李彥旭，徐立新，趙不賄

(1.江蘇大學電氣信息工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212013;2.北京理工大學 機電學院，北京100081)

0 引言

靜電探測技術(shù)是一種通過檢測目標周圍空間靜電場的電參數(shù)來獲得目標信息的新型探測方法。根據(jù)產(chǎn)生靜電場的不同，靜電探測技術(shù)可分為被動式和主動式兩類［1，2］。凡利用目標產(chǎn)生的靜電場探測目標的稱為被動式靜電探測技術(shù);若靜電場由探測器產(chǎn)生，通過目標出現(xiàn)時對這一靜電場產(chǎn)生的擾動來獲取目標信息的稱為主動式靜電探測技術(shù)。被動式靜電探測技術(shù)隱蔽性高、抗干擾能力強，但僅能對帶電目標進行探測;主動式靜電探測技術(shù)受氣象條件影響小，對任何目標都可以進行探測［3］。

本文通過對主動式靜電探測技術(shù)的研究，提出了通過檢測電流來獲取目標位置的一種方法，并通過理論推導和仿真進行了驗證。

1 主動式靜電探測非帶電目標時的電流表達式

點電荷q位于半徑為a的探測球O1外，與球心距離d，q將在O1上產(chǎn)生感應(yīng)電荷，探測球外的靜電場則由點電荷和感應(yīng)電荷共同產(chǎn)生，當半徑為b的非帶電目標球O2(與q距離為r)以速度v向O1運動時將會對靜電場產(chǎn)生擾動，如圖1所示。主動式靜電探測系統(tǒng)正是通過檢測靜電場的變化來獲取目標的信息。

圖1 主動式靜電探測非帶電體目標原理圖Fig 1 Principle diagram of active electrostatic detecting uncharged target

為了便于描述，設(shè)qi(i=1，2，3…)表示探測球O1內(nèi)的鏡像電荷，其與球心的距離用di(i=1，2，3…)表示，q'i(i=1，2，3…)表示目標球O2內(nèi)的鏡像電荷，其與球心的距離用 ri(i=1，2，3…)表示。

根據(jù)鏡像電荷法和各鏡像電荷的幾何位置關(guān)系［4，5］，可以得到

則探測球O1上感應(yīng)的總電荷量Q和電流i分別為

式(6)即為探測非帶電目標的電流表達式，探測球上感應(yīng)的電流i與點電荷的電量q，球O1的相對運動速度v，點電荷與探測球O1，目標O2的距離d，r以及O1，O2的半徑a，b有關(guān)。其中，q，a，b和 d可認為是常量，因此，通過檢測該電流的大小就可獲得不同交會速度時的目標距離信息。

2 主動式靜電探測帶電目標時的電流表達式

當帶電目標與探測球O1的距離r在O1半徑a的10倍以上時，該目標可視作點電荷來進行分析，探測原理圖如圖2所示。

圖2 主動式靜電探測帶電點目標原理圖Fig 2 Principle diagram of active electrostatic detecting charged point target

則感應(yīng)電流i為

由式(8)可知，此時探測球上感應(yīng)的電流i與目標的帶電量Q'、探測球半徑a、目標與探測器的距離r及相對速度v有關(guān)，而與場源的電荷量無關(guān)。

3 主動式靜電探測仿真分析

在Maxwell 3D中建立主動式靜電探測系統(tǒng)模型［6］，半徑為3 cm的帶電球模擬點電荷，半徑為10，15 cm的導體球模擬探測電極和目標，如圖3所示。通過給點電荷球施加電壓的方式來模擬點電荷電場。圖4(a)為未引入目標球時，探測球上的場強分布，圖4(b)為引入目標球后，探測球上的場強分布。

圖3 主動式靜電探測系統(tǒng)模型Fig 3 System model of active electrostatic detection

由圖4可以看出:引入目標球后，探測球空間的場強分布發(fā)生了明顯的變化，且探測球周圍空間某一點處的場強幅值變小。由靜電學理論可知［5］，當探測球附近電場變化時，其電荷分布也將發(fā)生變化，因此，可以通過檢測電流的變化來進行目標探測。

圖4 引入目標球前后探測球周圍的場強分布Fig 4 E-field intensity distribution around detection ball before and after introducing target ball

當對點電荷球施加不同直流電壓，不帶電目標和帶電目標在不同距離時，探測球上的電量仿真結(jié)果如表1和圖5所示。

表1 探測球上電荷量結(jié)果Tab 1 Result of charge quantity on detection ball

圖5 探測球上的電荷量與探測距離的關(guān)系曲線Fig 5 Curves of relation between charge quantity on detection ball and detection range

4 結(jié)論

1)主動式探測技術(shù)是通過目標對探測系統(tǒng)空間場強的擾動來獲取目標的位置信息，由圖4(a)，(b)的仿真結(jié)果可以看出:引入目標前后探測球空間的場強發(fā)生了明顯的變化;

2)探測球上的電荷量隨探測距離的增大而減少，根據(jù)電流檢測電路的上限即可計算出探測距離。在圖1中設(shè)探測球O1的半徑a=5cm，目標球O2的半徑b=10cm，點電荷的電量q=1×10-9C，點電荷與O1之間的距離d=15 cm，目標的相對運動速度v=200 m/s，當檢測電路的電流上限為10 pA時，該探測系統(tǒng)的作用距離為5 m;

3)為了增加探測距離，可以通過增大探測系統(tǒng)空間場強的來加以實現(xiàn);

4)主動式靜電探測系統(tǒng)的探測距離還與目標的帶電量有關(guān)，目標所帶電量越大，探測距離也越遠;

5)圖5的曲線出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，這是由于目標球與探測球距離過近時，將出現(xiàn)體目標效應(yīng)所致。

［1］李彥旭，崔占忠，徐立新，等.基于檢測電流差式的靜電探測方法研究［J］.北京工業(yè)大學學報，2008，34(S1):92-95.

［2］李彥旭.噴流對航空器荷電影響的理論研究［D］.北京:北京理工大學，2006.

［3］Li Yanxu，Xu Lixin.Study of a novel electrostatic detection sensor［C］∥International Conference on Nano Science and Technology，ICNST2010，2010:66-69.

［4］鮑重光.靜電技術(shù)原理［M］.北京:北京理工大學，1993.

［5］劉尚和，魏光輝，劉直承，等.靜電理論與防護［M］.北京:兵器工業(yè)出版社，1999.

［6］劉國強，趙凌志，將繼婭.Ansoft工程電磁場有限元分析［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005.