化學(xué)毒劑云團(tuán)被動(dòng)FTIR遙測(cè)技術(shù)原理與發(fā)展現(xiàn)狀

，，，，，

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

化學(xué)武器中神經(jīng)性毒劑具有高毒性和速殺性，很小的劑量在很短的時(shí)間內(nèi)就能對(duì)人體造成很大的毒害。因而在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，為了盡量減少毒劑襲擊所造成的傷亡，各軍事大國(guó)都投入了大量人力財(cái)力開展化學(xué)毒劑云團(tuán)遙測(cè)技術(shù)研究。

化學(xué)毒劑云團(tuán)遙測(cè)技術(shù)通過探測(cè)和分析毒劑與紅外輻射的相互作用信號(hào)實(shí)現(xiàn)毒劑成分鑒別和濃度反演。目前化學(xué)毒劑云團(tuán)遙測(cè)技術(shù)主要分為主動(dòng)式系統(tǒng)和被動(dòng)式系統(tǒng)兩種。主動(dòng)式系統(tǒng)需要人工發(fā)射源系統(tǒng)具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、探測(cè)靈敏度高等特點(diǎn)，主動(dòng)式系統(tǒng)有差分吸收激光雷達(dá)(DIAL)系統(tǒng)和Raman激光雷達(dá)系統(tǒng)等。被動(dòng)式系統(tǒng)利用自然輻射源，不需要專門的人工輻射源，具有隱蔽性好、重量輕等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。

被動(dòng)式遙測(cè)技術(shù)又可以分為非分散紅外(NDIR)技術(shù)和基于被動(dòng)傅里葉變換紅外光譜(FTIR)技術(shù)?；诜欠稚⒓t外(NDIR)技術(shù)的遙測(cè)系統(tǒng)其實(shí)質(zhì)是一個(gè)帶有窄帶濾光片的紅外熱像儀(FLIR)，該濾光片只允許某一毒劑的特征紅外輻射波段通過。在同一背景情況下，有無毒劑云團(tuán)時(shí)的紅外圖像存在區(qū)別，通過人工觀測(cè)紅外圖像的方式探測(cè)距離艦船數(shù)海里的毒劑云團(tuán)。該系統(tǒng)比較適合背景比較單一的海上環(huán)境應(yīng)用，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，可與偵察紅外熱像儀(FLIR)系統(tǒng)兼容。美國(guó)海軍早在20世紀(jì)60年代初就開始了研究，經(jīng)過20多年的努力，研制成功了AN/KAS-1型化學(xué)戰(zhàn)劑定向探測(cè)器(chemical warfare directional detector，CWDD)，裝備于美國(guó)以及北約海軍。

非分散紅外NDIR遙測(cè)系統(tǒng)與傅里葉變換紅外FTIR遙測(cè)系統(tǒng)相比優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無運(yùn)動(dòng)部件，抗干擾性強(qiáng)。缺點(diǎn)如下。

1)只探測(cè)很窄的紅外輻射，通光量小，探測(cè)信噪比差，探測(cè)靈敏度低，在同樣毒劑濃度情況下，探測(cè)距離小于傅里葉變換紅外FTIR遙測(cè)系統(tǒng)。

2)由于非分散紅外NDIR系統(tǒng)是通過熱紅外圖像反映毒劑云團(tuán)，要求背景單一均勻，不易在復(fù)雜背景下使用。

3)需要專人觀測(cè)，無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警。

4)一個(gè)濾光片對(duì)應(yīng)一種毒劑成分，不同的毒劑成分需要使用不同的濾光片，無法實(shí)現(xiàn)多組分同時(shí)測(cè)量，且不能給出毒劑濃度。

隨著傅里葉變換紅外(FTIR)光譜技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了高抗振、高穩(wěn)定的干涉儀，使得傅里葉變換紅外(FTIR)技術(shù)成為遙測(cè)式毒劑報(bào)警裝置的主流。美國(guó)海軍考慮逐漸用被動(dòng)傅里葉變換紅外(FTIR)光譜技術(shù)替代非分光紅外(NDIR)技術(shù)。

本文主要研究化學(xué)毒劑云團(tuán)被動(dòng)傅里葉變換紅外(FTIR)遙測(cè)技術(shù)的工作原理并總結(jié)該技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r和趨勢(shì)。

1 被動(dòng)FTIR遙測(cè)技術(shù)原理

大部分氣體分子在紅外波段都具有較強(qiáng)的特征發(fā)射(吸收)光譜，分子紅外特征光譜又稱為分子指紋，可用于成分的鑒別和濃度測(cè)量，見圖1。

圖1 分子紅外特征發(fā)射(吸收)光譜(分子指紋)

化學(xué)毒劑的特征光譜位于8～12 μm(1 250～833 cm-1)波段，見圖2，此波段為大氣窗口波段，受大氣中的水汽和二氧化碳?xì)怏w干擾較小，有利于對(duì)化學(xué)毒劑云團(tuán)的紅外光譜進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)量。被動(dòng)傅里葉變換紅外光譜(FTIR)技術(shù)通過測(cè)量和分析化學(xué)毒劑云團(tuán)的吸收(發(fā)射)光譜實(shí)現(xiàn)毒劑探測(cè)，主要包括光譜測(cè)量、光譜定標(biāo)和光譜定量分析(毒劑種類鑒別和濃度反演等)。

圖2 幾種化學(xué)毒劑紅外特征光譜

1.1 光譜測(cè)量

光譜測(cè)量的核心部件是干涉儀，經(jīng)典邁克爾遜干涉儀主要包括兩個(gè)相互垂直的反射鏡和一個(gè)分光鏡，見圖3。兩個(gè)反射鏡中一個(gè)為固定不動(dòng)的定鏡，另一個(gè)是可以移動(dòng)的動(dòng)鏡，分束器具有半透明性質(zhì)，可使得入射光一部分透射，一部分被反射。

圖3 經(jīng)典邁克爾遜干涉儀示意

動(dòng)鏡連續(xù)移動(dòng)過程中，射向定鏡和動(dòng)鏡的兩個(gè)光束之間產(chǎn)生光程差，在探測(cè)器處發(fā)生干涉，通過探測(cè)器測(cè)量干涉信號(hào)。對(duì)光譜測(cè)量來說，只有交流分量具有實(shí)際意義，將其稱為干涉圖，用I(δ)表示，對(duì)于單色光源I(ν)其干涉圖表示為

(1)

式中:I(ν)——入射光的強(qiáng)度；

H(ν)——修正因子；

S(ν)——波數(shù)為ν的光源修正后的光強(qiáng)。

對(duì)于一個(gè)寬波段紅外輻射光源，其干涉圖見圖4，可表示為

(2)

圖4 寬波段紅外輻射干涉示意

對(duì)式(2)進(jìn)行傅里葉變換，見圖5,得到光譜S(ν)。

(3)

圖5 寬波段紅外輻射光譜

1.2 光譜定標(biāo)

由式(3)得到的測(cè)量光譜S(ν)是紅外輻射L(ν，T)在紅外探測(cè)器上的電信號(hào)通過光譜定標(biāo)將電信號(hào)光譜轉(zhuǎn)化為輻射亮度譜[3]：

(4)

式中：m(ν)——紅外探測(cè)器的光譜響應(yīng)系數(shù)；

b(ν)——紅外探測(cè)器的光譜偏置。

再根據(jù)普朗克公式將輻射亮度譜轉(zhuǎn)化為輻射亮溫譜：

(5)

式中：C1，C2——黑體常數(shù)

C1=1.191 062×10-12W·cm2/sr;

C2=1.438 786 K·cm。

1.3 光譜定量分析

1.3.1 輻射傳輸模型

采用三層輻射傳輸模型對(duì)輻射傳輸過程進(jìn)行簡(jiǎn)便有效的分析[4]，見圖6，其中T1為第一層的大氣溫度，t1為第一層的大氣透過率；T2第二層的大氣溫度，t2為第二層的大氣透過度。

圖6 三層輻射傳輸模型

根據(jù)三層傳輸模型和比爾定律，測(cè)量光譜中表觀的云團(tuán)與背景之間的溫差ΔT(ν)，與毒劑云團(tuán)吸收引起的溫差(也稱為二次溫差)Δ2T(ν)(見圖7)之間滿足如下關(guān)系。

(6)

式中：l——毒劑云團(tuán)厚度，m；

Ci——云團(tuán)中第i種毒劑濃度，mg/m3;

σi(ν)——第i種毒劑分子標(biāo)準(zhǔn)吸收系數(shù)。

圖7 光譜中表觀的輻射亮溫和溫差

1.3.2 毒劑種類鑒別

從式(6)可見，單一毒劑或多種毒劑吸收峰之間無重疊情況下，測(cè)量光譜中所表觀的毒劑云團(tuán)吸收引起的溫差譜(也稱為二次溫差)Δ2T(ν)與毒劑分子標(biāo)準(zhǔn)吸收系數(shù)譜的結(jié)構(gòu)具有一致性，可以通過相關(guān)系數(shù)鑒別毒劑種類，二次溫差譜中的吸收峰與某一毒劑分子標(biāo)準(zhǔn)吸收峰之間相似性越高，兩者之間的相關(guān)系數(shù)ri的絕對(duì)值就越大，云團(tuán)中存在該毒劑的可能性就越大。

(7)

1.3.3 毒劑濃度計(jì)算

對(duì)于單一毒劑或多種毒劑吸收峰之間無重疊情況，根據(jù)式(6)計(jì)算毒劑濃度

(8)

(9)

1.3.4 探測(cè)限分析

由式(6)和圖5可見，如果毒劑云團(tuán)與背景之間的溫差ΔT(ν)，毒劑云團(tuán)厚度l，毒劑成分σi(ν)一定時(shí)，探測(cè)下限(探測(cè)下限越小，探測(cè)能力越高)主要由儀器噪聲等效溫差(NEDT)決定，當(dāng)二次溫差Δ2T(ν)和儀器噪聲等效溫差(NEDT)相等時(shí)，儀器噪聲和毒劑吸收信號(hào)無法區(qū)分，此時(shí)為探測(cè)下限：

(10)

式中：ΔT0(ν)——云團(tuán)與背景之間的溫差；

ρ(ν)——大氣散射。

可以看出探測(cè)能力與儀器噪聲等效溫差(NEDT)和探測(cè)距離L成反比(L越大，ρ(ν)越嚴(yán)重)，與毒劑云團(tuán)與背景之間的溫差ΔT0(ν)和毒劑分子標(biāo)準(zhǔn)吸收系數(shù)σ(ν)成正比。

1.3.5 探測(cè)距離分析

探測(cè)距離與云團(tuán)尺寸d和光譜儀視場(chǎng)角(FOV)θ有關(guān)，見圖8。

通常視場(chǎng)角(FOV)θ很小，探測(cè)距離可以近似表示為

(11)

圖8 儀器視場(chǎng)角與探測(cè)距離的關(guān)系

毒劑報(bào)警裝置的探測(cè)距離L受云團(tuán)尺寸d的制約，在充滿報(bào)警裝置視場(chǎng)情況下，探測(cè)距離為L(zhǎng)的云團(tuán)，要求云團(tuán)的尺寸最小為

d=L·θ

(12)

綜合上述探測(cè)能力分析可知，毒劑報(bào)警裝置的探測(cè)距離L與設(shè)置的毒劑濃度報(bào)警下限成正比。

2 被動(dòng)FTIR遙測(cè)裝置的基本組成

遙測(cè)式毒劑報(bào)警裝置主要包括視場(chǎng)掃描系統(tǒng)、干涉儀、信號(hào)采集與控制、信號(hào)處理、光譜分析和報(bào)警顯示等，見圖9。

圖9 遙測(cè)式毒劑報(bào)警裝置主要組成框示意

視場(chǎng)掃描系統(tǒng)將不同空間方位的紅外輻射導(dǎo)入報(bào)警裝置內(nèi)部，送至干涉儀進(jìn)行紅外輻射干涉圖測(cè)量。信號(hào)采集與控制部分對(duì)紅外探測(cè)器測(cè)量的電信號(hào)進(jìn)行放大和采集，依據(jù)可見激光的干涉信號(hào)反饋控制動(dòng)鏡擺動(dòng)，通過陀螺儀獲取運(yùn)載平臺(tái)自身的俯仰角度變化，為系統(tǒng)提供角度參數(shù)，反饋控制掃描系統(tǒng)，校正運(yùn)載平臺(tái)自身傾斜的影響。信號(hào)處理部分通過高速24位AD板卡將采集到的信號(hào)數(shù)字化，將數(shù)字信息送至高速DSP板卡進(jìn)行數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)截?cái)嗪驼恚缓笸ㄟ^傅里葉變換將干涉圖轉(zhuǎn)換為離散的光譜圖。光譜分析部分首先通過被動(dòng)FTIR光譜定標(biāo)算法將測(cè)量的相對(duì)光譜強(qiáng)度轉(zhuǎn)換輻射亮度譜和輻射亮溫譜，然后將標(biāo)準(zhǔn)光譜數(shù)據(jù)庫(kù)中提供的特定溫度壓力、特定分辨率下的毒劑分子標(biāo)準(zhǔn)吸收系數(shù)轉(zhuǎn)化為與實(shí)際測(cè)量光譜相匹配的吸收系數(shù)。通過測(cè)量光譜與標(biāo)準(zhǔn)光譜之間的相關(guān)系數(shù)分析實(shí)現(xiàn)毒劑種類鑒別，并采用最小二乘法反演毒劑濃度。報(bào)警顯示部分用于顯示毒劑種類、毒劑濃度、方位信息并進(jìn)行聲光報(bào)警。

3 被動(dòng)FTIR遙測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外基于被動(dòng)傅里葉變換紅外光譜(FTIR)技術(shù)的遙測(cè)式毒劑報(bào)警裝置主要有美國(guó)陸軍遙測(cè)式毒劑報(bào)警裝置M21、美國(guó)三軍聯(lián)合輕型遠(yuǎn)距離化學(xué)戰(zhàn)劑探測(cè)器JSLSCAD和德國(guó)Bruker公司遙測(cè)式大氣污染紅外探測(cè)器RAPID。

3.1 美國(guó)陸軍遙測(cè)式毒劑報(bào)警裝置M21

遙測(cè)式毒劑報(bào)警裝置(remote sensing chemical agent alarm)M21是美國(guó)陸軍目前正式列裝的毒劑遙測(cè)裝備，見圖10。

圖10 美國(guó)陸軍遙測(cè)式毒劑報(bào)警裝置M21

美軍從20世紀(jì)50年代開始對(duì)該裝備進(jìn)行理論探討，80年代中期完成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)定型，1992年進(jìn)行小批量生產(chǎn)，90年代末期后批量生產(chǎn)以供美國(guó)陸軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)使用。M21的主要問題是其核心部件——干涉儀抗振性較差，在行駛的運(yùn)載工具上無法正常工作。主要性能指標(biāo)如下。

探測(cè)毒劑種類：神經(jīng)性毒劑。

探測(cè)距離：大于5 km；

探測(cè)靈敏度(CL)：90 mg/m2(ΔT= 5 ℃)；

視場(chǎng)角：1.5°× 1.5°;

方位掃描：1 min掃描60°(7個(gè)不連續(xù)位置)。

3.2 美國(guó)三軍聯(lián)合輕型遠(yuǎn)距離化學(xué)戰(zhàn)劑探測(cè)器JSLSCAD

三軍聯(lián)合輕型遠(yuǎn)距離化學(xué)戰(zhàn)劑探測(cè)器(joint service lightweight standoff chemical agent detector)JSLSCAD是在M21基礎(chǔ)上發(fā)展的第二代產(chǎn)品，見圖11。

圖11 美國(guó)三軍聯(lián)合輕型遠(yuǎn)距離化學(xué)戰(zhàn)劑探測(cè)器JSLSCAD

1997年測(cè)試評(píng)估，2003年修改設(shè)計(jì)，并重新修訂了測(cè)試評(píng)估計(jì)劃。其采用了全新的干涉儀技術(shù)，進(jìn)一步降低M21的體積、重量、功耗，改進(jìn)了M21伺服控制機(jī)構(gòu)，改進(jìn)數(shù)據(jù)采集和模式識(shí)別算法可以適應(yīng)背景快速變化的情況，這些措施提高了系統(tǒng)的抗振性。

JSLSCAD主要性能指標(biāo)如下。

探測(cè)毒劑種類：神經(jīng)性戰(zhàn)劑；

探測(cè)距離：大于5 km;

探測(cè)靈敏度(CL)：90 mg/m2(ΔT=5 ℃);

視場(chǎng)角：1.7°× 1.7°;

掃描范圍：方位角，n×360°,

俯仰角，-10°～50°。

3.3 德國(guó)Bruker公司遙測(cè)式大氣污染紅外探測(cè)器RAPID

德國(guó)Bruker公司遙測(cè)式大氣污染紅外探測(cè)器RAPID(remote air pollution infrared detector)是在該公司民用的傅里葉變換紅外(FTIR)光譜儀基礎(chǔ)上開發(fā)的軍用產(chǎn)品，見圖12。

圖12 德國(guó)Bruker公司RAPID裝置和報(bào)警界面

其采用的是高抗振、高穩(wěn)定的RockSolid專利干涉儀，具有極好的穩(wěn)定性和抗干擾性，即使在翻轉(zhuǎn)的情況下仍然能正常工作。目前，已應(yīng)用于多國(guó)陸軍戰(zhàn)車、海軍艦船。主要性能指標(biāo)如下。

探測(cè)毒劑種類：神經(jīng)性戰(zhàn)劑；

探測(cè)距離：大于5 km；

探測(cè)靈敏度(CL)：135 mg/m2(ΔT= 1 ℃)；

視場(chǎng)角：1.7°× 1.7°；

掃描范圍：方位角，n×360°，

俯仰角，-10°～50°。

4 結(jié)束語

化學(xué)毒劑云團(tuán)被動(dòng)FTIR遙測(cè)技術(shù)包括光譜學(xué)、紅外物理學(xué)、分析化學(xué)、數(shù)學(xué)算法、光機(jī)設(shè)計(jì)與加工技術(shù)、紅外探測(cè)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、軟件模擬仿真技術(shù)等，是一種多學(xué)科交叉綜合的技術(shù)?；诖思夹g(shù)原理的毒劑云團(tuán)遙測(cè)系統(tǒng)是高精密的光機(jī)電工程與復(fù)雜的數(shù)學(xué)物理算法相結(jié)合的新型毒劑探測(cè)設(shè)備，該技術(shù)國(guó)外已經(jīng)較為成熟，我國(guó)對(duì)該技術(shù)的工作原理也開展了相應(yīng)的研究，隨著工業(yè)化的發(fā)展，很多關(guān)鍵的光機(jī)部件已經(jīng)可以加工生產(chǎn)，被動(dòng)FTIR遙測(cè)技術(shù)必將在環(huán)保、國(guó)防等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

[1] 戴 杰，丁學(xué)全，王春勇，等.國(guó)外化學(xué)毒劑紅外遙測(cè)系統(tǒng)的狀態(tài)及發(fā)展方向[J].紅外技術(shù)，2003，25(2)：46-56.

[2] 張記龍，聶宏斌，王志斌，等.化學(xué)戰(zhàn)劑紅外光譜遙測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].中北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，29(3)：265-271.

[3] 劉志明，高閩光，劉文清，等.傅里葉變換紅外光譜(FTIR)非線性多點(diǎn)定標(biāo)方法研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2008，28(9)：2077-2080.

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[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.