RU2276391C2

RU2276391C2 - Amplitude-phase method for detecting metal-containing objects and radio-frequency or uhf metal detector for realization of said method

Info

Publication number: RU2276391C2
Application number: RU2004121643/28A
Authority: RU
Inventors: Владимир Николаевич Легкий (RU); Владимир Николаевич Легкий; Борис Евгеньевич Беланов (RU); Борис Евгеньевич Беланов; Екатерина В чеславовна Плешакова (RU); Екатерина Вячеславовна Плешакова; Любовь Васильевна Шебалкова (RU); Любовь Васильевна Шебалкова
Original assignee: Владимир Николаевич Легкий; Борис Евгеньевич Беланов; Екатерина Вячеславовна Плешакова; Любовь Васильевна Шебалкова
Priority date: 2004-07-14
Filing date: 2004-07-14
Publication date: 2006-05-10
Also published as: RU2004121643A

Abstract

FIELD: engineering of metal detectors for use in criminalistics, archeology, control during examinations and the like.

SUBSTANCE: method includes emitting alternating electromagnetic field by means of adjustable generator, loaded on antenna. On appearance of search subject, re-emitted signal appears, different from emitted one by amplitude and phase, synchronizing adjustable generator. Metal detector contains antenna, oscillating contour, adjustable generator, first integrator for forming discontinuous generation of adjustable generator, as which radio-frequency or UHF generating detector is utilized. Phase channel contains normalizing device, balance mixer, second, third, fourth and fifth integrators, first comparator, two indicators. Amplitude channel has amplitude detector, integrator, comparator, two indicators.

EFFECT: increased sensitivity, resolution capacity, resistance to interference, possible automatic adjustment of activation threshold.

2 cl, 2 dwg

Description

Используется в металлодетекторах для обнаружения локальных неоднородностей в виде металлических и металлосодержащих предметов ограниченных размеров из ферромагнитных и немагнитных металлов. Например, искрообразующие предметы в сырье (в тюках хлопка на х/б комбинатах), оружие под одеждой человека, люки канализации и телефонные колодцы под слоем снега. Применение амплитудно-фазового способа обнаружения металлосодержащих объектов и радиочастотного (или СВЧ) металлодетектора позволяет обнаруживать не только цельные металлические тела, но и сыпучие материалы в виде опилок и солей металлов, что важно при угрозе терроризма. Так же амплитудно-фазовый способ обнаружения металлосодержащих объектов позволяет фиксировать движение металлического тела в любой непроводящей среде и пресной воде.It is used in metal detectors to detect local heterogeneities in the form of metal and metal-containing objects of limited size from ferromagnetic and non-magnetic metals. For example, sparking objects in raw materials (in cotton bales at cotton plants), weapons under human clothing, sewer hatches and telephone wells under a layer of snow. The use of the amplitude-phase method for detecting metal-containing objects and a radio-frequency (or microwave) metal detector makes it possible to detect not only solid metal bodies, but also bulk materials in the form of sawdust and metal salts, which is important in the case of the threat of terrorism. Also, the amplitude-phase method for detecting metal-containing objects allows you to record the movement of a metal body in any non-conductive medium and fresh water.

Известен индукционный способ обнаружения объектов (А.Щедрин, Металлоискатели для поиска кладов и реликвий. - М.: "Арбат-Информ", 1998 г., 160 с., с.42-47), использующий возбуждение катушки переменным током. Появление вблизи датчика металлического объекта вызывает переизлучение сигнала от объекта (появление переизлученного сигнала), который наводит в катушке дополнительный электрический сигнал. Амплитуда переизлученного сигнала зависит от параметров объекта. Дополнительный сигнал детектируется, и далее по его амплитуде вырабатывается команда о наличии объекта поиска.There is a known induction method for detecting objects (A. Schedrin, Metal detectors for searching for treasures and relics. - M .: Arbat-Inform, 1998, 160 p., Pp. 42-47), using the excitation of the coil with alternating current. The appearance of a metal object near the sensor causes re-emission of the signal from the object (the appearance of a re-emitted signal), which induces an additional electrical signal in the coil. The amplitude of the re-emitted signal depends on the parameters of the object. An additional signal is detected, and then, by its amplitude, a command is generated about the presence of the search object.

Недостаток этого способа обнаружения заключается в том, что на катушку наводится не только полезный переизлученный от объекта поиска сигнал, но и проявляется любое изменение ее параметров за счет дестабилизирующих факторов, а так же помех амплитудного характера. Недостаточная чувствительность металлоискателя, работающего в низкочастотном диапазоне, определяется температурной нестабильностью параметров в системе.The disadvantage of this detection method is that not only a useful signal re-emitted from the search object is induced on the coil, but any change in its parameters is also manifested due to destabilizing factors, as well as amplitude-type interference. The insufficient sensitivity of the metal detector operating in the low-frequency range is determined by the temperature instability of the parameters in the system.

Наиболее близким решением, принятым за прототип, является метод биений (А.Щедрин, Металлоискатели для поиска кладов и реликвий. - М.: "Арбат-Информ", 1998 г., 160 с., с.36-42), который заключается в регистрации разности частот от двух генераторов - один из которых является стабильным по частоте, а другой содержит в своей частотозадающей цепи датчик - катушку индуктивности. Изначально частоты двух генераторов равны или очень близки по значению. При появлении металлического объекта вблизи катушки датчика происходит изменение реактивных параметров датчика и как следствие изменяется частота соответствующего генератора. Изменение разности частот генераторов регистрируется по частоте биений.The closest solution adopted for the prototype is the beating method (A. Schedrin, Metal detectors for the search for treasures and relics. - M .: Arbat-Inform, 1998, 160 p., Pp. 36-42), which consists in recording the frequency difference from two generators - one of which is stable in frequency, and the other contains a sensor in its frequency-setting circuit - an inductor. Initially, the frequencies of the two generators are equal or very close in value. When a metal object appears near the sensor coil, the sensor reactive parameters change and, as a result, the frequency of the corresponding generator changes. The change in the frequency difference of the generators is recorded by the beat frequency.

Недостатком данного способа обнаружение металлических объектов является эффект взаимной синхронизации двух генераторов, приводящий к невозможности измерения разности частот с точностью до фазы переизлученного сигнала, недостаточная чувствительность и помехоустойчивость вследствие работы в области низких частот.The disadvantage of this method of detecting metal objects is the effect of mutual synchronization of two generators, which makes it impossible to measure the frequency difference accurate to the phase of the re-emitted signal, insufficient sensitivity and noise immunity due to work in the low-frequency region.

Устройство для реализации амплитудно-фазового способа обнаружения металлосодержащих объектов - радиочастотный (или СВЧ) металлодетектор.A device for implementing the amplitude-phase method for detecting metal-containing objects is a radio frequency (or microwave) metal detector.

Известен индукционный балансный металлодетектор с инверсной дискриминацией (US 4024468, 17.05.1977), содержащий приемную и передающую катушки, радиочастотный генератор, дискриминатор, демодулятор, импульсный генератор, усилитель, компаратор.Known induction balanced metal detector with inverse discrimination (US 4024468, 05.17.1977), containing the receiving and transmitting coils, radio frequency generator, discriminator, demodulator, pulse generator, amplifier, comparator.

Недостатком этого устройства является низкая помехоустойчивость к амплитудным низкочастотным помехам вследствие работы в области низких частот (менее 100 кГц) и за счет амплитудного метода обработки переизлученного сигнала.The disadvantage of this device is the low noise immunity to amplitude low-frequency noise due to work in the low frequency region (less than 100 kHz) and due to the amplitude method of processing the re-emitted signal.

Наиболее близким решением, принятым за прототип, является универсальный металлоискатель ("Шпионские штучки-2" или как сберечь свои секреты. - СПб.: Полигон, 1997. - 272 с., ил., С.174-175), состоящий из антенны, колебательного контура, эталонного генератора, перестраиваемого генератора, смесителя, фильтра НЧ и звукового индикатора.The closest solution adopted for the prototype is a universal metal detector ("Spy things-2" or how to keep your secrets. - St. Petersburg: Polygon, 1997. - 272 p., Ill., S.174-175), consisting of an antenna , oscillatory circuit, reference generator, tunable generator, mixer, low-pass filter and sound indicator.

Недостатком данного устройства является невозможность выделять низкочастотные сигналы, получать информацию об объекте поиска с точностью до фазы. Вследствие эффекта взаимной синхронизации двух генераторов не удается обеспечить требуемую дальность обнаружения.The disadvantage of this device is the inability to select low-frequency signals, to obtain information about the search object accurate to phase. Due to the effect of mutual synchronization of the two generators, it is not possible to provide the required detection range.

Решаемая настоящим изобретением задача заключается в создании амплитудно-фазового способа обнаружения металлосодержащих объектов, что позволяет повысить чувствительность, разрешающую способность, уменьшить влияние помех от внешних электрических и электронных устройств, осуществить автоматическую настройку порога срабатывания при выбранных условиях измерений.The problem solved by the present invention is to create an amplitude-phase method for detecting metal-containing objects, which allows to increase the sensitivity, resolution, reduce the influence of interference from external electrical and electronic devices, to automatically configure the response threshold under the selected measurement conditions.

Поставленная техническая задача решается тем, что в известный способ обнаружения металлосодержащих объектов, согласно которому посредством перестраиваемого генератора (выполняющего роль генерирующего детектора), нагруженного на антенну, излучается первичное переменное электромагнитное поле, которое переизлучается от объекта поиска и наводится на перестраиваемый генератор как полезный преобразованный сигнал, отличающийся от первичного амплитудой и фазой, по которому судят о факте присутствия в исследуемой среде скрытых объектов, дополнительно введена обработка по двум каналам, в фазовом канале: сигнал с перестраиваемого генератора после нормирования по амплитуде смешивается с сигналом гетеродина, управляемого по частоте, в балансном смесителе, охваченном петлею автоподстройки частоты, сигнал с которого после интегрирования и усиления сравнивается с порогом срабатывания, соответствующим фазовому сдвигу, близкому к нулю; в амплитудном канале: полезный преобразованный сигнал детектируется в амплитудном детекторе, выделяется постоянная составляющая, которая сравнивается с пороговым значением, соответствующим уровню постоянной составляющей при отсутствии объекта поиска, и по результатам сравнения в двух каналах судят о наличии объекта.The stated technical problem is solved in that in a known method for detecting metal-containing objects, according to which, by means of a tunable generator (acting as a generating detector) loaded on the antenna, a primary alternating electromagnetic field is emitted, which is reradiated from the search object and is aimed at the tunable generator as a useful converted signal , differing from the primary in amplitude and phase, according to which the fact of the presence of hidden objects in the medium under investigation is judged, additionally, processing has been introduced along two channels, in the phase channel: the signal from the tunable generator, after amplitude normalization, is mixed with the frequency-controlled local oscillator signal in a balanced mixer covered by a self-tuning frequency loop, the signal from which, after integration and amplification, is compared with the response threshold corresponding to a phase shift close to zero; in the amplitude channel: a useful converted signal is detected in the amplitude detector, a constant component is extracted, which is compared with a threshold value corresponding to the level of the constant component in the absence of a search object, and the presence of the object is judged by the results of comparison in two channels.

Технический результат заявляемого технического решения:The technical result of the proposed technical solution:

- повышение чувствительности и разрешающей способности по дальности за счет использования радиочастотного или СВЧ диапазонов волн;- increased sensitivity and resolution in range due to the use of radio frequency or microwave wave bands;

- исключение влияния низкочастотных помех и помех амплитудного характера, обусловленных наводками от работы электротехнических систем;- elimination of the influence of low-frequency interference and amplitude interference caused by interference from the operation of electrical systems;

- исключение влияния эффекта взаимной синхронизации генераторов в процессе обнаружения на работу системы;- elimination of the effect of the effect of mutual synchronization of generators in the process of detection on the operation of the system;

- исключение получения ложной информации, обусловленной влиянием ложных объектов.- the exception of obtaining false information due to the influence of false objects.

Сущность изобретения: излучается переменное электромагнитное поле посредством перестраиваемого генератора, нагруженного на антенну (колебательный контур). При отсутствии отражающего объекта излучаемый сигнал перестраиваемого генератора (представляющего собой генерирующий детектор) является радиочастотным или СВЧ сигналом в установившемся режиме, для которого выполняется баланс фаз и амплитуд. Этому режиму соответствует определенное значение напряженности излучаемого поля: Е_изл=К₁·cos(ω₀t), где K₁ - коэффициент характеризующий мощность излучаемого сигнала, ω₀ - частота генерируемых колебаний при отсутствии объекта поиска. При появлении в зоне излучаемого сигнала, создаваемого перестраиваемым генератором, объекта поиска в антенне появляется переизлученный сигнал:The essence of the invention: an alternating electromagnetic field is emitted by means of a tunable generator loaded on an antenna (oscillatory circuit). In the absence of a reflecting object, the emitted signal of a tunable generator (which is a generating detector) is a radio frequency or microwave signal in the steady state, for which a balance of phases and amplitudes is performed. This mode corresponds to a certain value of the radiated field strength: E _rad = K ₁ · cos (ω ₀ t), where K ₁ is the coefficient characterizing the power of the radiated signal, ω ₀ is the frequency of the generated oscillations in the absence of the object of search. When a radiated signal generated by a tunable generator appears in the zone, the search object in the antenna re-emitted signal appears:

который через колебательный контур поступает на перестраиваемый генератор (генерирующий детектор). К₂ - коэффициент характеризующий мощность переизлученного сигнала, с - скорость распространения электромагнитных колебаний, R - расстояние от датчика до объекта поиска, φ_{переизлуч} - фазовый сдвиг, возникший при взаимодействии объекта поиска и датчика.

which through the oscillating circuit enters the tunable generator (generating detector). K ₂ is a coefficient characterizing the power of the re-emitted signal, c is the propagation velocity of electromagnetic waves, R is the distance from the sensor to the search object, φ _re-radiation is the phase shift that occurred during the interaction of the search object and the sensor.

Таким образом на нем будут действовать два сигнала: излучаемый и переизлученный.Thus, two signals will act on it: emitted and re-emitted.

В результате нелинейного взаимодействия этих сигналов в новом установившемся режиме вырабатывается сигнал, отличающийся амплитудой и фазой от излучаемого сигнала при отсутствии объекта поиска. Это изменение параметров излучаемого сигнала под воздействием переизлученного сигнала можно представить как полезный преобразованный сигнал. Таким образом, при взаимодействии с объектом поиска переизлученный сигнал навязывает перестраиваемому генератору свою частоту и определенную фазу, т.е. в данной автоколебательной системе, образованной перестраиваемым генератором и объектом поиска, в любой момент времени можно представить, что существуют два сигнала одной частоты (излучаемый и переизлученный), но отличающихся амплитудой и фазой (Е_{переизлуч} и Е_изл).As a result of the nonlinear interaction of these signals in a new steady state, a signal is generated that differs in amplitude and phase from the emitted signal in the absence of a search object. This change in the parameters of the emitted signal under the influence of the re-emitted signal can be represented as a useful converted signal. Thus, when interacting with the search object, the re-emitted signal imposes its frequency and a certain phase on the tunable generator, i.e. in this self-oscillating system formed by a tunable generator and a search object, at any time, one can imagine that there are two signals of the same frequency (emitted and re-emitted), but differing in amplitude and phase (E _reradiation and E _rad ).

Переизлученный сигнал имеет определенную амплитуду и фазу, значения которых зависят от отражающих свойств объекта поиска и расстояния от антенны перестраиваемого генератора до объекта поиска. Изменение амплитуды и фазы переизлученного сигнала приводит к изменению амплитуды и фазы полезного преобразованного сигнала, что сопровождается изменением частоты генерации перестраиваемого генератора. Этот полезный преобразованный сигнал нормируется по амплитуде и смешивается с сигналом гетеродина, управляемого по частоте, в балансном смесителе, охваченном петлей автоподстройки частоты (ФАПЧ), непосредственно или с целью понижения частоты полученного сигнала после смешивания. При определенной разности частот сигнала гетеродина и полезного преобразованного сигнала происходит захватывание, т.е. взаимная синхронизация перестраиваемого генератора и гетеродина. В пределах полосы удержания амплитуда сигнала на выходе балансного смесителя пропорциональна фазовому сдвигу между результирующим сигналом и сигналом гетеродина. Эта разность фаз линейно пропорциональна постоянному напряжению, подаваемому на управитель частоты, т.о. определенная разность фаз соответствует определенному постоянному напряжению на управителе частоты. Одновременно полезный преобразованный сигнал анализируется по амплитуде в амплитудном канале - рассматривается приращение сигнала по отношению к уровню постоянной составляющей при отсутствии объекта поиска, что позволяет получать информацию об объекте поиска по двум признакам: амплитудному и фазовому.The reradiated signal has a certain amplitude and phase, the values of which depend on the reflective properties of the search object and the distance from the antenna of the tunable generator to the search object. A change in the amplitude and phase of the re-emitted signal leads to a change in the amplitude and phase of the useful transformed signal, which is accompanied by a change in the frequency of generation of the tunable generator. This useful converted signal is normalized in amplitude and mixed with the frequency-controlled local oscillator signal in a balanced mixer covered by a frequency lock loop (PLL), either directly or to lower the frequency of the received signal after mixing. At a certain frequency difference between the local oscillator signal and the useful converted signal, capture occurs, i.e. mutual synchronization of tunable oscillator and local oscillator. Within the confinement band, the amplitude of the signal at the output of the balanced mixer is proportional to the phase shift between the resulting signal and the local oscillator signal. This phase difference is linearly proportional to the constant voltage supplied to the frequency controller, i.e. a certain phase difference corresponds to a certain constant voltage on the frequency controller. At the same time, the useful converted signal is analyzed by amplitude in the amplitude channel - the signal is incremented relative to the level of the constant component in the absence of a search object, which allows you to obtain information about the search object by two criteria: amplitude and phase.

При данном способе обнаружения система способна выделить сигнал с разностью частот преобразованного сигнала и сигнала гетеродина с точностью до фазы, а так же уровень выходного сигнала для амплитудного канала.With this detection method, the system is capable of isolating a signal with a frequency difference between the converted signal and the local oscillator signal accurate to the phase, as well as the output signal level for the amplitude channel.

Для реализации амплитудно-фазового способа обнаружения металлосодержащих объектов предлагается радиочастотный (или СВЧ) металлодетектор, предназначенный для обнаружения металлических или металлосодержащих объектов, что позволяет повысить чувствительность, разрешающую способность, уменьшить влияние внешних помех от внешних электрических и электронных устройств, ложных объектов, осуществить автоматическую настройку порога срабатывания в реальных условиях обнаружения.To implement the amplitude-phase method for detecting metal-containing objects, we propose a radio-frequency (or microwave) metal detector designed to detect metal or metal-containing objects, which allows to increase sensitivity, resolution, reduce the influence of external noise from external electrical and electronic devices, false objects, and carry out automatic tuning response threshold in real conditions of detection.

Поставленная техническая задача решается тем, что в известное устройство обнаружения металлосодержащих объектов, содержащее последовательно соединенные антенну, колебательный контур, перестраиваемый генератор, балансный смеситель, а также гетеродин и первый индикатор, дополнительно введены: первый интегратор для создания прерывистой генерации перестраиваемого генератора, в качестве которого использован радиочастотный или СВЧ генерирующий детектор, нормирующее устройство, второй интегратор, усилитель постоянного тока, управитель частоты, третий, четвертый, пятый и шестой интеграторы, первый и второй компараторы, амплитудный детектор, второй и третий индикаторы, при этом выход перестраиваемого генератора соединен со входом нормирующего устройства, выходом соединенного со входом балансного смесителя, в качестве которого использован фазовый детектор, к другому входу которого подключен гетеродин, ко входу гетеродина подключен через управитель частоты третий интегратор, выход балансного смесителя соединен со входом второго интегратора, выход которого соединен со входом усилителя постоянного тока, выход усилителя постоянного тока объединен со входом третьего интегратора и соединен с общим входом четвертого и пятого интеграторов, выходы которых соединены со входами первого и второго индикаторов через первый компаратор, выход перестраиваемого генератора соединен со входом амплитудного детектора, выход которого соединен со входом шестого интегратора, выход которого соединен со входами третьего и четвертого индикаторов через второй компаратор.The stated technical problem is solved in that in the known device for detecting metal-containing objects, containing a series-connected antenna, an oscillating circuit, a tunable oscillator, a balanced mixer, as well as a local oscillator and a first indicator, the following are additionally introduced: the first integrator for creating discontinuous generation of a tunable generator, in which used radio frequency or microwave generating detector, standardizing device, second integrator, DC amplifier, controller frequency, third, fourth, fifth and sixth integrators, first and second comparators, an amplitude detector, second and third indicators, while the output of the tunable generator is connected to the input of the normalizing device, the output connected to the input of the balanced mixer, which is used as a phase detector, to to the other input of which the local oscillator is connected, a third integrator is connected to the input of the local oscillator through the frequency controller, the output of the balanced mixer is connected to the input of the second integrator, the output of which is connected to during the course of the DC amplifier, the output of the DC amplifier is combined with the input of the third integrator and connected to the common input of the fourth and fifth integrators, the outputs of which are connected to the inputs of the first and second indicators through the first comparator, the output of the tunable generator is connected to the input of the amplitude detector, the output of which is connected to the input of the sixth integrator, the output of which is connected to the inputs of the third and fourth indicators through the second comparator.

Представленный радиочастотный (или СВЧ) металлодетектор реализует соответствующий изобретению амплитудно-фазовый способ обнаружения металлосодержащих объектов, направлен на решение той же задачи и обеспечивает достижение того же технического результата, а именно повышение помехоустойчивости к низкочастотным амплитудным помехам, ложным объектам, повышение разрешающей способности по дальности, повышение эффективности обнаружения скрытых объектов поиска.The presented radio-frequency (or microwave) metal detector implements the amplitude-phase method of detecting metal-containing objects according to the invention, is aimed at solving the same problem and ensures the achievement of the same technical result, namely, increasing the noise immunity to low-frequency amplitude noise, false objects, increasing the resolution in range, Increased detection efficiency of hidden search objects.

Сущность изобретения: конструктивно датчик металлодетектора, представляющий собой кольцевую рамочную антенну (рамку), является одновременно колебательным контуром перестраиваемого генератора (генерирующего детектора) или может быть выполнен в виде щелевой антенны, подключенной к колебательному контуру перестраиваемого генератора. Объект поиска обладает электропроводностью, а в ряде случаев и магнитной проницаемостью. При появлении объекта поиска вблизи датчика, по которому протекает переменный электрический ток, создается первичное переменное электромагнитное поле, возбуждающее вихревые токи. В результате возникновения вихревых токов создается электромагнитное поле объекта поиска и в антенне датчика наводится переизлученный сигнал, за счет появления этого сигнала происходит изменение параметров датчика (электрических параметров антенны и как следствие изменение частоты перестраиваемого генератора). Переизлученный сигнал синхронизирует перестраиваемый генератор, навязывая ему определенную фазу и амплитуду, и затем сравнивается с сигналом гетеродина. Устройство для реализации амплитудно-фазового способа обнаружения металлосодержащих объектов - радиочастотный (или СВЧ) металлодетектор, принцип действия, которого поясняется чертежом, где на фиг.1 изображена его структурная схема.The inventive metal detector, which is an annular loop antenna (frame), is simultaneously an oscillating circuit of a tunable generator (generating detector) or can be made in the form of a slot antenna connected to the oscillatory circuit of a tunable generator. The search object has electrical conductivity, and in some cases magnetic permeability. When a search object appears near the sensor through which an alternating electric current flows, a primary alternating electromagnetic field is generated, which excites eddy currents. As a result of the occurrence of eddy currents, the electromagnetic field of the search object is created and a re-emitted signal is induced in the sensor antenna, due to the appearance of this signal, the sensor parameters change (electrical parameters of the antenna and, as a result, the frequency of the tunable generator). The re-emitted signal synchronizes the tunable generator, imposing a certain phase and amplitude on it, and then compares it with the local oscillator signal. A device for implementing the amplitude-phase method for detecting metal-containing objects is a radio frequency (or microwave) metal detector, the principle of operation, which is illustrated in the drawing, where Fig. 1 shows its structural diagram.

Радиочастотный (или СВЧ) металлодетектор состоит из антенны 1, колебательного контура 2, перестраиваемого генератора 3, первого интегратора 4, фазовый канал включает в себя: нормирующее устройство 5, балансный смеситель 6, второй интегратор 7, усилитель постоянного тока 8, гетеродин 9, управитель частоты 10, третий интегратор 11, четвертый интегратор 12, пятый интегратор 13, первый компаратор 14, первый индикатор 15, второй индикатор 16, амплитудный канал включает в себя: амплитудный детектор 17, шестой интегратор 18, второй компаратор 19, третий индикатор 20, четвертый индикатор 21.An RF (or microwave) metal detector consists of an antenna 1, an oscillating circuit 2, a tunable generator 3, a first integrator 4, a phase channel includes: a normalizing device 5, a balanced mixer 6, a second integrator 7, a DC amplifier 8, a local oscillator 9, a controller frequency 10, third integrator 11, fourth integrator 12, fifth integrator 13, first comparator 14, first indicator 15, second indicator 16, the amplitude channel includes: amplitude detector 17, sixth integrator 18, second comparator 19, third indicator 20, fourth indicator 21.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

При отсутствии объекта поиска: колебательный контур 2 обеспечивает начальную частоту, перестраиваемый генератор 3, работающий в режиме автомодуляции, вырабатывает радиочастотные или СВЧ колебания в виде импульсов с частотой следования равной частоте прерывистой генерации, которая создается первым интегратором 4 и зависит от его постоянной времени. Радиочастотные или СВЧ колебания через антенну 1 излучаются в окружающее пространство.In the absence of the object of search: the oscillatory circuit 2 provides the initial frequency, the tunable generator 3 operating in the self-modulation mode, generates radio-frequency or microwave oscillations in the form of pulses with a repetition rate equal to the frequency of discontinuous generation, which is created by the first integrator 4 and depends on its time constant. Radio frequency or microwave oscillations through the antenna 1 are emitted into the surrounding space.

Сигнал частоты прерывистой генерации, которая лежит в пределах нескольких МГц, поступает на нормирующее устройство 5 и на сигнальный вход балансного смесителя 6. На другой вход балансного смесителя 6 подается сигнал от гетеродина 9 с управителем частоты 10. Если разность частот гетеродина 9 и прерывистой генерации входит в полосу захватывания или достаточно близка к ней, то на выходе балансного смесителя 6 появляется постоянное напряжение, величина которого зависит от фазового сдвига между частотами. Это напряжение поступает на второй интегратор 7, затем усиливается усилителем постоянного тока 8 и поступает через третий интегратор 11 на управитель частоты 10 гетеродина 9, и изменяет его частоту до равенства с частотой прерывистой генерации. С выхода усилителя постоянного тока 8 сигнал через четвертый интегратор 12 или через пятый интегратор 13 поступает на первый компаратор 14, к выходу которого подключены первый индикатор 15 и второй индикатор 16.The signal of the frequency of discontinuous generation, which lies within a few MHz, is fed to the normalizing device 5 and to the signal input of the balanced mixer 6. The signal from the local oscillator 9 with the frequency controller 10 is supplied to the other input of the balanced mixer 6. If the frequency difference between the local oscillator 9 and the intermittent generation is included into the capture band or close enough to it, then a constant voltage appears at the output of the balanced mixer 6, the magnitude of which depends on the phase shift between the frequencies. This voltage is supplied to the second integrator 7, then amplified by a direct current amplifier 8 and supplied through the third integrator 11 to the frequency controller 10 of the local oscillator 9, and changes its frequency to equal the frequency of intermittent generation. From the output of the DC amplifier 8, the signal through the fourth integrator 12 or through the fifth integrator 13 is fed to the first comparator 14, the output of which is connected to the first indicator 15 and the second indicator 16.

В результате взаимодействия с объектом поиска в антенне 1 радиочастотного (или СВЧ) металлодетектора появляется переизлученный сигнал, который изменяет в некоторых пределах амплитуду и фазу колебаний в перестраиваемом генераторе 3. Кроме того, изменяется добротность колебательного контура 2, что сопровождается изменением частоты и фазы прерывистых колебаний перестраиваемого генератора 3, т.о. на его выходе при взаимодействии с объектом поиска изменяется амплитуда и частота сигнала, то есть информацию о наличии объекта поиска можно получать по двум признакам амплитудному и фазовому.As a result of interaction with the search object in the antenna 1 of the radio frequency (or microwave) metal detector, a re-emitted signal appears that changes the amplitude and phase of oscillations in the tunable generator 3 to some extent. In addition, the quality factor of the oscillation circuit 2 changes, which is accompanied by a change in the frequency and phase of intermittent oscillations tunable generator 3, i.e. at its output, when interacting with the search object, the amplitude and frequency of the signal change, that is, information about the presence of the search object can be obtained by two characteristics, amplitude and phase.

В результате воздействия на выходы балансного смесителя 6 нормированного по амплитуде сигнала прерывистой генерации и сигнала гетеродина 9 на его выходе появляется сигнал разностной частоты, изменяется постоянная составляющая напряжения на выходе второго интегратора 7 и поступает на усилитель постоянного тока 8, с выхода которого через третий интегратор 11 подается на управитель частоты и через гетеродин 9 на балансный смеситель 6. Изменение постоянного напряжения происходит до тех пор, пока частота гетеродина 9 практически с точностью до фазы станет равной частоте прерывистой генерации. Этот же сигнал сравнивается с порогом срабатывания первого компаратора 14. При взаимодействии радиочастотного (или СВЧ) металлодетектора с объектом поиска в зависимости от расстояния между ними напряжение на выходе усилителя постоянного тока 8 равно U₀ и по отношению к порогу срабатывания U_ПОР может принимать значения: U₀+ΔU>U_ПОР, U₀-ΔU<U_ПОР, ΔU=0, т.е. U₀=U_ПОР. Последнее соответствует фазовому сдвигу близкому к нулю. Ключи, например транзисторы с подключенными к ним световыми индикаторами, позволяют распознавать знак изменения фазы.As a result of exposure to the outputs of the balanced mixer 6, the amplitude-normalized intermittent generation signal and the local oscillator signal 9, a differential frequency signal appears at its output, the DC component of the voltage at the output of the second integrator 7 changes and enters the DC amplifier 8, from the output of which through the third integrator 11 fed to the frequency controller and through the local oscillator 9 to a balanced mixer 6. The change in constant voltage occurs until the frequency of the local oscillator 9 with an accuracy of phase becomes equal to the frequency of intermittent generation. The same signal is compared with the response threshold of the first comparator 14. When the radio-frequency (or microwave) metal detector interacts with the search object, depending on the distance between them, the voltage at the output of the DC amplifier 8 is equal to U ₀ and with respect to the response threshold U _POR can take values: U ₀ + ΔU> U _POR , U ₀ -ΔU <U _POR , ΔU = 0, i.e. U ₀ = U _POR . The latter corresponds to a phase shift close to zero. Keys, for example, transistors with light indicators connected to them, allow you to recognize the sign of a phase change.

(+) 0<φ<π - включается первый индикатор 15(+) 0 <φ <π - the first indicator 15 turns on

(-) π<φ<2π - включается второй индикатор 16(-) π <φ <2π - the second indicator 16 turns on

В окрестностях перехода через точки nπ, где n=0, 1, 2, 3 ... N (зона нечувствительности), включается второй индикатор 16.In the vicinity of the transition through the points nπ, where n = 0, 1, 2, 3 ... N (dead band), the second indicator 16 turns on.

Таким образом при взаимодействии радиочастотного (или СВЧ) металлодетектора с объектом поиска в результате изменения фазы результирующего сигнала будет происходить переключение индикаторов, что свидетельствует о наличии объекта поиска.Thus, when the radio frequency (or microwave) metal detector interacts with the search object as a result of a change in the phase of the resulting signal, the indicators will switch, which indicates the presence of the search object.

Независимо от формы и протяженности объекта поиска при входе радиочастотного (или СВЧ) металлодетектора в зону взаимодействия, в которой выходной сигнал превышает порог срабатывания первого компаратора 14 в результате изменения фазы результирующего сигнала, индикаторы первый 15 и второй 16 будут переключаться.Regardless of the shape and length of the search object, when the radio frequency (or microwave) metal detector enters the interaction zone, in which the output signal exceeds the response threshold of the first comparator 14 as a result of a change in the phase of the resulting signal, the first 15 and second 16 indicators will switch.

Количество фазовых циклов N будет определяться относительным изменением расстояния между объектом поиска и траекторией движения радиочастотного (или СВЧ) металлодетектора l и длиной волны λ:

где l_миним - минимальное расстояние между объектом поиска и траекторией движения радиочастотного (или СВЧ) металлодетектора, α - угол между касательной к траектории и направлением на объект поиска. Это же соотношение будет иметь место при выходе радиочастотного (или СВЧ) металлодетектора из зоны взаимодействия. При l=l_миним, т.е. α=π/2 будет сохраняться постоянная фаза и будет работать только один индикатор. Выходной сигнал при взаимодействии радиочастотного (или СВЧ) металлодетектора с объектом поиска для протяженного плоского объекта представлен на фиг.2, φ₀ будет определяться сдвигом фазы, обусловленным расстоянием l_миним и фазой коэффициента отражения от объекта поиска

(см. стр.5). Интервал с между этими последовательностями фазовых циклов позволяет судить о протяженности объекта поиска. Таким образом при движении радиочастотного (или СВЧ) металлодетектора относительно протяженного объекта поиска при входе и выходе диаграммы направленности антенны перестраиваемого генератора из области взаимодействия с объектом поиска будут иметь место скачки фазы, что позволяет определить примерные размеры объекта поиска.The number of phase cycles N will be determined by the relative change in the distance between the search object and the path of the radio frequency (or microwave) metal detector l and the wavelength λ:

where l _minim is the minimum distance between the search object and the trajectory of the radio frequency (or microwave) metal detector, α is the angle between the tangent to the trajectory and the direction to the search object. The same ratio will occur when the radio frequency (or microwave) metal detector leaves the interaction zone. For l = l, the _minimum , i.e. α = π / 2 the constant phase will be kept and only one indicator will work. The output signal when the radio frequency (or microwave) metal detector interacts with the search object for an extended flat object is shown in Fig. 2, φ ₀ will be determined by the phase shift due to the distance l _minim and the phase of the reflection coefficient from the search object

(see page 5). The interval between these sequences of phase cycles makes it possible to judge the extent of the search object. Thus, when a radio-frequency (or microwave) metal detector moves with respect to an extended search object, phase jumps will occur at the input and output of the antenna pattern of the tunable generator from the interaction area with the search object, which allows determining approximate dimensions of the search object.

Работа амплитудного канала заключается в следующем: сигнал частоты прерывистой генерации поступает на амплитудный детектор 17, где происходит детектирование сигнала, который далее поступает на шестой интегратор 18, где выделяется постоянная составляющая, которая передается на второй компаратор 19 для сравнения с пороговым значением напряжения - U_ПОР и в случае U₁<U_ПОР (где U₁ - постоянная составляющая с выхода пятого интегратора 13) подается третий индикатор 20, и если U₁≥U_ПОР, на четвертый индикатор 21. Таким образом можно определить примерные размеры объекта поиска при фиксированной дальности. Наличие сигнала одновременно по двум каналам позволяет повысить помехоустойчивость.The work of the amplitude channel is as follows: the frequency signal of discontinuous generation is fed to the amplitude detector 17, where the signal is detected, which then goes to the sixth integrator 18, where the constant component is extracted, which is transmitted to the second comparator 19 for comparison with the threshold voltage value - U _POR and if U ₁ <U _POR (wherein U ₁ - the dc component from the output of the fifth integrator 13) is fed a third LED 20, and if U ₁ ≥U _POR, the fourth indicator 21. Thus it is possible to determine approximately ie the size of the search object at a fixed distance. The presence of a signal simultaneously on two channels improves the noise immunity.

Изготовлен экспериментальный образец радиочастотного (или СВЧ) металлодетектора, который подтвердил заявленные преимущества.An experimental sample of a radio frequency (or microwave) metal detector was made, which confirmed the claimed benefits.

Claims

1. The amplitude-phase method for detecting metal-containing objects, according to which, using a tunable generator that acts as a generating detector loaded on an antenna, a primary alternating electromagnetic field is emitted, which is reradiated from the search object and is directed to the tunable generator as a useful converted signal that differs from the primary amplitude and the phase by which the presence of hidden objects in the medium under investigation is judged, characterized in that in the phase channel of the signal The signal from the tunable generator, after amplitude normalization, is mixed with the frequency-controlled local oscillator signal in a balanced mixer covered by a self-tuning loop, the signal from which, after integration and amplification, is compared with a response threshold corresponding to a phase shift close to zero; in the amplitude channel, the useful converted signal is detected in the amplitude detector, a constant component is extracted, which is compared with a threshold value corresponding to the level of the constant component in the absence of a search object, and the presence of the object is judged by the results of comparison in two channels.

2. An RF or microwave metal detector containing a series-connected antenna, an oscillating circuit, a tunable oscillator, a balanced mixer, and a local oscillator and a first indicator, characterized in that the first integrator is additionally introduced into it to create discontinuous generation of a tunable generator, which is used as radiofrequency or microwave generation detector, rated device, second integrator, DC amplifier, frequency control, third, fourth, fifth and sixth int hegators, first and second comparators, an amplitude detector, second and third indicators, while the output of the tunable generator is connected to the input of the normalizing device, the output is connected to the input of the balanced mixer, which is used as a phase detector, to the other input of which a local oscillator is connected, to the input of the local oscillator a third integrator is connected through a frequency controller, the output of the balanced mixer is connected to the input of the second integrator, the output of which is connected to the input of a DC amplifier, the output of the amplifier A direct current amplifier is combined with the input of the third integrator and connected to the common input of the fourth and fifth integrators, the outputs of which are connected to the inputs of the first and second indicators through the first comparator, the output of the tunable generator is connected to the input of the amplitude detector, the output of which is connected to the input of the sixth integrator, the output of which connected to the inputs of the third and fourth indicators through the second comparator.