Sisteme tehnice pentru cercetare la minare

Clasificare

Sistemele tehnice pentru cercetare la minare se pot clasifica dupa urmatoarele criterii, astfel:

A)    dupa tehnologia folosita la realizarea lor:

detectoare de metale care folosesc senzorii electromagnetici;

dispozitive magnetice;

radiometre pasive cu microunde;

detectoare care folosesc tehnologia IR;

detectoare care folosesc tehnologia dispersiei razelor X;

detectoare care folosesc tehnologia radarului penetrant de sol - GPR;

detectoare care folosesc tehnologia rezonantei nucleare quadripol - NQR;

detectoare care folosesc tehnologia analizei termice cu neutroni si neutroni rapizi (TNA si FNA);

Sisteme de detectie a urmelor / vaporilor de explozivi;

Biosenzori;

Detectoare care folosesc tehnologia spectrometrului mobilitatii ionilor - IMS.

B)     dupa modul de folosire:

detectoare portabile;

sisteme de senzori montati pe platforme mobile.

C)    dupa tipul senzorului:

biosenzor - caini

senzori - celelalte detectoare.

Dispozitive magnetice

Acestea se bazeaza pe influenta obiectelor feromagnetice, prin inducere sau pe cale reziduala, asupra campului magnetic local al pamantului. Acestea se numesc magnetometre sau gradiometre, cand sunt folosite in scheme diferentiale. Aceste dispozitive foarte sensibile se folosesc de obicei pentru detectarea obiectelor feromagnetice mari, cum ar fi munitii neexplodate si pot fi eficiente pana la adancimi de cativa metri, dar nu reactioneaza cu tintele care nu sunt feromagnetice. Se folosesc in deminarea umanitara doar atunci cand exista o necesitate reala (munitii neexplodate ingropate).

3. Detectoare de metale (dispozitive cu inductie electromagnetica)

3.1. Istoria detectoarelor de metale

Primul detector de metale cunoscut a fost descoperit de un inginer in USA in anul 1925. Se crede ca a fost descoperit intampalator atunci cand un rezervor din metal pentru apa producea interferente cu domeniul sau de experimetare.

Din anul 1927 si pana la cel de-al doilea razboi mondial, detectoarele de metale au fost setate pe transmitere-receptie si erau foarte grele din cauza greutatii mari a bateriei. Aceste detectoare TR aveau dificultati in calibrarea la nivelul de zgomot al zonei cercetate pentru diferite tipuri de soluri si aveau o capacitate limitata de a distinge intre diferite metale. Pe langa faptul ca erau grele si stanjenitoare aceste detectoare erau capabile sa detecteze tinte de marimea unei mingi de tenis sau baseball si nu puteau fi folosite pentru prrospectare.

In timpul celui de al doilea razboi mondialdetectoarele au fost utilizate pentru localizarea campurilor de mine putin adanci. Dupa terminarea razboiului majoritatea detectoareleor care apartineau guvernului USA au fost cumparate de cautatorii de comori din nordul Americii.

Aceasta a durat pana la dezvoltarea si introducerea detectoarelor VLF (Very Low Frequency) cu intervalul de 3-30 kHz.

Dispozitivele cu inductie electromagnetica, adesea denumite "detectoare de metale", sunt dispozitive active capabile sa detecteze mici cantitati de metale de la fractiuni de gram la adancimi superficiale. Acestea sunt cele mai bune, in afara de caini, si singurele folosite curent in campul de mine si vor ramane in serviciu pentru inca multa vreme.

Producatorii de detectoare de metale sunt: Ebinger, Forster si Vallon in Germania, Schiebel in Austria si Guartel in Marea Britanie, MineLab in Australia.

Detectoarele de metale proiectate pentru deminarea umanitara, au, de obicei, urmatoarele caracteristici:

Greutate mai putin de 2 kg

Pret intre 2000-4000 Euro

Dimensiuni cu cap circular, oval sau rectangular. In ultimele cazuri diametrul este intre 20 si 30 cm, pentru a asigura o adancime suficienta si rezonabila a suprafetei scanate si o viteza satisfacatoare.

Adancimea de operare superficiala, de exemplu in sol vegetal 10.15cm pentru mine cu cantitate minima de metal; 20-30 cm pentru mine cu continut de metal aprociabil si aproximativ 50-70 cm pentru obiecte metalice mari, cum ar fi munitii neexplodate sau mine metalice.

Electric / Mecanic capabil de a lucra zeci de ore cu baterii celulare standard, simplu de folosit. Multe echipe de deminare acorda mai multa atentie ergonomicitatii in pofida performantelor propriu-zise.

Avertizarea in mod normal avertizarea se face prin internediul unui semnal audio, rezultat al prelucrarii interne intensive a datelor, din care un operator cu experienta poate sa concluzioneze asupra starii tintei si a pozitiei. Cand se folosesc metodele manuale ca procedeu initial, fiecare alarma trebuie atent verificata pana la intelegerea completa a sursei sau indepartatrea ei.

Din cate se cunoaste nici un detector de metale nu furnizeaza informatii cantitative despre tinta analizata. Sunt alte domenii, ca testarea nedistructiva, unde se aplica si acest lucru s-ar putea explica prin prioritatea mare de a dezvolta performanta detectarii printr-o mai buna rejectie de fond ( de exemplu reducerea ratei de alarme false) si atingerea unei sensibilitati mai mari, de asemenea de necesitatea de a fi foarte precis in conditiile lipsei de informatii anterioare despre obiectul analizat.

Cateva detectoare inductive de metale mari, cum ar fi cele de la Ebinger si Vallon, au fost produse pentru detectarea obiectelor metalice mari cum ar fi minele metalice sau munitii neexplodate. Acestea se pot folosi in combinatie cu magnetometrele pentru detectarea dispozitivelor nu prea adanc ingropate sau acolo unde magnetometrele nu pot fi folosite (soluri magnetice).

Un detector de metale tipic se compune, de obicei, dintr-un cap de cautare care contine una sau mai multe bobine prin care trece un curent variabil in timp. Acestea genereaza un camp magnetic variabil in timp. Acest camp electromagnetic primar reactioneaza cu proprietatile electrice si / sau magnetice ale tintei (solul sau obiectul metalic) care raspund prin generarea unui cimp magnetic secundar (figura 1). Acesta interactioneaza cu bobina receptoare din capul de cautare, in care induce o tensiune electrica care este convertita intr-un semnal (de exmplu in semnal audio).

Campul magnetic secundar depinde atat temporar cat si spatial de un mare numar de parametri cum ar fi: distanta, tipul materialului, orientarea, forma si dimensiunile obiectului ingropat, dar descrierea tintei este foarte dificil de obtinut in general. Campul secundar se datoreaza curentilor reziduali care sunt indusi de campul magnetic principal in materiale inductive. Metalele cu conductivitate scazuta, cum sunt unele aliaje sau oteluri inoxidabile, sunt in general mai greu de detectat spre deosebire de obiectele feromagnetice ale caror raspuns este amplificat (magnetizare indusa).

In cazul bobinei circulare de raza R, campul primar, la o distanta z de axa bobinei, depinde de R²/(R² + z² ), deci scade cu cubul distantei fata de bobina. Tinand cont ca, campul secundar trebuie sa se propage inapoi la bobina receptoare, nu este surprinzator ca "arta " construirii detectoarelor de metale consta in diferentierea semnalelor provenite de la tinte mici de cele de fond. Bobinele mici asigura o sensibilitate mai mare ( la distante mici z R) si au rezolutie spatiala, dar nu permit scanarea la adancimea si cu viteaza pe care o permit detectoarele cu bobine mari.

Sunt doua tipuri principale de detectoare de metal, clasificate dupa tipul campului magnetic generat de bobina generatoare:

detectoare de metale cu emisie continua de unde electromagnetice (CW - continuous wave) sau care lucreaza cu gama de frecvente. Aceste dispozitivele folosesc un numar discret de semnale sinusoidale, in cele mai multe cazuri doar unul singur. Ele pot folosi circuite separate de emisie / receptie si masoara modificarile inductantei mutuale a bobinelor de tranmisie si receptie, aceasta diferenta fiind datorata prezentei obiectelor metalice sau magnetice (figura 2 - semnalul receptionat de detectorul tip CW (albastru) are faza si amplitudinea modificate fata de semnalul transmis (rosu) la trecerea pe deasupra unui obiect metalic - valorea 10 pe scara orizontala).

Informatia despre natura tintei este data de amplitudinea si faza semnalului receptat pe masura apropierii detectorului de tinta. Masuratorile efectuate in sol fara metale pot fi folosite pentru inlaturarea semnalului de fond mai ales in zonele unde performanta detectorului ar fi altfel micsorata cum ar fi pe plaje (apa sarata este conductiva) sau in regiuni puternic mineralizate, care pot fi conductive sau bogate in fier. In general, inlaturarea zgomotului de fond este mult mai dificila in zone eterogene.

detectoare de metale cu emisie tip puls (in domeniu de timp). Aceste dispozitive lucreaza in domeniul timp si utilizeaza trecerea pulsurilor de curent printr-o bobina ( o rata de repetitie de 1kHz), avand grija sa se obtina o rata mare de absorbtie ( amortizare) pentru a minimiza timpul tranzitoriu de intrerupere a curentului (cateva ms). Curentii rezduali sunt indusi in obiecte conductive apropiate iar decalarea exponentiala in timp este observata. Un detector de metale in domeniul timp masoara cat de repede campul magnetic instantaneu dispare, lucru intarziat de prezenta metalului (figura 3 - semnalul receptat de detectorul PI (albastru) isi schimba alura in comparatie cu semnalul de referinta (rosu) atunci cand detectorul trece pe deasupra unui obiect metalic in jurul valorii 10 pe scara orizontala).

Decalarea in timp a curentului rezidual este constanta, cateva ms, depinzand de conductivitatea, permeabilitatea si dimensiunea tintei. Mediul cu conductivitate joasa precum si alti factori determina o decalare mica. Un detector impuls, care este reglat sa analizeze doar o portiune specifica a semnalului receptat poate fi facut "usor" insensibil la acesti fatori de mediu, prin alegerea potrivita a intarzierii (cateva zeci de ms) dintre timpul de intrerupere si achizitia semnalului. Un argument similar se aplica pentru tintele pur magnetice dar neconductive, care sunt magnetizate de impulsul transmis dar se demagnetizeaza la fel de repede dupa intrerupere.

Un astefel de sistem este prin urmare alegerea cea mai buna atunci cand se lucreaza in apa de mare sau in zone in care solurile sunt puternic mineralizate (contin de exemplu bauxita, laterita, magnetite sau magmatite)

Dat fiind ca fazele de transmitere si de receptie sunt separate in timp, aceste detectoare pot folosi una si aceiasi bobina pentru transmitere si receptie, decuplarea dintre faze permitand lucrul cu curenti de putere mare si deci posibilitatea de a cerceta mai adanc. In acest caz consumul de curent ar putea deveni o problema.

Conditii pe care trebuie sa le indeplineasca un detector de metale:

Robustete si rezistenta. Detectoarele de metale sunt deseori folosite in locuri departate fata de unitatile de suport logistic si reparatii. De aceea robustetea este o conditie vitala, iar autocalibrarea este necesara pentru a se evita pe cat posibil ajustarile in campul unde sunt folosite. Unitatea de control trebuie sa fie protejata impotriva defectarilor accidentale, sa fie impermeabila pe cat posibil si sa fie rezistenta la razele solare. Unitatea electronica trebuie sa fie parte integrata a detectorului . Firele externe sunt foarte vulnerabile si trebuie sa fie eliminate pe cat posibile.

Autonomie marita. Puterea transmisa trebuie sa fie cat mai putina posibil pentru a permite detectorului sa lucreze cat mai mult cu bateria proprie. Reincarcarea de la masina este conditie esentiala a proiectarii acestor baterii. Operatorii prefera adeseori baterii uscate deoarece bateriile reincarcabile necesita o manuire foarte atenta.

Imunitate la interferente electromagnetice. Detecorul trebuie sa fie cat mai putin cu putinta perturbat de campurile electromagnetice generate de alte detectoare aflate in apropiere sau de cele ale liniilor de inalta tensiune, de cele ale aparatelor de emisie etc.

Efectul solului. Solul poate afecta bobina receptoare. Unele tipuri de soluri, in special cele care au un continut ridicat de fier (cunoscute sunb numele de soluri mineralizate) afecteaza serios semnalul receptionat suficient de puternic pentru a indica prezenta unui obiect metalic. Cele mai multe detectoare dispun de mijloace pentru compensarea efectelor solului. Acest lucru necesita ca operatorul sa pozitioneze detectorul foarte aproape de sol ( dar nu de obiectul metalic) si sa ajusteze controlul pana semnalul dispare.

Zgomotul solului. Mici variatii ale caracteristicilor solului si pietrelor poate cauza mici schimbari in semnalul receptionat de detector.

Localizarea tintei. Este posibil sa se gaseasca localizarea tintei. Tintele acoperite trebuie sa fie verificate , cel mai usor, prin excavare si scoatere a tintei la iveala. Operatorul trebuie sa fie capabil sa localizeze tinta cu precizie suficienta pentru a nu mai fi nevoie sa se sape.

Distingerea tintei. Este de dorit ca operatorul sa fie capabil sa deosebeasca in functie de diferitele semnale audio receptate daca tinta este ingropata la suprafata sau mai adanc, daca este mica sau mare si eventual tipul metalului tintei.

Caracteristici importante ale detectoarelor de mine

Adancimea de detectare. In afara de optimizarea sensibilitatii si puterii , detectoarele de mine necesita cunoasterea adancimii de detectare. Minele sunt de obicei plantate la adancimi cuprinse intre 20 mm si 200mm. Deci adancimea de detectie trebuie sa depaseasca 200m pentru minele cu continut redus demetal. Adancimea de detectie trebuie sa creasca de-a latul capului de cautare, de preferat cu schimbari mici ale inaltimii acestuia. Daca detectorul este prea sensibil (adancimea de detectie este prea mare) atunci multe tinte mici pot fi detectate, dar fiecare trebuie verificata ceea ce mareste foarte mult efortul care trebuie depus. Sensibilitatea la detectare pentru o anumita tinta descreste rapid cu distanta de la bobina la tinta (figura 4 - nuanta de bleu se transforma in nuanta de gri odata cu scaderea sensibilitatii). Limita de detectie pentru o tinta particulara este ilustrata pe aceeasi figura printr-o linie intrrupta de culoare albastra. Daca operatorul plimba detectorul pe deasupra solului putin cite putin, atunci se presupune ca prin miscarea detectorului in fata cu o latime de cadru nu se pot pierde tinte. In figura 5 se arata ca daca tinta este situata in pozitia "A" atunci ea va fi pierduta. Daca limita de detectie este relativ constanta pe latimea cadrului atunci nu sunt probleme prea mari, dar daca limita de detectie variaza de-a latul cadrului atunci aceasta poate pune probleme operatorilor chiar daca adancimea de detectie corespunde standardelor. Dupa manual de deminare, o verificare e calitate a portiunii cercetate se face prin verificare cu un alt detector.

Capacitate de localizare Operatorii inceraca sa localizeze tinta cat mai precis posibil. Atunci cand au gasit o tinta cu bobina in pozitie orizontala, ei pot inclina detectorul sub un anumit unghi reducand astfel latimea limitei de detectie la un unghi (figura 6).

Detectirul poate functiona in unul din urmatoarele cazuri:

operatorul misca detectorul pana cand un semnal audio continuu si puternic este auzit - sunetul continua sa se auda atat timp cat detectorul este tinut in aceasta pozitie (cel mai intalnit caz);

operatorul misca detectorul sa auda un semnal audio. Daca detectorul nu mai este miscat sunetul inceteaza. Acest tip de detector compenseaza efectul solului prin medierea semnalului in 1 - 3 s. Orice schimbare dupa acest timp presupune existenta unei tinte si provoaca un semnal audio.

Imbunatatiri care s-ar putea aduce detectoarelor de metale:

- Eliminarea semnalului de fond ceea ce ar duce la o crestere a performantelor in conditii de sol dificil si la cresterea sensibilitati;

- Determinarea adancimii obiectului. Acest lucru se poate realiza prin maturarea deasupra obiectului si prin analiza largimii raspunsului (sau a altor parametri ) sau prin efectuarea a cel putin 2 masuratori in conditii diferite, de exemplu prin folosirea a doua bobine suprapuse. Unele din acestea se folosesc la testarile non distructive si localizarea munitiilor neexplodate;

Estimarea dimensiunilor obiectului. Aceasta este o sursa foarte importanta de informatii. O cale de estimare a dimensiunii obiectului este masurarea campului

magnetic deasupra obiectului si incercarea de a calcula momentul de dipol magnetic care indica "volumul " sau magnetic. Alta cale este de a extrage comportarea in timp (forma puls) a semnalului receptat intr-un detector tip puls. Raspunsul detectorului contine o multime de informatii despre tinta, dar aceste informatii depind de o multime de parametri.

Generarea unei imagini prin baleierea unui singur senzor deasupra unei suprafete. Trebuie avute in vedere aici viteza de scanare si costul. Aceste activitati de "imaging" sunt inca la nivel de cercetare stiintifica.

Folosirea circuitelor de mica putere pentru cresterea autonomiei sistemului

Folosirea senzorilor in locul bobinelor obisnuite (elemente magneto-rezistive)

Partile principale ale unui detector de metale sunt:

Dispozitiv de rezemare. Este situat la partea de sus a detectorului si ajuta la sprijinirea detectorului pe cotul bratului.

Coada principala a detectorului. Aceasta este de obicei indoita asa cum se vede pe desen. Pe aceasta coada se prinde un burete pentru ca operatorul sa poata prinde cu usurinta coada. Im mod ideal distanta dintre dispozitivul de rezemare si locul de plasare a buretelui ar trebui sa fie egala cu lungimea antebratului operatorului, in felul acesta obtinandu-se un balans bun si comfortabil.

Cutia de control. Contine circuitul electronic care conduce detectorul de metale.Tipul circuitului depinde de marca si tipul detectorului.

Coada inferioara. Se afla in prelungirea celei principale si se poate modifica in functie de inaltimea operatorului.

Capul de cautare. Se afla la capatul cozii inferioare si de la el pleaca cablul 6 care face legatura dintre senzor si cutia de control

Placa de protectie sau invelitoarea bobinei are rolul de a proteja partea de jos a bobinei impotriva deteriorarii.

Radiometre pasive cu microunde

Aceste dispozitive lucreaza in spectrul electromagnetic si au fost propuse pentru detectarea minelor plantate la suprafata sau la adancimi superficiale (catica cm), dar acoperite cu vegetatie usoara. Adancimea de detectie depinde mult de frecventa folosita, umiditatea solului si conductivitatea acestuia, tipul materialului (plastic sau metal) si dimensiunea obiectului. Crescand frecventa, rezolutia spatiala este mai buna dar se reduce drastic adancimea de penetrare in sol (mai ales la solurile umede). Tendinta este de operare cu frecvente joase, sub 10Ghz . Pana acum s-a facut referire la detectia de apropiere; detectia la distanta pentru obiecte mari la suprafata pare si ea posibila utilizand dispozitive cu unde milimetrice la frecvente inalte (94 GHz).

Tintele metalice au emisivitate joasa si reflectivitate puternica in banda microundelor in timp ce solul are o mare emisivitate si o reflectivitate joasa. Radiatia solului depinde aproape in intregime de temperatura in timp ce radiatia metalului depinde de reflectarea radiatiei provenite din atmosfera. Este posibil sa se masoare contrastul dintre pamantul rece si mina calda (ambele temperaturi se vad in banda de microunde) folosind un radiometru pasiv; acesta, in principiu este constituit dintr-o antena de receptie pentru masurarea radiatiei care vine de la un obiect si care functioneaza ca un masurator de putere in banda microundelor. Detectia tintelor din plastic este posibila dar mai dificila pentru ca ele produc o diferenta de temperatura DT mult mai mica decat obiectele metalice (au reflectivitatea si transparenta mult mai mici pentru radiatiile sub banda lor).

Radiometrele pasive cu microunde sunt dispozitive mai simple decat GPR si sunt mai putin influentate de raspunsul de fond. In principiu este posibila construirea unor sisteme portabile cu un cost scazut. Ca si alti senzori ei pot baleia solul pentru generarea de imagini bidimensionale cu rezultate bune in solurile uscate pentru obiecte metalice sau cele de dimensiuni mari.

Tehnica IR

Aparatele IR sunt dispozitive pasive, sensibile la radiatia din sprectrul IR (temperatura). Sunt capabile, in anumite circumstante sa detecteze minele de la suprafata sau cele ingropate. Poate fi surprinzator ca poate detecta obiecte ingropate, tinand cont ca razese IR nu penetreaza solul sio deci nu este posibila masurarea directa a obiectelor ingropate. Ce se intampla de fapt este ca minele retin sau emana caldura in mod diferit fata de mediul inconjurator. In timpul variatiilor de temperatura a mediului este posibil, folosind aparate IR, pentru a masura contrastul termic dintre solul din apropierea minei ingropate si cel de deasupra ei. Dispozitivele de interes opereazaa de obicei in gamele ferestrelor atmosferice 3 - 5 mm si 8 -12 mm.

Cand cotrastul termic se datoreaza numai prezentei obiectului ingropat (alterarea fluxului de caldura) se vorbeste despre efect de volum. Cand se datoreaza in principal diferentelor dintrestratul superior al solului si cel din imediata vecinatate minei se vorbeste despre efect de suprafata, care se poate detecta un timp de ordinul saptaminilor de la ingropare si care imbunatateste amprenta minei.

Aparatele mai sensibile, cu rezolutie spatiala suficeinta au adancimea maxima de detectie de 10 - 15cm. In plus rezultatele obtiunte cu imaginile IR pasive depinde in mare masura de conditiile si sunt perioade de inversiune termica a solului (dintra zi si noapte), cand contrastul termic este nedetectabil.

Alte probleme se datoreaza caracteristicilor minei, suprafetelor neregulate, aglomerarilor si vegetatiei (au efecte secundare). Ramane de vazut daca aceasta dependenta majora de conditiile externe poate fi inlaturata in conditii practice, imbunatatind detectia. Doua modalitati majore au fost identificate pentru a mari eficienta detectiei:

analiza secventelor de imagini IR, analizand comportamentul de inamic inainte si dupa variatiile de caldura (de exemplu lumina solara) cum a studiat VUB in Belgia si BGT In Germania.

Folosirea unui parametru extra-fizic, cum ar fi polarizarea radiatiei IR reflectate si emise de obiectele realizate de om, cum a studiat DERA in Marea Britanie, Thomson CSF Detexis in Franta si Daimler Beur in Germania. O imagine secventiala periodica poate fi obtinuta prin rotirea continua a orientarii polaritatii.

Ambele metode creaza un contrast marit dintre mediul natural si obiectele produse de oameni, prin analiza imaginilor secventiale si combinarea lor intr-una sau mai multe imagini parametrice.

Sistemele IR au fost si sunt intensiv cercetate de un numar de companii si centre de cercetare pentru activitatile militare, in special pentru detectarea minelor si campurilor de mine (majoritatea AT) de pe platformele aeriene sau pentru detectia statica de pe vehicule mai ales pe sosele sau drumuri pentru senilate, tot pentru mine AT. Singurul proiect ECESPRIT care foloseste senzori IR este proiectul LOTUS (vehicul teleghidat multisenzor); senzorii IR au mai fost folositi in proiectul pilot al EC DG VIII. "Detectarea de catre parasutisti a campurilor de mine in Mozambic".

Masuratorile directe pot fi cuplate cu programe de creare a modelelor termodinamice a solurilor pentru analiza transferului de caldura dintre sol si atmosfera. In functie de nivelul de complexitate a modelului, acesta poate simula nu numai fluxul de caldura in sol dar si fluxul de vapori.

Un lucru in favoarea sistemelor IR este capacitatea lor de a furniza imagini (camp vizual mare) si progresul tehnologic care furnizeaza grupuri de senzori mai mari, mai sensibili si mai ieftini si care furnizeaza o calitate a imaginii comparabila cu cea curenta folosita de aparatele video digitale din spectrul vizibil. Aparatele foto IR sunt de obicei racite (pentru ca senzorii sa perceapa un contrast mai mare) pentru o sensibilitate maxima; dar sunt destul de scumpe. Aparatele mici, neracite au inceput sa fie industrializate si vor fi mai ieftine dar cu o sensibilitate de 5 la 10 ori mai mica.

Tehnici cu dispersia razelor X

Radiatia dispersata este detectata pe timpul iradierii solului cu raze X si determina daca un obiect este format din elemente chimice usoare (cu numar atomic mic). Tehnica este destinata pentru detectia pe loc a minelor AT. Se spune ca sistemul ar fi capabil (Thomson CSF Delexis Franta) sa produca imagini 2D cu o rezolutie de cativa cm. Problemele vin din partea penetrarii superficiale, complexitatea sistemului, sensibilitatea la topografia solului, variatia inaltimii senzorului si aspecte de siguranta datorate utilizarii radiatiei ionice. In afara Europei, cercetarea acestei tehnici a fost efectuata in ultima decada de catre Universitatea din Florida, in special destinate apararii. Tehnicile de detectie cu dispersia razelor X sunt de asemenea folosite in studii geologice.

Radar penetrant in sol (GPR)

GPR este in uz de cel puitin 15 - 20 ani in constructii, geologie si arheologie pentru detectarea obiectelor ingropate sau pentru studiul solului. Detectia campurilor de mine a fost un subiect de interes, in special datorita posibilitatii radarului de a detecta minele din plastic. Astazi un mare numar de organizatii lucreaza la diferite componente a sistemelor GPR si in comparatie cu senzorii prezentati GPR este probabil cel mai studiat.

GPR lucreaza prin emisia unei unde electromagnetice, nu in aer ca la majoritatea aplicatiilor radarului, folosind o antena care nu necesita contact direct cu solul (in alte cazuri este necesar contactul direct - testarea non-distructiva). Sistemele GPR opereaza de obicei in regiunea microundelor de la cateva sute de MHz la cativa GHz ( la 1 Ghz o frecventa similara celei folosite de telefoanele mobile, unda electromagnetica are o lungime de unda de 30cm in aer si cam 1- 15 cm in sol). Obiectele ingropate, la fel ca suprafata de separatie aer-sol, provoaca reflexii a energiei emise, care reflexii sunt inregistrate de antena receptoare. Antena este una din partile principale ale sistemului. Multe sisteme sunt de putere mica si nu prezinta pericol pentru operator.

GPR-urile pot fi clasificate in 4 categorii in functie de principiul de operare:

GPR cu domeniul de timp cu sistem impuls, unde pulsul emis are o frecventa de transport modulata pe un invelis patratic. Acest tip de dispozitiv opereaza intr-un domeniu de frecvente limitat si are in majoritatea cazurilor un puls mono -ciclu;

GPR cu domeniu de timp care emite un tren de unde tip puls la care frecventa purtatoare a fiecarui impuls se modifica rapid in lungul latimii pulsului.

GPR cu domeniu frecventa. Acestea emit un semnal cu o frecventa purtatoare variabila intr-un domeniu de frecvente ales. Aceasta frecventa purtatoare poate fi modificata fie continua pe o forma liniara (radarul cu unde continue modulate in frecventa FMCW) fie cu un pas fix (radarul cu pas de frecventa).

GPR cu banda larga (UWB) este folosit pentru sistemele cu largime de banda fractionata in proportie mai mare de 25%.

Problema importanta pentru detectie este diferentierea dintre proprietatile electromagnetice ale tintei (in special constanta sa dielectrica) si acelea ale solului. Cantitatea de energie reflectata depinde de forma si dimensiunile obiectului care trebuie intuita pentru o detectie eficienta a minelor AP. Rezolutia spatiala depinde de frecventa utillizata si de rezolutia necesara pentru detectarea obiectelor mici unde trebuie folosite game largi de frecvente (cativa Ghz) pentru ca acestea au adancimea de penetrare limitata. Microundele sunt puternic atenuate de anumite tipuri de soluri conductive cum este argila, iar atenuarea creste cu frecventa. Argila umeda , in particular, este un mediu extrem de dificil (penetrare slaba).

Rezonanta nucleara quadripol NQR

NQR este una din cele cateva tehnici de detectie a explozivului compact. Contrar fata de ceea ce indica numele sau, NQR nu foloseste surse radioactive si nici nu produce nici o forma de radiatie nociva. NQR foloseste unde radio cu frecventa oarecum mai mare decat a detectoarelor de metale puls.

NQR a fost descris ca " o tehnica de realizare a imaginii cu ajutorul rezonantei electromagnetice cu spectroscopie chimica specifica". Se bazeaza pe raspunsul rezonant a unui anumit moment nuclear quadripolic de electricitate. Este in dezvoltare, in special pentru aplicatiile in domeniul securitatii aeriene si are avantajul fundamental ca nu necesita un camp magnetic (static) extern ca la Rezonanta Magentica Nucleara (RMN). Probleme apar datorita necesitatii amplasarii "pe o parte "(este imposibil sa amplasezi parti ale senzorului "pe cealalta parte" a obiectului). Rezulatele incurajatoare au fost obtinute cu RDX. Crestera semnalului catre rata de zgomot pentru TNT, folosit in majoritatea minelor, este una din prioritatile in cercetarea curenta.

Similar cu detectoarele de metal, campul generat si campul receptionat scad foarte repede cu distanta; adancimea de detectie se limiteaza (depinzand de tipul si cantitatea de exploziv, de timpul de masurare - cateva secunde la cateva zeci de secunde) iar echipamentul trebuie folosit in imediata vecinatate a solului.

In ceea ce priveste EUROPA, NQR pentru detectarea campurilor de mine au fost intens studiate in Marea Britanie, in contextul militar mai ales la Colegiul Regal din Londra.

Sistemele NQR ar trebui folosite in combinatie cu alti senzori confirmatori. Pretul estimat este de 5 la 10 ori mai mare decat cel al detectoarelor de metal.

Cercetari pentru realizarea de sisteme NQR portabile se desfasoara in USA de catre Quantum Magnetics cu finantare de la DARPA, Sistemul de Comanda al Infanteriei Marine si de la Fortele Terestre Americane.

Analiza termica cu neutroni si neutroni rapizi (TNA si FNA)

Exista cateva tehnici bazate pe neutroni pentru detectarea explozivilor in forma compacta. Toate sistemele se compun din cel putin o sursa de neutroni continua sau pulsatorie cu emisie brusca - pentru a produce neutronii care trebuie ghidati (orientati) spre sol si un detector care sa caracterizeze radiatia emisa, de obicei gamma, rezultata in urma interactiunii neutronilor cu solul si cu substantele pe care le contine. In cadrul tehnicilor generale de detectie bazate pe neutroni, exista TNA&FNA, care este descrisa in caseta cu explicatii.

Analiza cu neutroni (TNA) se sprijina pe concentrarea mare a azotului in formulele celor mai folositi explozivi si se bazeaza pe detectia razelor gamma caracteristice emise de nucleele azotului in reactiile de capturare a neutronilor termici. Neutronii termici pot fi produsi prin incetinirea neutronilor rapizi, la un cost mic, cu surse radioizotopice mici cum ar fi ²⁵²Cf (Californiu 252) sau din generatoare electrice portabile de neutroni (exemplu: acceleratoare mici de tip electrostatic cu deuteriu-tritiu sau plasma focalizata). Incetinirea are loc intr-un moderator special proiectat sau chiar in obiectul tinta (in pamant sau in exploziv in cazul nostru).

Analiza cu neutroni rapizi (FNA) se sprijina pe interactiunea neutronilor rapizi, in general neutronii neelastici dispersati, cu nucleele de interes. In timpul acestui proces, neutronii de energie inalta excita elementul pe o durata de viata mica, in particular carbonul, azotul si oxigenul din explozivi si sol prin lovirea nucleelor. Nucleele revin la starea initiala prin emisia de radiatii gamma a carei distributie de energie sau spectru reflecta caracteristicile fiecarui nucleu. Cu alte cuvinte, prin caracterizarea radiatiei gamma emise este posibila calcularea proportiilor elementelor - raportul dintre cantitatea unui element comparabil cu celelalte, cu scopul de a determina tipul substantei aflata sub analiza (toti explozivi se compun din C, N, O, care nu se pot detecta separat de FNA)

Dispersia neutronilor este o alta tehnica, unde neutronii incetiniti care se intorc in directia sursei sunt detectati, asigurand o masurare a continutului de H din material. Dispersarea neutronilor este probabil cea mai simpla tehnica, dar se pare ca este eficienta doar in conditii de medii uscate sau foarte putin umede.

TNA este probabil cea mai usoara si ieftina tehnica dintre cele bazate pe neutroni. Ea prezinta mare sensibilitate la concentratia de azot. Pe de alta parte este relativ inceata si nu se preteaza la lucru in timp real cum fac detectoarele de metal (cu timp de raspuns in cateva secunde).

FNA are posibilitatea de a furniza rezultate mai bune ca TNA, deoarece este sensibila la aproape toate elementele din explozivi si are posibilitatea de identificare a substantei analizate, dar este de departe mult mai complexa si mai costisitoare.

Detectorul de raze gamma este elementul cheie a sistemului. In concordanta cu necesitatile complexitatea sa poate varia de la un simplu contor (care numara cantitatea de fotoni gamma) la un masurator de energie (necesar pentru identificarea chimica ). Un sistem cu sursa intermitenta poate sa ofere ceva informatii despre intarzieri (timp) cu care se poate determina pozitia spatiala a sursei secundare de radiatie. Un astfel de sistem ar putea , deci, a fie capabil sa determine tipul substantei, unde este situata si sa genereze o imagine.

Sisteme multisenzori

Un numar de proiecte in curs sunt indreptate catre combinarea mai multor senzori cu scopul de a exploata informatii complementare (fiecare senzor masoara parametri fizici diferiti) si pentru a mari detectia si chiar clasificarea. Combinarea senzorilor ar trebui sa garanteze ca sistemul multisenzor mentine cel putin probabilitatea de detectie a senzorilor individuali si sa reduca rata alarmelor false.

Deoarece obiectivul acestora este identificarea minelor este important de luat in considerare laturile bune si cele slabe ale senzorilor, la fel si conditiile ambientale in care fiecare senzor poate fi folosit. Obiectivul final ar fi senzori individuali complet integrati, atat dpdv fizic cat si al prelucrarii datelor. Integrarea fizica presupune colaborarea buna intre producatori pentru a evita dubla masurare sau ambiguitatea masuratorii datorate nealinierii spatio-temporale. Aceasta este probabil mai usor de realizat decat achizitia datelor integrate.

Pentru a evita achizitia datelor integrate, solutii mai usoare sunt sub atentie cum ar fi folosirea unui senzor ca senzor principal si altuia ca senzor confirmator (de ex. GPR), lasand decizia pe seama operatorului. Aceasta ar putea simplifica in mare masura proiectarea si analiza sistemului si intr-un anumit sens se apropie mai mult de procedurile operationale curente, unde sunt folositi secvential. In general un operator cu experienta este crucial pentru performata totala.

Astazi proiectarea sistemelor multisenzor si achizitia datelor integrate este la moda. Rationamentul este ca exploatarea diferitelor principii de detectie conduce la rezultate mai viabile in detectie sau clasificare prin combinarea diferitelor piese din tablou incomplet al informatiei. Riscul acestei abordari este ca o combinare a unor senzori bine definiti provoaca o si mai complicata problema decat folosirea individuala a lor. Aceasta implica faptul ca cercetarea si dezvoltarea tehnicilor de recunoastere a mediului si procesarii datelor senzorilor individuali pentru detectia / clasificarea minelor trebuie continuata si ca proiectarea sistemelor multisenzor trebuie sa ia in serios in considerare necesitatile aplicatiei finale, procedurile operationale si proprietatile complementare a principiilor senzoriale.

Dupa cercetari au rezultat folosirea urmatoarelor tipuri de combinatii:

MD (detector de metale) + GPR;

MD + GPR + radiometru cu microunde sau cu unde milimetrice;

MD + IR + + GPR;

MD + GPR + NQR;

MD + GPR + detectia vaporilor / urmelor de explozivi;

MD + FNA.

Metode de achizitia a datelor integrate

Alegerea unei metode pentru colectarea datelor intr-un sistem multisenzor depinde in principal de formatul datelor semnalelor, care pot fi o imagine 2D (exemplu IR), serii pe axa timpului (GPR) sau o valoare scalara care exprima prezenta unui exploziv sau metal. Trei tipuri diferite de arhitecturi de achizitii de date pot fi folosite:

insumari la nivel pixel: imagini multiple combinate intr-una singura, iar fiecare localizare din imaginea combinata are un vector asociat de la fiecare senzor. Noua imagine este apoi prelucrata de un algoritm cum ar fi detectia / recunoasterea tintei care opereaza simultan pe valorile vectorilor. Problemele punerii in practica a acestui tip de achizitii de date se datoreaza diferentelor de percepere in teren, de orientarea senzorilor, de rezolutie si formatul datelor individuale;

insumari la nivel de caracteristica: caracteristica respectiva este extrasa din datele de la fiecare senzor, urmat de un pas de inregistrare, de obicei la nivelul regiunilor de interes sau imaginilor continand mai mult decat un pixel. O astfel de co-inregistrare a caracteristicilor de la senzori individuali este deseori mai usor de realizat decat metoda anterioara. Un algoritm de detectie / clasificare poate fi aplicat vectorului de caracteristici combinate, care caracterizeaza o regiune cu o anumita intindere spatiala.

insumare la nivel inalt: fiecare senzor ia decizia independent bazandu-se pe observatiile sale si transmite aceste decizii la un modul central de insumare unde decizai globala este luata. Pentru ca senzorii au caracteristici foarte diferite acest tip de insumare este cel mai accesibil pentru un sistem de detectie a minelor.

Proiectele EU LOTUS si HOPE studiaza tehnici de insumare de date. Printre altele Proiectul HOM 2000 din Olanda are de asemenea programata cercetarea insumarii de date pentru sisteme portabile si pe vehicul.

Sisteme portabile

Sistemele portabile multisenzor por fi realizate sub forma portabila similar cu detectoarele de metale. Operatorului uman ii este dificil sa ia intotdeauna o decizie analitica intr-un ambient complex dar totusi intotdeauna sunt situatii cand echipamentul portabil este necesar. Problema consta in producerea la un pret rezonabil (5 la 10 ori mai scump cu MD individual performant) sa fie compacte si usoare, cu autonomie suficienta, productivitate marita (rata mica de alarme false ) usor de folosit iar performanta generala sa justifice pretul.

Majoritatea sistemelor multisenzor portabile incld un detector de metale. Majoritatea minelor contin metal chiar daca in cantitati mici. In plus detectoarele de metale sunt inca senzorii cei mai folositi in practica. GPR este si el bine pozitionat in topul preferintelor urmat de NQR si detectoarele de urme de vapori. Alti senzori studiati sunt IR care pot detecta obiecte in repaus. Radiometrele cu microunde pot fi folositoare pentru detectia obiectelor la suprafata sau ingropate superficial, unde radarul ar putea avea probleme.

Platforme pe vehicule

Platformele pe vehicule se folosesc pentru scanarea rapida a zonelor mari, in special a drumurilor. Alegerea senzorului si performanta acestuia, in general nu este restrictionata de probleme de alimentare sau de calcul. Se folosesc siruri de senzori. Echipamentele stabilizatoare ale platformei sunt de asemenea importante. De obicei o combinare dintre "cautarea in fata" si "cautarea in spate " este folosita. Procesarea in timp real si luarea deciziei este necesara la viteze mari in unele cazuri cand sunt folosite vehicule telecomandate.

In afara de proeictul EC LOTUS, majoritatea vehiculelor sunt de provenienta militara.

Stadiul de dezvoltare al senzorilor

Maturitatea tehnologica trebuie interpretata ca o masura calitativa a urmatoarelor probleme:

stadiul de avansare a cercetarii si dezvoltarii;

demonstrarea utilitatii de detectie in deminarea umanitara;

demonstrarea construirii unui sistem practic.

Costurile le includ doar pe cele tehnologice nu si pe cele de exploatare

Stadiu

L - Low

M - Medium

H - High

Costuri: L = 4000 E (pretul celui mai performant detector de metale)

M = 2 la 5 L

H = 5 la 10 L

HH > 10 L