非线性结点探测器

文/何昌见 钟鑫

非线性结点探测器

文/何昌见 钟鑫

在公安领域，微波无毁伤探测技术通常用于探测地下及建筑物里面具有微波散射特性的违禁品，也可以用于探测任何分层媒质中的电子引爆装置。根据发射、接收方式微波无毁伤探测技术可以分为主动式探测和被动式探测，根据穿透分层结构的深度可以分为墙体浅表和穿墙两种，根据使用功能可以分为目标物质属性鉴别和目标成像两种。主动式的物质探测技术的代表产品就是非线性结点探测器，被动式的微波探测技术的代表产品是扫频仪。成像类的两大代表产品是穿墙雷达和浅表成像雷达。这四大核心产品的应用场合和背景不同，可以相互补充形成一套完整的反恐排爆手段。非线性结点以其主动探测、被探测目标无需处于工作状态、使用简便、实战性强等特点，成为反恐处突的首选微波探测类警用装备。

非线性结点探测器是应用半导体PN结非线性散射原理，通过探测目标结点散射的谐波，探测和定位电子违禁物的仪器。非线性结点探测器最早出现在20世纪六七十年代，起初美国军方使用非线性结点探测器来探测金属目标，比如埋于地下的地雷。英国、俄罗斯等国也在这方面开展了深入的研究工作，而我国从20世纪80年代开始对这方面开展研究工作。非线性结点探测器应用场合广泛，具体应用有监狱违禁品检查、公共场合电子爆炸物排查、重要会议场所密拍、密录设备检查等。

国外产品发展情况

目前世界上被广泛使用的非线性结点探测器的设计和生产主要集中在美国、俄罗斯和英国等国家。美国ORION公司的ORION24和NJE-4000，俄罗斯的NR系列、Lornet系列以及LUX、Katran、英国的HAWK系列等。NJE-4000频率范围为880MHz～1005 MHz。发射机和接收机共用圆形极化天线。俄罗斯的NR-900PM于1992年问世，2001年NR-900EK“鸢”问世。与美国和俄罗斯其他系列的非线性结点探测器相比，Lornet24非线性结点探测器的外观结构有很大不同，主要是天线单元的外形不再是传统的圆形，而是长方形。Lornet36的发射频率没有采用大多数非线性结点探测器使用的频率，而是在超高频3581.5 MHz～3607.5 MHz之间。本世纪英国购买了NR-900EK的技术，之后相继推出了FAW-3000、FAH-450和FAK-HDI三款非线性结点探测器。图1是俄罗斯的NR系列，图2是美国ORION公司的系列产品，图3是英国的HAWK系列，可以看出国外产品在工业设计方面有着自己独到的品牌特色，每个国家的产品都有自己的设计理念，俄罗斯的产品普遍具有高功率的特点，美国ORION公司的产品在工业设计理念上独树一帜，其具有可折叠性和便携性好。英国HAWK公司采用了外接延长杆的方式来代替产品的折叠滑环结构，整机供电电源在机身后方，具有续航能力强的特点。

图1 俄罗斯的NR系列及Lornet24

图2 美国ORION公司的ORION24及NJE4000

图3 英国的HAWK系列

国内非线性结点探测器的研究情况

国内关于非线性结点探测器的研究主要集中在硬件系统构成和探测原理，主要研究内容包括非线性目标特性、非线性目标模型、单频谐波探测器、双频谐波探测器、谐波探测器雷达方程以及谐波探测系统参数设计分析等方面。其中比较有代表性的单位有南京理工大学、中国电子科技集团公司第50研究所、公安部第一研究所等单位，图4是国产的非线性结点探测器。

图4 国产非线性结点探测器

从我国爆炸物恐怖袭击事件的发展趋势来看，犯罪分子的隐蔽手段日益复杂，公安一线对抗日益激烈，攻和防这一矛盾的演化也越来越突出，电子爆炸物探测技术正朝着多种模式复合使用的方向发展。非线性结点探测器作为一种能够识别违禁品属性的安检排爆探测装备依然有很大的发展空间，其中电磁逆散射理论为其注入了新的活力。利用电磁波照射目标产生散射回波，在包含散射目标信息的散射回波中，利用散射目标的先验知识，经过适当的数学处理后提取散射目标的电参数特性，如目标的外形轮廓、尺寸、位置、电参数特性等。电磁逆散射问题的研究能使人们不用直接接触目标就能获得所需要的目标信息。我国公安需求推动导体目标电磁逆散射问题的研究，各种公安一线任务，如电子爆炸物探测、密拍密录设备探测、监狱违禁通话设备探测等为导体目标电磁逆散射研究提供了广阔的用武之地。微波成像技术和谐波散射理论的结合，可以让未来的非线性结点探测器既识别出目标的外形，也能识别出目标的属性，这样将大大提高其目标识别的能力。

非线性结点探测器的技术发展趋势

非线性结点探测器作为一种公共安全领域的无毁伤探测技术，从最初阶段的各公安厅及各大队的试用，到目前成为一种安检领域的常规探测手段，取得了长足的进步，整个市场也随着标准的推行而变得规范。非线性结点探测技术没有停止发展，在几个重要技术环节依然在不断进步，主要体现在以下几个方面。

（1）发射功率更贴合实战需求：在很长一段时间里，非线的操作人员不注重使用安全，一味地追求大功率非线性探测设备，这种大功率探测设备对操作人员的身体造成极大的伤害，目前一线操作人员使用的非线性探测设备，一般会考虑作业安全问题，不建议使用大功率。

（2）高增益天线：在发射功率有限的情况下，为了提高整个系统的探测性能，往往才用提高天线增益的方式来提高探测性能，如分形天线、阵列天线、背腔螺旋天线等新型天线技术。随着微波天线技术的发展，多种新型天线被应用到非线性结点探测器上，比较典型的有超宽带天线、波导缝隙天线、薄膜天线、共形天线。这些技术的使用使得非线性结点探测器天线的电讯和结构性能得到了均衡优化。

（3）复合波与组合波的应用，非线性结点探测器在发射体制上有多种方法，例如单频模式和双频模式。单频模式通过发射机发射基波f0，经过非线性目标再辐射后经接收机接收2次谐波2f0和3次谐波3f0。单频模式的非线性结点探测器结构简单，未来的非线性结点探测器可采用双频模式。双频模式下，非线性结点探测器采用两个不同的发射频率f1和f2，接收组合波f1+f2和2f1+f2（也可以是f1+2f2）来辨别目标的真伪。

（4）无结点技术：非线性结点探测器接收机中，传输线接头、滤波器接头等都存在潜在的“结点”。在传播微波功率时，有可能产生寄生的谐波及组合波。这对提高接收机的信噪比不利。如何消除这些潜在的结点是非线性结点探测器未来需要解决的一个重要问题。

（5）电磁屏蔽技术：任何微波探测系统中电磁屏蔽技术都是关键，非线性结点探测器也不例外。高灵敏度的非线性结点探测器对电磁屏蔽技术提出了新的要求。目前对这些问题国内外都在研究，随着这些技术的突破，非线性结点探测器必然有更大的应用前景。

（6）高集成信号传输网络：研制高集成信号传输网络是适应非线性结点探测器集成化、小型化和轻量化发展趋势的重要手段。基于复杂信号综合电路设计、三维微波电路设计和微波多层印制板制造等关键技术，可将高度集成信号传输网络设计成多层印制板形式，以多层板内的垂直互连代替传统天线阵面中的外部电缆连接，实现有引线阵面向无引线阵面的变革，最大限度地降低天线阵面的体积和质量，并最终从系统层面提高非线性结点探测器的可靠性。

（7）微波部件工艺技术：微波部件的接地、匹配和隔离等问题都会显著影响非线性结点探测器的整体性能。因此，相关的微波设计对微波部件的工艺提出了很高的要求，如电路基板或模块的接地、模块间的配合和连接、元器件安装位置、元器件引脚长度、焊点位置和形状等。非线性结点探测器的微波部件制造工艺复杂，研制生产技术难度大，因此，微波部件的工艺集成是探测器研制中的核心技术基础和必要物质保障。

（8）微波分析与测量技术：非线性结点探测技术研究中的微波分析，就是指使用微波技术的理论将微波部件分为各个层次、部分、方面，分别加以考察和认识的活动。当前的微波技术分析工作大都基于计算机辅助。微波测量则是指利用合适的工具和方法，获取特定条件下微波部件的某种参数属性上的数据量值。当测量结果和设计分析的结果能够互相印证时，说明设计是成功的。当两者不一致时，应加以科学分析，以便寻找到产生问题的原因，进而解决问题。

非线性结点探测器的前沿技术

警察在使用非线性节点探测器对爆炸物电子引爆装置进行探测时，时常存在误报和误触发的现象，进而造成判断目标是金属结目标还是半导体目标时发生错误，影响了安检排爆人员的作业效率。当目标上的信号功率过强时甚至可能触发电子爆炸装置，会威胁使用者的生命。如何将非线性节点探测器的发射功率按照使用者的意图进行步进调节、将发射功率控制在有效的范围内、如何提高探测器的接收灵敏度、提高识别能力、如何提高探测器的谐波抑制比，是非线性节点探测器研发中几个关键的技术问题，在这几个关键技术的基础上又衍生出了几种前沿的发展方向，具体方向如下。

（1）非线性结点探测器层析成像技术：层析成像将是非线性结点探测器探测的一个很好的辅助识别手段。层析成像在非线性结点探测器中应用的特点是波不再是直线传播的，而是要考虑衍射和散射效应，理论分析和模型建立必须通过较为复杂的矢量或者标量波动方程。绝大多数的目标探测不再使用透射方法，其成像机理用的是测量被探测目标对电磁波的散射或衍射分量，而后再反演求逆，得到目标函数，重建目标图像。非线性结点探测器层析成像技术是一个有价值的飞跃，可以对探测目标任意成像，其中关键的步骤是图像重建，如果有新的模型理论和图像重建技术，层析成像还会有更大的进展，它也为非线性结点探测器目标识别提供了坚实的理论基础和技术依据。

（2）阶梯频率技术：当使非线性结点探测器搜寻地下深埋的电子爆炸物时，可能会面临着目标埋入高损耗介质的地下掩体里面的情况，也就是雷达信号的穿透深度的问题。常见的工作环境，如土壤、冰等普通媒质，它们的物理特性都很清楚地显示出其衰减量将随着工作频率的提高而迅速增加。为了增加穿透深度必须减小工作频率，降低对目标分辨力的要求。阶梯频率雷达就是为了协调探测中穿透深度和分辨力之间的矛盾而提出的技术措施。阶梯频率探地雷达又称SFR。它的工作频段既有高频率，又有低频率。阶梯频率探地雷达的设计制式有各种不同的方案，其主要特点是因为使用了低工作频段，所以有较深的穿透深度；因为使用了高工作频段，所以有较高的分辨力；因为使用了宽带工作频率，可以适应各种大小的探测目标，并对媒质色散有补偿能力。

（3）数字信号处理技术：为了确保爆炸物检查工作能在安全的条件下进行，非线性探测技术的准确率和安全性就尤为重要，利用数字信号处理技术提高非线性探测器性能的方法有很多，具体到每种方法的有效性，除了取决于算法本身与硬件实现方法也有很大关系，天线收发开关的选择、接收机保护器的选择、射频衰减器的选择、腔体滤波器的调试等技术都会直接影响到非线性节点探测器的探测率和虚警率。非线性结点探测器在硬件层面设计上，可以采用数字阵列设计，信号收发均采用数字波束形成技术，其收发均没有传统的波束形成网络等器件，系统架构简洁，具有很强的自适应性。

随着公安电子爆炸物探测手段向信息化、智能化转变，全方位、立体化的探测手段是一线反恐处突的基础，但现有的探测手段还不能做到违禁品信息的完全透明。安检排爆要求能准确、及时地确定可疑物品的物质属性特征，及时部署排爆工作，但是很难在各种特殊条件下探测并识别采用隐蔽技术、伪装手段及掩埋技术的爆炸物和违禁品。因此，深入研究破除目标的伪装技术实现特征信号的高探测性，增强目标的探测与识别能力，提高产品的战绩指标，才能使特警在反恐中处于优势，提高生存和反突发事件能力，更好地发挥警用装备的作战效能。

国外同类研究机构比我国非线性结点探测器在研发方面具有优势，国内外产品的战绩指标均满足实战的要求。与国内的非线性研发生产机构相比，国外企业在半导体元器件选型方面具有明显的优势，因为高频段的功放等器件依然处于对中国限制销售的状态。被动式扫频仪、浅表成像雷达等装备的探测能力将会是非线性结点探测器的一个补充，所以在现场环境允许、任务执行时间充足的情况下，主动式与被动式的复合探测将会是将来的一个发展方向。尽管非线性结点探测器的基础理论和基础技术已日趋成熟，然而非线性结点探测器的电磁环境日益复杂，非线性结点探测器的环境适应性已成为评估其系统性能的核心内容。随着射频技术和数字信号处理技术的迅速发展，非线性结点探测技术正在不断更新，新型非线性结点探测器必将相继问世。■