基于主動式靜電探測技術的目標定位方法*

李彥旭，徐立新，趙不賄

(1.江蘇大學電氣信息工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212013;2.北京理工大學 機電學院，北京100081)

0 引言

靜電探測技術是一種通過檢測目標周圍空間靜電場的電參數(shù)來獲得目標信息的新型探測方法。根據產生靜電場的不同，靜電探測技術可分為被動式和主動式兩類［1，2］。凡利用目標產生的靜電場探測目標的稱為被動式靜電探測技術;若靜電場由探測器產生，通過目標出現(xiàn)時對這一靜電場產生的擾動來獲取目標信息的稱為主動式靜電探測技術。被動式靜電探測技術隱蔽性高、抗干擾能力強，但僅能對帶電目標進行探測;主動式靜電探測技術受氣象條件影響小，對任何目標都可以進行探測［3］。

本文通過對主動式靜電探測技術的研究，提出了通過檢測電流來獲取目標位置的一種方法，并通過理論推導和仿真進行了驗證。

1 主動式靜電探測非帶電目標時的電流表達式

點電荷q位于半徑為a的探測球O1外，與球心距離d，q將在O1上產生感應電荷，探測球外的靜電場則由點電荷和感應電荷共同產生，當半徑為b的非帶電目標球O2(與q距離為r)以速度v向O1運動時將會對靜電場產生擾動，如圖1所示。主動式靜電探測系統(tǒng)正是通過檢測靜電場的變化來獲取目標的信息。

圖1 主動式靜電探測非帶電體目標原理圖Fig 1 Principle diagram of active electrostatic detecting uncharged target

為了便于描述，設qi(i=1，2，3…)表示探測球O1內的鏡像電荷，其與球心的距離用di(i=1，2，3…)表示，q'i(i=1，2，3…)表示目標球O2內的鏡像電荷，其與球心的距離用 ri(i=1，2，3…)表示。

根據鏡像電荷法和各鏡像電荷的幾何位置關系［4，5］，可以得到

則探測球O1上感應的總電荷量Q和電流i分別為

式(6)即為探測非帶電目標的電流表達式，探測球上感應的電流i與點電荷的電量q，球O1的相對運動速度v，點電荷與探測球O1，目標O2的距離d，r以及O1，O2的半徑a，b有關。其中，q，a，b和 d可認為是常量，因此，通過檢測該電流的大小就可獲得不同交會速度時的目標距離信息。

2 主動式靜電探測帶電目標時的電流表達式

當帶電目標與探測球O1的距離r在O1半徑a的10倍以上時，該目標可視作點電荷來進行分析，探測原理圖如圖2所示。

圖2 主動式靜電探測帶電點目標原理圖Fig 2 Principle diagram of active electrostatic detecting charged point target

則感應電流i為

由式(8)可知，此時探測球上感應的電流i與目標的帶電量Q'、探測球半徑a、目標與探測器的距離r及相對速度v有關，而與場源的電荷量無關。

3 主動式靜電探測仿真分析

在Maxwell 3D中建立主動式靜電探測系統(tǒng)模型［6］，半徑為3 cm的帶電球模擬點電荷，半徑為10，15 cm的導體球模擬探測電極和目標，如圖3所示。通過給點電荷球施加電壓的方式來模擬點電荷電場。圖4(a)為未引入目標球時，探測球上的場強分布，圖4(b)為引入目標球后，探測球上的場強分布。

圖3 主動式靜電探測系統(tǒng)模型Fig 3 System model of active electrostatic detection

由圖4可以看出:引入目標球后，探測球空間的場強分布發(fā)生了明顯的變化，且探測球周圍空間某一點處的場強幅值變小。由靜電學理論可知［5］，當探測球附近電場變化時，其電荷分布也將發(fā)生變化，因此，可以通過檢測電流的變化來進行目標探測。

圖4 引入目標球前后探測球周圍的場強分布Fig 4 E-field intensity distribution around detection ball before and after introducing target ball

當對點電荷球施加不同直流電壓，不帶電目標和帶電目標在不同距離時，探測球上的電量仿真結果如表1和圖5所示。

表1 探測球上電荷量結果Tab 1 Result of charge quantity on detection ball

圖5 探測球上的電荷量與探測距離的關系曲線Fig 5 Curves of relation between charge quantity on detection ball and detection range

4 結論

1)主動式探測技術是通過目標對探測系統(tǒng)空間場強的擾動來獲取目標的位置信息，由圖4(a)，(b)的仿真結果可以看出:引入目標前后探測球空間的場強發(fā)生了明顯的變化;

2)探測球上的電荷量隨探測距離的增大而減少，根據電流檢測電路的上限即可計算出探測距離。在圖1中設探測球O1的半徑a=5cm，目標球O2的半徑b=10cm，點電荷的電量q=1×10-9C，點電荷與O1之間的距離d=15 cm，目標的相對運動速度v=200 m/s，當檢測電路的電流上限為10 pA時，該探測系統(tǒng)的作用距離為5 m;

3)為了增加探測距離，可以通過增大探測系統(tǒng)空間場強的來加以實現(xiàn);

4)主動式靜電探測系統(tǒng)的探測距離還與目標的帶電量有關，目標所帶電量越大，探測距離也越遠;

5)圖5的曲線出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，這是由于目標球與探測球距離過近時，將出現(xiàn)體目標效應所致。

［1］李彥旭，崔占忠，徐立新，等.基于檢測電流差式的靜電探測方法研究［J］.北京工業(yè)大學學報，2008，34(S1):92-95.

［2］李彥旭.噴流對航空器荷電影響的理論研究［D］.北京:北京理工大學，2006.

［3］Li Yanxu，Xu Lixin.Study of a novel electrostatic detection sensor［C］∥International Conference on Nano Science and Technology，ICNST2010，2010:66-69.

［4］鮑重光.靜電技術原理［M］.北京:北京理工大學，1993.

［5］劉尚和，魏光輝，劉直承，等.靜電理論與防護［M］.北京:兵器工業(yè)出版社，1999.

［6］劉國強，趙凌志，將繼婭.Ansoft工程電磁場有限元分析［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005.