艦船軍用毒劑新型監測裝備體系研究

梅建庭，白雪蓮，羅一丁

(海軍大連艦艇學院水武與防化系，遼寧 大連 116018)

0 引言

近年來，艦船在維護島礁領土主權、海洋權益，護航、維和、聯合軍演、反恐、救援和出訪等多樣化軍事任務中經常會受到化學毒劑、生物戰劑、爆炸物和工業有毒有害危險品等威脅，及時、有效和準確檢測這些物質有利于提升艦船防護能力［1－2］。艦船常規毒劑監測裝備由于受當時科學技術的制約，存在靈敏度和分辨率低，抗干擾能力弱和監測距離近等不足，難以滿足未來艦船遂行多樣化軍事任務的需求［3－5］。本文根據艦船作戰訓練的環境和當前毒劑監測領域取得的進展，提出適合艦船裝備集近距離、遙測和機載于一體的全方位毒劑預警監測裝備體系，能及時為艦船提供現場、預測預警毒劑檢測數據，為艦船及時防護和機動贏得時間。

1 艦船毒劑監測裝備作戰需求

1)廣譜、高靈敏度和分辨率。生化戰劑種類繁多、毒性大和危害途徑多，化學戰中常使用低濃度、高毒性的化學戰劑混合物，除已知毒劑外，還含有一些未知的有毒有害物質。所以，不僅要求能監測神經性、糜爛性等常見毒劑蒸氣、氣溶膠，而且能監測常見的有毒有害氣體;裝備的響應時間應在幾秒之內，最好達到實時監測。

2)遠距離監測功能。由于艦船是人員眾多的作戰平臺，長時間在生化條件下作戰訓練，需要大量防護裝備才能確保艦艇人員的安全。如果艦船能遠距離發現生化戰劑云團，可以采用機動的方式避開生化戰劑云團的危害。探測距離要求超過5 km，甚至達到10～20 km。

3)抗干擾能力強。艦船在作戰條件下，周圍環境十分復雜，發射武器彈藥產生的硝煙、橡膠、油漆等物質燃燒產生的廢氣都會對毒劑檢測裝備靈敏度產生干擾，易出現誤報漏報現象。準確率一般應在80%或更高。

4)抗復雜電磁環境的能力。艦船上裝備大量基于計算機、現代通信、觀測、人工智能和自動控制等電子裝備，使得毒劑監測裝備周圍的電磁環境極為復雜，極易引起毒劑監測裝備信號和運行基線的不穩定。

5)耐“三高”能力。艦船長期處于高溫、高濕和高鹽的環境下，毒劑監測裝備極易被腐蝕，特別是離子遷移管，需要經過特殊處理，才能防止由“三高”引起靈敏度和分辨率的降低。

6)自動化全天候監測。能在各種背景下全天候快速展開、自動完成監測工作，具備報警顯示和信息傳遞等功能。

2 常規艦船毒劑監測裝備面臨的挑戰

常規艦船毒劑監測裝備監測原理是基于離子遷移譜技術，具有靈敏度高、響應快、恢復時間短等優點，廣泛應用于艦船、公共安全中毒劑、危險品和爆炸物等檢測。常規離子遷移管原理的工作方式如圖1所示。該工作方式是對離子施加一個勻強電場，該電場一般小于1000 V/cm，利用不同離子在該電場下飛行速度的差異導致飛行時間的不同來實現對離子的分離監測。不足之處:一是離子遷移管體積大。由于采用勻強電場對離子進行分離，所以需要一個較大的勻強電場區才能實現離子的完全分離，造成離子遷移管體積過大，難以進行結構優化;二是離子利用率低。由于采用通斷離子門，引起離子的極大損耗，限制了裝備檢測靈敏度的進一步提高［5－6］。

圖1 常規離子遷移管原理Fig.1 Theory of ion mobility pipeline

1)直接吸入型離子遷移譜的不足:一是分辨率不高，關鍵部位易腐蝕。由于接收電極受幾何尺寸和數量的限制，待檢氣體直接進入漂移管，環境溫度濕度的影響都會引起分辨率的降低。艦船在“三高”環境下使用，樣品氣體直接進入裝備內部易引起精密電極、放射源等器件腐蝕。二是環境氣體影響大，誤報漏報多。艦船在作戰中環境氣體背景十分復雜，硝煙、橡膠和油漆等各種不明易燃物的燃燒廢氣在檢測器電極上的響應對計算機在毒劑的模式識別影響很大。

2)滲透膜型離子遷移譜雖然防止“三高”環境對精密電極等器件的腐蝕，但存在以下缺點:一是響應時間長，裝備復零慢。滲透膜型漂移管內部的漂移氣體與外界的空氣由硅橡膠滲透膜隔離，樣品分子需要穿過滲透膜才能使裝備有響應，滲透時間越長，響應時間越長，復零也越慢。二是溶劑有干擾。大多數油漆、潤滑脂、分子量大于150的物質易穿過硅橡膠滲透膜而引起干擾，如汽油、油煙等。三是難以監測揮發性小的毒劑。液體毒劑揮發性小，大多數毒劑分子不能直接到達滲透膜表面而無法穿過滲透膜，致使難以監測這類毒劑。

3 艦船新型毒劑監測裝備體系構建

3.1 常規毒劑監測裝備的改進

采用高場強非對稱波形離子遷移譜 (FAIMS)可對常規毒劑監測裝備進行技術升級，既可以克服常規毒劑監測裝備的不足，又可以進一步減小體積和重量，有利于研制便攜式毒劑監測裝備。FAIMS主要通過對常規毒劑監測裝備的傳感器、漂移管、電場和接收裝置等關鍵部位進行技術創新，進一步提高裝備的靈敏度、分辨率和抗干擾能力，還擴展了檢測物質的種類。

1)平板型漂移管

FAIMS漂移管目前比較成熟的技術是平板型結構，基本結構如圖2所示［7］。FAIMS離子分離技術只需要對2塊平行金屬板施加非對稱射頻電壓和補償電壓就能構成“離子濾波器”，使符合條件的某種離子通過平行金屬板，到達離子收集盤。平行平板長度、平板間寬度、非對稱高電壓波形和頻率、緩沖氣體的種類和流速等參數都對FAIMS性能有影響。該結構易用微機電系統 (MEMS)工藝加工，具有微型化、靈敏度高、檢測時間短、檢測物質廣和功耗低等特點。

圖2 FAIMS漂移管原理Fig.2 Theory of the high-field asymmetric waveform ion mobility pipeline

2)離子電流捕獲裝置

離子電流捕獲裝置為陣列式微法拉第筒，如圖3所示［8］。該方法優點:一是敏感電極采用陣列式設計，擴大了氣體與敏感電極的接觸面積。在敏感電極中形成許多分散的微氣流通道，可以破壞氣體進入敏感陣列后的穩定流場，使氣體中的離子更容易與敏感電極發生碰撞。由于載氣驅動離子從敏感電極間流過，省去了驅動電極;二是柵電極、屏蔽電極及導電側壁能夠對敏感電極進行良好的屏蔽，提高了法拉第筒的檢出限。三是離子在到達敏感電極前，會由于電磁感應而在敏感電極上形成感生電流。柵電極的存在能夠大大減小電磁感應現象，減小敏感電極上的感生電流。

圖3 陣列式微法拉第筒Fig.3 Array micro Faraday cup

3.2 遙測式毒劑監測裝備

艦艇遙測化學/生物戰劑不僅能大幅度提高艦艇的戰場生存能力，而且能充分發揮艦艇機動性好的特點，可以靈活規避化學/生物戰劑云團，為艦艇節省大量防護裝備，延長艦艇在生化條件下的作戰訓練時間，同時為艦艇防護提供足夠的準備時間［9］。

1)被動紅外遙測裝備

M21化學毒劑遙測報警系統 (RSCAA)是美軍重點發展并正式列裝的化學毒劑遙測裝備。M21遙測毒劑報警器是利用1臺自動掃描被動式紅外探測器，探測因毒劑云團的存在而引起的背景紅外輻射的變化來探測毒劑的存在與否，可探測神經性、糜爛性等常見毒劑，最遠探測距離為5 km。該系統從20世紀50年代末期開始研制，經過多年的實驗、改進、設計定型后于1990年底生產25臺套，部分在1990年“沙漠風暴”海灣戰爭中成功使用后改稱M21。美國在M21基礎上研究、發展為輕型被動紅外傳感毒劑報警器 (LSCAD)。該裝備由光學傳感器、電子模塊、數據分析/控制軟件等幾部分組成。傳感器是一種基于邁克爾遜干涉儀的紅外光譜儀，He-Ne激光器和用作干涉儀參照物的偶聯光導纖維安裝在底座上。LSCAD具有小巧、輕便和堅固耐用的特點，不僅可安裝在各種艦艇和裝甲車上，還可安裝于直升機和無人駕駛飛機上。目前還在對LSCAD進行技術升級，發展為ILSCAD。

德國布魯爾 (BRUKER)公司為德軍研究開發了RAMSIS系統。RAMSIS系統曾在兩伊戰爭中使用，并為國際生化核查組織所訂購。目前，RAMSIS系統已改稱RAPID，RAPID化學毒劑紅外遙測報警系統由主機、遠距離顯示與控制單元、專用計算機、電源和車載減震器及三腳架等組成。主機由干涉儀、紅外探測器、景物掃描器、CCD攝像器、控制和數據處理單元組成，通過RS422電纜與專用計算機連接。

2)化學毒劑紅外成像系統

美國海軍在20世紀80年代后期成功開發了AN/KAS-1型化學戰方向探測器。該系統由2種視場 (3.4°×6.8°;1.1°×2.2°)通用組件的前視紅外系統加上步進光譜濾光片和數據處理系統組成。對于神經性蒸氣云團的作用距離大于5 km，總重量為20.9 kg。根據海軍的訂貨已交付總計555臺套。

3)主動激光遙測裝備

20世紀80年初，美軍研制了一種差分吸收激光雷達 (DIAL)，光源為1只頻率可調CO2激光器，能發出9～10μm波段 (含磷神經毒劑峰值吸收波長為9.8μm)的60條譜線。DIAL的作用距離2 km，對神經毒劑的靈敏度為0.01 mg/m3，對芥子氣為0.1 mg/m3。1986年，通過技術攻關，DIAL系統的體積和重量都有所減少，探測距離增加到7 km，此監測裝備可安裝在直升機和遠程飛機上使用。目前，美國休斯飛機公司正在為美軍發展一種基于吸收原理的CO2調頻激光雷達，該激光雷達的CO2激光器可調出4種激光束用以照射監測毒劑，對蒸汽態毒劑的作用距離為5 km、對氣溶膠毒劑為1 km、對地面液態毒劑為500 m，此監測裝備可安裝在水面艦艇和直升機上。法國的DETADIS、德國的VTB－1型遙測化學戰劑傳感器都是基于CO2差分吸收激光雷達基礎上研制的。

3.3 機載式毒劑監測裝備

長期以來，人們一直希望使用較為小型的無人飛行器 (UAV)作為化學/生物探測器的先鋒，傳感器尺寸的縮小和自動化程度提高提供了可能。21世紀初，波音公司和Smiths公司聯合研制固定在無人機上的毒劑監測裝備，并取得階段性成果。2009年10月美國陸軍埃奇伍德生化中心和Smiths公司聯合宣布，成功試驗了采用無人機前端的一個傳感器檢測云中化學毒劑。Smitns公司還將輕型化學偵檢儀 (LCD)裝載在美國“捕食者”號無人機上，用于試驗和訓練已有5年以上時間。由于艦載無人機的成本低、體積小、用途廣泛、效費比高、可避免人員傷亡的特點，越來越受到各國海軍的青睞，已成為西方軍事強國追求現代戰爭“零傷亡”的理想武器。在艦載無人機上掛載化學/生物監測任務載荷，能夠快速準確監測、預測遠距離化學/生物染毒分布態勢和擴散趨勢，為艦艇編隊指揮決策機關及時有效掌握化學/生物信息，做出正確決策提供科學、有效的依據。

4 結語

艦船新型化學/生物監測裝備體系是由接觸式、遙測式和機載式化學/生物監測裝備構建，既克服了常規毒劑監測裝備的不足，又增加了遙測和遠距離監測等裝備手段。對FAIMS中漂移管和離子捕獲等關鍵部件進行研究，可以達到同時檢測多種類物質所需的靈敏度和分辨率，能滿足艦船未來遂行多樣化軍事任務所需裝備的要求。

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