Universität zu Köln

Löhken, Jörn Olaf (2007). Analytische Berechnung, Finite Elemente Simulation und Inversion von Metalldetektorsignalen im Zeit- und Frequenzbereich. Untersuchungen zur Reduktion der Fehlalarmrate bei der Landminensuche. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Signal von Metalldetektoren fuer den Spezialfall der Landminensuche. Anhand von analytischen, numerischen und experimentellen Daten wird das Verhalten von Continuous Wave und Pulse Induction Detektoren untersucht und ein Auswertealgorithmus, der auf einer Inversion der Daten basiert, vorgestellt. Die analytischen Berechnungen zeigen das Verhalten des Signals ueber Kugeln und einzelnen Rotationsellipsoiden. Am Beispiel zweier Kugeln wird veranschaulicht, dass die Gegeninduktion bei kleinen Abstaenden der Metallobjekte zueinander eine nicht mehr zu vernachlaessigende Rolle spielt. Fuer die Berechnung des Signals der Rotationsellipsoide werden Approximationen vorgestellt, die eine schnelle Berechnung ermoeglichen. Weiterhin wird der Einfluss des Bodens auf das Signal diskutiert. Fuer dessen elektrische Leitfaehigkeit werden statische und frequenzabhaengige Modelle, wie sie bei einem IP-Effekt vorkommen koennen, untersucht. Ein superparamagnetischer Boden liegt vor, wenn die magnetische Suszeptibilitaet des Bodens von der Frequenz abhaengt. Der daraus entstehende Effekt wird an Bodenproben erforscht und sein Einfluss auf das Signal im Vergleich zu der Auswirkung einer statischen Suszeptibilitaet vorgestellt. Die numerischen Simulationen wurden mit der finiten Elemente Methode durchgefuehrt. Diese bietet die Moeglichkeit beliebige Geometrien zu untersuchen. Es zeigt sich, dass das Gehaeuse einer Mine bei den CW-Detektoren eine Rolle spielt, jedoch nachtraeglich beruecksichtigt werden kann. Fuer die Simulationen der Mine muessen daher nur die Metallteile modelliert werden. Die Simulationen der Metallteile des Minensurrogats M3A veranschaulichen das komplexe Zusammenwirken der einzelnen Komponenten. Je nach betrachteter Frequenz und abhaengig von dem Signalteil, dominieren andere Komponenten der Mine das Signal. Vergleiche mit Simulationen von Rotationsellipsoiden belegen jedoch, dass ein einfacher Koerper, wie ein Rotationsellipsoid, das gleiche Signal erzeugen kann. Fuer die Inversion der Signale wurde daher das Modell eines Rotationsellipsoiden in Luft gewaehlt. Um genaue Ergebnisse zu erzielen wurden die technischen Eigenschaften der beiden untersuchten Detektoren, dem Foerster Minex 2FD 4.500 und dem Ebinger EBEX 421 GC, bei der Vorwaertsrechnung so exakt wie moeglich beruecksichtigt. Die so erzielten Genauigkeiten bei der Bestimmung der Groeße, Form und Position der untersuchten Messungen ueber verschiedenen Kugeln liegen im Millimeterbereich. Zudem kann anhand der erhaltenen elektromagnetischen Parameter die Metallart abgeschaetzt werden. Die Untersuchungen von Messungen ueber Minensurrogaten zeigen, dass auch das Signal realer Minen durch ein Modell mit ein oder zwei charakteristischen Rotationsellipsoiden beschrieben werden kann. Diese Tatsache ermoeglicht eine Identifizierung der Mine und ihrer Tiefe. Darauf basierend wird ein Auswertealgorithmus vorgestellt und an Messdaten des Testfeldes in Ispra/Italein angewendet, der es ermoeglicht Minen zu identifizieren und von anderen Metallobjekten zu unterscheiden. Ist das Objekt keine Mine, erweitert die Angabe der Form, der Groeße, des Materials und der Position des Objektes durch die Inversion, die bisherigen Informationen ueber das geortete Objekt. Die fuer die Inversion notwendige Ortsreferenzierung der Daten wird durch ein selbst entwickeltes, mechanisches Positionierungssystem erreicht.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Analytical calculation, finite element simulation and inversion of metal detector signals in time and frequency domain. Studies on the reduction of false alarm rate when searching for landmines. English
Translated abstract:	Abstract Language This thesis deals with the signal of metal detectors in the special case of searching landmines. The properties of Continuous Wave (CW) and Pulse Induction (PI) detectors are investigated by means of analytical, numerical and experimental data and a data interpretation algorithm is introduced which is based on the inversion of the data. The analytical calculations show the characteristics of the signal above spheres and single spheroids. Two spheres are used to exemplify that the mutual inductance cannot be neglected, if distances between the metallic objects are small. Approximations for the calculation of the spheroid�s signal are introduced, which allow fast computation. Further the soil�s influence on the signal is discussed. The influence of its electrical conductivity is investigated by using static and, due to an IP effect, frequency dependend mathematical models. A soil is called superparamagnetic if its susceptibility is frequency dependent. The resulting effect is examined by using soil samples and its impact on the signal, in comparison with the effect of static susceptibility, is presented. The numerical simulations were realized by the method of finite elements, since this method provides an opportunity to examine arbitrary geometries. It can be seen that a mine�s enclosure is only relevant for CW detectors, yet it can be taken into account additionally. Therefore only the metallic parts have to be modelled for the simulation of the landmine. The simulations of the landmine surrogate M1A show the complex interaction of the single components. Yet comparisons with the signal of a spheroid show that the same signal can be produced by simple shaped bodies, like for example a spheroid. Hence, for the inversion of the signals the model of a spheroid in air was chosen. To get accurate results, the technical specifications of both used detectors, the Foerster Minex 2FD 4.500 and the Ebinger EBEX 421 GC, were considered as exact as possible. The received accuracies of the inversion results when determining the size, shape and position of spheres and cylinders out of the measured data, lie in the range of millimeters. Additionally the material of the object can be estimated by the electromagnetic parameters of the resulting spheroid. The examination of measurements above landmine surrogates shows that their signals can be described by a modell with one or two characteristical spheroids. This provides the possibility to identify a special landmine and to determine its depth. Based on the above mentioned, a data interpretation algorithm is presented, which is applied to measuring data of the test field in Ispra/Italy. This algorithm allows for the identification of landmines and the distinction from other metallic objects. If the detected object is not a landmine, the results of the inversion enlarge the information about the detected object by giving its shape, size, material and position. The spatial referencing of the data, which is necessary for the inversion, was achieved by a self-developed mechanical positioning system. English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Löhken, Jörn Olaf loehken@geo.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-21841
Date:	2007
Language:	German
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Geosciences > Institute for Geophysics and Meteorology
Subjects:	Earth sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Metalldetektor , Landminen , Induktion , Finite Elemente , Inversion German metal detektor , landmines , induction , finite elements , inversion English
Date of oral exam:	30 October 2007
Referee:	Name Academic Title Tezkan, Bülent Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2184