RO125738A0

RO125738A0 - Metodă şi traductor electromagnetic pentru determinarea condiţiilor de sol şi detectarea şi recunoaşterea obiectelor îngropate

Info

Publication number: RO125738A0
Application number: ROA200900935A
Authority: RO
Inventors: Raimond Grimberg; Adriana Savin
Original assignee: Institutul Naţional De Cercetare Dezvoltare Pentru Fizică Tehnică Iaşi
Priority date: 2009-11-16
Filing date: 2009-11-16
Publication date: 2010-09-30
Also published as: RO125738B1

Abstract

Invenţia se referă la o metodă şi la un traductor electromagnetic pentru determinarea condiţiilor de sol şi detectarea şi recunoaşterea obiectelor îngropate. Traductorul conform invenţiei este alcătuit dintr-o parte (A) de emisie, realizată sub forma unei bobine rectangulare spirale plane, care creează un câmp electromagnetic, şi o parte (B) de recepţie, formată dintr-o arie de (n x n) bobine identice, rectangulare echidistante, ale căror plane sunt perpendiculare pe planul bobinei (A) de emisie. Metoda pentru determinarea condiţiilor de sol şi detectarea şi recunoaşterea obietelor îngropate, conform invenţiei, constă din alimentarea părţii (A) de emisie a traductorului cu un curent electric alternativ, dând naştere astfel unui câmp electric relativ uniform, care este împrăştiat de neomogenităţile solului şi de obiectele îngropate, câmpul electric împrăştiat inducând tensiuni electrice alternative la bornele bobinelor părţii (B) de recepţie a traductorului, care sunt interogate periodic, tensiunile induse fiind măsurate în amplitudine şi fază.

Description

Dațadepozit

METODĂ ȘI TRADUCTOR ELECTROMAGNETIC PENTRU DETERMINAREA

CONDIȚIILOR DE SOL ȘI DETECTAREA ȘI RECUNOAȘTEREA OBIECTELOR

ÎNGROPATE

Invenția se referă la un traductor electromagnetic și la o metodă de procesare de semnal pentru determinarea condițiilor de sol și pentru detectarea și caracterizarea obiectelor îngropate.

Pentru determinarea condițiilor din sol și detectarea obiectelor îngropate se cunoaște aparatul și metoda de detectare a câmpurilor magnetice slabe induse utilizând două bucle concentrice de emisie (I.J.Won, „Apparatus and method for detecting a weak induced magnetic fîeld by means of two concentric transmitter loops” - patent no. 5,557,206 - sept. 17, 1996). Aparatul utilizează pentru generarea câmpului electromagnetic un sistem de două bucle circulare concentrice care crează câmpuri magnetice de sens opus în zona centrală apropiată de axa bobinelor unde este amplasată o bobină de recepție de mici dimensiuni. Semnalul indus în bobina de recepție este datorat, în mare parte, câmpului electromagnetic împrăștiat de neomogenitățile din sol și de obiectele îngropate. Metoda propusă constă în măsurarea componentelor în fază și în cvadratură de fază ale semnalului indus în bobina de recepție și compararea acestora cu valori obținute prin calcule matematice.

Este de asemenea cunoscută o metodă complexă de localizare a obiectelor îngropate în sol în care se utilizează mai multe tipuri de sensori care se îngroapă în sol pe durata examinărilor cum ar fi sensori de rezistivitate a solului, de temperatură, de densitate, etc. (S.F. Takach, „Soil and time modeling for improved electromagnetic locators for underground Utilities” - Pub. No. US 2006/0109007 Al Pub. Date. May 25, 2006). Se consideră că cel puțin un semnal electromagnetic recepționat este datorat obiectului îngropat, care generează

009-00935-1 ⁰ ίγ zujS în vecinătate un câmp electromagnetic ce depinde de proprietățile solului puse în evidență de senzorii îngropați.

Dezavantajele principale ale traductorilor și metodelor cunoscute constau în: raport semnal/zgomot redus, ceea ce conduce la o sensibilitate mică și o influență puternică a factorilor de mediu extern cum ar fi temperatura și necesitatea utilizării unor curenți electrici alternativi intenși de ordinul sutelor de amperi, prin buclele de emisie ceea ce crește puterea surselor de alimentare și face ca aparatul să fie dificil de manevrat în timpul utilizării; necesitatea de a folosi și alți sensori care trebuie îngropați în timpul măsurătorilor și care furnizează informații despre sol doar local, în timp ce, ca urmare a baleiajului regiunii de examinat, traductorul electromagnetic se poate găsi într-o cu totul alta zonă, în care nu sunt accesibile datele necesare; metode de procesare de semnal dificile care nu conduc la îmbunătățirea sensibilității și a preciziei de localizare a obiectelor îngropate.

Traductorul pentru determinarea condițiilor de sol și detectarea și recunoșterea obiectelor îngropate, conform invenției, este de tip emisie recepție. Partea de emisie este formată dintr-o bobină rectangulară spirală plată (A) bobinată cu pas constant. Partea de recepție (B) este formată dintr-o arie de (n x n) bobine rectangulare echidistante ([1,1], [1,2], ..., [l,n]; ..., [n,l], [n,2], ...., [n,n]). Bobina de emisie este alimentată cu un curent electric alternativ cu frecvența în gama de la sute de hertzi la sute de kilohertzi și intensități efective între sute de miliamperi și amperi. Bobinele care formează aria de recepție sunt interogate periodic, măsurându-se amplitudinea și faza tensiunii electromagnetice induse în acestea. Dispunerea bobinelor din aria de recepție face ca tensiunea electromotoare indusă în acestea ca urmare a câmpului generat de partea de emisie să fie minimă.

Traductorul este deplasat cu o viteză relativ constantă pe perioada de interogare (intervalul de timp dintre două măsurători succesive pe aceeași bobină a ariei, trebuie să fie corelat cu aceasta pentru asigurarea unui balieiaj complet). Pe intervalul de timp în care o c^2 0 0 9 - 0 0 9 3 5 ’bobină de recepție este interogată se măsoară amplitudinea și faza tensiunii electromotoare induse în aceasta, astfel încât semnalul furnizat de o bobină de recepție [k,l] cu k=l,2,...,n; 1=1,2,...,n, se poate scrie:

u[k,l] = A[k,l]e^J<p^ (1) unde A[k,l] reprezintă amplitudinea tensiunii electromotoare induse în bobina de recepție [k,l], φ [A,/] reprezintă faza tensiunii electromotoare induse în aceeași bobină de recepție, e este baza logaritmului natural iar j=V-4 .

Se construiește o matrice de pondere cu valori complexe w [Λ, Z] scrisă sub forma (2) astfel încât z^ =u[k,l]w[k,l] = const. (3) unde este semnalul de ieșire condiționat furnizat de bobina indexată [k,l] pentru k=l,2,...,n și 1= l,2,...,n atunci când traductorul este plasat pe o zona de sol perfect omogenă.

Rolul matricii de pondere este acela de a asigura că semnalele furnizate de bobinele ariei sunt aproximativ egale atunci când un obiect metalic de foarte mici dimensiuni se găsește îngropat în sol exact sub oricare bobină din aria de recepție.

Se definește matricea de sensibilitate a ariei sub forma:

Ă = w*w^H (4) unde w^H reprezintă hermitica matricei w adică transpus conjugata matricei w.

Se definește matricea de autocorelație a răspunsului condiționat a ariei de senzori 4=1*7 (5) unde z^H reprezintă hermitica matricei z .

(%- 2 Ο Ο 9 - Ο Ο 9 3 5 - 1 6 -11- 2009

Se definește matricea S ca fiind

5=2 + (^+2^+2⁷⁷ (6)

Metoda de super rezoluție propusă localizează obiectul îngropat, cu proprietăți electromagnetice diferite de cele ale solului, sub bobina ariei pentru care produsul 5*5^ este maxim.

Se dă în continuare un exemplu de realizare a invenției pentru cazul n=5 (o arie de recepție formata din 5x5 bobine) în legătură cu figurile care reprezintă:

figura 1 Schema traductorului figura 2 Schema de conexiuni a traductorului.

Traductorul, conform invenției, conține o parte de emisie formată dintr-o bobină rectangulară spirală plană (A) care crează, atunci când este conectată la o sursă de curent alternativ, un câmp electromagnetic cu distribuția spațială relativ uniformă. Partea de recepție (B) conține o arie formată din 5x5 bobine de recepție. Planele bobinelor de recepție sunt perpendiculare pe planul bobinei de emisie, astfel încât tensiunea electromotoare indusă la bornele acestora datorită câmpului electromagnetic generat de partea de emisie să aibă amplitudine mică.

Traductorul poate fi montat pe un suport dielectric a cărui permitivitate dielectrică relativa trebuie să fie apropiată de cea a solului. Rezistivitatea electrică a suportului trebuie să fie cât mai mare posibilă.

Partea de emisie a traductorului (A) se alimentează cu un curent electric alternativ furnizat de un generator de funcții (GF) amplificat cu ajutorul unui amplificator de putere (AP). Partea de emisie astfel alimentată generează un câmp electromagnetic incident. Acest câmp este împrăștiat pe neomogenitățile din sol (pânză de apă freatică, obiecte metalice îngropate, goluri și galerii, porțiuni de roci, etc.) inducând în bobinele ariei care formează partea de recepție (B) o tensiune electromotoare. Bobinele de recepție din arie sunt interogate

Ο ο 9 - Ο Ο 9 3 5 - 1 b -11- 2009 periodic prin conectarea terminalelor lor la un multiplexor analogic (MA). Semnalul de ieșire a multiplexorului analogic (MA) este aplicat la intrarea unui amplificator lock-in (AL), semnalul de referința fiind în fază cu curentul prin bobina de emisie (A), el reprezentând tensiunea de la bornele rezistenței R, conectată în serie cu partea de emisie (A). Amplificatorul lock-in (AL) furnizează două valori și anume amplitudinea tensiunii electromotoare induse și faza acesteia. Prin intermediul unei fețe de instrumentație (II) se reglează frecvența și amplitudinea semnalului furnizat de generatorul de funcții (GF) precum și momentele și durata de timp la care sunt interogate bobinele de recepție din arie. Durata de timp de interogare trebuie să fie mai mare decât de 10 ori perioada curentului alternativ prin bobina de emisie. Momentele de timp la care bobina de recepție din arie sunt interogate se corelează cu viteza de deplasare a traductorului electromagnetic care baleiază suprafața de examinat a solului.

Calculele matematice legate de metoda pentru determinarea condțiilor de sol care permite detectarea și recunoșterea obiectelor îngropate se pot efectua pe același calculator (PC). Matricea de pondere precum și cea de sensibilitate pot fi calculate pentru fiecare tip de sol în parte, valorile fiind stocate în memoria calculatorului personal pentru a reduce timpul de operare și cel de calcul.

Claims

^-2009-00935-1 6 -η- 2009

REVENDICĂRI

1. Traductor electromagnetic pentru determinarea condițiilor din sol și de detectare a obiectelor îngropate caracterizat prin aceea că este alcătuit dintr-o parte de emisie realizată sub forma unei bobine rectangulare spirale plane (A) care crează câmpul electromagnetic si o parte de recepție (B) formată dintr-o arie de (n x n) bobine identice a căror plane sunt perpendiculare pe planul bobinei de emisie și care sunt interogate periodic, tensiunea indusă în acestea fiind detectată în amplitudine și fază.
2. Metodă pentru determinarea condițiilor din sol care permite detectarea și recunoașterea obiectelor îngropate caracterizată prin aceea că este o metodă de procesare de semnal de tip super rezoluție care se aplică semnalelor furnizate de bobinele ariei de sensori care formează partea de recepție a traductorului de la revendicarea 1.