一种水下金属物证探测器的设计

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郭丽莉, 康艳荣, 周冬林, 李效鲁. 一种水下金属物证探测器的设计[J]. 刑事技术,2014,39(1): 34-36
GUO Li-li, KANG Yan-rong, ZHOU Dong-lin, LI Xiao-lu. Development of metal detector for underwater evidence recovery[J]. Forensic Science and Technology,2014,39(1): 34-36 复制到剪切板

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《刑事技术》编辑部

一种水下金属物证探测器的设计

郭丽莉, 康艳荣, 周冬林, 李效鲁

公安部物证鉴定中心,北京 100038

作者简介:郭丽莉(1979—),女,山西人,助理研究员,硕士研究生,主要从事电子物证检验鉴定工作。Tel:(010)63436729; E-mail:guolili88@126.com

基金: 公安部应用创新计划项目(No.2010YYCXGAES102)

摘要

目的设计一种水下金属物证探测器,用于公安人员在池塘、沟渠、水井等水域中搜寻金属类物证。方法采用金属探测技术、水下视频采集技术和无线传输技术相结合,实现探测器的多功能特性。结果在深度不超过4m的水域中,借助探测器可以准确搜寻到金属物证。结论该探测器具有金属探测以及视频图像采集、无线发送和保存的功能,能满足一定范围内搜寻水下金属物证的工作需求。

关键词: 探测器; 水下金属物证; 水下视频; 无线传输

中图分类号:DF793.2 文献标志码:A 文章编号:1008-3650(2014)01-0034-03

Development of metal detector for underwater evidence recovery

GUO Li-li, KANG Yan-rong, ZHOU Dong-lin, LI Xiao-lu

Institute of Forensic Science, Ministry of Public Security, Beijing 100038, China

Abstract

A metal detector for underwater evidence recovery was developed. The detector utilized the metal detection technology, underwater video acquisition technology and wireless transmission technology. The metallic objects at a maximum depth of 4m can be detected with this equipment.

Keyword: metal detector; underwater; evidence; underwater video

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近几年随着罪犯反侦查意识的不断提高, 为了销毁证据、逃避侦查, 犯罪分子常常绞尽脑汁将刀具、枪支等作案工具、行凶器械丢弃在水井、河塘、沟渠等不易被公安人员发现和提取的水域中, 给案件的侦破和取证工作带来重重障碍。目前公安人员搜寻水中金属物证的方法还主要是将水抽干或下水摸排, 操作困难、工作繁琐且耗时长。因此根据以上工作需求, 非常有必要针对水下环境以及金属物证的特点, 研发一款操作方便、功能齐全、性价比高的辅助设备, 降低操作难度, 提高搜寻效率。

目前在地下探宝、食品安全、安防检查等行业领域, 有地下金属探测器、传送带式金属检测器、手持式便携探测器和通道式安检门等多种金属探测设备广泛应用^[1]。因此借鉴上述设备的设计原理, 通过结构设计、防水设计, 将金属探测技术应用于警用勘查, 辅助公安人员搜寻水域中的金属物证。

但就实际情况而言, 水域中常常会存在其它金属物体, 对金属探测器的搜寻工作产生一定干扰, 所以单纯依靠金属探测, 公安人员还无法准确判断被测物是否为搜寻目标。随着电子技术和数字视频技术的发展, 高分辨率的CCD 传感器、水下小型摄像机等相关产品不断更新并被广泛应用。因而将水下视频和金属探测功能相结合, 可以有效搜寻被丢弃在池塘、沟渠、水井等水域中的金属物证。借助该设备, 公安人员不必下水或将水抽干, 就可以在水面上开展搜寻工作, 从而降低了在恶劣环境下的工作难度, 减少工作量。

另外, 随着无线技术的迅猛发展, 无线图像传输也逐渐被广大用户看好, 尤其近几年在公安指挥系统中占据了重要的位置, 发挥了关键作用, 因此笔者在探测器中增加视频图像无线传输和保存的功能, 不仅能实现搜寻现场在远程指挥平台上可视, 也可实现物证的溯源, 为探测器的功能增添了一大亮点。

1 材料和方法

根据工作需求, 设计一种水下金属物证探测器(见图1)。该探测器集金属探测和水下视频显示、存储以及无线传输功能为一体, 主要由金属探测装置、视频采集、显示装置和无线传输、存储装置组成。

探测对象:不锈钢匕首、螺丝刀、剪刀。

探测环境:含有泥沙、草根等杂质的池塘。

探测设备:水下金属物证探测器样机。

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	图1 水下金属物证探测器;

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	图2 金属探测示意图

1.1 金属探测装置

1.1.1 设计原理根据电磁感应理论可知:当发射线圈中通过交流电时, 会产生一个迅速变化的磁场; 移动线圈, 当金属物体进入这个变化的磁场时, 在金属物体内部能产生涡电流; 涡电流又会产生反向磁场, 倒过来影响原来的磁场, 引发原磁场变化; 通过检测原磁场的变化, 并利用放大器将磁场变化的微弱信号放大, 进而转化为声音信号和灯光信号, 提示金属物体的存在。其中, 感应信号的大小取决于金属尺寸和导电性能等因素, 检测器的灵敏度随着检测范围的增大而降低。

通过比较借鉴, 设计本金属探测装置以单片机为核心, 由探测线圈、波形转换电路、采样保持器、放大器、A/D转换器、D/A转换器、报警电路组成探测电路。通过波形转换电路在探测线圈内生成正弦波电流, 从而在线圈周围的空间产生一个正弦交变磁场; 根据金属切割磁力线引起正弦波磁场的相位偏移来敏感识别金属, 通过警示灯和蜂鸣器报警提示操作人员^[2]。

1.1.2 装置材料为了减小移动过程中的水下阻力, 方便水下摄像机采集图像, 探盘设计为中空环状结构, 密封防水; 探盘选用ABS747材料, 同时在探盘顶部覆盖铝箔, 阻隔探盘上方的电磁波干扰。探测线圈包括发射线圈和接收线圈, 均匀环绕低线性阻抗的镀银铜线。探测装置操作杆选用高强度铝合金不锈钢管, 设计魔术卡口, 通过伸缩内套管调节操作杆长度, 既能满足在不同深度的水域中使用, 又方便携带。另外根据力学原理, 将操作杆末端设计为弧形结构, 达到操作省力的效果。

1.2 视频采集显示装置

1.2.1 装置设计原理视频采集显示装置负责视频图像采集、编解码、压缩处理以及显示。视频图像采集主要由摄像机完成, 为了保证在光线较暗、水质浑浊的水下采集到可辨认的图像, 经过电路设计和结构设计, 在摄像机外围增加低照度下可自动开启的LED红外灯和白光灯, 且摄像机整体结构抗碰击、抗低温、抗压、防水、防腐防锈。视频处理器的主要任务是视频编解码和视频压缩等图像处理, 采用DSP+FPGA的硬件架构, 其中DSP负责视频压缩处理运算, FPGA负责外设扩展。视频处理器以DSP芯片TMS320DM643为核心, 包括视频数模转换器 ADV-7125、视频解码器(Video Decoder)TVP5150AM1PBS、视频编码器(Video Eneoder)SAA712lH、复位芯片TPS3823、实时时钟RTC、SDRAM、Flash。DSP芯片通过64bit数据线、20bit地址线的EMIF接口连接SDRAM、FPGA、Flash, 通过8/16bit的视频端口连接视频编解码器TVP5150AM1PBS、SAA7121H以及视频DAC ADV7125。FPGA外设扩展模块使用Altera公司的Cyclone EP2C35, 利用FPGA并行处理的特点, 扩展了无线通讯接口^[3]。视频压缩算法采用MPEG-4 标准, 针对视频对象的形状、运动和纹理三类信息进行编、解码, 通过块运动估计/补偿技术减小时间冗余, 通过DCT变换减小空间冗余, 从而实现视频数据的压缩, 在保证清晰度的情况下提高传输效率, 节省存储空间^[4]。

1.2.2 装置材料摄像机为SONY FCB-EX系列中的480CP彩色摄像机, 为满足装置抗碰击、抗压力、防水、防腐防锈, 外壳材料选用进口ABS材料、钢化玻璃和进口硅橡胶密封圈, 并用环氧树脂灌封。视频图像由8寸手持式TFT型液晶显示器显示, 有工业级强固性铝面板外壳, 分辨率可达800(H)× 600(V), 响应时间可达6ms, 有自动背光系统, 可随环境亮度自适应调节背光, 色彩逼真。

1.3 无线传输和视频存储装置

1.3.1 装置设计原理无线传输采用COFDM技术, 该技术具有卓越的绕射、穿透能力, 优异的抗干扰性能, 很强的信号抗衰落能力, 适合移动视频传输领域的应用^[5]。无线收发控制盒嵌入手持显示器中, 其中接收器通过频段选择可接收四路视频信号, 显示四套设备的探测图像。另外无线传输采用开放式通讯协议, 可实现与其他COFDM无线数据收发平台协同工作。

无线接收器的信号通过嵌入式上位机PC104及其操作系统的软件完成视频图像的存储操作^[6], 可选择保存图像文件或视频文件, 并具有移动帧测和预录功能。

1.3.2 装置材料无线收发控制盒采用防静电、防磁场干扰的铝制外壳。无线接收的视频图像由5″手持式TFT型液晶显示器显示, 分辨率可达640(H)× 480(V), 响应时间可达6ms, 色彩逼真。图像存储在32GB 的SD存储卡中, 并配置红外遥控器。

2 实验结果

在池塘中放置探测对象, 移动探测器, 根据声光报警提示探测金属物体, 并通过手持液晶显示器查看水下视频图像, 进一步辨认探测对象。探测过程中的视频图像通过无线传输装置发送, 由视频存储装置遥控器完成保存, 具体实验结果如下:

(1)刀体长度为10cm的不锈钢匕首, 金属探测距离可达到19cm; (2)金属部分长度为7cm的剪刀, 金属探测距离可达到15cm; (3)金属部分长度为10cm的螺丝刀, 金属探测距离可达到23cm;

辨认视频截图见图3~图5:

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	图3 匕首辨认视频截图;

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	图4 剪刀辨认视频截图

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	图5 螺丝刀辨认视频截图

3 讨论

实验表明, 该水下金属物证探测器能够满足深度在4m以内的池塘、沟渠、水井等水域中使用。在视频图像可分辨的水域中, 探测器通过金属探测功能搜寻金属物体, 通过视频图像进一步辨认, 可准确发现金属物证; 同时视频图像无线传输以及保存的功能也贴合现阶段公安工作的需要。该探测器的研发能够为公安人员减轻工作量, 是一款集多种实用技术和功能于一体的、实用性强的警用辅助装备。

由于研究周期和研发经费等因素有限, 该探测器在结构设计和图像清晰化方面还有很多有待进一步优化改进, 例如增加打捞工具和图像清晰化处理, 将是下一步研究完善的方向。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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[1]	张忠祥. 基于ATmega8515控制的金属探测器研究[D]. 山东大学, 2009: 24-45. [本文引用:1]
[2]	许卓兵, 田蔚风, 季钢, 等. 便携式金属探测仪的设计[J]. 电子技术, 2001: 52-54. [本文引用:1]
[3]	刘佳旭. 基于DSP 的水下视频压缩编码系统研究[D]. 中国海洋大学, 2010: 4-54. [本文引用:1]
[4]	肖忠炳. 基于DSP和Vxworks的MPEG-4视频采集压缩系统的技术研究[D]. 哈尔滨工程大学, 2006: 17-19. [本文引用:1]
[5]	马荣生, 吴晓飞, 张利华. 试析COFDM无线传输技术的特点及在技侦中的应用[J]. 警察技术, 2009: 28-30. [本文引用:1]
[6]	丁超. 基于PC104的视频采集系统设计[D]. 哈尔滨工程大学, 2010: 5-30. [本文引用:1]

2009

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张忠祥. 基于ATmega8515控制的金属探测器研究[D]. 山东大学, 2009: 24-45.

金属探测器是是一种金属检出设备，它利用电磁、射线等物理原理，对混合物品或人体中的金属物质（如铁、铜、不锈钢等）产生感应信号，已达到剔除或报警作用。随着生活水平的日益提高，人们对食品、医药及纺织品等的安全要求也在提高。在上述产品中，金属含量是其质量的重要指标。因此，在这些产品出厂前，有必要进行金属检测，以将不合格产品检出。目前，由于技术所限，高精度金属探测器主要依赖进口，虽然性能较高，但是价格昂贵。随着现代工业生产向着高精度、高品质发展，以及顾客对产品质量的要求日益增加，高精度的金属探测器市场将会十分广阔。因此，研发一种高精度... 展开金属探测器是是一种金属检出设备，它利用电磁、射线等物理原理，对混合物品或人体中的金属物质（如铁、铜、不锈钢等）产生感应信号，已达到剔除或报警作用。随着生活水平的日益提高，人们对食品、医药及纺织品等的安全要求也在提高。在上述产品中，金属含量是其质量的重要指标。因此，在这些产品出厂前，有必要进行金属检测，以将不合格产品检出。目前，由于技术所限，高精度金属探测器主要依赖进口，虽然性能较高，但是价格昂贵。随着现代工业生产向着高精度、高品质发展，以及顾客对产品质量的要求日益增加，高精度的金属探测器市场将会十分广阔。因此，研发一种高精度且成本相对较低的金属探测器产品，具有非常可观的经济效益。此外，实现核心技术的自主化，还能摆脱对国外产品的依赖，具有相当的社会效益。本文介绍了金属探测器的研究现状，对于目前国际国内主流的开发原理及其优缺点进行了阐述。结合对磁场的分析以及对不同金属处于交变磁场中的电磁特性的分析，本文设计了一种金属探测器的完整方案，并提出了若干改进措施，相信能够在节约成本的同时，达到有效检测的目的。本文着重介绍了金属探测器的软硬件设计方案。硬件部分是本课题设计的关键，尤其是信号的产生和检测，从根本上决定了检测精度。经过频率整定、滤波、放大等环节，生成的正弦波信号应具备频率稳定，波形好，功率较大的特点；经过滤波、放大、信号调理、峰值保持、AD转换等环节，所获得的信号应能够准确反应接收信号的特征参数，稳定性好，并能排除干扰。本文对上述环节的电路原理及注意事项等进行了详细说明，并给出了相关的原理图和部分参数。软件部分主要实现了检测数据的分析、参数的设定和存储、显示部分的控制以及报警信号的产生，而其数字滤波部分，则是对硬件部分的有益补充。本文给出了上述各个模块的实现过程及其流程图，以及整个系统的流程图。作为一个完整的项目，本文对于一些细节也进行了阐述，包括电源部分和传动部分的设计等。通过实验展示了本课题研制的金属探测器的检测效果和功能特点，并提出了部分改进措施。最后，展望了金属探测器的两大发展趋势，即网络化和分段限时技术。收起

... 目前在地下探宝、食品安全、安防检查等行业领域,有地下金属探测器、传送带式金属检测器、手持式便携探测器和通道式安检门等多种金属探测设备广泛应用^[1] ...

2001

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许卓兵, 田蔚风, 季钢, 等. 便携式金属探测仪的设计[J]. 电子技术, 2001: 52-54.

文章根据金属切割磁力线引起电压变化的原理,设计研制了一种金属探测仪.基于被检测信号具有较大动态范围的特点,系统采用了单片机、A/D转换器、D/A转换器组成的三段程控放大器以达到动态调整量程的目的.

... 根据金属切割磁力线引起正弦波磁场的相位偏移来敏感识别金属,通过警示灯和蜂鸣器报警提示操作人员^[2] ...

2010

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刘佳旭. 基于DSP 的水下视频压缩编码系统研究[D]. 中国海洋大学, 2010: 4-54.

目前,随着人类认识海洋能力的提高以及开发海洋资源的迫切需求,深海探测与作业技术已经成为海洋开发研究的重要领域之一。在深海观测作业中,目前最常用的方法是基于水下机器人(ROVs/AUVs)的视频图像观测。视频图像观测是最直接、最形象、最有效的深海近距离观测方法。为了克服水声信道传输速率的限制,水下机器人必须装配高效的水下视频压缩编码系统,该系统可以对采集的海量水下视频,针对水下图像的特点,进行高效、快速压缩与编码,以满足实时性的要求。为此,本文使用高效的水下视频压缩编码算法,根据嵌入式系统的特点,设计出稳定可靠的水下视频编码系统,主要完成的研究工作包括如下两个部分： (1)水下视频压缩编码硬件系统的设计。为了既保证压缩编码处理的实时性,又确保编码硬件系统的稳定性和扩展性等,该系统采用基于DSP (TMS320DM642)与FPGA (CycloneⅡEP2C35)相结合的硬件架构,DSP负责算法程序的执行、驱动程序的控制、软件线程的调度等,FPGA通过灵活的扩展接口,负责硬件系统与外部电路系统(如水声通信模块、硬盘、SD卡)的通信；视频处理模块作为硬件系统的核心,包括DSP片上视频口外设、视频解码器 TVP5150AM1(负责复合视频信号输入)、视频编码器SAA7121H(负责复合视频信号输出)以及视频DAC ADV7123(负责VGA信号输出)。 (2)水下视频压缩编码系统驱动程序开发、算法移植以及优化。基于DSP/BIOS实时操作系统,设计了系统程序总体框架,其中包括硬件中断(HWI)线程、任务调度(TSK)线程,以及后台管理(IDL)线程；根据TMS320DM642DSP视频口的特点,改进了视频口的通用驱动程序；使用 Verilog硬件描述语言设计了FPGA硬件逻辑,从而实现了DSP与水声通信模块连接；DSP可以通过FPGA硬件逻辑控制看门狗定时器,当系统软件运行异常时复位芯片可使系统进行复位；将基于VC++6.0平台开发的水下视频压缩编码软件系统移植到DSP嵌入式平台,并综合运用了各种DSP优化技术,如编译选项、内联函数、循环展开、线性汇编等,优化后算法平均编码时间仅为优化前的30%,显著提高了算法的实时性。实验结果表明：该水下视频编码硬件系统对一般海底视频图像,分辨率为QCIF (176×144),平均压缩比可以达到250:1—500:1,平均帧率达到8帧/秒。本课题研究是水下机器人视频观测的关键技术之一,对深海探测与开发具有重要研究价值和广阔应用前景。

... FPGA外设扩展模块使用Altera公司的Cyclone EP2C35,利用FPGA并行处理的特点,扩展了无线通讯接口^[3] ...

2006

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肖忠炳. 基于DSP和Vxworks的MPEG-4视频采集压缩系统的技术研究[D]. 哈尔滨工程大学, 2006: 17-19.

列车运行监控记录装置通过实时检测、记录列车运行过程中的各种状态信息，准确控制列车的运行，是保障行车安全的重要装置。在各种记录数据中，视频数据最能够直观、真实地再现当时的实际情况。列车监控视频记录系统实时记录驾驶室的实际情况以及列车前方路况，通过地面回放设备的回放，实现列车事故前的图像重现，找到事故原因。基于此目的，本文对列车运行监控记录装置的一个重要组成部分——视频采集压缩系统进行了研究和设计。本文详细论述了以TMS320DM642DSP为核心的MPEG-4视频采集压缩系统的硬件组成和软件实现，着重叙述了该系统在VxWorks操作系统... 展开列车运行监控记录装置通过实时检测、记录列车运行过程中的各种状态信息，准确控制列车的运行，是保障行车安全的重要装置。在各种记录数据中，视频数据最能够直观、真实地再现当时的实际情况。列车监控视频记录系统实时记录驾驶室的实际情况以及列车前方路况，通过地面回放设备的回放，实现列车事故前的图像重现，找到事故原因。基于此目的，本文对列车运行监控记录装置的一个重要组成部分——视频采集压缩系统进行了研究和设计。本文详细论述了以TMS320DM642DSP为核心的MPEG-4视频采集压缩系统的硬件组成和软件实现，着重叙述了该系统在VxWorks操作系统下的驱动开发流程，以及运用各种方法对MPEG-4编码程序代码进行优化的方法。本文首先介绍了MPEG-4编码的原理；接着介绍嵌入式操作系统 VxWorks以及VxWorks下设备的驱动程序开发；然后从硬件结构方面进行分析，分别对系统总体、系统前端视频A/D芯片和编码芯片以及PCI总线进行介绍；然后叙述MPEG-4编码软件的实现和DSP软件优化。收起

... 视频压缩算法采用MPEG-4 标准,针对视频对象的形状、运动和纹理三类信息进行编、解码,通过块运动估计/补偿技术减小时间冗余,通过DCT变换减小空间冗余,从而实现视频数据的压缩,在保证清晰度的情况下提高传输效率,节省存储空间^[4] ...

2009

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马荣生, 吴晓飞, 张利华. 试析COFDM无线传输技术的特点及在技侦中的应用[J]. 警察技术, 2009: 28-30.

无论是在执勤、处突、还是维稳、反恐行动中,技术侦察都要努力实现"查得清,盯得住、传得回",以切实实现实时现场感知,为领导决策和部队处置行动提供重要依据.而要实现"传得回"这一关键环节,就必须有高效可靠的技侦设备和手段.但处置现场一般地形复杂、天候多变、电磁环境恶劣,这就给实时、动态、连续的大容量音视频传输造成了重大障碍.因此,必须要求有一种能够适应各种复杂环境的实时宽带传输技术和设备来保障,而COFDM数字微波传输技术的兴起,就为这种需求提供了可靠的保障.

... 1 装置设计原理无线传输采用COFDM技术,该技术具有卓越的绕射、穿透能力,优异的抗干扰性能,很强的信号抗衰落能力,适合移动视频传输领域的应用^[5] ...

2010

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丁超. 基于PC104的视频采集系统设计[D]. 哈尔滨工程大学, 2010: 5-30.

随着人们对海洋资源开发的关注。水下机器人成为海洋开发的重要工具之一。本文来源于哈尔滨工程大学水下机器人国防重点实验室项目。完成水下机器人水下目标识别系统中的视频采集系统的设计。本文采用FPGA为主控器件设计了一个PC104接口的视频采集卡，并同Vxworks系统的PC104主机相连接，实现了一个嵌入式的视频采集系统。　　在采集卡的设计方面，遵循PC104规范，采用堆叠的方式连接。保留了PC104接口的全部功能，便于功能扩展。采用两片SRAM做乒乓操作实现视频的缓存。既满足视频采集的速度要求，又可以节约设计成本。　　在对SAA7113的控制方面，采... 展开随着人们对海洋资源开发的关注。水下机器人成为海洋开发的重要工具之一。本文来源于哈尔滨工程大学水下机器人国防重点实验室项目。完成水下机器人水下目标识别系统中的视频采集系统的设计。本文采用FPGA为主控器件设计了一个PC104接口的视频采集卡，并同Vxworks系统的PC104主机相连接，实现了一个嵌入式的视频采集系统。　　在采集卡的设计方面，遵循PC104规范，采用堆叠的方式连接。保留了PC104接口的全部功能，便于功能扩展。采用两片SRAM做乒乓操作实现视频的缓存。既满足视频采集的速度要求，又可以节约设计成本。　　在对SAA7113的控制方面，采用对数据流中SAV（视频开始标志）和EAV（视频结束标志）值的判断来确定视频采集的进程，进而实现对视频采集过程的总体控制。此方法可以节约FPGA的IO口资源。　　完成了采集卡的单板调试。建立了Vxworks系统的PC104主机与PC104接口的采集卡组成的视频采集系统。并完成了系统的整体调试工作，调试结果表明，PC104主机和采集卡可以正常通信，该视频采集系统可以完成视频图像的采集、显示和保存。证明此设计方案可行，达到了设计的预期效果。收起

... 无线接收器的信号通过嵌入式上位机PC104及其操作系统的软件完成视频图像的存储操作^[6],可选择保存图像文件或视频文件,并具有移动帧测和预录功能 ...