化学毒剂云团被动FTIR遥测技术原理与发展现状

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(中国船舶重工集团公司第七一八研究所，河北 邯郸 056027)

化学武器中神经性毒剂具有高毒性和速杀性，很小的剂量在很短的时间内就能对人体造成很大的毒害。因而在现代战争中，为了尽量减少毒剂袭击所造成的伤亡，各军事大国都投入了大量人力财力开展化学毒剂云团遥测技术研究。

化学毒剂云团遥测技术通过探测和分析毒剂与红外辐射的相互作用信号实现毒剂成分鉴别和浓度反演。目前化学毒剂云团遥测技术主要分为主动式系统和被动式系统两种。主动式系统需要人工发射源系统具有探测距离远、探测灵敏度高等特点，主动式系统有差分吸收激光雷达(DIAL)系统和Raman激光雷达系统等。被动式系统利用自然辐射源，不需要专门的人工辐射源，具有隐蔽性好、重量轻等优点[1-2]。

被动式遥测技术又可以分为非分散红外(NDIR)技术和基于被动傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术。基于非分散红外(NDIR)技术的遥测系统其实质是一个带有窄带滤光片的红外热像仪(FLIR)，该滤光片只允许某一毒剂的特征红外辐射波段通过。在同一背景情况下，有无毒剂云团时的红外图像存在区别，通过人工观测红外图像的方式探测距离舰船数海里的毒剂云团。该系统比较适合背景比较单一的海上环境应用，结构比较简单，可与侦察红外热像仪(FLIR)系统兼容。美国海军早在20世纪60年代初就开始了研究，经过20多年的努力，研制成功了AN/KAS-1型化学战剂定向探测器(chemical warfare directional detector，CWDD)，装备于美国以及北约海军。

非分散红外NDIR遥测系统与傅里叶变换红外FTIR遥测系统相比优点是：结构简单，无运动部件，抗干扰性强。缺点如下。

1)只探测很窄的红外辐射，通光量小，探测信噪比差，探测灵敏度低，在同样毒剂浓度情况下，探测距离小于傅里叶变换红外FTIR遥测系统。

2)由于非分散红外NDIR系统是通过热红外图像反映毒剂云团，要求背景单一均匀，不易在复杂背景下使用。

3)需要专人观测，无法实现自动报警。

4)一个滤光片对应一种毒剂成分，不同的毒剂成分需要使用不同的滤光片，无法实现多组分同时测量，且不能给出毒剂浓度。

随着傅里叶变换红外(FTIR)光谱技术的发展，出现了高抗振、高稳定的干涉仪，使得傅里叶变换红外(FTIR)技术成为遥测式毒剂报警装置的主流。美国海军考虑逐渐用被动傅里叶变换红外(FTIR)光谱技术替代非分光红外(NDIR)技术。

本文主要研究化学毒剂云团被动傅里叶变换红外(FTIR)遥测技术的工作原理并总结该技术的国内外发展状况和趋势。

1 被动FTIR遥测技术原理

大部分气体分子在红外波段都具有较强的特征发射(吸收)光谱，分子红外特征光谱又称为分子指纹，可用于成分的鉴别和浓度测量，见图1。

图1 分子红外特征发射(吸收)光谱(分子指纹)

化学毒剂的特征光谱位于8～12 μm(1 250～833 cm-1)波段，见图2，此波段为大气窗口波段，受大气中的水汽和二氧化碳气体干扰较小，有利于对化学毒剂云团的红外光谱进行远距离测量。被动傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术通过测量和分析化学毒剂云团的吸收(发射)光谱实现毒剂探测，主要包括光谱测量、光谱定标和光谱定量分析(毒剂种类鉴别和浓度反演等)。

图2 几种化学毒剂红外特征光谱

1.1 光谱测量

光谱测量的核心部件是干涉仪，经典迈克尔逊干涉仪主要包括两个相互垂直的反射镜和一个分光镜，见图3。两个反射镜中一个为固定不动的定镜，另一个是可以移动的动镜，分束器具有半透明性质，可使得入射光一部分透射，一部分被反射。

图3 经典迈克尔逊干涉仪示意

动镜连续移动过程中，射向定镜和动镜的两个光束之间产生光程差，在探测器处发生干涉，通过探测器测量干涉信号。对光谱测量来说，只有交流分量具有实际意义，将其称为干涉图，用I(δ)表示，对于单色光源I(ν)其干涉图表示为

(1)

式中:I(ν)——入射光的强度；

H(ν)——修正因子；

S(ν)——波数为ν的光源修正后的光强。

对于一个宽波段红外辐射光源，其干涉图见图4，可表示为

(2)

图4 宽波段红外辐射干涉示意

对式(2)进行傅里叶变换，见图5,得到光谱S(ν)。

(3)

图5 宽波段红外辐射光谱

1.2 光谱定标

由式(3)得到的测量光谱S(ν)是红外辐射L(ν，T)在红外探测器上的电信号通过光谱定标将电信号光谱转化为辐射亮度谱[3]：

(4)

式中：m(ν)——红外探测器的光谱响应系数；

b(ν)——红外探测器的光谱偏置。

再根据普朗克公式将辐射亮度谱转化为辐射亮温谱：

(5)

式中：C1，C2——黑体常数

C1=1.191 062×10-12W·cm2/sr;

C2=1.438 786 K·cm。

1.3 光谱定量分析

1.3.1 辐射传输模型

采用三层辐射传输模型对辐射传输过程进行简便有效的分析[4]，见图6，其中T1为第一层的大气温度，t1为第一层的大气透过率；T2第二层的大气温度，t2为第二层的大气透过度。

图6 三层辐射传输模型

根据三层传输模型和比尔定律，测量光谱中表观的云团与背景之间的温差ΔT(ν)，与毒剂云团吸收引起的温差(也称为二次温差)Δ2T(ν)(见图7)之间满足如下关系。

(6)

式中：l——毒剂云团厚度，m；

Ci——云团中第i种毒剂浓度，mg/m3;

σi(ν)——第i种毒剂分子标准吸收系数。

图7 光谱中表观的辐射亮温和温差

1.3.2 毒剂种类鉴别

从式(6)可见，单一毒剂或多种毒剂吸收峰之间无重叠情况下，测量光谱中所表观的毒剂云团吸收引起的温差谱(也称为二次温差)Δ2T(ν)与毒剂分子标准吸收系数谱的结构具有一致性，可以通过相关系数鉴别毒剂种类，二次温差谱中的吸收峰与某一毒剂分子标准吸收峰之间相似性越高，两者之间的相关系数ri的绝对值就越大，云团中存在该毒剂的可能性就越大。

(7)

1.3.3 毒剂浓度计算

对于单一毒剂或多种毒剂吸收峰之间无重叠情况，根据式(6)计算毒剂浓度

(8)

(9)

1.3.4 探测限分析

由式(6)和图5可见，如果毒剂云团与背景之间的温差ΔT(ν)，毒剂云团厚度l，毒剂成分σi(ν)一定时，探测下限(探测下限越小，探测能力越高)主要由仪器噪声等效温差(NEDT)决定，当二次温差Δ2T(ν)和仪器噪声等效温差(NEDT)相等时，仪器噪声和毒剂吸收信号无法区分，此时为探测下限：

(10)

式中：ΔT0(ν)——云团与背景之间的温差；

ρ(ν)——大气散射。

可以看出探测能力与仪器噪声等效温差(NEDT)和探测距离L成反比(L越大，ρ(ν)越严重)，与毒剂云团与背景之间的温差ΔT0(ν)和毒剂分子标准吸收系数σ(ν)成正比。

1.3.5 探测距离分析

探测距离与云团尺寸d和光谱仪视场角(FOV)θ有关，见图8。

通常视场角(FOV)θ很小，探测距离可以近似表示为

(11)

图8 仪器视场角与探测距离的关系

毒剂报警装置的探测距离L受云团尺寸d的制约，在充满报警装置视场情况下，探测距离为L的云团，要求云团的尺寸最小为

d=L·θ

(12)

综合上述探测能力分析可知，毒剂报警装置的探测距离L与设置的毒剂浓度报警下限成正比。

2 被动FTIR遥测装置的基本组成

遥测式毒剂报警装置主要包括视场扫描系统、干涉仪、信号采集与控制、信号处理、光谱分析和报警显示等，见图9。

图9 遥测式毒剂报警装置主要组成框示意

视场扫描系统将不同空间方位的红外辐射导入报警装置内部，送至干涉仪进行红外辐射干涉图测量。信号采集与控制部分对红外探测器测量的电信号进行放大和采集，依据可见激光的干涉信号反馈控制动镜摆动，通过陀螺仪获取运载平台自身的俯仰角度变化，为系统提供角度参数，反馈控制扫描系统，校正运载平台自身倾斜的影响。信号处理部分通过高速24位AD板卡将采集到的信号数字化，将数字信息送至高速DSP板卡进行数字滤波、数据截断和整理，然后通过傅里叶变换将干涉图转换为离散的光谱图。光谱分析部分首先通过被动FTIR光谱定标算法将测量的相对光谱强度转换辐射亮度谱和辐射亮温谱，然后将标准光谱数据库中提供的特定温度压力、特定分辨率下的毒剂分子标准吸收系数转化为与实际测量光谱相匹配的吸收系数。通过测量光谱与标准光谱之间的相关系数分析实现毒剂种类鉴别，并采用最小二乘法反演毒剂浓度。报警显示部分用于显示毒剂种类、毒剂浓度、方位信息并进行声光报警。

3 被动FTIR遥测技术的发展现状

目前，国内外基于被动傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术的遥测式毒剂报警装置主要有美国陆军遥测式毒剂报警装置M21、美国三军联合轻型远距离化学战剂探测器JSLSCAD和德国Bruker公司遥测式大气污染红外探测器RAPID。

3.1 美国陆军遥测式毒剂报警装置M21

遥测式毒剂报警装置(remote sensing chemical agent alarm)M21是美国陆军目前正式列装的毒剂遥测装备，见图10。

图10 美国陆军遥测式毒剂报警装置M21

美军从20世纪50年代开始对该装备进行理论探讨，80年代中期完成了系统设计定型，1992年进行小批量生产，90年代末期后批量生产以供美国陆军和海军陆战队使用。M21的主要问题是其核心部件——干涉仪抗振性较差，在行驶的运载工具上无法正常工作。主要性能指标如下。

探测毒剂种类：神经性毒剂。

探测距离：大于5 km；

探测灵敏度(CL)：90 mg/m2(ΔT= 5 ℃)；

视场角：1.5°× 1.5°;

方位扫描：1 min扫描60°(7个不连续位置)。

3.2 美国三军联合轻型远距离化学战剂探测器JSLSCAD

三军联合轻型远距离化学战剂探测器(joint service lightweight standoff chemical agent detector)JSLSCAD是在M21基础上发展的第二代产品，见图11。

图11 美国三军联合轻型远距离化学战剂探测器JSLSCAD

1997年测试评估，2003年修改设计，并重新修订了测试评估计划。其采用了全新的干涉仪技术，进一步降低M21的体积、重量、功耗，改进了M21伺服控制机构，改进数据采集和模式识别算法可以适应背景快速变化的情况，这些措施提高了系统的抗振性。

JSLSCAD主要性能指标如下。

探测毒剂种类：神经性战剂；

探测距离：大于5 km;

探测灵敏度(CL)：90 mg/m2(ΔT=5 ℃);

视场角：1.7°× 1.7°;

扫描范围：方位角，n×360°,

俯仰角，-10°～50°。

3.3 德国Bruker公司遥测式大气污染红外探测器RAPID

德国Bruker公司遥测式大气污染红外探测器RAPID(remote air pollution infrared detector)是在该公司民用的傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪基础上开发的军用产品，见图12。

图12 德国Bruker公司RAPID装置和报警界面

其采用的是高抗振、高稳定的RockSolid专利干涉仪，具有极好的稳定性和抗干扰性，即使在翻转的情况下仍然能正常工作。目前，已应用于多国陆军战车、海军舰船。主要性能指标如下。

探测毒剂种类：神经性战剂；

探测距离：大于5 km；

探测灵敏度(CL)：135 mg/m2(ΔT= 1 ℃)；

视场角：1.7°× 1.7°；

扫描范围：方位角，n×360°，

俯仰角，-10°～50°。

4 结束语

化学毒剂云团被动FTIR遥测技术包括光谱学、红外物理学、分析化学、数学算法、光机设计与加工技术、红外探测技术、自动控制技术、数字信号处理技术、软件模拟仿真技术等，是一种多学科交叉综合的技术。基于此技术原理的毒剂云团遥测系统是高精密的光机电工程与复杂的数学物理算法相结合的新型毒剂探测设备，该技术国外已经较为成熟，我国对该技术的工作原理也开展了相应的研究，随着工业化的发展，很多关键的光机部件已经可以加工生产，被动FTIR遥测技术必将在环保、国防等领域发挥重要作用。

[1] 戴 杰，丁学全，王春勇，等.国外化学毒剂红外遥测系统的状态及发展方向[J].红外技术，2003，25(2)：46-56.

[2] 张记龙，聂宏斌，王志斌，等.化学战剂红外光谱遥测技术现状及发展趋势[J].中北大学学报：自然科学版，2008，29(3)：265-271.

[3] 刘志明，高闽光，刘文清，等.傅里叶变换红外光谱(FTIR)非线性多点定标方法研究[J].光谱学与光谱分析，2008，28(9)：2077-2080.

[4] 方勇华，荀毓龙.化学云团远距离被动遥测[J].红外与激光工程，1996，25(6)：42-54.

[5] LIU Zhi-ming，LIU Wen-qing，GAO Ming-kuang，et al. Retrieval algorithm of quantitative analysis of passive Fourier transform infrared (FTRD)remote sensing measurements of chemical gas cloud from Measuring the Transmisivity by passive remote Fourier transform infrared[J].Chinese Physics B，2008，17(11)：4184-4192.