DE19639044A1

DE19639044A1 - Verfahren und Meßeinrichtung zur Detektion von Gegenständen

Info

Publication number: DE19639044A1
Application number: DE19639044A
Authority: DE
Inventors: Helmut Keller
Original assignee: Vallon GmbH
Current assignee: Vallon GmbH
Priority date: 1995-03-23
Filing date: 1996-09-23
Publication date: 1998-03-05

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von Gegenständen gemäß der Gattung des Anspruchs 1 sowie eine Meßeinrichtung gemäß der Gattung des Anspruchs 7.

Im Rahmen der Sicherheitsüberwachung auf Flughäfen werden Torrahmen verwendet, die in den Rahmenseitenteilen Spulenanordnungen zur Metalldetektion aufweisen. Personen, die durch den Torrahmen hindurchgehen, können daraufhin überprüft werden, ob diese Personen metallische Gegenstände mitführen. Wird ein metallischer Gegenstand erkannt, so löst die mit der Spulenanordnung des Torrahmens in Verbindung stehende Meßeinrichtung ein akustisches und/oder visuelles Signal aus.

Um nicht nur das Vorhandensein eines metallischen Gegenstandes feststellen zu können, sondern auch eine Aussage darüber machen zu können, wo sich der festgestellte metallische Gegenstand in dem vom Torrahmen umschlossenen Raum befindet, kann die Spulenanordnung in unterschiedliche, separat ansteuerbare Bereiche unterteilt werden. Die Sendespulen und Empfangsspulen der unterschiedlichen Bereiche können dann separat angesteuert bzw. ausgewertet werden, so daß festgestellt werden kann, in welchem räumlichen Bereich sich ein detektierter metallischer Gegenstand befindet. Die Ansteuerung der unterschiedlichen Sendespulen kann bei einer solchen Spulenanordnung zeitlich versetzt erfolgen, um auf diesem Wege eine räumliche Zuordnung bezüglich der empfangenen Meßsignale zu ermöglichen. Die zeitlich versetzte Ansteuerung der unterschiedlichen Sendespulen hat jedoch den Nachteil, daß immer nur gerade der räumliche Bereich innerhalb des Torrahmens überwacht wird, dessen zugehörige Sendespule gerade angesteuert wird. Bewegt sich eine Person relativ schnell durch den Torrahmen hindurch, so kann ein mitgeführter metallischer Gegenstand möglicherweise nicht erkannt werden, da er durch einen räumlichen Bereich hindurch bewegt wurde, dessen zugehörige Sendespulen gerade nicht angesteuert wurden. Sollen zum Beispiel in einem Raum 5 Metalldetektoren mit je 20 Spulen verwendet werden, so reduziert sich die Pulswiederholrate einer jeden Spule um den Faktor 5 × 20 = 100 bzgl. der einer Einzelspulenanordnung. Das Nutz/Störverhältnis verschlechtert sich dabei um den Faktor √100 = 10.

Ein bekanntes Meßverfahren mit elektronischer Objektanalyse ist aus der Fachzeitschrift Frequenz, 22 (1968) 10, S. 300- 305 in dem Artikel "Ein neuartiges Metallsuchgerät nach dem Pulsverfahren für große Geländeflächen mit elektronischer Objektanalyse- und auswahl" beschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Detektion von Gegenständen anzugeben, mit dem räumlich versetzt angeordnete Sendeelementen gleichzeitig ansteuerbar sind, wobei die Empfangssignale empfangsseitig dennoch den verschiedenen Sendeelementen zugeordnet werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe erhält man durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Die beispielsweise in einem Torrahmen räumlich versetzt und vorzugsweise auch überlappend angeordneten Sendeelemente, wie beispielsweise Spule oder Kondensatorplatte, werden mit Pulsfolgen unterschiedlicher Pulsmuster gleichzeitig angesteuert. Die empfangenen Meßsignale werden abgetastet und digitalisiert. Wird eine Sendespule oder ein Kondensator beispielsweise mit einer Pulsfolge angesteuert, die aufeinanderfolgend einen ersten positiven Impuls, einen zweiten positiven Impuls, einen dritten negativen Impuls und einen vierten negativen Impuls aufweist, so kann empfangsseitig durch geeignete Gewichtung der vier Meßwerte mit dem selben Muster eine Bewertung der Meßsignale, die von dieser Sendespule bzw. Sendekondensator herrühren, erfolgen. Die gesendeten Pulsfolgen können ein binär codiertes Pulsmuster aufweisen, und zwar in der Weise, daß jeder Sendespule bzw. jedem Sendekondensator ein charakteristisches Pulsmuster zugeordnet ist. Durch die Binärcodierung der von den Sendeelementen abgestrahlten Signale läßt sich eine empfangsseitige Zuordnung der Meßsignale zu den unterschiedlichen Sendeelementen und somit zu den zugehörigen räumlichen Bereichen innerhalb des Torrahmens vornehmen.

Besonders vorteilhaft ist es, die Pulsfolgen aus einer Folge von 2ⁿ (n = 1, 2, . . . ) Doppelimpulsen zusammenzustellen, wobei jeder Doppelimpuls aus einem positiven und einem negativen Einzelimpuls besteht. Dies hat den Vorteil, daß sich eine besonders einfache Zuordnung der Meßsignale eines Empfangselements zu den Sendeelementen ergibt. Die gesamte Pulsfolge hat eine gleiche Anzahl von positiven und negativen Einzelimpulsen.

Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, eine Meßeinrichtung mit Sende- und Empfangsspulen- oder kondensatoren anzugeben, mit der die Sendeelemente mit unterschiedlichen Pulsfolgen ansteuerbar sind und die empfangenen Meßsignale den unterschiedlichen Sendeelementen zugeordnet werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe erhält man durch die im Anspruch 6 angegebenen Merkmale. Jedem Empfangselement, Spule oder Kondensatorplatte, ist eine Abtastschaltung zugeordnet, die aus dem empfangenen Signal einen oder mehrere Abtastwerte erzeugt. Über einen Multiplexer lassen sich die Abtastwerte nach einer A/D-Umwandlung in einem Mikroprozessor verarbeiten und können visuell und akustisch angezeigt werden.

Verfahren und Vorrichtung erlauben somit das Erkennen von Metallgegenständen als auch von Kunststoffgegenständen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Torrahmen mit in seinen Rahmenseiten kreuzweise angeordneten Sende-/Empfangsspulen,

Fig. 2 die Seitenansicht des Torrahmens von Fig. 1,

Fig. 3 die Schmalseite einer Rahmenseite des Torrahmens von Fig. 1,

Fig. 4 einzelne Spulenformen, die für die Sende-/ Empfangsspulen im Torrahmen gemäß Fig. 1 verwendbar sind,

Fig. 5 einen Torrahmen mit einer Spulenanordnung aus überlappenden Sende-/Empfangsspulen,

Fig. 6 die Seitenansicht des Torrahmens von Fig. 5,

Fig. 7 die Schmalseite einer Rahmenseite des Torrahmens von Fig. 5,

Fig. 8 eine Flachspule, wie sie im Torrahmen gemäß Fig. 5 verwendet ist,

Fig. 9 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Meßein richtung,

Fig. 10 eine aus vier Doppelimpulsen bestehende Impuls folge zur Ansteuerung einer Sendespule und

Fig. 11 eine tragbare Flachspulenanordnung in der Drauf sicht und in der Seitenansicht.

In den Figuren wird ein Ausführungsbeispiel mit Spulen zu Erkennung von Metallteilen beschrieben. In analoger Weise kann an Stelle der Spulen Kondensatorplatten Verwendung finden.

Der in Fig. 1 dargestellte Torrahmen 1 besteht aus zwei Rahmenseiten 2, 3 und einem oberen Rahmenteil 4. In der linken Rahmenseite 2 sind jeweils als Sendespulen dienende Spulen 5, 6 angeordnet, während sich in der rechten Rahmenseite 3 als Empfangsspulen dienende Spulen 7, 8 befinden, die gleichermaßen wie die Spulen 5, 6 kreuzweise und überlappend angeordnet sind. Die Spulen jeder Seite sind nicht nur kreuzweise angeordnet, sondern stehen auch orthogonal aufeinander, d. h. daß beispielsweise die Spule 5 flach in der Rahmenseite 2 einliegt, während die Spule 6 zur Spule 5 senkrecht steht und die Spule 5 umgreift. Mögliche Spulenformen sind in Fig. 4 angegeben.

In Fig. 9 sind die Spulen 5, 6 der Einfachheit halber als Sendespulen dargestellt und die Spulen 7, 8 als Empfangsspulen. Grundsätzlich können jedoch beide Spulen 5, 6 und 7, 8 als Sendespulen und als Empfangsspulen verwendet werden, sofern entsprechende Ansteuerungsmittel und Meßeinrichtungen den Spulen zugeordnet sind. So kann beispielsweise von einer zunächst als Sendespule abgestrahltes Signal als Meßsignal in dieser Spule empfangen werden, wenn die selbe Spule sowohl mit einer Spulenansteuerung 15 und mit einem Signalverstärker 16 und den weiteren zur Auswertung erforderlichen Einrichtungen verbunden ist. Der Einfachheit halber wurde auf eine zeichnerische Darstellung dieser Doppelfunktion als Sende- und Empfangsspulen in Fig. 9 verzichtet.

In den Fig. 2 und 3 ist die Ausrichtung der Spulen in unterschiedlichen Ansichten nochmals dargestellt.

Der in Fig. 5 dargestellte Torrahmen 1 enthält ebenfalls überlappende Sendespulen 9, 10 bzw. Empfangsspulen 11, 12. Die Spulen 9, 11 können als Flachspulen bezeichnet werden, während die Sendespule 10 und die Empfangsspule 12 als dazu orthogonal ausgerichtete Toroidspulen ausgeführt sind. In Fig. 5 sind zwar nur jeweils eine Sendespule 10 und eine Empfangsspule 12 dargestellt, jedoch sind über die gesamte Länge der Rahmenseiten 2, 3 jeweils mehrere Toroidspulen verteilt angeordnet.

In Fig. 6 ist keine Toroidspule dargestellt, während Fig. 7 nur eine Toroidspule in Form der Empfangsspule 12 zeigt.

In Fig. 8 ist eine als Flachspule ausgebildete Sendespule 9 bzw. Empfangsspule 11 dargestellt. Die Toroidspulen - Sende spule 10 und Empfangsspule 12 - sind zur Erzeugung des senkrechten Feldverlaufs im Durchgangsbereich 13 des Torrahmens 1 verantwortlich, während die als Flachspulen ausgebildeten Sendespulen 9 insbesondere zur Erzeugung einer horizontalen Feldkomponente im Durchgangsbereich 13 dienen.

Das in Fig. 9 dargestellte Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung besitzt mehrere Sende-/Emp fangseinrichtungen, die jeweils aus einer Spulenansteuerung 15, Sende- und Empfangsspulen 5, 6 bzw. 7, 8, einem Signalverstärker 16 und einer Abtastschaltung 17 bestehen. Die Abtastschaltungen 17, die im einfachsten Fall als Sample-and-Hold-Schaltungen ausgeführt werden, sind ausgangsseitig mit einem Multiplexer 18 verbunden, der die Abtastwerte über einen Analog-Digitalwandler 19 an einen Mikroprozessor 20 weitergibt. Dieser wertet die digitalisierten Abtastwerte aus und leitet daraus ein Meßergebnis ab, welches visuell und/oder akustisch mittels einer Anzeigeeinrichtung 21 angezeigt werden kann.

Es sind in Fig. 9 nur die erste und die letzte Sende-/Emp fangseinrichtung dargestellt. Insgesamt sind so viele Sende- und Empfangseinrichtungen vorhanden, wie Spulen 5, 6 und 7, 8 in dem Torrahmen angeordnet sind. Über den Multiplexer 18 werden die gleichzeitig an den Abtastschaltungen 17 anliegenden Abtastwerte im Zeitmultiplexverfahren an den Analog-Digitalwandler 19 weitergegeben. Die Steuerung der Spulenansteuerungen 15 und der weiteren Einrichtungen der Meßeinrichtung wird von einer zentralen Steuerung 22 übernommen, die zu diesem Zweck über Steuerleitungen, die mit unterbrochenen Linien dargestellt sind, mit den unterschiedlichen Einrichtungen verbunden ist.

Fig. 10 zeigt den zeitlichen Verlauf einer Pulsfolge, mit der eine Sendespule 5 angesteuert werden kann. Die Pulsfolge besteht aus vier Doppelimpulsen, wobei jeder Doppelimpuls aus einem positiven und einem negativen Einzelimpuls 22, 23 besteht. Ein Doppelimpuls, der mit einem positiven Einzelimpuls 22 beginnt, wird als positiver Doppelimpuls pD bezeichnet, während ein Doppelimpuls, der mit einem negativen Einzelimpuls beginnt, als negativer Doppelimpuls nD bezeichnet ist. Die dargestellte Pulsfolge lautet somit: pD - pD - nD - nD. Außerdem muß die Bedingung erfüllt sein, daß bei zwei unterschiedlichen Pulsfolgen an der Hälfte der Stellen übereinstimmende Doppelimpulse und an der Hälfte der Stellen nicht übereinstimmende Doppelimpulse auftreten.

An einem vereinfachten Beispiel soll nachfolgend die unterschiedliche Binärcodierung der Pulsfolgen erläutert werden.

Beispiel

In einem Torrahmen sollen vier Sendespulen und vier Empfangsspulen angeordnet sein. Die Sendespulen werden mit den nachfolgend angegebenen Pulsfolgen beaufschlagt:

1. Sendespule: pD - pD - pD - pD
2. Sendespule: pD - nD - pD - nD
3. Sendespule: pD - pD - nD - nD
4. Sendespule: pD - nD - nD - pD.

Mittels der Abtastschaltung 17 wird die Impulsantwort, die von den Empfangsspulen 7, 8 empfangen wurde, abgetastet.

Die nachfolgenden Tabellen 1 und 2 geben zum einen die Abtastwerte M_ik an (Tabelle 1) und andererseits ein Berechnungsschema für die Berechnung der Sende-Empfangs pfadwerte aus den Abtastwerten (Tabelle 2). In Tabelle 2 sind die Sende-Empfangspfadwerte mit SEP_ik gekennzeichnet.

Bei der Tabelle 1 bedeutet M_ik, die Meßspannung an der Abtastschaltung der i-ten Sende-/Empfangseinrichtung nach dem k-ten Doppelpuls. So enthält z. B. M_3,2 den Spannungswert am Ausgang der Abtastschaltung der dritten Sende-/Emp fangseinrichtung nach dem zweiten Doppelpuls.

In Tabelle 2 bezeichnet SEP_i,k den Sende-Empfangspfad, der durch die i-te Sendespule und die k-te Empfangsspule gebildet wird. So enthält z. B. der Wert SEP_3,2 die Information, die durch Sendeimpulse der zweiten Spule und Abtastwerte der dritten Spule gebildet wird. Die unter den in der Tabelle 2 angegebenen Sendespulen aufgeführten Vorzeichenfolgen z. B. (+-+-), geben die Vorzeichen der Doppelimpulse der jeweiligen Pulsfolge an.

Befindet sich im Durchgangsbereich des Torrahmens kein metallischer Gegenstand, so ergeben alle Abtastwerte insgesamt ein Null-Signal. Sobald jedoch ein metallischer Gegenstand in den vom Feld durchfluteten Bereich des Torrahmens gebracht wird, verändern sich insbesondere die Sende-Empfangspfadwerte im Bereich der Sende-Empfangpfade, in denen sich der metallische Gegenstand befindet, so daß daraus auch abgeleitet werden kann, wo sich der metallische Gegenstand befindet.

Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, daß der Erfindungsgegenstand nicht nur in Torrahmen zur Personenkontrolle Verwendung finden kann sondern beispielsweise auch an bewegten Metalldetektoren, mit denen im Erdreich befindliche metallische Gegenstände detektiert werden können. Die Spulenanordnung befindet sich dann in einem einzigen Tragerahmen, wobei die Spulen vorzugsweise sowohl als Sendespulen und als Empfangsspulen verwendet werden. Eine solche Spulenanordnung, die auch als Flachspulenanordnung bezeichnet werden kann, zeigt Fig. 11.

Das oben anhand eines Metalldetektors beschriebene Verfahren kann in analoger Weise mit anderen Sende- und Empfangseinrichtungen durchgeführt werden. Anstelle der Spulen können als Sende- und Empfangseinrichtungen auch Kondensatorplatten Verwendung finden, um ein elektrisches Feld in dem zu untersuchenden Bereich zu erzeugen. Dabei können die Kondensatorplatten mit Pulsfolgen angesteuert werden, die wie oben beschrieben unterschiedliche Pulsmuster aufweisen. Grundsätzlich können auch andere Sende- und Empfangseinrichtungen mit entsprechenden Pulsfolgen beaufschlagt und in der oben beschriebenen Weise abgetastet und ausgewertet werden. Bei der Verwendung von Kondesatorplatten, die an die Stelle der beispielsweise in Fig. 11 dargestellten Flachspulen treten, sind die in der Draufsicht (Fig. 11a) dargestellten Anschlüsse mit den beiden Kondensatorplatten verbunden. Die Seitenansicht (Fig. 11b) stellt dann zweilagig mit Kupfer kaschierte Platten dar, wobei das Trägermaterial das Dielektrikum bildet. Es ist auch möglich, eine Multilayerplatte mit verschiedenen Kupferlagen als Kondensatorplatten zu verwenden. Bei beiden Varianten können auf jeder Platte ein oder mehrere Kondensatoren elektrisch getrennt angeordnet sein.

Claims

1. Verfahren zur Detektion von Gegenständen, bei dem Meßsignale in einen zu untersuchenden Bereich von räumlich versetzt angeordneten Sendeeinrichtungen abgestrahlt werden, wobei die Meßsignale von einem gegebenenfalls in dem Bereich vorhandenen Gegenstand beeinflußt und mittels räumlich versetzt angeordneter Empfangseinrichtungen empfangen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsignale als Pulsfolgen mit jeweils unterschiedlichen Pulsmustern gleichzeitig abgestrahlt werden und daß die empfangenen Pulsfolgen von einer Meßelektronik abgetastet und mit Abtastmustern bewertet werden, welche den Pulsmustern der unterschiedlichen Sendesignale entsprechen.

2. Verfahren zur Metalldetektion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine mehrere räumlich versetzt angeordnete Elemente umfassende Anordnung mit mehreren, separat ansteuerbaren Bereichen zur Erzeugung von elektrischen oder magnetischen Feldern vorgesehen ist, wobei die Elemente einerseits Sendeelemente und andererseits Empfangselemente sind, die zur Detektion von Gegenständen individuell über eine Meßelektronik ansteuerbar bzw. abfragbar sind, daß mehrere Elemente (5, 6) mit Pulsfolgen unterschiedlicher Pulsmuster gleichzeitig angesteuert werden und daß die mit diesen und den übrigen Elementen empfangenen Pulsfolgen abgetastet und mit Abtastmustern bewertet werden, welche den Pulsmustern der Pulsfolge der verschiedenen Sendeelementen (5, 6) entsprechen.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsmuster der sendeseitigen Pulsfolgen aus mehreren aufeinanderfolgenden Doppelimpulsen bestehen, wobei ein Doppelimpuls aus einem positiven und einem dazu zeitlich versetzten negativen Einzelimpuls (22; 23) besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Doppelimpulse innerhalb einer Pulsfolge, die mit einem negativen Einzelimpuls beginnen, als negative Doppelimpulse (nD) bezeichnet werden, während Doppelimpulse, die mit einem positiven Einzelimpuls beginnen, als positive Doppelimpulse (pD) bezeichnet werden, und daß das zu einer Pulsfolge gehörende charakteristische Pulsmuster durch eine individuelle Folge von positiven und negativen Doppelimpulsen charakterisiert ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen Pulsfolgen unterschiedlich binärcodierte Pulsfolgen aufweisen.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, synchronisierte Detektionsanlagen mit jeweils mehreren unterschiedlichen Pulsfolgen angesteuert werden, so daß eine gegenseitige Beeinflußung verhindert wird.

7. Meßeinrichtung mit in einem Torrahmen angeordneten Sende- und Empfangselemente zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes als Sender (5, 6) dienende Element eine Ansteuerung (15) zugeordnet ist, daß die Ansteuerung (15) von einer zentralen Steuereinheit (22) angesteuert wird, daß dem Sendeelement (5, 6) als Empfangselement (7, 8) zugeordnete Elemente das jeweils empfangene Signal an eine Abtastschaltung (17) liefern, die das empfangene Signal mit einem Abtastmuster abtastet, welches dem sendeseitigen Pulsmuster entspricht, daß die den Empfangselementen (7, 8) zugeordneten Abtastschaltungen (17) ausgangsseitig mit dem Eingang eines Multiplexers (18) in Verbindung stehen, der die Abtastwerte der Abtastschalungen (17) im Zeitmultiplexverfahren über einen Analog-Digital wandler (19) einem Prozessor (20) zuführt, der die Abtastwerte auswertet und das Meßergebnis einer Anzeigeeinrichtung (21) zuführt.