非線性結(jié)點探測器

文/何昌見 鐘鑫

非線性結(jié)點探測器

文/何昌見 鐘鑫

在公安領(lǐng)域，微波無毀傷探測技術(shù)通常用于探測地下及建筑物里面具有微波散射特性的違禁品，也可以用于探測任何分層媒質(zhì)中的電子引爆裝置。根據(jù)發(fā)射、接收方式微波無毀傷探測技術(shù)可以分為主動式探測和被動式探測，根據(jù)穿透分層結(jié)構(gòu)的深度可以分為墻體淺表和穿墻兩種，根據(jù)使用功能可以分為目標物質(zhì)屬性鑒別和目標成像兩種。主動式的物質(zhì)探測技術(shù)的代表產(chǎn)品就是非線性結(jié)點探測器，被動式的微波探測技術(shù)的代表產(chǎn)品是掃頻儀。成像類的兩大代表產(chǎn)品是穿墻雷達和淺表成像雷達。這四大核心產(chǎn)品的應(yīng)用場合和背景不同，可以相互補充形成一套完整的反恐排爆手段。非線性結(jié)點以其主動探測、被探測目標無需處于工作狀態(tài)、使用簡便、實戰(zhàn)性強等特點，成為反恐處突的首選微波探測類警用裝備。

非線性結(jié)點探測器是應(yīng)用半導(dǎo)體PN結(jié)非線性散射原理，通過探測目標結(jié)點散射的諧波，探測和定位電子違禁物的儀器。非線性結(jié)點探測器最早出現(xiàn)在20世紀六七十年代，起初美國軍方使用非線性結(jié)點探測器來探測金屬目標，比如埋于地下的地雷。英國、俄羅斯等國也在這方面開展了深入的研究工作，而我國從20世紀80年代開始對這方面開展研究工作。非線性結(jié)點探測器應(yīng)用場合廣泛，具體應(yīng)用有監(jiān)獄違禁品檢查、公共場合電子爆炸物排查、重要會議場所密拍、密錄設(shè)備檢查等。

國外產(chǎn)品發(fā)展情況

目前世界上被廣泛使用的非線性結(jié)點探測器的設(shè)計和生產(chǎn)主要集中在美國、俄羅斯和英國等國家。美國ORION公司的ORION24和NJE-4000，俄羅斯的NR系列、Lornet系列以及LUX、Katran、英國的HAWK系列等。NJE-4000頻率范圍為880MHz～1005 MHz。發(fā)射機和接收機共用圓形極化天線。俄羅斯的NR-900PM于1992年問世，2001年NR-900EK“鳶”問世。與美國和俄羅斯其他系列的非線性結(jié)點探測器相比，Lornet24非線性結(jié)點探測器的外觀結(jié)構(gòu)有很大不同，主要是天線單元的外形不再是傳統(tǒng)的圓形，而是長方形。Lornet36的發(fā)射頻率沒有采用大多數(shù)非線性結(jié)點探測器使用的頻率，而是在超高頻3581.5 MHz～3607.5 MHz之間。本世紀英國購買了NR-900EK的技術(shù)，之后相繼推出了FAW-3000、FAH-450和FAK-HDI三款非線性結(jié)點探測器。圖1是俄羅斯的NR系列，圖2是美國ORION公司的系列產(chǎn)品，圖3是英國的HAWK系列，可以看出國外產(chǎn)品在工業(yè)設(shè)計方面有著自己獨到的品牌特色，每個國家的產(chǎn)品都有自己的設(shè)計理念，俄羅斯的產(chǎn)品普遍具有高功率的特點，美國ORION公司的產(chǎn)品在工業(yè)設(shè)計理念上獨樹一幟，其具有可折疊性和便攜性好。英國HAWK公司采用了外接延長桿的方式來代替產(chǎn)品的折疊滑環(huán)結(jié)構(gòu)，整機供電電源在機身后方，具有續(xù)航能力強的特點。

圖1 俄羅斯的NR系列及Lornet24

圖2 美國ORION公司的ORION24及NJE4000

圖3 英國的HAWK系列

國內(nèi)非線性結(jié)點探測器的研究情況

國內(nèi)關(guān)于非線性結(jié)點探測器的研究主要集中在硬件系統(tǒng)構(gòu)成和探測原理，主要研究內(nèi)容包括非線性目標特性、非線性目標模型、單頻諧波探測器、雙頻諧波探測器、諧波探測器雷達方程以及諧波探測系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計分析等方面。其中比較有代表性的單位有南京理工大學(xué)、中國電子科技集團公司第50研究所、公安部第一研究所等單位，圖4是國產(chǎn)的非線性結(jié)點探測器。

圖4 國產(chǎn)非線性結(jié)點探測器

從我國爆炸物恐怖襲擊事件的發(fā)展趨勢來看，犯罪分子的隱蔽手段日益復(fù)雜，公安一線對抗日益激烈，攻和防這一矛盾的演化也越來越突出，電子爆炸物探測技術(shù)正朝著多種模式復(fù)合使用的方向發(fā)展。非線性結(jié)點探測器作為一種能夠識別違禁品屬性的安檢排爆探測裝備依然有很大的發(fā)展空間，其中電磁逆散射理論為其注入了新的活力。利用電磁波照射目標產(chǎn)生散射回波，在包含散射目標信息的散射回波中，利用散射目標的先驗知識，經(jīng)過適當?shù)臄?shù)學(xué)處理后提取散射目標的電參數(shù)特性，如目標的外形輪廓、尺寸、位置、電參數(shù)特性等。電磁逆散射問題的研究能使人們不用直接接觸目標就能獲得所需要的目標信息。我國公安需求推動導(dǎo)體目標電磁逆散射問題的研究，各種公安一線任務(wù)，如電子爆炸物探測、密拍密錄設(shè)備探測、監(jiān)獄違禁通話設(shè)備探測等為導(dǎo)體目標電磁逆散射研究提供了廣闊的用武之地。微波成像技術(shù)和諧波散射理論的結(jié)合，可以讓未來的非線性結(jié)點探測器既識別出目標的外形，也能識別出目標的屬性，這樣將大大提高其目標識別的能力。

非線性結(jié)點探測器的技術(shù)發(fā)展趨勢

非線性結(jié)點探測器作為一種公共安全領(lǐng)域的無毀傷探測技術(shù)，從最初階段的各公安廳及各大隊的試用，到目前成為一種安檢領(lǐng)域的常規(guī)探測手段，取得了長足的進步，整個市場也隨著標準的推行而變得規(guī)范。非線性結(jié)點探測技術(shù)沒有停止發(fā)展，在幾個重要技術(shù)環(huán)節(jié)依然在不斷進步，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）發(fā)射功率更貼合實戰(zhàn)需求：在很長一段時間里，非線的操作人員不注重使用安全，一味地追求大功率非線性探測設(shè)備，這種大功率探測設(shè)備對操作人員的身體造成極大的傷害，目前一線操作人員使用的非線性探測設(shè)備，一般會考慮作業(yè)安全問題，不建議使用大功率。

（2）高增益天線：在發(fā)射功率有限的情況下，為了提高整個系統(tǒng)的探測性能，往往才用提高天線增益的方式來提高探測性能，如分形天線、陣列天線、背腔螺旋天線等新型天線技術(shù)。隨著微波天線技術(shù)的發(fā)展，多種新型天線被應(yīng)用到非線性結(jié)點探測器上，比較典型的有超寬帶天線、波導(dǎo)縫隙天線、薄膜天線、共形天線。這些技術(shù)的使用使得非線性結(jié)點探測器天線的電訊和結(jié)構(gòu)性能得到了均衡優(yōu)化。

（3）復(fù)合波與組合波的應(yīng)用，非線性結(jié)點探測器在發(fā)射體制上有多種方法，例如單頻模式和雙頻模式。單頻模式通過發(fā)射機發(fā)射基波f0，經(jīng)過非線性目標再輻射后經(jīng)接收機接收2次諧波2f0和3次諧波3f0。單頻模式的非線性結(jié)點探測器結(jié)構(gòu)簡單，未來的非線性結(jié)點探測器可采用雙頻模式。雙頻模式下，非線性結(jié)點探測器采用兩個不同的發(fā)射頻率f1和f2，接收組合波f1+f2和2f1+f2（也可以是f1+2f2）來辨別目標的真?zhèn)巍?/p>

（4）無結(jié)點技術(shù)：非線性結(jié)點探測器接收機中，傳輸線接頭、濾波器接頭等都存在潛在的“結(jié)點”。在傳播微波功率時，有可能產(chǎn)生寄生的諧波及組合波。這對提高接收機的信噪比不利。如何消除這些潛在的結(jié)點是非線性結(jié)點探測器未來需要解決的一個重要問題。

（5）電磁屏蔽技術(shù)：任何微波探測系統(tǒng)中電磁屏蔽技術(shù)都是關(guān)鍵，非線性結(jié)點探測器也不例外。高靈敏度的非線性結(jié)點探測器對電磁屏蔽技術(shù)提出了新的要求。目前對這些問題國內(nèi)外都在研究，隨著這些技術(shù)的突破，非線性結(jié)點探測器必然有更大的應(yīng)用前景。

（6）高集成信號傳輸網(wǎng)絡(luò)：研制高集成信號傳輸網(wǎng)絡(luò)是適應(yīng)非線性結(jié)點探測器集成化、小型化和輕量化發(fā)展趨勢的重要手段。基于復(fù)雜信號綜合電路設(shè)計、三維微波電路設(shè)計和微波多層印制板制造等關(guān)鍵技術(shù)，可將高度集成信號傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計成多層印制板形式，以多層板內(nèi)的垂直互連代替?zhèn)鹘y(tǒng)天線陣面中的外部電纜連接，實現(xiàn)有引線陣面向無引線陣面的變革，最大限度地降低天線陣面的體積和質(zhì)量，并最終從系統(tǒng)層面提高非線性結(jié)點探測器的可靠性。

（7）微波部件工藝技術(shù)：微波部件的接地、匹配和隔離等問題都會顯著影響非線性結(jié)點探測器的整體性能。因此，相關(guān)的微波設(shè)計對微波部件的工藝提出了很高的要求，如電路基板或模塊的接地、模塊間的配合和連接、元器件安裝位置、元器件引腳長度、焊點位置和形狀等。非線性結(jié)點探測器的微波部件制造工藝復(fù)雜，研制生產(chǎn)技術(shù)難度大，因此，微波部件的工藝集成是探測器研制中的核心技術(shù)基礎(chǔ)和必要物質(zhì)保障。

（8）微波分析與測量技術(shù)：非線性結(jié)點探測技術(shù)研究中的微波分析，就是指使用微波技術(shù)的理論將微波部件分為各個層次、部分、方面，分別加以考察和認識的活動。當前的微波技術(shù)分析工作大都基于計算機輔助。微波測量則是指利用合適的工具和方法，獲取特定條件下微波部件的某種參數(shù)屬性上的數(shù)據(jù)量值。當測量結(jié)果和設(shè)計分析的結(jié)果能夠互相印證時，說明設(shè)計是成功的。當兩者不一致時，應(yīng)加以科學(xué)分析，以便尋找到產(chǎn)生問題的原因，進而解決問題。

非線性結(jié)點探測器的前沿技術(shù)

警察在使用非線性節(jié)點探測器對爆炸物電子引爆裝置進行探測時，時常存在誤報和誤觸發(fā)的現(xiàn)象，進而造成判斷目標是金屬結(jié)目標還是半導(dǎo)體目標時發(fā)生錯誤，影響了安檢排爆人員的作業(yè)效率。當目標上的信號功率過強時甚至可能觸發(fā)電子爆炸裝置，會威脅使用者的生命。如何將非線性節(jié)點探測器的發(fā)射功率按照使用者的意圖進行步進調(diào)節(jié)、將發(fā)射功率控制在有效的范圍內(nèi)、如何提高探測器的接收靈敏度、提高識別能力、如何提高探測器的諧波抑制比，是非線性節(jié)點探測器研發(fā)中幾個關(guān)鍵的技術(shù)問題，在這幾個關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上又衍生出了幾種前沿的發(fā)展方向，具體方向如下。

（1）非線性結(jié)點探測器層析成像技術(shù)：層析成像將是非線性結(jié)點探測器探測的一個很好的輔助識別手段。層析成像在非線性結(jié)點探測器中應(yīng)用的特點是波不再是直線傳播的，而是要考慮衍射和散射效應(yīng)，理論分析和模型建立必須通過較為復(fù)雜的矢量或者標量波動方程。絕大多數(shù)的目標探測不再使用透射方法，其成像機理用的是測量被探測目標對電磁波的散射或衍射分量，而后再反演求逆，得到目標函數(shù)，重建目標圖像。非線性結(jié)點探測器層析成像技術(shù)是一個有價值的飛躍，可以對探測目標任意成像，其中關(guān)鍵的步驟是圖像重建，如果有新的模型理論和圖像重建技術(shù)，層析成像還會有更大的進展，它也為非線性結(jié)點探測器目標識別提供了堅實的理論基礎(chǔ)和技術(shù)依據(jù)。

（2）階梯頻率技術(shù)：當使非線性結(jié)點探測器搜尋地下深埋的電子爆炸物時，可能會面臨著目標埋入高損耗介質(zhì)的地下掩體里面的情況，也就是雷達信號的穿透深度的問題。常見的工作環(huán)境，如土壤、冰等普通媒質(zhì)，它們的物理特性都很清楚地顯示出其衰減量將隨著工作頻率的提高而迅速增加。為了增加穿透深度必須減小工作頻率，降低對目標分辨力的要求。階梯頻率雷達就是為了協(xié)調(diào)探測中穿透深度和分辨力之間的矛盾而提出的技術(shù)措施。階梯頻率探地雷達又稱SFR。它的工作頻段既有高頻率，又有低頻率。階梯頻率探地雷達的設(shè)計制式有各種不同的方案，其主要特點是因為使用了低工作頻段，所以有較深的穿透深度；因為使用了高工作頻段，所以有較高的分辨力；因為使用了寬帶工作頻率，可以適應(yīng)各種大小的探測目標，并對媒質(zhì)色散有補償能力。

（3）數(shù)字信號處理技術(shù)：為了確保爆炸物檢查工作能在安全的條件下進行，非線性探測技術(shù)的準確率和安全性就尤為重要，利用數(shù)字信號處理技術(shù)提高非線性探測器性能的方法有很多，具體到每種方法的有效性，除了取決于算法本身與硬件實現(xiàn)方法也有很大關(guān)系，天線收發(fā)開關(guān)的選擇、接收機保護器的選擇、射頻衰減器的選擇、腔體濾波器的調(diào)試等技術(shù)都會直接影響到非線性節(jié)點探測器的探測率和虛警率。非線性結(jié)點探測器在硬件層面設(shè)計上，可以采用數(shù)字陣列設(shè)計，信號收發(fā)均采用數(shù)字波束形成技術(shù)，其收發(fā)均沒有傳統(tǒng)的波束形成網(wǎng)絡(luò)等器件，系統(tǒng)架構(gòu)簡潔，具有很強的自適應(yīng)性。

隨著公安電子爆炸物探測手段向信息化、智能化轉(zhuǎn)變，全方位、立體化的探測手段是一線反恐處突的基礎(chǔ)，但現(xiàn)有的探測手段還不能做到違禁品信息的完全透明。安檢排爆要求能準確、及時地確定可疑物品的物質(zhì)屬性特征，及時部署排爆工作，但是很難在各種特殊條件下探測并識別采用隱蔽技術(shù)、偽裝手段及掩埋技術(shù)的爆炸物和違禁品。因此，深入研究破除目標的偽裝技術(shù)實現(xiàn)特征信號的高探測性，增強目標的探測與識別能力，提高產(chǎn)品的戰(zhàn)績指標，才能使特警在反恐中處于優(yōu)勢，提高生存和反突發(fā)事件能力，更好地發(fā)揮警用裝備的作戰(zhàn)效能。

國外同類研究機構(gòu)比我國非線性結(jié)點探測器在研發(fā)方面具有優(yōu)勢，國內(nèi)外產(chǎn)品的戰(zhàn)績指標均滿足實戰(zhàn)的要求。與國內(nèi)的非線性研發(fā)生產(chǎn)機構(gòu)相比，國外企業(yè)在半導(dǎo)體元器件選型方面具有明顯的優(yōu)勢，因為高頻段的功放等器件依然處于對中國限制銷售的狀態(tài)。被動式掃頻儀、淺表成像雷達等裝備的探測能力將會是非線性結(jié)點探測器的一個補充，所以在現(xiàn)場環(huán)境允許、任務(wù)執(zhí)行時間充足的情況下，主動式與被動式的復(fù)合探測將會是將來的一個發(fā)展方向。盡管非線性結(jié)點探測器的基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)技術(shù)已日趨成熟，然而非線性結(jié)點探測器的電磁環(huán)境日益復(fù)雜，非線性結(jié)點探測器的環(huán)境適應(yīng)性已成為評估其系統(tǒng)性能的核心內(nèi)容。隨著射頻技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的迅速發(fā)展，非線性結(jié)點探測技術(shù)正在不斷更新，新型非線性結(jié)點探測器必將相繼問世。■