DE60106215T2

DE60106215T2 - Elektromagnetisches sensorsystem zur objektunterscheidung sowie methode zum entdecken und identifizieren von metallobjekten

Info

Publication number: DE60106215T2
Application number: DE60106215T
Authority: DE
Inventors: V. Carl NELSON; G. Dexter SMITH; B. Charles COOPERMAN
Original assignee: Johns Hopkins University
Current assignee: Johns Hopkins University
Priority date: 2000-03-22
Filing date: 2001-03-20
Publication date: 2005-04-28
Anticipated expiration: 2021-03-21
Also published as: EP1266244A2; WO2001071387A2; US6853194B2; DE60106215D1; EP1266244B1; ATE278972T1; WO2001071387A3; AU2001250897A1; US20030052684A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Auffinden und Identifizieren von Metallgegenständen und insbesondere ein elektromagnetisches Sensorsystem zur Objekterkennung (ETD = electromagnetic target discriminator) und ein Verfahren zum Auffinden und Identifizieren von Metallgegenständen wie nicht explodierte Munition, Landminen mit hohem Metallanteil und Landminen mit niedrigem Metallanteil (allgemein als Plastik-Landminen bezeichnet), die im Boden vergraben (oder versteckt) sind, auf Grund der elektromagnetischen Antwort des Gegenstandes auf ein breitbandiges elektromagnetisches Spektrum in der Zeitebene.
Mit geschätzten 100 Millionen Minen und weltweit zahllosen Millionen Hektar Land, das mit nicht explodierter Munition (UXO = unexploded ordnance (= Blindgänger)) belastet ist, besteht ein Bedarf für Sensorsysteme und Verfahren, mit denen man kleine und große Metallgegenstände, die im Boden verborgen sind, auffinden und identifizieren kann. Zusätzlich besteht bei bewaffneten Konflikten ein Bedarf an Minenerkennung und Neutralisation in Echtzeit oder Nahezu- Echtzeit.
Ein verbreiteter Sensor zur Erkennung von Minen und UXO ist der elektromagnetische Induktions- (EMI = electromagnetic induction) Metalldetektor. Herkömmliche EMI- Metalldetektoren, die Wirbelstromverfahren entweder in der Frequenzebene (FD = frequency domain) oder in der Zeitebene (TD = time domain) verwenden, können kleine Metallgegenstände (wie Landminen mit niedrigem Metallgehalt und Plastikgehäuse) bei niedrigen Tiefen und große Metallgegenstände (wie Minen mit hohem Metallgehalt und Metallgehäuse und UXOs) sowohl bei niedrigen, als auch bei großen Tiefen in einem weiten Bereich von Umgebungs- und Bodenbedingungen erkennen. Dabei stellen metallische Gegenstände, die aber keine Minen sind (wie z. B. Schrott), die gewöhnlich in der Umgebung gefunden werden, ein größeres Problem bei der Identifizierung von Minen dar. Das ist so, weil diese Schrottgegenstände falschen Alarm erzeugen, wenn sie von einem Metalldetektor erfasst werden. Für eine zeiteffiziente und kosteneffiziente Landbereinigung müssen die erkannten Metallteile entsprechend ihrem Gefahrenpotenzial klassifiziert werden: Mine, UXO oder Schrott.
Diese Metallgegenstände müssen vorzugsweise in Echtzeit oder Nahezu- Echtzeit klassifiziert werden. 1 zeigt ein Diagramm eines herkömmlichen gepulsten EMI Metalldetektors und dessen Betriebesverfahren. Ein Stromschleifen- Sender 10 wird in die Nachbarschaft des vergrabenen Metallgegenstands 12 gebracht und ein gleichmäßiger Strom im Sender 10 wird genügend lange aufrechterhalten, um Einschalttransienten im Boden (Wirbelströme im Boden) abklingen zu lassen. Dann wird der Sendeschleifen- Strom abgeschaltet. Der Sendestrom hat gewöhnlich eine gepulste Wellenform, beispielsweise eine Rechteckwelle, eine gepulste dreiecksförmige oder sägezahnförmige Welle oder eine Kombination von verschiedenen positiven und negativen Stromrampen.
Nach dem Faraday'schen Gesetz erzeugt ein zusammenbrechendes magnetisches Feld eine elektromotorische Kraft (emf = electromotoric force) in benachbarten Leitern, wie dem Metallgegenstand 12. Diese emf verursacht, dass in dem Leiter Wirbelströme fließen. Weil es keine Energie gibt, die diese Wirbelströme aufrecht erhalten könnten, beginnen sie abzunehmen, mit einem charakteristischem Abklingzeitverhalten, das von der Größe, Form und den elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Leiters abhängt. Die abklingenden Ströme erzeugen ein sekundäres magnetisches Feld, das von dem Magnetfeldempfänger 14 detektiert wird, der über dem Boden angeordnet ist und mit dem Sender 10 über ein Datenabfrage- und Steuersystem 16 verbunden ist.
Ausgedehnte theoretische und experimentelle Forschung unterstützen das Konzept der Klassifizierung von Metallgegenständen durch Anwendung der EMI Technik. In der Zeitebene für einen gepulsten Sendestrom kann die mit der Zeit abklingende Antwort eines Metallgegenstands ausgedrückt werden als:
wobei t die Zeit ist, V(t) die induzierte Spannung in der Empfängerspule, δ(t) die Deltafunktion, A_i sind Antwortamplitudenkoeffizienten und τ_i die Objektzeitkonstanten. Somit ist die Sensorantwort auf einen Metallgegenstand eine Summe von Exponentialen mit einer Reihe von charakteristischen Amplituden A_i und Zeitkonstanten τ_i. Die Gleichung (1) und deren komplementäre Gleichung, d.h. in der Frequenzebene, bilden die theoretische Basis für die EMI Sensor-Klassifizierungstechnik. Wenn gezeigt werden kann, dass ein Metallgegenstand eine einzigartige, mit der Zeit abklingende Antwort hat, kann eine Datenbank für potentiell bedrohliche Metallgegenstände entwickelt werden. Wenn man im Gelände auf einen Metallgegenstand stößt, kann dessen mit der Zeit abklingende Antwort mit denen in der Datenbank verglichen werden, und wenn eine Übereinstimmung gefunden wird, kann der Metallgegenstand schnell klassifiziert werden. Die Gleichung (1) kann auch auf die Antwort der Umgebung angewendet werden, insbesondere von Boden oder Wasser, in denen der Metallgegenstand verborgen ist. Es ist anzumerken, dass die Gleichung (1) sich geringfügig ändert, wenn die Wellenform des Sendesignals eine Rampe oder ein anderes sich mit der Zeit änderndes Signal ist, aber die generelle Natur der Vielzahl von exponentiellen Objektantworten ist die gleiche.
Die Detektion von vergrabenen Gegenständen mit Metallgehalt ist in der Literatur der Wissenschaft und des Ingenieurwesens erschöpfend behandelt. Es bleibt jedoch das Problem, vergrabene Gegenstände mit Hilfe von Sensorsystemen und Objekterkennungsverfahren zu identifizieren. Das Problem der Identifizierung von vergrabenen Metallgegenständen wird in zwei Kategorien aufgeteilt: (1) Identifizierung von Gegenständen mit mittlerem bis hohem Metallgehalt und (2) Identifizierung von Gegenständen mit niedrigem Metallgehalt.
Minen mit mittlerem und hohem Metallgehalt und UXO Objekte haben ein einzigartiges Abklingverhalten (oder Frequenzgang) der Wirbelströme, was ermöglicht, dass sie von einem großen Bereich von typischem Metallschrott in einer Vielzahl von Untergrundtypen unterschieden werden können. Minen mit mittlerem und hohem Metallgehalt und UXO Objekte haben viele komplexe dreidimensionale Formmerkmale, die sich in verschiedenem Abklingzeitverhalten oder Frequenzspektrum der Wirbelströme manifestieren. Dieses komplexe Abklingzeitverhalten der Wirbelströme muss sehr genau über mehrere Größenordnungen sowohl der Zeit als auch der Amplitude (bei TD Sensoren) oder Frequenz, Amplitude und Phase (bei FD Sensoren) gemessen werden.
Gewöhnlich können die Minen mit mittlerem und hohem Metallgehalt und UXO Objekte räumlich als einfache gerichtete magnetische Dipole abgebildet werden und ihr zeitliches oder frequenzmäßiges Abklingverhalten kann mit einem oder zwei Abklingzeitparametern beschrieben werden. Allgemein beeinflusst die Bodenbeschaffenheit die Messung des Abklingzeitverhaltens nicht nachteilig. Das liegt daran, dass das Antwortsignal vom Boden gewöhnlich klein ist und/oder auf einen kleinen Abklingbereich beschränkt ist.
Die Identifizierung von Gegenständen mit niedrigem Metallgehalt ist schwieriger, weil sie keine komplexe dreidimensionale Formmerkmale, die sich in verschiedenem Abklingzeitverhalten oder Frequenzspektrum der Wirbelströme manifestieren, aufweisen im Vergleich zu Gegenständen mit mittlerem bis hohem Metallgehalt, die ein komplexeres zeitliches oder frequenzmäßiges Abklingverhalten haben. Zusätzlich ist die Abklingzeitkonstante von Gegenständen mit niedrigem Metallgehalt relativ schnell, was eine große Bandbreite des EMI Sensorsystems erfordert. Weiterhin muss bei den meisten Umgebungsbedingungen auch der Einfluss des Boden-TD- (oder FD-) Verhaltens berücksichtigt werden, wenn man Gegenstände mit niedrigem Metallgehalt identifizieren will.
Die US Patente 5,963,035 und 6,104,193 beschreiben die Suche nach Minen mit niedrigem Metallgehalt und Identifizierungs- Systeme und Lösungswege, berücksichtigen aber nicht das Abklingzeitverhalten der Wirbelströme im Boden (oder allgemein der Umgebung der Mine). Das ist eine größere Unzulänglichkeit, weil für eine hochzuverlässige Objekterkennung die Bibliothek der Objektsignaturen im Voraus exakt bekannt sein muss. Wenn der Untergrund die Objektsignatur eines Gegenstandes verändert, wird das Sensorsystem den Gegenstand durch Anwendung eines Gegenstands-Identifizierungsalgorithmus möglicherweise nicht korrekt bestimmen.
GB 2 153 077 A beschreibt eine Metalldetektoreinrichtung zum Auffinden verborgener Gegenstände, d.h. vergrabener oder versteckter Metallkörper, bestehend aus zwei Metalldetektoren, die beide jeweils ein Sensorspulenmittel aufweisen. Beide Detektormittel haben auch ein Mittel zur Erzeugung eines Ausgangssignals, das im Betrieb ein Ausgangssignal als Reaktion auf Metallteile erzeugt, die sich in der Nachbarschaft der Detektoren befinden. EP 0 780 704 A2 beschreibt ein Mehrfrequenzverfahren und ein System zur Identifizierung von Metallgegenständen in einer Hintergrundumgebung durch Verarbeitung von Komponenten von Signalen bei zwei oder mehr verschiedenen Frequenzen. Eine Signalkomponente, die vom Boden induziert wird, kann durch Subtraktion verschiedener Signalkomponenten, die bei zwei verschiedenen Frequenzen gemessen werden, eliminiert werden. Schließlich beschreibt EP 0 494 130 A1 ein Verfahren und eine Einrichtung für das elektromagnetische Erkennen der Lage von leitenden Körpern im Untergrund.
Wenn ein Gegenstand erkannt und dessen Daten des Abklingverhaltens ermittelt worden sind, wird das mit der Zeit abklingende Antwortsignal der Wirbelströme einer Signalverarbeitung unterzogen, um den Gegenstand zu identifizieren. Die Sensorsysteme nach dem Stand der Technik optimieren die Parameter der Sensoren für die Datenerfassung nicht für die optimale Objektidentifizierung. Diese Parameter umfassen Sendefeldstärke (d.h. Strom in der Sendespule), Verstärkungsfaktor, Abtastrate des Digitalwandlers und Datenerfassungszeit. Zusätzlich ignorieren Sensorsysteme und Signalverarbeitungslösungen im Allgemeinen die Einflüsse des Bodens auf die gemessene Objektantwort, insbesondere die Einflüsse von stark magnetischen Böden. Wenn die Bodenantwort nicht berücksichtigt wird, ist die Bibliothek für Metallobjektsignaturen weniger aussagekräftig und weniger brauchbar. Einige Sensorsysteme nach dem Stand der Technik berücksichtigen auch nicht die ungleichförmige Ausbildung ihres primären erregenden Magnetfelds auf die zeitliche Abklingcharakteristik des Objekts.
Dementsprechend besteht ein Bedarf an einem Sensorsystem für das exakte Messen einer Abklingantwort eines Metallgegenstands auf Grund der physikalischen Eigenschaften des Metallgegenstands und seiner Umgebung und für die Identifizierung des Metallgegenstands.
Es wird ein Sensorsystem für elektromagnetische Objekterkennung in der Zeitebene (ETD) zur Verfügung gestellt, das in der Lage ist, das zeitliche Abklingverhalten von Metallgegenständen (und anderen Gegenständen) auf Grund der physikalischen Eigenschaften des Metallgegenstands und seiner Umgebung zu messen und den Metallgegenstand zu identifizieren. Das ETD Sensorsystem umfasst einen Sender, der über ein Datenübertragungs- und Steuersystem mit einem Empfänger verbunden ist. Ein Pulssignal oder ein Signal mit anderer Wellenform, wie ein Rampensignal, wird dem Sender zugeführt.
Sender und Empfänger umfassen Spulenanordnungen, die in die Nachbarschaft von verborgenen, d.h. vergrabenen Metallgegenständen gebracht werden, um Wirbelströme innerhalb der Metallgegenstände zu induzieren. Das ETD Sensorsystem misst das zeitliche Abklingverhalten der Wirbelströme der Metallgegenstände, um Objekterkennung und Klassifizierung vorzunehmen.
Das ETD Sensorsystem ist in der Lage, das Abklingzeitverhalten von einer Vielzahl von verschiedenen Metallgegenständen zu messen, beginnend etwa 3 bis 5 μS, nachdem der Sendestrom abgeschaltet wurde. Das ETD Sensorsystem ist auch in der Lage, Abkling- Zeitkonstanten der Objektantwort von nur 1,4 μS zu messen.
Für die Optimierung der Objekteinstufung eines verborgenen Gegenstands, wie dem Metallgegenstand, nach der Erfassung des verborgenen Gegenstandes durch das ETD Sensorsystem wird ein neuartiger Algorithmus vorgestellt. Der Algorithmus umfasst die Schritte von (a) Abgleich eines ersten Parameters des ETD Sensorsystems und Erfassung eines Datensatzes unter der Verwendung des Empfängers; (b) Analyse des erfassten Datensatzes zur Bestimmung wenigstens einer Messreihe einer zeitlich abklingenden Antwort, die dem Gegenstand entspricht; und (c) Abgleich eines zweiten Parameters des ETD Sensorsystems, Erfassung eines Datensatzes unter der Verwendung des Empfängers und Rückkehr zum Schritt (b), wenn die bestimmte wenigstens eine Messreihe außerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt.
Weitere Schritte umfassen (d) die Berechnung einer Abklingzeitkonstanten entsprechend dem Gegenstand; (e) Abgleich wenigstens des ersten Parameters auf Grund der berechneten Abklingzeitkonstante; (f) Erfassung einer Vielzahl von Datensätzen einschließlich eines Objektdatensatzes, entsprechend dem Objekt, und Hintergrunddatensätzen, die zu Gebieten ohne Gegenstände gehören, unter Verwendung des Empfängers; (g) Mittelwertbildung für die Hintergrunddatensätze, um einen mittleren Hintergrunddatensatz zu erhalten; und (h) Subtrahieren des mittleren Hintergrunddatensatzes vom Objektdatensatz.
Zusätzlich umfasst der Algorithmus die Schritte von (i) Bestimmung der Charakteristik des Abklingzeitverhaltens des Objekts; (j) Abgleich wenigstens des zweiten Parameters und Rückkehr zum Schritt (f), wenn die Charakteristik kleiner ist als ein vorbestimmter Schwellwert; und (k) Abgleich wenigstens des zweiten Parameters und Rückkehr zum Schritt (f), wenn die Charakteristik größer ist als ein vorbestimmter Schwellwert Zusätzlich umfasst der Algorithmus Schritte zur Klassifizierung des verborgenen Gegenstands. Diese Schritte umfassen (1) Vergleichen des Abklingzeitverhaltens des Objekts mit einer Bibliothek normalisierter Abklingantworten, die jeweils einem Objekt entsprechen; (m) Identifizieren einer Abklingantwort aus der Bibliothek, die dem Abklingzeitverhalten des Objekts annähernd entspricht; und (n) Bestimmen des verborgenen Gegenstands als ein Gegenstand, der der identifizierten Abklingantwort entspricht. Der Algorithmus erweitert auch die Bibliothek, indem das zeitliche Abklingverhalten des Objekts zusammen mit einer Beschreibung des Gegenstands in der Bibliothek gespeichert wird.
1 ist eine schematische Darstellung eines gepulsten EMI Metalldetektors nach dem Stand der Technik;
2 ist ein Blockschaltbild eines Sensorsystems für elektromagnetische Objekterkennung (ETD) nach der vorliegenden Erfindung;
3A ist ein Plan für die Auslegung von Sende- und Empfängerspulen für eine Antenne des ETD Sensorsystems nach der vorliegenden Erfindung;
3B ist eine Darstellung der erfindungsgemäßen Antenne über einem Boden, der keinen Metallgegenstand aufweist;
3C ist eine Darstellung der erfindungsgemäßen Antenne über einem Metallgegenstand;
3D ist eine Darstellung der erfindungsgemäßen Antenne über einem Hohlraum im Boden;
4 ist eine Übersicht von Abklingantworten bei der Anwendung verschiedener Eichschleifen einer kleinen Antenne des ETD Sensorsystems;
5 ist eine Übersicht von Abklingantworten verschiedener mittlerer und großer Metallgegenstände, gemessen mit einer großen Antenne des ETD Sensorsystems;
6 ist eine Übersicht von Abklingantworten verschiedener AT Metallminen, gemessen mit dem ETD Sensorsystem;
7A ist eine Übersicht von Abklingantworten verschiedener Gegenstände, eingegraben in einem magnetischen Boden, gemessen mit dem ETD Sensorsystem;
7B ist eine Übersicht von Abklingantworten verschiedener Hohlräume bei unterschiedlichen Bodentypen, gemessen mit dem ETD Sensorsystem;
8 ist eine Übersicht von Abklingantworten eines Holzblocks und von zwei AT Minen mit niedrigem Metallgehalt, gemessen mit der kleinen Antenne des ETD Sensorsystems;
9 ist eine doppelt logarithmische Darstellung von Abklingantworten von vier AP Minen und eines eisenhaltigen Schrottobjekts, gemessen mit der kleinen Antenne des ETD Sensorsystems;
10 ist eine Darstellung einer Abklingantwort einer M14 AP Mine, "in Luft" und im Boden vergraben, und von Abklingantworten von zwei kleinen stählernen Schrottobjekten, gemessen mit der kleinen Antenne des ETD Sensorsystems;
11 ist eine Darstellung zum Vergleich der Abklingantworten einer vergrabenen PMA3 AP Mine, gemessen mit der kleinen und mit der großen Antenne des ETD Sensorsystems;
12 ist ein Flussdiagramm, das die Anwendung des erfindungsgemäßen Algorithmus zum Betreiben des ETD Sensorsystems nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
13 ist eine Übersicht, die mehrere einander überlappende Datensätze von einem Objekt mit einer komplexen Abklingantwort zeigt, wie sie von dem ETD Sensorsystem erhalten werden;
14A ist ein Blockdiagramm des ETD Sensorsystems im Suchmodus;
14B ist ein Blockdiagramm des ETD Sensorsystems im Identifizierungsmodus.
Im Folgenden wird die Erfindung nun an Hand der 2 bis 4 (Abschnitt I) und 12 bis 14 (Abschnitt III) beschrieben, ergänzt durch eine Diskussion der Ergebnisse von Laboruntersuchungen und Feldmessungen in Verbindung mit 5 bis 11 (Abschnitt II).
In 2 ist ein Blockschaltbild eines Sensorsystems für elektromagnetische Objekterkennung (ETD) nach der vorliegenden Erfindung zum Auffinden und Identifizieren von Metallgegenständen, wie nicht explodierte Munition, Landminen mit hohem Metallgehalt und Landminen mit niedrigem Metallgehalt (allgemein als Plastik- Landminen bezeichnet), die im Boden vergraben sind, auf Grund der elektromagnetischen Antwort des Gegenstandes auf ein breitbandiges elektromagnetisches Spektrum in der Zeitebene.
Das ETD Sensorsystem ist durchgehend mit dem Bezugszeichen 100 versehen und umfasst ein Sendesystem 102, ein Empfängersystem 104, ein Rechner- und Steuersystem 108, das in der Lage ist, programmierbare Befehle auszuführen, um Datenerfassung, Datenverarbeitung, Steuerung, Datenspeicherung und Anzeigefunktionen durchzuführen. Das Rechner- und Steuersystem 108 führt beispielsweise programmierbare Befehle zur Datenerfassung aus zur Erfassung und Analyse von Daten, die von dem Sendesystem 102 und dem Empfängersystem 104 erhalten werden. Obwohl das Empfängersystem 104 unter der Verwendung einer Induktionsspule gezeigt wird, kommt auch in Betracht, dass das Empfängersystem 104 andere Typen von Magnetsensoren verwendet. Das Sende- und Empfängersystem 102, 104 werden verwendet, um das induzierte und abklingende Magnetfeld der Wirbelströme, d. h. das Abklingzeitverhalten eines versteckten/vergrabenen Gegenstands zu messen, wie weiter unten diskutiert.
Das Sendesystem 102 umfasst eine computergesteuerte Stromquelle 110, die einen Sendeschalter 112 versorgt. Der Sendeschalter 112 ist vorzugsweise ein bipolarer Transistor mit isoliertem Gate (IGBT) mit einer hohen (typisch 600 V oder mehr) Sperrspannung, die ihn ideal geeignet macht für das Schalten hochinduktiver Lasten, die für Sendespulen für gepulste EMI mit mehreren Windungen charakteristisch ist. Das Sendesystem 102 umfasst weiterhin einen Verstärker 114 für einen Stromfühler, um den Sendespulenstrom durch eine Sendespule 116 einzustellen. Die analogen Ausgangssignale des Stromfühler-Verstärkers 114 werden an ein Digital/Analogwandler (DA) – und Analog/Digitalwandler (AD) – System 118 weitergeleitet, wo sie in digitale Signale umgewandelt werden, bevor sie an das Computersteuersystem 108 übertragen werden. Das DA/AD Wandlersystem 118 umfasst eine Vielzahl von DA Wandlern und AD Wandlern zum Umsetzen von digitalen Signalen, die vom Computersteuersystem 108 empfangen werden in analoge Signale und zum Umsetzen von Analogsignalen, die vom Computersteuersystem 108 empfangen werden, in digitale Signale. Die computergesteuerte Stromquelle 110 und der Sendeschalter 112 empfangen Steuersignale vom Computersteuersystem 108 über das DA/AD- Wandlersystem 118. Ein Dämpfungswiderstand 120 für die Sendespule ist nahe der Sendespule 116 angeordnet und ein Stromfühlerwiderstand 122 ist parallel zum Stromfühler-Verstärker 114 geschaltet. Es ist ersichtlich, dass die Sendespule 116 auch mit Strom von einer Spannungsquelle versorgt werden könnte.
Die Steuerung des Sendestroms ist wichtig für die effektive Arbeitsweise des ETD Sensorsystems 100 und der Objektklassifizierung, wie das später erläutert wird. Die Sendespule 116 ist so aufgebaut/dimensioniert, dass ihr Frequenzumfang größer ist als der Inhalt der Objektsignaturen. Das wird dadurch erreicht, dass die Sendespule 116 des Sensorsystems 100 eine Bandbreite von mehr als 600 kHz hat. Der Dämpfungswiderstand 116 dämpft die Sendespule 116 auf den kritischen Wert.
Das Empfängersystem 104 umfasst eine erste Empfängerspule 124 mit einem ersten Dämpfungswiderstand 126, der an ihr angebracht ist, und eine zweite Empfängerspule 128 mit einem zweiten an ihr montierten Dämpfungswiderstand 130. Die zwei Empfängerspulen 124, 128 sind an ein Tiefpassfilter 132 gekoppelt und an einen rauscharmen Breitband- Differential-Transkonduktanz- Verstärker 134 mit einem Verstärkungsfaktor von ungefähr 100. Der Zweck des Tiefpassfilters 132 ist, Hochfrequenzsignale, die jenseits des für Objekt- Erkennung und Klassifizierung interessanten Frequenzbereichs liegen, fernzuhalten.
Die zwei Empfängerspulen 124, 128 sind auf identisches Antwortverhalten auf die Erregung durch die Sendespule 116 ausgelegt. Das stellt sicher, dass, wenn die Empfängerspulen 124, 128 an das System 100 angeschlossen werden, das Differenzsignal in der Abwesenheit eines Objekts gleich null oder nahe null ist. Die zwei Empfängerspulen 124, 128 sind so in der Sendespule 116 untergebracht, dass sie von identischen Magnetfeldern erregt werden. Auch dies stellt siecher, dass, wenn die beiden Empfängerspulen 124, 128 an das System 100 angeschlossen werden, das Differenzsignal in der Abwesenheit eines Objekts gleich null oder nahe null ist. Die zwei Empfängerspulen 124, 128 sind so ausgelegt, dass ihr Frequenzumfang größer ist als der Frequenzinhalt der Objektsignaturen. Das wird dadurch erreicht, dass jede der Empfängerspulen 124, 128 des ETD Sensorsystems 100 eine Bandbreite von mehr als 600 kHz hat. Die analogen Ausgangssignale des rauscharmen Verstärkers 134 werden an eine Differential- Leitungstreiber/Empfängerpaar- Verstärkerstufe 136 gelegt, bestehend aus einem ersten Verstärker 138 und einem zweiten Verstärker 140. Der Verstärkungsfaktor des ersten und des zweiten Verstärkers 138, 140 ist ungefähr 10. Die Verstärkerstufe 136 umfasst weiterhin eine selbstneutralisierende Gegenkopplungsschaltung 142 zur Entfernung von Restspannungen der Verstärker. Die Gesamtverstärkung der Verstärkerkette ist 1000.
Analoge Ausgangssignale von der Verstärkerstufe 136 werden an den Verstärker mit programmierbarer Verstärkung 143 weitergegeben. Der Verstärker 143 wird von dem Computersteuerungssystem 108 gesteuert. Die Ausgangssignale des Verstärkers 143 werden an das AD Wandlersystem 144 geleitet zur Umsetzung der analogen Ausgangssignale in digitale Signale, bevor sie an das Computersteuersystem 108 übertragen werden.
Es ist anzumerken, dass das Computersteuersystem 108 in der Lage ist, die Verstärkerstufe 136 zur Auswahl eines optimalen Verstärkungsfaktors der Verstärkerstufe 136 zu steuern, basierend auf einem Abklingantwortsignal eines bestimmten Objekts. Wenn das Objekt beispielsweise ein Gegenstand mit niedrigem Metallgehalt ist, dann kann der Verstärkungsfaktor der Verstärkerstufe 136 erhöht werden, um das Abkling- Antwortsignal des Objekts ausreichend zu verstärken. Es kann auch in Betracht gezogen werden, einen Time- Gain- Verstärker, wie er normalerweise bei Radar- und Ultraschallsensoren verwendet wird, auch bei dem ETD Sensorsystem 100 einzusetzen, um den Verstärkungsfaktor des Systems 100 weiter zu steigern.
Das Computersteuersystem 108 umfasst eine Rechnereinheit 146, ein Display 148 und eine Tastatur 150 und weitere aus dem Stand der Technik bekannte Peripheriekomponenten. Das Computersteuersystem 108 steuert die Pulswiderholrate, Strom und Tastverhältnis des Sendesystems 102, die Abtastrate des AD Wandlersystems 144 und den Verstärkungsfaktor des Verstärkers. Eine Batterie, wie eine aufladbare Lithiumbatterie, stellt die Energieversorgung für das ETD Sensorsystem 100 dar.
Im Folgenden werden die Sendespule 116 und die Empfängerspulen 124, 128 gemeinsam als Antenne bezeichnet.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann das AD Wandlersystem 144 mit einer Abtastrate von 10 Msamples/sec arbeiten. Bei dieser Abtastrate werden die Daten vorzugsweise während 819,2 μs erfasst, um ungefähr 8192 Datenwerte zu erhalten. Wenn die Anzahl der Abtastungen höher gesetzt wird als bei Verwendung des Computersteuersystems 108, veranlasst die Recheneinheit 146, dass das AD Wandlersystem 144 zusätzliche Daten erfasst, bis die Anzahl der vorgewählten Abtastungen erreicht ist. Für Abtastungen größer als eins speichert die Recheneinheit 146 die Daten in einem eindimensionalen Datenarray, wie einem DRAM, und bildet einen gemittelten Gesamtdatensatz. Wenn die vorgewählte Zahl von Abtastungen über Antenne erreicht ist, werden die gemittelten Daten als Spannungskurve über der Zeit auf dem Display 148 dargestellt, damit sie der Benutzer beurteilen kann. Die Daten werden vorzugsweise in einem Speichermedium zur Übertragung auf einen PC oder eine andere Computereinrichtung zur Analyse und Archivierung gespeichert. Die Daten können mit der Recheneinheit 146 auch in Echtzeit analysiert werden für eine Objektidentifizierung in Echtzeit.
Dementsprechend informiert die Recheneinheit 146 den Benutzer in Echtzeit über die Identität des Objekts.
Zur Verwendung mit dem ETD Sensorsystem 100 nach der vorliegenden Erfindung werden hier zwei Antennen geoffenbart, mit denen Daten zur Messung des Abklingzeitverhaltens von einer Reihe von Metallobjekten in einer typischen Minentiefe (von etwa 15 cm) gemessen werden. Es wird eine kleine Antenne für das Auffinden kleiner Metallobjekte und eine große Antenne für große Metallgegenstände beschrieben. Beides sind induktive Schleifenantennen mit mehreren Windungen für eine ausreichende Empfindlichkeit für Messungen des Abklingzeitverhaltens. Die experimentelle Überprüfung und Analyse der Abklingantworten von vielen mittleren und großen Metallgegenständen bei Verwendung einer der zwei Antennen zeigen, dass die Datenerfassung vorzugsweise wenigstens 10 bis 20 μs nach dem Abschalten des Sendesystems 102 beginnen sollte.
Wenn in einer Induktivität ein Strom abgeschaltet wird, vergeht eine bestimmte Zeit, bis die Ströme auf null abgesunken sind. Große Sendespulen mit vielen Windungen haben eine hohe Induktivität, und wenn der Strom abgeschaltet wird, tendieren ihre langsam abklingenden Ströme dazu, die in den Objekten induzierten abklingenden Ströme zu maskieren. Die Technik nach der vorliegenden Erfindung, die angewendet wird, um die Wirkungen der langsam abklingenden Ströme in der Sendespule 116 zu minimieren, erfordert, dass die erste Empfängerspule 124 über einem unbekannten Metallgegenstand 200 platziert wird. Die zweite Empfängerspule 128 wird über Boden 202 gebracht, der kein Metall enthält. Mit der ersten Empfängerspule 124 werden die Abklingantwort des Metallgegenstands 200, die Abklingantwort des Bodens 202 und die abklingenden Ströme in der Sendespule gemessen. Mit der zweiten Empfängerspule 128 werden die Abklingantwort des Bodens 202 und die abklingenden Ströme in der Sendespule gemessen. Der Differenzverstärker 134 subtrahiert die beiden Spulensignale voneinander und das Ergebnis ist gerade das gewünschte Abklingantwortsignal des Metallgegenstands.
Der Abstand der beiden Empfängerspulen 124, 128 voneinander ist ein wichtiger Entwurfsparameter. Idealerweise sollte der Magnetfluss vom Zielobjekt 200 nur mit der ersten Empfängerspule 124 verknüpft sein, die sich unmittelbar darüber befindet. Die Flussverknüpfung mit der zweiten Empfängerspule 128 sollte vorzugsweise minimiert sein. Für ausgedehntere Objekte (wie repräsentiert von großen Metallminen und UXO Objekten) ist die Trennung der beiden Empfängerspulen 124, 128 wichtig. Wenn die beiden Empfängerspulen 124, 128 und das ausgedehnte Objekt als lose gekoppelter Transformator angesehen werden, ist leicht einzusehen, dass die gegenseitige Induktivität des Objekts und der zweiten Gegengewichts- Empfängerspule 128 minimiert werden sollte. Der einfachste Weg, das zu erreichen, ist der, die beiden Empfängerspulen 124, 128 physikalisch voneinander zu trennen.
Versuche haben gezeigt, dass, wenn die Empfängerspule etwa so groß gemacht wurde wie das größte interessierende Zielobjekt, sollten die zwei Empfängerspulen um wenigstens einen Empfängerspulendurchmesser voneinander entfernt sein. Diese Faustregel wurde während der Entwicklung der ETD Antenne gefunden und schien sich bei ausgedehnten Zielobjekten bis zu einer Tiefe von etwa 20 cm zu bewähren. Zur weiteren Reduzierung des Koppeleffekts hatten nachfolgende Antennen kleinere Empfängerspulendurchmesser und ihr gegenseitiger Abstand war wenigstens zwei oder mehr Empfängerspulendurchmesser.
Mit zunehmendem Abstand Zielobjekt zu Antenne R im Verhältnis zum differentiellen Empfängerspulenabstand D verliert die differentielle Empfängerspulenarordnung ihre Wirksamkeit. Um diesen Effekt zu verstehen, sollte ein einfaches Zielobjekt als Punktquellen- Dipol direkt unter der ersten Empfängerspule 124 in einem Abstand R₁ angenommen werden. Das von der ersten Empfängerspule 124 aufgefangene Signal ist ungefähr proportional zu R₁ ^–3 und das von der zweiten Empfängerspule 128 aufgefangene Signal ist ungefähr proportional zu R₂ ^–3 = (D² + R₁ ²)^–3/2. Mit zunehmendem Abstand zwischen Zielobjekt und Empfängerspulenebene 124, 128 wird R₁ groß im Verhältnis zu D und R₂ nähert sich R₁. Die von beiden Empfängerspulen 124, 128 gesehenen Feldstärken werden nahezu gleich. Dann tendiert die differentielle Anordnung der Empfängerspulen dazu, die von beiden Empfängerspulen 124, 128 aufgefassten Signale auszulöschen.
Die balancierende Empfängerspulentechnik arbeitet gut beim Minimieren des Einflusses der abklingenden Ströme in der Sendespule und bietet zwei zusätzliche Vorteile: Auslöschen des Signals von im Boden induzierten Wirbelströmen und Unterdrückung von Rauschen, das von größerer Entfernung stammt. Bei großen Metallgegenständen ist das Wirbelstromsignal vom Boden keine Ursache von wesentlichen Störungen. Bei abnehmender Objektgröße wird jedoch das Wirbelstromsignal vom Boden wichtiger. Die balancierende Empfängerspulenanordnung nach der vorliegenden Erfindung minimiert die Bodeneinflüsse und macht es möglich, die Antenne in der Nähe von hoch leitfähigen und stark magnetischen Böden zu betreiben. Zusätzlich löscht die balancierende Empfängerspulenanordnung elektrische Störungen, verursacht von in der Nähe betriebenen elektrischen Anlagen, aus. Die Empfängerspulen 124, 128 nehmen zwar elektrische Störsignale auf, diese elektrischen Störsignale fahren den rauscharmen Breitband- Differential- Verstärker 134 aber nicht in die Begrenzung. Durch Gesamtmittelwertbildung kann die Antenne in einer Umgebung mit Störungen aus dem Netz und von Anlagen eingesetzt werden.
3A zeigt die für das ETD Sensorsystem 100 entwickelte Antennenausführung. Die Antenne wird durchgehend mit der Bezugsziffer 200 versehen. Die Empfängerspulen 124, 128 sind einfache induktive Schleifenantennen. Es kann in Betracht gezogen werden, die Empfängerspulen 124, 128 mit anderen Parametern auszustatten, um deren Leistung bei bestimmten Anwendungen zu verbessern. Es kann auch erwogen werden, diese Spulen 124, 128 durch einen oder mehrere bekannte Magnetfeldsensoren (z.B. Magnetoresistoren, Faseroptische Magnetometer, Hall- Effektsensoren oder Fluxgate- Sensoren) zu ersetzen.
Die Tabelle 1 zeigt Messungen zu den Bezugszeichen A bis D von 3A und die Anzahl der Schleifenwindungen für die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Sendespule 116 und der Empfängerspulen 124, 128.
Tabelle 1. Dimensionierung der kleinen und der großen Antenne.
Die Tabelle 2 zeigt die elektrischen Parameter für die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Sendespule 116 und der Empfängerspulen 124, 128 der kleinen und der großen Antenne. F_r ist die Resonanzfrequenz.
Tabelle 2. Gemessene elektrische Parameter für Sendespule und Empfängerspulen.
Die balancierte Empfängerspulenauslegung für kleine Metallgegenstände und Hohlräume lässt sich leicht an Hand der 3B bis 3D erklären. Bei allen drei Darstellungen bedeuten breite, aufwärts gerichtete Pfeile die Wirbelstromantwort des Zielobjekts. Die Länge der Pfeile repräsentiert die relative Amplitude der Antwort. 3B zeigt den Fall, dass es kein Zielobjekt gibt, nur Boden. Wenn man annimmt, dass die Empfängerspulen 124, 128 perfekt balanciert sind und der Boden homogen ist und keine Metallteile enthält, "sehen" die beiden Empfängerspulen 124, 128 die gleiche Wirbelstromantwort des Bodens. Der Differenzverstärker 134 subtrahiert die beiden nominal identischen Signale R₁, R₂ und es gibt kein Ausgangssignal am Verstärker 134. 3C zeigt, was passiert, wenn sich ein Metallgegenstand 202 unter einer Empfängerspule 124 befindet. Die Antwort des Metallgegenstands 202 ist größer als die Bodenantwort, und wenn der Differenzverstärker 134 die beiden Signale R₁, R₂ subtrahiert, gibt es ein positives Ausgangssignal vom Verstärker 134.
3D zeigt die Wirkung eines Hohlraums. Hier bedeutet der Hohlraum 204 das Absinken oder das Fehlen einer Wirbelstromantwort des Bodens unter einer der Empfängerspulen 124, 128. Wenn die Signale R₁, R₂ von den beiden Spulen 124, 128 vom Differenzverstärker 134 voneinander subtrahiert werden, ist das Ausgangssignal des Verstärkers kleiner als null. Die Antwort wird komplexer, wenn ein Hohlraum und ein Metallgegenstand gemeinsam gemessen werden.
Für die Erkennung von Hohlräumen im Boden und von Metallgegenständen ist das Ausgangssignal des Verstärkers 134 die Überlagerung der beiden Signale R₁, R₂, Zusätzlich hängt die Signalantwort sowohl des Metallobjekts als auch des Hohlraums auch von der genauen Ausführung der Antenne und der Ausrichtung zwischen Zielobjekt und Sensor (d.h. auch der Tiefe der Eingrabung) ab. Die Antennenauslegung diktiert die räumliche Verteilung des Magnetfelds und die Tiefe des Zielobjekts bestimmt die Größe der Bodenüberlast.
Zur Bestätigung der Leistung der kleinen und der großen Antenne wurden verschiedene Eichobjekte aus einer einzigen Windung dünnen Kupferdrahts angefertigt. Diese Eichobjekte haben eine Abklingantwort, die sich analytisch aus der Theorie berechnen lässt. Die Abklingantworten der Eichobjekte wurden dann mit den beiden Antennen gemessen und mit der theoretischen Antwort verglichen.
4 zeigt Beispiele von Abklingantworten verschiedener Eichschleifen für die kleine Antenne. Der Durchmesser der Eichschleifen wurde groß gewählt (etwa 8,5 cm), so dass die effektiven Dipolmomente der Schleifen ein hohes Signal-zu-Rauschverhältnis am Empfängersystem 104 ergaben. Zur Umformung der Abklingantwortdaten in eine Gleichung mit einem einzigen Exponenten wurde ein nichtlineares Least-Squares- Verfahren angewendet. 4 zeigt, dass die umgeformten Daten (Abklingparameter) und die berechneten Abklingzeiten bei der kleinen Antenne ab 1,4 μs exakt übereinstimmen. Ähnliche Ergebnisse wurden auch mit der großen Antenne erzielt, aber mit einer um etwa 2 μs reduzierten Antwort. Die Ergebnisse der Zeitkonstanten- Eichung bringen die Sicherheit, dass die Antennen korrekt die Abklingantworten der Zielobjekte messen.
Die Abklingantwort eines Metallgegenstands ist einzigartig, was die Objektidentifizierung und Klassifizierung mittels der Recheneinheit 146 oder einer anderen Computereinrichtung an Hand der mit dem ETD Sensorsystem 100 nach der vorliegenden Erfindung erfassten Daten erlaubt. Eine Möglichkeit, diese Einzigartigkeit der Objektantworten zu zeigen, ist, die Daten graphisch als Funktion der Zeit darzustellen. Die Hauptaufgabe der Darstellung der Daten auf diese Weise ist, die Verschiedenartigkeit der Zielobjektantworten im Vergleich zu Antworten anderer Objekte zu zeigen. Das Abklingzeitverhalten ist ein eingeprägtes Merkmal eines Objekts; wenn es einmal von dem Magnetfeld der Sendespule 116 der Antenne erregt wurde, klingt das Magnetfeld des Zielobjekts gleichmäßig in den Raum ab.
In einigen Darstellungen der 5 bis 11 sind die Amplituden der Abklingdaten bei einem geeigneten Zeitpunkt auf eins normalisiert, um die Unterschiede der relativen Abklingraten der Objekte mit großen Unterschieden bei den absoluten Antwortamplituden klarer zu zeigen. Im Falle der Metallobjekte mit niedrigem Metallgehalt ist die Amplitudeninformation wichtig, um die relative Signalstärke zu zeigen, und in diesen Fällen sind die Daten nicht normalisiert.
Die Objekttests der hier geoffenbarten experimentellen Studien mit dem erfindungsgemäßen ETD Sensorsystem 100 wurden bei den U.S. Army's indoor mine lanes at Ft. Belvoir, Virginia und bei Ft. A. P. Hill, Virginia durchgeführt. Es wurden Daten von einer großen Vielfalt von Metalltestobjekten gesammelt. Die Versuche wurden in Luft unter Verwendung von Stahl- und Nichteisen -Platten und -Ringen von 10 bis 30 cm Durchmesser, gewöhnlichen Schrottobjekten wie Getränke- und Farbdosen, Handwerkszeug, typische Schlachtfeldtrümmer und große Metallminen. Bei den über 100 getesteten Objekten zeigten die Abklingantwortdaten, dass verschiedene Metallgegenstände einzigartige Abklingantwortsignaturen haben.
5 zeigt Beispiele von Abklingantwort- Daten (normalisiert bei 15 μs) von verschiedenen mittleren und großen Metallobjekten, gemessen mit der großen ETD Antenne.
5 zeigt Daten von Objekten, die in der Umgebung von Schlachtfeldern häufig vorkommen: einer Patronenklammer eines M16 Gewehrs, verschiedenen Mörser- und Granatenhülsen, einem nicht definierten großen eisernen Schrottobjekt, einer VS 50 Anti- Personen (AP) Mine und einer U.S. Army GATOR Anti-Panzer (AT) Mine für den Lufteinsatz ohne deren M–S Platten. Die Zielobjekte wurden gemessen in Luft in verschiedenen Abständen und bei verschiedenen Ausrichtungen (vertikal und horizontal) zur Sensorantenne. In allen Fällen war Verarbeitung der Daten zur Unterscheidung der verschiedenen Objekte nicht erforderlich. Eine visuelle Begutachtung der Kurve des Abklingzeitverhaltens war ausreichend für die Bestimmung. Die Signalverarbeitung der Daten sorgt für automatische Objekterkennung (ATR = automatic target recognition) ohne Eingreifen des Benutzers.
Es wurden auch Versuche zur Erforschung der Auswirkungen von verschiedenen Bodentypen auf die Abklingantwort großer Metallobjekte durchgeführt. Im Vergleich zu den in Luft durchgeführten Messungen wurden keine wesentlichen Unterschiede der Abklingantworten von großen Metallobjekten gefunden, die in trockenem Kies-, Sand-, oder Lehmboden vergraben waren. Es wurden jedoch kleine Unterschiede der Abklingantwort bei stark magnetischem Boden gefunden, wie er bei einer der "Indoor Mine lanes" im Ft. Belvoir verwendet wird. Zur Abschätzung der Auswirkung magnetischen Bodens wurden die Abklingantwort- Daten von zwei verschiedenen Metall- AT Minen (TM 46 und FFV 028), ermittelt in trockenem Lehm, mit denen verglichen, die in magnetischem Sand gemessen wurden. Der Vergleich wurde durchgeführt, indem die Abklingkurven über der Zeit parametrisiert wurden, wobei eine einfach exponentielle Kurve über ein Zeitfenster von 300 bis 800 μs gefittet wird. Über diesem Zeitfenster war der Gütefaktor des Fit Parameters x² etwa 10^–3. Die Fit Parameter der Abklingkurven bei den beiden Bodentypen und den zwei verschiedenen Minen differierten um etwa 2 bis 5%.
Ein interessantes Ergebnis dieser Metallminenversuche war, dass Minen mit sehr ähnlichem Aufbau (Material, Größe und Form) messbare Unterschiede ihrer Abklingantworten zeigten. Obwohl diese Unterschiede bei einer Abbildung der Abklingdaten zu sehen sind, können die feinen Abklingmerkmale leichter erkannt werden, wenn der allgemeine Abklingtrend aus den Daten entfernt wird. Dazu wurde die TM46 AT Mine als Bezugsabklingsignal ausgewählt. Nach der Normalisierung aller Objektantworten bei 50 μs wurde die Antwort der TM46 AT Mine von den Antworten der anderen Metallobjekte subtrahiert.
Die Unterschiede der Abklingantworten werden in 6 gezeigt. Der Kurvenverlauf zeigt klar die feinen aber messbaren Unterschiede zwischen großen Metall AT Minen. Die Abbildung zeigt auch eine Störspitze bei 1 ms, verursacht durch Einkopplung des Sendezeitgebersignals in das Empfängersystem 104. Das Problem wurde als Bruch der Masseleitung der Senderkabelabschirmung identifiziert.
7a zeigt die Ergebnisse von Versuchen in magnetischem Sand. Die Tests wurden bei den Ft. Belvoir mine lanes in magnetischem Sand durchgeführt. 7 zeigt die Abklingantworten von vier verschiedenen Testanordnungen: einer ausgedienten Russischen PMN AP Mine ohne Metallgehäuse (11 cm Durchmesser, 5,6 cm Höhe mit etwa 40 g internen Eisen- und Nichteisen- Metallteilen) in Luft, einem Loch im Sand, einer simulierten Plastikmine ohne Metallteile in Sand eingegraben, und der PMN AP Mine, in Sand eingegraben. Die folgenden Messergebnisse wurden erzielt mit über dem Testgebiet zentral ausgerichteter Antenne etwa 5 cm über der Sandoberfläche:

1. Die Abklingantwort der PMN Mine, auf der Oberfläche des magnetischen Sands (in Luft) platziert. Die Abklingantwort beginnt im positiven Bereich und fällt gegen null ab. Die differentielle Empfängerspulenanordnung löscht die Abklingantwort des Sandes aus. Das zeigt die Fähigkeit des erfindungsgemäßen Sensorsystems, in Böden mit stark magnetischen und hoch leitfähigen Eigenschaften zu arbeiten.
2. Ein etwa 12 cm tiefes und 12 cm Durchmesser großes Loch wurde in den magnetischen Sand gegraben. Die Abklingantwort des Lochs wurde gemessen. Wegen der differentiellen Empfängerspulengeometrie der Antenne des ETD Sensorsystems erzeugt das Loch oder der Hohlraum einen Amplitudenverlauf, der entgegengesetzt zu dem von Metall ist (in diesem Fall negativ). Die Zeitskala dieser Antwort ist zu beachten: die Abklingantwort des Sandes verläuft primär im Bereich unter 10 μs. Außerdem ist die Amplitude des Antwortsignals des Lochs ziemlich groß (Maximalamplitude etwa 1,3 V) und verläuft vom Negativen nach null. Das starke Antwortsignal des Sensors war wiederholbar und zeigt, dass der negative Verlauf kein Sensor- oder Hintergrundsubtraktions- Artefakt war.
3. Als nächstes wurde eine simulierte Plastikmine (von ungefähr der Größe einer PMN Mine) in das Loch gelegt und mit etwa 1 cm magnetischem Sand bedeckt. Ihre Abklingantwort wurde gemessen und zeigte eine kleine Verringerung der Amplitude im Vergleich mit der des Lochs allein. Die Abklingantwort der simulierten Plastikmine verläuft ebenfalls von einer negativen Amplitude nach null.
4. Schließlich wurde die PMN Mine im magnetischen Sand vergraben mit der Oberkante der Mine etwa 1 cm unter der Oberfläche. Ihre Abklingantwort lässt sich in zwei Bereiche unterteilen. Im Zeitbereich unmittelbar nach dem Abschalten des Senders, in dem die Abklingantwort des Lochs überwiegt, misst der Sensor das Loch oder den Hohlraum, der durch das relativ große Volumen verdrängten Sands entsteht. Der zweite Zeitbereich (nach etwa 8 μs) wird von der Abklingantwort der Metallteile der Mine dominiert.

Zusätzliche Laborversuche mit simulierten Minen in nassem und trockenem Mutterboden zeigten Ergebnisse, die ähnlich denen waren, wie sie in 7A gezeigt werden, aber mit wesentlich geringerer Signalamplitude: ein Hohlraumsignal mit einer gleichzeitigen Metallsignatur.
Um das Antwortsignal eines Hohlraumes in einem anderen Bodentyp mit einer längeren Abklingzeit zu zeigen, wurde eine große Testbox gebaut und mit Mutterboden gefüllt. Dem Mutterboden wurden mehrere Wochen zum Austrocknen gegeben, bevor die Messungen durchgeführt wurden. Der Mutterboden war offenbar aus verwitterten Magmagesteinspartikeln zusammengesetzt und enthielt Glimmer, Magnetit usw. Der spezifische Widerstand des trockenen Bodens war etwa 400 bis 600 MOhm/cm, gemessen mit Bronzeblechelektroden mit 2,5 cm² Fläche, 2,5 cm voneinander entfernt.
7B zeigt die Abklingzeitkurven von vier Versuchen: (1) ohne Zielobjekt; (2) ein 12 cm im Durchmesser großes Loch im feuchten Boden; (3) eine simulierte AT Mine mit 12 cm Durchmesser ohne Metallteile in feuchtem Boden; und (4) eine simulierte AT Mine mit 12 cm Durchmesser ohne Metallteile in trockenem Boden.
Die Wassermenge, die zum Anfeuchten zum Boden gegeben wurde, war gerade so groß, dass der Boden zusammenklumpte. Während dieser Tests wurde von den Daten kein Hintergrundsignal subtrahiert. Die 3mV Verschiebung (höchstwahrscheinlich die Gleichstrom- Vorspannung des Verstärkers), die in 7B zu sehen ist, ist eine Folge davon, dass das Hintergrundsignal nicht subtrahiert wurde.
7B zeigt eindeutig eine kleine (8mV Spitze), aber erkennbare Hohlraumsignatur von dem Loch und den simulierten Zielobjekten. Die Messung der Antwort des Bodens ohne Zielobjekte zeigt nach etwa 30 μs einen flachen Verlauf. Die Antworten des Hohlraums haben eine Spitze bei etwa 30 μs und klingen langsam in etwa 300 μs auf null ab.
Abgesehen von kleinen Amplitudenunterschieden scheinen die Abklingantworten von trockenen und feuchten Böden fast identisch zu sein. Die Amplitudenunterschiede könnten auf kleine Unterschiede bei der Ausrichtung zwischen Antenne und Zielobjekt bei den verschiedenen Versuchen zurückzuführen sein. Es wird davon ausgegangen, dass die generellen Bodeneigenschaften die Abklingantwort dominieren, und dass die kleine Wassermenge, die zu dem Boden gegeben wurde, das Abklingen der Wirbelströme nicht beeinflusst hat.
Ein Versuch mit vergrabenen AP und AT Minen mit niedrigem Metallgehalt (LMC = low metal content) bei Feldbedingungen wurde auf den Eichstrecken des Pilot-Testgeländes des UXO Leistungszentrums für Prüfungen beim Ft. A. P. Hill, Virginia durchgeführt. Die beiden wichtigsten Ziele dieses Tests waren: 1) Feststellen, ob die Ergebnisse der Laborversuche mit simulierten LMC Minen unter Feldbedingungen mit echten LMC Minen bestätigt werden können, und 2) um Daten von Schrott und von LMC AP und AT Minen zu erfassen und zu vergleichen.
Die oben diskutierten übereinstimmenden Hohlraum/Metall-Ergebnisse wurden während dieser Versuche bestätigt. Als Beispiel zeigt 8 eine Kurvendarstellung einer Abklingantwort eines Holzblocks und von zwei LMC AT Minen (M19 und VS 2.2). Die Zielobjekte wurden in gleichen Bodentypen (sandiger Lehm) vergraben und die Daten wurden mit der kleinen ETD- Antenne in etwa 4 cm Abstand vom Boden erfasst.
In 8 wird in der Kurvendarstellung von jedem Zielobjekt eindeutig ein Hohlraum- Signal ersichtlich. Es ist jedoch ein kleines, aber erkennbares Metallsignal nachweisbar in den Signalen von den M19 und VS 2.2 AT Minen auf Grund ihrer Metallbestandteile. Die Hohlraumantwort des hölzernen Objektes klingt nach null ab und zeigt nie eine Metallsignatur (positive Spannung). Dieser Ergebnisse scheinen die früheren Versuchsergebnisse mit der PMN Mine im magnetischen Sand zu bestätigen und zeigen, dass bei bestimmten Bodenbedingungen und bei einigen Minentypen eine Mine mit nichtmetallischem Gehäuse und mit Metallteilen potenziell identifiziert werden kann durch ihre Hohlraum- und gleichzeitige Metallsignatur.
9 zeigt eine doppelt logarithmische Darstellung der Abklingdaten von vier AP Minen und einem eisernen Schrottobjekt, gemessen mit der kleinen ETD- Antenne in etwa 4 cm Abstand vom Boden. Die Tabelle 3 listet die Parameter der Zielobjekte, die Eingrabtiefen und die berechneten Werte für die Abklingzeitkonstanten, ermittelt durch Fit mit einem einzigen Exponenten an den Daten im Zeitfenster von 7 bis 50 μs auf.
Tabelle 3 Objektparameter, Eingrabtiefen und Näherungswerte der Abklingkonstanten.
Die Kurvenverläufe in 9 zeigen, dass die M14 und PMA3 AP Minen verschiedene mit der Zeit abklingende Antwortkurven haben. Es ist auch festzustellen, dass die M14 und PMA3 einen kleinen Hohlraumeffekt im Zeitabschnitt zwischen 3 und 4 μs zu haben scheinen, wo die Antwortkurven in Richtung negativer Amplitude absinken. Die VS-50 AP Mine ist leicht aufzufinden wegen ihrer stählernen 18 g Sprengwirkungsscheibe. Die Stahlscheibe wird verwendet zu Erhöhung der todbringenden Wirkung auf Kosten der Erkennbarkeit. Die VS-50 (mit berechneter Zeitkonstante von 6,5 μs) und der 16 g eisenhaltige Schrott (mit berechneter Zeitkonstante von 5,8 μs) weisen sehr ähnliche Abklingkurven auf, was das Unterscheiden aufgrund dieses Parameters allein schwierig macht. Die TS-50 AP Mine hat ein Antwortsignal mit verhältnismäßig großer Amplitude, das aber sehr schnell abklingt (mit angenäherter Zeitkonstante von 3,2 μs). Wegen der kurzen Abklingzeit ist es schwierig, diesen Minentyp mit konventionellen EMI Metalldetektoren zu erkennen.
In 10 wird die Abklingantwort der M14 AP Mine genauer untersucht. 10 vergleicht die Abklingkurven einer M14 in Luft und in der Erde vergraben mit den Antworten von zwei kleinen, stählernen Metallschrottobjekten. Die Daten wurden mit der kleinen ETD Antenne in 4 cm Bodenabstand gemessen. Das auffälligste bemerkenswerte Merkmal ist, dass die Abklingkurven der M14 in Luft und vergraben während der frühen Phase der Abklingkurve recht unähnlich sind. Die Abklingkurven in Luft und vergraben scheinen sich in der späten Phase (nach etwa 20 μs) zu vereinigen. Es wird angenommen, dass die Unterschiede der frühen Antwort auf den Hohlraumeffekt zurückzuführen ist, den die M14 im Boden erzeugt. In der späten Antwortphase ist die Bodenantwort auf einen kleinen Wert abgeklungen und hat minimalen Einfluss auf den verbleibenden Verlauf der Abklingantwort der M14.
10 vergleicht die M14 auch mit zwei kleinen eisenmetallischen Schrottobjekten mit Metallgewichtsanteilen ähnlich dem Metallanteil der M14. Die Schrottobjekte sind nackte Metallteile unterschiedlicher Form, die während der Vorbereitung des Testgeländes gefunden und in bekannter Tiefe wieder im Boden platziert wurden. Die erste bemerkenswerte in 10 gezeigte Tatsache ist, dass die eisenmetallhaltigen Schrottobjekte im Vergleich zu einer M14 Mine sehr verschiedene Abklingkurven haben. Das war zu erwarten, weil die M14 Mine, wie die meisten LMC Minen, kleine Mengen von sowohl eisenmetallischen (z.B. Zündnadel) und nichteisenmetallischen (z.B. Zündnadelträgerschale) Bestandteilen verwenden. Es fällt auch auf, dass, obwohl die beiden eisenmetallischen Schrottobjekte etwa das gleiche Metallgewicht haben, unterschiedliches Abklingverhalten aufweisen. Ein drittes bemerkenswertes Detail ist, dass die Metallteile keine Hohlraumantwort zeigen im Vergleich zu der vergrabenen M14 AP Mine (d.h. die Einsenkung der Spannungskurve bei etwa 3 – 4 μs).
11 vergleicht die kleine und die große ETD Antenne über der gleichen vergrabenen PMA3 AP Mine. Die Daten wurden bei 15 μs normalisiert, um zu zeigen, dass die beiden Antennen im Gebiet nach 15 μs die gleiche Abklingkurve messen. Die beiden Antennen ergeben aber unterschiedliche Kurvenverläufe im Zeitbereich zwischen etwa 5 und 10 μs. Die Unterschiede sind möglicherweise darauf zurückzuführen, wie die beiden Antennen auf den Hohlraumeffekt reagieren oder auf ein Artefakt des niedrigeren Frequenzgangs der großen Antenne im Vergleich zur kleinen Antenne.
Eine andere mögliche Erklärung kann auf die Größenverhältnisse der beiden Sendespulen zueinander zurückzuführen sein. Wir stellen fest, dass die große Sendespule im Vergleich zur kleinen Sendespule ein viel größeres Volumen des Bodens erregt. Der sich ergebende Wirbelstrom im Boden verursacht ein größeres Ungleichgewicht in den beiden Empfängerspulen der großen Antenne im Vergleich zur kleinen Antenne. Die große Antenne erkennt möglicherweise den Hohlraum exakter, vielleicht deshalb, weil von der großen Sendespule ein größeres Bodenvolumen erregt wird.
Die 5 bis 11 zeigen eindeutig, dass das Zeitebenen-ETD- Sensorsystem 100 nach der vorliegenden Erfindung genügend Bandbreite und Empfindlichkeit aufweist, um das Abklingzeitverhalten großer Metallobjekte und von LMC AP und AT Landminen, die in üblichen Tiefen vergraben sind, zu messen. Das Abklingzeitverhalten von Objekten mit einem Metallanteil von über 3000 g bis weniger als 1 g wurde gezeigt. Das ETD Sensorsystem 100 demonstrierte die Fähigkeit, das Abklingzeitverhalten von Metallobjekten, beginnend etwa 3 bis 5 μs nachdem der Senderstrom abgeschaltet wurde, zu messen, sowie kurze Objektzeitkonstanten von nur 1,4 μs.
Labor- und Feldversuche zeigten, dass Minen mit mittlerem und großem Metallanteil ein unverwechselbares Abklingzeitverhalten haben, was erlaubt, sie von einer großen Vielfalt von typischen Metallteilen in verschiedenen Bodentypen zu unterscheiden. Wie 6 zeigt, haben große Metallobjekte viele komplexe Strukturmerkmale, die sich in verschiedenen Abklingkurven manifestieren. Es scheint, dass wenigstens bei nichtmagnetischen Böden die Bodenantwort nur geringen Einfluss auf den EMI Sensor hat. Bei mittleren und großen Metallobjekten scheinen stark magnetische Böden einen geringen Einfluss auf die Objektantwort zu haben (weniger als 5%). Ein Thema, das in den 7 und 10 beleuchtet wird, ist die Tatsache, dass das Abklingzeitverhalten einer Mine durch die Bodenantwort verändert wird. Der gemessene Kurvenverlauf ist eine Überlagerung der Abklingantwort der Metallteile des Objekts und der Bodenantwort. Der Vergleich der kleinen mit der großen Antenne in 11 zeigt, dass diese Überlagerung der Verläufe von der Antennenanordnung abhängt.
Zusätzlich kann, weil in den meisten Fällen die Bodeneffekte nicht im Voraus bekannt sind, der Abklingcharakter einer LMC Mine von der unbekannten Bodenantwort maskiert sein. Die Wirkung des Bodeneffekts auf die Abklingantwort einer LMC Mine macht es schwierig, eine robuste und universelle Bibliothek von Objektsignaturen für LMC Minen zu erstellen.
Wie jedoch oben diskutiert, hat das ETD Sensorsystem 100 der vorliegenden Erfindung die Fähigkeit, sowohl die Metall-, als auch die Hohlraumsignatur von LMC Minen in einigen Bodentypen zu messen. Die Existenz von gleichzeitig auftretendem Hohlraum- und Metallsignal ermöglichte die Entwicklung eines robusten LMC Minen Klassifizierungs/Erkennungsschemas. D. h. die Abkling-Kennwerte von Hohlräumen für verschiedene bekannte LMC Minen und Objekten in bekannten Böden, z. B. magnetischen und nichtmagnetischen Böden, sind in der Objektsignaturen- Bibliothek gespeichert. Diese Kennwerte werden dann verwendet, um LMC Minen und Objekte zu identifizieren, somit wird die Objektsignaturen- Bibliothek eine universelle Bibliothek von Objektsignaturen von LMC Minen.
Wie weiter unten in Bezug auf 12 erläutert wird, hat das ETD Sensorsystem 100 der vorliegenden Erfindung die Fähigkeit, Daten zu erfassen für die Entwicklung einer robusten universellen Bibliothek von Objektsignaturen für Minen mit niedrigem und mittlerem Metallgehalt, wie auch für Hohlräume im Untergrund. Die Bibliothek wird angewendet, um die Abklingantwort eines Objekts mit niedrigem, mittlerem oder hohem Metallanteil (oder die Abklingantwort eines Hohlraums) mit den Einträgen in der Objektsignaturen- Bibliothek zu vergleichen.
Durch die Verwendung der Bibliothek wird eine Objektsignatur ermittelt, die dem Verlauf einer Objektantwort eines Metallobjekts mit niedrigerem, mittlerem, oder hohem Metallanteil (oder der Abklingantwort eines Hohlraums) annähernd entspricht. Es wird dann festgestellt, dass das Objekt mit niedrigerem, mittlerem oder hohem Metallgehalt vorwiegend oder vollständig aus dem Metall besteht, das der ermittelten Abklingantwort entspricht. Die Objekte mit niedrigerem, mittlerem bis hohem Metallanteil können auch durch die Verwendung der Bibliothek identifiziert werden. Darüber hinaus können auch die Kennwerte eines gefundenen Hohlraums ebenfalls durch die Verwendung der Bibliothek identifiziert werden.
Im Flussdiagramm von 12 wird ein Algorithmus für die Erfassung von Daten bei der Verwendung des ETD Sensorsystems 100 nach der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das ETD Sensorsystem 100 wird als konventioneller Metall- /Hohlraum-Detektor im Suchmodus (einer Betriebsart mit kleiner Leistung) betrieben, wenn Minen oder andere verborgene/vergrabene Objekte gesucht werden (siehe 14A). Während des Suchmodus sind die Betriebsparameter des ETD Sensorsystems auf vorbestimmte Werte festgelegt.
Wenn ein interessantes Objekt gefunden worden ist, wird der Benutzer über die Benutzerschnittstelle, d. h. das Display 148 des Computersteuersystems 108 informiert, und das ETD Sensorsystem 100 wird in den Objektidentifizierungsmodus umgeschaltet (siehe 14B). Bei dieser Betriebsart sind die ETD Sensorsystembetriebsparameter für Objekterkennung/Klassifizierung optimiert. Im Identifizierungsmodus wird auch das Computersteuersystem 108 betrieben, um das Abklingantwortsignal des interessanten Objekts zu analysieren. Das System 100 wird entweder automatisch oder manuell in den Identifizierungsmodus umgeschaltet.
Grob gesagt umfasst der Algorithmus für die Datenerfassung fünf Schritte: Setzen der Datenerfassungsparameter der Antenne (d. h. der Sendepulsrate (TPR), des Datenerfassungsfensters (DSW = data sample window), der Abtastrate des Digitalisierers (DSR = digitizer sample rate) usw.); Umschalten auf einen Identifizierungsmodus, wenn die Antenne über einem unbekannten Objekt angeordnet worden ist; Durchführen der Datenerfassung; Speichern der Daten in einem Speichemedium; und Wiederholung der ganzen Prozedur und Erfassen der Hintergrundwerte. Die Erfassung der Hintergrundwerte geschieht über einem Gebiet in der Nähe, von dem bekannt ist, dass es keine Metallobjekte enthält.
Während der Datenanalyse werden die Hintergrunddaten von den Objektdaten subtrahiert. Dieses Verfahren entfernt jede mögliche Drift von Verstärker-Restspannungen und etwaige abklingende Restströme von der Sendespule 116, die in die Empfängerspulen 124, 128 eingekoppelt werden. Für mittlere und große Objekte ergibt die Subtraktion der Hintergrunddaten minimale Unterschiede in den Abklingantwortkurven, weil die Antennendrift und die Restströme in der Sendespule 116 um Größenordnungen unter der abklingenden Objektantwort- Spannung liegen. Bei kleinen Objekten jedoch verbessert das Verfahren der Hintergrunddatensubtraktion die Qualität der Daten bei Abklingzeiten nahe dem Abschaltzeitpunkt des Senders erheblich.
Nochmals in Bezug auf 12 werden, wenn eine Vielzahl von Datensätzen erfasst worden sind, diese Datensätze mittels eines Klassifizierungs- Algorithmus analysiert, einschließlich eines Hohlraumerkennungsalgorithmus für die Erkennung von Objekten mit niedrigem Metallanteil, um die charakteristischen Merkmale der Objektantworten zu ermitteln und/oder um Hohlräume zu erkennen. Die ermittelten Kenndaten werden dann mit den Objektsignaturen in der Bibliothek verglichen, die eine Datenbasis für verschiedene Abklingantworten und Hohlraumkennwerte aufweist. Die in der Bibliothek gespeicherten Merkmale, die den ermittelten Kenndaten entsprechen, werden gekennzeichnet und verwendet, um den Typ des Metallobjekts zu identifizieren.
Im Folgenden wird der Datenerfassungsalgorithmus näher beschrieben.
Die Daten, die in diesem Bericht vorgestellt werden und die wissenschaftliche Literatur haben gezeigt, dass Objektabklingantworten (d.h. Signaturen) einen weiten dynamischen Bereich umfassen, sowohl bei der Signalamplitude als auch bei der Abklingzeit. Die Bereiche der Amplituden und Zeiten umfassen viele Größenordnungen. Im Allgemeinen hat ein kleines Metallobjekt ein Signal mit kleiner Amplitude und kurzer Abklingzeit. Zur Objektidentifizierung muss die Objektsignatur über einen weiten Bereich von Amplituden und Zeiten gemessen werden, der für das bestimmte Objekt geeignet ist.
Dieser breite Bereich von Signaturen kann nicht optimal mit einem Sensor mit festen Betriebsparametern gemessen werden. Eine Antenne oder ein Sensor mit festen Betriebsparametern, der für kleine Objekte ausgelegt ist, übersteuert seinen Verstärker, wenn ein großes Objekt gefunden wird. Ein übersteuerter Verstärker gibt keine Abklinginformation aus, und deswegen kann ein Objekt weder identifiziert noch klassifiziert werden. Ähnlich wird, wenn die Antenne bei hoher Wiederholrate betrieben wird, so dass die Suche nach Gegenständen schnell durchgeführt werden kann, beim Erkennen eines großen Metallobjekts die Abklingzeit des großen Metallobjekts größer sein als das durch die Wiederholrate diktierte Zeitintervall. So arbeiten beispielsweise konventionelle Metalldetektoren mit typischen Wiederholraten von 1000 Zyklen pro Sekunde (Hz). Wenn man zur Anschauung eine Rechteckwelle oder eine Rampe mit einem Tastverhältnis von 50% annimmt, ergibt das ein Zeitintervall für den Abklingvorgang der Objekte von 500 μs.
Die Daten in 5 zeigen eindeutig, dass die Abklingzeit bei einer großen Anzahl von Metallobjekten länger ist als 500 μs. Signale von großen Landminen und noch größere UXO (z.B. 500 Pfund Bomben) können für viele Millisekunden andauern. Die Forschung zur genauen Objektklassifizierung hat ergeben, dass je breiter der Bereich der Messung der Abklingkurven eines Objekts ist, desto besser ist die Leistung des Klassifizierungsalgorithmus (höhere Wahrscheinlichkeit einer korrekten Klassifizierung). Bei Anwendung des gleichen Metalldetektorbeispiels auf die Klassifizierung kleiner Metallobjekte stellen wir fest, dass kleine Objekte im Bereich von kleinen Plastiklandminen mit niedrigem Metallgehalt Abklingsignaturen haben, die nur für etwa 100 μs andauern (z.B. M14 und PMA3 Antipersonen Minen). Wenn man dann einen Sensor verwendet, der für 500 μs Daten erfasst, wenn gar kein Signal vorliegt, ist das eine Verschwendung von Sensorressourcen (z.B. Energie) und es verlangsamt die Suchgeschwindigkeit.
Wie oben gezeigt, müssen die ETD Sensorsystemparameter für beste ETD Sensorleistung auf den zu erkennenden Objekttyp abgeglichen werden. Große und kleine Objekte erfordern verschiedene ETD Sensorsystembetriebsparameter. Der in 12 gezeigte Algorithmus zeigt das generelle Vorgehen. Im Suchmodus werden die ETD Sensorsystembetriebsparameter auf Maximum gesetzt, um die Wahrscheinlichkeit der Erkennung zu erhöhen: höchste Verstärkung (typischer Wert 10 000); Sendepulsrate (TPR) (typischer Wert: 10 kHz); Datenabtastrate (DSR) (AD Wandler- Abtastrate), typischer Wert 10 Msamples/s) und Datenfenster (DSW) (typischer Wert: 50 μs).
Sobald ein Objekt erkannt ist, wird der Identifizierungsmodus ausgewählt. Der Benutzer platziert den Sensor über dem unbekannten Objekt. Die genaue Lokalisierung der Antenne über dem Objekt ist bei dem in der Zeitebene messenden Sensor nach der vorliegenden Erfindung nicht kritisch. Die Benutzer wählen konventionelle Verfahren zur Lokalisierung von Objekten, um das Signal von dem unbekannten Objekt mit der höchsten Feldstärke zu finden und platzieren das Zentrum der ersten Empfängerspule 124 über dieser Stelle. Die zweite Empfängerspule 128 wird über einem Gebiet gehalten, das kein Signal aufweist. Per Computer werden die ETD Sensorsystembetriebsparameter eingestellt: TPR auf 5 kHz und DSW auf 100 μs. Es wird dann ein Datensatz erfasst und auf Verstärkerübersteuerung überprüft.
Falls das Signal gekappt ist, wird die Verstärkung des programmierbaren Verstärkers 143 und/oder der Sendestrom reduziert und ein weiterer Datensatz erfasst und überprüft. Das wird fortgeführt, bis die Verstärkung des programmierbaren Verstärkers 143 oder der Sendestrom so eingestellt sind, dass durch das Objektsignal keine Übersteuerung mehr stattfindet.
Wenn keine Übersteuerung festgestellt wird, wird der nächste Schritt durchgeführt. Das Abklingantwortsignal des Objekts wird ausgewertet, um die Abklingzeitkonstante (TC) zu ermitteln. Der ermittelte angenäherte Wert wird verwendet, um die zeitlichen Parameter des Sensors abzustimmen, beispielsweise TPR, Tastverhältnis, DSW und DSR. Im Allgemeinen gibt ein Objekt mit einer exponentiellen Zeitkonstante TC nach etwa 5 Zeitkonstanten kein Signal mehr ab. Deshalb können die zeitlichen Sensorparameter so eingestellt werden, dass DSW die Spanne von 5 * TC abdeckt.
TPR, Tastverhältnis und DSR werden dann so eingestellt, dass sie mit dem DSW kompatibel sind. Wenn man annimmt, dass der Sensor mit 50% Tastverhältnis arbeitet, können DSW und TPR ausgedrückt werden als: DSW = 5 * TC und TPR = 2 * DSW.
Die Untersuchungen haben gezeigt, dass, wenn etwa 1000 Datenpunkte im DSW erfasst werden, eine gute Signaltreue ergeben (eine höhere Zahl erfasster Daten erlaubt dem Sensor eine bessere Mittelwertbildung). Deshalb kann die DSR des AD Wandlers 144 geschrieben werden: DSR = [DSW * 1000]^–1 samples/s. Die obige Berechnung von TPR, DSW und DSR aufgrund der ermittelten Abklingzeitkonstante des Objekts könnte so für ein hoch flexibles ETD Sensorsystem 100 implementiert werden. Es ist jedoch manchmal effektiver und verringert die Komplexität des ETD Sensorsystems 100, wenn man die oben erwähnten ETD Sensorsystemparameter aus vorbestimmten ETD Sensorsystemparametern auswählt. Deshalb wird, wenn ein DSW mit 80 μs als guter Wert gefunden wird, das ETD Sensorsystem 100 tatsächlich auf 100 μs DSW gesetzt. Wenn ein DSW mit 180 μs als guter Wert gefunden wird, wird das ETD Sensorsystem 100 tatsächlich auf 200 μs DSW gesetzt.
Wir haben gefunden, dass die minimale DSW typisch 100 μs ist, und, dass DSW Sprünge in Oktaven ein vernünftiger Kompromiss für Sensorkosten und Komplexität sind. Deshalb wird bei der Berechnung des DSW der Wert benutzt, um einen Satz von vorbestimmten ETD Sensorsystembetriebsparametern auszuwählen. Die Verwendung vorbestimmter ETD Sensorsystembetriebsparameter ist auch erforderlich für die Zusammenstellung der Bibliothek bekannter Objekte. Die Abklingdaten von bekannten interessanten Objekten (d.h. Minen und UXO) werden mit diesen vorbestimmten ETD Sensorsystembetriebsparametern gemessen.
Wenn die ETD Sensorsystembetriebsparameter auf die Objektabklingparameter abgeglichen sind, veranlasst der in
12 gezeigte erfindungsgemäße Algorithmus, dass der Datenerfassungsprozess eine Vielzahl von Datensätzen erfasst und einer Mittelwertbildung unterzieht, um ein Signal mit hohem Signal-zu- Rausch- Verhältnis (SNR) zu erhalten, d.h. einen gemittelten Datensatz für das Objekt.
Normalerweise hängt die Anzahl der Datensätze, über die gemittelt wird, vom Signalpegel ab. Bei Signalen mit niedrigem Pegel (d.h. bei solchen, bei denen der Sensor mit hoher Verstärkung und hohem Sendestrom arbeitet) ist eine hohe Zahl von Mittelwertbildungen erforderlich. Das kann typisch bis zu 1000 auszumittelnde Datensätze umfassen. Bei starken Objektsignalen, solchen mit niedriger Verstärkung und niedrigem Sendestrom kann die Anzahl der Abtastwerte niedrig sein. Das sind typischerweise 1 bis 10 Datensätze.
Bei Anwendung der Verstärkungs- und Sendeeinstellungen kann eine Nachschlagtabelle erzeugt werden, aus der die Anzahl der Datensätze zur Mittelwertbildung zu entnehmen sind. Ein anderes Verfahren zur Ermittlung der Anzahl der auszumittelnden Datensätze würde einen Algorithmus erfordern, der dynamisch den Rauschanteil im Abklingsignal berechnet. Wenn der Rauschpegel ein Plateau erreicht, brauchen keine weiteren Datensätze erfasst zu werden.
Somit wurden die Objektdaten mit vorgeschlagenen optimierten ETD Sensorsystembetriebsparametern erfasst. Der Benutzer wird über die Benutzerschnittstelle aufgefordert, die Antenne über ein das Objektgebiet angrenzendes Nachbargebiet zu bringen und Hintergrunddatensätze zu erfassen. Diese Datensätze werden mit den gleichen ETD Sensorsystembetriebsparametern gemessen wie die des Objekts. Die Hintergrunddatensätze werden dann ausgemittelt, um ein SNR Signal, d.h. ein gemitteltes Hintergrundsignal, zu erhalten. Die gemittelten Objekt- und Hintergrunddatensätze werden dann subtrahiert und das Ergebnis der Signalverarbeitungs- und Klassifizierungsalgorithmus- Unterroutine und der Objektantwort- Sortierunterroutine zur Verfügung gestellt.
Die Signalverarbeitung umfasst Filterung und Normalisierung. Das Signal wird mit dem geeigneten Filtertyp und -Parametern, basierend auf den ETD Sensorsystembetriebsparametern, gefiltert. Wenn beispielsweise die Daten mit einer hohen DSR erfasst worden sind, benutzen die Filter Parameter, die die hohe Bandbreite des Signals erhalten. Wenn die Daten mit einer niedrigen DSR erfasst worden sind, benutzen die Filter Parameter, die hochfrequente Rauschkomponenten entfernen. Ein Fachmann kann leicht das geeignete Filterschema auf Basis der ETD Sensorerfassungsparameter entwerfen und implementieren.
Die Normalisierung der Objektantworten geschieht nach der Filterung. Das Abklingverhalten eines Objekts ist ein unveränderliches Merkmal des Objekts; nach der Erregung durch den magnetischen Impuls von der Sendespule 116 der Antenne klingt das Magnetfeld des Objekts gleichmäßig im Raum ab. Die Amplitude der Antwort eines unbekannten Objekts hängt von der Ausrichtung und Tiefe ab.
Weil die Lage eines unbekannten Objekts in der Tiefe generell unbekannt ist, kann die absolute Amplitude der Objektantwort allein nicht für die Objektklassifizierung verwendet werden. Das zeitliche Abklingverhalten der Objektantwort und nicht die absolute Amplitude bestimmen den Prozess der Objektklassifizierung. Zur Erleichterung des Objektklassifizierungsprozesses und um den Vergleich der Antwort des unbekannten Objekts mit einer Bibliothek bekannter Objektantworten zu ermöglichen, werden die Abklingantwortamplituden an einem geeigneten Zeitpunkt auf 1 normalisiert. Der Normalisierungszeitpunkt wird aufgrund des DSW Parameters gewählt. Bei einem DSW von 100 μs würde die Amplitude eines Signals von einem unbekannten Objekt bei 10 μs auf eins normalisiert.
Bei der Klassifizierung eines Objekts wird ein konventioneller Match- Filteralgorithmus oder ein vergleichbarer Klassifizierungsalgorithmus verwendet, wie einer, der auf der Bayesschen Statistischen Entscheidungstheorie und der absoluten Amplitude des Antwortsignals des Objekts beruht. Ein Fachmann kann leicht den Klassifizierungsalgorithmus unter Verwendung der normalisierten Objektantworten und der Amplitudendaten, die von dem erfindungsgemäßen Algorithmus zur Verfügung gestellt werden, implementieren.
Die normalisierte Abklingkurve des Objekts und die absolute Amplitude werden mit den Einträgen der Bibliothek bekannter interessanter Objekte verglichen. Die Bibliothek enthält vorzugsweise Objekte, von denen eine Gefahr ausgeht, wie Minen oder UXO und/oder häufig vorkommende Schrottobjekte wie Dosen, Nägel, Schrauben usw. Es wird vorausgesetzt, dass die ETD Sensorsystembetriebsparameter, die zur Erfassung der Antwortdaten von unbekannten Objekten verwendet werden, mit den Parametern zur Erfassung der Objektdatensammlung übereinstimmen müssen.
Zusätzlich zur Abklingantwort- Klassifizierung aufgrund von Signalen von Metallteilen kann die Klassifiziereinrichtung auch nach Hohlraumsignaturen suchen. Diese Signaturen sind negativ im Vergleich zu Metallsignaturen und somit sucht der Algorithmus nach Signalanteilen in der Objektantwort, die unter null Volt gehen. Wenn in der gleichen Objektantwort sowohl eine Hohlraumsignatur als auch eine Metallsignatur gefunden wird, ist die Wahrscheinlichkeit, dass es sich um eine Mine mit geringem Metallanteil handelt, sehr hoch.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben experimentell gefunden, dass es einige Fälle gibt, bei denen die normalisierte Antwort eines unbekannten Objekts einem interessanten Objekt entspricht, aber nicht das gesuchte Objekt ist. Das trifft insbesondere bei sehr kleinen Objekten zu. In diesen Fällen kann die absolute Amplitude der Objektantwort helfen, das Objekt zu klassifizieren. So hat beispielsweise ein bedrohliches Objekt, wie eine Plastikmine mit niedrigem Metallgehalt, einen Bereich von Eingrabtiefen. Deshalb gibt es einen minimalen und maximalen Sensor-zu-Objekt- Abstand. Dieser definiert einen minimalen und einen maximalen Amplitudenbereich, den eine Objektantwort haben kann.
Es wird ein Fall angenommen, bei dem das unbekannte Objekt eine Abklingantwort hat, die statistisch identisch ist mit einer bekannten Mine. Die absolute Amplitude des unbekannten Objekts hat jedoch einen Spannungspegel, der größer ist als der Spannungspegel der Mine bei dem minimalen Sensor-zu-Objekt- Abstand. Somit kann das unbekannte Objekt keine Mine sein, weil eines der einzigartigen Merkmale der Mine ihre maximale Signalantwort des ETD Sensorsystems 100 ist (basierend auf ETD Sensorsystembetriebsparametern). Das gleiche Vorgehen wird angewandt, wenn der Signalpegel von dem unbekannten Objekt unter den Minimalsignalpegel eines bekannten bedrohlichen Objekts fällt.
Die Objektklassifizierung wird auf der Benutzerschnittstelle angezeigt. Die Klassifizierung kann die Form von bedrohlich/nicht bedrohlich oder einer exakten Objektidentifizierung annehmen. Dem Klassifizierungsprozess ist auch ein Vertrauensbereich zugeordnet und der Benutzer trifft eine Entscheidung zum Bedrohungspotential und bezüglich der zu treffenden Maßnahmen.
Die Bibliothek der Objektsignaturen (der Abklingantworten) ist eine Datenbank, die normalisierte Abklingkurven von interessanten Objekten enthält. Interessante Objekte umfassen Gegenstände, von denen eine Gefahr ausgeht, wie Minen oder UXO und häufig vorkommende Schrottobjekte wie Coladosen und gewöhnlichen Schlachtfeldschrott (z.B. Patronen- und Granatenhülsen). Zusammen mit den Abklingsignaturen und ETD Sensorsystembetriebsparametern werden Amplitudenbereichsdaten gespeichert. Die Bibliothek könnte so eingerichtet sein, dass die Datenbank im Feld aktualisierbar ist, so dass neue bedrohliche oder nicht bedrohliche Objekte hinzugefügt werden können. Es ist zu erwägen, die Datenbank in Echtzeit zu aktualisieren.
Das Unterprogramm zum Sortieren der Objektantworten sortiert die Objektantworten nach Antworttypen. Dieser zusätzliche Datenerfassungsschritt erweitert ausgewählte Abschnitte der Abklingkurve, um schwierige Objektsignaturen aufzulösen.
Wenn festgestellt wurde, dass das Objekt klein ist, d.h. eine hohe Objekt- Abklingzeitkonstante hat, verzweigt der Algorithmus zu dem Unterprogramm zur Hohlraum/Metallerkennung. Wenn festgestellt wird, dass das Objekt ein mittleres oder großes Objekt, d.h. ein Objekt mit niedriger Objekt-Abklingzeitkonstante ist, verzweigt der Algorithmus zu dem Unterprogramm zur Datenerfassung für mittlere/große Objekte.
Der erfindungsgemäße Algorithmus sucht nach zwei Signalen, die nichtkompatible ETD Sensorsystembetriebsparameter haben: ein Hohlraumsignal, das gewöhnlich eine große Bandbreite erfordert und ein Signal von einem kleinen Metallteil, das bei einer niedrigeren Bandbreite eine hohe Empfindlichkeit benötigt. Dieses Datenerfassungsprogramm umfasst auch die Hintergrundmessungen und die Subtraktion des Hintergrundsignals.
Kleine Amplitude und eine kurze Abklingzeitkonstante eines Objekts sind typisch für Landminen mit niedrigem Metallgehalt und verdienen besondere Aufmerksamkeit. Weil der erfindungsgemäße Sensor Hohlräume erkennen kann (abhängig vom Bodentyp) und gleichzeitig auftretende Metallsignatur von einer Landmine mit niedrigem Metallgehalt, werden die ETD Sensorsystembetriebsparameter für Hohlraumerkennung und Detektion von kleinen Metallsignalen mit niedrigem SNR optimiert.
Das folgende Verfahren ist auch bei Metallsignalen mit hohem Signal/Rauschabstand mit gleichzeitigen Hohlraumsignalen anwendbar, aber der typischste Fall ist der eines Hohlraumsignals mit einem Metallsignal mit niedrigem Rauschabstand. Die Erkennung von Hohlräumen in schnell abklingenden Objektsignalen geschieht gewöhnlich im Zeitbereich von weniger als 10 μs.
Wie in 8 dargestellt, zeigen ein Hohlraumsignal (negative Spannung) kurz nach dem Abschalten des Senders und ein Metallsignal (positive Spannung) später in der Abklingkurve an, dass eine Mine mit niedrigem Metallgehalt vorliegt. Der Algorithmus nach der vorliegenden Erfindung ist so eingerichtet, dass er nach negativen Signalen im Antwortsignal des Objekts sucht.
Als erstes werden die ETD Sensorsystem- Betriebsparameter geändert, um die kurze Abklingzeit des Hohlraums wiederzugeben. Das ETD Sensorsystem 100 ist für das Hohlraumsignal optimiert und es wird eine Hohlraumsignal-Messung durchgeführt und die Daten werden auf die Anwesenheit eines Hohlraums untersucht. In Böden mit niedriger Leitfähigkeit erfordert die Erkennung von Hohlräumen hohe Bandbreite und die Fähigkeit des ETD Sensorsystems 100, sehr nahe an der Abschaltzeit des Senders zu arbeiten, weil dies der Zeitbereich ist, in dem das Hohlraumsignal dominiert. Weil der Erkennungsprozess an Daten interessiert ist aus dem Zeitbereich unmittelbar nach dem Abschalten des Senders, erniedrigt der erfindungsgemäße Algorithmus den DSW Parameter auf etwa 30 μs. Der TPR Parameter wird entsprechend dem neuen DSW erhöht. Weil dadurch bei einer sehr hohen TPR gearbeitet wird, können viele Datensätze in einer sehr kurzen Zeit gemittelt werden, um das Signal/Rauschverhältnis zu erhöhen.
Um Abklingverhalten nahe dem Zeitpunkt des Abschaltens des Senders zu messen, wird der Sendestrom oder die Anzahl der Senderspulenwindungen oder der Empfängerspulenwindungen reduziert. Das Erstere wird erreicht, indem das Computersteuersystem 108 veranlasst, dass der Sendestrom reduziert wird. Das Letztere wird erreicht durch Auswahl aus einer Vielzahl von Senderspulen und/oder Empfängerspulen.
Reduzierter Sendestrom: der am leichtesten zu entwerfende und durchführbare Fall ist, den Sendestrom zu reduzieren. Der reduzierte Sendestrom reduziert die in den Empfängerspulen 124, 128 induzierten Spannungen. Die reduzierten Spannungen in den Empfängerspulen 124, 128 tragen dazu bei, dass der Verstärker nicht übersteuert wird oder den Übersteuerungsbereich verlässt, zu einem Zeitpunkt nahe dem Abschaltzeitpunkt des Senders. Ein Teil der verlorenen Antennenempfindlichkeit kann ausgeglichen werden durch Verwendung eines zeitgesteuerten Verstärkers, bei dem die Verstärkung der Schaltung erhöht wird, nachdem der ursprüngliche Sendepuls auf Null abgeklungen ist.
Ein anderer Weg zur Messung des Objektssignals nahe beim Abschaltzeitpunkt des Senders ist, die Bandbreite der Antenne zu erhöhen, indem die Bandbreite der Sender- und Empfängerspulen erhöht wird. Um dies zu erreichen, wird ein Sender oder Empfänger gebaut mit einer Vielzahl von Spulensätzen, die vom Computersteuersystem 108 ausgewählt werden können. Auf Grund der Erkenntnis, dass Schaltungen mit hoher Bandbreite niedrige Induktivitäten und Kapazitäten erfordern, werden für einen Sender oder Empfänger mit hoher Bandbreite Spulen mit niedriger Windungszahl ausgewählt. Man erinnere sich, dass die Induktivität mit N² wächst, wobei N die Anzahl der Windungen der Spule ist.
Zusätzlich zur Erhöhung der Bandbreite der Antenne durch Verringerung der Windungszahlen entweder der Sender- oder der Empfängerspulen reduziert sich auch die Kopplung zwischen Sender und Empfänger und somit die Spannungspegel.
Wie oben erwähnt, erlauben die reduzierten Spannungspegel, dass der Empfänger- Verstärker früher aus dem Übersteuerungsbereich kommt. Nachdem das Hohlraumsignal überprüft worden ist, werden die ETD Sensorsystembetriebsparameter geändert, um mit hoher Empfindlichkeit (d. h. Verstärkung und Sendestrom werden auf die Maximalwerte erhöht) Signale von Objekten mit niedrigem Metallgehalt zu erfassen. Der Detektions- Prozess überprüft, ob ein kleines Signal eines Metallobjekts vorhanden ist. In vielen Fällen hat das Metallsignal kein hohes Signal/zu Rauschverhältnis, um das Metall als eine Mine klassifizieren zu können.
Statt jedoch das Abklingverhalten des Objekts direkt zu messen, misst der Algorithmus nach der vorliegenden Erfindung ein integriertes Signal von der Antenne und sucht nach Anzeichen eines Metallsignals. Wenn die integrierte Antwort positiv ist, dann liegt ein Metallsignal vor. Hierzu ist ein digitaler Integrationsalgorithmus implementiert.
Für den Fall der Metallsignal- Erkennung wird die Antennenempfindlichkeit im Zeitbereich größer als 10 μs erhöht. Die Antenne arbeitet noch immer mit einem DSW von 30 μs und der Algorithmus sucht nach einem positiven Signal, das ein Metallsignal anzeigt.
An dieser Stelle wird das ETD Sensorsystem 100 so gesteuert, dass die Betriebsparameter für die Erkennung eines Hohlraumsignals und eines Metallsignals gesetzt werden. Wenn gleichzeitig ein Hohlraum und Metall detektiert werden, bedeutet das als Ergebnis: hohe Wahrscheinlichkeit, dass das unbekannte Objekt eine Mine mit niedrigem Metallgehalt ist; wenn nur ein Hohlraum erkannt wird: hohe Wahrscheinlichkeit, dass das unbekannte Objekt keine Mine, sondern ein Schrottobjekt, wie z. B. ein Stück Holz, ist; und wenn Metall erkannt wird: Wahrscheinlichkeit, dass das unbekannte Objekt Schrott ist oder eine tief eingegrabene Mine mit niedrigem Metallgehalt.
Die Ergebnisse des oben erwähnten ETD Sensorsystem werden an die Signalverarbeitung und das Unterprogramm zur Klassifizierung weitergegeben. Information von dieser Datenerfassung wird mit Abklingdaten kombiniert, um eine Entscheidung für die Objektklassifizierung zu treffen.
Mittlere oder große Metallobjekte haben viele komplexe Aufbaumerkmale, die sich in verschiedenem Abklingzeitverhalten manifestieren. Diese komplexen Merkmale sind gekennzeichnet durch mehrfache exponentielle Terme in der Gleichung (1) und führen zu einer Abklingsignatur mit einem sehr großen dynamischen Bereich, sowohl bezüglich der Zeit als auch der Amplitude. Der erste Durchgang durch den Datenerfassungsprozess, wie oben beschrieben, erfasst die Daten mit ETD Sensorsystembetriebsparametern, die für optimale Datenerfassung eingestellt sind und beginnt zum frühest möglichen Zeitpunkt nach dem Abschalten des Senders.
Der Startzeitpunkt für die Messungen ist normalerweise im Bereich von 1 bis 20 μs. Auf Grund des großen dynamischen Bereichs der Objektsignatur können nicht alle Daten erfasst werden, die von dem Objekt erhalten werden können, um die Objektklassifizierung durchzuführen, bevor das ETD Sensorsystem 100 den Rauschpegel erreicht hat, bei dem das Signal-zu- Rauschverhältnis für eine aussagekräftige Objektklassifizierung zu niedrig ist. Deshalb stellt ein Unterprogrammen die ETD Sensorbetriebsdaten für die Datenerfassung neu ein, um Objektsignaturen über ein zweites Zeitintervall zu erfassen.
13 zeigt ein Konzept für mehrfach überlappende Datenerfassung von einem Objekt mit komplexem Abklingverhalten, das einen dynamischen Bereich mit mehreren Größenordnungen, sowohl in der Zeit als auch in der Amplitude, aufweist. In 13 wird eine theoretische Abklingkurve eines Metallobjekts gezeigt, das eine komplexe Aufbaustruktur aufweist, was zu einem Abklingzeitverhalten führt, das durch mehrfache Zeitkonstanten gekennzeichnet ist, wie in Gleichung (1) gegeben.
13 zeigt, was das ETD Sensorsystem 100 messen würde, wenn es sieben Größenordnungen der Spannungsempfindlichkeit und fünf Größenordnungen des Zeitbereichs umfassen würde. Ein Objekt wie eine 500 Pfund Bombe mit Stahlkörper und Aluminium-Schwanzflossen würde diesen Signaturtyp haben. Der Stahlkörper hat ein relativ kurzes Abklingsignal mit hoher Amplitude und die Aluminiumflossen haben ein längeres Abklingsignal mit niedrigerer Amplitude. Das kombinierte Abklingsignal würde mehrere Dekaden der Zeit und viele Größenordnungen der Amplitude im gemessenen Empfängerausgang umfassen.
Selbst mit Mittelwertbildung begrenzen das Rauschen des ETD Sensorsystems und das Umgebungsrauschen den dynamischen Bereich für Messungen auf etwa drei bis vier Größenordnungen (1000 – 10.000). So zeigt beispielsweise die Abbildung in 9 einer VS- 50 Mine mit mittlerem Metallgehalt, dass der Signalpegel sich im Bereich von etwa 0,001 bis 3 V im Zeitbereich von 3 μs bis 800 μs erstreckt. Der Signal-zu-Rauschabstand wird unter etwa 0,005 V und 200μs sehr klein, das heißt, dass das ETD Sensorsystem 100 seinen Grundrauschpegel erreicht hat. Für eine wirksame Objektklassifizierung wird ein hoher Signal-zu- Rauschabstand benötigt. Forschungsberichte in der wissenschaftlichen Literatur haben angegeben, dass ein SNR von etwa 6 bis 10 dB für eine genaue Objektklassifizierung nötig ist.
Selbst wenn es das Thema Rauschen des ETD Sensorsystems und Umgebungsrauschen, wie oben beschrieben, nicht gäbe, wäre es schwierig, einen kostengünstigen AD Wandler mit weitem Dynamikbereich zur Verfügung zustellen, der schnell digitalisiert und einen großen Eingangsamplitudenbereich abdeckt. Gewöhnliche, schnell arbeitende und preiswerte AD Wandler gibt es für den 10 bis 12 Bit Bereich (zur Digitalisierung von Analogsignalen in 1024 bis 4096 Stufen). Für preiswerte Systeme liegt es nahe, preiswerte Bauelemente einzusetzen. Die Unterroutine für die Datenerfassung von mittleren/großen Objekten stellt die ETD Sensorbetriebsparameter so ein, dass die oben erwähnten Einschränkungen bezüglich der ETD Sensorsystemkosten, Rauschen und Dynamikbereich vermieden werden. Wie in 13 gezeigt, wird das DSW Konzept verwendet, aber nunmehr wird das Betriebssystem so gesteuert, dass die Startzeit des DSW auf einen späteren Zeitpunkt nach dem Abschalten des Senders verschoben wird. Das wird in 13 als Datenfenster 2 (DSW2) gezeigt.
Während des Datenfensters 1 (DSW1) wird die Objektsignatur im Bereich von 10^–6 bis 10^–3 Sekunden gemessen. DSW2 überlappt DSW1 und misst die Objektsignatur im Bereich von 10^–4 bis 10^–1 Sekunden. Mit einem überlappenden DSW kann die gesamte Abklingkurve für Klassifizierungszwecke genau rekonstruiert werden. Die ETD Sensorbetriebsparameter TPR, DSR, Verstärkung und Sendestrom werden für dieses neue DSW abgeglichen. Für den illustrierten Fall würde die TPR etwa 5 Hz sein und DSR würde etwa 100ksamples/s sein. Der Sendestrom würde erhöht, bis der Empfängerverstärker beim Beginn von DSW2 beginnt, übersteuert zu werden.
Wenn der maximale Wert des Sendestroms erreicht ist, bevor der Empfängerverstärker beginnt, übersteuert zu werden, dann wird die Verstärkung erhöht, bis diese Bedingung erfüllt ist oder die maximale Verstärkung erreicht ist. Für den in 13 gezeigten Fall ist die Gesamtverstärkung des ETD Sensorsystems 100 durch Erhöhung des Sendestroms und/oder der Verstärkung etwa 100.
Die Information, die von der Unterroutine für die Datenerfassung von mittleren/großen Objekten gesammelt wird, wird an das Unterprogramm zur Signalverarbeitung und Klassifizierung weitergegeben. Information von dieser Datenerfassung wird mit Abklingdaten von DSW1 kombiniert, um eine Entscheidung für die Objektklassifizierung zu treffen.
Der Monitorabschnitt des Algorithmus kommuniziert mit dem Benutzer des ETD Sensors. Es stellt Informationen für den Benutzer zur Verfügung, z. B. wenn ein Objekt erkannt wurde, und wann Objekt- und Hintergrundmessungen durchzuführen sind, und Wartungsfunktionen wie Funktionstest und Sensor- Batterieladezustandsanzeige. Über die Benutzerschnittstelle können sowohl Audio- als auch Videoanzeigen aktiviert werden.
Das hier beschriebene ETD Sensorsystem 100 stellt mehrere Eigenschaften und Vorteile zur Verfügung:
Automatische Bodenkompensation: die Antennenauslegung berücksichtigt Bodeneffekte direkt und passiv und ohne, dass zusätzliche elektronische Mittel oder Abgleichvorgänge erforderlich sind, wie das bei Antennen und Sensoren nach dem Stand der Technik der Fall ist. Im Ergebnis werden folgende Vorteile erzielt: (1) das ETD Sensorsystem 100 entfernt die Wirbelstromeffekte des Bodens (Untergrund) in den Abklingkurven von mittleren und großen Metallminen und UXOs; (2) das System 100 trennt die Wirbelstromeffekte des Bodens (Untergrund) von der Abklingkurve von Minen mit niedrigem Metallgehalt (LMC) ab; (3) das System 100 kann kleine Metallobjekte in der Gegenwart von hoch leitfähigem oder magnetischem Boden erkennen; (4) das System 100 kann in Salzwasser arbeiten, um Metallobjekte in der Wassersäule oder solche, die unter Wasser im Boden vergraben sind, aufzufinden und zu klassifizieren; und (5) das System 100 kann Hohlräume in magnetischen/leitfähigen Böden erkennen, wie dies weiter unten im Zusammenhang mit der Erkennung von LMC Landminen diskutiert wird.
Automatische Sendespulengleichgewichteinstellung: die Sendespule 116 bildet einen Induktor. Wenn in dem Induktor Strom fließt, wird in dem Magnetfeld des Induktors Energie gespeichert. Wenn der Strom im Induktor abgeschaltet wird oder schnell geändert wird, wird eine endliche Zeit benötigt, um die Energie des Magnetfelds abzubauen und um kleine Senderestströme auf null abklingen zu lassen. Ein Sensor vom TD EMI-Typ erkennt Ströme, die in kleinen Objekten in der Zeitspanne induziert werden, nachdem der Sender abgeschaltet wurde. In einem konventionellen TD EMI-Sensor muss man mit den Messungen der Objektantwort warten, bis die Senderestströme auf null abgesunken sind (oder deutlich kleiner im Vergleich zu den Wirbelströmen in den Objekten sind). Frühere Verfahren zur Steuerung des Stroms in der Sendespule führen dazu, dass der Sensor im Vergleich zur vorliegenden Erfindung sehr langsam reagiert. Die Anordnung von Sendespulen und doppelter Empfängerspulen nach der vorliegenden Erfindung trägt dazu bei, dass die systembedingten Sendeabklingströme direkt und passiv ohne zusätzliche elektronische Mittel oder Abgleichvorgänge, wie z. B. Computersteuerung, berücksichtigt werden. Die Sendeabklingströme werden automatisch im Differenzverstärker 134 oder durch gegensinnig gewundene Empfängerspulen subtrahiert (es können auch ähnliche Differentialtechniken, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, für verschiedene Magnetfeldsensoren verwendet werden).
Innerhalb der Grenzen der mechanischen und elektrischen Balancierung der Sendespule 116 und Empfängerspulen 124, 128 werden folgende Vorteile realisiert:
Die Messungen des Abklingverhaltens von Objekten kann viel schneller gestartet werden, nachdem der Senderstrom abgeschaltet wurde, im Vergleich mit einem konventionellen TD EMI Sensor. Je früher diese Messung beginnt, desto "schneller" ist die Reaktion der Antenne. Zwei Vorteile sind:
Erstens kann eine schnell reagierende Antenne Objekte mit einem niedrigen Metallanteil (kleine Metallobjekte) messen, weil Objekte mit niedrigem Metallanteil dazu tendieren, kurze Abklingzeiten zu haben. Die Abklingzeit eines Objekts ist grob proportional der Größe und dem Gewicht des Objekts. Ein kleines Objekt hat eine kleine Zeitkonstante. Wie in Gleichung (1) gezeigt, bedeutet eine kleine Zeitkonstante, dass die Antwort des Objekts in einer kurzen Zeitspanne auf null absinkt. Eine langsam reagierende Antenne (beispielsweise eine Antenne, die auf das Abklingen der Senderestströme auf null warten muss, bevor eine Antwortmessung durchgeführt werden kann) wird höchstwahrscheinlich das Abklingsignal eines kleinen Objekts verpassen.
Zweitens kann eine schnell reagierende Antenne Objekte erkennen, die entfernter (d. h. tiefer im Grund) liegen. Da die Abklingkurve eines Objekts exponentiell abnimmt, ist es so, dass je früher eine Antenne startet, das Abklingverhalten zu messen, desto höher ist das aufgenommene Signal. Deshalb ist das erfindungsgemäße Sensorsystem empfindlicher sowohl für kleine als auch für große Metallobjekte als ein konventioneller TD EMI Sensor.
Es ist einzusehen, dass, weil die Sendeabklingströme von der einzigartigen Antennenanordnung kompensiert werden, die Größe und die Windungszahlen des Sendesystems 102 leichter auf den Anwendungsfall zugeschnitten werden können. Mit anderen Worten, das ETD Sensorsystem 100 kann auf den Anwendungsfall angepasst werden.
Die folgenden Fälle illustrieren die Anpassung der Antenne auf einen besonderen Anwendungsfall, bei dem das ETD Sensorsystem 100 verwendet wird für:

Fall 1: Große Antenne für große und tief liegende Objekte (z. B. große Metallminen und UXOs) können eine große Sendespule mit vielen Windungen verwenden. Die großen Spulenabmessungen erzeugen ein magnetisches Feld, das tief in den Boden reicht und somit die Empfindlichkeit des ETD Sensorsystems in der Tiefe vergrößert. Eine große Anzahl von Windungen erhöht die Stärke des Magnetfelds bei einem gegebenen Sendespulenstrom, was die Empfindlichkeit des ETD Sensorsystems noch weiter erhöht. Weil die großen Metallobjekte eine relativ lange Abklingzeit haben, kann die Reaktionszeit des ETD Sensorsystems länger gemacht werden, trotzdem bleibt die Fähigkeit erhalten, das Abklingverhalten der Testobjekte zu messen.
Fall 2: Kleine Antenne für kleine und wenig tief eingegrabene Objekte (z. B. Plastiklandminen) können eine kleine Sendespule mit vielen Windungen verwenden. Die kleineren Spulenabmessungen erzeugen ein intensives Magnetfeld nahe der Antenne, was somit die Empfindlichkeit des ETD Sensorsystems für wenig tief vergrabene Objekte erhöht. Eine große Anzahl von Windungen erhöht die Stärke des Magnetfelds bei einem gegebenen Sendespulenstrom, was die Empfindlichkeit des ETD Sensorsystems bei niedrigem Metallgehalt noch weiter erhöht.
Fall 3: das ETD Sensorsystem 100 kann in ein Fahrzeug eingebaut werden. Die Vorteile des ETD Sensorsystems 100 können verwirklicht werden und gleichzeitig kann die Suchrate der Antenne wesentlich verbessert werden. Der Vorteil der automatischen Rauschkompensation wirkt auch bei den elektrischen Störungen durch das Fahrzeug. Ebenso hilft die balancierte differenzielle Empfängerauslegung, die Auswirkungen von Metallteilen in der Nähe, die bei Fahrzeugen ja normal sind, auszulöschen.
Fall 4: Das ETD Sensorsystem 100 kann als Schrankensensor für die Erkennung von Metallobjekten (beispielsweise metallische Waffen) am Eintrittspunkt von kritischen Gebieten wie Flughäfen oder Banken konfiguriert werden. Die Objektidentifizierungs- und Unterscheidungsfähigkeit des ETD Sensorsystems 100 hat viele Vorteile gegenüber existierenden Metalldetektoren. Die balancierte differenzielle Empfängerauslegung löscht die Auswirkungen von Metallteilen in der Nähe aus und auch elektrische Fernfeldstörungen, die sich in Gebäuden häufig finden, was eine erhöhte Empfindlichkeit erlaubt.

Auslöschung von elektrischen Fernfeldstörungen (EM).
Für das Testen von Antennen und für den Abgleich ist es wünschenswert, dass das Metallerkennungs- Sensorsystem 100 in der Lage ist, in einer konventionellen Laborumgebung betrieben werden zu können mit minimalen Änderungen der EM Umgebung. Zusätzlich ist es wünschenswert, dass das ETD Sensorsystem 100 in und bei elektromagnetisch gestörten Umfeldern, etwa nahe an konventionellen Starkstromleitungen betrieben werden kann. Die differenzielle Anordnung des Doppelempfängers ermöglicht, dass die Empfängerspulen 124, 128 die Wirkungen der EM Störungen von Störungsquellen, die relativ weit entfernt vom ETD Sensorsystem 100 liegen, auslöschen. Obwohl nicht alle EM Störungen mit der differenziellen Anordnung der vorliegenden Erfindung ausgelöscht werden, ist der Grad der Störungsunterdrückung so, dass die Verstärker des Empfängersystems nicht übersteuert werden. Nach der Vorverstärkung wird das Systemsignal des Empfängers durch die Verwendung konventioneller digitaler Signalverarbeitungstechniken, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, gefiltert.
Auslöschung von Fernfeldsignalen von Metallobjekten.
Für das Testen von Antennen und für den Abgleich ist es wünschenswert, dass das Metallerkennungs- Sensorsystem 100 in der Lage ist, in einer konventionellen Laborumgebung betrieben werden zu können mit minimalen Änderungen an den Gebäuden. Die differenzielle Anordnung des Doppelempfängers ermöglicht, dass die Empfängerspulen 124, 128 die Wirkungen von Metallobjekten im Fernfeld, die relativ weit entfernt vom ETD Sensorsystem 100 liegen, auslöschen. Der genaue Abstand zu den lokalen Metallobjekten ist eine Funktion des Trennungsabstandes des Doppelempfängers. Die Erklärung hierfür ist: Mit zunehmendem Abstand zwischen Objekt und Antenne R relativ zu dem Abstand der differenziellen Empfängerspulen D verliert die differenzielle Empfängerspulenanordnung ihre Wirksamkeit.
Um diesen Effekt zu verstehen, wird ein einfaches Objekt als Punktquellendipol direkt unter der ersten Empfängerspule 124 im Abstand R₁ abgebildet. Das Signal, das die Empfängerspule 124 aufnimmt, ist proportional zu R₁ ^–3 und das Signal, das die zweite Empfängerspule 128 aufnimmt ist proportional zu R₂ ^–3 = (D² + R₁ ²)^–3/2. Mit zunehmendem Abstand des Objekts zur Ebene der Empfängerspulen 124, 128 wird R₁ groß im Verhältnis zu D und R₂ nähert sich R₁: die Feldstärken, die beide Empfängerspulen 124, 128 aufnehmen, werden nahezu gleich. Die differenzielle Anordnung der beiden Spulen 124, 128 tendiert dazu, das Signal auszulöschen. Deshalb werden Metallobjekte im Fernfeld vom ETD Sensorsystem 100 nach der vorliegenden Erfindung "nicht gesehen".
Einzelpunktmessung: Die Bodenantwort- Balancierung und das Merkmal der Auslöschung der Bodenantwort sind schon vom Stand der Technik bekannt. Es wird jedoch bei dem Stand der Technik gelehrt, dass der Benutzer die Antenne vorwärts und rückwärts bewegen muss und dass der Benutzer Entscheidungsschritte bezüglich der Natur der räumlichen Antworten der Antenne machen muss. Das ist insbesondere der Fall bei der Hohlraumerkennung bei der Verwendung eines Sensorsystems des FD Typs nach dem Stand der Technik. Die vorliegende Erfindung erkennt den Hohlraum direkt aus der Abklingsignatur des Objekts. Der Benutzer braucht die Antenne nicht über dem Objekt hin und her zu bewegen.
Antennenanordnung für niedrige Kosten: Die oben diskutierten Antennenauslegung hat den Vorteil, dass sie die Elektronik der Antenne weniger komplex und kostenintensiv macht im Vergleich zum Stand der Technik. Die Empfängersignale werden durch preiswerte rauscharme Breitbandverstärker verstärkt. Die Verwendung einer TD Lösung, um die Objekte zu erregen, beseitigt das Erfordernis einer komplexen Erregung durch die Sendeantenne. Ein pulsierendes TD Verfahren erzeugt eine Breitband- Erregung des Objekts über einen einfachen elektronischen Schalter, der nur wenige Bauelemente benötigt. Typische FD Techniken, die Mehrfrequenzspektrums- Lösungen zur Objektidentifizierung benutzen, erfordern die Erzeugung von komplexen Frequenzen über einen großen Frequenzbereich. Diese Frequenzen müssen dann mit einem Leistungsverstärker verstärkt werden, bevor die Signale an die Sendespulen weitergegeben werden können. Hochfrequenz, weiter Frequenzgang und Leistungsverstärker mit niedrigen Verzerrungen sind komplexer und verhältnismäßig teurer im Vergleich zu einer TD Erregungsquelle.
Die obige Beschreibung ist im Wesentlichen eine Darstellung der Anwendung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung. So sind z. B. die oben beschriebenen Funktionen und die Implementierung als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung nur beispielhaft. Andere Anordnungen und Verfahren können vom Fachmann auf diesem Gebiet durchgeführt werden, ohne vom Schutzbereich der Erfindung, wie beansprucht, abzuweichen.

Claims

System (100) zum Auffinden eines verborgenen Gegenstands (202), wobei das besagte System (100) folgendes umfasst: Mittel zum Erzeugen eines ersten Signals und eines zweiten Signals aus induzierten Wirbelströmen, einschließlich eines Senders (102) und eines Empfängers (104), dadurch gekennzeichnet, dass es ein Mittel (134) umfasst, das feststellt, ob das erste Signal größer ist als das zweite Signal, ob das erste Signal kleiner ist als das zweite Signal, und ob das erste Signal ungefähr gleich ist dem zweiten Signal; und ein Mittel (108) zur Feststellung des Auffindens eines verborgenen Gegenstands (202), wenn das erste Signal größer ist als das zweite Signal, des Auffindens eines unterirdischen Hohlraums (204), wenn das erste Signal kleiner ist als das zweite Signal, und der Feststellung einer Nicht-Erkennung eines verborgenen Gegenstands oder eines unterirdischen Hohlraums, wenn das erste Signal ungefähr gleich ist dem zweiten Signal.
System (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin ein Mittel (108) umfasst zur Speicherung von Merkmalen eines mit der Zeit abklingenden Antwortsignals, das durch Subtraktion des ersten Signals vom zweiten Signal erhalten wird, zusammen mit einer Beschreibung des erkannten verborgenen Gegenstands (202) oder des unterirdischen Hohlraums (204), die dem abklingenden Antwortsignal entspricht, in einer Datenbank von Objektsignaturen.
System (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin wenigstens einen Prozessor (146) umfasst zur Ausführung von programmierbaren Befehlen zur Ermittlung eines mit der Zeit abklingenden Antwortsignals, das dem verborgenen Gegenstands (202) oder des unterirdischen Hohlraums (204) entspricht und zur Bestimmung der Merkmale des besagten abklingenden Antwortsignals.
System (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine besagte Prozessor (146) so konfiguriert ist, dass er weiterhin programmierbare Befehle zum Vergleichen der bestimmten Merkmale des besagten abklingenden Antwortsignals mit den Objektsignaturen der Datenbank ausführt, um wenigstens den Typ des verborgenen Gegenstands (202) oder die Art des unterirdischen Hohlraums (204) zu bestimmen.
System (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Mittel (102, 104) zur Erzeugung des ersten und des zweiten Signals eine Antenne umfassen, die eine Sendespule (116) und zwei Empfängerspulen (124, 128) aufweist, wobei die Sendespule (116) wenigstens eine der zwei Empfängerspulen (124, 128) umgibt.
System (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (134) zur Feststellung, ob das erste Signal größer ist als das zweite Signal, ob das erste Signal kleiner ist als das zweite Signal, und ob das erste Signal ungefähr gleich ist dem zweiten Signal, einen Differenzverstärker (134) zum Subtrahieren des ersten Signals vom zweiten Signal und zum Ausgeben eines mit der Zeit abklingenden Antwortsignals umfasst.
System (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Empfängerspulen (124, 128) der Antenne voneinander wenigstens um einen Empfängerspulendurchmesser entfernt sind.
System (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendespule (116) rechteckig gestaltet ist mit einer Länge von etwa 60 cm und einer Breite von etwa 20 cm, und jede der zwei Empfängerspulen (124, 128) ähnlich einem Quadrat gestaltet ist mit einer Seitenlänge von etwa 10 cm.
System (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die die Sendespule (116) rechteckig gestaltet ist mit einer Länge von etwa 100 cm und einer Breite von etwa 60 cm, und jede der zwei Empfängerspulen (124, 128) ähnlich einem Quadrat gestaltet ist mit einer Seitenlänge von etwa 30 cm.
System (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendespule (116) wenigsten 6 Windungen aufweist und jede der zwei Empfängerspulen (124, 128) 16 Windungen hat.
System (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzverstärker (134) so konfiguriert ist, dass er etwa 3 bis 5 μs nach dem Abschalten des Stroms in der Sendespule (116) beginnt, ein mit der Zeit abklingendes Antwortsignal abzugeben.
System (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das besagte System (100) Mittel (146) umfasst, um Objekt-Abklingzeitkonstanten entsprechend dem verborgenen Gegenstand (202) oder dem unterirdischen Hohlraum (204) ab nur 1,4 μs zu messen.
System (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Empfängerspulen (124, 128) so gestaltet sind, dass die Wirkungen elektromagnetischen Rauschens und entfernter Metallgegenstände kompensiert werden.
System (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Verstärkerstufe (136) umfasst, die an den Differenzverstärker (134) angeschlossen ist, um das mit der Zeit abklingende Antwortsignal zu empfangen und zu verstärken, bevor das mit der Zeit abklingende Antwortsignal an ein Computersteuersystem (108) übertragen wird.
Verfahren zum Auffinden eines verborgenen Gegenstands (202), wobei das besagte Verfahren folgende Schritte umfasst: Abtasten eines Gebiets mit einem Sensorsystem bestehend aus einer Sendespule (116), einer ersten Empfängerspule (124) und einer zweiten Empfängerspule (128) zur Induktion von Wirbelströmen innerhalb des verborgenen Gegenstands (202), des unterirdischen Hohlraums (204) und/oder dem Boden; Umsetzen der Wirbelströme, die von der ersten Empfängerspule (124) empfangen werden, in ein erstes Signal und Umsetzen der Wirbelströme, die von der zweiten Empfängerspule (128) empfangen werden, in ein zweites Signal; dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin die Schritte umfasst: Subtrahieren des ersten Signals vom zweiten Signal, um ein mit der Zeit abklingendes Antwortsignal zu erzeugen; Feststellen, ob das erste Signal größer ist als das zweite Signal, ob das erste Signal kleiner ist als das zweite Signal, und ob das erste Signal ungefähr gleich ist dem zweiten Signal; und Feststellen des Auffindens eines verborgenen Gegenstands (202), wenn das erste Signal größer ist als das zweite Signal, des Auffindens eines unterirdischen Hohlraums (204), wenn das erste Signal kleiner ist als das zweite Signal, und Feststellen einer Nicht- Erkennung eines verborgenen Gegenstands oder eines unterirdischen Hohlraums, wenn das erste Signal ungefähr gleich ist dem zweiten Signal.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin den Schritt des Speicherns von Merkmalen eines mit der Zeit abklingenden Antwortsignals umfasst, das durch Subtraktion des ersten Signals vom zweiten Signal erhalten wird, zusammen mit einer Beschreibung des erkannten verborgenen Gegenstands oder des unterirdischen Hohlraums, die dem abklingenden Antwortsignal entspricht, in einer Datenbank von Objektsignaturen.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin den Schritt des Vergleichens der bestimmten Merkmale des besagten abklingenden Antwortsignals mit den Objektsignaturen der Datenbank umfasst, um wenigstens den Typ des verborgenen Gegenstands (202) oder die Art des unterirdischen Hohlraums (204) zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung des mit der Zeit abklingenden Antwortsignals etwa 3 bis 5 μs nach dem Abschalten des Stroms in der Sendespule (116) ausgelöst wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin den Schritt des Messens der Abklingzeitkonstante entsprechend dem verborgenen Gegenstand (202) oder dem unterirdischen Hohlraum (204) ab nur 1,4 μs umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin den Schritt umfasst, bei dem die zwei Empfängerspulen (124, 128) so verwendet werden, dass die Wirkungen elektromagnetischen Rauschens und entfernter Metallgegenstände kompensiert werden.
Sensorsystem (100) zum Auffinden verborgener Gegenstände (202) durch Induktion von Wirbelströmen in diesen, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Antenne umfasst, die ihrerseits besteht aus einer Sendespule (116), zwei Empfängerspulen (124, 128), umgeben von der Sendespule (116), wobei die Empfängerspulen wenigstens um einen Empfängerspulendurchmesser voneinander entfernt und im wesentlichen in einer Ebene der Empfängerspulen (124, 128) liegen, wobei jede der Empfängerspulen (124, 128) so eingerichtet ist, dass sie die Wirbelströme in ein erstes Signal und in ein zweites Signal umsetzen; und dass das System einen Differenzverstärker (134) umfasst zum Subtrahieren des ersten Signals vom zweiten Signal.
System (100) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendespule (116) rechteckig gestaltet ist mit einer Länge von etwa 60 cm und einer Breite von etwa 20 cm, und jede der zwei Empfängerspulen (124, 128) ähnlich einem Quadrat gestaltet ist mit einer Seitenlänge von etwa 10 cm.
System (100) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendespule (116) rechteckig gestaltet ist mit einer Länge von etwa 100 cm und einer Breite von etwa 60 cm, und jede der zwei Empfängerspulen (124, 128) ähnlich einem Quadrat gestaltet ist mit einer Seitenlänge von etwa 30 cm.
System (100) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendespule (116) wenigsten 6 Windungen aufweist und jede der zwei Empfängerspulen (124, 128) 16 Windungen hat.