邱兵

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

0 引言

海洋監(jiān)測(cè)是研究與開(kāi)發(fā)海洋資源的重要基礎(chǔ)，同時(shí)也是保證國(guó)土安全的重要依據(jù)。當(dāng)前在該領(lǐng)域中，海洋測(cè)量船以及調(diào)查飛機(jī)的作用不容忽視，但是隨著技術(shù)的發(fā)展，海洋浮標(biāo)正在扮演著越來(lái)越重要的角色。相對(duì)于其他海洋監(jiān)測(cè)手段，海洋浮標(biāo)檢測(cè)在自動(dòng)化、連續(xù)性以及長(zhǎng)期等方面具有良好特征表現(xiàn)，目前已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)綜合性海洋監(jiān)測(cè)的不可或缺的手段之一。就其發(fā)展而言，目前我國(guó)自主研發(fā)了多種浮標(biāo)觀測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)指定海域進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的定點(diǎn)觀測(cè)，相關(guān)技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

當(dāng)前通信領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)蓬勃發(fā)展，線數(shù)傳電臺(tái)以及各類移動(dòng)通信大量投入應(yīng)用的同時(shí)，也在開(kāi)始朝向衛(wèi)星通信系統(tǒng)緩慢過(guò)渡。這種通信技術(shù)的變遷，讓通信距離不斷延伸，從數(shù)十公里朝向更遠(yuǎn)的地方進(jìn)發(fā)，并且通信成本也在逐步得到控制。與之對(duì)應(yīng)地，對(duì)海洋浮標(biāo)的要求也越來(lái)越高，因?yàn)橥ㄐ诺陌l(fā)展，允許將浮標(biāo)放置于更遠(yuǎn)的地方，這樣自然能夠?qū)崿F(xiàn)更大范圍的監(jiān)控，但是也從客觀上對(duì)海洋浮標(biāo)提出了更高的要求。就目前的技術(shù)發(fā)展而言，海洋浮標(biāo)監(jiān)控應(yīng)當(dāng)能夠?qū)χ車录约跋嚓P(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行獲取并且傳輸，這些數(shù)據(jù)中包括離散的參數(shù)以及連續(xù)的視頻流媒體，便于實(shí)現(xiàn)時(shí)候取證調(diào)查支持[1-2]。這些浮標(biāo)的作用，不僅僅在于第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)海洋環(huán)境的變遷，更加是對(duì)海上事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行精確定位，甚至于保護(hù)國(guó)家領(lǐng)海安全的重要基礎(chǔ)。在這樣的背景之下，入侵目標(biāo)探測(cè)，對(duì)于海洋浮標(biāo)傳感器而言，就成為了不可或缺的重要職能之一。以下分別就入侵目標(biāo)探測(cè)實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)關(guān)鍵，來(lái)對(duì)海洋浮標(biāo)傳感器展開(kāi)深入分析。

1 紅外傳感器工作特征分析

紅外傳感器的作用主要是生物體，或者說(shuō)，主要聚焦在人體檢測(cè)領(lǐng)域。常規(guī)的情況下，人體會(huì)輻射出穩(wěn)定的10μm波長(zhǎng)紅外線，因此在海洋浮標(biāo)上增加熱釋電紅外傳感器，能夠?qū)ζ浔O(jiān)視范圍內(nèi)是否存在人體進(jìn)行有效探知。當(dāng)熱釋電紅外傳感器檢測(cè)范圍內(nèi)出現(xiàn)紅外輻射源的時(shí)候，熱釋電效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致傳感器內(nèi)部形成流動(dòng)電荷，并且以電信號(hào)的形式輸出。輸出的信號(hào)經(jīng)由濾波以及放大，就可以形成能夠被檢測(cè)和感知的信號(hào)。通常而言，熱釋電紅外傳感器能夠有效探測(cè)0.2μm-20μm范圍內(nèi)的波長(zhǎng)，如果想要對(duì)入侵該檢測(cè)范圍內(nèi)的人體進(jìn)行感知，則可以在設(shè)備的感光元件前面加對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)濾光片，將其他波長(zhǎng)的紅外波濾除。此種操作能夠有效識(shí)別入侵其檢測(cè)范圍的人體，并且可以適當(dāng)增加檢測(cè)范圍，濾除不良數(shù)據(jù)。實(shí)際應(yīng)用中，紅外傳感器不需要另外的發(fā)射源即可投入工作，且具有靈敏度高、控制范圍大、隱蔽性高、安裝簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[3]。

目前在我國(guó)的海洋浮標(biāo)領(lǐng)域，常用的是LHI778熱釋電紅外傳感器，這是一種可以面向變化環(huán)境實(shí)現(xiàn)良好工作的傳感器。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)的角度看，其包含了一個(gè)雙元的釋熱陶瓷元件和FET相連，并且呈現(xiàn)出高敏感度特征，且能夠?qū)囟茸兓３滞该骱偷驮肼?。通常將該型?hào)的傳感器與集成電路BISS0001保持聯(lián)系，共同工作。對(duì)于BISS0001而言，其內(nèi)部獨(dú)立的放大器能夠面向多個(gè)型號(hào)的傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)接，并且包含了雙向鑒幅器，可以有效控制干擾所帶來(lái)的影響。其電路結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖1。

圖1 紅外傳感器工作電路Fig.1 Infrared sensor operating circuit

由紅外傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)無(wú)源RC濾波之后，輸入到BISS0001第一季放大其中，并且經(jīng)由二級(jí)放大器以及雙向鑒幅器之后，將信號(hào)輸出。實(shí)際工作中，紅外傳感器大多只能覆蓋有限的面積，因此還需要在增加菲涅耳透鏡的基礎(chǔ)之上，合理安排傳感器陣列，才能獲取良好效果。

2 磁傳感器工作特征分析

用于實(shí)現(xiàn)入侵檢測(cè)的海洋浮標(biāo)傳感器，除了需要面向人體實(shí)現(xiàn)檢測(cè)以外，更重要的是要能夠?qū)崿F(xiàn)船體檢測(cè)。對(duì)于船體的檢測(cè)，目前主要用的方法是磁檢測(cè)，這是一種針對(duì)環(huán)境中存在的磁場(chǎng)數(shù)進(jìn)行分析，并且判斷鐵磁性物體以及其位置的檢測(cè)方法，主要基于磁異常信號(hào)的測(cè)量[4]。磁探測(cè)本身是一種非接觸的測(cè)量方式，并且針對(duì)性和成功率等方面都保持良好，因此在礦山、車輛以及輪船等探測(cè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

從工作原理的角度看，鐵磁性物體會(huì)在地磁場(chǎng)內(nèi)感應(yīng)出屬于其自身的新的磁場(chǎng)，從而擾亂其周圍的磁場(chǎng)分布，即磁異?，F(xiàn)象。磁傳感器的工作，正是捕捉這種磁異常信號(hào)，并且對(duì)其進(jìn)行解讀，從而確定出檢測(cè)范圍內(nèi)的鐵磁物體，并且對(duì)其進(jìn)行定位[5]。

磁傳感器種類繁多，性能也呈現(xiàn)出一定差異，但是都具有體積小功耗低的突出特征[6-7]。目前比較常見(jiàn)的小型磁傳感器，包括AMR、GMI、微磁通門(mén)、原子磁力儀以及GMR幾種。其中AMR的應(yīng)用狀況最為成熟，這一個(gè)類別的產(chǎn)品也相對(duì)更多，但是因?yàn)槠浯抛枳兓驶颈幌薅ㄔ?%以內(nèi)，因此磁阻磁傳感器的磁場(chǎng)探測(cè)能力也很難得到提升，形成了應(yīng)用界限壁壘，其分辨率通常保持在幾十nT水平上。GMI傳感器的問(wèn)題在于其核心組件的制造難度較大，但是從提及以及分辨率方面看，比AMR表現(xiàn)都要更勝一籌，其最大分辨率能夠達(dá)到15nT[8]。微磁通門(mén)大幅減小了磁通門(mén)磁芯，但是磁場(chǎng)探測(cè)靈敏度和磁噪聲的表現(xiàn)卻有所不足，因此在海洋浮標(biāo)探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用并不多，雖然其與AMR以及GMI一樣都屬于成熟技術(shù)，但是其探測(cè)能力比較有限，最大分辨率致能大道500pT水平。而GMR傳感器和原子磁力儀，從技術(shù)層面看都略有不成熟的地方，仍然有待于進(jìn)一步的發(fā)展。其中GMR傳感器相對(duì)而言更具優(yōu)勢(shì)，在功耗、提及以及可靠性方面都明顯優(yōu)于既有產(chǎn)品，但是其固有的1/f噪聲卻成為影響探測(cè)能力的重要因素[9]，因此目前的研究仍然停留在這一個(gè)方面。而原子磁力儀雖然在磁場(chǎng)探測(cè)能力方面表現(xiàn)不俗，但是其無(wú)法有效測(cè)量磁場(chǎng)方向以及磁場(chǎng)分量，并且在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及信號(hào)檢測(cè)等方面都不太成熟。

一個(gè)典型的磁傳感器與微電路連接參見(jiàn)圖2。

圖2 磁傳感器微電路連接圖Fig.2 Magnetic sensor micro-circuit connection diagram

在圖2這個(gè)例子中，選用了美國(guó)PNI的MicroMag3系列磁傳感器，這個(gè)系列中的GMI三軸磁傳感器的分辨率為15nT，測(cè)量范圍為±1100μT，具有尺寸小安裝靈活的特征。該傳感器自帶一個(gè)SPI接口，可以直接連接單片機(jī)。

3 結(jié)論

海洋探測(cè)的興起，推動(dòng)著海洋浮標(biāo)系統(tǒng)的價(jià)值日漸突出，其不僅僅成為自動(dòng)監(jiān)測(cè)海洋的有力武器，對(duì)于保證航海安全以及領(lǐng)海安全，同樣意義重大[10]。未來(lái)該領(lǐng)域的發(fā)展，會(huì)朝向更為精確的探測(cè)跟蹤，以及圖像識(shí)別的方向邁進(jìn)，并且在通信技術(shù)不斷成熟的基礎(chǔ)之上有更大作為。