RU2789988C1 - Multi-zone metal detector - Google Patents
Multi-zone metal detector Download PDFInfo
- Publication number
- RU2789988C1 RU2789988C1 RU2022102884A RU2022102884A RU2789988C1 RU 2789988 C1 RU2789988 C1 RU 2789988C1 RU 2022102884 A RU2022102884 A RU 2022102884A RU 2022102884 A RU2022102884 A RU 2022102884A RU 2789988 C1 RU2789988 C1 RU 2789988C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- coils
- inputs
- output
- outputs
- passage
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение предназначено для обнаружения металлических объектов как, например, огнестрельного или холодного оружия, их частей и осколочных материалов, скрытых под одеждой или в багаже в местах организованного прохода людей - таких как, например, вестибюли метро, вокзалы, аэропорты, стадионы и другие.The invention is intended to detect metal objects such as firearms or cold steel, their parts and fragmentation materials hidden under clothing or in luggage in places of organized passage of people - such as, for example, metro lobbies, train stations, airports, stadiums and others.
Известны аналоги - металлообнаружитель многозонный многочастотный с гармоническим возбуждением патент РФ на изобретение RU 2672162, металлообнаружитель многозонный патент РФ на изобретение RU 2643672, взятый за прототип, и металлообнаружитель многозонный патент РФ на изобретение RU 2680854. Как следует из описания изобретений, данные металлообнаружители используют комбинаторный метод вычисления местоположения металлического объекта в двумерной плоскости прохода, основанный на сопоставлении сработавших и несработавших локальных зон обнаружения, при этом каждая локальная зона обнаружения линейно аппроксимируется в виде луча. Общими недостатками данных аналогов является неспособность к достоверной локализации - способности металлодетектора указывать местоположение обнаруженных предметов - нескольких металлических объектов, одновременно или с небольшим интервалом времени перемещаемых через контрольное пространство, в силу очень большой нелинейности диаграммы направленности электромагнитного поля любой излучающей катушкой, сравнимой размерами с объектом поиска. Вследствие этого, такие металлообнаружители могут указывать место обнаружения лишь максимального по массе из двух и более металлических объектов, особенно если разница в массе между ними существенна и особенно, если объекты имеют существенную разницу в линейных размерах, сопоставимых с размерами катушек. Металлообнаружитель многозонный RU 2680854 использует одновременное включение нескольких пар передающих катушек. Вследствие этого, металлический объект, перемещаемый вблизи одной пары, будет давать ложные сработки в другой паре, включённой одновременной с ней. Кроме того, как следует из описания изобретений, использующих последовательное включение катушек - сигнал обнаружения в каждой локальной зоне пропускается через полосовые фильтры, которые выделяют основную гармонику рабочей частоты. Все полосовые фильтры имеют свою постоянную времени выхода на стабильный режим при переключении катушек, что приводит к необходимости выдержки времени включенного состояния локальной зоны равной, как минимум, 40-ка периодам рабочей частоты. При низкой рабочей частоте 0,5-4 кГц на полный опрос плоскости детектирования одного металлодетектора потребуется как минимум 80 миллисекунд, при возможном времени перемещения объекта поиска при стандартной пешеходной скорости человека, пересекающего металлодетектор глубиной 0,4 м, составляющем 288 миллисекунд. Таким образом, пока человек проходит через рамку - такой металлодетектор успеет провести лишь 3 полных цикла сканирования, что недостаточно для определения формы обнаруженных объектов поиска и корректировку чувствительности обнаружения в связи с той или иной формой. При увеличении же частоты работы, уменьшается глубина проникновения электромагнитного поля вглубь металлических объектов, что влечёт за собой ухудшение селективных свойств металлодетектора и к возможности его «обмануть», замаскировав объект поиска под несколькими слоями, например, медной или свинцовой фольги.Analogues are known - a multi-zone multi-frequency metal detector with harmonic excitation RF patent for the invention RU 2672162, a multi-zone metal detector RF patent for the invention RU 2643672, taken as a prototype, and a multi-zone metal detector RF patent for the invention RU 2680854. As follows from the description of the inventions, these metal detectors use a combinatorial method calculating the location of a metal object in a two-dimensional plane of the passage, based on a comparison of triggered and non-operated local detection zones, with each local detection zone being linearly approximated as a beam. The common disadvantages of these analogues is the inability to reliably localize - the ability of a metal detector to indicate the location of detected objects - several metal objects moving simultaneously or with a short time interval through the control space, due to the very large nonlinearity of the electromagnetic field pattern by any radiating coil comparable in size to the search object . As a result, such metal detectors can indicate the location of detection of only the maximum mass of two or more metal objects, especially if the difference in mass between them is significant and especially if the objects have a significant difference in linear dimensions comparable to the dimensions of the coils. Multi-zone metal detector RU 2680854 uses simultaneous activation of several pairs of transmitting coils. As a result, a metal object moving near one pair will give false alarms in another pair, turned on simultaneously with it. In addition, as follows from the description of inventions using the series connection of coils, the detection signal in each local zone is passed through band-pass filters, which select the fundamental harmonic of the operating frequency. All bandpass filters have their own settling time constant when switching coils, which leads to the need to hold the local zone on time equal to at least 40 periods of the operating frequency. At a low operating frequency of 0.5-4 kHz, a full survey of the detection plane of one metal detector will take at least 80 milliseconds, with a possible time for moving the search object at a standard walking speed of a person crossing a metal detector with a depth of 0.4 m, which is 288 milliseconds. Thus, while a person passes through the frame, such a metal detector will have time to carry out only 3 full scanning cycles, which is not enough to determine the shape of the detected search objects and adjust the detection sensitivity in connection with one form or another. With an increase in the frequency of operation, the depth of penetration of the electromagnetic field deep into metal objects decreases, which entails a deterioration in the selective properties of the metal detector and the possibility of "deceiving" it, disguising the search object under several layers, for example, copper or lead foil.
Также общим недостатком существующих на данный момент и применяющихся при антитеррористических мерах металлодетекторов является подверженность эффекту ориентации, при котором искажение электромагнитного поля, вызванное перемещением одного и того же плоского или вытянутого в длину объекта поиска, будет существенно разным при перемещении объекта через металлодетектор в трёх разных плоскостях. Вследствие того, что тревожная сработка металлодетектором создаётся именно на основе оценки амплитуды искажений электромагнитного поля, а фазовое искажение будет одно и то же для одного и того же объекта - то, чтобы гарантированно обнаруживать такие объекты поиска, приходится увеличивать чувствительность металлодетектора, что приводит к необходимости досматриваемым лицам выкладывать отдельно для осмотра телефоны, ключи, массивные часы и прочие предметы личного пользования. Данные недостатки ведут к ухудшению культуры досмотра, к снижению его скорости, к отсутствию возможности эксплуатации металлодетекторов без оператора в интегрированных системах безопасности и, как следствие - к снижению уровня антитеррористической безопасности.Also, a common drawback of the metal detectors that currently exist and are used in anti-terrorist measures is their susceptibility to the orientation effect, in which the distortion of the electromagnetic field caused by the movement of the same flat or elongated search object will be significantly different when the object moves through the metal detector in three different planes. . Due to the fact that an alarm triggering by a metal detector is created precisely on the basis of an estimate of the amplitude of electromagnetic field distortions, and the phase distortion will be the same for the same object, in order to reliably detect such search objects, it is necessary to increase the sensitivity of the metal detector, which leads to the need to the searched persons to lay out separately for inspection phones, keys, massive watches and other items of personal use. These shortcomings lead to a deterioration in the inspection culture, to a decrease in its speed, to the inability to operate metal detectors without an operator in integrated security systems and, as a result, to a decrease in the level of anti-terrorist security.
Технической задачей изобретения является повышение достоверности локализации обнаружения многозонного металлодетектора при перемещении через контрольное пространство металлодетектора нескольких металлических объектов, в том числе и с существенной разницей в массе, в том числе и с существенной разницей в линейных размерах.The technical objective of the invention is to increase the reliability of the detection localization of a multi-zone metal detector when several metal objects move through the control space of the metal detector, including those with a significant difference in mass, including those with a significant difference in linear dimensions.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в возможности достоверной локализации обнаружения многозонного металлодетектора при перемещении через контрольное пространство металлодетектора нескольких металлических объектов, в том числе и с существенной разницей в массе, в том числе и с существенной разницей в линейных размерах - в создании трёхмерной карты расположения всех перемещаемых через металлодетектор металлических объектов с указанием их ориентации в контрольном объёме металлодетектора.The technical result of the invention lies in the possibility of reliable localization of the detection of a multi-zone metal detector when moving several metal objects through the control space of the metal detector, including those with a significant difference in mass, including with a significant difference in linear dimensions - in creating a three-dimensional map of the location of all moved through a metal detector of metal objects with an indication of their orientation in the control volume of the metal detector.
Решение технической задачи в способе обнаружения металлических объектов, включающем формирование электромагнитного поля в части контрольного пространства путём последовательного включения катушек и одновременной при этом обработки сигнала катушек с вычислением местоположения объектов из металла и подачей сигнала о наличии и местоположении объектов из металла в контрольном пространстве на блок индикации достигается тем, что в каждый момент времени в горизонтальной части контрольного пространства формируют двунаправленные несинфазные импульсы электромагнитного поля двумя независимыми, противоположно расположенными по обе стороны прохода катушками, с которых одновременно снимают приёмные сигналы, пропускают их через управляемые интеграторы, накапливают в сдвиговых регистрах и параллельно подают вместе с предыдущими текущему моменту отсчётами на нейросетевой вычислитель, который генерирует на блоке индикации трёхмерную карту расположения и ориентации обнаруженных металлических предметов, находящихся в текущий момент в контрольной зоне. Solving a technical problem in a method for detecting metal objects, including the formation of an electromagnetic field in a part of the control space by sequentially switching on the coils and simultaneously processing the signal of the coils with calculating the location of metal objects and sending a signal about the presence and location of metal objects in the control space to the display unit is achieved by the fact that at each moment of time in the horizontal part of the control space, bidirectional out-of-phase pulses of the electromagnetic field are formed by two independent, oppositely located coils on both sides of the passage, from which the receiving signals are simultaneously removed, passed through controlled integrators, accumulated in shift registers and fed in parallel together with the previous current readings to the neural network calculator, which generates a three-dimensional map of the location and orientation of the detected metal objects on the display unit, currently in the control zone.
Решение технической задачи в устройстве для обнаружения металлических объектов - металлодетекторе многозонном, содержащем катушки, установленные вертикально с двух сторон прохода, блок управления, соединённый с катушками и генерирующий сигнал о наличии и местоположении объектов из металла в контрольном пространстве на блок индикации, включенный в блок управления, достигается тем, что все катушки с левой стороны прохода соединены одним концом и подключены этим концом к первому конденсатору, а вторым концом подключены независимо к своим электронным ключам, первые входы которых соединены и подключены к источнику питания постоянного тока, а вторые входы подключены независимо к блоку управления, Solving a technical problem in a device for detecting metal objects - a multi-zone metal detector containing coils installed vertically on both sides of the passage, a control unit connected to the coils and generating a signal about the presence and location of metal objects in the control space to the display unit included in the control unit , is achieved by the fact that all the coils on the left side of the passage are connected at one end and connected at this end to the first capacitor, and at the second end they are connected independently to their electronic keys, the first inputs of which are connected and connected to a DC power source, and the second inputs are connected independently to control unit,
все выводы катушек с левой стороны прохода, соединенные с электронными ключами, соединены также с первым входом первого управляемого интегратора, выход которого подключен ко входу первого сдвигового регистра, выходы которого подключены независимо к первой группе входов нейросетевого вычислителя, причём второй вход первого управляемого интегратора подключен к блоку управления,all coil outputs on the left side of the passage, connected to electronic keys, are also connected to the first input of the first controlled integrator, the output of which is connected to the input of the first shift register, the outputs of which are connected independently to the first group of inputs of the neural network computer, and the second input of the first controlled integrator is connected to control unit,
все катушки с правой стороны прохода соединены одним концом и подключены этим концом ко второму конденсатору, а вторым концом подключены независимо к своим электронным ключам, первые входы которых соединены и подключены к источнику питания постоянного тока, а вторые входы подключены независимо к блоку управления, all coils on the right side of the passage are connected at one end and connected by this end to the second capacitor, and at the other end are connected independently to their electronic keys, the first inputs of which are connected and connected to a DC power source, and the second inputs are connected independently to the control unit,
все выводы катушек с правой стороны прохода, соединенные с электронными ключами, соединены также с первым входом второго управляемого интегратора, выход которого подключен ко входу второго сдвигового регистра, выходы которого подключены независимо ко второй группе входов нейросетевого вычислителя, причём второй вход управляемого интегратора подключен к блоку управления,all coil outputs on the right side of the passage, connected to electronic keys, are also connected to the first input of the second controlled integrator, the output of which is connected to the input of the second shift register, the outputs of which are connected independently to the second group of inputs of the neural network computer, and the second input of the controlled integrator is connected to the block management,
а выход нейросетевого вычислителя подключен к микроконтроллеру, выход которого подключен ко входу блока индикации.and the output of the neural network calculator is connected to the microcontroller, the output of which is connected to the input of the display unit.
На фиг. 1 изображена схема металлообнаружителя, состоящего изIn FIG. 1 shows a diagram of a metal detector, consisting of
Катушек 1, электронных ключей 2 и электронных ключей 3, цепей управляемого интегрирования 4, мультиплексоров 5, аналого-цифровых преобразователей АЦП 6, источника питания постоянного тока 7, блока управления 13, содержащего сдвиговые регистры 8, нейросетевой вычислитель 9, микроконтроллер 10, дисплей с сенсорным управлением 11, тревожный извещатель 12, конденсаторы 20. Для исключения потери информативности, на фиг. 1 приведена схема с реализацией 4-х горизонтальных пар катушек, но предлагаемый металлодетектор может включать произвольное число таких пар.Coils 1,
На фиг. 2 изображена схема цепи управляемого интегрирования 4, состоящая из разделителя 14, инвертора 15, мультиплексоров 16, управляемого интегратора 17, усилителя постоянного напряжения 18. К цепи управляемого интегратора подключаются либо катушки 1, либо магниторезистивные датчики 19.In FIG. 2 shows a diagram of a controlled
На фиг. 3 изображена схема металлобнаружителя, включающего в свой состав магниторезистивные датчики 19.In FIG. 3 shows a diagram of a metal detector, which includes
На фиг. 4 изображена временная развертка работы управляемого интегратора.In FIG. 4 shows the time base of the controlled integrator.
На фиг. 5 изображена временная развертка сигнала катушки при перемещении металлического объекта через контрольное пространство металлодетектора глубиной D.In FIG. 5 shows the time base of the coil signal when a metal object moves through the control space of the metal detector with depth D.
Рассмотрим пример конкретной реализации металлодетектора, состоящего из двух вертикальных панелей, в которые устанавливаются катушки 1, соединённые с блоком управления, расположенного в перекладине, соединяющей панели или в одной из панелей.Consider an example of a specific implementation of a metal detector, consisting of two vertical panels, in which coils 1 are installed, connected to a control unit located in the crossbar connecting the panels or in one of the panels.
Катушки 1 соединяются одним концом с конденсатором 20. Конденсатор 20 последовательно с включенной в текущий момент времени катушкой 1 образовывает последовательный колебательный контур, на который с помощью электронных ключей 2 и 3 подключено постоянное напряжение источника постоянного тока. Электронные ключи могут быть реализованы на MOSFET-транзисторах, обладающих достаточным быстродействием. Суммарное сопротивление открытого состояния ключей 2 и 3 выбирается таким образом, чтобы подача постоянного напряжения на колебательный контур приводила к апериодическому переходному процессу в катушке в виде быстрозатухающего импульса с длительностью равной два-четыре периода резонансной частоты колебательного контура. Таким образом, при резонансной частоте контура, равной 3 КГц, время, требуемое на включенное состояние одной катушки не превышает 1,25 миллисекунд при количестве периодов, равным 4, а полный цикл сканирования не превышает 10 миллисекунд, что позволяет за один проход человека через рамку металлодетектора произвести 20-30 циклов опроса сканирования, что напрямую связано с достижением технической задачи, как это будет показано далее. В то же время, колебательный контур обеспечивает такой характер изменения тока в катушках 1, электромагнитное поле которых воздействует на металлический объект поиска между катушками 1, при котором электромагнитное поле переизлучения, вызываемого объектом поиска, будет возникать преимущественно на основной гармонике, равной резонансной частоте колебательного контура, а не в широкой полосе частот, что напрямую связано с достижением технической задачи, как это будет показано далее. В соответствии со схемой металлодетектора, приёмный тракт подключен к тем же катушкам 1, которые и формируют электромагнитное поле. Приёмный тракт включает разделитель 14, исключающий выход из строя низковольтовой электроники приёмного тракта, который смещает постоянное напряжение на катушке в область низких напряжений, инвертор 15, мультиплексоры 16 и управляемые интеграторы 17. Разделитель может быть реализован на высоковольтном операционном усилителе в дифференциальном включении. Инвертор 15 предназначен для смещения выходного напряжения управляемого интегратора в область положительных напряжений, в случае, если будет применена однополярная схема питания приёмного тракта. Управляемые интеграторы представляют собой интегрирующие цепочки, имеющие возможность мгновенной принудительной установки начального состояния в ноль в любой момент времени. Такие интеграторы могут быть реализованы в виде простейшей RC-цепи, конденсатор которой шунтирован MOSFET-транзистором с низким сопротивлением канала, мгновенно разряжающим конденсатор в нужный момент времени. Выходы управляемых интеграторов подключены к усилителям постоянного напряжения 18, которые усиливают разницу между выходами интеграторов и постоянным напряжением смещения (на схеме Фиг. 2 подача напряжения смещения не показана чтобы не перегружать её информативность). Выход усилителей постоянного напряжения подключены через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5 ко входам сдвиговых регистров 8, которые содержат все отсчёты приёмного сигнала за прошедшее время Т, которое выбирается исходя из минимально возможной скорости прохода через металлодетектор, а размер сдвигового регистра определяется длиной цикла опроса всех катушек t и временем Т. Так, при длительности цикла опроса 10 миллисекунд и при максимальной длительности прохода равной 3 секунды (очень медленное передвижение через рамку металлодетектора) длина регистров 8 будет равна N=(T/t)=300 отсчётов на каждый из 4-х временных интервалов одной катушки 1.Coils 1 are connected at one end to
Все выходы сдвиговых регистров 8 параллельно подключены к нейросетевому вычислителю 9, который подключен к микроконтроллеру 10, подключенный к дисплею 11 и тревожному извещателю 12. Нейросетевой вычислитель может быть выполнен на базе так называемой системы-на-кристалле - СнК, включающей в одной микросхеме как аппаратные, так и программные вычислительные средства, оптимизированные под нейросетевую реализацию. Возможным примером такой СнК - платформа Zynq UltraScale+ производства Xilinx. Тревожный извещатель 12 включает в свой состав звуковой извещатель и индикаторные полоски, указывающие местоположение обнаруженные объектов на торцевых частях боковых панелей металлодетектора по всей высоте панелей.All outputs of the
Рассмотрим пример реализации способа обнаружения металлических предметов. Металлодетектор в примере конкретной реализации используется для проверки наличия огнестрельного и холодного оружия, а также их металлических частей и осколочных материалов под одеждой или в багаже.Consider an example of the implementation of a method for detecting metal objects. The metal detector in the example of a specific implementation is used to check for the presence of firearms and bladed weapons, as well as their metal parts and fragmentation materials under clothing or in luggage.
В нулевой момент времени включаются электронные ключи 2 верхней левой и верхней правой катушек 1, остальные электронные ключи 2 выключены. После чего кратковременно 1-3 раза включается левый электронный ключ 3 с периодом резонансной частоты колебательного контура, образованного левой катушкой 1 и левым конденсатором 20 и правый электронный ключ 3 с периодом резонансной частоты колебательного контура, образованного правой катушкой 1 и правым конденсатором 20. Резонансные частоты колебательных контуров выбираются близкими, но не равными, что приводит к наложению апериодических импульсов, как от катушек, так и импульсов переизлучения объектами поиска. Апериодические импульсы выделяются теми же катушками 1. Включение левых и правых электронных ключей 3 производится в противофазе, что обуславливает слабое влияние правой катушки 1 на приёмную цепь сигнала левой катушки 1, если считывание приёмного сигнала левой катушки 1 производится в момент времени, когда правый ключ 3 выключен и наоборот. Применение двунаправленных катушек позволяет сформировать двунаправленное несинфазное импульсное электромагнитное поле в локальной горизонтальной части контрольного объёма, что делает возможным локализацию объектов поиска вблизи любой катушки независимо от того, есть ли другие объекты поиска возле противоположной катушки или нет, что, в свою очередь, исключает необходимость применения комбинаторных сопоставлений сработавших локальных зон.At the zero moment of time, the
Таким образом, искажения сигнала, вносимые металлическими объектами, помещёнными между данными конкретными левой и правой катушками 1, считываемого с левой катушки 1 в момент времени, когда левый электронный ключ включен, характеризуют наличие металлического объекта в ближней к левой катушке зоне, а искажения сигнала, считываемого с правой катушки 1 в момент времени, когда правый электронный ключ включен, характеризуют наличие металлического объекта в ближней к правой катушке зоне. В то же время, сумма искажений сигнала левой катушки 1 в момент времени, когда левый электронный ключ 3 выключен и правой катушки 1 в момент времени, когда правый электронный ключ 3 выключен, несет информацию о суммарной массе металла между этими двумя конкретными катушками. Далее оценка энергии искажения приёмных сигналов производится в управляемых интеграторах. На фигуре 4 показана временная развертка одного импульса сигнала, снимаемого с одной из двух катушек 1, включенных в текущий момент времени. Интервалы времени t1-t2 и t6-t7 находятся в области включенного электронного ключа 3. Интервалы времени t3-t4 и t8-t5 находятся в области выключенного электронного ключа 3. Длительность импульса составляет t5<=1,25 миллисекунд. В момент времени t1 первый управляемый интегратор 17 приводится принудительно в нулевое состояние, а в момент времени t2 он содержит энергию импульса в временном диапазоне t1-t2, после чего сигнал интегратора оцифровывается и запоминается в сдвиговом регистре. В момент времени t6 второй управляемый интегратор принудительно приводится в нулевое состояние, а в момент времени t7 он содержит энергию импульса в временном диапазоне t6-t7, после чего сигнал второго интегратора оцифровывается и запоминается в сдвиговом регистре. Аналогичным образом сигнал вырезается и интегрируется во временных диапазонах t3-t4 и t8-t5 соответственно. В совокупности, энергии сигналов на указанных промежутках в виде множеств LEFT={At12, At67, At34, At85} левой катушки и RIGHT={At12, At67, At34, At85} несут полную информацию о массе металла вблизи левой катушки, о массе металла вблизи правой катушки и о суммарной массе металла между правой и левой катушками. Соотношения At12 и At67, At34 и At85 соответствуют конкретному металлу или сплаву, из которого сделаны металлические объекты, что достигается лишь в случае существенного преобладания в сигнале переизлучения металлического объекта одной частотной гармоники, что обусловлено применением конденсаторов 20 в резонансной цепи. В случае широкополосного прямоугольного или трапецеидального импульса пришлось бы производить фазовый частотный анализ посредством преобразования Фурье, что повлекло бы дополнительное время на обработку сигнала и дополнительные вычислительные мощности.Thus, the signal distortions introduced by metal objects placed between these specific left and right coils 1, read from the left coil 1 at the time when the left electronic key is turned on, characterize the presence of a metal object in the zone closest to the left coil, and signal distortions, read from the right coil 1 at the time when the right electronic key is turned on characterize the presence of a metal object in the zone closest to the right coil. At the same time, the sum of the signal distortions of the left coil 1 at the time when the left
После этого производится аналогичный порядок действий со следующей горизонтальной парой из левой и правой катушек 1. Таким образом, применение управляемого интегратора позволяет оценить искажения электромагнитных импульсов, вносимые металлическими объектами, за интервал времени не более 1,25 миллисекунд на катушку. При числе катушек - по 8 катушек с каждой стороны прохода, цикл опроса будет занимать не более 10 миллисекунд, что означает, что за время прохода досматриваемого лица через рамку металлодетектора, алгоритмом его работы предусмотрено не менее, чем 20 циклов сканирования при очень быстрой скорости прохода и не менее, чем 300 циклов при очень медленной скорости прохода. After that, a similar procedure is performed with the next horizontal pair of left and right coils 1. Thus, the use of a controlled integrator makes it possible to estimate the distortion of electromagnetic pulses introduced by metal objects over a time interval of no more than 1.25 milliseconds per coil. With the number of coils - 8 coils on each side of the passage, the polling cycle will take no more than 10 milliseconds, which means that during the passage of the inspected person through the metal detector frame, its operation algorithm provides for at least 20 scanning cycles at a very fast passage speed and not less than 300 cycles at very slow travel speed.
Выходы сдвиговых регистров содержат все отсчеты сигналов катушки, предшествующие текущему моменты времени с интервалом в 1 полный цикл сканирования, а форма сигнала, образованная всеми отсчётами, несёт информацию о геометрической форме металлического объекта. На фиг. 5 приведены эпюры временной развертки формы изменения сигнала одной из катушек 1, вызванные одним и тем же объектом - металлическим ножом. Верхняя эпюра показывает форму сигнала при перемещении ножа вертикально, например, в ножнах, спрятанных на ноге злоумышленника под брюками. Нижняя эпюра показывает форму сигнала при перемещении ножа горизонтально и соосно направлению перемещения, например, в чемодане, находящемся в руках. Как видно из эпюр - соотношения энергии сигнала в боковых лепестках эпюры и в центральной её части различаются для каждой ориентации объекта поиска. Таким образом, анализ формы сигнала, получаемого со сдвиговых регистров, позволяет оценить направление перемещения и ориентацию объектов поиска с существенной разницей в линейных размерах и отобразить расположение объекта поиска на трёхмерной карте обнаруженных объектов. Достоверный анализ формы возможен лишь при количестве точек, составляющих эпюру, не менее 15-ти точек, поэтому задача достоверной 3-х мерной локализации объектов поиска решаема лишь при очень быстром полном цикле опроса, что, в свою очередь, решается применением управляемого интегратора.The outputs of the shift registers contain all samples of the coil signals preceding the current time with an interval of 1 full scan cycle, and the waveform formed by all the samples carries information about the geometric shape of the metal object. In FIG. Figure 5 shows diagrams of the time base of the shape of the change in the signal of one of the coils 1, caused by the same object - a metal knife. The top plot shows the shape of the signal when the knife is moved vertically, for example, in a sheath hidden on the intruder's leg under his trousers. The lower diagram shows the waveform when the knife is moved horizontally and coaxially with the direction of movement, for example, in a suitcase held in the hands. As can be seen from the diagrams, the signal energy ratios in the side lobes of the diagram and in its central part differ for each orientation of the search object. Thus, the analysis of the shape of the signal received from the shift registers makes it possible to estimate the direction of movement and orientation of search objects with a significant difference in linear dimensions and display the location of the search object on a three-dimensional map of detected objects. Reliable shape analysis is possible only if the number of points that make up the diagram is at least 15 points, so the problem of reliable 3-dimensional localization of search objects can be solved only with a very fast full polling cycle, which, in turn, is solved by using a controlled integrator.
После того, как был произведён полный цикл опроса катушек, данные со сдвиговых регистров поступают в предварительно обученный нейросетевой вычислитель. Применение нейросетевого вычислителя обусловлено следующими причинами. Энергии сигналов LEFT={At12, At67, At34, At85} левой катушки и RIGHT={At12, At67, At34, At85} правой катушки несут полную информацию о массе металлических объектов поиска, их геометрии и взаимного расположения между правой и левой катушками. Однако, задача локализации обнаружения объектов поиска, тождественно равная задаче определения координат объектов поиска в трёхмерном объёме контрольного пространства, сводится к решению системы нелинейных уравнений 3-го порядка, что было рассмотрено, к примеру, в описании к патенту US00568O103A, с бесконечным множеством краевых условий, зависящих от количества объектов, от их формы, массы, типа металла, скорости перемещения через металлодетектор, от порядка поступления в металлодетектор. Например, один объект поиска может быть спрятан на спине, а второй - в носке ботинка досматриваемого субъекта и объект, расположенный в носке ботинка попадает в металлодетектор первым, а расположенный на спине - через некоторый промежуток времени, что вызывает изменения каждого из значений LEFT={At12, At67, At34, At85} и RIGHT={At12, At67, At34, At85} в каждый текущий момент времени. Кроме того, в носке ботинка объект поиска перемещается через металлодетектор по сложной траектории, что накладывает свой отпечаток на множества LEFT и RIGHT. Единой формулы решения такой системы нелинейных уравнений даже для ограниченного количества краевых условий не существует, а аппроксимация решения с использованием базового набора объектов обнаружения и комбинаторного сопоставления их откликов неизбежно приводит к тому, что чувствительность металлодетектора приходится увеличивать, чтобы не пропустить какую-нибудь непроверенную и неучтённую в аппроксимационной формуле комбинацию объектов поиска, что приводит к снижению культуры досмотра и сводит на нет основное преимущество многозонных металлодетекторов в виде локализации объектов обнаружения. Между тем, корреляция значений LEFT={At12, At67, At34, At85}, RIGHT={At12, At67, At34, At85} и комбинации объектов поиска, вызвавшей такие значения, с учётом массы, размеров и геометрического взаиморасположения объектов поиска близка к 100%. Наличие двух разных комбинаций объектов поиска, вызывающих схожее искажение сигналов LEFT={At12, At67, At34, At85} и RIGHT={At12, At67, At34, At85} не представляется возможным. А применение современных обучаемых нейросетевых вычислителей даёт устойчивые, достоверные результаты в большом кластере задач корреляционного поиска речевых фраз, фрагментов фото и видео, задач классификации и группировки объектов. С применением нейросетевых вычислителей становится возможным достоверное решение поставленной перед вычислителем задачи на всём множестве возможных комбинаций входных сигналов. При этом, для обучения вычислителя используется лишь конечный, ограниченный набор стимулирующих данных, которого, тем не менее, достаточно для создания во внутренней структуре нейросетевого вычислителя необходимых наборов корреляционных функций, решающих задачу на всём множестве входных данных.After a full cycle of polling the coils has been completed, the data from the shift registers is fed to a pre-trained neural network computer. The use of a neural network calculator is due to the following reasons. Signal energies LEFT={At12, At67, At34, At85} of the left coil and RIGHT={At12, At67, At34, At85} of the right coil carry full information about the mass of metal search objects, their geometry and relative position between the right and left coils. However, the task of localizing the detection of search objects, which is identically equal to the problem of determining the coordinates of search objects in the three-dimensional volume of the control space, is reduced to solving a system of nonlinear equations of the 3rd order, which was considered, for example, in the description of the patent US00568O103A, with an infinite set of boundary conditions , depending on the number of objects, on their shape, mass, type of metal, speed of movement through the metal detector, on the order of entry into the metal detector. For example, one search object can be hidden on the back, and the second - in the toe of the searched subject's boot, and the object located in the toe of the boot hits the metal detector first, and the object located on the back - after a certain period of time, which causes changes in each of the values LEFT={ At12, At67, At34, At85} and RIGHT={At12, At67, At34, At85} at each current time. In addition, in the toe of the boot, the search object moves through the metal detector along a complex trajectory, which leaves its mark on the LEFT and RIGHT sets. There is no single formula for solving such a system of nonlinear equations even for a limited number of boundary conditions, and the approximation of the solution using a basic set of detection objects and combinatorial comparison of their responses inevitably leads to the fact that the sensitivity of the metal detector has to be increased in order not to miss any unverified and unaccounted for in the approximation formula, a combination of search objects, which leads to a decrease in the culture of inspection and negates the main advantage of multi-zone metal detectors in the form of localization of detection objects. Meanwhile, the correlation of the values LEFT={At12, At67, At34, At85}, RIGHT={At12, At67, At34, At85} and the combination of search objects that caused such values, taking into account the mass, size and geometric relative position of search objects, is close to 100 %. The presence of two different combinations of search objects that cause similar distortion of the LEFT={At12, At67, At34, At85} and RIGHT={At12, At67, At34, At85} signals is not possible. And the use of modern trained neural network computers gives stable, reliable results in a large cluster of problems of correlation search for speech phrases, fragments of photos and videos, problems of classification and grouping of objects. With the use of neural network computers, it becomes possible to reliably solve the task set for the computer on the entire set of possible combinations of input signals. At the same time, only a finite, limited set of stimulating data is used to train the calculator, which, nevertheless, is sufficient to create the necessary sets of correlation functions in the internal structure of the neural network calculator that solve the problem on the entire set of input data.
Как было описано выше - решаемая настоящим изобретением задача относится к тому же кластеру задач. Есть бесконечное число комбинаций множеств входных данных LEFT={At12, At67, At34, At85} и RIGHT={At12, At67, At34, At85}, которым нужно поставить в соответствие комбинацию объектов поиска, вызвавшую такие данные. Обучение нейросетевого вычислителя производится лишь на ограниченном множестве комбинаций объектов поиска. На практике - это несколько десятков-сотен проходов с разным набором металлических предметов через металлодетектор с передачей в нейровычислитель на этапе обучения трёхмерной координатной сетки с указанием точек перемещения металлических предметов, их массы, типа металла и ориентации в контрольном объёме после каждого прохода. После обучения внутренняя структура обученного нейросетевого вычислителя может быть считана и тиражирована в серийно выпускаемых изделиях.As described above, the problem solved by the present invention belongs to the same task cluster. There are an infinite number of combinations of input data sets LEFT={At12, At67, At34, At85} and RIGHT={At12, At67, At34, At85}, which need to be matched with the combination of search objects that caused such data. The neural network calculator is trained only on a limited set of combinations of search objects. In practice, these are several tens to hundreds of passes with a different set of metal objects through a metal detector with transmission to a neurocomputer at the stage of training a three-dimensional coordinate grid indicating the points of movement of metal objects, their mass, type of metal and orientation in the control volume after each pass. After training, the internal structure of the trained neural network computer can be read and replicated in mass-produced products.
После того, как множество входных данных LEFT={At12, At67, At34, At85} и RIGHT={At12, At67, At34, At85} для каждой горизонтальной пары катушек 1 за заданный промежуток времени с выходов сдвиговых регистров 8 поступает в нейросетевой вычислитель 9, на выходе вычислителя образуется трехмерная карта обнаруженных объектов поиска с указанием их ориентации в контрольном объёме, массогабаритных параметров и типа металла, которая считывается микроконтроллером 10 и затем выводится на дисплей 11. Одновременно с этим, в случае если объекты поиска были расценены как опасные, в соответствии с настройками пользователя, микроконтроллер 10 подаёт сигнал звуковой и световой индикации на тревожный извещатель 12.After the set of input data LEFT={At12, At67, At34, At85} and RIGHT={At12, At67, At34, At85} for each horizontal pair of coils 1 for a given period of time from the outputs of
В целях дополнительного повышения достоверности локализации, возможен вариант реализации устройства металлодетектора с дополнительным применением магниторезистивных датчиков 19, устанавливаемых рядом или в центре катушек 1, как это показано на Фиг. 3. Поскольку магниторезистивные датчики аналогичным катушке образом регистрируют переменное электромагнитное поле и кроме того обладают большой чувствительностью к изменению постоянного магнитного поля Земли, их применение позволит достоверно локализовывать даже такие мелкие металлические объекты, как лезвия бритв, которые катушками зарегистрировать не представляется возможным. Кроме того, для магниторезистивных датчиков характерно наличие одного или двух независимых осевых направлений регистрируемых силовых линий магнитного поля. Это, в свою очередь, обуславливает то, что постоянный уровень выходного сигнала магниторезистивного датчика будет зависеть от ориентации металлического объекта по отношению к магнитному полю Земли - т.е. характеризовать угол наклона объекта по отношению к каждой оси датчика, что повышает достоверность отображения ориентации объекта на трехмерной карте, решая поставленную техническую задачу.In order to further increase the reliability of localization, it is possible to implement a metal detector device with the additional use of
Таким образом, технический результат изобретения в способе обнаружения металлических объектов достигается благодаря тому, чтоThus, the technical result of the invention in the method for detecting metal objects is achieved due to the fact that
• Одновременно формируют двунаправленные импульсы электромагнитного поля двумя независимыми, противоположно расположенными по обе стороны прохода катушками, образующими в текущий момент времени локальную горизонтальную зону обнаружения;• Simultaneously form bidirectional electromagnetic field pulses by two independent, opposite coils located on both sides of the passage, forming at the current moment of time a local horizontal detection zone;
• с тех же катушек одновременно снимают и приёмные сигналы, что позволяет получить набор данных, находящихся в высокой корреляционной взаимосвязи с комбинацией объектов поиска, образовавшей такие данные;• receiving signals are simultaneously removed from the same coils, which makes it possible to obtain a set of data that is in a high correlation relationship with the combination of search objects that formed such data;
• пропускают их через управляемые интеграторы, позволяющие за короткий интервал времени измерить энергию приёмного сигнала в выделенном временном домене;• they are passed through controlled integrators, which make it possible to measure the energy of the receiving signal in a selected time domain in a short time interval;
• накапливают сигналы в сдвиговых регистрах, формируя количество выборок, достаточных для построения эпюр изменения приёмных сигналов при перемещении объекта поиска через контрольный объём, что позволяет установить ориентацию объектов поиска в контрольном объёме;• accumulate signals in shift registers, forming the number of samples sufficient to construct diagrams of changes in receiving signals when the search object moves through the control volume, which allows you to set the orientation of the search objects in the control volume;
• параллельно подают вместе с предыдущими текущему моменту отсчётами на нейросетевой вычислитель, который генерирует на блоке индикации трёхмерную карту расположения и ориентации обнаруженных металлических предметов, находящихся в текущий момент в контрольной зоне;• in parallel, together with the previous readings of the current moment, they are fed to the neural network computer, which generates on the display unit a three-dimensional map of the location and orientation of the detected metal objects that are currently in the control zone;
Технический результат изобретения в устройстве для обнаружения металлических предметов достигается благодаря тому, чтоThe technical result of the invention in a device for detecting metal objects is achieved due to the fact that
• все катушки с левой стороны прохода соединены одним концом и подключены этим концом к первому конденсатору, а вторым концом подключены независимо к своим электронным ключам, первые входы которых соединены и подключены к источнику питания постоянного тока, а вторые входы подключены независимо к блоку управления; • all coils on the left side of the passage are connected at one end and connected by this end to the first capacitor, and at the second end are connected independently to their electronic keys, the first inputs of which are connected and connected to a DC power source, and the second inputs are connected independently to the control unit;
• все выводы катушек с левой стороны прохода, соединённые с электронными ключами, соединены также с первым входом первого управляемого интегратора, выход которого подключен ко входу первого сдвигового регистра, выходы которого подключены независимо к первой группе входов нейросетевого вычислителя, причём второй вход первого управляемого интегратора подключен к блоку управления;• all coil outputs on the left side of the passage, connected to electronic switches, are also connected to the first input of the first controlled integrator, the output of which is connected to the input of the first shift register, the outputs of which are connected independently to the first group of inputs of the neural network calculator, and the second input of the first controlled integrator is connected to the control unit;
• все катушки с правой стороны прохода соединены одним концом и подключены этим концом ко второму конденсатору, а вторым концом подключены независимо к своим электронным ключам, первые входы которых соединены и подключены к источнику питания постоянного тока, а вторые входы подключены независимо к блоку управления; • all coils on the right side of the passage are connected at one end and connected by this end to the second capacitor, and at the other end are connected independently to their electronic keys, the first inputs of which are connected and connected to a DC power source, and the second inputs are connected independently to the control unit;
• все выводы катушек с правой стороны прохода, соединенные с электронными ключами, соединены также с первым входом второго управляемого интегратора, выход которого подключен ко входу второго сдвигового регистра, выходы которого подключены независимо ко второй группе входов нейросетевого вычислителя, причём второй вход управляемого интегратора подключен к блоку управления;• all coil outputs on the right side of the passage, connected to electronic switches, are also connected to the first input of the second controlled integrator, the output of which is connected to the input of the second shift register, the outputs of which are connected independently to the second group of inputs of the neural network computer, and the second input of the controlled integrator is connected to control unit;
• выход нейросетевого вычислителя подключен к микроконтроллеру, выход которого подключен ко входу блока индикации;• the output of the neural network calculator is connected to the microcontroller, the output of which is connected to the input of the display unit;
• дополнительно к катушкам, могут быть установлены магниторезистивные датчики, выходы которых подключены к управляемому интегратору.• in addition to the coils, magnetoresistive sensors can be installed, the outputs of which are connected to a controlled integrator.
Claims (15)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2789988C1 true RU2789988C1 (en) | 2023-02-14 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2643672C1 (en) * | 2017-05-29 | 2018-02-05 | Тимур Марсович Алеев | Multi-zone metal detector |
| RU2672162C1 (en) * | 2018-02-05 | 2018-11-12 | Тимур Марсович Алеев | Multi-zone multi-frequency metal detector with harmonic excitation |
| RU2680854C1 (en) * | 2018-05-23 | 2019-02-28 | Общество с ограниченной ответственностью "Локаторная техника" | Multi-zone metal detector |
| CN111580172A (en) * | 2020-06-04 | 2020-08-25 | 山东大学 | Metal object detection system and method based on array type coil |
| CN111580171A (en) * | 2020-06-04 | 2020-08-25 | 山东大学 | Metal object detection device and method |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2643672C1 (en) * | 2017-05-29 | 2018-02-05 | Тимур Марсович Алеев | Multi-zone metal detector |
| RU2672162C1 (en) * | 2018-02-05 | 2018-11-12 | Тимур Марсович Алеев | Multi-zone multi-frequency metal detector with harmonic excitation |
| RU2680854C1 (en) * | 2018-05-23 | 2019-02-28 | Общество с ограниченной ответственностью "Локаторная техника" | Multi-zone metal detector |
| CN111580172A (en) * | 2020-06-04 | 2020-08-25 | 山东大学 | Metal object detection system and method based on array type coil |
| CN111580171A (en) * | 2020-06-04 | 2020-08-25 | 山东大学 | Metal object detection device and method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Privitera et al. | Improving the sensitivity of a search for coalescing binary black holes with nonprecessing spins in gravitational wave data | |
| Bruschini | A multidisciplinary analysis of frequency domain metal detectors for humanitarian demining | |
| US6469624B1 (en) | Non-obtrusive weapon detection system | |
| US5552705A (en) | Non-obtrusive weapon detection system and method for discriminating between a concealed weapon and other metal objects | |
| US20080231443A1 (en) | Methods, systems and devices for detecting threatening objects and for classifying magnetic data | |
| GB2441346A (en) | Metal object detecting apparatus and method | |
| JP2003517572A (en) | Metal detector | |
| Sower et al. | Detection and identification of mines from natural magnetic and electromagnetic resonances | |
| Stanley et al. | Feature and decision level sensor fusion of electromagnetic induction and ground penetrating radar sensors for landmine detection with hand-held units | |
| Lv et al. | Characterization and identification of IR-UWB respiratory-motion response of trapped victims | |
| Gao et al. | Magnetic signature analysis for smart security system based on TMR magnetic sensor array | |
| RU2789988C1 (en) | Multi-zone metal detector | |
| US20210382166A1 (en) | Multi-signal weapon detector | |
| Chen et al. | Classification of unexploded ordnance-like targets with characteristic response in transient electromagnetic sensing | |
| Peyton et al. | Embedding target discrimination capabilities into handheld detectors for humanitarian demining | |
| JPH03505781A (en) | Detection of metals and other substances | |
| Al-Qubaa et al. | Electromagnetic imaging system for weapon detection and classification | |
| Sao et al. | Joint time-frequency analysis of partial discharge AE signals for pattern recognition | |
| Makkonen et al. | Classification of metallic targets using a single frequency component of the magnetic polarisability tensor | |
| Jawad et al. | Design of a beat frequency oscillator metal detector | |
| Collins et al. | Sensor fusion of EMI and GPR data for improved land mine detection | |
| Sower et al. | Discrimination of metal land mines from metal clutter: Results of field tests | |
| Paulter Jr | Test methods to rigorously, reproducibly, and accurately measure the detection performance of walk-through metal detectors | |
| Alqubaa et al. | Weapon detection and classification based on time-frequency analysis of electromagnetic transient images | |
| Shubitidze et al. | Advanced UXO discrimination: resolving multiple targets and overlapping EMI signals |