文/何昌見 鐘鑫

非線性結(jié)點(diǎn)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(dòng)式探測和被動(dòng)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(biāo)物質(zhì)屬性鑒別和目標(biāo)成像兩種。主動(dòng)式的物質(zhì)探測技術(shù)的代表產(chǎn)品就是非線性結(jié)點(diǎn)探測器，被動(dòng)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(dá)和淺表成像雷達(dá)。這四大核心產(chǎn)品的應(yīng)用場合和背景不同，可以相互補(bǔ)充形成一套完整的反恐排爆手段。非線性結(jié)點(diǎn)以其主動(dòng)探測、被探測目標(biāo)無需處于工作狀態(tài)、使用簡便、實(shí)戰(zhàn)性強(qiáng)等特點(diǎn)，成為反恐處突的首選微波探測類警用裝備。

非線性結(jié)點(diǎn)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(biāo)結(jié)點(diǎn)散射的諧波，探測和定位電子違禁物的儀器。非線性結(jié)點(diǎn)探測器最早出現(xiàn)在20世紀(jì)六七十年代，起初美國軍方使用非線性結(jié)點(diǎn)探測器來探測金屬目標(biāo)，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(jì)80年代開始對這方面開展研究工作。非線性結(jié)點(diǎn)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(huì)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(diǎn)探測器的設(shè)計(jì)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(jī)和接收機(jī)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(diǎn)探測器相比，Lornet24非線性結(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(jì)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(diǎn)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(jì)方面有著自己獨(dú)到的品牌特色，每個(gè)國家的產(chǎn)品都有自己的設(shè)計(jì)理念，俄羅斯的產(chǎn)品普遍具有高功率的特點(diǎn)，美國ORION公司的產(chǎn)品在工業(yè)設(shè)計(jì)理念上獨(dú)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(jī)供電電源在機(jī)身后方，具有續(xù)航能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

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(diǎn)探測器的研究情況

國內(nèi)關(guān)于非線性結(jié)點(diǎn)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(biāo)特性、非線性目標(biāo)模型、單頻諧波探測器、雙頻諧波探測器、諧波探測器雷達(dá)方程以及諧波探測系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)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(tuán)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(diǎn)探測器。

圖4 國產(chǎn)非線性結(jié)點(diǎn)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(diǎn)探測器作為一種能夠識(shí)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(biāo)產(chǎn)生散射回波，在包含散射目標(biāo)信息的散射回波中，利用散射目標(biāo)的先驗(yàn)知識(shí)，經(jīng)過適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)處理后提取散射目標(biāo)的電參數(shù)特性，如目標(biāo)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(biāo)就能獲得所需要的目標(biāo)信息。我國公安需求推動(dòng)導(dǎo)體目標(biāo)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(biāo)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(diǎn)探測器既識(shí)別出目標(biāo)的外形，也能識(shí)別出目標(biāo)的屬性，這樣將大大提高其目標(biāo)識(shí)別的能力。

非線性結(jié)點(diǎn)探測器的技術(shù)發(fā)展趨勢

非線性結(jié)點(diǎn)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(duì)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(jìn)步，整個(gè)市場也隨著標(biāo)準(zhǔn)的推行而變得規(guī)范。非線性結(jié)點(diǎn)探測技術(shù)沒有停止發(fā)展，在幾個(gè)重要技術(shù)環(huán)節(jié)依然在不斷進(jìn)步，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）發(fā)射功率更貼合實(shí)戰(zhàn)需求：在很長一段時(shí)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(huì)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(gè)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(jī)發(fā)射基波f0，經(jīng)過非線性目標(biāo)再輻射后經(jīng)接收機(jī)接收2次諧波2f0和3次諧波3f0。單頻模式的非線性結(jié)點(diǎn)探測器結(jié)構(gòu)簡單，未來的非線性結(jié)點(diǎn)探測器可采用雙頻模式。雙頻模式下，非線性結(jié)點(diǎn)探測器采用兩個(gè)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(biāo)的真?zhèn)巍?/p>

（4）無結(jié)點(diǎn)技術(shù)：非線性結(jié)點(diǎn)探測器接收機(jī)中，傳輸線接頭、濾波器接頭等都存在潛在的“結(jié)點(diǎn)”。在傳播微波功率時(shí)，有可能產(chǎn)生寄生的諧波及組合波。這對提高接收機(jī)的信噪比不利。如何消除這些潛在的結(jié)點(diǎn)是非線性結(jié)點(diǎn)探測器未來需要解決的一個(gè)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(diǎn)探測器也不例外。高靈敏度的非線性結(jié)點(diǎn)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(diǎn)探測器必然有更大的應(yīng)用前景。

（6）高集成信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)：研制高集成信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)是適應(yīng)非線性結(jié)點(diǎn)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(hào)綜合電路設(shè)計(jì)、三維微波電路設(shè)計(jì)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(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)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(shí)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(diǎn)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(huì)顯著影響非線性結(jié)點(diǎn)探測器的整體性能。因此，相關(guān)的微波設(shè)計(jì)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(diǎn)位置和形狀等。非線性結(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(gè)層次、部分、方面，分別加以考察和認(rèn)識(shí)的活動(dòng)。當(dāng)前的微波技術(shù)分析工作大都基于計(jì)算機(jī)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(dāng)測量結(jié)果和設(shè)計(jì)分析的結(jié)果能夠互相印證時(shí)，說明設(shè)計(jì)是成功的。當(dāng)兩者不一致時(shí)，應(yīng)加以科學(xué)分析，以便尋找到產(chǎn)生問題的原因，進(jìn)而解決問題。

非線性結(jié)點(diǎn)探測器的前沿技術(shù)

警察在使用非線性節(jié)點(diǎn)探測器對爆炸物電子引爆裝置進(jìn)行探測時(shí)，時(shí)常存在誤報(bào)和誤觸發(fā)的現(xiàn)象，進(jìn)而造成判斷目標(biāo)是金屬結(jié)目標(biāo)還是半導(dǎo)體目標(biāo)時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤，影響了安檢排爆人員的作業(yè)效率。當(dāng)目標(biāo)上的信號(hào)功率過強(qiáng)時(shí)甚至可能觸發(fā)電子爆炸裝置，會(huì)威脅使用者的生命。如何將非線性節(jié)點(diǎn)探測器的發(fā)射功率按照使用者的意圖進(jìn)行步進(jìn)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(shí)別能力、如何提高探測器的諧波抑制比，是非線性節(jié)點(diǎn)探測器研發(fā)中幾個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問題，在這幾個(gè)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(diǎn)探測器層析成像技術(shù)：層析成像將是非線性結(jié)點(diǎn)探測器探測的一個(gè)很好的輔助識(shí)別手段。層析成像在非線性結(jié)點(diǎn)探測器中應(yīng)用的特點(diǎn)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(biāo)量波動(dòng)方程。絕大多數(shù)的目標(biāo)探測不再使用透射方法，其成像機(jī)理用的是測量被探測目標(biāo)對電磁波的散射或衍射分量，而后再反演求逆，得到目標(biāo)函數(shù)，重建目標(biāo)圖像。非線性結(jié)點(diǎn)探測器層析成像技術(shù)是一個(gè)有價(jià)值的飛躍，可以對探測目標(biāo)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(huì)有更大的進(jìn)展，它也為非線性結(jié)點(diǎn)探測器目標(biāo)識(shí)別提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)依據(jù)。

（2）階梯頻率技術(shù)：當(dāng)使非線性結(jié)點(diǎn)探測器搜尋地下深埋的電子爆炸物時(shí)，可能會(huì)面臨著目標(biāo)埋入高損耗介質(zhì)的地下掩體里面的情況，也就是雷達(dá)信號(hào)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(biāo)分辨力的要求。階梯頻率雷達(dá)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(dá)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(dá)的設(shè)計(jì)制式有各種不同的方案，其主要特點(diǎn)是因?yàn)槭褂昧说凸ぷ黝l段，所以有較深的穿透深度；因?yàn)槭褂昧烁吖ぷ黝l段，所以有較高的分辨力；因?yàn)槭褂昧藢拵Чぷ黝l率，可以適應(yīng)各種大小的探測目標(biāo)，并對媒質(zhì)色散有補(bǔ)償能力。

（3）數(shù)字信號(hào)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(jìn)行，非線性探測技術(shù)的準(zhǔn)確率和安全性就尤為重要，利用數(shù)字信號(hào)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(shí)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(jī)保護(hù)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(huì)直接影響到非線性節(jié)點(diǎn)探測器的探測率和虛警率。非線性結(jié)點(diǎn)探測器在硬件層面設(shè)計(jì)上，可以采用數(shù)字陣列設(shè)計(jì)，信號(hào)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(qiáng)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(zhǔn)確、及時(shí)地確定可疑物品的物質(zhì)屬性特征，及時(shí)部署排爆工作，但是很難在各種特殊條件下探測并識(shí)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(biāo)的偽裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)特征信號(hào)的高探測性，增強(qiáng)目標(biāo)的探測與識(shí)別能力，提高產(chǎn)品的戰(zhàn)績指標(biāo)，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(jī)構(gòu)比我國非線性結(jié)點(diǎn)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(biāo)均滿足實(shí)戰(zhàn)的要求。與國內(nèi)的非線性研發(fā)生產(chǎn)機(jī)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?yàn)楦哳l段的功放等器件依然處于對中國限制銷售的狀態(tài)。被動(dòng)式掃頻儀、淺表成像雷達(dá)等裝備的探測能力將會(huì)是非線性結(jié)點(diǎn)探測器的一個(gè)補(bǔ)充，所以在現(xiàn)場環(huán)境允許、任務(wù)執(zhí)行時(shí)間充足的情況下，主動(dòng)式與被動(dòng)式的復(fù)合探測將會(huì)是將來的一個(gè)發(fā)展方向。盡管非線性結(jié)點(diǎn)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(diǎn)探測器的電磁環(huán)境日益復(fù)雜，非線性結(jié)點(diǎn)探測器的環(huán)境適應(yīng)性已成為評(píng)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(hào)處理技術(shù)的迅速發(fā)展，非線性結(jié)點(diǎn)探測技術(shù)正在不斷更新，新型非線性結(jié)點(diǎn)探測器必將相繼問世?！?/p>