background image

Geophysical Technology Limited 
ABN 49 072 470 243

 

Suite 1A Level two 802    
U

kraine

 

Tel  +3

80684484458

Email: 3

37872

@m

ail.ru

 

Website: 

www.250.org.ua

 

                                   

B E T T E R   B Y   D E F I N I T I O N  

A R M I D A L E  

w w w . p r o p r i b o r . o r g . u a

S U N S H I N E   C O A S T  

PO Box 2002 
Buddina Qld 4575 Australia 
Tel  +61 (0)7 5493 8577 
Fax +61 (0)7 5493 7405 

Specialising in: 
•  explosive ordnance detection 
      and remediation 
•  minerals exploration 
•  project management 
•  environmental geoscience 
•  engineering geoscience 

MAGNETOMETER SYSTEMS 

FOR 

EXPLOSIVE ORDNANCE DETECTION ON LAND 

John M. Stanley, PhD 

Malcolm K. Cattach, PhD 

Conventional  magnetic  locators  were  analogue  instruments.  These  have  now  been  greatly 
outperformed  by  digital  systems.  Analogue  locators  rely  on  the  operator  watching  a  meter  and 
listening to an audio tone as the sensing probe is systematically scanned across the survey area. These 
systems  depend  heavily  on  operator  concentration  and  subjective  judgements  during  the  search. 
Digital  magnetometers  outperform  their  analogue  predecessors  in  survey  speed  and  detection 
performance.  They  verify  the  integrity  of  the  search  and  enable  a  detection  assurance  level  to  be 
quantified. 

background image

 

 

 

Contents 

List of Figures 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

iii 

List of Tables 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

iii 

ABSTRACT 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

THE USE OF MAGNETICS IN ORDNANCE LOCATION    

 

 

 

 

REQUIREMENTS OF AN EOD MAGNETOMETER 

 

 

 

 

 

TOW CONVENTIONAL ANALOG MAGNETOMETERS   

 

 

 

 

 

The Ferex 4.021   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

The Varian V92 / Mk 22   

 

 

 

 

 

 

 

DIGITAL EOD MAGNETOMETERS 

 

 

 

 

 

 

 

RELATIVE PERFORMANCE OF CONTEMPORARY MAGNETOMETERS   

 

 

THE TM-4 IMAGE PROCESSIN MAGNETOMETER SYSTEM 

 

 

 

 

10 

 

The Data Acquisition Unit  

 

 

 

 

 

 

 

10 

 

The Transportable Data Processing Unit 

 

 

 

 

 

 

12 

THE TM-4 OPERATING PROCEDURE 

 

 

 

 

 

 

 

12 

 

The Field Procedure 

 

 

 

 

 

 

 

 

12 

 

The Data Processing Procedure 

 

 

 

 

 

 

 

13 

TM-4 SEARCH ASSURANCE LEVELS 

 

 

 

 

 

 

 

15 

CASE EXAMPLES WHRE THE TM-4 MAGNETOMETER WAS USED 

 

 

 

17 

CONCLUSIONS  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

18 

APPENDIX 

Technical Specifications of the TM-4 Magnetometer   

 

 

 

 

23 

ii

background image

 

 

 

List of Figures 

1.  

A typical magnetic profile showing “signal' and "noise". 

 

 

 

 

 4  

2. 

Magnetic anomalies intensities over a selection of ordnance devices  

 

 

 

showing the limit of sensitivity for each EOD magnetometer.  

3. 

Total field intensity and gradient anomaly amplitudes over a   

 

 

 

 8  

selection of ordnance devices. 

The TM-4 magnetometer showing the optically pumped magnetic  

 

 

 

11 

 

sensor and the data acquisition and control unit.  

5. 

The TM-4 data acquisition and control unit.   

 

 

 

 

 

11  

6. 

An example of It TM-4 search assurance graph for a particular area  

 

 

 

16  

where the soil type was classified as "sandy" and the magnetic noise was 2.5 nT.  

7. 

Isoplot images of magnetic anomalies measured with a TM-4    

 

 

 

19 

magnetometer over a five inch rocket head and four practice bombs, all buried at two metre depth.  

8. 

An Isoplot of magnetic anomalies measured with a TM-4 over a  

 

 

 

20 

contaminated World War II artillery range.  

9.  

An enhanced colour image of a 'contaminated site showing only  

 

 

 

21 

magnetic anomalies due to UXO.  

10.  

An Isoplot  showing the TM~4 record after: a contaminated area  

 

 

 

22 

had been cleared.  

List of Tables. 

1. 

Detection limits for: an 81 mm Mortar in conditions of zero magnetic    

 

 

noise and conditions where geological magnetic noise was 10 nT.  

2. 

Detection limits for a 1000lb HE Bomb in conditions of zero    

 

 

 

magnetic noise and conditions where geolt,'lgic81 magnetic noise was 10 nT.  

3. 

An example of an interpretation record with the anomaly "source"  

 

 

 

14 

entry completed by the field excavation crew.  

iii

background image

 

 

 

MAGNETOMETER SYSTEMS 

FOR EXPLOSIVE ORDNANCE DETECTION ON LAND

 

John M Stanley, PhD 

Malcolm K Cattach, PhD 

ABSTRACT 

The  use  of  magnetometers  to  detect  sub-surface,  unexploded  ordnance  is  not  new.  Conventional  magnetic 
locators  were  analogue  instruments.  These  have  now  been  greatly  outperformed  by  digital  systems.  Analogue 
locators  depend  upon  the  operator  watching  a  meter  listening  to  an  audio  tone  as  the  sensing  probe  is 
systematically  scanned  across  the  survey  area.  These  systems  depend  heavily  upon  operator  concentration  and 
subjective  judgements  the  time  of  searching.  Further  more,  analogue  detectors  do  not  produce  a  record  of  the 
magnet data from which the effectiveness of the search may be verified.  

Digital magnetometers outperform their analogue predecessors in survey speed and detection performance. They 
provide verification of the integrity of the search and they enable a detection assurance level to be quantified.  

Two  distinct  types  of  magnetic  sensors  are  used  for  detection  in  Explosive  Ordnance  Disposal  (EOD).  One 
measures the gradient of the vertical component of the magnetic field (the difference between two fluxgate type 
sensors)- The other type measures the intensity of the total magnetic field. Gradiometers are shown to be much 
less sensitive to deeper targets.  

A  comparison  was  made  between  the  performance  of  gradiometer  and  total  field  intensity  analogue  locators 
(Forster 4.021 and US Navy's Mk22) and gradiometer and total field intensity, digital recording systems (Forster 
CAST and TM-4). Each instrument was compared when used both in areas of high, medium and low levels of 
magnetic  interference  from  geological  sources.  In  low  noise  areas  the  depth  to  which  a  UXO  target  may  be 
detected  was  shown  to  always  be  3  times  greater  with  the  TM-4  than  with  the  Mk22,  and  at  least  3.5  times 
greater than with the CAST or 4.021 systems. In medium noise areas, the detection depth was 1.5 times greater 
with the TM-4 than with the Mk22 and up to 2.5 and 3 times greater than with the CAST and 4.021 systems. In 
areas of high noise, the detection depth was up to 2.5 times greater with the TM-4 than with the CAST system 
and analogue systems failed completely.  

The  most  sensitive  and  best  performing  magnetic  EOD  system  presently  available  is  the  model  "TM-4" 
manufactured  by  Geophysical  Technology  Pty.  Ltd.  This  magnetometer  system  enables  both  the  position  and 
total  magnetic  field  intensity  to  be  automatically  determined.  Measurements  to  0.01  nT  resolution  can  be 
recorded at up to 100 per second. Typically, two hectares (about 4.5 acres) can be surveyed on foot per day, or 
up to 25 hectares (ha) using the TM-4 with multi-sensors mounted on a quad cycle All Terrain Vehicle (ATV). 
At least foul measurements per square metre ( 40,400 per ha) are recorded. This very high density of data makes 
image processing practical and effective. Computer aided interpretation tabulates the position, depth and size of 
ferrous items requiring investigation. Assurance depths are defined objectively and quantitatively. The results of 
the entire search process are fully documented and are verifiable from the data record. 

An  example  of  TM-4  data  sets  collected  before  and  after  the  clearance  of  a  contaminated  artillery  site 
demonstrate the effectiveness of the search and verification procedure. 

1

background image

 

 

 

THE USE OF MAGNETICS IN ORDNANCE LOCATION 

The  location  of  dangerous,  unexploded  ordnance  by  the  detection  of  anomalies  in  the  earth's  magnetic  field  is 
inherently attractive because the magnetic sensor is totally passive. It can be scanned over a target zone without 
emitting radiation capable of causing detonation. However, the magnetic method is only applicable to ordnance 
which contains ferromagnetic materials such as iron.  

Ferromagnetic  materials  become  magnetic  by  induction  from  the  earth's  magnetic  field.  Hard  iron  also  retains 
remanent magnetization acquired when it was last heated above the Curie temperature of about 650 deg C. The 
magnetic field associated with an object is the vector sum of the induced and remanent magnetization.  

The magnetic field of a bar shaped body is dipolar, with a north and south magnetic pole. Iron ordnance devices 
have a magnetic field which approximates that of a dipole. The intensity of a dipolar magnetic field decreases 
with the inverse cube of the distance from the source. The intensity of the vertical magnetic gradient drops off 
even faster, as the inverse fourth power of the distance from the source. The magnetic anomaly due to a small 
iron  object  may  only  be  detectable  within  a  small  distance.  In  order  to  locate  a  magnetic  anomaly,  several 
measurements must be made within the area of measurable influence. If, for example, the magnetic detector is 
operated half a metre above ground, then a minimum sample density of four uniformly spaced measurements per 
square metre is required.  

Magnetic anomalies in the earth's magnetic field can also arise from variation in the chemistry of the rocks and 
soil from one position to another. Even at any one place, the Earth's field is forever changing by a small amount 
with  time  due  to  natural  causes  and  it  may  also  change  as  a  result  of  electromagnetic  interference  from  mains 
electricity.  Anomalies  due  to  changes  in  the  ground  geology  or  due  to  temporal  sources  can  be  referred  to  as 
"magnetic noise" in the context of ordnance location.  

Magnetic anomalies may be located by mapping the total magnetic field intensity, a component of this field or 
by measuring the difference (gradient) between two total field or component sensors. The earliest magnetometers 
could  only  measure  a  single  component  of  the  magnetic  field.  Modern  atomic  devices  enable  the  total  field 
intensity to be measured with extreme precision.  

REQUIREMENTS OF AN EOD MAGNETOMETER. 

There  are  three  fundamental  requirements  for  a  magnetometer  to  be  suitable  for  verifiable  ordnance  clearance 
operations.  The  device  must  be  sufficiently  sensitive  to  resolve  the  target  anomaly,  it  must  be  capable  of  very 
rapid  measurement  of  both  magnetic  field  and  sensor  position  and  it  must  automatically  record  the  data 
measured.  

The  analogue  magnetometers  used  in  the  past  for  ordnance  location  do  not  meet  these  requirements  and  their 
sole use for area clearance during peacetime could be deemed negligent in court. Analogue locators produce an 
output which may be a meter deflection, an audible tone or both. The output varies with a change in the magnetic 
intensity  or  its  gradient.  The  tone  may  be  continuously  present,  or  it  may  be  activated  only  when  a  preset 
anomaly amplitude or rate of change is exceeded. As data is not recorded with these detectors, the target signal 
must be recognized at the time of the survey. It must be assumed that the operator is diligent. 

2

background image

 

 

 

and that the equipment is performing properly. A target signal can only be recognised if it significantly exceeds 
the background magnetic noise level characteristic of the sit. There is a high dependence upon the concentration 
and subjective judgements of the operator who may be working under adverse conditions. On completion of the 
search, the only record that the search was performed effectively is the word of the operator.  

Digital recording magnetometers avoid the above problems. To make efficient use of digital data, both the value 
of  the  measurement  and  its  position  must  be  automatically  recorded.  While  high  resolution  digital 
magnetometers have been available since the mid 1960’s, the positioning and recording time of at least several 
seconds per measurement has excluded their use in high definition surveying except where very small areas were 
to  be  examined.  Digital  data  in  large  quantities  require  automatic  digital  processing,  preferably  onsite.  High 
speed  data  acquisition  and  on-site  data  processing  are  essential  to  the  efficiency  of  verifiable  magnetic  EOD 
operations.  

It is only since the development of automatic resonance type magnetic detectors and digital microelectronic that 
an efficient, digital magnetometer system suitable for ordnance detection could be built.  

Before describing and comparing existing magnetic locating devices, consider a typical profile of magnetic field 
variations  0.5  m  above  the  ground  (Figure  1  ).  The  magnetic  "noise"  on  this  profile  can  be  defined  as  those 
variations  which  are  not  of  interest.  They  may  be  due  to  geological  or  temporal  sources.  In  this  example,  the 
noise  envelope  has  an  amplitude  of  about  20  nanoTeslas  (uT).  The  "signal"  can  be  defined  as  the  magnetic 
anomaly due to the target of interest that is to be located. In the profile shown, the signal amplitude is 100 nT. 
The  "signal-to-noise"  ratio  of  this  data  is  therefore  five.  The  objective  of  the  magnetic  search  is  to  locate  and 
identify the "signal" from within the "noise", preferably even when the signal-to-noise ratio is small.  

TWO CONVENTIONAL ANALOG MAGNETOMETERS. 

The two work-horses of magnetic EOD during the last 20 years have been the Foerster "Ferex" and the Varian 
"V92"  (known  to  the  US  Navy  as  the  "Mk22").  The  detection  limitations  of  these  instrument  types  can  be 
described in tennis of signal detection capability as follows:  

The FEREX 4.021.  

The  Ferex  locator  consists  of  a  pair  of  fluxgate  type  sensors  mounted  400  mm  apart,  in-line.  When  operated 
vertically,  it  measures  the  difference  in  the  vertical  component  of  the  magnetic  field  between  the  sensors.  For 
source depths greater than about 2 m, this difference approximates the vertical gradient of the vertical component 
of  the  anomaly.  A  switch  enables  a  sensitivity  to  be  selected  from  a  ran~  between  3  nT  and  10.000  nT.  The 
choice of sensitivity setting that can be used is determined by the amplitude of the noise envelope in the area of 
the search.  

The magnetometer output is provided by an audio tone and an analogue meter. The tone is emitted only when the 
magnetic  field  exceeds  a  threshold  which  is  20%  of  full  scale  range.  The  frequency  of  the  tone  increases  the 
further this threshold is exceeded. The meter displays the magnetic intensity and its polarity. 

3

background image

 

 

In  the  locality  of  Figure  1,  the  operator  would  have  chosen  the  100  uT  sensitivity  range.  The  acoustic  alarm 
would sound when the magnetic field exceeded 20 nT.  

Thus  the  "noise"  of  the  10  nT  about  the  mean  would  have  been  rejected  by  the  instrument  while  the  "signal" 
would have triggered the audio alarm. 

As  a  gradiometer,  both  fluxgate  sensors  in  the  Ferex  probe  respond  equally  and  simultaneously  to  temporal 
changes in the magnetic field. Hence, this source of noise is automatically eliminated.  

The limitation of the Ferex is reached when the signal-to-noise ratio drops below about two. 

Figure 1. A typical magnetic profile showing a "signal" anomaly due to an item of UXO, and magnetic noise of 

geological, geomagnetic or electromagnetic origin.  

4

background image

 

 

The Varian V92 / Mk22

This  Magnetometer  was  developed  by  Varian  Associates  and  is  now  manufactured  by  Scintrex  in  Canada  and 
Geometrics in the USA. It is also known in the US Navy as the Mk22 locator.  The sensor probe is of the atomic 
resonance type (optically pumped caesium) and it measures the total magnetic field intensity. A digital display is 
provided with a resolution of 1nT. However as it is impractical to conduct a UXO search by mentally registering 
changes  in  the  digital  display,  the  instrument  had  been  designed  to  emit  a  continuous  tone  of  which  the 
frequency  changes  by  fixed  7  Hz  per  nT.  It  is  therefore  used  as  an  analogue  instrument  in  this  application.  A 
good ear may  resolve a change of 15 or 20 Hz and therefore can detect a  magnetic field change of 2 or 3 nT. 
However “signal” can only be recognised audibly if it exceeds the noise envelope by a factor of at least three. A 
high  dependence  upon  operator  concentration  is  a  major  disadvantage  of  this  unit.  In  areas  where  there  is 
appreciable  geological  magnetic  interference,  the  audio  tone  becomes  incomprehensible  because  the  tone 
sensitivity is fixed. 

Note: Neither the Ferex 4.021 nor the Varian V92 record data. Consequently, there is no way of demonstrating 
that the search was effective, and there is no record that would facilitate a second opinion or withstand a legal 
challenge 

DIGITAL EOD MAGNETOMETER 

As with the analogue locators, digital EOD magnetometer may be of the total field intensity type or they may be 
vertical component gradiometers. 

The inherent limitation of gradiometer type of instruments is the fact that the gradient anomaly over an item of 
UXO attenuates more rapidly with depth below the sensor than does the total intensity anomaly. Therefore the 
detection depth for a given size of object is always less for this type of instrument than for a total field intensity 
magnetometer. 

The  Forster  CAST  system  consists  of  a  Ferex  4.021  gradiometer  to  which  has  been  added  a  digital  recording 
option.  Apart  from  the  fundamental  limitation  of  detection  depth,  the  absence  of  an  in-built  odometer  in  the 
CAST system severely impedes the survey coverage rate and the integrity of data collected in rough terrain. 

The TM-4 is a total field intensity magnetometer. It has applied the latest technology to best solve the logistical 
problems  associated  with  EOD.  Its  performance  has  been  compared  directly  with  the  other  magnetometer 
systems previously discussed. 

5

background image

 

 

RELATIVE PERFORMANCE OF CONTEMPORARY 

MAGNETOMETERS

In  defining  the  performance  of  a  magnetic  technique  for  locating  sub-surface  ferromagnetic  objects,  the 
important parameter to consider is the depth to which an object of a given size can be confidently detected, or the 
minimum size of object that can be detected to a given depth. These parameters are related and are a function of 
the resolution of the magnetometer, the intensity of magnetic noise, the spacing between adjacent passes of the 
magnetic sensor and, in the case of non-recording detectors, the performance of the operator. 

The measurement of the magnetic properties of a very large number of ordnance items has enabled a quantitative 
measure  to be made  of  the  depth  to which they  can  be detected  using  each  of  the  magnetometer  systems.  The 
same data also enables the detection depth to be defined for any given amplitude of magnetic interference. 

The anomalous magnetic field form an ordnance device is dipolar. The amplitude of this anomaly is known to 
attenuate as the inverse cube of the distance from the device. Therefore, a plot of the cube root of the reciprocal 
of  the  measured  total  magnetic  field  anomaly  against  the  distance  from  the  target  is  a  straight-line  graph.  The 
slope of the graph is dependent upon the size and intensity of magnetization of the magnetic source. In Figure 2, 
data  from  a  sample  of  ordnance  devices  has  been  plotted.  The  exact  slope  of  each  line  varies  a  little  with  the 
composition  of  the  steel  used  in  manufacture,  the  time  that  the  device  has  been  in  a  static  limit  of  detection, 
determined only by the sensitivity of each of the four magnetic locator types being considered. In the case of the 
Forster  4.021  and  CAST  instruments,  the  limit  of  detection  is  a  curved  line  due  to  the  more  rapid  decrease  in 
anomaly amplitude with depth associated with the magnetic difference (or gradient). We can determine from this 
graph what is the maximum depth to which the given target may be detected with each of the instruments. 

Consider  first  the  performance  of  each  magnetometer  in  an  ideal  geological  environment  where  the  magnetic 
noise  is  zero.  With  reference  to  the  limits  of  detection  in  Figure  3,  the  81  mm  Mortar  for  example  can  be 
detected to a depth of about 2.3 m with the Forster Ferex 4.021 and CASE, 3.0 m with the Varian V 95 / Mk 22 
and  9.8  m  with  the  TM-4.  These  figures  show  the  relative  resolution  of  each  instrument  but  they  do  not 
necessarily  reflect  the  practical  detection  depths  because  the  assumption  of  zero  magnetic  noise  is  never 
justified. 

Consider now the effect of geological noise. It is the signal-to-noise ratio that will determine the depth to which 
a target object may be detected in practice. It had been determined that for effective operation the Ferex 4.021 
gradiometer required a signal-to-noise ratio greater that about 2 and that the V 92 / Mk 22 required a ratio greater 
than 3. With the advantages of image processing, the digital systems required a signal-to-noise greater than 1 (in 
cases where the noise source is shallow, deep signals may be detected even when the signal-to-noise ratio is less 
than 1). With these values we can determine the signal amplitude that will be required, given a particular value 
of the noise amplitude characteristic of the area being searched. For example if the near surface noises amplitude 
is 10nT then the V 92 / Mk 22 requires a signal greater than 30nT, the Ferex 4.021 requires a signal amplitude 
greater than 20nT while the CAST and TM-4 requires a signal greater than 10nT. With reference to Figure 3, we 
can use these signal anomaly values to determine the practical depth of detection for this given noise situation. In 
the case of the 1000 lb bomb, detection to a depth of 4.0 m would be expected with the Ferex 4.021, 4.7 m with 
the CAST, 5.6 m using the V 92 / Mk 22 and 8.0 m with the TM-4 

6

background image

 

 

Figure 2. A plot of magnetic field intensity as a function of depth below the sensor for a selection of ordnance devices Also 
indicated  are  the  maximum  sensitivities  of  four  magnetic  detector  induments.  The  stippled  area  highlights  those  ordnance 
items, which could be detected by the TM-4 under ideal geological conditions, by which could not be detect3d by the Forster 
CAST system. 

7

background image

 

 

Figure 3. Total  magnetic  intensity  and  gradient  anomaly  amplitudes  plotted  as  a  function  of  depth  below  the  sensor  for  a 

selection of ordnance devises. The normal, horizontal grid lines refer to total field amplitudes as measured by the 
TM-4 and Mk 22 magnetometers. The  curved lines  refer to the gradient  anomaly  amplitudes  as  measured  by  the 
Forster 4.021 and CAST gradiometers. 

8

background image

 

 

These latter figures for comparing the four instruments are realistic given the practical conditions encountered in 
the field. Although the sensitivity of the V 92 / Mk 22  and the Ferex 4.021 is similar, the Ferex is better able to 
tolerate magnetic noise. (A signal-to-noise ratio better than 3 is required for effective use of the V 92 / Mk 22 
whereas a ratio of only 2 is required by the Ferex 4.021). This would suggest that the Ferex would out-perform 
the V 92 /Mk 22 but this is not always the case. Only for very shallow and small objects is the superior noise 
tolerance of the Ferex significant. Because the gradient anomaly decreased more rapidly with depth than the total 
field  anomaly  (the  curved  lines  on  Figure  3  compared  with  the  horizontal  lines),  the  V  92  /Mk  22  in  fact 
performs better than the Ferex whenever the target is deeper than about one meter below the sensor. 

Although the much higher absolute sensitivity of the TM-4 cannot always be used in the presence of noise, the 
depth to which a target may be detected with the TM-4 must always be more than 1.5 times greater than when 
using  an  analogue  system,  and  it  may  be  several  times  more  after  the  use  of  digital  signal  enhancement.  By 
virtue  of  the  characteristics of  gradient  and total  intensity  anomalies  in  geologically  noisy  locations,  the  TM-4 
and CAST will detect equally small object only a “zero” depth. However, by 5 meters depth, the TM-4 will be 
able to locate an object that is only half the size that could be located with the CAST in the same noise situation. 

TABLE 1

Detection Limits for an 81 mm Mortar in Conditions of Zero Magnetic Noise 

and 10nT Magnetic Noise

INSTRUMENT 

ZERO NOISE 

10 nT NOISE 

Ferex 4.021 
Forster CAST 
V 92 / Mk 22 
TM-4 

2.3 m 
2.3 m 
3.0 m 
9.8 m 

1.1 m 
1.3 m 
1.4 m 
2.1 m 

TABLE 2

Detection Limits for a 1000 lb HE Bomb in Conditions of Zero Magnetic Noise 

And 10nT Magnetic Noise 

INSTRUMENT 

ZERO NOISE 

10nT NOISE 

Ferex 4.021 
Forster CAST 
V 92 / Mk 22 
TM-4 

6.2 m 
6.2 m 
11.0 m 
40.0 m 

4.0 m 
4.7 m 
5.6 m 
8.0  m 

9

background image

 

 

 

THE TM-4 IMAGE PROCESSING MAGNETOMETER SYSTEM

The proceeding data has demonstrated the TM-4 magnetometer to be the best performing magnetic EOD system 
presently  available.  The  TM-4  is  not  just  a  magnetometer,  but  a  complete  data  acquisition,  processing, 
interpretation and documentation system. 

The  great  advantages  of  the  TM-4  system  over  contemporary  ordnance  locating  magnetometers  are  that  it 
measures  the  total  magnetic  intensity  and  not  just  its  gradient,  it  has  a  higher  sensitivity  and  resolution,  it 
achieves this resolution in the very short measurement time of only 2.5 milliseconds per measurement, and most 
importantly, it automatically records digital data including the position of each magnetic field measurement. 

During its development, approximately 40,000 line kilometres of data sampled at 0.25 m intervals were recorded 
and  processed.  This  considerable  quantity  of  data  was  recorded  in  a  diverse  range  of  geological  environments 
and  in  temperatures  ranging  from  sub-zero  to  nearly  50 deg  C.  From  this  data-base  the requirements  of  signal 
processing  software  have  been  extensively  researched  and  a  comprehensive  software  package  applicable  to 
magnetic UXO identification and interpretation had been developed. 

The combination of high resolution, very fast digital measurement rate and automatic position determination has 
made very high definition magnetic surveys efficient and economically viable. 

The  TM-4  package  consists  of  two  units,  one  of  which  is  used  for  data  acquisition  and  the  other  for  data 
processing. Each unit is packaged in robust, light, alloy clad transit case for convenient and secure transport into 
field locations. 

The Data Acquisition Unit 

The data acquisition unit may be either hand-carried or operated from a quad cycle ATV. The main components 
for hand-held operation of this unit are: 

An optically pumped, atomic resonance type magnetic sensor, with a sensitivity of 0.005nT. 

Magnetometer electronics capable of recording the magnetic field values to a resolution of 0.01nT at a 
rate of up to 100 per second, or to 0.1nT, 400 per second. 

A DGPS is routinely used for positioning and navigation control.  The type, either Standard (Mapping) 
or Real Time Kinematic (Geodetic), is chosen according to the anticipated target size and therefore the 
level of accuracy required. 

An  odometer,  which  measures  the  distance  traversed  by  the  sensor  and  which  electronically  initiates 
each magnetic field measurement at programmable distance increments. 

A combination of the DGPS and odometer control systems can be used in areas where satellite coverage 
is problematic such as thick canopies in wooded areas and inside buildings. 

Solid-state memory with the capacity to record survey line header information, operator comments and 
up to 100,000 measurements. 

Multi-tasking  operating  system  software  to control and  monitor  data  acquisition. Additional  functions 
include:  display  of  the  magnetic  field  profile  as  it  is  being  recorded,  generation  of  an  audio  tone  at 
selectable  frequency  ranges,  digital  filtering  of  interference  from  mains  electricity  and  a  facility  for 
recording notes during a survey. 

10

background image

 

 

  

Figure 4

The  TM-4  Magnetometer  showing  the  optically  pumped  magnetic  field  sensor  and  the  data 
acquisition control unit. 

Figure 5. 

 The TM-4 data acquisition unit showing the in-built odometer 

11

background image

 

 

 

If the TM-4 is to be operated from a quad cycle ATV, then the following optional accessories are available: 

•  Additional magnetic sensors for multiple sensor operation. 

•  A tri-axial fluxgate compensator for heading, pitch and roll corrections. 

•  Receivers and expansion RAM for differential GPS positioning. 

The Transportable Data Processing Unit 

The unit typically consists of: 

•  A high performance, 32 bit laptop computer with colour monitor 

A3 size “PaintJet XL300” colour printer with HPGL vector plotting emulation. 

Comprehensive  data  processing  software  package  for  data  validation,  filtering,  griding,  contouring, 
profile  plotting,  isometric  presentation,  colour  image  processing,  interactive  computer-aided 
interpretation and search documentation. 

•  A spreadsheet data base for storing data and interpretation statistics 

THE TM-4 OPERATING PROCEDURE 

The Field Procedure 

The usual field procedure for hand-held ordnance location is first to peg the corners of the block to be surveyed. 
For convenience these blocks should be about one hectare in area, and should be square or rectangular. If part of 
such an area is not accessible, then the area may be a polygon. The local, or map grid coordinates of the corners 
of  the  block  are  entered  through  the  keypad  of  the  magnetometer.  Next,  the  line  spacing  and  chosen  sample 
interval (usually 1 m and 0.25 m but closer line spacing may be required if very small items are to be located) 
and the starting point of the survey (usually one of the corners) are entered. 

Data  may  be  automatically  recorded  at  eh  prescribed  interval  while  walking  at  any  convenient  speed  along 
straight-line  traverses.  The  sensor  is  usually  held  0.5  m  above  ground,  or  0.25  m  if  the  location  of  very  small 
items is of concern. Constant speed is not required. The coordinates of the start and end points of each survey 
line are automatically determined from the coordinates of the survey block. Intermediate coordinates, if known, 
may also be manually entered if increased positional accuracy is desired. By walking to and fro along successive 
grid lines at the prescribed spacing, an area may be covered quickly. While conducting the search, the operator 
may  inspect  the  current  magnetic  profile  as  it  is  plotted  to  the  magnetometer  screen.  The  audio  monitor  also 
alerts the operator of the presence of magnetic objects. 

12

background image

 

 

 

While conducting the survey the operator may note objects or features on the ground surface that influence the 
measurements. The position of these may be automatically recorded in the data file by keying in an appropriate 
note as the object is passed. Noteworthy objects may be scraps of iron, fences, creeks and gullies, etc. 

Surveys conducted in this manner have regularly been performed at a rate of one hectare in less than three hours. 

A  quad  cycle  mounted,  multi  sensor  TM-4  system  without  GPS  positioning  is  suited  to  situations  where  the 
terrain is reasonably flat and cleared of scrub and trees.  The survey procedure requires the system to be operated 
along a regular grid pattern of straight lanes with position control at no greater then 500 m intervals. 

Differential GPS positioning is available for the quad cycle mounted system. This obviates the need for straight 
line  surveying  and  position  control  points.  With  GPS,  the  system  is  ideal  for  searching  long  strips  such  as 
roadways,  cable  or  pipe  trench  easements  etc.  Traverse  speed  is  only  limited  by  the  ability  of  the  ATV  to 
negotiate the terrain. 

The Processing Procedure 

On completion of recording a block of data (one hectare should take between 2.5 and 3 hours on foot) or a day’s 
traversing  over  a  larger  grid,  the  data  acquisition  unit  is  connected  to  the  field  computer  processing  system. 
Transfer of the data to the computer takes a few minutes. The operator has access to a menu of data processing 
options  from  a  “Windows”  environment.  These  include  a  choice  of  image  processing  and  signal  enhancement 
filters  applicable  to  different  geological  situations  and  the  desired  output  presentation.  Also  selected  are  the 
plotting scales, the orientation of the view of the data and information that is required to be printed with the plot 
to identify the survey area and filters used. A default menu may be specified for a particular location so that all 
the data from that area are processed identically. 

The  processed  magnetic  data  may  be  represented  in  several  output  forms.  The  most  useful  of  these  are  colour 
maps, isometric images and contour maps. 

Interpretation  of  the  magnetic  data  in  terms  of  potential  UXO  targets  has  been  semi  automated  and  can  be 
performed  by  operators  who  have  not  been  trained  in  magnetic  field  theory.  All  of  the  interpretation  can  be 
conducted interactively on the computer screen images. 

A  most  important  aspect  of  an  EOD  search  and  clearance  operation  is  the  ability  to  be  able  to  specify  the 
confidence  level  with  which  an  assurance  can  be  given  that  a  search  has  been  effective.  The  interpretation 
software automatically defines the assurance levels appropriate to each area searched. 

The computer-aided ordnance detection and interpretation software computes the position, and approximate size 
and  depth  of  all  anomaly  sources  recognised  as  requiring  excavation.  This  information  is  tabulated  leaving  a 
blank column  to record the actual items recovered upon excavation. An example of a completed interpretation 
form is given as Table 3.  

13

background image

 

 

TM-4 MAGNETIC ORDNANCE DETECTION  

SURVEY INTERPRETATION  

AND EXCAVATION RECORD 

INTERPRETER:                JMS                     JOB NO:                           9056                           PAGE:    1 OF 1
DATE:                                 10.04.90                GRID ID:                          J42 
SENSOR ELEVATION:   
0.5 M                    NOISE THRESHOLD:   2.5 nT 

COORDINATES 

E (m)                          N(m) 

MASS 

Kg 

DEPTH 

SOURCE CONFIRMED 

1.5 
2.7 
3.2 
3.8 
5.7 
8.4 
9.2 

11.4 
12.7 
14.6 
17.5 
18.0 
19.2 
21.5 
23.0 

68.5 

3.6 
7.8 

24.8 
80.0 
72.5 
90.6 
12.7 
18.5 
73.2 
35.4 
70.3 

5.2 

63.5 
87.4 

0.2 
0.2 
5.0 

15 

0.4 

180 

60 

5.0 

15 

0.1 
0.2 
0.1 
5.0 
2.5 
0.2 

0.6 
0.8 
0.8 
0.6 
0.7 
3.8 
2.3 
0.7 
0.9 
0.6 
0.5 
0.5 
1.8 
1.2 
0.8 

FRAG 
3 INCH MORTAR TAIL 
STEEL FENCE POST 
25LB SMOKE SHELL 
VEHICLE TOW BALL 
500LB HE BOMB 
5 INCH ROCKET HEAD 
ANTITANK PROJ. (INERT) 
ROCKET MOTOR (INERT) 
37 MM HE SHELL 
FRAG 
DRINK CAN 
81 MM MORTAR 
5 LB SOLID 
37 MM SOLID 

Table  3.  An  example  of  an  interpretation  record  with  the  anomaly  “source”  column  completed  by  the  field 

excavation  crew.  Note  that  the  “depth”  measurement  refers  to  the  depth  below  the  magnetic  sensor, 
which in this search was 0.5 m above the ground. 

14

background image

 

 

SEARCH ASSURANCE LEVELS 

It  is  improbable  that  anyone  would  claim  that  their  magnetic  explosive  ordnance  disposal  program  has  been 
100% effective. Rarely would it be possible to support such a claim. However, it is possible to define a magnetic 
search procedure, which is 100% effective in detecting all UXO down to a quantifiable depth below ground. 

The  depth  to  which  a  magnetic  search  can  be  considered  100%  effective  is  a  function  of  many  variables 
associated with both the ordnance to be detected and the environment where it is buried. In particular, the type 
and  orientation  of  the  ordnance  and  the  time  it  has  been  in  the  ground,  each  affect  the  characteristics  of  the 
magnetic  anomaly  to  be  located.  The  magnetic  properties  even  vary  from  unit  to  unit  as  the  composition  and 
manufacturing history of each is no identical. The ability to locate magnetic ordnance is also determined by the 
intensity of magnetic interference from cultural sources, the magnetic properties of the ground, the sensitivity of 
the  magnetometer,  the  interval  at  which  magnetic  measurements  are  made  and  the  elevation  of  the  magnetic 
sensor above ground. 

The  magnetic  properties  of  ordnance  items  have  been  the  subject  of  exhaustive  analysis  by  the  authors.  As  a 
result,  the  complicated  relationship  between  all  the  search  variables  has  now  been  quantified.  The  level  of 
magnetic  interference  characteristic  to  each  search  locality  and  the  size  of  the  smallest  UXO  required  to  be 
located at the site, determine the required survey parameters of sensor elevation, acceptable elevation tolerance, 
sample interval, traverse line spacing and acceptable line spacing tolerance. It is essential that these parameters 
be determined prior to conducting a search, and that they be strictly adhered to if the search effectiveness is to be 
quantified. 

The  TM-4  UXO  detection  software  is  unique  in  that  it  has  been  designed  with  knowledge of  the  relationships 
between each of the magnetic UXO detection variables. A simple analysis of reconnaissance data determines the 
required  survey  parameters.  The  analysis  of  data  collected  to  this  specification  is  then  interactive  and  semi-
automatic.  The  complicated  relationships  are  reduced  to  a  simple  graph  showing  the  depth  limits  to  which  a 
given  UXO  object  can  be  detected  at  the  locality  searched.  The  most  important  depth  is  that  to  which  the 
magnetic  search  was  capable  of  detecting  100%  of  buried  ordnance.  The  (greater)  depths  to  which  less  than 
100% of buried objects can be detected can also be defined. 

The analysis of the data from each area searched results in a list of targets to be investigated as potential UXO 
contamination (as in Table 3) and a graph (as figure 6) showing the depth to which the location can be expected 
to be 100% effective in that area. 

Figure 6 contains an example of a TM-4 assurance graph for a search area where the magnetic noise threshold 
was  2.5  nT.  The  graph  plots  the  ‘mode’ value  of  the  magnetic  anomaly  distribution  associated  with each  item 
type. The graph also shows the noise level and the 100% detection confidence level appropriate to the particular 
locality, sample interval and line spacing. 

15

background image

 

 

 

Figure 6

An example of TM-4 assurance graph for a particular search area where the should type was classified as 
“sandy” and where the magnetic noise threshold was determined to be 2.5 nT. The graph plots the ‘mode’ 
value  of  the  magnetic  anomaly  distribution  associated  with  each  item  as  a  function  of  depth  directly 
below the magnetic sensor. The graph also shows the cut-off line at which there is 100% confidence that 
all UXO can be located at this site with the sample interval of UXO types and depths that can be detected 
magnetically in that area. The figure also shows the approximate expected maximum penetration depths 
for  UXO  impacting  into  sandy  soul.  (Penetration  depths  adopted  from  US  Army  TM-5-855-5, 
“Fundamentals of Protective Design for Conventional Weapons”, P35) 

16

background image

 

 

 

CASE EXAMPLES WHERE THE TM-4 MAGNETOMETER WAS USED 

Figure 7 shows an isometric image, (isoplot) of the magnetic field recorded with a TM-4 magnetometer, over an 
area where five items of ordnance were buried at a depth of 2 m. A 5 inch rocket head oriented north-south, and 
BDU 33 practice bombs, two oriented north-south, on east-west one and vertical, were located within this survey 
area. The characteristic dipolar nature of these magnetic anomalies is evident from the isoplot. 

Figure 8 shows an isoplot from a half-hectare area within a World War II artillery range. The area was obviously 
heavily contaminated. A very large number of dipolar anomalies of different amplitudes and sizes are evident. 
Near the centre of the area is large, complex anomaly that was due to an old, rusted car body. 

Figure  9  shows  a  colour  picture  of  this  same  area  after  image  processing  the  data.  The  computer  aided 
interpretation software has computed the geological noise level encountered at this locality. All  magnetic field 
variations  with  in  this  noise  range  have  been  presented  as  blue.  The  anomalies  due  to  potentially  hazardous 
ferrous objects are highlighted in colour with red being high field values and blue being low field values. With a 
picture  such  as  this  on  the  computer  monitor,  the  operator  simply  “clicks’  the  mouse  on  each  target  to  be 
excavated.  Automatically  the  coordinates,  depth  and  size  of  the  target  are  tabulated  in  a  spreadsheet  file.  The 
noise rang allows the assurance depth appropriate to the area to be automatically determined for a selection of 
ordnance items. 

In  the  particular  half  hectare  are  mapped  in  Figures  6  and7,  a  digging  team,  using  the  interpretation  table  and 
magnetic  field  images  for  guidance,  unearthed  a  harvest  of  almost  two  hundred  pieces  of  scrap  steel.  These 
included over fifty items of ordnance, which had been fired into the area as part of wartime activates. 

The increased sensitivity of the TM-4 imaging magnetometer system permits the detection of ordnance items at 
depths that are often greater than that at which they could be expected to penetrate. By providing a permanent 
record of the instrument’s output, the system no longer requires the judgement of a single human operator as to 
whether an anomaly needs to be investigated by excavation. 

An  additional  benefit  offered  by  the  TM-4  magnetometer  is  its  ability  to  produce  a  final  record  upon  the 
completion  of  the  search  and  recovery  process.  Figure  10  shows  the  same  area  as  above  after  the  scrap  and 
ordnance  had  been  excavated  and  removed.  The  remaining  area  of  contamination  near  the  centre  of  the  plot 
contains only rust and scale flakes resulting from the decay of the car body, which had been dumped on the site 
some years previously. In normal operations, the removal of the affected soil would eliminate this anomaly. 
It is readily apparent that all other anomalies likely to result form the presence of UXO have been removed. The 
assurance  that the  area  is  free  of  UXO  contamination  is  therefore  a  confident  one,  based  as  it  is  on  verifiable, 
documented  evidence.  By  employing  the  most  sensitive  and  capable  system  available  in  the  world  today,  the 
land can then by safely put to a wide variety of uses. 

17

background image

 

 

 

CONCLUSIONS 

Because the analogue magnetometers used in the past for ordnance location do not record data, there is 
no  way  of  demonstrating  that  the  search  was  effective  or  diligently  performed.    The  use  of  these 
locators in peacetime could be deemed negligent in court 

Vertical difference or gradiometer type locators are inherently less sensitive to anomalies from buried 
UXO than are total field intensity instruments. 

In areas of very low geological magnetic noise, the depth to which a given target may be detected with 
a  TM-4  is  about  5  times  greater  than  that  using  an  analogue  system,  and  up  to  3.5  times  greater  than 
when using the CAST system. 

In magnetically noisy areas, the depth to which a target may be detected with a TM-4 must always be 
more than 1.5 times greater than when using an analogue system, and it may be several times more by 
virtue of the use of digital signal enhancement.  The detection depth using the TM-4 is up to 2.5 times 
greater than that when using the CAST system in these conditions. 

In all noise situations, the depth to which exploration for a given size of target has been effective, can 
only be quantitatively defined from digital data. 

The  TM-4  coverage  rate  of  four  hectares  per  day  on  foot  (and  very  much  more  where  vehicle  access 
permits) is serval times greater than can be achieved with either the CAST or analogue systems. 

Computer  aided  interpretation  of  image  processed;  digital  data  can  take  place  in  a  favourable 
environment  and  involve  input  from  the  experience  of  more  than  one  operator.    In  other  words,  the 
interpretation  is  not dependent  upon  the  concentration  of a  single  field operator who may  be  working 
under adverse conditions. 

A  permanent,  digital  record  of  the  search  data  (before  and  after  clearance  if  required)  provides 
verification of the thoroughness and effectiveness of the search. 

The confidence level at which UXO can be considered all to have been detected and removed can be 
specified.  The  search  depth  to  which  such  confidence  applies  varies  with  projectile  size  and  local 
geological conditions but in each search area the assurance level can be quantitatively defined by way 
of a single graph. 

18

background image

 

 

 

Figure 7

An  isoplot  image  of  magnetic  anomalies  measured  with  a  TM-4  magnetometer  over  a  five  inch  rocket 
head (largest anomaly) and four BDU-33 practice bombs buried at two metres depth. One BDU-33 was 
oriented N-S, one E-W and tow were vertical. 

19

background image

 

 

 

Figure 8 

An Isoplot of magnetic anomalies measured with a TM-4 magnetometer over a contaminated World War 
II artillery range 

20

background image

 

 

Figure 9. 

 

A colour representation of the area within a World War II artillery range shown at 

 

 

Figure 8 after image processing the data  

21

background image

 

 

Figure 10.  An  Isoplot showing  a  TM-4 record after a contaminated area had been cleared. The only anomalies remaining 

were confirmed to be due to residual rust flakes shed from a car body dumped on the site many years ago. 

Modern analog magnetometer "anomaly"

Ukrainian magnetometer is not inferior to Western counterparts - a pedestrian magnetometer "anomaly" is a precision 

magnetic field and measuring devices such as portable and designed to measure the absolute value of the Earth's 
magnetic field. The main application area - high-performance terrestrial magnitorazvedochnyh work, carrying 
out pedestrian ground magnetic survey, the search of magnetic anomalies (with the possibility of accumulation 
of the results for further processing on the computer), including in difficult climatic conditions.

Search features:
Car (1 ton) of 10 m.
Ship (1000 tons) 30 m.
Pistol 1 m.
Tube (30 cm) 6 pm

http://250.org.ua/news.php

?extend.51

http://propribor.org.ua/shop/UID

_333.html