Mr.sc. Davorin Ambruš, dipl.ing. rad za KDI [625,78 KiB]

Mr.sc. Davorin Ambruš, dipl.ing. rad za KDI [625,78 KiB]
Elektromagnetske induktivne metode za otkrivanje
protupješačkih mina
Davorin Ambruš
Sveučilište u Zagrebu
Fakultet elektrotehnike i računarstva
Unska 3, 10000 Zagreb
[email protected]
Sažetak – Protupješačke mine predstavljaju vrlo ozbiljnu
globalnu prijetnju za sigurnost ljudi, usprkos velikim naporima
međunarodne zajednice koji se u posljednje vrijeme ulažu u
proces humanitarnog razminiranja. U radu je dan sažet pregled
postojećih metoda i različitih fizikalnih principa detekcije
protupješačkih mina, s fokusom na elektromagnetske metode.
Analizirani su suvremeni trendovi u istraživanju i razvoju novih
metoda detekcije, s posebnim naglaskom na višesenzorske i
višemodalne sustave. Nadalje, opisane su osnovne tehničke
značajke i identificirani ključni problemi konvencionalnih
detektora metala, koji se danas još uvijek smatraju primarnim
alatima za otkrivanje mina u humanitarnom razminiranju. S
druge strane, dan je i pregled primjena suvremenih detektora
metala i ostalih uređaja baziranih na principu elektromagnetske
indukcije u ostalim granama industrije kao što su mjerenja u
geofizici, nerazorna ispitivanja, „lov na blago“, sigurnosni sustavi
i sl. S time u vezi, analizirane su mogućnosti unaprijeđenja
postojećih detektora metala u humanitarnom razminiranju kroz
primjenu novih, na modelu temeljenih elektromagnetskih
induktivnih mjerenja. Identificirana su dva ključna segmenta u
kojima je unaprijeđenje detektora moguće: raspoznavanje
metalnih predmeta, te kompenzacija utjecaja tla.
Ključne riječi – detektori metala, humanitarno razminiranje,
elektromagnetske induktivne metode, detekcija mina, mine s
minimumom metala, lažni pozitiv, kompenzacija utjecaja tla.
I. UVOD
neslužbenim podacima Ujedinjenih naroda (UN),
te međunarodnih nevladinih i humanitarnih organizacija,
procjenjuje se da je danas diljem svijeta položeno
između 50 i 100 milijuna različitih vrsta protupješačkih mina,
većinom zaostalih u područjima ratnih sukoba [1], [2].
Procjene ukupnog broja stradalih osoba kreću se od 5.000 pa
sve do 20.000 osoba na godišnjoj razini [2], [3]. Neizravne
posljedice minski zagađenih područja svakodnevno osjeća na
milijune ljudi i to kroz različite ekonomske, ekološke i
psihološke čimbenike. Republika Hrvatska sa svojom ukupnom
površinom minski sumnjivih područja od oko 720 km2 (oko 1.3
% državnog teritorija) i oko 90.000 mina spada u red minski
najzagađenijih zemalja u svijetu. U posljednjih 14 godina u
Hrvatskoj je zabilježeno više od 230 minskih incidenata s više
od 200 ozljeđenih i više od 100 poginulih osoba [4]. S obzirom
na veličinu problema zagađenosti minama u svijetu, trenutno
stanje tehnologije otkrivanja mina, te potrebna financijska
sredstva (reda veličine 30-ak milijardi $), procjenjuje se da će
za uklanjanje svih postojećih mina biti potrebno oko 450-500
REMA
godina [1]. Stoga se u posljednje vrijeme unutar znanstvene i
istraživačke zajednice ulažu veliki napori s ciljem pronalaska
novih metoda, kao i tehničkih unaprijeđenja postojećih metoda
detekcije mina. Pri tome se kao glavni izazovi postavljaju
povećanje pouzdanosti detekcije, smanjenje broja lažnih nalaza
(lažnih pozitiva), te općenito poboljšanje učinkovitosti i brzine
procesa humanitarnog razminiranja, a sve s krajnjim ciljem
smanjenja broja ljudskih žrtava.
A. Protupješačke mine
Protupješačke mine su naprave izrađene s osnovnom
svrhom da ozljede ili usmrte što je moguće više žrtava, kako bi
jedna strana u sukobu stekla prednost nad drugom, i to u
ljudskim resursima i logističkoj potpori koja je potrebna da se
žrtve zbrinu [5]. Iako danas postoji preko 350 različitih vrsta
protupješačkih mina, općenito se one mogu podijeliti na
eksplozivne i rasprskavajuće [5].
Eksplozivne mine se obično zakapaju u zemlju na relativno
malim dubinama (tipično od 10-20 mm), a aktiviraju se kada
žrtva na njih nagazi (potrebna težina za aktivaciju mine je
obično između 20 i 100 N) [1]. Ove vrste mina su najčešće
cilindričnog oblika (promjera 50-100 mm, visine 30-80 mm), te
uglavnom u sebi sadrže između 30 i 200 g eksploziva, Slika 1
[6]. Suvremene eksplozivne mine izvedene su u plastičnom
kućištu s vrlo malom količinom metalnih dijelova, koji zajedno
mogu težiti manje od jednog grama. Metalne dijelove mine
čine udarna igla, opruge za prijenos nagazne sile na udarnu
iglu, sitne metalne podloške i sl., Slika 1.b [6]. Ovakve mine u
literaturi se obično nazivaju minama s minimumom metala i
kao takve predstavljaju najveći problem za otkrivanje
konvencionalnim detektorima metala.
Slika 1. a) Vanjski izgled tipične ekplozivne protupješačke mine [6], b)
prikaz metalnih dijelova eksplozivne mine s minimumom metala
(udarna igla i sklop opruga) [6].
Za razliku od prethodno opisanih eksplozivnih mina, tijelo
rasprskavajuće mine prilikom eksplozije fragmentira i raspršuje
se velikim područjem nanoseći šrapnelske ozljede osobama
koje se nađu u blizini. Ove mine obično su po dimenzijama
znatno veće od ekplozivnih mina, te sadrže veliku količinu
metala koju je relativno lako detektirati [1].
B. Problem detekcije mina
Uobičajeni i normirani postupak ručnog otkrivanja mina
temelji se na uporabi detektora metala i probnih štapova
(pipalica) [1], [7]. S obzirom na značajke suvremenih mina s
minimumom metala, detektori metala moraju imati vrlo veliku
osjetljivost kako bi se ostvarila potrebna razina pouzdanosti
detekcije mine. Prema normama UN-a, pojedini detektor mine
prihvatljiv je za uporabu u humanitarnom razminiranju ako je
njegova vjerojatnost detekcije mine veća ili jednaka 0,996 [1].
S druge strane, ekstremna osjetljivost detektora metala
plaća se ogromnim brojem lažnih nalaza. Razlog tome leži u
činjenici što konvencionalni detektori metala nemaju svojstvo
razlikovanja metalnih dijelova mine od različitih metalnih
krhotina i sitnih predmeta kojima obično obiluju minirana
područja (primjerice šrapneli, čahure streljiva, metalni čepovi i
sl.). U praksi nije rijedak slučaj da se za svaku položenu i
otkrivenu minu pojavi i preko 1.000 lažnih nalaza [1]. S
obzirom da svaki lažni nalaz mora biti popraćen ručnom
provjerom od strane pirotehničara, jasno je da se na ovaj način
čitav postupak razminiranja značajno usporava i poskupljuje.
Osim toga, velika stopa lažnih nalaza u pravilu dovodi do pada
koncentracije pirotehničara, što može dovesti do pogrešaka i
krivih procjena u postupku razminiranja, a u krajnjem slučaju i
stradavanja operatera.
Kvaliteta detektora mine u smislu statističke kvantifikacije
odnosa između njegove osjetljivosti (vjerojatnosti ispravne
detekcije mine, TP – engl. true positive) i specifičnosti
(vjerojatnosti ispravne detekcije nepostojanja mine, TN – engl.
true negative) obično se prikazuje u obliku ROC krivulja (engl.
receiver operating characteristic), Slika 2 [1]. U literaturi se
obično ROC krivulje detektora mina navode u obliku gdje je na
apscisi prikazana vjerojatnost lažnog nalaza (FP – engl. false
positive) ili pak broj lažnih nalaza po jedinici površine (FAR –
engl. false alarm rate). Odnosi između vjerojatnosti TP i FP u
ROC krivulji definirani su za različite vrijednosti praga
odlučivanja. U praksi, prag odlučivanja može biti primjerice
jačina tona detektora metala na temelju kojega pirotehničar
donosi odluku o postojanju mine.
Slika 2. Kvalitativni izgled ROC krivulje detektora mine: puna crta –
idealni detektor, točkasta crta – detektor koji donosi odluku slučajnim
pogađanjem, isprekidana crta – realni detektor [1].
Bitno je istaknuti da ROC krivulje pojedinog detektora
mine, osim o vrsti i tehnologiji samog detektora, ovise i o
čitavom nizu utjecajnih veličina kao što su tip mine, dubina na
kojoj je mina položena, značajke tla, tip terena na kojem se
provodi ispitivanje s obzirom na ukupno onečišćenje metalnim
predmetima, itd.
II. PREGLED POSTOJEĆIH METODA DETEKCIJE MINA
S obzirom na vrlo visoke zahtjeve koji se postavlju na
detektore mina u pogledu njihove osjetljivosti i specifičnosti, u
literaturi se navodi relativno velik broj različitih metoda i
tehnologija detekcije. U nastavku je dan kratak pregled ovog
područja uz opis osnovnih fizikalnih principa pojedinih
metoda.
A. Niskofrekvencijske elektromagnetske metode
Velika većina komercijalnih uređaja za otkrivanje mina
temelji se na principu detekcije metala. U okviru ove grupe
uređaja uobičajena je podjela na induktivne detektore (EMI –
engl. electromagnetic induction) i magnetometrijske detektore.
Induktivni detektori metala najčešće se sastoje od dvije
zavojnice (odašiljačke i prijamne) [6]. Vremenski promjenjivo
magnetsko polje koje stvara odašiljačka zavojnica (uz primjenu
kontinuirane sinusne ili impulsne pobude) dovodi do pojave
vrtložnih struja u ukopanom metalnom objektu. Vrtložne
struje, raspodijeljene većinom po vanjskoj površini objekta
(uslijed skin-efekta), generiraju sekundarno magnetsko polje
koje se pak detektira prijamnom zavojnicom. Napon induciran
na prijamnoj zavojnici općenito ovisi o pobudi, dimenzijama
objekta, položaju i orijentaciji objekta s obzirom na osi
zavojnica, vrsti metala, te karakterističnim značajkama tla
(prije svega elektičnoj vodljivosti, σ i relativnoj magnetskoj
permeabilnosti, µr) [6]. Glavne prednosti induktivnih detektora
metala leže u njihovoj velikoj osjetljivosti na vrlo male količine
metala, jednostavnosti, robusnosti, te brzini odziva koja je
prikladna za prolazak relativno velike površine miniranog
područja u jedinici vremena [1], [6]. Detaljnija analiza
tehničkih značajki i problema vezanih za ovaj tip detektora
dana je u poglavlju IV.
Za razliku od prethodno opisanih induktivnih detektora,
magnetometrijski detektori su većinom uređaji pasivnog tipa.
Fizikalni princip rada temelji se na mjerenju vrlo malih
promjena magnetskog polja Zemlje koje nastaju u blizini
predmeta načinjenih od feromagnetskog materijala [6]. S
obzirom da nemaju svojstvo detekcije nemagnetskih metala,
ovakvi uređaji se vrlo rijetko koriste u praksi. Glavne primjene
magnetometrijskih detektora odnose se na otkrivanje duboko
ukopanih neeksplodiranih ubojnih sredstava (NES, engl. UXO
– unexploded ordnace) [1], [5], [6].
Električna impedancijska tomografija (engl. EIT - electrical
impedance tomography) je metoda koja se koristi za dobivanje
slike ili pak 3D prikaza raspodjele električne vodljivosti unutar
područja od interesa. Metoda se temelji na uporabi elektroda u
kontaktu s tlom, obično raspodijeljenih po površini tla u obliku
matrice (tipično 8x8) [5]. Pobudna struja (reda veličine 1 mA i
frekvencije tipično oko 1 kHz) dovodi se između jednog para
elektroda unutar matrice, dok se preostali parovi elektroda
koriste za mjerenje rezultirajućeg napona. Parovi pobudnih
elektroda mijenjaju se naizmjence prema definiranom mjernom
algoritmu. Usporedbom podataka prikupljenih mjerenjem i
matematičkog modela koji opisuje odziv EIT detektora za
različite vrste meta na različitim lokacijama, moguća je
(numerički efikasna) rekonstrukcija raspodjele električne
vodljivosti unutar područja od interesa. Osnovna prednost EIT
metode jest u tome što je u stanju detektirati različite vrste
mina neovisno o udjelu metala u njima, a s obzirom na
diskontinuitet u električnoj vodljivosti tijela mine u odnosu na
okolno tlo. Uvjet za pouzdanu detekciju jest postojanje
minimalne vodljivosti tla (tipično oko 1 mS/m), što je u većini
slučajeva ispunjeno, osim kada su u pitanju vrlo suha ili
kamenita tla [5]. S druge strane, činjenica da se ipak radi o
kontaktnoj metodi koja uvijek sa sobom nosi rizike detonacije
mine predstavlja ozbiljno ograničenje u njezinoj praktičnoj
primjeni.
Osim navedenih metoda, u literaturi se navode i primjeri
uporabe kapacitivnih senzora, najčešće za detekciju plastičnih
kućišta mina s minimumom metala, koje su položene blizu
površine tla [42], [43]. Ovi senzori tipično rade u području
između 15 MHz i 50 MHz, s različitim konfiguracijama
elektroda (najčešće izvedenih od više segmenata) [43].
B. Georadarske metode
Metoda radarskog snimanja podzemnih objekata (engl.
ground penetrating radar, GPR) spada u red relativno zrelih
tehnologija, s raširenom primjenom u geologiji, areheologiji,
građevinarstvu, te istraživanjima u zaštiti okoliša [1]. Princip
rada ovih uređaja temelji se na refleksiji elektromagnetskih
valova na sučelju tla i ukopanog objekta temeljem kontrasta u
dielektričkim svojstvima između različitih materijala. Kako bi
se ostvarila potrebna prostorna razlučljivost (r.v. nekoliko cm),
kao i dubina prodiranja GPR signala u tlo, georadari koriste
vrlo širok frekvencijski pojas, tipično između 200 MHz i 2
GHz (UWB područje, engl. ultra wide band).
Glavno ograničenje kod primjene GPR detektora u detekciji
mina predstavlja tzv. clutter [6]. Pod ovim terminom obično se
podrazumijevaju svi radarski signali koji ne opisuju raspršenje
EM vala na objektu detekcije, već svojim valnim oblikom i
spektralnim značajkama dovode do pojave lažnih nalaza.
Općenito, pojava cluttera kod radarskih sustava može nastati iz
niza razloga kao što su proboj između odašiljačke i prijamne
antene, višestruke refleksije između odašiljačke antene i tla,
raspršenje od manjih objekata u tlu ili pak objekata zahvaćenim
sekundarnim laticama antene (primjerice kamenje, korijenje) i
sl. [8]. Osim toga, clutter često nastaje i zbog nehomogenosti
tla, te lokalnih razlika u količini vlage u tlu. Bitno je istaknuti
da se clutter ne može tretirati kao stohastički signal, te stoga
postojeće metode obrade radarskog signala s ciljem poboljšanja
odnosa signal/šum u ovom slučaju nisu primjenjive. Zbog
svega navedenog, GPR detektori se u praksi obično koriste
samo u kombinaciji s drugim vrstama detektora (najčešće
detektorima metala) i to većinom kao uređaji za potvrdu [5].
C. Ostale elektromagnetske metode
Elektro-optički detektori mina rade na principu otkrivanja
različitih anomalija u elektromagnetskom zračenju na površini
tla, koje mogu biti karakteristične za ukopane mine. U tu svrhu
obično se koriste infracrveni i hiperspektralni senzori, aktivnog
ili pasivnog tipa [5]. U slučaju detektora koji koriste
infracrveni dio spektra, detekcija mine obično se temelji na
praćenju razlike toplinskih ciklusa grijanja i hlađenja područja
u neposrednoj blizini mine u odnosu na okolni teren. Općenito,
ova vrsta detektora više je primjenjiva za udaljeno promatranje
minskih sumnjivog područja (najćešće iz zraka), a manje za
pojedinačno otkrivanje mina.
Od ostalih elektromagnetskih metoda za detekciju mina, u
literaturi se navode još i metode bazirane na povratnom
raspršenju X- ili gama-zraka [1]. Ove metode zapravo potječu
iz sigurnosnih sustava, kao što su primjerice uređaji za kontrolu
tereta u zračnim lukama. Ovakvi uređaji međutim, zbog svoje
kompleksnosti, visoke cijene, emisije ionizirajućeg zračenja, te
općenito nezgrapnosti za praktičnu terensku uporabu nisu našli
na značajniju primjenu u humanitarnom razminiranju [1].
D. Akustičke metode
Akustički detektori mina koriste svojstvo razlike u
akustičkoj impedanciji tijela mine u odnosu na okolno tlo.
Primjenom klasičnih usmjerenih zvučnika, zvuk se emitira
prema površini tla. Dio zvučnih valova koji nije odmah
reflektiran od površine tla propagira do tijela mine, gdje se dio
zvučne energije vraća natrag prema površini uzrokujući time
vibracije tla. S obzirom na vrlo male pomake površine tla
(tipično oko 1µm), za mjerenje se koriste specijalizirani senzori
pomaka velike osjetljivosti (primjerice laserska osjetila pomaka
na bazi Dopplerovog efekta i sl.) [5].
Akustičke metode imaju svojih prednosti koje ih čine
potencijalno vrlo korisnima za primjenu u humanitarnom
razminiranju. Osnovna prednost leži u njihovoj neosjetljivosti
na elektromagnetske značajke mine, okolnog tla, kao i metalnih
predmeta na površini. Preliminarna ispitivanja detektora
pokazala su da je moguće ostvariti vrlo malu ili gotovo nultu
stopu lažnih nalaza [5]. S druge strane, još uvijek postoje
ozbiljni tehnički problemi vezani za praktičnu primjenu ove
metode, posebice kada je u pitanju dubina inspekcije, utjecaj
vegetacije i površine tla, brzina odziva i sl.
E. Metode detekcije eksploziva
Sve prethodno opisane metode detekcije mina temelje se na
kontrastu u različitim elektromagnetskim ili mehaničkim
svojstvima mine i okolnog tla. S druge strane, detektori
zasnovani na detekciji eksploziva zbog svoje specifičnosti
imaju teorijsku mogućnost ostvarenja nulte stope lažnih nalaza.
Jedna od novijih tehnologija otkrivanja eksploziva koja je u
posljednjih 10-ak godina pokazala najveći napredak prema
praktičnoj primjeni na terenu je metoda nuklearne kvadrupolne
rezonancije (NQR) [1]. Fizikalni princip metode vrlo je sličan
nuklearnoj magnetskoj rezonanciji (NMR) i temelji se na
međudjelovanju kvadrupolnog momenta jezgri atoma dušika
(14N, prisutan u većini eksplozivnih spojeva) i gradijenta
vanjskog električnog polja [1]. Za razliku od NMR metode,
NQR ne zahtijeva primjenu statičkog magnetskog polja, što
bitno pojednostavljuje izvedbu samih detektora. Osnovno
praktično ograničenje NQR detektora mina predstavlja
inherentni šum same metode (posebice kada su u pitanju mine s
malom količinom TNT eksploziva), te osjetljivost na vanjske
izvore smetnji u radiofrekvencijskom području (0,5 do 5 MHz)
[5]. Iako se odnos signala i šuma, a time i pouzdanost detekcije
može značajno poboljšati povećanjem intervala usrednjavanja
(s faktorom t1/2), na taj način se ipak bitno umanjuje praktična
upotrebljivost NQR uređaja kao primarnog detektora mina.
Za razliku od NQR metode, većina novih tehnologija koje
se baziraju na detekciji eksplozivnih para do danas su još
uvijek u relativno ranoj fazi razvoja. Razlog za to je prije svega
nedovoljno istražena fenomenologija procesa prijenosa
eksplozivnih para od mine do površine tla [1]. Metode koje su
do danas ispitane u praksi uključuju primjenu bioloških sustava
(pasa, pčela, bioizvjestiteljskih bakterija i sl.), te različite
elektrokemijske metode.
na istodobnoj obradi signala s različitih senzora, čime se
formira jedinstveni izlazni signal detekcije temeljem
kojega se donosi konačna odluka. Ovakvi algoritmi
imaju potencijal za dodatno smanjenje stope lažnih
nalaza, ali su znatno teži za praktičnu implementaciju.
III. TRENDOVI U ISTRAŽIVANJU I RAZVOJU DETEKCIJE MINA
IV. DETEKTORI METALA U HUMANITARNOM RAZMINIRANJU
Na temelju danog pregleda postojećih metoda detekcije
mina, moguće je općenito zaključiti kako niti jedna od opisanih
tehnologija trenutno ne zadovoljava u potpunosti tehničke
zahtjeve humanitarnog razminiranja, posebice s aspekta
pouzdanosti detekcije i stope lažnih nalaza [1], [5]. Suvremeni
trendovi u istraživanju i razvoju ovog područja mogu se sažeti
u nekoliko ključnih smjerova:
U nastavku je dan pregled najvažnijih tehničkih značajki i
problema vezanih uz primjenu konvencionalnih detektora
metala u otkrivanju mina. Na temelju dostupne literature
(članaka objavljenih u časopisima i na konferencijama,
patenata, te podataka o ispitivanjima komercijalnih uređaja)
dan je pregled postojećih metoda izvedbe detektora, zatim
poboljšanja svojstava raspoznavanja metalnih predmeta, te
kompenzacije utjecaja tla.
1) Istraživanje novih metoda detekcije: S obzirom na vrlo
velik broj različitih metoda koje su razvijene i ispitane u
posljednjih 20-ak godina, te ograničenost samog tržišta,
primjetan je trend usporavanja aktivnosti u istraživanju
novih metoda i tehnologija za primjenu u humanitarnom
razminiranju [9], [10]. S druge strane, nove metode koje
se primarno razvijaju za ostale srodne aplikacije
(primjerice za sigurnosne sustave) odnose se najvećim
dijelom na otkrivanje eksploziva i eksplozivnih para [1].
2) Unaprijeđenje postojećih metoda detekcije: Metode koje
su terenski verificirane i trenutno u relativno zreloj fazi
razvoja čine detektori metala (EMI detektori), GPR,
NQR i akustički detektori, te pojedine vrste elektrooptičkih detektora [1], [5], [10].
3) Višesenzorski i višemodalni sustavi: S obzirom na
poznata ograničenja u primjeni postojećih metoda, u
posljednje vrijeme se istraživanja sve više fokusiraju na
metode i algoritme fuzije podataka s više različitih
senzora (engl. sensor data fusion). Osnovna ideja se
sastoji u tome da se optimalnim kombiniranjem
informacija dobivenih sa senzora koji imaju različite
izvore lažnih pozitiva smanji ukupna stopa lažnih nalaza
čitavog detektorskog sustava. Pri tome se očekuje da
ukupna vjerojatnost detekcije ostane barem na razini
najboljeg individualnog senzora. U literaturi se mogu
pronaći detaljni rezultati terenskih ispitivanja nekoliko
različitih višesenzorskih platformi [11], [12]. Većina
sustava koristi dva ili tri različita modaliteta detekcije
(EMI i GPR u svim navedenim kombinacijama, te
infracrvene (IR) [11], magnetometrijske (MAG) [12] ili
NQR senzore [1]). Smanjenje ukupne stope lažnih
nalaza kreće se do 8 puta (za kombinaciju EMI+GPR+
IR, uz TP=1) [11], odnosno od 5 do 12 puta (za
kombinaciju EMI+GPR+ MAG, uz TP = 0,8) [12].
Učinkovitost pojedinih algoritama fuzije podataka ovisi
prije svega o razini integracije na kojoj se informacije sa
senzora obrađuju. Većina komercijalnih sustava koristi
algoritme fuzije na razini odluke (engl. decision-level)
[1]. Ovom metodom konačna odluka o postojanju mine
donosi se usporedbom binarnih odluka pojedinačnih
detektora, uz uporabu jedostavnih logičkih pravila
odlučivanja (i/ili) koja mogu biti proširena težinskim
faktorima koji preferiraju pouzdanije detektore [1], [11].
Složeniji algoritmi fuzije na razini značajki (engl.
feature-level) ili podataka (engl. data level) temelje se
A. Izvedba konvencionalnih detektora metala
Prvi detektori metala koji su se pojavili u komercijalnoj
uporabi bili su većinom izvedeni sa samo jednom zavojnicom
[6]. Jedan od principa detekcije ovih uređaja bazirao se na
mjerenju promjene impedancije zavojnice ΔZ koja nastaje
uslijed djelovanja metalnog objekta. Električki vodljivi objekti
djeluju efektivno kao sekundarni namot transformatora
povećavajući time teret primarnog kruga (ΔZ < 0), dok s druge
strane feromagnetski objekti utječu na povećanje magnetskog
toka, a time i induktiviteta zavojnice (ΔZ > 0). Druga metoda
detekcije bila je zasnovana na mjerenju promjene rezonantne
frekvencije oscilatora uslijed promjene induktiviteta zavojnice.
U ovoj metodi promjenjiva frekvencija oscilatora uspoređuje se
s frekvencijom iz referentnog izvora, te se rezultirajući signal
niske frekvencije dovodi izravno na slušalice detektora metala.
Ovaj tip detektora se u literaturi obično naziva još i BFO
detektorom (engl. beat frequency oscillator) [6] i još uvijek se
relativno često susreće u praksi, posebice među hobistima i
primjenama u „lovu na blago“ [13].
Velika većina suvremenih detektora metala koristi princip
detekcije s dvije zavojnice opisan u poglavlju II [6], [13]. Ovi
detektori najčešće rade u frekvencijskom području između 30
Hz i 50 kHz [6], [13]. S obzirom na konfiguraciju zavojnica,
vrstu i veličinu mete koju je potrebno detektirati, očekivanu
dubinu na kojoj je meta ukopana, te značajke tla, obično postoji
optimalna frekvencija pri kojoj detektor postiže potrebnu
osjetljivost i razlučljivost [6].
Tipične konfiguracije odašiljačkih (TX) i prijamnih (RX)
zavojnica prikazane su na Slici 3.
Slika 3. Najčešće konfiguracije odašiljačkih i prijamnih zavojnica [14].
Svim navedenim izvedbama zajedničko je potiskivanje
izravnog međuinduktivnog vezanja između odašiljačke i
prijamne zavojnice, kako bi se detektor načinio osjetljivim
samo na sekundarno magnetsko polje koje potječe od mete
(engl. induction balance, IB).
Većina komercijalnih detektora mina koristi koncentrične
koplanarne zavojnice i to s diferencijalnim (gradiometarskim)
spojem odašiljačkih zavojnica (Slika 3.e), ili pak prijamnih
zavojnica (Slika 3.f) [6], [13], [14]. Osnovne prednosti ovakvih
konfiguracija čine jednostavnost izvedbe, relativno velik faktor
potiskivanja primarnog polja (tipično između 40 i 60 dB [15]),
dobra svojstva lokalizacije mete, te smanjeni utjecaj metalnih
predmeta uz vanjske rubove zavojnica [14]. Za razliku od
navedene konfiguracije kod koje je potiskivanje izravne
induktivne sprege izvedeno u vertikalnom smjeru, kod
zavojnica tipa „DD“ (Slika 3.b) primarno polje se potiskuje u
horizontalnom smjeru. Ovakva izvedba ima veliku prednost u
odnosu na prethodnu konfiguraciju kod primjena u uvjetima
visokomineraliziranog (magnetičnog) tla [14], [16]. Razlog
tome leži u činjenici što magnetski permeabilno tlo dovodi do
izobličenja prostorne raspodjele polja ispod odašiljačke
zavojnice i to upravo u vertikalnom smjeru. Iz ovog razloga,
pojedini proizvođači detektora metala (primjerice australska 1
tvrtka Minelab Electronics [16]) proizvode senzorske glave
svojih uređaja za detekciju mina gotovo isključivo u
konfiguraciji „DD“.
Ostale konfiguracije zavojnica (primjerice s koaksijalnim ili
ortogonalnim međusobnim smještajem) koriste se vrlo rijetko
za detekciju mina i uglavnom su više primjenjive u geofizičkim
i NDT aplikacijama [6], [14]. Što se tiče specijalnih izvedbi
zavojnica koje imaju potencijal za primjenu u humanitarnom
razminiranju, u literaturi se još navode i različite varijante
zavojnica u obliku broja 8 [14], te u obliku pravokutnog vala
(meandra) (MWM, engl. meandering winding magnetometer)
[17]. MWM zavojnice imaju vrlo karakterističnu, prostornoperiodičnu raspodjelu primarnog polja koja omogućava točnije
modeliranje detektora, a samim time i dobivanje više
informacija o obliku i položaju objekta u tlu.
S obzirom na vrstu pobude i princip obrade signala,
detektori metala se općenito mogu podijeliti u detektore s
kontinuiranom sinusnom pobudom (CW – engl. continous
wave ili FD – engl. frequency domain), odnosno imuplsnom
pobudom (PI – engl. pulse induction ili TD – time domain) [6].
Danas su u komercijalnoj uporabi gotovo podjednako
zastupljena oba tipa detektora [13].
Detektori sa sinusnom pobudom obično koriste spektar
sačinjen od diskretnog broja pobudnih frekvencija. Na tržištu
su najčešći jednostavni detektori metala koji koriste samo
jednu frekvenciju [6]. Noviji i napredniji detektori obično
koriste 2 ili 3 pobudne frekvencije: tipično jednu relativno
nisku (reda veličine nekoliko desetaka Hz), te jednu ili dvije
više u području između 10 kHz i 30 kHz (primjerice uređaji
tvrtke Foerster (Minex 2FD) [6]). Od detektora s većim brojem
pobudnih frekvencija mogu se još spomenuti uređaji tvrtke
Minelab Electronics s FBS tehnologijom (engl. full band
spectrum, 28 frekvencija u području od 1.5 kHz do 100 kHz)
1
U literaturi se inače vrlo često navodi Australija kao primjer zemlje s
najnepovoljnijim terenima u svijetu kada je u pitanju primjena detektora
metala [1], [6].
[18], te uređaji tvrtke Geophex (GEM-2 i GEM-3), koji rade u
području od 300 Hz do 96 kHz [19].
Kod svih navedenih detektora informacija o objektu
ispitivanja sadržana je u amplitudi i fazi napona induciranog na
prijamnoj zavojnici. U praksi se obično parametri ove vrste
detektora metala prikazuju u obliku realne i imaginarne
komponente signala, koje je moguće dobiti primjenom fazno
osjetljive demodulacije. Sa stanovišta izvedbe instrumentacije,
poseban problem predstavlja preciznost i stabilnost faze
pobudnog (referentnog) signala. Naime, s obzirom na vrlo male
fazne pomake koje je potrebno mjeriti (vezano za deklariranu
osjetljivost uređaja), referentna faza često mora biti regulirana
unutar ± 0.01° [6].
Detektori metala s impulsnom pobudom rade na principu
mjerenja vremenskog odziva napona na prijamnoj zavojnici
koji nastaje neposredno nakon skokovitog isključenja strujne
pobude odašiljačke zavojnice [6]. Pri tome se koristi činjenica
da je vremenska konstanta prigušenja odziva primarnog polja
znatno kraća od vremenske konstante prigušenja odziva polja
vrtložnih struja. Iz ovoga slijedi zaključak da su komponente
prijamnog signala koje odgovaraju primarnom i sekundarnom
polju razdvojene u vremenu, Slika 4. U ovom slučaju, detekcija
metala se svodi na mjerenje karakterističnih vremenskih
parametara prijamnog signala u određenom vremenskom
prozoru. U praksi se vremenske konstante impulsnih detektora
obično kreću između 10-ak μs i 100 μs, ovisno o električnoj
vodljivosti, permeabilnosti i veličini objekta detekcije [6].
Slika 4. Tipični vremenski odziv impulsnog detektora metala za slučaj
mete bez udjela metala, dobro vodljive i slabo vodljive mete [6].
Jedna od glavnih prednosti impulsnih detektora u odnosu na
detektore s kontinuiranom sinusnom pobudom je mogućnost
rada s većom snagom odašiljačke zavojnice, što u praksi znači i
veću dubinu inspekcije terena [6]. Ovo svojstvo je posebno
značajno kod primjena detektora metala u vrlo vodljivim ili
magnetičnim tlima [20], [21]. Nadalje, impulsni detektori
mogu koristiti puno jednostavnije konfiguracije zavojnica od
onih prikazanih na Slici 3, budući da se potiskivanje izravnog
polja kod njih izvodi u vremenu, a ne u prostoru. S druge
strane, zahtjevi na instrumentaciju i obradu signala su nešto
složeniji u odnosu na sinusne detektore, posebice ukoliko se
želi iskoristiti širokopojasni karakter same mjerne metode [22].
B. Problem raspoznavanja metalnih objekata
Svi današnji detektori metala koji se koriste u poslovima
humanitarnog razminiranja moraju udovoljavati tehničkim
zahtjevima iz norme CWA 14747:2003 [7]. Radi se o normi
izdanoj od strane Europskog odbora za normizaciju (CEN) koja
propisuje osnovne zahtjeve za ispitivanje i ocjenu sukladnosti
svih detektora metala koji se uvode na tržište. Između ostaloga,
norma propisuje i vrstu sučelja između detektora i operatera,
koje se zapravo sastoji samo od zvučnog signala detekcije. U
praktičnom smislu to znači da operater nema na raspolaganju
nikakve dodatne kvantitativne informacije o objektu detekcije,
već se njegova konačna odluka temelji samo na zvučnom
signalu, zatim na (uglavnom subjektivnoj) procjeni tog signala,
te prethodnom iskustvu. Većina komercijalnih detektora metala
za primjenu u humanitarnom razminiranju obično ispunjava
samo minimalne zahtjeve iz navedene norme u pogledu metode
signalizacije nalaza [6], [13].
S obzirom na navedene činjenice, načelno se može
zaključiti da bi se kvaliteta detektora metala mogla značajno
unaprijediti uvođenjem dodatne funkcionalnosti raspoznavanja
metalnih objekata. Pod ovim terminom u literaturi se obično
podrazumijeva utvrđivanje slijedećih značajki objekta [6]:
1)
2)
3)
4)
5)
veličine (okvirne procjene volumena),
oblika (npr. izduženosti predmeta),
orijentacije (u odnosu na vertikalnu os),
položaja (dubine u tlu) i
vrste materijala (s obzirom na σ i μr).
U praktičnom smislu, većina protupješačkih mina s
minimumom metala ima neka zajednička svojstva u pogledu
gore navedenih značajki: mine su ukopane relativno plitko (na
dubinama do najviše 20 cm), udarne igle su obično cilindričnog
oblika i orijentirane okomito u odnosu na površinu tla (Slika 1),
itd [23].
Općenito, postoje dva različita pristupa kojima je moguće
estimirati opisane značajke objekta iz samih mjerenja: pristup
temeljen na raspoznavanju uzoraka (engl. pattern recognition) i
pristup temeljen na modelu (engl. model fitting) [6].
Pristup temeljen na raspoznavanju uzoraka
Ova metoda zasniva se na usporedbi izmjerenih podataka
koji opisuju nepoznati objekt s ekvivalentnim podacima
poznatog objekta kako bi se utvrdile njihove sličnosti, odnosno
pripadnost pojedinim klasama. Pri tome prvi korak predstavlja
izdvajanje pojedinih značajki signala (engl. feature extraction)
kako bi se reducirao početni skup podataka i time olakšalo
raspoznavanje uzoraka.
Jedna od jednostavnijih metoda raspoznavanja objekata na
temelju njihove veličine bazira se na mjerenju faznog pomaka
između pobudnog i prijamnog signala (Bruschini [6], [20]).
Naime, autor je na temelju pojednostavljenog analitičkog
modela i eksperimentalnih mjerenja utvrdio da je fazni pomak
kontinuirana monotono padajuća funkcija veličine objekta (uz
uvjet nepromjenjivih ostalih značajki). Predložena metoda
načelno je primjenjiva za diskriminaciju između mina i ostalih
sitnih metalnih predmeta, ali ne i za slučaj mina s minimumom
metala [24]. Autor je također ustanovio i da se na temelju
predznaka faznog pomaka u specijalnim slučajevima može
utvrditi i vrsta materijala (feromagnetski ili neferomagnetski).
U svakom slučaju, uređaji koji koriste dvije ili više pobudnih
frekvencija mogu bolje optimirati svoj odziv s obzirom na
veličinu i vrstu materijala. Općenito, niže frekvencije su bolje
za detekciju relativno velikih i feromagnetskih objekata, kao i
za veće dubine, dok su više frekvencije pogodnije za detekciju
manjih i vrlo vodljivih objekata [6], [24].
Veći broj autora došao je do sličnih zaključaka kao i
Bruschini za slučaj detektora s impulsnom pobudom [25], [26].
S fizikalne strane, vremenske konstante prigušenja kod
impulsne pobude i fazni pomaci signala kod sinusne pobude
mogu se zapravo smatrati potpuno ekvivalentnim parametrima
detektora [25]. Osim samih vremenskih konstanti prigušenja,
pojedini autori predlažu izdvajanje i nekih drugih signalnih
značajki odziva impulsnog detektora. Tako primjerice Brown
[27] analizira mogućnosti primjene Pronyjeve metode, Wavelet
dekompozicije signala, te različitih vremensko-frekvencijskih
reprezentacija prigušenog odziva.
Za razliku od prethodno navedenih metoda, raspoznavanje
objekata temeljeno na polarnim dijagramima (engl. phase plot),
omogućava izdvajanje znatno većeg broja značajki objekta kao
što su veličina, oblik, pozicija i vrsta materijala [6], [28]. Na
dijagramima se za svaki položaj detektora ucrtavaju položaji
realne i imaginarne komponente signala u kompleksnoj ravnini,
što rezultira „potpisima“ karakterističnima za pojedini objekt,
Slika 5.
Slika 5. Izgled polarnog dijagrama za različite metalne predmete: mina,
čahura metka, aluminijska limenka (mjereno na dvije frekvencije) [28].
Iako je ispitivanjima utvrđeno da pojedine mine imaju vrlo
specifične potpise, veliki problem su izduženi i feromagnetski
objekti čiji odziv uvelike ovisi o njihovoj orijentaciji [6]. Osim
toga, nedostaci metode očituju se i kod kompozitnih predmeta,
zatim kod metalnih predmeta koji su položeni vrlo blizu same
mine, te u slučajevima magnetičnog tla [28].
Won i grupa istraživača okupljena oko tvrtke Geophex [23]
razvila je metodu raspoznavanja ukopanih metalnih objekata
temeljem njihovog kompleksnog spektralnog potpisa (EMIS,
engl. electromagnetic induction spectroscopy). U tu svrhu
korišteni su višefrekvencijski uređaji s pobudom u rasponu od
30 Hz do 24 kHz (GEM-3) [19]. Za ovu metodu vrijede slični
zaključci kao i za metodu polarnih dijagrama: raspoznavanje
objekata prema veličini i materijalu je relativno dobro za slučaj
predmeta sferičnog, ili pak cilindričnog oblika koji nisu jako
izduženi. U ostalim slučajevima, spektralni potpis bitno ovisi o
međusobnoj orijentaciji detektora i objekta [23].
Metode raspoznavanja objekata zasnovane na rekonstrukciji
slike također su predložene od strane nekih autora (Bruschini
[6], Krueger [28]). U ovom slučaju, slika objekta dobiva se
dekonvolucijom odziva detektora (ostvarenog preciznim
skeniranjem objekta u x-y smjeru) i poznate razdiobe polja s
kojom detektor „osvjetljava“ objekt (aperture). Nedostaci ove
metode su vrlo velika osjetljivost na odnos signal/šum, mala
razlučljivost, te potreba za prikupljanjem velikog broja uzoraka
i preciznim pozicioniranjem detektora [6], [28].
Problem estimacije dubine na kojoj se objekt detekcije
nalazi moguće je teorijski riješiti na više načina. Jedna od
metoda uključuje mjerenje odziva pomoću dvije prijamne
zavojnice različitih karakteristika [6]. U tu svrhu najčešće se
koriste dvije koaksijalne ili pak dvije koncentrične koplanarne
zavojnice. Mjerenjem omjera induciranih napona U1/U2 i uz
poznate geometrijske parametre obje zavojnice (R1 i R2)
moguće je u tom slučaju estimirati dubinu objekta d. Ukoliko
je objekt relativno malih dimenzija u odnosu na zavojnice, tada
se može aproksimirati jednostavnim modelom magnetskog
dipola. U tom slučaju za koncentrične zavojnice vrijedi [6]:
(
(
U1 R12 d 2 + R22
=
U2 R2 d 2 + R2
2
1
)
)
3/ 2
3/ 2
(1)
Abeynayake i Ferguson [29] predlažu zanimljivu metodu
linearne estimacije dubine objekta koja se zasniva na uporabi
dva različita tipa zavojnica: okrugle zavojnice sa samo jednim
zavojem (engl. mono-coil) i kvadrupolne zavojnice (u obliku
broja 8). Predložena metoda je vrlo robusna s obzirom na
varijacije u orijentaciji ukopanog objekta i utjecaj različitih
vrsta tla. Nadalje, uvođenjem dodatnog mjernog parametra
navedena konfiguracija zavojnica može se koristiti i za
jednostavnu klasifikaciju mina s obzirom na njihovu veličinu.
Pristup temeljen na modelu
Za razliku od prethodno opisanih metoda temeljenih na
raspoznavanju uzoraka, metode temeljene na modelu nastoje
rekonstruirati nepoznate parametre matematičkog modela koji
opisuje vezu između napona induciranog u prijamnoj zavojnici,
te geometrijskih i elektromagnetskih značajki objekta. Pri tome
se koriste različiti postupci i metode rješavanja inverznog
problema. Obično je za praktičnu primjenu ovih metoda
najprije nužno pojednostaviti problem uvođenjem potrebnih
aproksimacija, te po mogućnosti i a priori znanja o samom
objektu [6].
U literaturi se spominje više različitih modela primjenjivih
za problem detekcije mina. Dio navedenih modela odnosi se na
analitička rješenja pojedinih specijalnih slučajeva, vezanih
uglavnom za detekciju objekata kanonskog oblika (sfera i
cilindara) smještenih u homogenom polu-prostoru [30], [31].
Iako ovi modeli nisu izravno primjenjivi na razini izvedbe
detektora, ipak mogu biti od koristi za bolje razumijevanje
složenijih modela, kao i različitih empirijskih metoda koje se
koriste u praksi [6]. Primjerice, Ward u svojem članku iz 1959.
godine [32], navodi jednostavnu proceduru temeljenu na
analitičkom modelu kojom je moguće rekonstruirati vodljivost,
permeabilnost, veličinu i dubinu smještaja sferoidnog objekta.
Model induciranih dipola (engl. induced dipole model)
koristi se za modeliranje objekata relativno malih dimenzija u
odnosu na promjer zavojnica, te smještenih na dovoljno velikoj
udaljenosti od detektora. U tom slučaju, raspodjela primarnog
polja u objektu može se smatrati homogenom, te je objekt
moguće aproksimirati točkastim izvorom (magnetskim
dipolom). Dipolni moment objekta linearno je vezan s
primarnim poljem preko tenzora magnetske polarizabilnosti
(engl. magnetic polarizability tensor) [25]. Vlastite vrijednosti
(engl. eigenvalues) ovog tenzora opisuju odzive objekta za sve
slučajeve u kojima je primarno polje postavljeno u smjeru
glavne geometrijske osi objekta [25], [6]. Ovo drugim riječima
znači da elementi tenzora u potpunosti opisuju odziv objekta,
bez obzira na njegovu orijentaciju u odnosu na detektor.
U literaturi se može pronaći dosta članaka na temu modela
induciranih dipola, ali relativno malo s primjenom na detekciju
mina. Bell i grupa autora analizirala je mogućnosti primjene
ove metode za diskriminaciju NES-a (engl. UXO) od ostalih
metalnih predmeta koji predstavljaju izvore lažnih nalaza [25].
Pri tome su koristili različite komercijalne detektore mina s
višeosnom pobudom kako bi se što točnije rekonstruirale
vlastite vrijednosti tenzora magnetske polarizabilnosti. Autori
su zaključili da se skupovi vlastitih vrijednosti koji odgovaraju
NES-u i ostalim grupama objekata razlikuju u dovoljnoj mjeri,
što omogućava praktičnu primjenjivost metode.
Što se tiče moguće primjene metode induciranih dipola u
detekciji protupješačkih mina, potrebno je istražiti slijedeće:
• utjecaj odnosa signal/šum, budući da se radi o znatno
manjim objektima u odnosu na NES,
• utjecaj tla,
• utjecaj nedipolnih efekata koji mogu biti posljedica
kompozitnih metalnih objekata unutar tijela mine ili blisko
položenih okolnih objekata,
• potrebe za točnošću sustava pozicioniranja detektora.
Od ostalih modela koji se navode u literaturi mogu se još
spomenuti i različiti parametarski modeli: primjerice modeli
koji opisuju EM odziv objekta pomoću polova ili vlastitih
frekvencija (SEM, engl. singularity expansion method) [6],
[33], zatim različiti empirijski modeli [33], [34,] itd.
C. Problem kompenzacije utjecaja tla
Već kod prvih detektora metala koji su se koristili tijekom
II. svjetskog rata pojavila se potreba za kompenzacijom
utjecaja tla (engl. ground balancing). Svi današnji detektori
metala za primjenu u poslovima humanitarnog razminiranja
moraju obavezno imati izvedenu funkciju kompenzacije
utjecaja tla (ručnu ili automatsku), sukladno zahtjevima norme
CWA 14747:2003 [7]. Osim toga, normom CWA 14742-2
propisani su i dodatni tehnički zahtjevi i metode ispitivanja
detektora metala i georadara s obzirom na različite vrte tla s
kojima se u praksi susreću [35].
2001. godine provedena su opsežna terenska ispitivanja
komercijalnih detektora metala za primjene u humanitarnom
razminiranju (u okviru međunarodnog pilot-projekta) [41].
Prema javno objavljenim rezultatima ispitivanja, velik broj
detektora metala postigao je vrlo ograničene rezultate u
pogledu vjerojatnosti detekcije i stope lažnih nalaza pri radu u
uvjetima „teških“ terena [41]. Iako su ispitivani detektori imali
izvedenu funkciju kompenzacije utjecaja tla, dobiveni su
rezultati daleko ispod normi UN-a za poslove humanitarnog
razminiranja, što samo po sebi govori o ozbiljnosti problema .
Općenito, pod teškim terenima se obično podrazumijevaju
električki vodljiva tla (obično uz morsku obalu, σ ≈ 1 S/m), te
tla bogata mineralima (boksit, laterit, magnetit, magmatit),
koji pokazuju magnetična svojstva [20]. Magnetska tla se dalje
dijele na tla s konstantnom magnetskom permeabilnošću, te na
magnetski viskozna tla kod kojih je permeabilnost ovisna o
frekvenciji. Osim samog tla, izvor poremećaja za detektore
metala mogu predstavljati i izolirani primjerci različitih
magnetskih stijena (engl. hot rocks) [6].
Promatrano s aspekta detektora metala, tlo djeluje na
primarno polje odašiljačke zavojnice i sekundarno polje
vrtložnih struja tako što unosi dodatni fazni pomak i gušenje
signala. S druge strane, utjecaj samog tla na odziv metalnog
objekta koji je u njemu ukopan može se u velikoj većini
slučajeva zanemariti [6]. To znači da se odziv detektora može
prikazati kao suma odziva metalnog objekta dobivenog u
zraku i odziva samog tla, što ipak dosta pojednostavljuje
problem kompenzacije.
Najjednostavnija metoda kompenzacije utjecaja tla sastoji
se u tome da se od ukupnog odziva detektora oduzme dio koji
odgovara odzivu detektora iznad tla, ali bez metala [6]. Kod
detektora sa sinusnom pobudom to se obično izvodi na način
da se fazno osjetljiva demodulacija signala obavlja u odnosu
na referentnu fazu tla, a ne na fazu pobudnog signala. Ova
metoda temelji se na pretpostavci da je tlo homogeno i da se
njegove značajke ne mijenjaju u čitavom području ispitivanja.
U praksi je opisani način kompenzacije tla problematičan,
najviše zbog nehomogenosti tla, te velike preciznosti koja je
često potrebna za fino podešavanje faznog pomaka [6].
Druga, nešto učinkovitija metoda kompenzacije temelji se
na diferencijalnom mjerenju odziva detektora na dvije ili više
frekvencije (engl. frequency differencing) [6], [36]. Ova
metoda bazira se na različitim frekvencijskim karakteristikama
odziva metala i tla, što omogućuje potiskivanje diferencijalnog
signala tla uz istodobno izdvajanje signala mete. U literaturi se
navode različite moguće metode kombiniranja odziva na dvije
frekvencije, a ovisno o izvedbi samog detektora, dominantnim
značajkama tla, te vrsti mete [37]. Jedna od poznatijih metoda
temelji se na izračunu razlike imaginarnih komponenti odziva
korigiranih za doprinos frekvencije [6], [37]:
Δ Im = Im(ω2 ) −
ω1
Im(ω1 )
ω2
(2)
Najveći nedostatak opisanih metoda kompenzacije utjecaja
tla jest značajno smanjenje osjetljivosti detektora metala [6],
[20]. Ovaj problem detaljno je analiziran putem jednostavnih
analitičkih modela od nekolicine autora (Bruschini [6], [20],
Das [21]), ali bez predloženih rješenja za unaprijeđenje
metode. U spomenutim radovima također je konstatirano i da
tlo različito utječe na odzive detektora sa sinusnom pobudom
u odnosu na impulsne detektore. Time je objašnjeno zašto
pojedini proizvođači detektora metala preferiraju uporabu
impulsnih uređaja kada su u pitanju magnetski viskozna tla.
Primjerice, tvrtka Minelab je specijalno za navedene primjene
razvila metodu baziranu na pobudnim impulsima različitog
trajanja (MPS, engl, multi-period sensing). Metoda omogućuje
vremensko razdvajanje odziva magnetskog tla od odziva koji
pripadaju feromagnetskim i nemagnetskim metalima [18],
[29]. Pri tome je bitno istaknuti i utjecaj izbora pravilne
konfiguracije zavojnica (poglavlje II).
Vezano za pitanje vodljivosti i permeabilnosti tla, jedna od
zanimljivih ideja prisutnih u literaturi jest ta da se detektor
metala ujedno iskoristi i kao detektor „šupljine“ koju u tlu
stvara plastično kućište mine (engl. cavity detector). Ovaj
problem analiziran je u [26] za slučaj detektora s impulsnom
pobudom, dok je u patentu br. DE 196 48 833 (Foerster)
opisan princip kombiniranog detektora metala i šupljine s 3 ili
4 pobudne frekvencije [38].
V. OSTALE PRIMJENE DETEKTORA METALA
U Tablici 1 ukratko su navedene ostale aplikacije detektora
metala i sličnih uređaja na bazi elektromagnetske indukcije
koje su potencijalno zanimljive za primjenu u području
humanitarnog razminiranja (HR).
TABLICA I.
OSTALE PRIMJENE DETEKTORA METALA .
Područje primjene
Glavna dostignuća i primjenjivost u HR
-
Mjerenja u geofizici
Nerazorna ispitivanja
“Lov na blago”
-
Induktivno mjerenje elektromagnetskih
značajki tla [36], [37].
Izvedba uređaja s više zavojnica i
kompleksnim oblicima pobude
Metode rješavanja inverznih problema
-
Novi senzori i senzorske konfiguracije [39]
Primjena polja senzora [39]
Metode rekonstrukcije i obrade slike
-
Detektori osjetljivi na različite vrste materijala
i s različitim dubinskim profiliranjem
Originalne metode kompenzacije utjecaja tla
Izvedba sučelja detektor-operater
-
-
Sigurnosni sustavi
-
Praktična primjena metode induciranih dipola
(sigurnost zračnih luka) [40].
Napredna vizualizacija metalnih objekata
VI. ZAKLJUČAK
Protupješačke mine i dalje predstavljaju jedan od gorućih
svjetskih problema, unatoč velikim naporima međunarodne
zajednice koji se ulažu u proces humanitarnog razminiranja.
Iako su u posljednjih 20-ak godina razvijene i ispitane brojne
metode detekcije protupješačkih mina, samo nekolicina njih je
do današnjih dana zaista i zaživjela u praksi.
Detektori metala predstavljaju danas primarne alate kada je
u pitanju ručno otkrivanje mina. Njihove prednosti očituju se u
iznimnoj velikoj osjetljivosti na vrlo male količine metala,
jednostavnosti, robusnosti, te brzini odziva koja je prikladna za
prolazak relativno velike površine miniranog područja u
jedinici vremena. S druge strane, velika osjetljivost detektora
koja je potrebna s obzirom na važeće norme UN-a plaća se
ogromnim brojem lažnih nalaza, koji u bitnome otežavaju,
usporavaju i poskupljuju čitav proces razminiranja. Stoga se
fokus znanstvene i istraživačke zajednice sve više okreće
prema metodama koje teže ka unaprijeđenju postojećih metoda
detekcije metala. Pri tome su prepoznata dva ključna segmenta:
pitanje raspoznavanja metalnih objekata (razlikovanja dijelova
mine i ostalih objekata u minskom polju) i kompenzacija
utjecaja tla.
S obzirom opisani problem i dani pregled područja, moguće
je identificirati glavne pravce razvoja u kojima se može
očekivati mjerljiv doprinos unaprijeđenju detekcije metala:
1) Izvedba učinkovitije metode kompenzacije utjecaja tla
(s obzirom na potrebnu osjetljivost detektora).
2) Primjena neke od mjernih metoda temeljenih na modelu
(primjerice metode induciranih dipola) s prilagodbom na
mine s minimumom metala. Pri tome je potrebno razviti
robusne algoritme s obzirom na očekivani odnos
signal/šum i utjecaj tla.
3) Nove konfiguracije zavojnica i vrste pobude, optimirane
za primjenu metode temeljene na modelu.
4) Izvedba učinkovitog detektora „šupljine“ temeljem
mjerenja elektromagnetskih značajki tla.
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
[22]
[23]
[24]
J. MacDonald et al., Alternatives for landmine detection, RAND Science
and Technology Policy Institute, USA, 2003.
Landmine facts, United Nations website, [Online]. Available:
http://www.un.org/Depts/dha/mct/facts.htm
Landmine facts, United States Campaign to Ban Landmines. [Online].
Available: http://www.uscbl.org/about-landmines/landmine-facts/
Minska situacija u RH, Hrvatski centar za razminiranje. [Online].
Available: http://www.hcr.hr/hr/minSituac.asp, 2012.
K. Furuta, J. Ishikawa, Anti-personnel Landmine Detection for
Humanitarian Demining, Springer-Verlag London Limited, UK, 2006.
C. Bruschini, A Multidisciplinary Analysis of Frequency Domain Metal
Detectors for Humanitarian Demining, PhD Thesis, Vrije Universiteit
Brussel, Belgium, 2006.
CWA 14747: Humanitarian Mine Action – Test and Evaluation - Metal
detectors, CEN Workshop Agreement, CEN, 2003.
A. Marinov, „Radarski sustavi za pojedinačno otkrivanje mine“,
Humanitarno razminiranje – časopis za unapređenje, razvoj i praksu
protuminskog djelovanja, god. II, br. 2, pp. 4-13, HCR, Zagreb, 2002.
World Mine Countermeasures Market, Frost & Sullivan. [Online].
Avaliable: http://www.frost.com, 2000.
P. Newnham, D. Daniels, „The market for advanced humanitarian mine
detectors“. [Online]. Avaliable: http://www.eudem.vub.ac.be/
A.H. Gunatilaka, B.A. Baertlein, „Feature-Level and Decision-Level
Fusion of Noncoincidentely Sampled Sensors for Land Mine Detection“,
IEEE Trans. Patt. Anal. Mach., Vol. 23, No. 6, 2001, pp. 577-589.
M.L. Collins, „EMI, GPR and MAG Signal Processing and Fusion“,
Research on Demining Technologies Joint Workshop, Ispra, Italy, July
12-14, 2000.
C. Sigrist, C. Bruschini, „Metal detectors for Humanitarian Demining: a
Patent Search and Analysis“, EUDEM report, May 2002. [Online].
Avaliable: http://www.eudem.vub.ac.be/
C. Moreland, „Coils Basics“, Geotech. [Online]. Avaliable:
http://www.geotech1.com/pages/metdet/info/coils.pdf
I.J. Won, „Small frequency-domain electromagnetic sensors“, The
Leading Edge, pp. 320-322, April 2003.
Coil Selection Guide – Knowledge Base Article, KBA 02-4, Minelab.
[Online]. Avaliable: http://www.minelab.com/__files/f/11792/KBA_024_Coil_Selection_Guide.pdf
N. Goldfine et al., „New Quasistatic Magnetic and Electric Field
Imaging Arrays and Algorithms for Object Detection, Identification and
Discrimination“, SPIE Processing Vol. 3710, pp. 89-100, Orlando, FLA,
USA, April 1999.
Minelab Technologies - Knowledge Base, Minelab. [Online]. Avaliable:
http://www.minelab.com/emea/consumer/knowledge-base/minelabtechnologies
Journal Articles Related to Geophex Activity and Technology, Geophex
Inc. [Online]. Avaliable: http://www.geophex.com/Publications.html
C. Bruschini, „On the Low-Frequency EMI Response of Coincident
Loops Over Conductive and Permeable Soil and Corresponding
Background Reduction Schemes“, IEEE Trans. Geos. Rem. Sens., vol.
42, no. 8, pp. 1706-1719, August 2004.
Y. Das, “Effect of Soil Electromagnetic Properties on Metal Detectors”,
IEEE Trans. Geos. Rem. Sens., vol. 44, no. 6, pp. 1444-1453, June 2006.
S. L. Tantum, L. M. Collins, “A Comparison of Algorithms for
Subsurface Target Detection and Identification Using Time Domain
Electromagnetic Induction Data”, IEEE Trans. Geos. Rem. Sens., vol.
39, no. 6, pp. 1299-1306, June 2001.
I. J. Won, „Electromagnetic Induction Spectroscopy for Clearing
Landmines“, IEEE Trans. Geos. Rem. Sens., vol. 39, no. 4, pp. 703-709,
April 2001.
C. Bruschini, H. Sahli, „Phase angle based EMI object discrimination
and analysis of data from a commercial differential two-frequency
[25]
[26]
[27]
[28]
[29]
[30]
[31]
[32]
[33]
[34]
[35]
[36]
[37]
[38]
[39]
[40]
[41]
[42]
[43]
system“, SPIE AeroSense 2000, Detection and Remediation
Technologies for Mines and Mine-Like Targets, pp. 24-28, Orlando,
FLA, USA, 2000.
T.H. Bell, B.J. Barrow, J.T. Miller, „Subsurface Discrimination Using
Electromagnetic Induction Sensors“, IEEE Trans. Geos. Rem. Sens., vol.
39, no. 6, pp. 1286-1293, June 2001.
C. V. Nelson et al., “Wide-Bandwidth Time-Domain Electromagnetic
Sensor for Metal Target Classification”, IEEE Trans. Geos. Rem. Sens.,
vol. 39, no. 6, pp. 1129-1138, June 2001.
C. L. Brown et al., “Landmine detection using single sensor metal
detectors”, IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and
Signal Processing (ICASSP), pp. 3948-3951, May 2002.
H. Krueger et al., “Advanced Signal Processing for Reduction of False
Alarm Rate of Metal Detectors for Humanitarian Mine Clearance”,
IEEE International Instrumentation and Measurement Technology
Conference, IMTC 2006, pp. 1452-1456, Sorento, Italy, April 2006.
C. Abeynayake, M. Ferguson, “Investigation on improved target
detection capabilities using multi-channel multiple receive coil metal
detector data”, International Conference on Electromagnetics in
Advanced Applications (ICEAA 2010), pp. 209-212, Torino, Italy,
September 2010.
T. M. Grzegorczyk et al., „Electromagnetic Induction from Highly
Permeable and Conductive Ellipsoids Under Arbitrary Excitation:
Application to the Detection of Unexploded Ordnances“, IEEE Trans.
Geos. Rem. Sens., vol. 46, no. 4, pp. 1164-1176, April 2008.
R. W. Moses et al., „Modelling the Electromagnetic Detection of Buried
Cylindrical Conductors“, Geoscience and Remote Sensing Symposium,
IGARSS '96. 'Remote Sensing for a Sustainable Future.', vol.4, pp. 19381940, 1996.
S. H. Ward, „Unique determination of conductivity, susceptibility, size
and depth in multifrequency electromagnetic exploration“, Geophysics
vol. XXIV, no. 3, pp. 531-546, 1959.
C. E. Baum, Detection and identification of visually obscured targets,
Taylor & Fancis, USA, 1998.
E. B. Fails, „Performance of a Four Parameter Model for Modellling
Landmine Signatures in Frequency Domain Wideband Electromagnetic
Induction Detection system“, Proc. of SPIE, Detection and Remediation
Technologies for Mines and Mine-Like Targets XII, February 2010.
CWA 14747-2: Humanitarian Mine Action – Test and Evaluation – Part
2: Soil characterization for metal detector and ground penetrating radar
performance, CEN Workshop Agreement, CEN, 2008.
G. V. Keller, F. C. Frischknecht, Electrical Methods in Geophysical
Prospecting, Oxford,UK:Pergamon Press, 1966.
A. A. Kaufman, P. A. Eaton, The Theory of Inductive Prospecting,
Amsterdam, NL: Elsevier, 2001.
F. M. Foerster, „Method and Device for Locating and Identifying Search
Objects Concealed in the Ground, Particulary Plastic Mines“, US Patent
no. 6,097,190 Aug 2000, German patent DE 196 48 833, May 1998.
R. J. Wold et al., „Development of Hand-Held Mine Detction System
Using a Magnetoresistive Sensor Array“, SPIE Proceedings vol. 3710,
pp. 113-123, Orlando, FLA, April 1999.
B. Dekdouk et al., „Method for determining magnetic polarizability
tensor for identifying obscured threat metallic targets“, European
Electromagnetics Symposium EUROEM 2012, Toulouse, France, 2012.
Y. Das, J. T. Dean, et al., International Pilot Project for Technology Cooperation Final report: A Multinational Technical Evaluation of
Performance of Commercial Of the Shelf Metal Detectors in the Context
of Humanitarian Deminig, Ispra, Italy: European Commission Joint
research center, 2001.
W. Murray, et. al, „Measurement of Near Surface Permittivity and its
Variations“, Geoscience and Remote Sensing Symposium Proceedings,
IGARSS '98, vol. 4, pp. 2084-2085, 1998.
N. J. Goldfine, et. al., „Segmented Field Dielectrometer“, US Patent no.
US 6,486,673 B1, November 2002.
Was this manual useful for you? yes no
Thank you for your participation!

* Your assessment is very important for improving the work of artificial intelligence, which forms the content of this project

Download PDF

advertisement