 gezeigt, mit einer Schaltänderung bei den Zeitpunkten 60, 61, 62 und 63. Eine niedrige negative Spannung 67 von einer Spannungsversorgung 7 (z. B. –10 V) wird an die Sende- und Empfangsspule 1 über einen Schalter 5 angelegt, der sich während einer Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten 62 und 63 in einem eingeschalteten Zustand befindet. Eine niedrige positive Spannung von einer Spannungsversorgung 6 (z. B. +10 V) wird an die Sende- und Empfangsspule 1 über einen Schalter 4 angelegt, der sich während einer Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten 60 und 61 in einem eingeschalteten Zustand befindet. Eine hohe positive Spannung 69 von einer Spannungsversorgung 10 (z. B. +180 V) wird an die Sende- und Empfangsspule 1 über einen Schalter 8 angelegt, der sich für eine kurze, in 3 nicht maßstäblich gezeichnete und lediglich als Linie 69 gezeigte Zeitspanne in einem eingeschalteten Zustand befindet. Anschließend werden zwischen Zeitpunkt 63 und 60 null Volt 68 an die Sende- und Empfangsspule 1 angelegt, wenn sich der Schalter 12 in einem eingeschalteten Zustand befindet, wobei die Sende- und Empfangsspule mit der Betriebserdung 2 verbunden wird. All diese Spannungsversorgungen sind auch mit der Betriebserdung 2 verbunden. Dies ist eine erste Empfangszeitspanne, wenn null Sendestrom fließt (Sendestrom bezieht sich allgemein auf den Strom, der durch die Sendespule fließt). Eine hohe negative Spannung 64 von einer Spannungsversorgung 11 (z. B. –180 V) wird an die Sende- und Empfangsspule 1 über einen Schalter 9 angelegt, der sich für eine kurze, in 3 nicht maßstäblich gezeichnete und lediglich als Linie 64 gezeigte Zeitspanne in einem eingeschalteten Zustand befindet. Anschließend werden zwischen Zeitpunkt 61 und 62 null Volt 66 an die Sende- und Empfangsspule 1 angelegt, wenn sich der Schalter 12 in einem eingeschalteten Zustand befindet, wobei die Sende- und Empfangsspule mit der Betriebserdung 2 verbunden wird, und es fließt null Sendestrom. Dies ist eine zweite Empfangszeitspanne.
Die Sende- und Empfangsspule 1 empfängt die Sendespannungswellenform und erzeugt ein Sendemagnetfeld. In einer Ausführungsform ändert sich das Sendemagnetfeld während der Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten 60 und 61 und der Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten 62 und 63 im Schnitt schneller, als dies das Sendemagnetfeld während der Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten 61 und 62 und der Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten 63 und 60 tut. In einer anderen Ausführungsform bleibt das Sendemagnetfeld während der Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten 61 und 62 und der Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten 63 und 60 unverändert.
Die Sende- und Empfangsspule 1 ist auch mit einem (Shunt-)Sende-/Empfangs-Schalter 20 verbunden, der von einem in der Zeitgeberelektronik 13 erzeugten Regelungs-/Steuerungs-Signal 30 so geregelt/gesteuert wird, dass er sich in einem eingeschalteten Zustand oder in einem ausgeschalteten Zustand befindet. In einem eingeschalteten Zustand ist der Sende-/Empfangs-Schalter 20 „kurzgeschlossen” auf null Volt, nämlich auf die Betriebserdung 2. Der Sende-/Empfangs-Schalter 20 und die Sende-/Empfangs-Spule 1 sind mit einem Eingang eines Vorverstärkers 21 verbunden. Während der ersten und der zweiten Empfangszeitspanne befindet sich der Sende-/Empfangs-Schalter 20 in einem ausgeschalteten Zustand. Der Sende-/Empfangs-Schalter 20 kann zwischen unmittelbar vor dem Ende der Hochspannungszeitspannen oder unmittelbar nachdem die Empfangszeitspannen begonnen haben, sowie während der Empfangszeitspannen in einen ausgeschalteten Zustand geschaltet werden, und kann zu allen anderen Zeitpunkten in einen eingeschalteten Zustand zur Betriebserdung 2 geschaltet werden. Angenommen, der Vorverstärker 21 weist eine sehr hohe Eingangsimpedanz auf, so ist die der Übertragungsspule präsentierte Last die (nicht gezeigte) Schaltungskapazität und ein Widerstand 23, der mit der Betriebserdung 2 verbunden ist, wobei der Widerstand 23 so gewählt ist, dass eine kritische Dämpfung der Sende- und Empfangsspule 1 bewirkt wird.
Ein verstärktes Empfangssignal am Ausgang des Vorverstärkers 21 wird in den verbundenen vier synchronen Demodulatoren 31, 32, 33 und 34 multipliziert, die jeweils von einem Regelungs-/Steuerungs-Signal bei 41, 42, 43 bzw. 44 geregelt/gesteuert werden, die alle in der Zeitgeberelektronik 13 erzeugt werden. Die Multiplikationsfunktionen sind gezeigt als ein Signal 71 und 72 an der Regelungs-/Steuerungs-Leitung 41 für den synchronen Demodulator 31, und als ein Signal 73 und 74 an der Regelungs-/Steuerungs-Leitung 42 für den synchronen Demodulator 32, und als ein Signal 75 und 76 an der Regelungs-/Steuerungs-Leitung 43 für den synchronen Demodulator 33, und als ein Signal 77 und 78 an der Regelungs-/Steuerungs-Leitung 44 für den synchronen Demodulator 34.
Synchrone Demodulatoren 31, 32, 33 und 34 können auch Abtast-Halte-Schaltungen oder eine andere Form von synchroner Korrektur sein.
3 zeigt ein Beispiel von Multiplikationsfunktion-Wellenformen für Senden und synchrone Demodulation, die für die in 2 gezeigte Ausführungsform geeignet sind. Die Multiplikationsfunktion-Wellenformen können viele andere Formen annehmen, die von einem Fachmann als geeignet erachtet werden.
Eine erste Synchrondemodulations-Multiplikationsfunktion 71 und 72 multipliziert das Ausgangssignal des Vorverstärkers 21 mit, angenommen, +1 während einer kurzen Zeitspanne 121, die kurz nach der sehr kurzen Zeitspanne negativer Hochspannung bei dem Zeitpunkt 61 beginnt, und mit, angenommen, –1 während einer kurzen Zeitspanne 122, die genauso lang wie die kurze Zeitspanne 121 ist, und die kurz nach der sehr kurzen Zeitspanne positiver Hochspannung zum Zeitpunkt 63 beginnt. Die erste Synchrondemodulations-Multiplikationsfunktion ist null für den Rest der Zeit. Eine zweite Synchrondemodulations-Multiplikationsfunktion 73 und 74 multipliziert das Ausgangssignal des Vorverstärkers 21 mit, angenommen, +1 während einer Zeitspanne 123 für, angenommen, die doppelte Dauer der Zeitspanne 121 und beginnend, wenn die Zeitspanne 121 endet, und mit, angenommen, –1 während einer Zeitspanne 124, angenommen, für die doppelte Dauer der Zeitspanne 122 und beginnend, wenn die Zeitspanne 122 endet. Die zweite Synchrondemodulations-Multiplikationsfunktion ist null für den Rest der Zeit. Eine dritte Synchrondemodulations-Multiplikationsfunktion 75 und 76 multipliziert das Ausgangssignal des Vorverstärkers 21 mit, angenommen, +1 während einer Zeitspanne 125, für, angenommen, die doppelte Dauer der Zeitspanne 123 und beginnend, wenn die Zeitspanne 123 endet, und mit, angenommen, –1 während einer Zeitspanne 126, für, angenommen, die doppelte Dauer der Zeitspanne 124 und beginnend, wenn die Zeitspanne 124 endet. Die dritte Synchrondemodulations-Multiplikationsfunktion ist null für den Rest der Zeit. Eine vierte Synchrondemodulations-Multiplikationsfunktion 77 und 78 multipliziert das Ausgangssignal des Vorverstärkers 21 mit, angenommen, +1 während einer Zeitspanne 127, für, angenommen, die doppelte Dauer der Zeitspanne 125 und beginnend, wenn die Zeitspanne 125 endet und zum Zeitpunkt 62 endend, und mit, angenommen, –1 während einer Zeitspanne 128, für, angenommen, die doppelte Dauer der Zeitspanne 126 und beginnend, wenn die Zeitspanne 126 endet und endend zum Zeitpunkt 60. Die vierte Synchrondemodulations-Multiplikationsfunktion ist null für den Rest der Zeit.
Ausgänge 51, 52, 53 und 54 der synchronen Demodulatoren 31, 32, 33 bzw. 34 sind jeweils mit einer Verarbeitungselektronik 35 zur weiteren Verarbeitung verbunden, welche wenigstens eine Ermittlung des Durchschnitts und/oder eine Tiefpassfilterung umfasst, um übertragungsbezogene Signalkomponenten zu entfernen. Dies wird manchmal als Demodulationsfiltern bezeichnet. In einer Ausführungsform werden (nicht gezeigte) Signale s1, s2, s3 und s4 von den Post-Demodulationsfiltern, die jeweils mit den Ausgängen der synchronen Demodulatoren 31, 32, 33 bzw. 34 verbunden sind, in der Verarbeitungselektronik 35 weiter verarbeitet, welche Auflösungsalgorithmen zum Erzeugen von wenigstens zwei unterschiedlichen, verarbeiteten Signalen umfasst, um wenigstens ein Ausgangssignal 36 zu erzeugen, das auf wenigstens eine Eigenschaft eines metallischen Ziels hinweist. Eine Ausführungsform des Ausgangssignals zeigt eine Spreizung eines Zeitkonstanten-Dichtespektrums des Empfangssignals an.
Hierin bezieht sich der Ausdruck „resistive Komponenten” auf Komponenten des Empfangssignals, die von der Vorgeschichte der reaktiven Spannung der Übertragungsspule, jedoch nicht vom Momentanwert der reaktiven Spannung der Übertragungsspule abhängen, und die mit einer Energiedissipation verbunden sind. Im Gegensatz hierzu bezieht sich der Ausdruck „reaktive Komponenten” auf Komponenten des Empfangssignals, die mit einer Energieerhaltung verbunden sind, und die nicht von der Vorgeschichte der reaktiven Spannung der Übertragungsspule, sondern nur vom Momentanwert der reaktiven Spannung der Übertragungsspule abhängen.
Das Signal s1, eine resistive Komponente, reagiert auf Ziele aller Zeitkonstanten, sehr kurze bis zu langen. Das Signal s2 reagiert auf Ziele aller Zeitkonstanten, außer Zielen mit sehr kurzen bis kurzen Zeitkonstanten, die nur für eine kurze Zeitspanne nach den Hochspannungszeitspannen zu den Zeitpunkten 61 und 63 erfassbar sind und im Wesentlichen vor der Beendigung der Zeitspannen 121 und 122 abgeklungen sind. Das Signal s3 reagiert auf Ziele mit mittleren/langen und langen Zeitkonstanten, da das Signal von Zielen mit kurzen und kurzen/mittleren Zeitkonstanten zu dem Zeitpunkt, wenn die Zeitspannen 125 und 126 beginnen, im Wesentlichen auf Null abgeklungen ist. Das Signal s4 reagiert nur auf Ziele mit fangen Zeitkonstanten, da das Abklingsignal von Zielen mit kurzen und mittleren Zeitkonstanten zu dem Zeitpunkt, wenn die Zeitspannen 127 und 128 beginnen, im Wesentlichen auf Null abgeklungen ist. Die Beziehung zwischen dem Frequenzbereich und diesen demodulierten Filterausgaben im Zeitbereich ist komplex, so dass aus Gründen der Einfachheit die entsprechenden demodulierten Signale im Frequenzbereich betrachtet werden sollen, die sich aus den resistiven Komponenten der Frequenzen f1, f2, f3 und f4 ergeben, mit f1 > f2 > f3 > f4, wobei die Signale s1, s2, s3 bzw. s4 genannt werden sollen.
Die Verarbeitung von s1, s2, s3 und s4 kann auch eine Hochpass- oder Bandpass-Filterung in der Verarbeitungselektronik 35 umfassen.
Da s1, s2, s3 und s4 gebildet werden, wenn das Übertragungssignal Null Ist, umfassen die Signale keine reaktiven Komponenten und sind rein resistiv. Während magnetische Erdböden resistive Komponenten umfassen, sowohl wegen einer schwachen Erdboden-Leitfähigkeit als auch wegen viskoser superparamagnetischer Partikel, können die resistiven Komponenten als im Wesentlichen bodenabgeglichen erachtet werden (mit > 95% Genauigkeit, z. B. oft > 98%), da die reaktiven Komponenten des Erdbodens typischerweise um etwa zwei Größenordnungen größer als die resistiven Komponenten sind. Daher kann jedes verarbeitete Signal, welches nur aus s1, s2, s3 und s4 als Variablen gebildet ist, auch als einen Bodenabgleich von ungefähr null zu magnetischen Erdböden aufweisend betrachtet werden.
s1, s2, s3 und s4 werden weiter verarbeitet, um wenigstens ein erstes verarbeitetes Signal zu erzeugen, welches auf eine normierte Spreizung des Zeitkonstanten-Dichtespektrums des Empfangssignals hinweist, und auch wenigstens ein normiertes zweites verarbeitetes Signal, welches auf die normierte mittlere oder durchschnittliche Zeitkonstante des Empfangssignals hinweist. Das normierte erste und zweite verarbeitete Signal müssen nicht proportional zu der normierten Spreizung des Zeitkonstanten-Dichtespektrums bzw. der normierten mittleren oder durchschnittlichen Zeitkonstante sein, sondern das erste verarbeitete Signal muss lediglich stärker auf eine Spreizung eines Zeitkonstanten-Dichtespektrums des empfangenen Signals hinweisen als das zweite verarbeitete Signal, und das zweite verarbeitete Signal muss lediglich stärker auf eine durchschnittlichen Zeitkonstante des empfangenen Signals hinweisen als das erste verarbeitete Signal, so dass ein Vergleich zwischen dem ersten und dem normierten zweiten verarbeiteten Signal einen Hinweis auf die normierte Spreizung des Zeitkonstanten-Dichtespektrums relativ zu der mittleren oder durchschnittlichen Zeitkonstante gibt. Obwohl in dieser Ausführungsform vier im Wesentlichen bodenabgeglichene Signale (s1, s2, s3 und s4) verwendet werden, um die zwei verarbeiteten Signale zu erzeugen, ist ein Minimum von zwei im Wesentlichen bodenabgeglichenen Signalen ausreichend, um die gewünschten zwei verarbeiteten Signale zu erhalten.
Beispiele von mathematischen Verarbeitungen, um ein normiertes erstes verarbeitetes Signal S₁ bereitzustellen, sind:
(s1 – 2 × s2 + s3)/(s1 + s2 + s3 + s4), (s2 – 2 × s3 + s4)/(s1 + s2 + s3 + s4), (s1 – s2)/(s1 + s2), (s2 – s3)/(s1 + s2 + s3 + s4), (s3 – s4)/(s2 + s3 + s4), (s1 + s2 – s3 – s4)/(s1 + s2 + s3 + s4), (s1 × s3 – s2²)/(s1 + s2 + s3)², (s1 × s4 – s2 × s3)/(s1 + s2 + s3 + s4)², [sqrt(s1 × s3) – s2]/(s1 + s2 + s3), [sqrt(s1 × s3 – s2²)]/(s1 + s2 + s3), (s2 × s4 – s3²)/(s1 + s2 + s3 + s4)², (s1 × s3 – s2² + s2 × s4 – s3²)/(s1 + s2 + s3 + s4)², (s1 × s3 – s2²)^1/3/(s1 + s2 + s3)^2/3 ... und so weiter.
In jedem Fall wird gezeigt, dass die normierte Spreizung des Zeitkonstanten-Dichtespektrums wenigstens eine effektive subtraktive Differenz zwischen wenigstens zwei Ausdrücken einer Funktion von s1, s2, s3 und s4 umfasst, nämlich zwischen einer Funktion, die gegenüber Ernpfangskomponenten mit kürzerer Zeitkonstante sensitiver ist, und einer Funktion, die gegenüber Empfangskomponenten mit längerer Zeitkonstante von detektierten Zielen sensitiver ist, insbesondere um sowohl den relativ gesehen anfänglichen Teil des Abklingsignals des Ziels, der auf die Hochspannungszeitspannen folgt, als auch den längeren Teil des Abklingens im Vergleich zu den mittleren Zeitspannen zu betonen. Im Frequenzbereich vergleicht dies resistive Antworten bei den relativ gesehen hohen und niedrigen Frequenzen mit denen bei den mittlerer Frequenzen.
Ein alternativer Wert von S₁ könnte in der Form (s1 × s3)/s2², (s2 × s4)/s3², (s1 × s3 + s2 × s4)/(s2 × s3), (s1 × s3)^1/2/s2, (s1 × s3)^1/3/s2^2/3, ... und so weiter sein, das heißt, ohne eine Differenz zwischen irgendwelchen von den Ausdrücken s1, s2, s3 oder s4, sondern eher basierend auf Produkten und Quotienten und unter Umständen einigen Additionen, oder Funktionen von Produkten, das heißt wenigstens eine effektive Multiplikation zwischen einer gegenüber Empfangskomponenten mit kürzerer Zeitkonstante sensitiveren Funktion und einer gegenüber Empfangskomponenten mit längerer Zeitkonstante sensitiveren Funktion, um sowohl den relativ gesehen anfänglichen Teil des Abklingsignals des Ziels, der auf die Hochspannungszeitspannen folgt, als auch den längeren Teil des Abklingens im Vergleich zu den mittleren Zeitspannen zu betonen. Jedoch ist das Signal-Rausch-Verhältnis bei dieser Art von Berechnung, die nur Produkte und Quotienten umfasst, typischerweise schlechter als bei den ersten Beispielen, die wenigstens eine Differenz zwischen wenigstens zwei Ausdrücken einer Funktion von s1, s2, s3 und s4 umfassen, denn wenn ein Ausdruck, beispielsweise s3 (und folglich s4) klein ist, weil das Zielsignal für diese Zeitspannen der Demodulation wegen einer ziemlich kurzen Zeitkonstante auf nahe Null abgeklungen ist, nur aus Produkten und Quotienten mit s3 bestehende Ausdrücke in hohem Maß vom Signal-Rausch-Verhältnis von s3 abhängig sind. Im Gegensatz hierzu wird, wenn s3, oder angenommen, s3 × s2, zu, angenommen, s1, oder, angenommen, s1 × s2, addiert oder davon abgezogen wird, der Ausdruck von dem stärkeren Signal von s1 oder s2 dominiert und ist weniger vom Rauschen in s3 oder s4 abhängig als die Ausdrücke, die nur Produkte oder Quotienten umfassen.
Aus ähnlichen Gründen ist das Verfahren des Verwendens von Differenzen zwischen wenigstens zwei Ausdrücken von einer Funktion von s1, s2, s3 und s4 besser als das in der US 5,506,506 vorgeschlagene Verfahren, wo verschiedene Quotieriten von Zeitkonstanten eines Ziels verglichen werden, z. B. s2/s1 und s3/s2.
Beispiele einer mathematischen Verarbeitung, um ein (normiertes) zweites verarbeitetes Signal S₂ bereitzustellen, sind: (s2 + s3 + s4)/(s1 + s2), (s3 + s4)/(s2 + s3), (s2 + 2 × s3)/(2 × s1 + s2), (s2 + 2 × s3 + 4 × s4)/(4 × s1 + 2 × s2 + s3), (s2/s1), (s2 + s3 + s4)/s1, (s2 + s3)²/(s1² + s2²), (s2 × s3)/(s1 × s2), (s3 + s4)^2/3/((s2² + s3²)^1/3), (s3² + s2(s3 + s4) + s4²)/(s1 + s2)², ... und so weiter.
In jedem Fall ist der Quotient auf die mittlere oder durchschnittliche Zeitkonstante eines Ziels bezogen. Dieser Quotient umfasst typischerweise Summen aus den Ausdrücken einer Funktion von s1, s2, s3 und s4. Insbesondere um die Differenz zwischen dem relativ gesehen anfänglichen Teil des Abklingsignals des Ziels, das auf die Hochspannungszeitspannen folgt, und dem längeren Teil des Abklingens zu betonen; dies ist äquivalent zu einem Vergleichen der resistiven Komponenten relativ hoher und niedriger Frequenz im Frequenzbereich.
Die Verarbeitung kann außerdem das erste verarbeitete Signal relativ zu dem zweiten verarbeiteten Signal normieren, das heißt durch Subtrahieren einer Funktion des normierten zweiten verarbeiteten Signals, angenommen, G(S₂), von dem normierten ersten verarbeiteten Signal. G(S₂) kann zum Beispiel von der Form a₀ + a₁ × S₂ + a₂ × S₂ ² + a₃ × S₂ ³ + a₄ × S₂ ⁴ + ... sein, wobei a₀, a₁, a₂, a₃, a₄, ... Koeffizienten sind, die für die beste Anpassung an, angenommen, eine Antwort mit Zeitkonstanten eines Ziels erster Ordnung des normierten ersten verarbeiteten Signals im Vergleich zu dem normierten ersten verarbeiteten Signal gewählt worden sind, so dass S₁ – G(S₂) = 0 für Ziele erster Ordnung. Anstatt jedoch S₁ auf Ziele mit Zeitkonstanten erster Ordnung zu normieren, könnte es normiert werden auf, angenommen, typische nicht-eisenhaltige Münzen. Alternativ kann die Verarbeitung eine Nachschlagetabelle von S₁ und dem korrespondierenden S₂ für Ziele mit Zeitkonstanten erster Ordnung umfassen, und so weiter, so dass S₁ und S₂ verglichen werden können, um einen Hinweis auf die relative Größe der Spreizung des Zeitkonstanten-Dichtespektrums an einen Indikatorausgang 36 zu geben. Dieser kann in der Form von, angenommen, einer visuellen Anzeige einer Koordinate von S₁ und S₂ sein, unabhängig davon, ob S₁ relativ zu S₂ normiert ist oder nicht. Alternativ können die Indikatorausgangssignale ein Audioalarm sein, wenn die S₁- und S₂-Werte des Ziels in bestimmte ausgewählte „Auflösungsbereiche” fallen. Diese Auswahl kann Funktionen von S₁ und S₂ umfassen, z. B. (c₁ × S₁ ² + c₂ × S₂ ²)^1/2, oder H(S₁, S₂), wobei c₁ und c₂ ausgewählte Koeffizienten sind und H eine Funktion von S₁ und S₂ ist. Die Koeffizienten und/oder Funktionen können variiert werden, wenn sich das Signal-zu-Rausch-Verhältnis ändert, zum Beispiel um eine kleinere Fläche des S₁- und S₂-2D-Raums zu akzeptieren bzw. zu umfassen, um zu viele falsche Signale zu vermeiden, oder um einen größeren Raum zu akzeptieren bzw. zu umfassen, um zu vermeiden, dass gewünschte Ziele nicht detektiert werden.
Die Bestimmung von Eigenschaften des Ziels kann weiter ausgedehnt werden als die normierte Spreizung des Zeitkonstanten-Dichtespektrums eines Ziels, S₁, und die normierte mittlere oder durchschnittliche Zeitkonstante des Ziels, S₂, um andere Eigenschaften des Ziels zu umfassen, wie die normierte reaktive Komponente, was einen Wert von S₃ liefert. Dies wird die Auflösung auf einen „3D-Raum” erweitern. Wenn jedoch S₃ die normierte reaktive Komponente ist, so wird die Genauigkeit von S₃ in hohem Maß von der Stärke des Zielsignals im Vergleich zur detektierten reaktiven Komponente des Erdbodens abhängen. Dies beschränkt die Auflösungsgenauigkeit für gewöhnlich auf deutlich weniger als den „Luft”-Detektionsbereich. Das Auflösungs-Akzeptanz-oder-Zurückweisungs-Volumen des 3D-Raums kann wieder eine Funktion von S₁, S₂ und S₃ sein. Ein Beispiel von S₃ kann, angenommen, X{1 + s4/(s1 + s2 + s3)}/(s1 + s2 + s3 + s4) sein, wobei X die gemessene reaktive Komponente ist. Ein Beispiel einer synchronen Multiplikationsfunktion für ein Empfangssignal von einer separaten Empfangsspule ist in 3 als 79 (angenommen, +1) und 80 (angenommen, –1) gegeben.
Die Differenz (oder Summe) zwischen wenigstens zwei Ausdrücken einer Funktion von s1, s2, s3 und s4 kann gänzlich in, angenommen, digitalen Prozessoren berechnet werden, oder kann zum Teil den Multiplikationsfunktionen für die synchrone Demodulation inhärent sein. Zum Beispiel kann s1 – s2 gebildet werden durch Invertieren der Multiplikationsfunktion 73 und 74 für synchrone Demodulation und Addieren hiervon zu der Multiplikationsfunktion 71 und 72 für synchrone Demodulation.
4 zeigt ein Abklingsignal, das einer Hochspannungszeitspanne folgt, für, angenommen, eine nicht-eisenhaltige Münze, welches als 90, 91 und 92 gegeben ist, während 93, 94 und 95 das Äquivalent für ein eisenhaltiges Ziel zeigt, für eine ähnliche mittlere oder durchschnittliche Zeitkonstante. Wie gesehen werden kann, weist das eisenhaltige Ziel relativ mehr „schnelle 93” und „langsame 95” Wirbelstrom-Abklingkomponenten gegenüber „mittleren 94” Abklingkomponenten auf, wenn es mit den entsprechenden „schnellen 90” und „langsamen 92” Wirbelstrom-Abklingkomponenten gegenüber den „mittleren 91” für Nichteisen verglichen wird. S₁ liefert einen Messwert, der auf diesen Unterschied bezogen ist, verglichen mit S₂, das einen Messwert liefert, der auf die mittlere oder durchschnittliche Zeitkonstante bezogen ist.
Der Fachmann wird verstehen, dass die Erfindung weder in ihrer Verwendung auf die bestimmte, beschriebene Anwendung beschränkt ist, noch in ihrer bevorzugten Ausführungsform im Hinblick auf die bestimmten Elemente und/oder Merkmale, die Herein beschrieben oder dargestellt sind. Es versteht sich, dass verschiedene Modifikationen gemacht werden können, ohne von den Prinzipien der Erfindung abzuweichen. Daher sollte die Erfindung so verstanden werden, dass sie all jene Modifikationen innerhalb ihres Geltungsbereichs umfasst.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5506506 [0002, 0011, 0011, 0012, 0016, 0057]

Claims

Empfangselektronik von einem Metalldetektor zum Verarbeiten eines Empfangssignals von einem Ziel in einem Erdboden, wobei die Empfangselektronik umfasst: – Verarbeitungselektronik zum synchronen Demodulieren oder Abtasten des Empfangssignals, um wenigstens zwei im Wesentlichen bodenabgeglichene Signale zu erzeugen; – Verarbeitungselektronik zum Verarbeiten der wenigstens zwei im Wesentlichen bodenabgeglichenen Signale, um wenigstens zwei im Wesentlichen bodenabgeglichene, verarbeitete Signale zu erzeugen, wobei ein erstes im Wesentlichen bodenabgeglichenes, verarbeitetes Signal stärker auf eine Spreizung eines Zeitkonstanten-Dichtespektrums des empfangenen Signals hinweist als ein zweites im Wesentlichen bodenabgeglichenes, verarbeitetes Signal, und wobei das zweite im Wesentlichen bodenabgeglichene, verarbeitete Signal stärker auf eine durchschnittliche Zeitkonstante des empfangenen Signals hinweist als das erste im Wesentlichen bodenabgeglichene, verarbeitete Signal; und – Verarbeitungselektronik zum Verarbeiten der wenigstens zwei im Wesentlichen bodenabgeglichenen, verarbeiteten Signale, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches wenigstens auf die Spreizung des Zeitkonstanten-Dichtespektrums hinweist.
Empfangselektronik nach Anspruch 1, wobei die Erzeugung des ersten im Wesentlichen bodenabgeglichenen, verarbeiteten Signals einen Prozess einer effektiven Subtraktion von wenigstens zwei Funktionen umfasst, wobei eine erste Funktion eine Funktion von wenigstens einem ersten im Wesentlichen bodenabgeglichenen Signal ist, und eine zweite Funktion eine Funktion von wenigstens einem zweiten im Wesentlichen bodenabgeglichenen Signal ist, wobei das erste im Wesentlichen bodenabgeglichene Signal sensitiver gegenüber Komponenten des Empfangssignals mit kurzen Zeitkonstanten ist als das zweite im Wesentlichen bodenabgeglichene Signal, und das zweite im Wesentlichen bodenabgeglichene Signal sensitiver gegenüber Komponenten des Empfangssignals mit langen Zeitkonstanten ist als das erste im Wesentlichen bodenabgeglichene Signal.
Empfangselektronik nach Anspruch 1, wobei die Erzeugung des ersten im Wesentlichen bodenabgeglichenen, verarbeiteten Signals einen Prozess einer effektiven Multiplikation von wenigstens zwei Funktionen umfasst, wobei eine erste Funktion eine Funktion von wenigstens einem ersten im Wesentlichen bodenabgeglichenen Signal ist und eine zweite Funktion eine Funktion von wenigstens einem zweiten im Wesentlichen bodenabgeglichenen Signal ist, wobei das erste im Wesentlichen bodenabgeglichene Signal sensitiver gegenüber Komponenten des Empfangssignals mit kurzen Zeitkonstanten ist als das zweite im Wesentlichen bodenabgeglichene Signal, und das zweite im Wesentlichen bodenabgeglichene Signal sensitiver gegenüber Komponenten des Empfangssignals mit langen Zeitkonstanten ist als das erste im Wesentlichen bodenabgeglichene Signal.
Empfangselektronik nach Anspruch 1, wobei das Verarbeiten von wenigstens zwei im Wesentlichen bodenabgeglichenen, verarbeiteten Signalen umfasst: – Normieren von jedem im Wesentlichen bodenabgeglichenen, verarbeiteten Signal zum Erzeugen eines entsprechend normierten, im Wesentlichen bodenabgeglichenen, verarbeiteten Signals; und – Auswählen von Bereichen einer durchschnittlichen Zeitkonstante, die von wenigstens einem normierten, im Wesentlichen bodenabgeglichenen, verarbeiteten Signal abgeleitet sind, und von Bereichen der Spreizung des Zeitkonstanten-Dichtespektrums, die von wenigstens einem anderen normierten, im Wesentlichen bodenabgeglichenen, verarbeiteten Signal abgeleitet sind, um in das Ausgangssignal aufgenommen oder von diesem ausgeschlossen zu werden.
Empfangselektronik nach Anspruch 4, wobei die ausgewählten Bereiche Funktionen eines Signal-Rausch-Verhältnisses des empfangenen Signals sind.
Metalldetektor, der zum Detektieren eines Ziels in einem Erdboden verwendet wird, umfassend: a) Sendeelektronik zum Erzeugen eines sich wiederholenden Sendesignalzyklus; b) ein Magnetfeld-Sender, der mit der Sendeelektronik verbunden ist, um den sich wiederholenden Sendesignalzyklus zu erhalten und ein Sendemagnetfeld zu erzeugen; c) ein Magnetfeld-Empfänger zum Empfangen eines Empfangsmagnetfelds und zum Bereitstellen eines Empfangssignals, welches von dem Empfangsmagnetfeld hervorgerufen wird; d) Empfangselektronik, die mit dem Magnetfeld-Empfänger verbunden ist, um das Empfangssignal zu verarbeiten, wobei die Empfangselektronik umfasst: – Verarbeitungselektronik zum synchronen Demodulieren oder Abtasten des Empfangssignals, um wenigstens zwei im Wesentlichen bodenabgeglichene Signale zu erzeugen; – Verarbeitungselektronik zum Verarbeiten der wenigstens zwei im Wesentlichen bodenabgeglichenen Signale, um wenigstens zwei im Wesentlichen bodenabgeglichene, verarbeitete Signale zu erzeugen, wobei ein erstes im Wesentlichen bodenabgeglichenes, verarbeitetes Signal stärker auf eine Spreizung eines Zeitkonstanten-Dichtespektrums des empfangenen Signals hinweist als ein zweites im Wesentlichen bodenabgeglichenes, verarbeitetes Signal, und wobei das zweite im Wesentlichen bodenabgeglichene, verarbeitete Signal stärker auf eine durchschnittliche Zeitkonstante des empfangenen Signals hinweist als das erste im Wesentlichen bodenabgeglichene, verarbeitete Signal; und – Verarbeitungselektronik zum Verarbeiten der wenigstens zwei im Wesentlichen bodenabgeglichenen, verarbeiteten Signale, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches wenigstens auf die Spreizung des Zeitkonstanten-Dichtespektrums hinweist.
Metalldetektor nach Anspruch 6, wobei die Erzeugung des ersten im Wesentlichen bodenabgeglichenen, verarbeiteten Signals einen Prozess einer effektiven Subtraktion von wenigstens zwei Funktionen umfasst, wobei eine erste Funktion eine Funktion von wenigstens einem ersten im Wesentlichen bodenabgeglichenen Signal ist, und eine zweite Funktion eine Funktion von wenigstens einem zweiten im Wesentlichen bodenabgeglichenen Signal ist, wobei das erste im Wesentlichen bodenabgeglichene Signal sensitiver gegenüber Komponenten des Empfangssignals mit kurzen Zeitkonstanten ist als das zweite im Wesentlichen bodenabgeglichene Signal, und das zweite im Wesentlichen bodenabgeglichene Signal sensitiver gegenüber Komponenten des Empfangssignals mit langen Zeitkonstanten ist als das erste im Wesentlichen bodenabgeglichene Signal.
Metalldetektor nach Anspruch 6, wobei die Erzeugung des ersten im Wesentlichen bodenabgeglichenen, verarbeiteten Signals einen Prozess einer effektiven Multiplikation von wenigstens zwei Funktionen umfasst, wobei eine erste Funktion eine Funktion von wenigstens einem ersten im Wesentlichen bodenabgeglichenen Signal ist, und eine zweite Funktion eine Funktion von wenigstens einem zweiten im Wesentlichen bodenabgeglichenen Signal ist, wobei das erste im Wesentlichen bodenabgeglichene Signal sensitiver gegenüber Komponenten des Empfangssignals mit kurzen Zeitkonstanten ist als das zweite im Wesentlichen bodenabgeglichene Signal, und das zweite im Wesentlichen bodenabgeglichene Signal sensitiver gegenüber Komponenten des Empfangssignals mit langen Zeitkonstanten ist als das erste im Wesentlichen bodenabgeglichene Signal.
Metalldetektor nach Anspruch 6, wobei das Verarbeiten von wenigstens zwei im Wesentlichen bodenabgeglichenen, verarbeiteten Signalen umfasst: – Normieren von jedem im Wesentlichen bodenabgeglichenen, verarbeiteten Signal und – Auswählen von Bereichen einer durchschnittlichen Zeitkonstante, die von wenigstens einem normierten, im Wesentlichen bodenabgeglichenen, verarbeiteten Signal abgeleitet sind, und von Bereichen der Spreizung des Zeitkonstanten-Dichtespektrums, die von wenigstens einem anderen normierten, im Wesentlichen bodenabgeglichenen, verarbeiteten Signal abgeleitet sind, um in das Ausgangssignal aufgenommen oder von diesem ausgeschlossen zu werden.
Metalldetektor nach Anspruch 9, wobei die ausgewählten Bereiche Funktionen eines Signal-Rausch-Verhältnisses des Empfangssignals sind.
Metalldetektor nach Anspruch 9, wobei jede Wellenform des sich wiederholenden, Sendemagnetfelds eine erste Zeitspanne und eine zweite Zeitspanne umfasst, wobei sich das Sendemagnetfeld während der ersten Zeitspanne im Schnitt schneller als das Sendemagnetfeld während der zweiten Zeitspanne ändert.
Metalldetektor nach Anspruch 11, wobei das Sendemagnetfeld in der zweiten Zeitspanne im Wesentlichen unverändert bleibt.
Metalldetektor nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Empfangselektronik das Empfangssignal während der zweiten Zeitspanne synchron demoduliert oder abtastet.