非线性结点探测器

1引言非线性结点探测器是应用半导体PN结非线性原理，探测射频信号的谐波，探测和定位非线性结点是否存在的仪器。上世纪八十年代，非线性结点探测器主要用于探测定位监视窃听设备和探测隐藏的武器。近年来，世界各种恐怖活动日益猖獗，利用爆炸进行恐怖活动已成为当今世界一种新的犯罪手段，爆炸恐怖事件层出不穷，爆炸破坏造成的损失更加惨重。这些爆炸大部分是由电子设备和电子定时器的控制，于是非线性结点探测器又有了新的应用，探测爆炸物的电子引爆装置。现在越来越多的安检人员开始使用非线性结点探测器在铁路、机场和海关进行包裹安检。2非线性结点探测器探测原理非线性结点探测器用于探测目标的谐波辐射，而能够产生谐波辐射的目标是非线性目标。非线性目标对接收到的基频信号，不但辐射基波分量，同时也辐射谐波分量。典型的非线性目标包括带有PN结点的电子设备和带有金属结的目标。非线性目标的伏安特性一般为曲线关系。PN结点及一般半导体器件中的PN结，它的伏安特性曲线如图1所示。图1PN结点的伏安特性曲线如图1中可以看出，当PN结两端加正向电压时，外加电压的方向与阻挡层内部电场方向相反，削弱了阻挡层内部的电场，电子和空穴的扩散运动远大于漂移运动，即扩散电流占绝对优势。PN结点正向电流可以表示为：I=Is（eqυ/κT-1）式中，Is是与外加电压无关的系数，称为反向饱和电流。它与PN结点中载流子浓度、扩散情况和温度等因素有关；q为电子电荷量，等于1.602×10-19C；υ为结点两端正向电压；T为绝对温度，单位为K，κ为波尔兹曼常数，等于1.38×10-23J/K。由于eqυ/κT1，那么I≈Iseqυ/κT，PN结点正向电流与两端正向电压为指数关系，这种非线性关系即可产生谐波再辐射。两块同种或异种金属接触后，在适当条件(如压力、距离)下，特别是中间有一层氧化物(例如生锈)时，即形成金属结，或金属-氧化物-金属结。用晶体管特性测试仪能够直接观察到金属结的伏安特性曲线，如图2所示。图2金属结的伏安特性曲线如图2中，金属结的正、反向伏安特性曲线基本上是以原点为对称中心呈反对称形式，可以认为它是一个奇函数曲线。金属结中电流的形成主要是隧道效应，其次是小部分超过势垒高度的热能量热电子发射。常温下，当接点两端电压v≤1．5V时，隧道电流可以近似表示为：30vvIR式中，β为伏安特性的非线性系数，单位是[1/V2]；R0为金属结初始电阻，即当接点两端电压为零时的电阻，单位为[Ω]。当两端电压v≥1．5V后，金属结的伏安特性与PN结点的正向伏安特性相似，即可以看成为指数形式。如果继续加大金属结两端的电压，将会出现不可恢复的击穿现象。因此可得出结论：在击穿电压以内，金属结的伏安特性都是非线性的。这种非线性就是金属结能够产生谐波再辐射的基本物理机制。理论分析和实验证明：由于PN结点和金属结点伏安特性不同，当受到电磁波照射后，其再辐射信号也相差很大。PN结点再辐射的偶次谐波或组合波信号比奇次强，而金属结点再辐射的奇次谐波或组合波信号比偶次强。这个重要而有实用意义的结论就是非线性结点探测器探测、定位非线性目标，且还能识别目标属性的理论基础。3非线性结点探测器性能分析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。美国的产品是NJE-4000和它的升级版HGO-4000；俄罗斯是生产非线性结点探测器品种最多的国家，它的产品主要有NR系列、Lornet系列以及Lux、Katran等；英国的产品除早期的SuperBroom外，近几年新开发的产品FAH-450、FAW-3000和FAK-XDI也占据了一定的市场份额，去年已经升级为HAWK-XTS-900/2500。由于篇幅有限，这里将主要产品的性能分析列表（详见表1），不详细地阐述每一款非线性结点探测器的发展历史、性能指标及特点。表1非线性结点探测器性能对比表：NJE-4000HGO-4000NR-900EMNR-μNR-900EKNR-900VNR-900EMSLornetLornet-24Lornet-36LuxSuperBroomFAW-3000FAH-450-2WFAK-HDI-8WRealTimeDetectionofallkindofelectroniccircuits√√√√√√√√√√√√√√√SimultaneousReceptionof2nd&3rdHarmonic√√√√√√√√√√√√√√AutomaticComparisonof2nd&3rdHarmonic√√√√√√√√√√√√√√RFPower(ERP)shouldnotbemorethan5Watts√√√√√√√√AutomaticPowerControl(DSPforAutorangesetting)√√√√√√√√√√AdvanceDSP-foroptimizedsensitivity√√√√√√√√√√√Fullautomaticoperation√Manual&AutomaticPowerControl√√√√√√√√√√√Discriminationofsemiconductorjunction&corrosive/bimetaljunction√√√√√Continuouswavetransmission(CW)√√√√√√√√√√√Frequencyhopping-forinterferencefreeoperation√√√√√√SpecificallypureRFfundamentalfrequency√√√√√√√√√√√√√√√10selectablefrequencies√Automaticswitchoff-forconservingbatterylife√Circular,PolarizedAntenna√√√√√√√√√√√√√Displayofreceiversignalstrengthofthe2nd&3rdharmonic√√√√√√√√√√√√√√Displayofbatterystatus√√√√√√√√√√DetectionofStandaloneSimCard√DetectionofMobilePhoneSwitchedOn/Off√√√√√√√√√√√√√√√AudioAlarm/Tone&VolumeControl√√√√√√√√√√√√√√√Differentialaudiotoneelectronic/corrosive√√√√√√√√√√√√√AM(Amplitudedemodulation)&FM(Frequencydemodulation)√√√√Internalrechargeablebattery√Shouldworkcontinuouslyfor4hours√√√√√√√√√√ExtensionTube√√√√√√√√√√√LCDscreen√√LEDscreen√√√√√√√√√√OLEDscreen(OrganicLightEmittingDisplay)√√Single-BodyOperationalweightshouldnotexceed1Kg√Seperatedantennaconfigurationshouldnotexceed1Kg√√√Headphones√√√√√√√√√√√ScreenShade√√√NJE-4000HGO-4000NR-900EMNR-μNR-900EKNR-900VNR-900EMSLornetLornet-24Lornet-36LuxSuperBroomFAW-3000FAH-450-2WFAK-HDI-8W4非线性结点探测器在安检排爆方面的应用4.1探测性能分析我国使用非线性结点探测器的历史可以追溯到上个世纪，起初只用于隐蔽电子设备的探查和首长的安全保卫工作，随着近几年国际反恐形势的严峻，非线性结点探测器作为探测爆炸物电子引爆装置的有力手段之一，成为不同安检级别场地安检必备的设备器材，同时它能够探测到隐藏的武器。我们通过探测深度试验对目前我国使用的俄罗斯、美国和英国生产的三款产品进行了性能分析。为了试验能客观、公正的反应上述产品的探测性能，我们分别砌了两块砖头厚度（二四墙）和三块砖头厚度（三七墙）的测试墙，墙面用水泥抹平，测试前先用以上三款产品确定墙内无任何真假非线性结点。墙的一侧布置了10个各种形态的真假非线性结点，以上三款产品在墙的另外一侧探测、定位和判断结点的位置和属性（真结点或假结点）。测试数据如下：表2二四墙探测结果结点探测器型号样机1样机2样机3编号探测对象二四墙二四墙二四墙1真结点（闹钟）√（小功率可测）√(发射功率70%)×(最大发射功率)2真结点（二极管）√（小功率可测）√(发射功率70%)√(最大发射功率)3假结点（钢丝球）√（小功率可测）×(发射功率100%)×(最大发射功率)4真结点（电路板）√（小功率可测）√(发射功率70%)×(最大发射功率)5真结点（电路板）√（小功率可测）×(发射功率100%)√(最大发射功率)6真结点（二极管）√（小功率可测）√(发射功率70%)×(最大发射功率)7假结点（NJE自带）√（小功率可测）√(发射功率70%)×(最大发射功率)8真结点（NJE自带）√（小功率可测）√(发射功率70%)√(最大发射功率)9真结点（二极管）√（小功率可测）√(发射功率70%)×(最大发射功率)10真结点（三极管）×√(发射功率70%)×(最大发射功率)表3三七墙探测结果结点探测器型号样机1样机2样机3编号探测对象三七墙三七墙三七墙1真结点（闹钟）√（大功率可测）√(发射功率75%)×(最大发射功率)2真结点（二极管）√（大功率可测）√(发射功率85%)×(最大发射功率)3假结点（钢丝球）√（大功率可测）×(发射功率100%)×(最大发射功率)4真结点（电路板）√（小功率可测）√(发射功率95%)×(最大发射功率)5真结点（电路板）√（小功率可测）√(发射功率95%)×(最大发射功率)6真结点（二极管）√（大功率可测）√(发射功率95%)×(最大发射功率)7假结点（NJE自带）√（小功率可测）√(发射功率95%)×(最大发射功率)8真结点（NJE自带）√（小功率可测）√(发射功率95%)√(最大发射功率)9真结点（二极管）√（小功率可测）√(发射功率95%)×(最大发射功率)10真结点（三极管）×√(发射功率95%)×(最大发射功率)通过试验，非线性结点探测器的探测深度和其发射功率、接收灵敏度、天线带宽、调制方式等参数密切相关。理论上讲，发射功率越大、接收灵敏度越高，探测效果越好，但实际上，任何一款探测器并不能把上述两项指标都做到最高。样机1发射功率大，峰值脉冲功率高达200W，虽然它的接收灵敏度只有-93dBm，但探测效果好于其它两款，探测时不用旋转天线的方向。样机2其设计的发射功率为1.4W，接收灵敏度为-135dBm，探测时需不停改变天线方向以保证探测效果。然而，发射功率过大不仅损害使用者的健康，而且可能影响周围其它电子仪器设备的正常使用，甚至触发引爆物爆炸。在本次试验中，样机1就曾经将距离其10cm的电子闹钟触发。发射和接收频率的带宽越宽，探测效果越好。样机1的发射频率是一个点860MHz，当目标为某些型号的二极管或三极管时，探测效果就不理想；样机2和样机3则不存在这样的现象。因为样机2设计是在一段较宽的频带内自动寻找闲置频道，并且提供稳定的频率，样机3的发射频率则是一个频率范围内的10个固定的频点，使用者可以根据使用环境自己选择。调频和调幅检波可以扩大探测范围，提高探测的准确度。样机2和样机3都应用了调频和调幅检波技术。例如样机2使用连续波传送1KHz的调频载波声音信号，可以大大提高操作者的探测范围，并且使用者能够通过高质量的接收器听到调频检波的声音。实验中当通过指示器不能区别是结点的性质时，利用可听到的声音可以对非线性结点进行准确认定，半导体结点和伪结点很容易被区分开。三款样机不同的设计思路使得它们的探测深度相差很大，这也决定了它们适用于不同的场合，