基于NQR技術(shù)的爆炸物探測天線自動調(diào)諧裝置

作者 / 任天亮，中國電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所

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基于NQR技術(shù)的爆炸物探測天線自動調(diào)諧裝置

作者 / 任天亮，中國電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所

本文基于NQR技術(shù)提出了一種適用于爆炸物探測的天線自動調(diào)諧裝置，該裝置具有自動調(diào)諧的能力，可以在較大范圍內(nèi)調(diào)整電容匹配網(wǎng)絡(luò)的各電容值，以滿足發(fā)射電路和接收電路的匹配和隔離要求，并在試驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行了驗(yàn)證。

NQR；爆炸物探測；自動調(diào)諧

引言

核電四極距共振（nuclear quadrupole resonance，NQR）技術(shù)，是指原子核的非球?qū)ΨQ部分因與核外電場梯度相互作用引起能級分裂，在外加射頻場作用下，產(chǎn)生能級躍遷的過程。同一種原子核，處在不同的物質(zhì)中，或同一種物質(zhì)不同的結(jié)構(gòu)型式，其核電四極矩共振頻率都不相同。在炸藥探測領(lǐng)域，NQR技術(shù)具有準(zhǔn)確率高、誤警率低等優(yōu)點(diǎn)。

目前使用NQR技術(shù)探測炸藥成分主要有黑索金（RDX）、梯恩梯（TNT）、奧克托金（HMX）、太安（PETN）、特屈兒（TETRYL）、硝銨（AN）。由于它們的NQR信號頻率不同，在進(jìn)行探測時(shí)，需要更換不同的天線。而更換天線后，發(fā)射電路與天線諧振電路的阻抗匹配狀態(tài)發(fā)生變化，需要手動調(diào)節(jié)可調(diào)電容，匹配不同的天線，使系統(tǒng)達(dá)到較佳的發(fā)射狀態(tài)。由于電路采用收發(fā)共用天線，諧振電路在發(fā)射和接收時(shí)的諧振狀態(tài)不完全一致，需要手動調(diào)節(jié)可調(diào)電容，使發(fā)射電路和接收電路均可以滿足阻抗匹配的要求。本文設(shè)計(jì)了一種天線自動調(diào)諧裝置，適用于梯恩梯（TNT）、太安（PETN）、硝銨（AN）3種炸藥的NQR信號探測。

1. 天線自動調(diào)諧裝置設(shè)計(jì)

■1.1 收發(fā)天線設(shè)計(jì)

在進(jìn)行NQR信號探測時(shí)，采用收發(fā)共用天線。對于多層線圈產(chǎn)生的電感是多層線圈產(chǎn)生的磁場影響的，多層線圈的磁場又是多層線圈產(chǎn)生磁場的疊加，因此有多層線圈的電感為：

式中 h為線圈的間距、為線圈的匝數(shù)、d為線圈導(dǎo)線的直徑、r為線圈框架的外半徑。

在本系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)的線圈電感量為200μH，使用的材料為銅質(zhì)漆包線，固定骨架采用介電常數(shù)較小的玻璃纖維材料。

■1.2 天線諧振電路設(shè)計(jì)

由于發(fā)射電路和接收電路使用同一個(gè)天線，因此在發(fā)射脈沖或接收信號時(shí)，諧振電路的阻抗不一致，其阻抗匹配情況也會發(fā)生變化，因此在發(fā)射脈沖前，需要對諧振電路進(jìn)行調(diào)諧，以滿足發(fā)射電路與諧振電路匹配的要求。發(fā)射脈沖時(shí)諧振電路阻抗模型如下圖1（a）所示，則諧振電路的阻抗為：

圖1（a） 諧振電路阻抗示意圖

圖1（b） 諧振電路等效阻抗示意圖

由于C3的阻抗很大，諧振電路等效阻抗模型如圖1（b）所示，考慮天線的內(nèi)阻為R，

由于C2R2和wC2R2很小，可以忽略，將公式化簡如下：

通過調(diào)整電容C2使諧振電路的特征阻抗調(diào)整為50Ω，滿足發(fā)射電路的阻抗匹配，

通過調(diào)整電容C1使圖3（b）中電路滿足串聯(lián)諧振要求，

圖2 諧振電路阻抗示意圖

接收電路接收信號時(shí)，諧振電路模型如圖2所示，

根據(jù)探測天線的參數(shù)及以上公式計(jì)算出各種頻率下各電容的設(shè)計(jì)值。根據(jù)設(shè)計(jì)值，絡(luò)采用一系列的電容組合，通過切換電容組合，調(diào)整電容組合的容值。

圖3 諧振電路電容組合示意圖

諧振電路示意圖如圖4所示，使用高壓繼電器控制切換匹配電容（見圖5），該電路可與上位機(jī)的通信，根據(jù)上位機(jī)的調(diào)諧命令，驅(qū)動調(diào)諧電容步進(jìn)遞增或者遞減，實(shí)現(xiàn)諧振電路自動調(diào)諧。

圖4 諧振電路示意圖

圖5 電容自動調(diào)諧控制電路

■ 1.3嵌入式軟件設(shè)計(jì)

嵌入式軟件使用IAR Embedded Workbench平臺。軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)電容自動調(diào)諧電路與上位機(jī)的通信，切換高壓繼電器的閉合狀態(tài)，使電容自動調(diào)諧電路按照上位機(jī)的命令，進(jìn)行步進(jìn)遞增或者遞減。電容自動調(diào)諧電路和上位機(jī)之間的通信采用上位機(jī)主動發(fā)送方式，軟件的流程如圖6所示。

圖6 軟件工作流程示意圖

2.測試結(jié)果與分析

天線自動調(diào)諧裝置可以遠(yuǎn)程控制電容組合切換，調(diào)整參與諧振電路的電容值，使天線諧振電路在發(fā)射和接收時(shí)，均可以達(dá)到較好的匹配狀態(tài)及諧振狀態(tài)。由于收發(fā)共用一個(gè)天線，在進(jìn)行激勵(lì)信號發(fā)射和NQR信號接收切換的時(shí)候，需要切換時(shí)間盡量短，要求高壓繼電器的切換時(shí)間小于6ms，該電路在試驗(yàn)室中測試結(jié)果如下，從圖中可以看出，繼電器的閉合和釋放時(shí)間均小于6ms。

圖7 繼電器切換時(shí)間波形圖

在試驗(yàn)室中試驗(yàn)時(shí)，自動調(diào)諧完成后，檢測接收諧振狀態(tài)，通過信號發(fā)生器發(fā)射0.423MHz信號，在諧振天線兩端感應(yīng)的信號經(jīng)過前置放大器放大后，通過示波器檢測諧振波形（見圖8）。

通過發(fā)射電路發(fā)射激勵(lì)信號，在諧振天線旁放置感應(yīng)天線，在感應(yīng)天線兩端使用示波器測量發(fā)射諧振感應(yīng)波形（見圖8）。

可以看出，使用天線自動調(diào)諧裝置，可以完成天線調(diào)諧，使諧振電路滿足發(fā)射電路和接收電路匹配的要求。

圖8（a） 接收諧振波形

圖8（b） 發(fā)射諧振感應(yīng)波形

3.結(jié)論

文中基于NQR技術(shù)設(shè)計(jì)了一種天線自動調(diào)諧裝置，該裝置具有自動調(diào)諧的能力，可以在較大范圍內(nèi)調(diào)整電容匹配網(wǎng)絡(luò)的各電容值，能夠滿足發(fā)射電路和接收電路的匹配和隔離要求，在試驗(yàn)室環(huán)境下可以有效的完成天線自動調(diào)諧。但是，該電路仍有不足之處。由于高壓繼電器在高壓下工作，而高壓繼電器的控制電壓為低電壓，控制電路很容易受到干擾，導(dǎo)致高壓繼電器產(chǎn)生誤動作；電容匹配網(wǎng)絡(luò)采用一系列的電容進(jìn)行并聯(lián)，而現(xiàn)有電容標(biāo)稱值及精確度，不能完全覆蓋到所需要的電容值，在一定程度上，其調(diào)諧的精度不如手動調(diào)節(jié)可調(diào)電容精確。因此需要從電路抗干擾設(shè)計(jì)和電容匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方面進(jìn)一步處理，采用更好的電容切換控制方法以及更優(yōu)的電容組合。

＊ ［1］A Simple Method for Measuring the Q Value of an NMR Sam ple Coil Yi Jin Jiang 1999

＊ ［2］核磁共振光譜解析簡論.梁曉天

＊ ［3］朱凱然，蘇濤等.基于核四極共振的爆炸物探測技術(shù)研究進(jìn)展.2013