Çoklu Frekans Metal Dedektörü Tasarımı Ve Analizi

Abstract

Metal dedektörleri mayınlı arazilerin temizlenmesinde, el yapımı patlayıcıların tespitinde, jeofizik taramalarında ve define aramalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Metalik cisimlerin tespiti için geliştirilen bu cihazların tasarımları kullanım alanlarına göre değişmektedir. Mayın dedektörleri olarak kullanılan metal dedektörleri insan hayatı için önem arz etmektedir. Dünyada halen farklı bölgelerde 100 milyona yakın mayın bulunmaktadır. Bu yüzden her yıl 15,000-20,000 arasında insan mayın patlamasından ölmektedir. Metal dedektörleri mayın tespitinde ve temizlenmesinde günümüzde halen sıklıkla kullanılmaktadır. İnsani mayın temizleme ve mayın ve el yapımı patlayıcıların tespiti farklı konseptlerdir. İnsani mayın temizlemede zaman önemli değilken, mayınların % 100'e yakın tespit edilmesi gerekmektedir. Diğerinde ise askeri birliklerin gitmesi gereken bölgeye bir an önce ulaşması gerekmektedir. Hızlı ve güvenli şekilde mayınların taraması yapılmalıdır. Bunu engelleyen en büyük faktör doğada bulunan metalik parçalardır. İstenmeyen bu metalik parçalara şarapnel, patlamamış mühimmat (UXO), mermi kovanı, hurdalar örnek verilebilir. Bunlar yanlış alarma neden olurlar. Metal dedektörün performansını düşürürler. Klasik tek frekanslı metal dedektörlerinde bu oran yüksek iken çoklu frekans metal dedektörlerinde yanlış alarm oranı azalmaktadır. Çünkü birçok frekanstan cisim hakkında bilgi edinilir. Bu tezde metalik cisimlerin sınıflandırılmasına olanak sağlayan çoklu frekans metal dedektörleri tasarımı ve analizi anlatılmıştır. Tasarlanan dedektörün çalışma yöntemi, sürekli dalga metal dedektörü ile benzerdir, fakat tek frekans yerine 1 kHz - 100 kHz aralığında çalışmaktadır. Hedef cisimden gelen ayırt edici bilgi miktarı arttığı için sınıflandırma kolaylaşmaktadır. Tezin teorik analiz kısmında metal dedektörlerinin çalışma prensipleri anlatılmıştır. İlaveten, darbe indüksiyon metal dedektörleri ve sürekli dalga metal dedektörlerinin çalışma yöntemleri detaylı olarak anlatılmıştır. Frekans uzayında elektromanyetik analizini yapmak için temel indüksiyon devre modeli oluşturulmuştur. Düşük frekanslarda çalışıldığı için quasi-statik yaklaşım kullanılarak denklemler daha kolay hale getirilmiştir ve çözümleri yapılmıştır. Donanım tasarlama kısmında bobinlerin 1 kHz - 100 kHz bant aralığında uygun olan indüktans değeri hesaplanmıştır. Tasarım için uygun olan çift-D bobinin indüksiyon sıfırlaması yapılmıştır. Sonrasında metalik kumaş ile kapasitif etkilerden ve dış EM gürültülerden izole edilmiştir. Faz eviren diferansiyel kuvvetlendirici ile alınan zayıf işaretler kuvvetlendirilmiştir. Veri analiz kısmında, laboratuvar ortamında uzaktan bilgisayar kontrollü test düzeneği kurulmuştur. İşaret üreteci ve osiloskop, LabVIEW® programı ile bilgisayar üzerinden kontrol edilmiştir. LabVIEW® arayüzü ile alınan işaretin faz ve genlik verileri dosyaya kaydedilmiştir. MATLAB® programı ile faz ve genlik verilerinden eşevreli ve dikevreli işaret kısımları oluşturulmuştur. Test cisimlerinden alınan işaretin faz, genlik, eşevreli ve dikevreli verilerine göre grafikleri çizdirilmiştir ve analizleri yapılmıştır. Sonuç olarak, ölçüm sonuçlarının teorik analizle uyumlu olduğu görülmüştür. Ferromanyetik ve ferromanyetik olmayan metalik cisimler faz ve eşevreli kısım verisiyle ayırt edilebilmektedir. Alınan ve gönderilen işaret arasındaki faz farkının ferromanyetik malzemelerde uzaklığa bağlı olduğu görülmüştür. Ferromanyetik olmayan malzemelerde ise faz farkının uzaklığa bağlı olmadığı tespit edilmiştir.

Metal detectors are widely used in a number of applications, such as mine clearance, improvised explosive detection, treasure hunting and geophysical survey. In the world, 60-100 million mines have been buried in different regions. Every year, 15,000 to 20,000 people are killed by mine explosions. Metal detectors are currently the most frequently used tool to detect landmines. Humanitarian demining and landmine detection for military purposes have different difficulties. Aim of the first one is that troops must quickly pass from a mine field without losing more time. The most difficult problem in mine detection is the other metallic fragments which are also called “clutters” in a mined area. Each of these metallic objects must be considered as a potential mine or UXO. Undesired metallic clutters such as bullet casings, small arm fragments and shrapnel cause false alarms. Mine detectors must not only detect extremely small quantities of metals but also reject the metallic clutter. Classical metal detectors use single frequency. The main disadvantage of this system is to have extremely high false alarm rate due to clutter and magnetic soils. They could detect metallic objects but could not discriminate one metallic object from another. For that reason, the false alarm rate in real mined regions can be unacceptably high. This significantly reduces the efficiency of the system. Furthermore, the classical single frequency systems are also slow because of having many false alarms. High false alarm rate increases the duration of area survey and detection costs. The false alarms are also produced by soil heterogeneities and regional soil features. Therefore, more information about the object is required for identification and discrimination. Basically, objects show different responses at different frequencies depending on their magnetic or electrical properties. The multi-frequency metal detectors are used to avoid or reduce the false alarm rate and retain the high detection rate. In order to obtain lower false alarm rates, the information of the objects is used in signal processing algorithms. Multi-frequency detectors reveal much more information about buried metallic object. They have stronger discrimination and identification abilities. In these systems, ferrous and nonferrous objects exhibit opposite polarities at certain frequencies and the phase also depends on the physical size and material properties of the targets. In this thesis, the design and analysis of multi-frequency metal detectors, which enables the identification of metallic objects, are explained. The working principle of the multi-frequency metal detector is similar to a continuous metal detector but instead of single frequency, it uses multi frequency range varying from 1 kHz to 100 kHz sinusoidal signals. The design parameters of metal detectors detecting the metallic objects are modified for different usage areas. Advanced metal detectors could provide a lot of information, such as depth and type of the buried metallic objects. In the theoretical analysis part, basic principles of metal detectors are explained. Magnetic devices depend on the influence of ferromagnetic objects. They generate magnetic field themselves. Other types of metal detectors, which are called electromagnetic induction devices, generate time-varying signals towards the metallic objects. Magnetic properties of the target and soil structure modify the primary magnetic field. Eddy currents occur on the metallic object exposed to primary magnetic field. In the opposite direction, secondary magnetic field is generated by the eddy currents. It causes a change in the induced voltage on receiver coils due to the magnetic field influence. The variation of the amplitude and the phase of the induced signal contain information about the object’s properties. Later in the theoretical analysis part, pulse induction and continuous wave metal detector technologies are explained in detail. The analysis of metallic objects in frequency domain is based on a simple electromagnetic induction model. Quasi-static approach has simplified the equations solved. Maxwell’s equations based model mainly uses quasi-static solution at low frequencies. To satisfy the quasi-static condition, all problem space must be assumed as a lossy medium. In this state, displacement currents can be neglected in Maxwell equations. In the hardware design part, the designed hardware system is described in details. The system consists of two parts, which are the search head and the electronic circuits. Search head covers the transmitter and the receiver coil, which are very important parts of the detector. It directly affects the performance and the sensitivity of the metal detector. Inductance values are selected from1 kHz-100 kHz frequency band. The operating frequencies are selected from the lower resonance frequency of the coils for the reason that there is the more linear region there, according to impedance change. The system could not work properly in the entire operating frequency, if the inductance values of the coils are not appropriate. Measurement results show that lower inductance values than 8 mH, especially around 500 μH, transmitted signal power dramatically reduces because of impedance mismatching. Therefore, transmitter and receiver coil inductance values should be greater than 8 mH. Double-D coil type is suitable for continuous wave metal detector. Double-D coil nulling must be done properly using the oscilloscope, because transmitted signal is induced to the received signal. Then coils are wrapped with metallic fabric, so that the capacitive effects and the EM interferences are isolated from the coil and the receiver circuit. Inverting differential op amps are used for the amplification of the weak signals. Received signal is amplified 33 dB to increase the sensitivity of the detector. Amplifier gain can be adjusted as high as possible while avoiding the saturation caused by a big metallic object is very close to the search head of the metal detector. In the data analysis part, remote controllable test setup is installed in the laboratory environment. Signal generator and oscilloscope are controlled by LabVIEW® program. The phase difference of the two signals and the amplitude data of the received signals are acquired by LabVIEW® signal processing tool. Signal pre-processing is done by MATLAB®. Phase and amplitude data are converted to in-phase and quadrature data. There are seven different test objects to measure the performance of the designed multi-frequency metal detector. These are aluminum and iron cylinders, iron stick, coin (50 Kuruş, Turkish lira), TS-50 and PMN anti-personnel land mines. The measured data of the test objects, which are phase difference, amplitude, in-phase and quadrature data are plotted. As a result, the experimental data and the theoretical analysis turned out to be similar. Ferromagnetic and non-ferromagnetic metallic objects are distinguished using the phase and in-phase part of the received signals. The phase difference between the received and the transmitted signals depends on the distance to the ferromagnetic metallic objects. On the other hand, this difference does not depend on the distance for non-ferromagnetic metallic objects.