MINEX Doppel-D-Suchkonzept für eine verbesserte und präzise Detektion

Die erste Wahl für einfache Minensuchgeräte

Forscher und Unternehmen auf der ganzen Welt versuchen intensiv, ein zu 100 % zuverlässiges Minensuchgerät zu entwickeln. Die Lösungsansätze sind dabei so unterschiedlich wie die grundlegenden Technologien, auf denen die Anstrengungen beruhen.

Bodenradar und Infrarotsensoren werden ebenso getestet wie so genannte "künstliche Nasen". Während Hunde und Ratten bereits für die Minensuche eingesetzt werden, sind nun auch speziell ausgebildete Bienen im Begriff, bei der Minenräumung zum Einsatz zu kommen.

Leider sind die verschiedenen Techniken, ob einzeln oder in Kombination, für den Minenräumer derzeit mit erheblichen Nachteilen verbunden. Die meisten Detektionsgeräte sind nur in der Lage, ein potenzielles Ziel anhand bestimmter Merkmale zu analysieren. Dies kann die äußere Form, der chemische Gehalt, bestimmte eingebaute Materialien oder ähnliches sein. Da diese Geräte nicht fähig sind, verschiedene Daten zu kombinieren, ist die Fehlalarmrate sehr hoch, oder bestimmte Objekte sind für bestimmte Techniken einfach "unsichtbar".

In der aktuellen Situation zeigen Neuentwicklungen wie das Vierfachresonanzprinzip oder kombinierte Systeme einerseits vielversprechende Leistungen, andererseits müssen aber hohe Kosten, ein erhebliches Gewicht und andere Nachteile wie ein großer Schulungsaufwand in Kauf genommen werden.

Vor diesem Hintergrund bleibt der handgeführte Metalldetektor als Basisgerät für die Minensuche nach wie vor die erste Wahl, da er eine sinnvolle Kombination aus Kosteneffizienz und Effektivität im Einsatz bietet.

Metalldetektoren können nur Metall erkennen

Metalldetektoren werden seit dem Zweiten Weltkrieg für die Minensuche eingesetzt. Allerdings leidet ihr Ruf darunter, dass sie keine Minen aufspüren, sondern nur den Metallgehalt in den Minen. Seit dem Zweiten Weltkrieg ist der Metallgehalt von Minen jedoch drastisch gesunken, so dass die Hersteller solcher Geräte gezwungen sind, ihre Empfindlichkeit so weit zu erhöhen, dass sie nahe an den theoretischen physikalischen Grenzen arbeiten.

Moderne Metalldetektoren erfüllen die Anforderungen der Minenräumer, indem sie eine hohe Empfindlichkeit bieten, und können daher selbst hochproblematische Minen mit geringem Metallgehalt in ausreichender Tiefe anzeigen. Je präziser der Metalldetektor arbeitet, desto besser zeigt er jedoch auch Nägel, Splitter von explodierter Munition und alle Arten von Schrott an, die von einer Mine nicht zu unterscheiden sind. Dies verlangsamt die Minenräumung beträchtlich.

Hinzu kommt, dass einige Bodenarten auf das Signal des Detektors wie auf entsprechendes Metall reagieren. Daher sind die Signale des magnetischen Bodens die "neue Grenze" für die Hersteller von Metalldetektoren weltweit. Die wichtigste Aufgabe des Detektors ist nicht mehr die höchstmögliche Empfindlichkeit, sondern die Unterdrückung von problematischen Bodensignalen, um die Anzahl der Fehlalarme zu minimieren. Gute Detektoren müssen einen optimalen Kompromiss zwischen hoher Empfindlichkeit und effizienter Bodenanpassung darstellen.

Hervorragende Ergonomie, geringe Wartungskosten, einfache Handhabung, Zuverlässigkeit und geringer Energieverbrauch werden als Standards für einen professionellen Metalldetektor verstanden.

Wie funktioniert ein Metalldetektor?

Der Grundgedanke des Metalldetektors ist, das versteckte Objekt als Antenne zu nutzen. Zu diesem Zweck erzeugt der Detektor ein elektromagnetisches Feld. Dieses Feld wird automatisch um einen Leiter erzeugt.

Die elektromagnetische Energie durchdringt den Boden. Sobald sie auf einen metallischen Gegenstand, wie z. B. den Schlagbolzen einer Mine, trifft, funktioniert dieser Gegenstand wie eine Empfangsantenne:

Aufgrund der gleichen physikalischen Regel, die die Entstehung eines elektromagnetischen Feldes um einen Leiter beschreibt, wird dieses Feld einen Strom im Inneren eines Leiters erzeugen, sobald es mit diesem in Kontakt kommt. Das verborgene Metallobjekt reagiert entsprechend und erzeugt durch die elektromagnetische Energie der Spule des Detektors einen Stromfluss.

In diesem Fall wird der Strom als "Wirbelstrom" bezeichnet, weil er sich ohne einen elektrischen Plus- oder Minuspol, der ihn in eine bestimmte Richtung zwingt, in Kreisen durch das Objekt bewegt. Im Inneren des Metallobjekts herrscht die gleiche Situation, die wir bereits um den Sendedetektor herum beobachtet haben: stromführendes Metall! Es ist also nicht verwunderlich, dass das Metallstück nicht nur wie eine Empfangsantenne funktioniert. Darüber hinaus wird es auch wie eine Sendeantenne funktionieren. Der Wirbelstrom erzeugt ein weiteres elektromagnetisches Feld, das diesmal von dem Metallgegenstand ausgesendet wird.

Der Detektor kann die vom Objekt gesendete elektromagnetische Energie empfangen, indem er einen anderen Leiter verwendet. In den meisten Fällen wird dies von einer Empfangsspule im Inneren des Suchkopfes übernommen. Dies ist das letzte Mal, dass die Energie einen Strom auslösen muss. Die Elektronik des Detektors interpretiert diesen Strom und zeigt ihn beispielsweise durch ein Tonsignal an.

Trotz seiner Komplexität hat dieser Prozess inhärente Grenzen. Der lange Weg des Signals, der mehrere Etappen wie Feldauslösung, Wirbelstrombildung und Signalrückkehr umfasst, führt zu einem schwachen Endsignal. Darüber hinaus stellen unterschiedliche Bodentypen unterschiedliche Anforderungen an die Leistung des Detektors.

Zwei verschiedene Systeme können bei einem Detektor verwendet werden, um die Energie auszusenden. Das erste Prinzip ist das "Prinzip der kontinuierlichen Welle" oder auch „Sinusprinzip“ genannt. Die elektromagnetische Energie wird hier kontinuierlich gesendet und kann wie eine Sinuswelle dargestellt werden.

Eine andere Möglichkeit, die Energie zu übertragen, besteht darin, sie in einer Reihe sehr kurzer Impulse zu senden. Dies hat zwei große Vorteile:

1.    Da die Sendespule zwischen zwei Impulsen zum Empfang eines Signals verwendet werden kann, benötigt der Gerätehersteller nur eine Spule, was die Kosten senkt. 
2.    Das Impulssignal bietet viele Informationen, deren Auswertung mit einer ausgeklügelten Software den Einfluss von "aggressiven" Böden gut unterdrücken kann. Moderne Impulsdetektoren weisen zudem eine hervorragende Empfindlichkeit auf, insbesondere in der Luft.

Wie immer im Leben, hat alles seine guten und schlechten Seiten. Die meisten Gleichwellendetektoren behalten zwar bei der Messung über Boden eine sehr gute Empfindlichkeit, haben aber erhebliche Probleme, diese zu unterdrücken, sobald sie es mit aggressiven Böden zu tun haben. Gute Impulsdetektoren sind zwar in der Lage, mit aggressivem Boden umzugehen, aber im Vergleich zu ihrer Empfindlichkeit in der Luft ist die Leistung über dem Boden für das gleiche Ziel ziemlich vermindert; außerdem kann das Antwortsignal auf den kurzen Impuls, der von einem sehr kleinen Metallstück (wie dem Stift in einer minimalen Metallmine) erzeugt wird, zu kurz sein, um erkannt zu werden.

Bis zu einem gewissen Grad lässt sich dies durch eine Erhöhung der Ausgangsleistung beheben, aber das Aussenden von Impulsen mit hoher Energie verbraucht zum einen mehr Batteriestrom und zum anderen könnten die starken Impulse Minen auslösen, die so konstruiert sind, dass sie auf diese reagieren.

Wie bewältigt das MINEX 4.610 diese Herausforderungen?

Das MINEX wurde mit dem Ziel konstruiert, die Vorteile beider Systeme zu vereinen und dabei so viele Nachteile wie möglich auszuschließen. Die grundsätzlich hohe Empfindlichkeit eines kontinuierlichen Wellensystems mußte modifiziert werden, um eine ausreichende Bodenkontrolle zu ermöglichen. Dies wurde durch das Hinzufügen einer zweiten Frequenz realisiert. Die Sendespule des MINEX-Suchkopfes sendet kontinuierlich zwei Frequenzen parallel aus.

Die Wahl der Frequenzen beruht darauf, dass verschiedene Metalle bei unterschiedlichen Frequenzen mehr oder weniger gut reagieren. Ein System, das für die Suche nach Aluminiumobjekten optimiert ist, findet Stahl nicht unbedingt mit der gleichen Effizienz. Durch die Kombination zweier sinnvoller Frequenzen innerhalb des möglichen Spektrums werden alle Metallarten mit annähernd der gleichen Empfindlichkeit angezeigt. Die eingebaute Elektronik führt einen kontinuierlichen Vergleich des Antwortsignals auf beiden Frequenzen durch. 

Das MINEX nutzt zur Signalauswertung hauptsächlich eine Änderung der Imaginärkomponente, die z.B. durch Stahl erzwungen wird. Als Ergebnis wird das Stahlobjekt angezeigt, egal ob es sich in Salzwasser oder in magnetischer Umgebung befindet. Zweifellos wird auch bei diesem System früher oder später eine "physikalische Hürde" spürbar. Der Minenräumer erreicht diese Hürde, sobald er sich in einem Gelände mit stark inhomogenem Magnetboden bewegt.

"Inhomogen" heißt nichts anderes, als dass im Boden viele einzelne Konzentrationen von "magnetischem" Boden verteilt sind, von denen jede einzelne ihr eigenes charakteristisches Signal besitzt. In dieser Situation kann kein allgemeines Bodensignal gefunden werden, das für ein ganzes Gebiet charakteristisch ist, und daher kann es auch nicht zur Filterung verwendet werden. Das MINEX kann sich mit Hilfe eines einfachen Druckknopfes an diese Situation anpassen, wodurch das Problem bis zu einem gewissen Grad wieder gelöst wird. Manche magnetischen Steine sind jedoch so aggressiv, dass sie trotzdem zu einem Störungsalarm führen, weil der Detektor sie wie ein Stück Metall anzeigt. Es gibt allerdings noch eine letzte Möglichkeit, sie zu "filtern":

Weiß der Minenräumer, um welche Art von Mine es sich in einem bestimmten Gebiet handelt, hat er die Möglichkeit, diese im Vorfeld zu sondieren. Mit diesem Wissen ausgestattet, kann er, bei reduzierter Empfindlichkeit, diese Minenart aufspüren und so die Fehlalarmrate zusätzlich reduzieren.

Das MINEX verfügt zusätzlich zu den genannten Merkmalen über ein drittes Spulensystem in seinem Suchkopf. (Genau genommen handelt es sich nicht um eine Spule, sondern um ein mehrschichtiges Leiterplattensystem, das höchste Präzision mit hoher mechanischer Belastbarkeit kombiniert.)

Die drei Spulen (wir bleiben bei diesem Ausdruck, da er immer noch gebräuchlich ist) sind für die charakteristische Form des Suchkopfs verantwortlich.

Die äußere Spule ist die Sendespule, daneben gibt es zwei Empfangsspulen.

Häufig werden das MINEX 2-Frequenz-System und die beiden Spulen verwechselt. Dabeiop muss betont werden, dass jede einzelne Empfangsspule kontinuierlich das Antwortsignal beider Frequenzen empfängt.

Der Detektor verarbeitet also vier Signale, wobei jede der Empfangsspulen zwei Frequenzen empfängt. Diese Empfangsspulen sind in einer so genannten Differenzialanordnung aufgebaut. Wirkt ein Signal auf beide mit der gleichen Intensität, wird keine Anzeige gegeben. Sobald der Einfluss eines metallischen Gegenstandes auf eine Spule stärker ist als auf die andere, wird ein akustischer Alarm ausgelöst.

Jede der Spulen ist mit einem eigenen, charakteristischen Ton ausgestattet.

Der Minenräumer kann hören, ob sich die rechte oder linke Hälfte des Suchkopfes näher am Objekt befindet. Wird ein Objekt mit dem Suchkopf passiert, wechselt der Ton. Dies ermöglicht eine einfache Ortung sowie eine klare Trennung der Objekte. Außerdem ist die Suche entlang großer Metallobjekte wie Schienen oder Zäune möglich.

Was sind die Vorteile des MINEX Doppel-D-Suchkopfes?

Das Vorhandensein einer Mine kann die Ortung einer anderen Mine in der Nähe beeinträchtigen, vor allem, wenn sie in unterschiedlichen Tiefen oder Ausrichtungen vergraben sind. Ein Doppel-D-Suchkopf hat zwei sich überlappende D-förmige Spulen, die im Vergleich zu anderen Suchkopftypen ein präziseres und tieferes Suchfeld erzeugen. Diese Art von Suchkopf kann mehrere nahe beieinander liegende metallische Objekte, einschließlich Landminen, aufspüren.

Wenn eine Spule des Doppel-D-Suchkopfs die Sättigungsgrenze erreicht, bedeutet dies, dass sie ihre maximale Erkennungskapazität erreicht hat und möglicherweise nicht in der Lage ist, kleinere Objekte zu erkennen. In einem solchen Fall kann die andere Spule weiterhin für die Suche nach kleinen Objekten, z. B. in der Nähe eines Zauns, verwendet werden. 

Wie trägt das MINEX 4.610 dazu bei, Risiken zu mindern?

Das MINEX 4.610 mit seiner Doppel-D-Suchspule arbeitet mit dem aktiven magnetinduktiven Verfahren (EMI). Dieses Verfahren eignet sich gut für die Detektion von Metallen. Die Detektionsleistung hängt von den Sende- und Empfangsparametern sowie von der Art des Metalls und den örtlichen Bodenverhältnissen ab, da das Verfahren auf den Leitfähigkeits- und magnetischen Permeabilitätseigenschaften des Metalls beruht. Eine Suchspule erzeugt Magnetfelder, die sich durch den Boden ausbreiten. Wenn Metallteile von diesem Magnetfeld berührt werden, bilden sich Wirbelströme, die wiederum ein sekundäres Magnetfeld auslösen. Die Auswirkungen dieses Feldes werden von der Empfangsspule des Metalldetektors erfasst und ausgewertet. Gleichzeitig müssen die am Boden erzeugten Störsignale kompensiert werden.

Das MINEX Zweifrequenzsystem verbessert die Empfindlichkeit und die Bodenkontrolle. Durch die gleichzeitige Aussendung von zwei Frequenzen bietet das MINEX eine umfassende Metalldetektion. Die drei Spulen ermöglichen es dem Detektor, zwischen verschiedenen Metallobjekten aufgrund ihrer Form und Ausrichtung zu unterscheiden. Die Elektronik vergleicht die Antwortsignale beider Frequenzen und filtert Interferenzen effektiv heraus.

Dies führt zu einer höheren Empfindlichkeit und besseren Ortungsmöglichkeiten als bei einem herkömmlichen Metalldetektor ohne Zweifrequenzsystem. Die empfangenen Signale werden ausgewertet und lösen akustische oder optische Warnungen aus, so dass das Metallteil geortet werden kann. Die Benutzeroberfläche ist intuitiv gestaltet und erleichtert den Minenräumteams die Bedienung.