化學毒劑云團被動FTIR遙測技術原理與發展現狀

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(中國船舶重工集團公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

化學武器中神經性毒劑具有高毒性和速殺性，很小的劑量在很短的時間內就能對人體造成很大的毒害。因而在現代戰爭中，為了盡量減少毒劑襲擊所造成的傷亡，各軍事大國都投入了大量人力財力開展化學毒劑云團遙測技術研究。

化學毒劑云團遙測技術通過探測和分析毒劑與紅外輻射的相互作用信號實現毒劑成分鑒別和濃度反演。目前化學毒劑云團遙測技術主要分為主動式系統和被動式系統兩種。主動式系統需要人工發射源系統具有探測距離遠、探測靈敏度高等特點，主動式系統有差分吸收激光雷達(DIAL)系統和Raman激光雷達系統等。被動式系統利用自然輻射源，不需要專門的人工輻射源，具有隱蔽性好、重量輕等優點[1-2]。

被動式遙測技術又可以分為非分散紅外(NDIR)技術和基于被動傅里葉變換紅外光譜(FTIR)技術?；诜欠稚⒓t外(NDIR)技術的遙測系統其實質是一個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，有無毒劑云團時的紅外圖像存在區別，通過人工觀測紅外圖像的方式探測距離艦船數海里的毒劑云團。該系統比較適合背景比較單一的海上環境應用，結構比較簡單，可與偵察紅外熱像儀(FLIR)系統兼容。美國海軍早在20世紀60年代初就開始了研究，經過20多年的努力，研制成功了AN/KAS-1型化學戰劑定向探測器(chemical warfare directional detector，CWDD)，裝備于美國以及北約海軍。

非分散紅外NDIR遙測系統與傅里葉變換紅外FTIR遙測系統相比優點是：結構簡單，無運動部件，抗干擾性強。缺點如下。

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

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

3)需要專人觀測，無法實現自動報警。

4)一個濾光片對應一種毒劑成分，不同的毒劑成分需要使用不同的濾光片，無法實現多組分同時測量，且不能給出毒劑濃度。

隨著傅里葉變換紅外(FTIR)光譜技術的發展，出現了高抗振、高穩定的干涉儀，使得傅里葉變換紅外(FTIR)技術成為遙測式毒劑報警裝置的主流。美國海軍考慮逐漸用被動傅里葉變換紅外(FTIR)光譜技術替代非分光紅外(NDIR)技術。

本文主要研究化學毒劑云團被動傅里葉變換紅外(FTIR)遙測技術的工作原理并總結該技術的國內外發展狀況和趨勢。

1 被動FTIR遙測技術原理

大部分氣體分子在紅外波段都具有較強的特征發射(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量，見圖1。

圖1 分子紅外特征發射(吸收)光譜(分子指紋)

化學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氣體干擾較小，有利于對化學毒劑云團的紅外光譜進行遠距離測量。被動傅里葉變換紅外光譜(FTIR)技術通過測量和分析化學毒劑云團的吸收(發射)光譜實現毒劑探測，主要包括光譜測量、光譜定標和光譜定量分析(毒劑種類鑒別和濃度反演等)。

圖2 幾種化學毒劑紅外特征光譜

1.1 光譜測量

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

圖3 經典邁克爾遜干涉儀示意

動鏡連續移動過程中，射向定鏡和動鏡的兩個光束之間產生光程差，在探測器處發生干涉，通過探測器測量干涉信號。對光譜測量來說，只有交流分量具有實際意義，將其稱為干涉圖，用I(δ)表示，對于單色光源I(ν)其干涉圖表示為

(1)

式中:I(ν)——入射光的強度；

H(ν)——修正因子；

S(ν)——波數為ν的光源修正后的光強。

對于一個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

對式(2)進行傅里葉變換，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

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

(4)

式中：m(ν)——紅外探測器的光譜響應系數；

b(ν)——紅外探測器的光譜偏置。

再根據普朗克公式將輻射亮度譜轉化為輻射亮溫譜：

(5)

式中：C1，C2——黑體常數

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輻射傳輸過程進行簡便有效的分析[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

根據三層傳輸模型和比爾定律，測量光譜中表觀的云團與背景之間的溫差ΔT(ν)，與毒劑云團吸收引起的溫差(也稱為二次溫差)Δ2T(ν)(見圖7)之間滿足如下關系。

(6)

式中：l——毒劑云團厚度，m；

Ci——云團中第i種毒劑濃度，mg/m3;

σi(ν)——第i種毒劑分子標準吸收系數。

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，測量光譜中所表觀的毒劑云團吸收引起的溫差譜(也稱為二次溫差)Δ2T(ν)與毒劑分子標準吸收系數譜的結構具有一致性，可以通過相關系數鑒別毒劑種類，二次溫差譜中的吸收峰與某一毒劑分子標準吸收峰之間相似性越高，兩者之間的相關系數ri的絕對值就越大，云團中存在該毒劑的可能性就越大。

(7)

1.3.3 毒劑濃度計算

對于單一毒劑或多種毒劑吸收峰之間無重疊情況，根據式(6)計算毒劑濃度

(8)

(9)

1.3.4 探測限分析

由式(6)和圖5可見，如果毒劑云團與背景之間的溫差ΔT(ν)，毒劑云團厚度l，毒劑成分σi(ν)一定時，探測下限(探測下限越小，探測能力越高)主要由儀器噪聲等效溫差(NEDT)決定，當二次溫差Δ2T(ν)和儀器噪聲等效溫差(NEDT)相等時，儀器噪聲和毒劑吸收信號無法區分，此時為探測下限：

(10)

式中：ΔT0(ν)——云團與背景之間的溫差；

ρ(ν)——大氣散射。

可以看出探測能力與儀器噪聲等效溫差(NEDT)和探測距離L成反比(L越大，ρ(ν)越嚴重)，與毒劑云團與背景之間的溫差ΔT0(ν)和毒劑分子標準吸收系數σ(ν)成正比。

1.3.5 探測距離分析

探測距離與云團尺寸d和光譜儀視場角(FOV)θ有關，見圖8。

通常視場角(FOV)θ很小，探測距離可以近似表示為

(11)

圖8 儀器視場角與探測距離的關系

毒劑報警裝置的探測距離L受云團尺寸d的制約，在充滿報警裝置視場情況下，探測距離為L的云團，要求云團的尺寸最小為

d=L·θ

(12)

綜合上述探測能力分析可知，毒劑報警裝置的探測距離L與設置的毒劑濃度報警下限成正比。

2 被動FTIR遙測裝置的基本組成

遙測式毒劑報警裝置主要包括視場掃描系統、干涉儀、信號采集與控制、信號處理、光譜分析和報警顯示等，見圖9。

圖9 遙測式毒劑報警裝置主要組成框示意

視場掃描系統將不同空間方位的紅外輻射導入報警裝置內部，送至干涉儀進行紅外輻射干涉圖測量。信號采集與控制部分對紅外探測器測量的電信號進行放大和采集，依據可見激光的干涉信號反饋控制動鏡擺動，通過陀螺儀獲取運載平臺自身的俯仰角度變化，為系統提供角度參數，反饋控制掃描系統，校正運載平臺自身傾斜的影響。信號處理部分通過高速24位AD板卡將采集到的信號數字化，將數字信息送至高速DSP板卡進行數字濾波、數據截斷和整理，然后通過傅里葉變換將干涉圖轉換為離散的光譜圖。光譜分析部分首先通過被動FTIR光譜定標算法將測量的相對光譜強度轉換輻射亮度譜和輻射亮溫譜，然后將標準光譜數據庫中提供的特定溫度壓力、特定分辨率下的毒劑分子標準吸收系數轉化為與實際測量光譜相匹配的吸收系數。通過測量光譜與標準光譜之間的相關系數分析實現毒劑種類鑒別，并采用最小二乘法反演毒劑濃度。報警顯示部分用于顯示毒劑種類、毒劑濃度、方位信息并進行聲光報警。

3 被動FTIR遙測技術的發展現狀

目前，國內外基于被動傅里葉變換紅外光譜(FTIR)技術的遙測式毒劑報警裝置主要有美國陸軍遙測式毒劑報警裝置M21、美國三軍聯合輕型遠距離化學戰劑探測器JSLSCAD和德國Bruker公司遙測式大氣污染紅外探測器RAPID。

3.1 美國陸軍遙測式毒劑報警裝置M21

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

圖10 美國陸軍遙測式毒劑報警裝置M21

美軍從20世紀50年代開始對該裝備進行理論探討，80年代中期完成了系統設計定型，1992年進行小批量生產，90年代末期后批量生產以供美國陸軍和海軍陸戰隊使用。M21的主要問題是其核心部件——干涉儀抗振性較差，在行駛的運載工具上無法正常工作。主要性能指標如下。

探測毒劑種類：神經性毒劑。

探測距離：大于5 km；

探測靈敏度(CL)：90 mg/m2(ΔT= 5 ℃)；

視場角：1.5°× 1.5°;

方位掃描：1 min掃描60°(7個不連續位置)。

3.2 美國三軍聯合輕型遠距離化學戰劑探測器JSLSCAD

三軍聯合輕型遠距離化學戰劑探測器(joint service lightweight standoff chemical agent detector)JSLSCAD是在M21基礎上發展的第二代產品，見圖11。

圖11 美國三軍聯合輕型遠距離化學戰劑探測器JSLSCAD

1997年測試評估，2003年修改設計，并重新修訂了測試評估計劃。其采用了全新的干涉儀技術，進一步降低M21的體積、重量、功耗，改進了M21伺服控制機構，改進數據采集和模式識別算法可以適應背景快速變化的情況，這些措施提高了系統的抗振性。

JSLSCAD主要性能指標如下。

探測毒劑種類：神經性戰劑；

探測距離：大于5 km;

探測靈敏度(CL)：90 mg/m2(ΔT=5 ℃);

視場角：1.7°× 1.7°;

掃描范圍：方位角，n×360°,

俯仰角，-10°～50°。

3.3 德國Bruker公司遙測式大氣污染紅外探測器RAPID

德國Bruker公司遙測式大氣污染紅外探測器RAPID(remote air pollution infrared detector)是在該公司民用的傅里葉變換紅外(FTIR)光譜儀基礎上開發的軍用產品，見圖12。

圖12 德國Bruker公司RAPID裝置和報警界面

其采用的是高抗振、高穩定的RockSolid專利干涉儀，具有極好的穩定性和抗干擾性，即使在翻轉的情況下仍然能正常工作。目前，已應用于多國陸軍戰車、海軍艦船。主要性能指標如下。

探測毒劑種類：神經性戰劑；

探測距離：大于5 km；

探測靈敏度(CL)：135 mg/m2(ΔT= 1 ℃)；

視場角：1.7°× 1.7°；

掃描范圍：方位角，n×360°，

俯仰角，-10°～50°。

4 結束語

化學毒劑云團被動FTIR遙測技術包括光譜學、紅外物理學、分析化學、數學算法、光機設計與加工技術、紅外探測技術、自動控制技術、數字信號處理技術、軟件模擬仿真技術等，是一種多學科交叉綜合的技術?；诖思夹g原理的毒劑云團遙測系統是高精密的光機電工程與復雜的數學物理算法相結合的新型毒劑探測設備，該技術國外已經較為成熟，我國對該技術的工作原理也開展了相應的研究，隨著工業化的發展，很多關鍵的光機部件已經可以加工生產，被動FTIR遙測技術必將在環保、國防等領域發揮重要作用。

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[2] 張記龍，聶宏斌，王志斌，等.化學戰劑紅外光譜遙測技術現狀及發展趨勢[J].中北大學學報：自然科學版，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)非線性多點定標方法研究[J].光譜學與光譜分析，2008，28(9)：2077-2080.

[4] 方勇華，荀毓龍.化學云團遠距離被動遙測[J].紅外與激光工程，1996，25(6)：42-54.

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