Глава 5 (Учебник - информационные системы), страница 6

Одним из наиболее известных решений является схема низкочастотного металлоискателя [ ], постро­енного в рамках метода «передат­чика-при­емника» (рис. 5.27).

Г енератор металлоискателя возбуждает колебания в передающей катушке, создавая в ней переменное магнитное поле, частотой 8кГц. При­­емная катушка выполнена в виде «вось­мерки» (или распо­ложе­на перпендикулярно пе­ре­да­ю­щей). Благодаря та­кому ра­с­­положению ЭДС в отсутствии объ­екта мала. Число витков катушки n_к приближенно определяют по формуле: , где L и D - индуктивность (мкГн) и диаметр (см) катушки соответственно.

Металлический пред­мет, по­падая в поле катушки, изменяет ее индуктивность, и на выходе катушки появляется значительный сигнал, который усиливается, выпрямляется синхронным детектором и фильтруется. Дискриминатор служит для компенсации нулевого сигнала, для чего в УВЧ подмешивается часть сигнала генератора. Амплитуда постоянного по величине выходного сигнала возрастает, по мере приближения к металлическому объекту. На схеме сравнения этот сигнал сравнивается с опорным, величина которого соответствует порогу чувствитель­ности. При превышении этого значения электронный ключ подключает к выходному усилителю звуковой генератор, формирующий пачки прямоугольных импульсов частотой 2 кГц с частотой повторения 8 Гц.

Излучающая катушка имеет диаметр 190 мм и состоит из 200 витков, приемная - 125 мм, 100 витков.

Головка металлоискателя представляет из себя пластмассовую тарелку диаметром 25 см, на которой размещены две экранированные катушки (рис. 5.28). В рассматриваемой схеме они имеют одинаковую форму и размеры и наматываются на D-образный контур проводом диаметром 0,27 мм. Затем катушки экранируются алюминиевой фольгой, причем фольга на приемной должна содержать разрыв экрана, препятствующий образованию замкнутого витка по ок­ружности катушки.

В настоящее время промышленно выпускается много моделей металлоискателей. Однако, большинство из них используют один из рассмотренных выше методов. Сравнительная характеристика этих методов приведена в табл. 5.2.

Таблица 5.2. Сравнительная характеристика методов обнаружения метал­лов

Как следует из табл. 5.2 лучшей чувствительностью и селективностью обладают металлоискатели, построенные по методу «передача-прием», однако они существенно дороже.

Е ще одним типом ЭЛС специального назначения являются устройства, работающие в радиоволновом СВЧ диапазоне и получившие название георадаров. Как следует из названия, системы этого типа используют принцип активной локации и предназначены для обнаружения различных объектов, расположенных в грунте. В отличие от рассмотренных выше ЭЛС георадар способен обнаружить не только металлические объекты. Георадары применяются при решении задач измерения толщины и определения местоположения подповерхностных слоев грунта, локализации труб и подземных коммуникаций, контроля состояния полотна дорог в строительстве, обнаружения пластмассовых мин, нахождения и определе­ния размеров залежей полезных иско­паемых, исследования толщины и со­стояния ледяных покровов, поиска грунтовых вод и т. п. Глубина локации современных систем достигает 7 … 10 м.

В основу работы ЭЛС положен принцип классической локации - обнаружение и регистрация вторичных радиоволн, отраженных или рассеянных подповерхностными объектами. Система, как правило, содержит две антенны - излучающую и приемную (рис. 5.29). Как известно, плотность потока мощности p излучаемой антенной мощностью P₀ на расстоянии R для изотропной среды определяется зависимостью: p = (P₀ /4R²) К(, ), где К(, ) - коэффициент направленного действия антенны. В случае рассеянного излучения плотность потока мощности p’ в точке приема равна

p’ = p$ /4R²) = P₀$ К(, )/16²R⁴.

Здесь $ - эффективная отражающая поверхность, характеризующая эффективность излучения в данном направлении. Па­раметр $ определяется свойствами обнаруженного объекта (его фор­мой, размером и ракурсом), удельным сопротивлением  и диэлектрической проницаемостью  среды. Однако в отличии от традиционного радара георадар работает в существенно анизотропной среде (грунте), что значительно затрудняет расчет его конструкции. Поэтому, вычисление размеров объекта на основе указанного выражения приводит к существенной ошибке.

И мпульсный портативный георадар, схема которого представлена на рис. 5.29 предназначен для обнаружения объектов на глубине до 5 м и обладает разрешающей способностью  0,15 м. В системе используются согласованные по характеристикам приемные и передающие антенны, причем их параметры подобраны в зависимости от диапазона исследуемых глубин. Так, несущая частота излучений для ближнего и среднего диапазонов глубин 0 ... 1,5 м составляет 400 МГц и 1ГГц, а для диапазона глубин 0 ... 5 м - 150 МГц. Амплитуда импульсов достигает 50 В, что позволяет улучшить энергетические характеристики и повысить разрешающую способность. Передающая антенна, возбуждаемая генератором импульсов, излучает электромагнитный импульс, длительность которого определяется полосой пропускания антенны. Для антенн диапазона глубин 0 ... 1,5 м длительность равна 2,5 нс (цен­тральная частота 400 МГц) и 1 нс (цен­тральная частота 1 ГГц), а для антенн диапазона глубин  0 ... 5 м длительность рав­на б нс. Отраженные от подповерхностных структур сигналы регистрируются затем приемной антенной. Малошумящий стробоскопический пре­образо­ва­тель с высокой частотой стро­бирования (100 кГц), служит для накопления вводимых сигналов в сигнальный процессор фирмы Octa­gon с целью их последующей обработки и выде­ления сигнал от отражающего объекта на фоне шума. Электролюминесцентный индикатор фирмы Pla­nar, управляемый видеоконтроллером фирмы Octa­gon, позволяет осуществить выбор режимов функционирования и подготовку прибора к работе. Работа ЭЛС сводится к определению распределения диэлектрической проницаемости по глубине. С этой целью передающая и приемная антенны перемещаются вдоль обозна­чаемых на поверхности профилей. На основе собранных сигналов формируется временной про­филь, на котором ось глубин калибро­вана в единицах времени. Различные значения коэффициента отражения соответствуют различным значениям градаций яркости на индикаторе. С учетом диэлектрической проницаемости  рассчитывается шка­ла глубин, с помощью которой можно определить глубину каждой отражаю­щей границы.

На рис. 5.30 показано изображение профиля, полученного с использованием обыч­ной обработки и с использованием дополнительных корреляционных обработок (методом вычитания среднего по участку значения). На профиле, представленном на втором рисунке, значительно легче идентифицировать две трубы.

5.3. Акустические локационные системы

Акустические системы имеют чрезвычайно широкую область практического применения. Условно выделяют три основных направления: получение информации об объекте, прием и передача сигналов и активное воздействие на вещество. При каждом конкретном применении используются акустические волны определенного частотного диапазона и интенсивности. Так, в рамках первого направления разрабатываются различные дефектоскопы, уровне- и толщиномеры, системы медицинской диагностики и звуковидения, гидролокационные приборы (эхолоты и гидролокаторы), работающие в диапазоне 10³ … 10¹¹ Гц. Второе направление, в основном связано с созданием средств связи, а также ультразвуковыми процессорами. Устройства этой группы функционируют на частотах 10⁵ … 10¹⁰ Гц. Наконец, в акустических системах, активно воздействующих на вещество (к ним относятся хирургические инструменты, устройства механической обработки материалов и сварки) применяются колебания высокой интенсивности 1 … 50 Вт/см² с частотами 10⁴ … 10⁷ Гц.

Ультразвуком называются упругие колебания и волны, частота которых превышает 15 ... 20 кГц.

До недавнего времени считалось, что ультразвук редко встречается в природе, однако ис­следования последних лет показали, что наш мир - это мир звуков высокой частоты. Его ис­точниками являются как живые суще­ства, так и природные источники: леса, горы, молнии, ветер и др. Интенсивность излучателей ультразвука варьи­руется в широких пределах. Так, например, сверчки на рас­стоя­нии 30 см создают излучения интен­сивностью 90 дБ. Мощными генераторами ультразвука являются джунгли и моря; интенсивность фона на частоте 20 кГц достигает 55 дБ.

История исследований в области ультразвука локации ведет свое начало с 70-х годов XVIII века и связана с именем итальянца Лазаро Спалланцани, изучавшего ночное зрение сов и летучих мышей. Его подход является примером грамотно организованной методики эксперимента. Сначала ученый, надев на голову ле­тучей мыши светонепроницаемый колпачок, убе­дился, что ориентация животного намного ухудшилась. Затем, уточняя результат, он заменил колпачок на прозрачный и с удивлением получил тот же результат. Со вре­менем Спалланцани понял, что зрение и вовсе не влияет на способность летучих мышей перемещаться в пространстве. Его швейцарский коллега Шарль Жюрин, также исследуя летучих мышей, закупоривал их уши воском и в результате, пришел к выводу, что именно уши принимают на себя функцию зрения. Спалланцани сначала скептически отнесся к этому результату, пола­гая, что опыты Жюрина травмируют мышей, но собственными точными экспериментами с использованием тонких пробок убедился в правоте швейцарца. Тем не менее, только спустя 120 лет изобретатель станкового пулемета Х. Мак­сим выдвинул предположение о наличии у мы­шей звуковой локации. Он же первым сделал попытку рассчитать и диапазон частот эхолокации; по его мнению, она осуществлялась в инфра­звуковой области, с частотами не превышающими 15 Гц.

Толчком к активному изучению ультразвука послужили два фактора. Первым была гибель «Титаника» в 1912 году. Вто­рым, явилась про­блема обнаружения немецких подводных лодок во время первой мировой войны. Для этой цели Поль Ланжевен и предложил использовать ультразвука локацию, дав, тем самым, ро­ждение гидроакустики. 1928 год можно считать годом рождения дефектоскопии, тогда советский инженер С. Соколов выдвинул идею использо­вать отражение ультразвуковых волн для об­наружения дефектов в твердых телах. Что же касается механизма эхолокации летучих мышей, то он окончательно был понят лишь в 40-х годах XX века, благодаря исследованиям сотрудников Гарвардского университета США Г. Пирса, сконструировавшего ультразвуковой детектор и Д. Гриф­фина. Они обнаружили, что частотный диапазон излучения мышей составляет 30 ... 70 кГц, при максимальной интенсивности в области 45 .. 50 кГц, причем само излучение не непрерывно, а дискретно - оно осуществляется импульсами длите­льностью 1 ... 2 мс.