Metal Dedektörleri Teknik Değerlendirme ve Örnek Bir Modelleme Uygulaması

Transkript

1 Metal Dedektörleri Teknik Değerlendirme ve Örnek Bir Modelleme Uygulaması Serkan AKSOY Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü Elektronik Mühendisliği Bölümü Elektromanyetik bir indüksiyon sistemi olan metal dedektörleri, çeşitli cisim ve yapıların içerisinde bulunan metalleri tespit ve teşhis etmek amacı ile kullanılan cihazlardır. Bu çalışmada elektromanyetik tabanlı metal cisim tespit teknolojileri genel olarak değerlendirilerek, metal tespiti için yaygın olarak kullanılan metal dedektörlerinin avantaj ve dezavantajları hakkında teknik bilgiler verilecektir. Bu kapsamda örnek bir senaryo üzerinden sayısal modelleme sonucu hesaplanan toplam saçılan manyetik alanın konumsal dağılımı toprağa gömülü alüminyum bir küre için üç farklı durumda değerlendirmiştir. Temeller Gözle görülemeyen ve/veya yanına yaklaşılamayan cisimlerin elektromanyetik yöntemlerle tespit ve teşhisi, yoğun uygulama alanı bulan ve geniş yelpazede ilerleyen önemli bir teknoloji alanını oluşturmaktadır. Bu kapsamda özel olarak (iletken) metal cisimlerin/ortamların tespiti için kullanılan elektromanyetik temelli belli başlı sistemler Elektriksel özdirenç cihazları, Manyetometreler, Yere nüfuz eden radarlar, Elektromanyetik indüksiyon cihazları, olmak üzere sınıflandırılabilirler. Elektriksel özdirenç cihazları temelde toprak vb. bir ortamın elektrik alan dağılımı ile ilgili olarak potansiyel farkını ölçtüğünden, küçük iletken cisimlerin oluşturduğu potansiyel değişimlerini tespitte yetersiz kalacaklardır. Manyetometreler ise dünya manyetik alanını kullanan pasif sensörler olup, iyi manyetik malzemelerin tespitinde başarılıdırlar. Fakat birçok iletkenin (metalin) manyetik malzeme olmadığı bilinmektedir. Yere nüfuz eden radarlar (ground penetrating radars, GPR) yüksek frekanslarda (MHz ve GHz bandında) kullanılan ve iletken veya iletken olmayan tüm cisimlere karşı tepki veren sistemlerdir. Karmaşık bir ortamda çoklu iç yansımalar da hesaba katıldığında ve bu sistemin pahalı oluşu da göz önüne alındığında sadece metal cisim tespiti için bu sistemi kullanmanın uygun olmadığı açıktır. Temelde manyetik veya manyetik olmayan iletken cisimlere tepki veren ve diğer iletken olmayan cisimlerle etkileşimi olmayan sistemler elektromanyetik İndüksiyon (EMİ) sistemleridir. Bu sistemler metal tespitinin yanında gerçekte çok geniş bir uygulama alanına sahip olduğundan, metal cisim tespit ve teşhisi için kullanılan EMİ sistemleri özel olarak metal dedektörleri olarak isimlendirilmektedirler [1]. Yine, benzer amaç için kullanılan ve farklı teknolojileri (akustik/sismik, X-Işınları vb.) bünyesinde barındıran birçok hibrit sistemin varlığı da unutulmamalıdır. Metal dedektörleri, diğer sistemlere göre aşağıdaki temel avantajlara sahiptir: Küçük/büyük iletken cisimlere yüksek hassasiyet, diğer cisimlere karşı tepkisizlik, Düşük sistem maliyetleri (nispeten bilinen üretim teknolojisi), 230 I 3e Electrotech Mart 2014

2 Gözle görülemeyen ve/veya yanına yaklaşılamayan cisimlerin elektromanyetik yöntemlerle tespit ve teşhisi, yoğun uygulama alanı bulan ve geniş yelpazede ilerleyen önemli bir teknoloji alanını oluşturmaktadır. Kolay kullanım ve zorlu koşullar altında sağlamlık, İlgili elektronik teknolojilerinde ki hızlı ilerlemeler. Metal dedektörleri temelde, uzak alanda çalışan klasik radarlardan farklı olarak yakın alanda çalışan ve alıcıda radarın aksine indüklenen akımlar yerine, elektromotor kuvvetinin (manyetik indüksiyon alanı ve ilgili yüzey alanı integrali üzerinden tanımlıdır) algılandığı manyetik sensör sistemleridir. Bir çeşit düşük frekans yer radarı olarak da düşünülebilecek metal dedektörlerinin metal ve mayın tespitinde en etkili teknoloji olduğu Amerikan ordu raporlarında da vurgulanmaktadır [2]. Metal dedektörleri denildiğinde genelde akla sadece gömülü iletken cisimlerin tespiti gelmektedir. Bu cisimler, arasında askeri amaçlı mayın ve patlamamış mühimmatın tespiti ile sivil amaçlı altın, gümüş vb. tarihi eser tabanlı değerli malzemelerin bulunması düşünülür. Fakat bu iki yaygın uygulama yanında, metal dedektörleri EMİ sistemleri kapsamında 1 Güvenlik uygulamaları (kapı ve el tipi dedektörler), Yeraltı boru, çukur, suyolu, siper vb. tespit sistemleri, Mayın tespiti ile mayından arındırma, Su altı tespit sistemleri (torpido, denizaltı tespiti vb.), Duvar içi dinleme cihazı (böcek) tespit sistemleri, Duvar içi demir çubuk tespit sistemleri (inşaat teknolojisi), Yemek/yiyecek endüstrisinde metal parça tespit sistemleri, Batimetrik haritalama, 1 EMİ sistemleri indüksiyon ısıtma, kablosuz enerji iletimi, indüksiyon motor (elektromanyetik fırlatıcılar) tasarımı, RFID sensörleri, düşük frekans tıbbi görüntüleme vb. birçok ek uygulama alanına sahiptirler. Su ve toprak kirliliği çalışmaları (atık ve çöp sahalarının tespit ve izlenmesi), Tahribatsız Eddy akımları muayene yöntemleri vb. birçok uygulamada yoğun olarak kullanılmaktadır. Bu kapsamda bir metal detektöründen beklenen yetenek, aranan iletken cismin Yön ve derinlik dâhil pozisyonunun (yerinin) belirlenmesi (pinpointing), Elektromanyetik açıdan malzeme yapısının belirlenmesi, 3 boyutlu geometrisinin belirli düzeyde görüntülenebilmesi olarak ifade edilebilir. Tüm bunlara karşın dar bandlı (tek frekanslı) klasik metal dedektörlerinin temel zayıf noktaları Yüksek yanlış alarm (false alarm) oranları, Cisim teşhisi (classification, discrimination) konusunda başarı problemleri, Derinlik bilgisinin kabul edilebilir doğrulukta elde edilememesi, görüntüleme zorlukları, olarak sayılabilir. Bunlar arasında en büyük dezavantaj yüksek yanlış alarm oranlarıdır. Toprakta gömülü diğer iletken cisimler ile toprağın mineralli yapısı ve iletkenliği metal detektörünün yanlış alarm vermesinin temel nedenleridir. Tüm bu avantaj ve yaygın kullanımı ile birlikte, klasik (dar bandlı) metal dedektörlerinin söz konusu dezavantajlarının üstesinden gelmek için, gelişmiş metal dedektörleri üzerinde araştırmalar devam etmektedir. Bu sistemlerde kullanılan iki farklı yöntem, cisimlerin Frekans imzalarının (frekans spektrumu) çıkartılması [3], Zaman imzalarının (üstel zayıflama zaman spektrumu) çıkartılması [4], olarak sınıflandırabilirler. Bu yöntemlerin ilkinde hedef cisme KHz frekans bandındaki bir frekans bölgesinde genelde 1 KHz aralıklarla farklı frekanslar gönderilir. Bu nedenle bu tür sistemler çok frekanslı metal dedektörleri (veya frekans uzayı sistemleri) olarak bilinir. Yöntemlerin ikincisinde ise hedef cisme genelde en fazla 10 MHz e kadar en yüksek frekans bileşeni olan bir darbe (pulse) işareti gönderilir. Bu nedenle bu tür sistemler darbe indüksiyonlu metal dedektörleri (veya zaman uzayı sistemleri) olarak bilinir [5]. Her iki sistemde 231 I 3e Electrotech Mart 2014

3 de cisimden geri dönen elektromanyetik dalgalar frekans ve/veya zaman uzayında değerlendirilir. Böylece cismin türü, yönü, malzeme yapısı, derinliği vb. bilgiler kapsamında teşhisi ile yüksek yanlış alarm oranları düşürülmeye çalışılır. Yine, gelişmiş metal dedektörlerinin monostatik ve bistatik uygulamaları da mevcuttur. Her bir sistemin kendine göre avantaj ve dezavantajlarının olduğu unutulmamalıdır. Kısa Tarihçe İkinci Dünya Savaşı yıllarında mayın tespit ihtiyacının karşılanması için metal dedektörlerinin gelişimi hızlanmıştır. Bu durum, entegre devreler kullanan, düşük güçlü ve taşınabilir dedektörlerin üretimini 1970 li yıllar boyunca tetiklemiştir li yıllardan itibaren mikroişlemciler de kullanan dedektörlerden beklenen temel yetenek iletken cisimlerin türünü ayırt (teşhis) edebilmektir. Bu durum işaret işleme algoritmalarının kullanılmasına yol açmıştır. Buna göre metal dedektörlerinin gelişimi 1990 lı yıllara kadar en genel hatları ile aşağıdaki gibi açıklanabilir [6]: 2000 yıl önce: Çin imparatoru tarafından güvenlik amaçlı kullanım (statik), 1881: Graham Bell in Amerikan Başkanı Garfield in vücudundaki mermiyi bulma çabaları, 1900: Kaptan McEvoy ın su altında metal dedektörü ile tespit çalışmaları, 1915: Maxwell-köprü devresi ile bomba tespiti çalışmaları, M. C. Gutton, 1922: Amerikan Standart Bürosu nun «Induction Balance for Detecting Metallic Bodies terimini kullanımı, 1924: Radyo dedektörü denilen ve vurma frekans devresi ile çalışan sistemin patentlenmesi, D.Chilson, 1927: İlk metal dedektörü kitabının yazılması, R. J. Santschi, 1929: Metallascope (M-Scope) sisteminin patentlenmesi, Gerhard Fisher. II inci dünya savaşı yılları ve mayın dedektörleri için yüksek talep: 1941: Polanya kuvvetleri tarafından yeni ve avantajlı bir sistemin geliştirilmesi, 1942: Frekans modülasyonlu dedektörlerin tanıtılması, 1987: İlk mikroişlemcili metal dedektörünün patentlenmesi, Garrett Electronics, 1987: İlk otomatik toprak ayarı yetenekli altın dedektörü, MineLab (GT16000) lı yıllardan sonra konu ile ilgili çok fazla çalışma, patent ve model üretildiğinden detaya girilmemiştir [1], [6]. Halka Antenler Metal detektörlerinde verici (Tx) ve alıcı (Rx) anten olarak halka (loop) antenler ve onların değişik konfigürasyonları kullanılır. Bu kapsamda yaygın olarak kullanılan bazı halka anten türleri aşağıda gösterilmiştir [7]. Şekil 1. a) Çift D, b) Ortak merkezli, c) Çoklu halka halka antenler. Özel olarak örneğin Çift-D türü halka antenler daha fazla derinlik, daha geniş arama alanı vb. avantajlara sahiptir. Gelişmiş metal dedektörleri geniş bantlı sistemler olduğundan, halka antenlerin ilgili frekans bandında çalışma performansı bakımından analiz edilmesi zorunludur. Bu kapsamda maksimum güç teoremi gereği, bu antenlerin kaynak (osilatör) ile empedans uyumluluğu (matching) konusuna dikkat edilmelidir. Yine antenlerin rezonans veya rezonansta olmayan durumlarda yakın alan davranışlarının da bilinmesi gerekir. Antenlerin tasarımında ki önemli bir diğer nokta ise alıcı antenin vericiden etkilenmeyecek şekilde tasarlanması gerekliliğidir. Yani, hedef cisim yok iken alıcı antende indüklenen akımların minimum olması sağlanmalıdır. Bu durum önemlidir ziya alıcıdaki işaretin genliği zaten son derece düşük olacağından, alıcıda ön kuvvetlendirici (preamplifier) kullanımını zorunlu kılar. Her bir frekansta geniş bandlı sistemlerde anten faktörü de düşünülmesi zorunlu bir diğer parametredir. Ek olarak halka antenler mutlak (absolute), farksal (differential) ve çoklu-farksal (multi-differential) modda çalışacak şekilde de tasarlanabilirler. Bu durum saçılan alanın tümü ile pozitif veya pozitif/ 232 I 3e Electrotech Mart 2014

4 Temelde manyetik veya manyetik olmayan iletken cisimlere tepki veren ve diğer iletken olmayan cisimlerle etkileşimi olmayan sistemler elektromanyetik İndüksiyon (EMİ) sistemleridir. Bu sistemler metal tespitinin yanında gerçekte çok geniş bir uygulama alanına sahip olduğundan, metal cisim tespit ve teşhisi için kullanılan EMİ sistemleri özel olarak metal dedektörleri olarak isimlendirilmektedirler. negatif bileşenlerinin var olması bakımından önemli olup, tespit açısından faydalı olabilmektedir [5]. Özel olarak halka anten dâhil tüm metal dedektörü sisteminin kararlılığı konusunda da incelemeler yapılmıştır. Bu durum öncelikle günün farklı zamanlarında (gündüz, gece vb.) ortam sıcaklığının tüm sistem üzerinde kararsız davranışlar oluşturması bakımından önemlidir. Toprak ve Manyetik Dispersif Etkisi Metal dedektörleri prensip olarak her türlü ortamda (toprakta) çalışabilmelidirler. Fakat çoğu toprak ve malzeme (ırmak kumu vb.) yapısında bulundurdukları mineraller nedeni ile manyetik dispersif özellik gösterir. Yani KHz bandında farklı frekanslarda farklı manyetik geçirgenlik (, H/m) değerlerine sahiptirler. Bir diğer deyişle manyetik geçirgenlikleri frekansa (, Hz) bağlıdır ( [8]. Bu durum dedektörün performansını ciddi anlamda etkileyerek, yanlış alarm oranlarını yükselten en önemli unsurdur. Buna karşın manuel veya otomatik toprak ayarına (ground balancing) sahip sistemler belirli düzeyde başarılıdır. Bu nedenle toprak türüne bağlı olmak üzere havadaki bir cismin tespit başarımı ile, toprakta gömülü bir cismin tespiti başarımı temelde birbirinden farklı değerlendirilmelidir. Tespit (Detection) Algoritmaları Manyetik veya manyetik olmayan iletken cisimlerin metal dedektörleri ile tespiti belirli derinlik kısıtları altında çoğu kez mümkündür. Alınan işaretlerde gömülü iletken cisimler nedeni ile oluşan pozitif ve/veya negatif faz kaymalarından yararlanarak manyetik veya manyetik olmayan cisimler belirli başarı ile ayırt edilebilmektedir. Teşhis (Classification or Identification) Algoritmaları İletken cisimlerin metal dedektörleri ile tespiti prensip olarak mümkün olmakla birlikte, teşhisi (ayırt edilmesi, sınıflandırılması) konusunda büyük zorluklar mevcuttur. Klasik tek frekanslı birçok ticari sistemde bu amaç için kullanılan ardışık karşılaştırıcı (comparator) devreler veya temel tespit algoritmaları ile bu sorun aşılmaya çalışılmakla beraber, yetersiz kalacağı aşikârdır. Bu durumun yanlış alarm oranlarını çok artıracağı da unutulmamalıdır. Bu kapsamda daha önce bahsedildiği üzere frekans veya zaman uzayı sistemleri adı verilen Gelişmiş Metal Dedektör sistemleri önerilmiştir. Bu dedektörler ile cisimlerin teşhisi için Empedans düzlemi gösterilimi, Faz açısı değişimi gösterilimi, Spektral imzaların (frekans/zaman imzası vb.) gösterilimi, Rezistif, indüktif ve çapraz geçiş bölgelerinde çalıştırma, Konumsal ve zamansal alan dağılımı tabanlı I/Q işaret dağılımı gösterilimler, Farklı yüksekliklerden zengin veri toplanarak değerlendirilmesi vb. çeşitli yöntemler üzerinde çalışılmıştır. Yine problemin bir ters problem (inverse problem) olarak değerlendirilmesi ile Alt uzay izdüşümü yöntemi, Minimum karesel hata tersleme algoritması, Güç yoğunluğu dağılımına dayalı periyodogramlar, İstatistiksel tespit algoritmaları, Çeşitli çıkartım (substraction) algoritmaları vb. çeşitli yöntemler teşhis amaçlı uygulanmaktadır. Çözünürlük Çözünürlük yan yana (genelde yatay duran) gömülü iki cismin metal dedektörü ile ayırt edilebilme yeteneği olarak düşünülebilir. Metal dedektörlerinde bu yetenek frekans, halka antenin boyu, ortamın kayıp düzeyi, gömülü cisimlerin büyüklükleri, malzeme yapısı ve gömülme derinlikleri/yönü, sistemin monostatik veya 233 I 3e Electrotech Mart 2014

5 bistatik olması durumu vb. birçok parametreye bağlıdır. Yine, gömülü manyetik malzemelerin çevrelerinde oluşturduğu manyetik ekranlama (gölgeleme) nedeni ile çözünürlük önemli oranda düşmektedir. Prensip olarak daha büyük halka antenler daha düşük çözünürlük vermekle beraber, daha derinlerde tespit yapabilme imkânı sağlarlar. Yine daha yüksek frekanslarda daha iyi çözünürlük beklenir, ancak etkin arama derinliği azalır. Görüntüleme Metal dedektörleri ile belli çözünürlük ve kalitede görüntüleme yapmak mümkündür. Fakat bu durum düzgün veri toplamayı gerektirdiğinden gerçek uygulamalarda çoğu kez zordur. Bununla birlikte özellikle mayınların, patlamamış mühimmatların ve duvar içi demir çubukların vb. cisimlerin görüntülenmesi konusunda çalışmalar mevcuttur [9]. Yine araca monteli gelişmiş askeri dedektörlerde de gerçek zamanlı görüntüleme önemli bir ihtiyaçtır. Bu sistemlerde dizi halka antenlerin kullanıldığı unutulmamalıdır. Modelleme ve Simülasyon Elektromanyetik sistemlerin geliştirilmesi için modelleme ve simülasyon desteği şarttır. Bir metal dedektörü sisteminin modellenmesi temelde eş değer (skaler) devre modeli veya elektromanyetik (vektörel) modeli üzerinden yapılabilir. İlk model akım ve gerilimler üzerinden sistemin eş değer empedansının bulunması üzerine kurulu olup, ortak (mutual) indüktans hesabını gerektirmektedir. İkinci model ise Maxwell denklemlerinin analitik veya nümerik (sayısal) çözümüne dayalıdır. Bu modelde gerçek bir metal dedektörü probleminin tam analitik çözümü genellikle mevcut değildir ya da pratik açıdan yetersiz olabilecek birçok varsayım ve yaklaşıma dayalıdır. Bunun temel nedeni problemin yakın alanda, düşük frekanslarda (kuvazi-statik durumda) ve dispersif toprak için çözülmesinin gerekliliğidir. Yine, Maxwell denklemleri tabanlı gerçek hayat problemlerini çözmek için gerekli sayısal çözümlerinin düşük frekanslarda yaygın olmaması nedeni ile metal dedektörü için nümerik (sayısal) simülasyonlar da son derece azdır. Bu durum indüksiyon olayının ve etkilerinin yeterince anlaşılamamasına ve bu nedenle sistemlerin istenilen düzeyde geliştirilememesine neden olmaktadır. Daha önce belirtildiği üzere gerçek problemlerde toprağın manyetik dispersif etkisinin hesaba katılması zorunluluğu, simülasyonları bir kat daha zorlaştırmaktadır. Bu durum gelişmiş metal dedektörü sistemlerinin belirli bir başarı ile üretilebilmesi açısından büyük bir dezavantaj oluşmaktadır. Örnek Uygulama Bu bölümde verilen sonuçlar yazarın yönetimi altında M. Burak Özakın tarafından yapılan bir yüksek lisans tezi kapsamında elde edilmiştir [10]. Buna göre metal dedektörü problemi Kuasi-Statik Zaman Uzayı Sonlu Farklar (Finite Difference Time Domain) yöntemi ile üç boyutlu kartezyen koordinatlarda ve Maxwell denklemlerinin çözümü kapsamında incelenmiştir. Şekil 2 de gösterilen problem uzayı hava/kayıplı toprak arayüzü ve halka antenden oluşmakta olup, çalışma frekansı 10 KHz dir. Şekil 2. Problem uzayının genel görünümü. Çözüm, temelde quasi-statik koşulun ( ) sağlanması üzerine kuruludur. Burada (rad/ sn) açısal çalışma frekansını, (F/m) cismin veya ortamın dielektrik sabitini ve (S/m) ise cismin veya ortamın iletkenliğini göstermektedir. Tüm problem uzayının manyetik olmayan ortam ve cisimlerden oluştuğu kabul edilmiştir ( ). Bu kapsamda sistem monostatik (alıcı ve verici anten aynı yerde) düşünülmüş ve alüminyum küp, küre ve prizma şeklindeki gömülü cisimler için konuma bağlı saçılan manyetik alan dağılımları hesaplanmıştır. Bir iletken olan alüminyumun manyetik olmayan 234 I 3e Electrotech Mart 2014

6 a) farklı anten çapları, b) farklı anten yükseklikleri, c) farklı cisim derinlikleri, Şekil KHz de gömülü alüminyum bir küreden saçılan toplam manyetik alanın yatay menzile göre üç farklı parametre açısından değişimi. malzeme olduğu unutulmamalıdır. Saçılan manyetik alanlar özel olarak dairesel halka antenin üç farklı yüksekliği (h), üç farklı anten çapı (a) ve üç farklı derinliği (d) için hesaplanmıştır. Buradaki sonuçlar sadece iletken alüminyum küre için Şekil 3 te gösterilmiştir. Şekillerdeki dikey çizgiler (kırmızı renkli) cismin bulunduğu yatay menzili göstermektedir. Sonuçlara göre anten çapı artıkça saçılan alanın genliği artarak, cismin tespiti bakımından karakteri daha çok belirginleşmektedir. Buna karşın anten yüksekliğinin artması ve cismin daha derinlere gömülmesi durumunda saçılan alanın genliği ve karakteri bakımından tam ters bir etki söz konusudur. Elde edilen bu sonuçlar iletken cisimlerin tespiti/teşhisi ve sistem tasarımı kapsamında başarım açısından son derece önemlidirler. Kaynaklar [1] Aksoy S., (2014), Advanced Metal Detectors, E-Book, [2] Patel D., Desert storm soil properties and mine detectors, Technical Report USA-BRDEC-TR #2537, Fort Belvoir, Unclassified, 80 pages plus appendices, [3] Svatos J., Vedral J., The usage of frequency swept signals for metal detection, IEEE Trans. on Magnetics, 48-4, , [4] Nelson C. V., Keller M. R., Wide-bandwidth time decay signatures from UXO targets, Proc. SPIE 4742, Detection and Remediation Technologies for Mines and Minelike Targets VII, , [5] Ewald H., Electromagnetic Induction, Chapter 4 in Subsurface Sensing, , Editors: A. S. Türk, K. Hocaoğlu, A. A. Vertiy, John Wiley & Sons Inc., Hoboken, New Jersey, USA, [6] Roberts R. T., The history of metal detectors, Western & Eastern Treasures, [7] Szyngiera P., (1999), A method of metal object identification by electromagnetic mean, Mine Identification Novelties Euroconference, , Florence, Italy. [8] Das Y., Effects of soil electromagnetic properties on metal detectors, IEEE Trans. on Geoscience and Remote Sensing, 44-6, , [9] Bruschini C., Evaluation of a commercial visualizing metal detector for UXO-mine detection - HILTI ferroscan system, International Workshop on Sustainable Humanitarian Demining (SusDem 97), , Zagrep, Crotaria, [10] Özakın M. B., Aksoy S., Üç boyutlu Kartezyen koordinatlarda düşük ve tek frekanslı metal dedektörlerinin kuvazi-statik zaman uzayı sonlu farklar yöntemi ile benzetimi, 6. URSI Ulusal Bilim Kongresi, 2-5 Eylül 2012, Doğuş Üniversitesi, İstanbul, TÜRKİYE. 235 I 3e Electrotech Mart 2014