Κεφάλαιο 1. Ανίχνευση Θαμμένων Αντικειμένων
1.1 Εισαγωγή
Η ανίχνευση του υπεδάφους και η αναγνώριση γεωλογικών και συνθετικών
(κατασκευασμένων από τον άνθρωπο) δομών είναι επί του παρόντος μία σημαντική
περιοχή έρευνας και μια αναπτυσσόμενη τεχνολογική ιδέα σε παγκόσμια κλίμακα. Το πεδίο
του προβλήματος είναι πολύ σύνθετο και οι πτυχές του θέματος εξαρτώνται από ευρέως
φάσματος απαιτήσεις από στρατιωτικές μέχρι εμπορικές ανάγκες. Η ποικιλία των
άγνωστων λανθασμένων και μη επιθυμητών στόχων του υπεδάφους περιπλέκει το ζήτημα
του εντοπισμού. Επιπλέον, το μέσο μετάδοσης είναι συνήθως μη ομογενές και με
απώλειες. Το μέγεθος, η γεωμετρία, η σύσταση (διηλεκτρικό, μέταλλο, εκρηκτικό υλικό
κτλ) και το βάθος των στόχων, καθώς και τα χαρακτηριστικά του μέσου (υγρό έδαφος,
αμμώδες κτλ) είναι βασικές παράμετροι του σχεδιασμού. Μέχρι τώρα δεν υπάρχει
δυστυχώς μια μόνη μέθοδος και ένα ενιαίο σύστημα που να ανιχνεύει όλα τα είδη των
αντικειμένων τυχαίου μεγέθους, σχήματος, βάθους κτλ. Επομένως ένας αριθμός
διαφορετικών τεχνολογιών χρησιμοποιείται ανάλογα τη συγκεκριμένη περίπτωση. Αυτές οι
μέθοδοι μπορούν να έχουν κοινές, παρόμοιες ή και εντελώς διαφορετικές δυνατότητες
ανίχνευσης.
Αυτό το κείμενο είναι μια εισαγωγή στην ανίχνευση θαμμένων αντικειμένων και μια
προσπάθεια σύνθεσης και παρουσίασης των διαθέσιμων μεθόδων στους αναγνώστες που
πιθανόν ασχολούνται με τη φυσική, γεωφυσική, αρχαιολογία, ηλεκτρολογία ανεξαρτήτως
του μορφωτικού ή ακαδημαϊκού τους επιπέδου. Εξετάζονται διαφορετικές τεχνολογίες και
συστήματα ραντάρ με ηλεκτρομαγνητικές, ακουστικές, υπερύθρων και χημικές μεθόδους
όσον αφορά τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματά τους όπως επίσης και τις αρχές
λειτουργίας, τους περιορισμούς και τις δυνατότητές τους. Επιπλέον συζητούνται κάποιες
ευέλικτες προσεγγίσεις που αφορούν σε ευρέος φάσματος εφαρμογές ώστε να επιτευχθεί
η βέλτιστη απόδοση σε κάθε συγκεκριμένη περίπτωση.

1.2 Είδη Μεθόδων Ανίχνευσης
Οι κύριες αισθητήριες διατάξεις για ανίχνευση θαμμένων αντικειμένων βασίζονται σε
ηλεκτρομαγνητικές, ακουστικές, σεισμικές και οπτικές τεχνολογίες. Οι ηλεκτρομαγνητικές
διατάξεις χωρίζονται σε δύο ομάδες : ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής (electromagnetic
induction EMI) και ραντάρ διείσδυσης υπεδάφους (ground penetrating radar GPR). Η
μέθοδος EMI ή αναγνώριση μετάλλου χρησιμοποιεί χαμηλής συχνότητας ηλεκτρομαγνητικό
πεδίο για να επάγει διννορεύματα στα μεταλλικά μέρη των θαμμένων αντικειμένων. Είναι
μια ώριμη, δημοφιλής και σχετικά φθηνή τεχνολογία που εφαρμόζεται σε ευρύ τύπο
περιβαλλοντικών συνθηκών για ανίχνευση αγώγιμων στόχων. Ο κύριος περιορισμός της
μεθόδου EMI είναι τα πιθανά περιττά ή ανεπιθύμητα μεταλλικά αντικείμενα που είναι
διασκορπισμένα στο έδαφος, ειδικά για στόχους χαμηλής αγωγιμότητας ή μικρής
περιεκτικότητας σε μέταλλο. Ο GPR είναι ένας άλλος ευρέως χρησιμοποιούμενος και
εδραιωμένος τύπος αισθητήριας ηλεκτρομαγνητικής διάταξης. Η κύρια αρχή λειτουργίας
είναι η ανάκλαση και η σκέδαση προς την πηγή του ραδιοκύματος RF από θαμμένα
μεταλλικά ή διηλεκτρικά αντικείμενα. Η GPR ανιχνεύει όλες τις ανωμαλίες κάτω από το
έδαφος, ακόμα και τις μη μεταλλικές. Το κυριότερο πρόβλημα είναι τα ανεπιθύμητα
διάσπαρτα αντικείμενα στο υπέδαφος και οι θαμμένοι στόχοι που έχουν παραμέτρους 16
σύστασης παρόμοιες με αυτές του εδάφους. Οι ακουστικές και σεισμικές μέθοδοι
εκμεταλλεύονται το ηχητικό και σεισμικό κύμα από ανάκλαση από τους στόχους. Αν και
αυτές δεν είναι απολύτως εδραιωμένες τεχνολογίες, τέτοια συστήματα έχουν χαμηλό
ρυθμό λανθασμένου συναγερμού. Παρόλα αυτά το μεγάλο βάθος, οι ανώμαλες επιφάνειες,
οι επιφάνειες καλυμμένες με νερό ή βλάστηση ή το παγωμένο έδαφος παρουσιάζουν
σημαντικές δυσκολίες στην ανίχνευση. Οι οπτικές μέθοδοι χρησιμοποιούν το υπέρυθρο και
υπερφασματικές ζώνες για να ξεχωρίσουν το στόχο από διαφορές στη θερμοκρασία και την
ανακλαστικότητα του φωτός. Εάν η χωρητικότητα της απορροφώμενης θερμικής ενέργειας
του αντικειμένου είναι πολύ διαφορετική από αυτή του εδάφους, η επίδοση της μεθόδου
είναι πολύ ικανοποιητική. Οι ανιχνευτές υπερύθρων μπορούν γρήγορα να σκανάρουν
μεγάλες περιοχές από μεγάλα ύψη. Όμως αυτή δεν είναι η κατάλληλη μέθοδος για βαθιά
θαμμένα αντικείμενα.
Εκτός από τις κύριες τεχνολογίες που αναφέρθηκαν παραπάνω μερικά πρόσθετα
συστήματα ανίχνευσης μπορούν να εξεταστούν για βελτίωση της απόδοσης των κύριων
συστημάτων ή για εξειδικευμένες εφαρμογές όπως ανίχνευση εκρηκτικών υλών. Για
παράδειγμα, η μικροκυματική τομογραφία του υπεδάφους χρησιμοποιεί αρχές παρόμοιες
με αυτές του GPR και πετυχαίνει υψηλής ανάλυσης απεικόνιση των ρηχά θαμμένων
αντικειμένων. Η τομογραφία ηλεκτρικής σύνθετης αντίστασης προσδιορίζει την κατανομή
της ηλεκτρικής αγωγιμότητας της επιφάνειας. Ο αισθητήρας ακτινών Χ απεικονίζει τα
θαμμένα αντικείμενα με ακτινοβολία ακτινών Χ. Τέλος, συστήματα βασισμένα σε μεθόδους
ηλεκτρομαγνητικές, πιεζοηλεκτρικές, βιολογικές και πυρηνικής φυσικής έχουν αποδειχθεί
χρήσιμες για ανίχνευση εκρηκτικής αέριας ύλης. Λεπτομερής συζήτηση όλων αυτών των
τύπων παρουσιάζεται στις επόμενες ενότητες.

3 GPR
1.3.1 Επισκόπηση
Οι όροι διείσδυση εδάφους (ground probing), ανίχνευση υπεδάφους (subsurface
detecting) και διείσδυση επιφανείας (surface penetrating) αναφέρονται σε μια ευρεία
κλίμακα ηλεκτρομαγνητικών μεθόδων για ανίχνευση και αναγνώριση θαμμένων
αντικειμένων ή δομών κάτω από την επιφάνεια του εδάφους, υπό το γενικό όρο ραντάρ
διείσδυσης εδάφους (ground penetrating radar-GPR). Η μέθοδος GPR χρησιμοποιεί τη
μετάδοση και τη σκέδαση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων για να εντοπίσει, να εξακριβώσει
ποσοτικά και να απεικονίσει τις μεταβολές κάτω από το έδαφος όσον αφορά στις
ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες. Μπορεί να εκτελεστεί από την επιφάνεια της γης με
όχημα ή από αέρος και έχει μεγάλη ακρίβεια στην απεικόνιση του υπεδάφους ανάλογη με
αυτή των γεωφυσικών μεθόδων, προσεγγίζοντας την ακρίβεια εκατοστού κάτω από τις
κατάλληλες συνθήκες. Εφόσον η GPR αντιλαμβάνεται τις ηλεκτρικές ανομοιογένειες του
υπεδάφους, η επίδοση της ανίχνευσης των χαρακτηριστικών του υπεδάφους όπως το
βάθος, ο προσανατολισμός, η υγρασία, το μέγεθος και το σχήμα συνδέονται άμεσα με τις
ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες. Η απόδοση μπορεί να βελτιωθεί περαιτέρω με την
ερμηνεία αυτών των ποσοτικών χαρακτηριστικών μέσω της μοντελοποίησης. Η τεχνολογία
GPR είναι κατά πολύ προσανατολισμένη στις εφαρμογές. Η υλοποίηση του υλικού και του
λογισμικού καθορίζει και τα χαρακτηριστικά της επίδοσης όλου του συστήματος. Η κλίμακα
ανίχνευσης ποικίλει από μερικά εκατοστά έως δεκάδες μέτρα. Μπορούν να ανιχνευθούν
μεταλλικές ή διηλεκτρικές δομές. Αναγνώριση μικρών αντικειμένων ακόμη και με ακρίβεια
εκατοστού είναι δυνατή. Οποιοδήποτε μεταλλικό αντικείμενο και διηλεκτρική ασυνέχεια
μπορεί να αναγνωριστεί από τη μέθοδο GPR. Ο στόχος μπορεί να είναι ένα μακρύ, λεπτό, 17
κυλινδρικό ή σφαιρικό αντικείμενο ή μια επιφάνεια και μπορεί να κατηγοριοποιηθεί με
βάση τη γεωμετρία του και την ηλεκτρική του σύσταση. Όλες αυτές οι επιδόσεις εξαρτώνται
ισχυρά από τις ιδιότητες του εδάφους και τις παραμέτρους του ραντάρ, που είναι κυρίως η
συχνότητα λειτουργίας, η ισχύς του πομπού και η πόλωση του ηλεκτρομαγνητικού κύματος.
Δύο είδη GPR συστημάτων – το GPR διέγερσης (impulse) και το GPR σάρωσης συχνότητας
(swept-frequency) – χρησιμοποιούνται στις περισσότερες σύγχρονες εφαρμογές. Το GPR
διέγερσης χρησιμοποιεί εκπομπή ηλεκτρομαγνητικού παλμού στο πεδίο του χρόνου και τις
αρχές της σκέδασης. Το σχήμα του παλμού διέγερσης καθορίζει το εύρος ζώνης
συχνοτήτων. Η ανίχνευση του στόχου γίνεται μέσω του πλάτους και της καθυστέρησης του
παλμού επιστροφής. Στα ραντάρ σάρωσης συχνότητας το εύρος ζώνης λειτουργίας
καθορίζεται καθαρά από τον σχεδιαστή. Το ηλεκτρομαγνητικό πρόβλημα σκέδασης λύνεται
στο πεδίο της συχνότητας. Η πληροφορία για το στόχο αποκτάται από το πλάτος και τη
φάση του παλμού επιστροφής. Το GPR δεν είναι πολύ διαφορετικό από τα κλασικά ραντάρ.
Οι κύριες διαφορές είναι η κοντινή ακτίνα δράσης, η ανάλυση του κοντινού πεδίου και το
μη ομογενές και με απώλειες μέσω διάδοσης. Η τεχνική ανίχνευσης είναι συνήθως
βασισμένη στο κύμα που σκεδάζεται προς τα πίσω από το στόχο, αλλά και η προς τα μπρος
σκέδαση μπορεί να χρησιμοποιηθεί μερικές φορές για παραγωγή πληροφορίας. Εφόσον
μιλάμε για ραντάρ κοντινής ακτίνας η ανομοιογένεια του χώρου (clutter) είναι το
σημαντικότερο πρόβλημα. Η πηγή του clutter είναι ο θόρυβος της κεραίας, η σύζευξη
πομπού/δέκτη, η ανάκλαση από την επιφάνεια του εδάφους και η σκέδαση από
ανεπιθύμητες ανωμαλίες του εδάφους. Μέτρα προς αποφυγή των παραπάνω, όπως η
σωστή επιλογή κεραίας, σχέδιο προστατευτικού καλύμματος και προσαρμοστικές μέθοδοι
επεξεργασίας σήματος πρέπει να παρθούν για τη βελτίωση της επίδοσης του συστήματος.
Η επιλογή της κεντρικής συχνότητας, του εύρους ζώνης και της ισχύος του συστήματος
είναι καθοριστικός παράγοντας στο σχεδιασμό. Η ανάκλαση του κύματος από την
επιφάνεια του εδάφους και η εξασθένισή του αυξάνονται απότομα με την αύξηση της
συχνότητας και την αγωγιμότητα του εδάφους, όπως φαίνεται στον πίνακα 2. Κατά κανόνα,
υλικά με μεγάλη αγωγιμότητα έχουν και μεγάλη εξασθένιση. Κατά συνέπεια η εφαρμογή σε
άμμο, αμμοχάλικο, ξηρό έδαφος και καθαρό νερό είναι πολύ ευκολότερη από ότι σε
άργιλο, υγρά εδάφη ή με μέταλλα ή στο αλμυρό νερό. Αφού η εξασθένιση και η ανάκλαση
αποτελούν ένδειξη για τις απώλειες και το clutter, χαμηλότερες συχνότητες
χρησιμοποιούνται για βαθιά θαμμένα αντικείμενα. Παρόλα αυτά οι υψηλότερες
συχνότητες ευνοούν την καλύτερη ανάλυση και την πιο λεπτομερή αντήχηση μικρών
αντικειμένων. Γι’ αυτό το λόγο, το GPR απλωμένου φάσματος χρησιμοποιείται για να
επωφεληθούμε και από τις χαμηλές και από τις υψηλές συχνότητες. Ο σχεδιασμός της
κεραίας μεγάλου εύρους συχνοτήτων είναι πολύ σημαντικός παράγοντας για την απόδοση.
Οι κεραίες του πομπού και του δέκτη σχεδιάζονται έτσι ώστε να συμβαδίζουν με το
υπάρχον hardware για να εκπέμπουν και να μεταδίδουν το σήμα στο έδαφος με αποδοτικό
τρόπο.
Η διαδικασία του αντικειμενοστραφούς σχεδιασμού και οι κρίσιμες παράμετροι των
συστημάτων GPR συζητούνται στην ενότητα 3.2. Ειδικότερα συζητούνται κατάλληλες
κεραίες μεγάλου εύρους, κατάλληλες γεννήτριες συνεχούς κύματος ή παλμού διέγερσης,
δέκτες RF χαμηλού θορύβου και τεχνικές επεξεργασίας σήματος.

Η μέθοδος GPR έχει μια εξαιρετικά ευρεία περιοχή εφαρμογής από εξερεύνηση μεγάλων
υπόγειων δομών μέχρι ανίχνευση μικρών αντικειμένων κάτω ακριβώς από την επιφάνεια. Η
αρχή λειτουργίας συνίσταται στη δημιουργία ενός παλμού ή σήματος RF από τη γεννήτρια,
την ακτινοβολία του από την κεραία πομπό, το χαρακτηρισμό του εδάφους και γενικά του
μέσου διάδοσης, λήψη από την κεραία δέκτη του σκεδαζόμενου από το θαμμένο
αντικείμενο ηλεκτρομαγνητικού κύματος και τελικά κβάντιση και επεξεργασία του
λαμβανόμενου σήματος από τον αποδιαμορφωτή (σχήμα 1).
ΣχήΒ΅α 1. Μπλοκ Διάγραμμα GPR Συστήματος
Οι κρίσιμες παράμετροι όπως ο τύπος του εδάφους και οι ιδιότητες του στόχου επηρεάζουν
σημαντικά την απόδοση της ανίχνευσης. Ο κύριος στόχος του σχεδιασμού είναι να παρέχει
πληροφορίες προσανατολισμένες στις εφαρμογές και να παρουσιάσει τις διαθέσιμες
τεχνικές επιλογές στο χρήστη. 19
Για να λειτουργήσει ένα σύστημα GPR με επιτυχία πρέπει να ικανοποιούνται οι
ακόλουθες απαιτήσεις :
1. Επαρκής ισχύς σήματος ή παλμού εκπομπής για να πετύχουμε το επιθυμητό βάθος
διείσδυσης.
2. Κατάλληλη κεραία που να μεταδίδει το ηλεκτρομαγνητικό κύμα στο έδαφος αποδοτικά,
με επαρκές εύρος ζώνης, στενό λοβό ακτινοβολίας και μικρή ανάκλαση εισόδου
3. Κατάλληλα μεγάλο εύρος ζώνης για να λαμβάνουμε επαρκές σκεδαζόμενο σήμα από
μικρά αντικείμενα.
4. Κατάλληλο υλικό του δέκτη για να λαμβάνουμε επαρκή σηματοθορυβικό λόγο και λόγο
χρήσιμου σήματος προς ανακλάσεις από το clutter για την καλύτερη επίδοση της
ανίχνευσης.
5. Προσαρμοσμένες τεχνικές επεξεργασίας σήματος που να ξεχωρίζουν και να
χαρακτηρίζουν τα θαμμένα αντικείμενα.
Οι ηλεκτρικές ιδιότητες του μέσου είναι σημαντικές παράμετροι στο σχεδιασμό ενός
συστήματος GPR. Το έδαφος γενικά είναι ημιομογενές και η ηλεκτρική του συμπεριφορά
μπορεί να καθοριστεί από τις συστατικές του παραμέτρους, δηλαδή διηλεκτρική σταθερά
(ε), μαγνητική διαπερατότητα (μ) και ηλεκτρική αγωγιμότητα (σ). Εδώ οι σχετικές
ηλεκτρικές και μαγνητικές σταθερές (εr
,μr) καθορίζουν το μήκος κύματος και η αγωγιμότητα
του εδάφους τις απώλειες διάδοσης. Όλες αυτές οι παράμετροι είναι επίσης συναρτήσεις
της συχνότητας. Για παράδειγμα οι απώλειες διάδοσης και ανάκλασης από την επιφάνεια
του εδάφους αυξάνονται απότομα πάνω από τα 3 GHz και σε πολλές περιπτώσεις το
γεγονός αυτό περιορίζει το εύρος ζώνης λειτουργίας. Παρόλα αυτά, όταν τα θαμμένα
αντικείμενα μειώνονται κατά μέγεθος τα αποτελέσματα προσομοιώσεων δείχνουν ότι οι
τιμές RCS του ραντάρ είναι ανεπαρκείς και σε μικρότερες συχνότητες. Όπως είναι γνωστό, η
τιμή RCS ενός αντικειμένου παριστάνει το επίπεδο της προς τα πίσω σκέδασης του
ηλεκτρομαγνητικού κύματος, δηλαδή πόσο εύκολα αναγνωρίσιμο είναι το σώμα. Εφόσον
το RCS εξαρτάται από τα ηλεκτρικά μεγέθη του αντικειμένου (μετρημένα σε σχέση με το
μήκος κύματος) και το μήκος κύματος είναι αντιστρόφως ανάλογο με την τετραγωνική ρίζα
της διηλεκτρικής σταθεράς, η συχνότητα του GPR μπορεί να μετακινηθεί προς τα κάτω σε
μέσα με μεγάλη διηλεκτρική σταθερά , πχ σε βρεγμένα εδάφη. Για παράδειγμα, η
συχνότητα λειτουργίας πρέπει να είναι τουλάχιστον 2 GHz για να πάρουμε επαρκώς
σκεδαζόμενο σήμα από ένα κυλινδρικό στόχο διαμέτρου 5 cm σε ξηρό έδαφος. Όμως αν
αυτό το σώμα ήταν θαμμένο σε υγρό έδαφος, εύρος ζώνης 1 GHz θα ήταν αρκετό για αυτό
το επίπεδο σκέδασης.

. Απώλειες Διάδοσης στα 100 MHz και στο 1 GHz για Διαφορετικούς Τύπους
Εδάφους
Υλικό Σχετική Αγωγιμότητα Απώλειες Απώλειες
Διηλεκτρική (mS/m) 100 MHz 1GHz
Σταθερά (dB/m) (dB/m)
Αέρας 1 0 0 0
Άσφαλτος, στεγνή 2-4 1-10 2-15 20-150
Άσφαλτος, υγρή 6-12 10-100 5-20 50-200
Άργιλος 2-40 1-1000 5-300 50-3000
Τσιμέντο 4-20 1-100 1-25 10-250
Νερό 81 0.1 0.1 1
Βράχος 4-10 0.1-1 0.01-1 0.1-10
Άμμος, στεγνή 4-6 0.0001-1 0.01-2 0.1-20
Θαλασσινό Νερό 81 4 1000 10000
Χιόνι 8-12 0.001-0.001 0.1-2 1-20
Αμμώδες Χώμα 4-30 0.1-10 0.1-5 1-50
Εύθρυπτο Αργιλώδες 4-20 0.1-100 0.5-60 5-600
Χώμα
Αργιλώδες Χώμα 4-15 0.1-1000 0.3-100 3-1000
Σα γενικός κανόνας, το κατώφλι θορύβου του συστήματος προσδιορίζει το επίπεδο
ελάχιστου ανιχνεύσιμου σήματος – minimum detectible signal (MDS). Ανίχνευση του
στόχου είναι δυνατή αν η λαμβανόμενη σκεδασμένη ισχύς είναι επαρκώς υψηλότερη και
από το θόρυβο και από το clutter. Το MDS μπορεί να υπολογιστεί από την (9)
χρησιμοποιώντας το εύρος ζώνης του συστήματος (BW), το συντελεστή θορύβου του δέκτη
(NF) και τον απαιτούμενο σηματοθορυβικό λόγο (SNR)
MDS = k βˆ™ T0 βˆ™ BW βˆ™ NF βˆ™ SNR (9)
, όπου k σταθερά του Boltzmann και Τ0 η θερμοκρασία δωματίου σε Kelvin (kT0β‰ˆ4x10-21
W/Hz). Για να πάρουμε λαμβανόμενη ισχύ Pr
που ξεπερνά αυτή την τιμή, το MDS δεν θα
είναι αρκετό για ανίχνευση αν το clutter επικρατεί του σήματος. Η πηγή του clutter είναι
κυρίως το ανεπιθύμητο απευθείας σήμα από τον πομπό στο δέκτη, το σκεδαζόμενο σήμα
από άλλα θαμμένα αντικείμενα και η ανάκλαση από την επιφάνεια του εδάφους. Για αυτό
το λόγο, ο ελάχιστος σηματοθορυβικός λόγος του συστήματος πρέπει να υπολογίζεται με
ακρίβεια κατά το σχεδιασμό ώστε να εγγυηθεί την επιθυμητή ανάλυση του φυσικού
ραντάρ.

Ε.Μ.Ι.
Αισθητήρες Ηλεκτρομαγνητικής Επαγωγής – Electromagnetic Induction (EMI)
Sensors
1.4.1 Επισκόπηση
Η ηλεκτρομαγνητική επαγωγή ,που είναι η βάση για τους ανιχνευτές μετάλλων, είναι μια
από τις διάφορες αισθητήριες μεθόδους που χρησιμοποιούνται ευρέως για ανίχνευση και
αναγνώριση θαμμένων αντικειμένων στο υπέδαφος. Η βασική τεχνολογία είναι πολύ
ώριμη. Οι αισθητήρες ΕΜΙ έχουν χρησιμοποιηθεί για εξερεύνηση ορυχείων κατά τη
διάρκεια του Α’ Παγκοσμίου Πολέμου και οι ανιχνευτές μετάλλου ΕΜΙ αναπτύχθηκαν
περαιτέρω στον Β’ Παγκόσμιο. Κατόπιν, η χρήση ΕΜΙ αισθητήρων προσανατολίστηκε στην
ανίχνευση αγώγιμων αντικειμένων σε άλλα πεδία εφαρμογών, όπως εκμετάλλευση
μεταλλευμάτων, μεθόδων εξετάσεων του ανθρώπινου σώματος μη καταστρεπτικές για
τους ιστούς, διερεύνηση αρχαιολογικών χώρων και ανάπτυξη μεθόδων ασφαλείας.
Η αρχή λειτουργίας των αισθητήρων ΕΜΙ είναι η εκπομπή ενός μεταβλητού στο πεδίο του
χρόνου ηλεκτρομαγνητικού κύματος που επάγει ρεύματα σε οποιοδήποτε μεταλλικό
αντικείμενο διαπερνά. Όταν το πεδίο αυτό σταματήσει απότομα, διννορεύματα στο
μεταλλικό αντικείμενο παράγουν ένα δευτερογενές ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που μετράτε
από το δέκτη. Το εύρος των συχνοτήτων λειτουργίας γενικά περιορίζεται σε μερικές
δεκάδες kHz. Οι ΕΜΙ αισθητήρες γενικά αποτελούνται από ένα ζεύγος πηνίων πομπού και
δέκτη, βλέπε σχήμα 19. Μία ροή ρεύματος στο πηνίο του πομπού παράγει το κύριο πεδίο
και η κυματομορφή που εκπέμπεται είναι συχνά ένα σήμα μεγάλου εύρους ζώνης, είτε
μεμονωμένοι παλμοί ή ένα συνεχόμενο σήμα. Το εκπεμπόμενο πεδίο επάγει ένα
δευτερεύον ρεύμα στην επιφάνεια της γης, όπως επίσης και σε κάθε θαμμένο αγώγιμο
αντικείμενο. Αυτό το δευτερογενές ρεύμα συνήθως ανιχνεύεται από την τάση που επάγεται
στο ίδιο ή σε άλλο πηνίο-δέκτη. Στην περίπτωση εκπομπής παλμών, η εκπεμπόμενη
κυματομορφή σβήνει γρήγορα και το πηνίο του δέκτη μετράει το φθίνον δευτερογενές
πεδίο που έχει δημιουργηθεί από επαγωγή από την επιφάνεια της γης και τα αντικείμενα
του υπεδάφους. Στην περίπτωση συνεχούς κυματομορφής το πηνίο του δέκτη τοποθετείται
μέσα σε μία μαγνητική κοιλότητα ώστε να ανιχνεύει μόνο το αδύναμο δευτερογενές πεδίο
που εκπέμπεται από την επιφάνεια και τους θαμμένους στόχους.

Θεωρία Λειτουργίας
Η επίδοση ανίχνευσης ενός ΕΜΙ αισθητήρα εξαρτάται κυρίως από τις παραμέτρους του
συστήματος, και συγκεκριμένα, από τα επίπεδα του κύριου μαγνητικού πεδίου που
δημιουργείται από το πηνίο του πομπού, την απόσταση του στόχου, τη δυνατότητα του
στόχου να δημιούργει διννορεύματα και τα χαρακτηριστικά του πηνίου του δέκτη.
Υποθέτοντας ότι τα πεδία είναι εξαρτώμενα από το χρόνο και ότι η θέση των πηνίων είναι
σταθερή (V
V=0) , οι λόγοι ρεύμα προς μαγνητικό πεδίο για τον πομπό και πεδίο προς τάση
για τον δέκτη υπολογίζονται από τις σχετικές εξισώσεις του Maxwell που δίνονται στις (15)
και (16):
W X E = - μ V X
V  => Y Z P[

= - μ
V X
V  P] 
=> VAB = i 2 π f μ Ν Η S cos ` (15)
βˆ‡ Χ Η = J + ε V b
V  => Y c P[

= \ d P] 

• ε
  V b
  V  P] 
  => Y c P[
  
  = I (16)
  , όπου Ε είναι το ηλεκτρικό πεδίο, Η το μαγνητικό πεδίο, f η συχνότητα, Ν ο αριθμός των
  ελιγμάτων, S η επιφάνεια του πηνίου, J η χωρική πυκνότητα ρεύματος, Ι το ρεύμα του
  πηνίου, φ η γωνία μεταξύ του πεδίου και του διανύσματος που παριστάνει την επιφάνεια
  του πηνίου, (ε,μ) η διηλεκτρική σταθερά και η μαγνητική διαπερατότητα του υλικού του
  πηνίου και VAB η επαγόμενη τάση

Η σχέση (15) υποδεικνύει ότι η ευαισθησία του πηνίου αυξάνεται με τη συχνότητα
λειτουργίας, τον αριθμό των ελιγμάτων του πηνίου, τη μαγνητική διαπερατότητα του
φερρίτη του πηνίου και την ενεργό επιφάνεια του πηνίου. Το φυσικό σχήμα των πηνίων
είναι επίσης σημαντικό για την ικανότητα ανίχνευσης όσον αφορά την ενεργό επιφάνεια
του πηνίου και το σχήμα του πεδίου. Το πλάτος του πεδίου είναι αντιστρόφως ανάλογο της
απόστασης. Αφού οι EMI αισθητήρες χρησιμοποιούν πολύ χαμηλές συχνότητες, η
ανάκλαση από την επιφάνεια του εδάφους και οι απώλειες του εδάφους είναι πολύ
ασθενείς τιμές. Παρόλα αυτά, συγκεκριμένοι τύποι εδάφους που περιέχουν αγώγιμα και
μαγνητικά μόρια και σωματίδια μπορούν να προκαλέσουν κάποια εξασθένιση και μπορούν
να υπάρξουν υψηλά επίπεδα ¨ακαταστασίας¨ από τα σκόρπια ανεπιθύμητα
μικροαντικείμενα. Τα διννορεύματα που δημιουργούνται πάνω σε ένα αντικείμενο και κατά
συνέπεια το επαγόμενο από αυτά πεδίο εξαρτώνται από το μέγεθος, το σχήμα και τη
σύστασή του. Σαν αποτέλεσμα, διαφορετικά αντικείμενα έχουν και διαφορετικές
επαγωγικές αποκρίσεις. Τα βασικά ερωτήματα είναι κατά συνέπεια πόση πληροφορία
μπορούμε να αντλήσουμε για το αντικείμενο από την επαγωγική του απόκριση και αν αυτή
η πληροφορία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ξεχωρίσουμε το στόχο από το περιβάλλον.
Τα αντικείμενα που περιέχουν μεταλλικά στοιχεία σε μεγάλο βαθμό θα παράγουν φυσικά
και πιο ισχυρά διννορεύματα και δευτερογενή πεδία στο δέκτη, αλλά η γεωμετρία του
στόχου όσον αφορά τη γωνία σε σχέση με το διάνυσμα του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου θα
είναι επίσης ένας πολύ σημαντικός παράγοντας της ευαισθησίας του συστήματος.

1.4.3 Απόδοση του Συστήματος
Οι δυνατότητες ανίχνευσης του συστήματος είναι ένα γενικά γνωστό παραμετρικό
πρόβλημα, όπως επισημάνθηκε στα παραπάνω. Είναι δυνατόν να ανιχνευθεί ένα
οσοδήποτε μικρό μεταλλικό (ή περιέχον μεταλλικά στοιχεία) αντικείμενο αν το επιτρέπουν
οι περιορισμοί σηματοθορυβικού λόγου του συστήματος. Η εξίσωση της δυνατότητας
ανάλυσης δεν είναι τόσο πολύπλοκη όπως στα GPR. Για παράδειγμα, οι παράμετροι της
εξασθένισης του εδάφους και των απωλειών ανάκλασης δεν είναι τόσο ισχυρές ώστε να
επηρεάσουν την επίδοση του συστήματος. Στις περισσότερες περιπτώσεις το ποσό του
περιεχομένου σε μέταλλο είναι ο πιο σημαντικός παράγοντας επίδοσης. Τα πειραματικά
δεδομένα του σχήματος 4 δείχνουν ότι η μετρούμενη τάση στο δέκτη (αφού την
ξεχωρίσουμε από την απευθείας τάση που δημιουργείται από τον πομπό) είναι 3000, 450
και 50 mV για σφαιρικά αλουμινένια αντικείμενα, διαμέτρου 15mm, 8mm και 5mm
αντίστοιχα. Οι τιμές αυτών των σχημάτων μειώνονται στο μισό για τις ίδιες διαμέτρους,
όταν τα αντικείμενα είναι σιδερένια.
Η επιδίωξη των αισθητήρων επαγωγής δεν αφορά μόνο την ανίχνευση μεταλλικών
αντικειμένων αλλά και τη διάκρισή τους από το ανεπιθύμητο περιβάλλον. Η παραδοσιακή
τεχνική ανίχνευσης βασίζεται στον υπολογισμό της ενέργειας του δευτερογενούς πεδίου με
στόχο την απόφαση αναφορικά με την ύπαρξη ή όχι αντικειμένου. Σε μερικές φυσικές
εφαρμογές, αυτή η προσέγγιση μπορεί να οδηγήσει σε υπερβολικά μεγάλο αριθμό
λανθασμένων συναγερμών, εξαιτίας των μεταλλικών μικροαντικειμένων διάσπαρτων στο
έδαφος. Αρκετές τροποποιήσεις της κλασικής μεθόδου έχουν προταθεί ούτως ώστε να
επιτευχθεί διάκριση και κατηγοριοποίηση του στόχου. Η λειτουργία μεγάλου εύρους ζώνης
είναι μια από τις πιο υποσχόμενες μεθόδους. Σ΄ αυτήν την τεχνική χρησιμοποιείται η
εξαρτώμενη από τη συχνότητα απόκριση του επαγόμενου πεδίου από το αγώγιμο
αντικείμενο για να διακριθεί ο στόχος από το περιβάλλον. Ένας άλλος τρόπος είναι να
χρησιμοποιηθεί ένα απλό φαινομενολογικό (που αναφέρεται στη συστηματική μελέτη των
δεδομένων) μοντέλο που περιγράφει τη μετρούμενη κυματομορφή στο πεδίο του χρόνου
ως ένα άθροισμα βαρών εξασθενούμενων εκθετικών συναρτήσεων, ούτως ώστε να παρέχει 40
μια ακριβή τεχνική αισθητήρων επαγωγής. Η μετρούμενη απόκριση μπορεί να
μοντελοποιηθεί σαν ένα άθροισμα εξασθενούμενων εκθετικών σημάτων των οποίων οι
χαρακτηριστικοί ρυθμοί εξασθένισης είναι εγγενείς με τα χαρακτηριστικά του εξεταζόμενου
στόχου. Αφού οι ρυθμοί εξασθένισης δεν εξαρτώνται από τον προσανατολισμό του
στόχου, ο υπολογισμός του ρυθμού εξασθένισης φαίνεται να είναι μια άρτια και αποδοτική
μέθοδος διακριτοποίησης. Εν γένει, οι ρυθμοί εξασθένισης που συνδέονται με μεταλλικά
αντικείμενα είναι πιο αργοί από αυτούς της επιφάνειας του εδάφους. Έτσι όταν ένα
μεταλλικό αντικείμενο είναι παρών κάτω από την επιφάνεια υπάρχει περισσότερη ενέργεια
στο λαμβανόμενο σήμα. Αυτή η απλή παρατήρηση επιτρέπει τη χρήση πολύ απλών
μεθόδων επεξεργασίας σήματος: για παράδειγμα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ή ένας
ανιχνευτής ενέργειας ή να μετρηθεί το ολικό πλάτος του σήματος μέσα σε ένα δεδομένο
χρονικό παράθυρο. Παρόλα αυτά τέτοια είδους επεξεργασία μπορεί να είναι η πηγή
λανθασμένων συναγερμών σε εδάφη μεγάλης περιεκτικότητας σε διάσπαρτα μεταλλικά
στοιχεία.

Μη Γραμμικές Ακουστικές Τεχνικές

Η μη γραμμική ακουστική τεχνική, που προτάθηκε από τον Donskoy, χρησιμοποιεί
ακουστικό σήμα διπλής συχνότητας (f1 και f2) που εκπέμπεται προς το θαμμένο στόχο.
Βασίζεται στη λήψη ενός σήματος που παράγεται στην επιφάνεια του στόχου. Αυτό το
σήμα λήψης περιέχει συχνότητες διαφορετικές από αυτές του αρχικά εκπεμπόμενου
σήματος. Ο ήχος διπλής συχνότητας κάνει το αντικείμενο να εκπέμπει σήμα στις συχνότητες
εσωτερικής διαμόρφωσης (f1

)
f2). Κατά συνέπεια, η παρουσία διαφορετικής συχνότητας
στο σήμα λήψης υποδεικνύει την παρουσία αντικειμένου. Μερικά στερεά αντικείμενα,
όπως τούβλα, χαλύβδινοι δίσκοι, ρίζες δένδρων και βράχοι, δεν εκπέμπουν νέο σήμα σε
διαφορετικές συχνότητες. Αυτό καθιστά εύκολη τη διαφοροποίηση συγκεκριμένων στόχων
από το υπόλοιπο περιβάλλον.
Η δυναμική συμπεριφορά των θαμμένων αντικειμένων εξαρτάται κατά πολύ από τη
σκληρότητά τους, αλλά και από αυτή του εδάφους. Η σκληρότητα των στερεών
αντικειμένων, όπως βράχοι και σράπνελ, είναι συνήθως πολύ μεγαλύτερη από αυτή του
χώματος στο οποίο είναι θαμμένα. Το βάθος τους επίσης επηρεάζει τη σκληρότητά τους. Η
σκληρότητα αυξάνεται αναλογικά με το βάθος. Όταν η σκληρότητα του αντικειμένου είναι
πολύ υψηλότερη από αυτή του χώματος, η μη γραμμική κίνηση δεν είναι παρατηρήσιμηΞ‡
είναι μάλλον γραμμική κίνηση. Γι ‘αυτό το λόγο, η μη γραμμική μέθοδος δεν είναι
ευαίσθητη σε τέτοια στερεά αντικείμενα και βαθιά θαμμένους στόχους. Ο Donskoy εξηγεί
αυτό το φαινόμενο μοντελοποιώντας το θαμμένο αντικείμενο σαν ένα σύστημα μάζας-
ελατηρίου. Αυτό το μοντέλο συζητιέται στην ενότητα 5.5.1.

http://artemis.cslab.ntua.gr/el_thesis/artemis.ntua.ece/DT2011-0017/DT2011-0017.pdf

http://users.uoa.gr/~atzanis/EM_notes/radar.pdf

:36_22_6::36_22_6::36_22_6:

Φίλε soulis1 …........αν τα διαβάσω όλα αυτά.......και τα μάθω απ'έξω και ανακατωτά....... με βλέπω να με προσλαμβάνει η NASA ........ χαχαχαχαχαχαχαχαχαχα

Υ.Γ : Καλό διάβασμα στον φίλο metal .........που αν μπερδευτεί πουθενά ή έχει καμία απορία.........εδώ είμαστε .......... χαχαχαχαχαχαχαχααχαχαχαχαχαχα

@wolf:

Υ.Γ : Καλό διάβασμα στον φίλο metal …......που αν μπερδευτεί πουθενά ή έχει καμία απορία.........εδώ είμαστε .......... χαχαχαχαχαχαχαχααχαχαχαχαχαχα

Ωπππ τι εχουμε εδω!!!… ο μεταλλακος διαβαζει για gpr?... :36_19_2: θα μου πεις δεν εμεινε και τιποτε αλλο!!!! ααααχαχααχαχα!!! :36_2_34:

Ετοιμαστείτε για διαγώνισμα!

ενδιαφέρον πάντως έχει η μέθοδος με την θερμική κάμερα αλλά περιορίζει το βάθος

@soulis1:

ενδιαφέρον πάντως έχει η μέθοδος με την θερμική κάμερα αλλά περιορίζει το βάθος

πολυ ενδιαφεροντα αρθα. αν και αρκετα δυσκολα να τα καταλαβεις.

περνεις μια ιδεα που περιπου στηριζεται η λειτουργια των διαφορων μεθοδων ανιχνευσης.

και το γεωρανταρ εχει ενδιαφερον. απλα στην απεικονηση να το κανουν πιο κατανοητο

Μια διασκοπηση, που πραγματικα αξιζει για μεγαλα κενα , ειναι η LDV
Αλλα , το μελλον ολων των διασκοπησεων , ειναι το Wide Band
Ακομα ειναι σε νηπιακη μορφη , η ερευνα που εχει σχεση με το χομπυ μας
Παλια αναφερθηκαμε , εγω , ο Παρης , και καποια αλλα παιδια για αυτην την μεθοδο

ευχαριστω

@storm:

Μια διασκοπηση, που πραγματικα αξιζει για μεγαλα κενα , ειναι η LDV
Αλλα , το μελλον ολων των διασκοπησεων , ειναι το Wide Band
Ακομα ειναι σε νηπιακη μορφη , η ερευνα που εχει σχεση με το χομπυ μας
Παλια αναφερθηκαμε , εγω , ο Παρης , και καποια αλλα παιδια για αυτην την μεθοδο

ευχαριστω

καλησπέρα γράψε αν θέλεις μερικά πράγματα για την μέθοδο που αναφέρεις

@soulis1:

καλησπέρα γράψε αν θέλεις μερικά πράγματα για την μέθοδο που αναφέρεις

Οπως ανεφαιρα Σουλη , η ερευνα ακομη ειναι σε νηπιακη μορφη
Με πολυ απλα λογια …... Στελνουμε ενα παλμο στον χωρο . Κατα την ανοδο του παλμου (rise time ) δημιουργουνται παραλληλες συχνοτητες απο λιγα Ηζ μεχρι πολλα Ghz
Αυτο το μεγαλο ευρος συχνοτητων ειναι το κλειδι της ολης ερευνας , γιατι ετσι παιρνεις πολλες πληροφοριες ( βαθος - ευκρεινια ) απο τα ανακλωμενα σηματα απο το εδαφος
Πριν μερικα χρονια , σε ενα εργο στυλ Indiana Jones , μια ομαδα στησανε μια βαλιτσα με δυο μικρες κεραιες επανω στο βουνο .Μολις ενεργοποιηθηκε η συσκευη , αμεσως τους εβγαλε στην οθονη του PC , την σπηλια , την εισοδο , τους διαδρομους και ολα τα αλλα καλουδια σε τρισδιαστατη μορφη. Αυτο ειναι ενα δειγμα των δυνατοτητων του wide band (ακομα δεν υπαρχει , μην ψαχνεται αδικα ).Οταν τελειοποιηθει αυτη η τεχνολογια , ολα τα αλλα θα ειναι για το ΜΟΥΣΕΙΟ

ευχαριστω