JP4173638B2 - 金属検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は金属を検出する装置に関する。より詳しくは、金属検出器が埋没金属物体を位置付けし、あるいは人または動物の体内にある金属性異物を位置付けするために使用される。この装置はユーザに対して、検出金属の形状および形態に関する位置およびある情報を提供する。
【０００２】
用語の「金属検出器」は、一般的にコイルが、変動うず電流によって付勢される磁気誘導のプロセスを介して近接金属中に小さい「うず電流」を誘起させる機器の類のことを意味する。誘起されたうず電流は、それ自身の関連する磁界を有し、検出器に取り付けられたコイルによって普通検出される。二つの主要なタイプの金属検出器、すなわち、パルス誘導(p-i) タイプと持続波タイプがある。
【０００３】
パルス誘導(p-i) 検出器は、送信機コイル中に方形波（またはシャープ・エッジを有する交番形状）信号を使用する。変化率の高い磁界が近傍金属中に電圧パルスを生成する。このパルスが、そのうちに消失するうず電流を発生する。受信機コイルが、特定時間、および伝送サイクル中のエッジ後の、特定持続時間におけるこの消失に関連するうず電流を検知するためのゲートの作用をする。
【０００４】
持続波(c/w) 検出器は、その送信機コイル中に正弦波交流電流を使用して、交番磁界を確立している。送信機信号と同じ周波数の信号を感知する受信機コイルが、近傍の金属内のうず電流の存在を検出する。送信信号を受信コイルによって直接検出することは困難である。このｃ／ｗモードの操作のいくつかの形態がこの問題を克服するために開発されている。
【０００５】
送信機コイルのこの直接ピックアップを克服するのを助ける一つの形態として、直交した送信機コイルと受信機コイルを使用するものがある。両コイルの正確なアライメントと高い安定性のある取り付けが、伝送磁界のゼロ化を達成するのに必要である。他のアプローチとして、位相幾何学的に８の字であり、二つの半分半分の間の磁界の差のみを感知する受信機コイルを使用する方法がある。この差異のある構成が送信機信号をゼロになるように平衡させることができる。この差分コイル技術が直交コイル方法よりも、検出器が直接金属上にあるときに、指示においてわずかにより正確である点で少し勝る利点を有する。ｃ／ｗ機器は伝送信号に関して受信信号の相対的位相を測定することによって鉄金属と非鉄金属を区別することができる。
【０００６】
これらの両タイプの金属検出器は、コイルの回りの比較的大きい容積のスペースにおける金属の有無を指示する。これは金属検出器の適用例を金属の正確な位置を必要としないものに制限することになる。ある例において、飛行場のような安全システムにおいて、搭乗客が金属検出器の「通行口」を通過する。そこで金属が検出された場合に、安全監視人がその金属の場所をつきとめるために小型の手持ち式検出器で詳細な検査を行なう。これはいくぶん侵入的で時間がかかり、また小型の検出器が金属に極めて接近できたときのみ有効である。さらに、この簡単な「ある−なし」検出は、ユーザに対して金属の形状に関する情報は何も提供しない。これらの要素はユーザが特定するタイプの金属物品の発見を望んでいるような状況において高い誤警報につながることがある。
【０００７】
ドイツ特許DE3713363 において、差動受信機コイルを使用する持続波（ｃ／ｗ）操作と鉄／非鉄弁別を操作する金属検出器を開示している。これはこれまでの多数の形態のもととは格段の進歩を示しているが、ユーザは検出された金属に関して限定された情報のみが提供される。この特許から、より基本的な検出器と比較して得られる付加的な情報は、金属の位置および位相情報からの鉄／非鉄分別の識別力においてわずかな改善である。
【０００８】
しかし、ある例において、金属に関する付加的な情報を得ること、特に正確な位置とそのサイズと形状を推定することが望まれる。これは従来技術を使用しては達成できない。鉄と非鉄金属の区別しかできない。本発明の一つの目的は従来技術の制限を克服するとともに、金属の正確な位置付けと電磁的断面の大きさを得る能力を有する金属検出装置を提供することである。
【０００９】
本発明によれば、検出されるべき金属物体の近傍中に磁界を発生させ、これによって金属物体内に電流を誘導させ、この誘導電流が二次磁界を発生させる送信手段と；
二次磁界を検出する検出手段とを具備する装置であって、
検出手段が二次磁界の少なくとも第１オーダー（一次微分値）の少なくとも三つの磁界勾配を測定する手段を備えていることを特徴とし、前記装置は、測定された第１オーダーの磁界勾配要素から金属物体の位置または電磁断面または形状の推定の少なくとも一つを決定するための処理手段を更に備えていることを特徴とする形状、電磁断面および位置を有する金属物体を検出する装置を提供する。
【００１０】
本発明は、従来の金属検出器に対して二つの際立った利点を提供する。検出された金属のより正確な位置が得られ、これは一度金属が検出されるとその座標として出力することができる。金属の形状と組成の関数である電磁的断面の測定がさらなる利点を提供し、これがユーザにとって関心のないある種のタイプの金属物体の検出を行わない分別を提供する手段として使用することができる。これとは別に、あるいは付加的に、特定するタイプおよび既知の電磁断面または形状の金属物体を特に検索することができる。例えば、コインのような考古学的物品が肯定的に区別でき、また缶のリング・プルを排他的に識別が可能である。
【００１１】
装置は、パルス磁界または交番磁界を発生するための手段と、検出された金属の特徴を計算するためのコンピュータ逆変換アルゴリズムで構成することができる。
【００１２】
本発明の一実施例において、装置は少なくとも第１オーダーの少なくとも五つの磁界勾配要素を測定するための手段と、二次磁界の一つまたはそれ以上の要素を測定するための検知手段からなる。これらは十分なデータを伴う逆変換アルゴリズムを提供し、ターゲット特性を算定する。検知手段がコイル、超電導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）、フラックスゲート、ホール・プローブ、磁気抵抗デバイスまたは磁気インピーダンス・デバイスのいずれかからなることができる。装置中に三つの検知手段を含んでいるのが好ましく、各々異なる直交方向に磁界要素を感知するように方向付けられている。これは伝送磁界が三つの直交方向に伝送されることを意味しており、必要とする二次磁界要素を測定するのに適切な方向付けが使用される。
【００１３】
本発明の他の実施例において、装置は第２オーダー（２次微分値）の少なくとも三つの磁界勾配要素を測定するための手段からなる。
【００１４】
装置は少なくとも３対の勾配測定用受信機コイルからなり、各対が異なる第１オーダーの磁界勾配要素を検出し、勾配測定用コイル対の各々がベースラインｄを有している。代替的に、装置はＳＱＵＩＤ、フラックスゲート、ホール・プローブ、磁気抵抗デバイスまたは磁気インピーダンス・デバイスのいずれか一つの少なくとも三つの対からなり、各対が異なる第１オーダーの磁界勾配要素を検出し、対の各々がベースラインｄを有することがてきる。好ましくは、ベースラインは検出されるべき金属と磁界勾配要素を測定する手段との間の距離よりも長くないことである。好ましいベースラインは本装置を必要とする特定の適用例に依存する。
【００１５】
装置は地表の下に埋没した金属物体を位置付けするために、あるいは地表の下に埋没した金属物体の形状を特徴付けるか、または推定するために使用される。この場合、一般的にベースラインは、わずか２０ｃｍである。本発明の実施例は地表貫通レーダー（ＧＰＲ）装置、または核四極子共鳴（ＮＱＲ）装置と組み合わせて使用することができる。
【００１６】
代替的に、装置は人または動物の体内にある金属物体を位置付けし、あるいは人体または動物上またはその体内にある金属物体の形状を特徴付けるか、または推定するために使用できる。この場合、一般的にベースラインは、わずか５ｃｍである。人体または動物上またはその体内にある金属物体の形状の位置付け、または特徴付けするために、装置はホスト・システムも含んでいる。このホスト・システムは超音波スキャニング装置またはＸ線イメージング装置のいずれか一つである。
【００１７】
送信機手段が、パルス電流源または交流源からなり、また少なくとも一つの送信機コイルから構成できる。例えば、装置は少なくとも二つの送信機コイルからなり、二つのまたはそれ以上の送信機コイルが実質上対向する方向に磁界を発生するように配備される。送信機が少なくとも二つの周波数を発生するように構成することができる。これが検出されるべき金属の二つ以上の電磁断面よりも多い利点を提供する。代替的に、三つの送信機コイルを装置に含めることができ、各々他のコイルに対して直交して方向付けられ、これによって伝送電界の方向を変えることができる。
【００１８】
処理手段が所定の判断規準を導入して、関心のない金属物体の検出を防ぐ弁別手段を提供する手段を含めることもできる。代替的に、または付加的に、処理手段が所定の判断規準を導入して、関心のある金属物体の選択的検出をする弁別手段を提供する手段を含めることもできる。これは金属物体が例えば缶リングのような既知の電磁断面を有しておれば、ユーザにとって関心のない既知の電磁断面と形状の金属物体をソフトウエアで排除的に弁別できるさらなる利点を提供する。
【００１９】
検出手段は、三つまたはそれ以上の磁界勾配成分に対応する少なくとも三つの勾配出力を発生する。装置はさらに三つまたはそれ以上の勾配出力と、送信機手段によって発生された磁界と間の相対的位相を検出する位相検出手段からなり、相対的位相が、異なるタイプの金属物体間に弁別手段または付加的弁別手段を提供する。
【００２０】
本発明の他の観点によれば、形状、電磁断面および位置を有する金属物体を検出する方法が、
(i) 検出されるべき金属物体の近傍中に磁界を発生させる工程において、磁界がパルス磁界または交番磁界のいずれ一つであり、これによって金属物体内に電流を誘導させ、この誘導電流が二次磁界を発生させる工程と；
(ii) 二次磁界を検出する検出工程と；
からなり、この方法がさらに；
(iii) 二次磁界の少なくとも第１オーダーの少なくとも三つの磁界勾配を測定する工程と；
(iv) 処理手段を使用して測定された磁界勾配成分から金属物体の位置、電磁断面または形状の推定の少なくとも一つを決定する工程と；
を含んでいることを特徴とする。
【００２１】
本発明は所定の判断規準を処理手段に導入して、関心のない金属物体の検出を防止する弁別手段を提供するさらなる工程からなる。別の方法として、また付加的に、本発明は所定の判断規準を処理手段に導入して、関心のある金属物体の選択的検出をする弁別手段を提供するさらなる工程からなる。
【００２２】
本発明をここで次なる図面を参照して例としてのみ説明する。
【００２３】
背景を説明する目的で、従来のｐ−ｉおよびｃ／ｗ検出器の基本原理をそれぞれ図１と２を参照して説明する。本明細書の目的で、「金属の検出」なる表現は、金属が比較的大きいスペース容量内で観測されることを意味し、一方、用語「金属の位置」は、大きい容積内の金属の位置をより正確に指示する意味に使用される。
【００２４】
図１を参照して、従来のｐ−ｉ検出器はパルス発生装置１を使用して電流パルスを送信機コイル２に供給する。これがパルス状磁界３を発生し、金属４に作用する。この作用がなされると、金属４がうず電流を誘起する。この電流は、付勢パルスが切り替えられた後で、ある時間にゼロに消失する。この減衰する電流が、二次磁界５（鎖線で示す）を発生させることになり、受信コイル６を通過し、増幅器７によって増幅される。この信号が、付勢パルスが切り替えられた後、短時間の間開かれたゲート８を通過する。これは送信機１からのパルスによってトリガされる時間、遅延装置９とゲート８を開する時間の長さを特定するパルス発生装置１０を使用することによって達成することができる。ゲート８の機能は直接受信された送信機のパルスをブロックし、しかも経時に伴って減衰する低レベル二次磁界６を感知する。ゲート８の出力が積分器１１を使用して積分される。この積分器１１はいくつかのパルスに渡る累積信号を加算し、この信号をメータ１２または他の指示器に出力する。
【００２５】
図２を参照して、従来のｃ／ｗ検出器は送信機コイル１３と受信機コイル１４からなる。送信機コイル１３は発振器１５からの交流を受ける。本例において、受信機コイル１４は送信機コイルと直交する方向に配置され、金属が存在しない場合に正味の磁界１６がこれを通過しないように位置付けされている。金属１７が存在するとき、誘導電流が二次磁界１８（破線で示す）が確立され、受信機コイル１４によって受信され、増幅器１９によって増幅され２０に出力される。
【００２６】
従来技術において知られているより改善されたｃ／ｗ検出器はＤＥ３７１３３６３Ａ１に開示されている。この検出器には前述したシステムと比較していくつかの改良点がある。一つの改良点は「８の字」に巻回された受信機コイルで、送信機コイルと同じ個所にあって、二つの半分半分の間の磁界中の差を測定するだけである。これはコンパクトにするために送信機コイル内に取り付けることができ、またオリジナル受信機コイルよりもわずかに改善された空間解像度を呈する。他の改善点は出力の二重操作周波数と位相感知検出が、鉄および非鉄物質間の弁別を生じる。
【００２７】
原理において同様のいくつかの先行発明があり、米国特許第３８２６９７３号、ＵＳ４５４２３４４、ＵＳ５６７０８８２、ＷＯ９５／０８１３０およびＷＯ９６／１１４１４に詳しい。
【００２８】
ある適用例において、金属物体をもっと正確に位置決めするか、または金属がもっと完全に検出するように特徴付けられることが望まれる。例えば、導電率、透磁率および形状の関数である３次元か、または、電磁断面で金属の正確な位置を決定することが有利であろう。金属の正確な位置付けの能力は、非又は不良導電媒体例えば動物の体内にある弾丸のような導電媒体がないか、または、あるいは食品製造における品質管理のために有利である。電磁断面を決定する能力は、地下または壁の背後に埋没された特定のタイプの物体を発見するのに使用される場合に、誤警報を防止するするための区別を行うために有効である。
【００２９】
本発明は、正確な位置付けと、金属（金属の電磁断面は金属の形状、導電率および透磁率の関数である）の電磁断面の大きさを定める能力を有する金属検出器に関する。これがこの方法で金属を特徴付けることができない既知の金属検出器を超える利点を提供する。主要な点は、検出された金属の位置付けと特徴付けの能力を導く受信機コイルの構成と信号処理の使用にある。
【００３０】
検出器がｃ／ｗまたはｐ−ｉ操作方法のいずれかに基づいて実行される。本発明の説明は好ましいｃ／ｗ方法に集中している。なぜならこれが鉄と非鉄金属間を弁別できる付加的な利点を維持するからである。
【００３１】
本発明の目的は、二次磁界の空間特性と分布状態を検出し、発せられた磁界から金属の特性と位置情報を推定し、ユーザに出力することである。
【００３２】
本装置は少なくとも第１オーダーの磁界勾配要素を測定するための磁界検知手段からなる。この好ましい実施例において、この測定手段はいくつかの勾配測定用受信機コイル対である。勾配測定用受信機コイル対（「勾配測定用（グラジオメトリック）コイル」という）は、逆極性に巻回され、また、普通直列に配線され、これによって均一な磁界が等しい値の、また、相殺される反転信号を生成するさコイルである。勾配測定用コイルは、両コイル対（ペア）に共通である磁界の量に無反応である。しかし、勾配測定用コイルは、コイル対間の磁界中の差に強い反応を示す。差が測定されたポイント間の距離で割った磁界の差は、磁界勾配（しばしば第１オーダー（一次微分）勾配と呼ばれる）である。勾配測定用コイル対が、均一ないし共通磁界に対して無反応であるために、従って、両コイル対に同様に配置できる伝送信号に無反応である。
【００３３】
測定される必要のある空間勾配の数は、適用例に依存して決まる。例えば、非導電性媒体中の金属の３次元位置を位置付けるために、５個の勾配と一つの磁界要素が測定に必要である。金属が導電性媒体中にあれば、８個の勾配が必要である。ある状況において、５個未満の勾配が測定される。例えば、検出器の位置と方向が時間とともに変化すれば、二つまたはそれ以上の位置における、または二つまたはそれ以上の異なる時間における測定が、必要以上の情報を提供する。必要とする勾配の最少数は３であり得る。
【００３４】
これについてより詳細に見てみると、勾配磁界に対して９個の要素がある；
【００３５】
【数１】

９個全てが測定されると、これらを発生するソースの特性がコンピュータで数学的に推定できる。本装置が非導電性環境中で作動する場合において、マックスウエルの式によって課された制限があり、９個の勾配の全てを測定する必要がない。これらの制限がマトリックスをトレースレス且つ対称的にし、５個のみの独立した勾配が残る。
【００３６】
【数２】

すなわち、残りの４個の勾配は独立した５個の勾配の情報から再構築できる。導電性媒体内では、マトリックスはトレースレスであるが、非対称であり、８個の勾配が必要である。
【００３７】
次の説明は、測定が非導電性媒体中でなされたと仮定して、誘導源を完全に特徴付けるのに測定されるべき５個の勾配が必要である。
【００３８】
図３を参照して、本発明に使用できる勾配測定用コイル対の構成５０が、５セットの勾配測定用コイル対７０−７４からなり、各々５個の独立した第１オーダー磁界勾配の異なる一つを測定する。非導電性媒体中の磁界に対して５個の独立した勾配があるので、異なる方向に配列された５セットのコイル対が磁界を完全に特徴付ける必要がある。勾配測定用コイル対７０−７４は、二次磁界の異なる勾配要素、すなわち、dBx/dx, dBx/dy, dBy/dy, dBz/dxおよびdBx/dyを測定するために配列されている。図３に示したように、一つのコイル対（例えば７０）内の１つのコイルが他のコイル対（例えば７１）の一部も形成していることは明白である。ある場合において、勾配測定用コイル対を一点に関して対称的に配置し、これによって各コイル対の中心が実質的に同じ点で一致するのが好ましい。これは各コイル対の中心が異なる点にある図３に示した構成の場合ではない。
【００３９】
５個の勾配が測定されると、一つの磁界要素も測定され、検出されるべき金属の３次元位置を位置付けるように測定する必要がある。この磁界要素はいずれの感知手段（図３では省略）で測定される。例えば、これが単一コイルを送信機コイルと直交させ、単一コイルが送信磁界によってどっぷり浸されるのを回避している。別の方法として、各々他の二つと直交するように向けられた三つのコイルがこの構成に使用できる。これは送信磁界の方向を変化できることを意味している。ホール・プローブ、フラックスゲート、超導電量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）、磁気抵抗デバイスまたは磁気インピーダンス・デバイスのような他のセンサーも必要とされる磁界要素を測定するのに使用できる。
【００４０】
各コイル対７０−７４の分離は比較的小さく、受信信号は入射磁界の空間勾配を普通近似している。勾配測定用対の各コイル対の分離は、ベースラインとして参照される。より一般的に説明すると、磁界勾配要素を測定するのに使用されるいずれの二つの磁界検知手段間の距離は、ベースラインとして参照されることになる（他の磁界センサーは、勾配測定コイルの代わりに、後述するような装置内で使用できる）。
【００４１】
図４は、コンピュータによって数値演算される前に、勾配測定用コイル出力を処理するために使用できる装置の図を示す。図４はｃ／ｗ操作に基づく本発明の実施例に関する。交流源２２が送信機コイル（図示省略）を駆動し、勾配測定用コイル対５０の構成が５個の勾配測定値を提供する。送信機コイルは一般的に勾配測定用コイル構成５０内またはその周辺に配置される。
【００４２】
構成５０内の勾配測定用コイル対の各々からの出力が、各勾配測定のために各増幅器２４によって増幅され、各勾配測定のために各位相感知検出器２５によって敏感に位相を検出し、さらに数値演算のためにＡＤＣ２６でデジタル化される。増幅器２４の目的は勾配測定用コイル対両端の電圧を、アナログ／デジタル変換のために適したレベルに増幅することである。位相感知検出器２５の目的は、ある所定位相にある送信磁界の周波数で勾配信号の振幅を検出することである。位相感知検出器は、ロックイン増幅器、位相感知復調器、抑圧キャリアＡＭ復調器または同期ＡＭ復調器として知られているものでもよい。次にＰＳＤ２５からの出力が、Ａ／Ｄ変換器２６に通され、ここで出力がデジタル化されて、所望の特性が達成されるようにコンピュータによってさらに処理される。
【００４３】
好ましい実施例において、二重位相感知検出器が９０°隔置した位相で使用される。これで基準位相を手動で調節する必要なしに、二次磁界の位相をコンピュータ処理手段内で推定できるようにする。適した増幅器および位相感知検出器の回路デザイン例は、次の参照文献、すなわち、「演算増幅器回路設計ハンドブック」D.F. Stout, マックグローヒル・ブック・カンパニ1976、ISBN 0-07-061 797-X に見ることができる。
【００４４】
ｐ−ｉ照明が使用されれば、勾配信号は、ＡＤＣを通過される前に、位相感知検出ではなく従来技術のように積分される。
【００４５】
増幅され検出された後、勾配に対して振幅に関して比例関係にある信号が、コンピュータ内で処理されるためにデジタル化できる。
【００４６】
次に５個の勾配信号がコンピュータ・アルゴリズムで「逆変換」され、金属の３次元位置とその電磁的断面が抽出される。金属中に誘導された電流の独立磁界勾配の測定と、これらを逆変換して金属を特徴付けるこの処理工程は従来技術においては知られていない。
【００４７】
勾配信号を逆変換するのに使用されるアルゴリズムには二つのタイプがある。両者ともｄ．ｃ．強磁性体ダイポールを逆変換する従来技術において周知である。一つ目は、直接逆変換、ないし単一ポイント・バイ・ポイント逆変換である。この技術はダイポール源の特性を直接算出する。この種の技術の詳細は、次の参照文献に見ることができる。すなわち、W.Wynn他による「改良型高級超電導勾配測定器／磁力計アレイおよび新しい信号処理技術」IEEE Trans. Mag. Vol. 11, p 701 (1975), W.M.Wynnによる「ＤＣ磁界の逆変換および磁気と電流ダイポール電磁導関数式」、テクニカル・リポートNCSC TR 362-81 (1981年７月、ナーバル・コースタル・システムズ・センター、パナマ シティ、アクセス番号U23665B)である。二つ目は、最小二乗フィッティングに基づくルーチンのような勾配データにフィットしたマルチ−パラメータである。使用できるマルチ−パラメータ・フィッティング・ルーチンの詳細は、次の参照文献に見ることができる。すなわち、W.M.Wynnによる「既知速度による５軸磁気勾配計によって測定された勾配率テンソルを使用する磁気ダイポール局部化」SPIE vol. 2496/357-367、T.R. Clem （コードＴ２２）による「海底鉱床と不発弾丸の磁気検出と分類での進歩、シンポジウム」、工業技術および鉱床問題、１９９６年１１月２１日、ナバル・ポスト・グラジュエイト・スクール、モンタナリ、カルフォルニア州である。
【００４８】
マルチ−パラメータ・フィティングの原理は、ターゲットの数学的モデルがアルゴリズムにプログラムされることにある。この場合、それはダイポールモデルである。このアルゴリズムが、「モデル」ダイポールのための任意の開始位置、強度およびオリエンテーションを選択し、受信機における予期された勾配および磁界を算出する。次に、これらが実際の測定勾配および磁界と比較される。モデルの位置、強度およびオリエンテーションは大きくなるように調整され、最小二乗フィット方法によって実際のデータと最もよくフィットするものが見つけられる。モデルの位置、強度およびオリエンテーションはターゲット金属の実際の位置の最高の推定である。
【００４９】
さらに、適応信号処理アルゴリズム（ＡＳＰＡ）が、測定された磁界勾配から必要な情報を抽出するのに使用される。ＡＳＰＡの原理はフェーズト（位相）アレイ・アンテナ内に形成される適応ビームに使用されてきている。さらなる詳細は、国際特許願ＰＣＴＧＢ98/00685に見られる。ＡＳＰＡは、各対（ペア）内の勾配測定コイルのバランスの悪さ、特にバランスが経時に伴ってゆっくり変化したり、または直交状態が悪かったり、あるいは変動するために勾配信号中に相当なオフセットが生じる状況に適用できる。ＡＳＰＡはこれらの欠陥を「学習」して、これに順応するように処理を修正する。
【００５０】
マルチ・パラメータ・フィティングは、多数の変数を有する関数の最少化を含んでいるのでコンピュータ処理的により大変である。しかし、多数のターゲットを解決することを可能とする。金属が大きいか、または分散している場合において、直接的逆変換は作用せず、またマルチ・パラメータ・フィティングがただ一つの解決方法となる。従って、実際において、両方のアルゴリズムで処理するのが好ましい。
【００５１】
例によれば、検出された金属が小さければ、検出器における二次磁界が標準的発振ダイポール源として機能する。ダイポールからの磁界と勾配がよくわかっておれば、従って、次の情報がこれらから推定できる。すなわち、(i) ダイポールに対する方向（２角度）、(ii)ダイポールの方向（２角度）および(iii) ダイポールの強度である。強度はダイポールの磁気モーメントとセンサーとダイポール間の距離との関数である。これらを分離するために、余分な情報が必要となる。例えば、これは一つの磁界要素またはある他の位置における磁界勾配の測定値である。勾配測定用値からダイポール特性を推定する処理は、静止強磁性源、すなわち、永久磁石材料に関して知られているが、従来技術において誘導発振ダイポールに関しては知られていない。
【００５２】
上述の(i)と(ii)から小さい金属の３次元位置を推定することができる。これは検出器の回りの大きい容積内の存在を検出するだけの従来の金属検出器よりも利点がある。(iii)から、ダイポールの強度が区別できる。推定モーメントは、印加された磁界だけでなく金属の形状、導電率および透磁率の関数である。印加された磁界が非導電性スペース（ダイポールがどこにあるかわかっている）中の全てのポイントでわかっておれば、この金属の形状、導電率および透磁率の関数は金属物体の特性である。この金属の形状、導電率および透磁率の関数は「電磁断面」と呼ばれる。この特性は、ユーザが特定の断面又は形状の金属を探索しているか、または特定の断面あるいは形状の金属を拒絶する場合に、誤警報に対する優れた区別を提供することができる。前者の例は、大量に製造された、すなわち、特定のコインのような同一断面を有する埋没金属物品の探索である。ユーザは飲料缶のリングのような「標準」的な誤警報を特に拒絶してくれることも望むことができる。
【００５３】
金属が厳密に球状または等方性でなければ、電磁断面は、磁気照明(magnetic illumination) が異なると異なることになる。例えば、図５を参照して、印加磁界６１に沿っている場合と、磁界と対面している場合とでは、コインが、コイン６０が極端に異なる電磁断面を有していることになる。これら二つの状況の各々にあるコイン６０内に誘起されたうず電流６２を示す。この理由のために、検出される金属を完全に特徴付けるためにいくつかの方向に磁界６１を送信することが有利である。このようにすることによって、実際の形状の観念が推定できる。例えば、二つの直交方向にある送信信号が送信されれば、二つの直交方向での断面を推定することを可能にする。これが検出された金属の形状のより正確な指示を表すことになる。同様に、第３方向の送信信号が送信されると、これが第３方向の断面に関する情報を推定することが可能となる。３直交方向中の送信信号が、３次元内の金属の近似形状を推定することを可能にする。金属の形状に関する情報は、誤警報を防止するための区別を行うときに有効となる。
【００５４】
全ての勾配要素の測定を行い多方向磁界を送信して、形状、電磁断面および位置を推定することに加えて、従来技術で知られている技術も使用できさらなる区別の改善が可能である。例えば、マルチ周波数ないし掃引周波数が送信磁界のために使用でき、また位相感知検出が鉄金属と非鉄金属間の区別をするのに使用できる。
【００５５】
特許DE3713363, US5670882A, US5406259A, US4719426, US5633583AおよびUS3826973に開示された金属検出器において、「勾配測定」ないし「差動」コイル・セットが使用される。本発明と従来技術間の主たる差異を次に説明する。
【００５６】
本発明はコンピュータ・アルゴリズムを利用してユーザに対して金属の位置（センサーに関して）と電磁断面として規定された金属のある特性とを計算、指示する。この操作を達成するための十分な情報を伴ってこの「逆変換」アルゴリズムを提供するために、５個の勾配要素と一つの磁界要素（特別の状況においてはより少ない勾配要素が必要とされる）の測定を必要とする。
【００５７】
本発明を勾配測定コイルの使用に関して説明する。しかし、勾配測定コイル対（ペア）だけではなく、動作（ワーキング）距離よりも長くないベースライン距離を提供し、また好ましくは動作距離に比べて十分短いいずれの磁気検知手段も磁界勾配要素を測定するのに使用でる。また。例えば、超電導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）、フラックスゲート、ホール・プローブ磁気抵抗デバイスまたは磁気インピーダンス・デバイスが、磁界の完全な特性に必要とする勾配の各々の測定に使用できる。
【００５８】
第１オーダーの勾配の測定だけでなく、本発明は第２オーダーの勾配（二次微分値）の測定にも合うように形成されている。全てのこれらの第２オーダーの勾配が、位置または金属特性情報を得るのに必要ではなく、装置が使用される特定する適用例によって決まる（例えば、特定する導電性媒体と、得ることのできる他の情報）。勾配測定コイル、または勾配を測定するのに使用される他の感知手段からの出力が、これまでに説明したようなソフトウエア内で処理され、必要とする情報が得られる。
【００５９】
勾配測定コイル対、または他の感知手段が、必要とする勾配を測定するために二つまたはそれ以上の構成で配置される。例えば、二つに分離された勾配測定コイル機構（例えば、一つの機構に二つの対（ペア）、他の機構に三つの対）に合うように形成され、各対は５個の独立した勾配の異なる一つを測定するためのものである。代替的に、５個の勾配測定コイル対を各々有する二つの機構を使用して正確さを改善することもできる。
【００６０】
本発明の好ましい実施例は、装置が必要とされる特定する適用例によって決まる。三つの適用例（Ａ−Ｃ）を次に説明する。
（Ａ）埋没金属の検出
この適用例については、弁別が一番重要で、正確な位置付けは二番である。高い弁別が低い誤警報となるので、迅速な探索となる。この適用例のために使用できる本発明の一実施例を図６に示す。検出器が多数の送信機コイル２１からなり、これらコイルは、実質的に直交する方向に配備され、最初に説明したように検出されるべき金属の全ての断面を検査することができる。コイル２１は交流源２２によって駆動される。これらのコイルは、シーケンス的にまたは直交方向に磁界間の位相差と同期して［信号を］伝送し、伝送磁界方向を掃引する。伝送信号は単一周波数であるか、または多数の周波数であり、あるいは周波数中で掃引される。
【００６１】
受信機コイル５０が送信機コイル内に取り付けられ、また図３に示したような形状に形成されている。勾配測定計の出力が各増幅器２４によって、それぞれの傾斜測定のために増幅され、位相が各位相感知検出器（ＰＳＤ）２５を使用して、それぞれは傾斜測定のために敏感に検出される。送信機の発振器２２が基準信号をＰＳＤに提供する。位相感知検出は１相または２相でもよい。位相感知検出器から放出される低周波信号が、ＡＤＣ２６を使用してデジタル化され、コンピュータ・プロセッサに通され、ここでデータ逆変換と解釈アルゴリズム２７が動作する。ユーザ判断規準がソフトウエア２８内で選択され、解釈ソフト２７に入力され、これによって特定のターゲットが選択されるか、または拒絶される。例えば、コインが探索されれば、缶のリング・プルのような他の物体のわかっている特性が誤検出を防ぐ拒絶物(veto)として使用される。別の方法として、または付加的に、既知の電磁断面または形状を有する物体がソフトウエア２８内で積極的に選択される。結果がモニター２９上に表示される。
【００６２】
一般的に、金属物体は地表の下で検出されるので、ベースラインは５−１５センチメートルの間であるが、その物体の位置されていそうな深さによって決まる。このベースラインは、受信機コイルと金属間の一般的な距離より数倍小さい。
【００６３】
装置のこの実施例は、地表貫通レーダー（ＧＰＲ）装置または核四極子共鳴（ＮＱＲ）装置のような他の検出手段と組み合わせて使用される。
（Ｂ）人または動物上またはその体内にある金属物体の位置付け
この適用例は、金属性異物が存在する傷の医科的治療を助ける。例としては、弾丸または榴散弾あるいは溜飲された金属の位置付けが含まれる。ここで最も重要な要素は、その特性ではなく正確な位置である。ここで説明する実施例は、独立機器または、例えば超音波スキャナまたはＸ線断層写真撮影装置のような他の診断機器のサブシステムである。「位置のみ」を重要と考えている適用例に使用される本発明の実施例を図７に示す。
【００６４】
本実施例は発振器２２によって駆動されるただ一つの送信機コイル３０を必要とする。この送信機コイル３０は上記適用例（Ａ）よりも小さい。なぜなら最大作動距離が、金属の皮膚から最も離れた距離（人の場合、これは約１５ｃｍである）に制限されるからである。これまでに説明したように、受信機コイル５０からの信号が増幅器２４に通され、位相感知検出器２５、ＡＤＣ２６および解釈ソフト２７と表示装置２９に送られる。
【００６５】
ホスト・システムが、超音波スキャナまたはＸ線断層写真装置のような金属検出器に付加して使用されれば、ソフトウエア２７と表示装置２９はホスト・システムの一部となる。前の適用例のように、ユーザ判断規準（この図には示していない）が選択され、解釈ソフト２７に入力され、これによって特定ターゲットが選択されるか、拒絶される。ホスト・システムがあれば、データがホスト機器からのデータとソフトウエア３１内で統合される。従って、検出器が処理時間と表示をホスト機器と分担し合う。
【００６６】
金属製異物が人または動物上、またはその体内に位置付けされるような適用については、一般的にベースラインは上記適用例（Ａ）よりも小さくなければならない。一般的に、この場合のベースラインは１−５センチメートルとなる。本発明は医療チューブの位置付けの適用例、ＷＯ９５／０８１３０としてより正確な受信機としても作用する。
（Ｃ）安全適用例
この装置の使用できる他の適用例に、飛行場で使用されるような安全システムがある。慣例的に、通り抜けアーチウエイ式検出器が使用され、通過する人が着けているか、または所持している金属の有無を検出する。金属のより正確な位置付けのために、手持ち式検出器が人体近くを通せる必要がある。本発明はより正確に金属物体の位置付けをすることが可能で、従って、あまり侵入的でない検出手段を提供できる。米国特許第５，４９８，９５９号は、ターゲットを広い区域に特定付けるとともに、複数ターゲットを同時に処理できる改善されたアーチウエイ式金属検出器を開示している。本発明は、複数のターゲットをより正確に位置付けし、かつ、有効なレベルでの弁別を提供する。
【００６７】
他の安全適用例には、刑務所／施設での隠れた皮下注射針の探索、および隠されたワイヤの位置付けが含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 既知のパルス−誘導（ｐ−ｉ）金属検出器の概略図。
【図２】 既知の持続波（ｃ／ｗ）金属検出器の概略図。
【図３】 本発明に使用できる勾配測定用コイルの実施例の概略図。
【図４】 コンピュータ処理前の勾配測定用コイルからの出力を増幅し、位相感知検出するのに使用できる装置のブロック図。
【図５（ａ）および図５（ｂ）】 印加された磁界中で異なる直交方向を向いている金属コインを示す図。
【図６】 埋没した金属物体を位置付けし、特徴付けるために使用できる本発明の実施例を示す図。
【図７】 人または動物の体内にある金属製異物を位置付けするために使用できる本発明の実施例を示す図。

Claims (36)

1. 検出されるべき金属物体の近傍中に磁界（３；１６）を発生させることによって金属物体内に電流（６２）を誘導させ、この誘導電流（６２）によって二次磁界（５；１８）を発生させる送信機手段（２１；３０）と；
   二次磁界（５；１８）を検出する検出手段（５０）と；
   を具備する装置であって、
   前記検出手段（５０）が、該検出手段の位置と方向が時間とともに変化すれば、二つ以上の位置または二つ以上の時間において、二次磁界（５；１８）の少なくとも第１オーダーの少なくとも三つの磁界勾配を測定する手段を備えており、
   前記装置は、測定された第１オーダーの磁界勾配要素から金属物体の正確な３次元位置または電磁断面または形状の推定の少なくとも一つを決定するための処理手段を備えており、
   前記装置は、測定された磁界勾配要素中のオフセットを適応的に補正するための適応信号処理手段から成ることを特徴とする形状、電磁断面および位置を有する金属物体を検出する装置。
2. パルス状磁界を発生するための手段からなる請求項１に記載の装置。
3. 交番磁界を発生するための手段からなる請求項１に記載の装置。
4. 少なくとも第１オーダーの少なくとも五つの磁界勾配要素を測定するための手段（７０−７４）からなり、さらに二次磁界の一つまたはそれ以上の要素を測定するための検知手段からなる請求項１に記載の装置。
5. 前記検知手段がコイル、ＳＱＵＩＤ、フラックスゲート、ホール・プローブ、磁気抵抗デバイスまたは磁気インピーダンス・デバイスのいずれの一つからなる請求項４に記載の装置。
6. 前記金属物体の正確な３次元位置または電磁断面または形状の推定の少なくとも一つを決定するように、前記処理手段が一つまたはそれ以上の標準的ダイポール源に対して最小２乗フィッティングを行うことを含んでいる請求項１に記載の装置。
7. 前記金属物体の正確な３次元位置または電磁断面または形状の推定の少なくとも一つを決定するように、前記処理手段が多極磁気源に対して最小２乗フィッティングを行うことを含んでいる請求項１に記載の装置。
8. 前記金属物体の正確な３次元位置または電磁断面または形状の推定の少なくとも一つを決定するように前記処理手段が拡張源モジュールに対して最小２乗フィッティングを行うことを含んでいる請求項１に記載の装置。
9. 第２オーダーの少なくとも三つの磁界勾配要素を測定するための手段からなる請求項１に記載の装置。
10. 少なくとも３対の勾配測定用受信機コイル（７０−７４）からなり、各対が異なる第１オーダーの磁界勾配要素を検出し、勾配測定用コイル対の各々がベースラインｄを有している請求項１に記載の装置。
11. ＳＱＵＩＤ、フラックスゲート、ホール・プローブ、磁気抵抗デバイスまたは磁気インピーダンス・デバイスのいずれか一つの少なくとも三つの対からなり、各対が異なる第１オーダーの磁界勾配要素を検出し、対の各々がベースラインｄを有している請求項１に記載の装置。
12. 地表の下に埋没した金属物体を位置付けするための請求項１０または１１に記載の装置。
13. 地表の下に埋没した金属物体の形状および組成の推定を特徴付けるか、または推定するための請求項１０または１１に記載の装置。
14. 人または動物上またはその体内にある金属物体を位置付けする請求項１０または１１に記載の装置。
15. 人または動物上またはその体内にある金属物体の形状および組成の推定を特徴付けるか、または推定するための請求項１０または１１に記載の装置。
16. 壁、床または天井の内部または背後にある金属物体を位置付けするための請求項１０または１１に記載の装置。
17. 壁、床または天井の内部または背後にある金属物体の形状の推定を特徴付けるか、または推定するための請求項１０または１１に記載の装置。
18. ホスト・システムをさらに含み、このホスト・システムが超音波スキャニング装置またはＸ線イメージング装置のいずれか一つである請求項１４または１５に記載の装置。
19. 前記送信機手段（２１;３０）が、パルス電流源（１）または交流源（１５；２２）からなり、また少なくとも一つの送信機コイルをさらに含む請求項１に記載の装置。
20. 少なくとも二つの送信機コイル（２１）からなり、二つのまたはそれ以上の送信機コイル（２１）が実質上直交する方向に磁界を発生する請求項１９に記載の装置。
21. 前記送信機手段が少なくとも二つの周波数を発生するように構成されている請求項１９に記載の装置。
22. 前記処理手段が、所定の判断規準を導入して、関心のない金属物体の検出を防ぐ弁別手段を提供する手段（２８）を含む請求項１に記載の装置。
23. 前記処理手段が所定の判断規準を導入して、関心のある金属物体の選択的検出をする弁別手段を提供する手段（２８）を含む請求項１または請求項２２に記載の装置。
24. 前記検出手段（５０）が、三つまたはそれ以上の磁界勾配要素に対応する少なくとも三つの出力を発生し、さらに三つまたはそれ以上の勾配出力と、送信機手段によって発生された磁界との間の相対位相を検出する位相検出手段（２５）からなり、この相対位相が、異なるタイプの金属物体間の弁別手段または付加的弁別手段を提供する請求項１に記載の装置。
25. 複数の検知手段を組み込んだホスト機器を含む、人又は動物上又は体内の金属物体を検出するのに好適な検出システムであり、少なくとも一つの前記センサ手段が、形状、電磁断面又は位置を有する金属物体を検出するための装置を含み、前記装置が、
    検出されるべき金属物体の近傍中に磁界（３；１６）を発生させることによって金属物体内に電流（６２）を誘導させ、この誘導電流（６２）によって二次磁界（５；１８）を発生させる送信機手段（２１；３０）と；
    磁界勾配測定用受信機コイル（７０−７４）、ＳＱＵＩＤ、フラックスゲート、ホール・プローブ、磁気抵抗デバイスまたは磁気インピーダンス・デバイスのいずれか一つの少なくとも３対からなる検出手段であって、前記対の各々が、前記検出手段の位置と方向が時間とともに変化すれば、二つ以上の位置または二つ以上の時間において、二次磁界の少なくとも１次オーダの異なる磁界勾配要素を測定し、対の各々がベースラインｄを有する、二次磁界（５；１８）を検出する前記検出手段（５０）と；
    測定された少なくとも第１オーダの磁界勾配要素から金属物体の正確な３次元位置、電磁断面又は形状の推定の少なくとも一つを決定するための処理手段であって、金属物体を検出するための装置からのデータが、ホスト機器内に組み込まれた他の検知手段からのデータと組み合わされる処理手段と、
    測定された磁界勾配要素におけるオフセットを適応的に補正するための適応信号処理手段と
    を具備することを特徴とするシステム。
26. ホスト機器に組み込まれた検知手段が、超音波スキャニングまたはＸ線イメージング装置のいずれか一つを含む請求項２５記載のシステム。
27. (i)検出されるべき金属物体の近傍中に磁界（３；１６）を発生させる工程において、磁界（３；１６）がパルス磁界または交番磁界のいずれか一方であり、これによって金属物体内に電流（６２）を誘導させ、この誘導電流（６２）が二次磁界（５；１８）を発生させる工程と；
    (ii)二次磁界（５；１８）を検出する検出工程と；
    を含む形状、電磁断面および位置を有する金属物体を検出する方法であって、この方法がさらに；
    (iii)検出手段の位置と方向が時間とともに変化すれば、二つ以上の位置または二つ以上の時間において、二次磁界の少なくとも第１オーダーの少なくとも三つの磁界勾配要素を測定する工程と；
    (iv)処理手段を使用して測定された磁界勾配要素から金属物体の位置、電磁断面または形状の推定の少なくとも一つを決定する工程と；
    (v)適応信号処理手段を使用して、測定された磁界勾配要素のオフセットを適応的に補正する工程とを含んでいることを特徴とする形状、電磁断面および位置を有する金属物体を検出する方法。
28. 前記金属物体の正確な３次元位置または電磁断面または形状の推定の少なくとも一つを決定するように前記処理手段内で一つまたはそれ以上の標準的ダイポール源に対して最小２乗フィッティングを適用する工程をさらに含んでいる請求項２７に記載の方法。
29. 前記金属物体の正確な３次元位置または電磁断面または形状の推定の少なくとも一つを決定するように前記処理手段内でマルチポール源に対して最小２乗フィッティングを適用する工程をさらに含んでいる請求項２７に記載の方法。
30. 前記金属物体の正確な３次元位置または電磁断面または形状の推定の少なくとも一つを決定するように前記処理手段内で拡張源モジュールに対して最小２乗フィッティングを適用する工程をさらに含んでいる請求項２７に記載の方法。
31. 所定の判断規準を処理手段に導入して、関心のない金属物体の検出を防ぐ弁別手段を提供する工程を含む請求項２７に記載の方法。
32. 所定の判断規準を処理手段に導入して、関心のある金属物体の選択的検出をする弁別手段を提供する工程を含む請求項２７または請求項３１に記載の方法。
33. (i)検出されるべき金属物体の近傍中に磁界（３；１６）を発生させる工程において、磁界（３；１６）がパルス磁界または交番磁界のいずれか一方であり、これによって金属物体内に電流（６２）を誘導させ、この誘導電流（６２）が二次磁界（５；１８）を発生させる工程と；
    (ii)二次磁界（５；１８）を検出する検出工程と；
    (iii)検出手段の位置と方向が時間とともに変化すれば、二つ以上の位置または二つ以上の時間において、二次磁界の少なくとも第１オーダーの少なくとも三つの磁界勾配要素を測定する工程と；
    (iv)処理手段を使用して測定された磁界勾配要素から金属物体の正確な３次元位置、電磁断面または形状の推定の少なくとも一つを決定する工程と；
    (v)少なくとも一つの追加の検知手段を使用して、人又は動物の体をモニターする工程と；
    (vi)処理手段によって発生されたデータを少なくとも一つの追加の検知手段からのデータと統合する工程と；
    (vii)適応信号処理手段を使用して、測定された磁界勾配成分要素のオフセットを適応的に補正する工程と；
    を含むことを特徴とする形状、電磁断面および位置を有する金属物体を検出する方法。
34. 前記少なくとも一つの追加の検知手段が超音波スキャニング装置又はＸ線イメージング装置の何れか一方を含む請求項３３記載の方法。
35. 検出されるべき金属物体の近傍中に磁界（３；１６）を発生させることによって金属物体内に電流（６２）を誘導させ、この誘導電流（６２）によって二次磁界（５；１８）を発生させる送信機手段（２１；３０）と；
    二次磁界（５；１８）を検出する検出手段（５０）と；
    を具備する装置であって、
    二次磁界（５；１８）の少なくとも第１オーダーの少なくとも五つの磁界勾配および一つの磁界要素を測定する手段を備えており、
    前記装置は、測定された第１オーダーの磁界勾配要素から金属物体の正確な３次元位置または電磁断面または形状の推定の少なくとも一つを決定するための処理手段を備えており、
    前記装置は、測定された磁界勾配要素中のオフセットを適応的に補正するための適応信号処理手段から成ることを特徴とする形状、電磁断面および位置を有する金属物体を検出する装置。
36. (i)検出されるべき金属物体の近傍中に磁界（３；１６）を発生させる工程において、磁界（３；１６）がパルス磁界または交番磁界のいずれか一方であり、これによって金属物体内に電流（６２）を誘導させ、この誘導電流（６２）が二次磁界（５；１８）を発生させる工程と；
    (ii)二次磁界（５；１８）を検出する検出工程と；
    を含む形状、電磁断面および位置を有する金属物体を検出する方法であって、この方法がさらに；
    (iii)検出手段の位置と方向が時間とともに変化すれば、二つ以上の位置または二つ以上の時間において、二次磁界の少なくとも第１オーダーの少なくとも五つの磁界勾配要素および一つの磁界要素を測定する工程と；
    (iv)処理手段を使用して測定された磁界勾配要素から金属物体の正確な３次元位置、電磁断面または形状の推定の少なくとも一つを決定する工程と；
    (v)適応信号処理手段を使用して、測定された磁界勾配要素のオフセットを適応的に補正する工程とを含んでいることを特徴とする形状、電磁断面および位置を有する金属物体を検出する方法。

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