非線性結(jié)點(diǎn)探測(cè)器在安檢排爆領(lǐng)域的應(yīng)用分析

引言

非線性結(jié)點(diǎn)探測(cè)器是應(yīng)用半導(dǎo)體PN結(jié)非線性原理，探測(cè)射頻信號(hào)的諧波，探測(cè)和定位非線性結(jié)點(diǎn)是否存在的儀器。上世紀(jì)八十年代，非線性結(jié)點(diǎn)探測(cè)器主要用于探測(cè)定位監(jiān)視竊聽設(shè)備和探測(cè)隱藏的武器。近年來(lái)，世界各種恐怖活動(dòng)日益猖獗，利用爆炸進(jìn)行恐怖活動(dòng)已成為當(dāng)今世界一種新的犯罪手段，爆炸恐怖事件層出不窮，爆炸破壞造成的損失更加慘重。這些爆炸大部分是由電子設(shè)備和電子定時(shí)器的控制，于是非線性結(jié)點(diǎn)探測(cè)器又有了新的應(yīng)用，探測(cè)爆炸物的電子引爆裝置。現(xiàn)在越來(lái)越多的安檢人員開始使用非線性結(jié)點(diǎn)探測(cè)器在鐵路、機(jī)場(chǎng)和海關(guān)進(jìn)行包裹安檢。

一、非線性結(jié)點(diǎn)探測(cè)器探測(cè)原理

非線性結(jié)點(diǎn)探測(cè)器用于探測(cè)目標(biāo)的諧波輻射，而能夠產(chǎn)生諧波輻射的目標(biāo)是非線性目標(biāo)。非線性目標(biāo)對(duì)接收到的基頻信號(hào)，不但輻射基波分量，同時(shí)也輻射諧波分量。典型的非線性目標(biāo)包括帶有PN結(jié)點(diǎn)的電子設(shè)備和帶有金屬結(jié)的目標(biāo)。非線性目標(biāo)的伏安特性一般為曲線關(guān)系。

PN結(jié)點(diǎn)及一般半導(dǎo)體器件中的PN結(jié)，它的伏安特性曲線如圖1所示。

從圖1中可以看出，當(dāng)PN結(jié)兩端加正向電壓時(shí)，外加電壓的方向與阻擋層內(nèi)部電場(chǎng)方向相反，削弱了阻擋層內(nèi)部的電場(chǎng)，電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)大于漂移運(yùn)動(dòng)，即擴(kuò)散電流占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。PN結(jié)點(diǎn)正向電流可以表示為：

式中，Is是與外加電壓無(wú)關(guān)的系數(shù)，稱為反向飽和電流。它與PN結(jié)點(diǎn)中載流子濃度、擴(kuò)散情況和溫度等因素有關(guān)；q為電子電荷量，等于1.602×10-19C；υ為結(jié)點(diǎn)兩端正向電壓；T為絕對(duì)溫度，單位為K，κ為波爾茲曼常數(shù)，等于1.38×10-23J /K。由于eqυ/κT>>1，那么I≈Ieqυ/κT，

s PN結(jié)點(diǎn)正向電流與兩端正向電壓為指數(shù)關(guān)系，這種非線性關(guān)系即可產(chǎn)生諧波再輻射。

兩塊同種或異種金屬接觸后，在適當(dāng)條件（如壓力、距離）下，特別是中間有一層氧化物（例如生銹）時(shí)，即形成金屬結(jié)，或金屬-氧化物-金屬結(jié)。用晶體管特性測(cè)試儀能夠直接觀察到金屬結(jié)的伏安特性曲線，如圖2所示。

從圖2中可以看出，金屬結(jié)的正、反向伏安特性曲線基本上是以原點(diǎn)為對(duì)稱中心呈反對(duì)稱形式，可以認(rèn)為它是一個(gè)奇函數(shù)曲線。金屬結(jié)中電流的形成主要由于是隧道效應(yīng)，其次是小部分超過(guò)勢(shì)壘高度的熱能量熱電子發(fā)射。常溫下，當(dāng)結(jié)點(diǎn)兩端電壓v≤1.5V時(shí)，隧道電流可以近似表示為：

式中，β為伏安特性的非線性系數(shù)，單位是[1/V2]；R0為金屬結(jié)初始電阻，即當(dāng)結(jié)點(diǎn)兩端電壓為零時(shí)的電阻，單位為[Ω]。

當(dāng)兩端電壓v≥1.5V后，金屬結(jié)的伏安特性與PN結(jié)點(diǎn)的正向伏安特性相似，即可以看成為指數(shù)形式。如果繼續(xù)加大金屬結(jié)兩端的電壓，將會(huì)出現(xiàn)不可恢復(fù)的擊穿現(xiàn)象。因此可得出結(jié)論：在擊穿電壓以內(nèi)，金屬結(jié)的伏安特性都是非線性的。這種非線性就是金屬結(jié)能夠產(chǎn)生諧波再輻射的基本物理機(jī)制。

理論分析和實(shí)驗(yàn)證明：由于PN結(jié)點(diǎn)和金屬結(jié)點(diǎn)伏安特性不同，當(dāng)受到電磁波照射后，其再輻射信號(hào)也相差很大。PN結(jié)點(diǎn)再輻射的偶次諧波或組合波信號(hào)比奇次強(qiáng)，而金屬結(jié)點(diǎn)再輻射的奇次諧波或組合波信號(hào)比偶次強(qiáng)。這個(gè)重要而有實(shí)用意義的結(jié)論就是非線性結(jié)點(diǎn)探測(cè)器探測(cè)、定位非線性目標(biāo)，且還能識(shí)別目標(biāo)屬性的理論基礎(chǔ)。

二、國(guó)內(nèi)使用的典型非線性結(jié)點(diǎn)探測(cè)器性能分析

目前世界上被廣泛使用的非線性結(jié)點(diǎn)探測(cè)器的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)主要集中在美國(guó)、俄羅斯和英國(guó)等國(guó)家。美國(guó)的產(chǎn)品是NJE-4000和它的升級(jí)版HGO-4000；俄羅斯是生產(chǎn)非線性結(jié)點(diǎn)探測(cè)器品種最多的國(guó)家，它的產(chǎn)品主要有NR系列、Lornet系列以及Lux、Katran等；英國(guó)的產(chǎn)品除早期的SuperBroom外，近幾年新開發(fā)的產(chǎn)品FAH-450、FAW-3000和FAK-XDI也占據(jù)了一定的市場(chǎng)份額，去年已經(jīng)升級(jí)為HAWK-XTS-900/2500。

在非線性結(jié)點(diǎn)探測(cè)器實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化之前，國(guó)內(nèi)廣泛使用的非線性結(jié)點(diǎn)探測(cè)器多是美國(guó)的NJE-4000和俄羅斯的NR900EM，這兩款產(chǎn)品性能各有特色。

NJE-4000頻率轉(zhuǎn)換功能使發(fā)射機(jī)在880MHz～1005MHz頻帶內(nèi)迅速轉(zhuǎn)換頻率。數(shù)字信號(hào)處理算法使探測(cè)靈敏度提高了18dB。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)共用圓形偏振天線，圓形的偏振天線使通道數(shù)減少，避免錯(cuò)誤天線偏振帶來(lái)的危險(xiǎn)。根據(jù)半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)具有消音接收功能的原理，NJE-4000還可根據(jù)耳機(jī)里接收到設(shè)備的電子特征聲音來(lái)判斷被測(cè)物是電子設(shè)備還是金屬氧化物。單人輕型設(shè)計(jì)，整機(jī)可折疊，便于攜帶。自動(dòng)電壓控制使當(dāng)接收信號(hào)飽和時(shí)，功率可自動(dòng)調(diào)節(jié)，發(fā)射功率14mW～1.4W，接收機(jī)的靈敏度為-133dBm。

NR-900EM及其升級(jí)產(chǎn)品NR-900EMS，都延續(xù)了俄羅斯產(chǎn)非線發(fā)射功率大的特點(diǎn)，發(fā)射功率大于20W。雖然探測(cè)距離高于NJE-4000，探測(cè)時(shí)間也比其他產(chǎn)品縮短，但存在對(duì)使用人員和周圍環(huán)境的損害，并有可能自動(dòng)觸發(fā)被測(cè)物。在外觀結(jié)構(gòu)上，發(fā)射接收電纜合并后，從手柄處通過(guò)伸縮臂連接到天線模塊。整機(jī)尺寸較大，重量較重，便攜性較差。

三、非線性結(jié)點(diǎn)探測(cè)器在安檢排爆領(lǐng)域的應(yīng)用

（一）探測(cè)性能分析

我國(guó)使用非線性結(jié)點(diǎn)探測(cè)器的歷史可以追溯到上個(gè)世紀(jì)，起初只用于隱蔽電子設(shè)備的探查和安全保衛(wèi)工作，隨著近幾年國(guó)際反恐形勢(shì)日趨嚴(yán)峻，非線性結(jié)點(diǎn)探測(cè)器作為探測(cè)爆炸物電子引爆裝置的有力手段之一，成為不同安檢級(jí)別場(chǎng)地安檢必備的設(shè)備器材。

我們通過(guò)探測(cè)深度試驗(yàn)對(duì)目前我國(guó)使用的俄羅斯、美國(guó)和英國(guó)生產(chǎn)的三款產(chǎn)品進(jìn)行了性能分析。為了試驗(yàn)?zāi)芸陀^、公正地反應(yīng)上述產(chǎn)品的探測(cè)性能，我們分別砌了兩塊磚頭厚度（二四墻）和三塊磚頭厚度（三七墻）的測(cè)試墻，墻面用水泥抹平，測(cè)試前先用以上三款產(chǎn)品確定墻內(nèi)無(wú)任何真假非線性結(jié)點(diǎn)。墻的一側(cè)布置了10個(gè)各種形態(tài)的真假非線性結(jié)點(diǎn)，以上三款產(chǎn)品在墻的另外一側(cè)探測(cè)、定位和判斷結(jié)點(diǎn)的位置和屬性（真結(jié)點(diǎn)或假結(jié)點(diǎn)）。測(cè)試數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

通過(guò)試驗(yàn)，非線性結(jié)點(diǎn)探測(cè)器的探測(cè)深度和其發(fā)射功率、接收靈敏度、天線帶寬、調(diào)制方式等參數(shù)密切相關(guān)。

理論上講，發(fā)射功率越大、接收靈敏度越高，探測(cè)效果越好，但實(shí)際上，任何一款探測(cè)器并不能把上述兩項(xiàng)指標(biāo)都做到最高。樣機(jī)1發(fā)射功率大，峰值脈沖功率高達(dá)200W，雖然它的接收靈敏度只有-93dBm，但探測(cè)效果好于其它兩款，探測(cè)時(shí)不用旋轉(zhuǎn)天線的方向。樣機(jī)2的發(fā)射功率為1.4W，接收靈敏度為-135dBm，探測(cè)時(shí)需不停改變天線方向以保證探測(cè)效果。然而，發(fā)射功率過(guò)大不僅損害使用者的健康，而且可能影響周圍其它電子儀器設(shè)備的正常使用，甚至觸發(fā)引爆物爆炸。在本次試驗(yàn)中，樣機(jī)1就曾經(jīng)將距離其10cm的電子鬧鐘觸發(fā)。

?

發(fā)射和接收頻率的帶寬越寬，探測(cè)效果越好。樣機(jī)1的發(fā)射頻率是一個(gè)點(diǎn)860MHz，當(dāng)目標(biāo)為某些型號(hào)的二極管或三極管時(shí)，探測(cè)效果就不理想；樣機(jī)2和樣機(jī)3則不存在這樣的現(xiàn)象。因?yàn)闃訖C(jī)2設(shè)計(jì)是在一段較寬的頻帶內(nèi)自動(dòng)尋找閑置頻道，并且提供穩(wěn)定的頻率，樣機(jī)3的發(fā)射頻率則是一個(gè)頻率范圍內(nèi)的10個(gè)固定的頻點(diǎn)，使用者可以根據(jù)使用環(huán)境自己選擇。

調(diào)頻和調(diào)幅檢波可以擴(kuò)大探測(cè)范圍，提高探測(cè)的準(zhǔn)確度。樣機(jī)2和樣機(jī)3都應(yīng)用了調(diào)頻和調(diào)幅檢波技術(shù)。例如樣機(jī)2使用連續(xù)波傳送1KHz的調(diào)頻載波聲音信號(hào)，可以大大提高操作者的探測(cè)范圍，并且使用者能夠通過(guò)高質(zhì)量的接收器聽到調(diào)頻檢波的聲音。試驗(yàn)中當(dāng)通過(guò)指示器不能區(qū)別結(jié)點(diǎn)的性質(zhì)時(shí)，利用可聽到的聲音對(duì)非線性結(jié)點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確認(rèn)定，半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)和偽結(jié)點(diǎn)很容易被區(qū)分開。

三款樣機(jī)不同的設(shè)計(jì)思路使得它們的探測(cè)深度相差很大，這也決定了它們適用于不同的場(chǎng)合，有不同的用途。樣機(jī)1機(jī)器內(nèi)部控制系統(tǒng)和分析判斷能力較弱，接收靈敏度低，但發(fā)射功率最大，其結(jié)構(gòu)抗震性能也好，因此在一線主要用于戶外反恐安全檢查。樣機(jī)2獨(dú)有的頻率轉(zhuǎn)化功能提高了接收靈敏度；發(fā)射功率低，不會(huì)對(duì)人體有傷害；自動(dòng)判斷結(jié)點(diǎn)性質(zhì)的功能使得準(zhǔn)確性提高，因此它目前主要用于檢查辦公室、輕型墻體和家居內(nèi)隱藏的電子裝置。

（二）誤報(bào)情況分析

非線性結(jié)點(diǎn)探測(cè)器普遍被用于安檢和排爆工作，但在日常使用中，特別是在安檢工作中，由于環(huán)境復(fù)雜和技術(shù)上的原因，容易產(chǎn)生誤報(bào)。在對(duì)行李包裹進(jìn)行探測(cè)時(shí)，由于其中攜帶了電動(dòng)剃須刀、MP3等電子產(chǎn)品，非線性結(jié)點(diǎn)探測(cè)器很快報(bào)警，此時(shí)需要安檢員利用其它的安檢器材確定可疑電子產(chǎn)品是否攜帶遙控裝置。有些旅行箱各面的交匯處會(huì)用金屬加固，金屬氧化后，非線性結(jié)點(diǎn)探測(cè)器會(huì)給出三次諧波高的結(jié)果，為確保檢測(cè)的準(zhǔn)確性，安檢員可利用其它的安檢器材對(duì)箱內(nèi)角進(jìn)行檢查。在場(chǎng)地安檢過(guò)程中，軟管窺鏡、炸探等裝備配合非線性結(jié)點(diǎn)探測(cè)器同時(shí)使用，也會(huì)降低探測(cè)的誤報(bào)率。

為保障探測(cè)效果的準(zhǔn)確，非線性結(jié)點(diǎn)探測(cè)器應(yīng)該定期維護(hù)，每次使用前用樣片進(jìn)行校準(zhǔn)。

四、非線性結(jié)點(diǎn)探測(cè)器的發(fā)展趨勢(shì)

縱觀非線性結(jié)點(diǎn)探測(cè)器三十多年的發(fā)展史，結(jié)合其在安檢排爆方面的應(yīng)用，不難判斷出其技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

第一，便攜式非線性結(jié)點(diǎn)探測(cè)器的結(jié)構(gòu)，“一體機(jī)”將取代“分離機(jī)”。所謂“一體機(jī)”的結(jié)構(gòu)，整機(jī)重量輕，它們的控制單元小巧輕便，通過(guò)伸縮桿和天線單元連接在一起，符合人體工程學(xué)的設(shè)計(jì)，使用者不必再像NR-900系列的產(chǎn)品，控制單元通過(guò)背帶挎在肩上或背在背上，使用者只要雙手就能完成所有操作。

第二，發(fā)射功率超大的非線性結(jié)點(diǎn)探測(cè)器將被市場(chǎng)淘汰。早期的非線性結(jié)點(diǎn)探測(cè)器產(chǎn)品中，發(fā)射功率都超過(guò)了150W，雖然探測(cè)效果得到了用戶的肯定，但也帶來(lái)了許多弊端，不僅損害使用者的健康，而且可能影響周圍其它電子儀器設(shè)備的正常使用，甚至觸發(fā)引爆物爆炸。目前國(guó)內(nèi)的許多單位，出于“以人為本”的原則，對(duì)上述產(chǎn)品停用。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，DSP技術(shù)引入非線性結(jié)點(diǎn)探測(cè)器的設(shè)計(jì)后，接收靈敏度有了很大的提高，發(fā)射功率適當(dāng)降低后也能保障探測(cè)的效果。此外發(fā)射頻率選擇在超高頻段，能夠很好的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程探測(cè)的效果。

第三，具有遠(yuǎn)程控制功能的非線性結(jié)點(diǎn)探測(cè)器將受到使用者的青睞。國(guó)際反恐形勢(shì)日趨嚴(yán)峻，許多非線性結(jié)點(diǎn)探測(cè)器的使用者的操作環(huán)境相當(dāng)危險(xiǎn)，在這種情況下，使用遠(yuǎn)程控制軟件就可以通過(guò)電腦及接口連線，在危險(xiǎn)區(qū)域幾十米之外操作非線性結(jié)點(diǎn)探測(cè)器，進(jìn)行探測(cè)。

第四，配套附件的使用將會(huì)大大提高探測(cè)效率和正確率。當(dāng)今的非線性結(jié)點(diǎn)探測(cè)器都配有耳機(jī)，可以依靠聽覺來(lái)判斷真假結(jié)點(diǎn)，因?yàn)榘雽?dǎo)體結(jié)點(diǎn)具有消音接收功能，而偽結(jié)點(diǎn)不具備這種特性。使用附件如橡皮錘，對(duì)被檢測(cè)處進(jìn)行敲擊，同時(shí)用聽覺判斷，就可以提高探測(cè)的正確率。

五、結(jié)語(yǔ)

非線性結(jié)點(diǎn)探測(cè)器是基于諧波探測(cè)技術(shù)的一種儀器，它在反恐、安全檢查等領(lǐng)域有廣泛的使用前景。 加強(qiáng)產(chǎn)品數(shù)字化、自動(dòng)化和智能化的設(shè)計(jì)，可以使之更加貼近公安一線的需求。