非線性結點探測器在安檢排爆領域的應用分析

引言

非線性結點探測器是應用半導體PN結非線性原理，探測射頻信號的諧波，探測和定位非線性結點是否存在的儀器。上世紀八十年代，非線性結點探測器主要用于探測定位監視竊聽設備和探測隱藏的武器。近年來，世界各種恐怖活動日益猖獗，利用爆炸進行恐怖活動已成為當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備和電子定時器的控制，于是非線性結點探測器又有了新的應用，探測爆炸物的電子引爆裝置。現在越來越多的安檢人員開始使用非線性結點探測器在鐵路、機場和海關進行包裹安檢。

一、非線性結點探測器探測原理

非線性結點探測器用于探測目標的諧波輻射，而能夠產生諧波輻射的目標是非線性目標。非線性目標對接收到的基頻信號，不但輻射基波分量，同時也輻射諧波分量。典型的非線性目標包括帶有PN結點的電子設備和帶有金屬結的目標。非線性目標的伏安特性一般為曲線關系。

PN結點及一般半導體器件中的PN結，它的伏安特性曲線如圖1所示。

從圖1中可以看出，當PN結兩端加正向電壓時，外加電壓的方向與阻擋層內部電場方向相反，削弱了阻擋層內部的電場，電子和空穴的擴散運動遠大于漂移運動，即擴散電流占絕對優勢。PN結點正向電流可以表示為：

式中，Is是與外加電壓無關的系數，稱為反向飽和電流。它與PN結點中載流子濃度、擴散情況和溫度等因素有關；q為電子電荷量，等于1.602×10-19C；υ為結點兩端正向電壓；T為絕對溫度，單位為K，κ為波爾茲曼常數，等于1.38×10-23J /K。由于eqυ/κT>>1，那么I≈Ieqυ/κT，

s PN結點正向電流與兩端正向電壓為指數關系，這種非線性關系即可產生諧波再輻射。

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

從圖2中可以看出，金屬結的正、反向伏安特性曲線基本上是以原點為對稱中心呈反對稱形式，可以認為它是一個奇函數曲線。金屬結中電流的形成主要由于是隧道效應，其次是小部分超過勢壘高度的熱能量熱電子發射。常溫下，當結點兩端電壓v≤1.5V時，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，單位是[1/V2]；R0為金屬結初始電阻，即當結點兩端電壓為零時的電阻，單位為[Ω]。

當兩端電壓v≥1.5V后，金屬結的伏安特性與PN結點的正向伏安特性相似，即可以看成為指數形式。如果繼續加大金屬結兩端的電壓，將會出現不可恢復的擊穿現象。因此可得出結論：在擊穿電壓以內，金屬結的伏安特性都是非線性的。這種非線性就是金屬結能夠產生諧波再輻射的基本物理機制。

理論分析和實驗證明：由于PN結點和金屬結點伏安特性不同，當受到電磁波照射后，其再輻射信號也相差很大。PN結點再輻射的偶次諧波或組合波信號比奇次強，而金屬結點再輻射的奇次諧波或組合波信號比偶次強。這個重要而有實用意義的結論就是非線性結點探測器探測、定位非線性目標，且還能識別目標屬性的理論基礎。

二、國內使用的典型非線性結點探測器性能分析

目前世界上被廣泛使用的非線性結點探測器的設計和生產主要集中在美國、俄羅斯和英國等國家。美國的產品是NJE-4000和它的升級版HGO-4000；俄羅斯是生產非線性結點探測器品種最多的國家，它的產品主要有NR系列、Lornet系列以及Lux、Katran等；英國的產品除早期的SuperBroom外，近幾年新開發的產品FAH-450、FAW-3000和FAK-XDI也占據了一定的市場份額，去年已經升級為HAWK-XTS-900/2500。

在非線性結點探測器實現國產化之前，國內廣泛使用的非線性結點探測器多是美國的NJE-4000和俄羅斯的NR900EM，這兩款產品性能各有特色。

NJE-4000頻率轉換功能使發射機在880MHz～1005MHz頻帶內迅速轉換頻率。數字信號處理算法使探測靈敏度提高了18dB。發射機和接收機共用圓形偏振天線，圓形的偏振天線使通道數減少，避免錯誤天線偏振帶來的危險。根據半導體結點具有消音接收功能的原理，NJE-4000還可根據耳機里接收到設備的電子特征聲音來判斷被測物是電子設備還是金屬氧化物。單人輕型設計，整機可折疊，便于攜帶。自動電壓控制使當接收信號飽和時，功率可自動調節，發射功率14mW～1.4W，接收機的靈敏度為-133dBm。

NR-900EM及其升級產品NR-900EMS，都延續了俄羅斯產非線發射功率大的特點，發射功率大于20W。雖然探測距離高于NJE-4000，探測時間也比其他產品縮短，但存在對使用人員和周圍環境的損害，并有可能自動觸發被測物。在外觀結構上，發射接收電纜合并后，從手柄處通過伸縮臂連接到天線模塊。整機尺寸較大，重量較重，便攜性較差。

三、非線性結點探測器在安檢排爆領域的應用

（一）探測性能分析

我國使用非線性結點探測器的歷史可以追溯到上個世紀，起初只用于隱蔽電子設備的探查和安全保衛工作，隨著近幾年國際反恐形勢日趨嚴峻，非線性結點探測器作為探測爆炸物電子引爆裝置的有力手段之一，成為不同安檢級別場地安檢必備的設備器材。

我們通過探測深度試驗對目前我國使用的俄羅斯、美國和英國生產的三款產品進行了性能分析。為了試驗能客觀、公正地反應上述產品的探測性能，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）的測試墻，墻面用水泥抹平，測試前先用以上三款產品確定墻內無任何真假非線性結點。墻的一側布置了10個各種形態的真假非線性結點，以上三款產品在墻的另外一側探測、定位和判斷結點的位置和屬性（真結點或假結點）。測試數據如表1、表2所示。

通過試驗，非線性結點探測器的探測深度和其發射功率、接收靈敏度、天線帶寬、調制方式等參數密切相關。

理論上講，發射功率越大、接收靈敏度越高，探測效果越好，但實際上，任何一款探測器并不能把上述兩項指標都做到最高。樣機1發射功率大，峰值脈沖功率高達200W，雖然它的接收靈敏度只有-93dBm，但探測效果好于其它兩款，探測時不用旋轉天線的方向。樣機2的發射功率為1.4W，接收靈敏度為-135dBm，探測時需不停改變天線方向以保證探測效果。然而，發射功率過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備的正常使用，甚至觸發引爆物爆炸。在本次試驗中，樣機1就曾經將距離其10cm的電子鬧鐘觸發。

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發射和接收頻率的帶寬越寬，探測效果越好。樣機1的發射頻率是一個點860MHz，當目標為某些型號的二極管或三極管時，探測效果就不理想；樣機2和樣機3則不存在這樣的現象。因為樣機2設計是在一段較寬的頻帶內自動尋找閑置頻道，并且提供穩定的頻率，樣機3的發射頻率則是一個頻率范圍內的10個固定的頻點，使用者可以根據使用環境自己選擇。

調頻和調幅檢波可以擴大探測范圍，提高探測的準確度。樣機2和樣機3都應用了調頻和調幅檢波技術。例如樣機2使用連續波傳送1KHz的調頻載波聲音信號，可以大大提高操作者的探測范圍，并且使用者能夠通過高質量的接收器聽到調頻檢波的聲音。試驗中當通過指示器不能區別結點的性質時，利用可聽到的聲音對非線性結點進行準確認定，半導體結點和偽結點很容易被區分開。

三款樣機不同的設計思路使得它們的探測深度相差很大，這也決定了它們適用于不同的場合，有不同的用途。樣機1機器內部控制系統和分析判斷能力較弱，接收靈敏度低，但發射功率最大，其結構抗震性能也好，因此在一線主要用于戶外反恐安全檢查。樣機2獨有的頻率轉化功能提高了接收靈敏度；發射功率低，不會對人體有傷害；自動判斷結點性質的功能使得準確性提高，因此它目前主要用于檢查辦公室、輕型墻體和家居內隱藏的電子裝置。

（二）誤報情況分析

非線性結點探測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，由于環境復雜和技術上的原因，容易產生誤報。在對行李包裹進行探測時，由于其中攜帶了電動剃須刀、MP3等電子產品，非線性結點探測器很快報警，此時需要安檢員利用其它的安檢器材確定可疑電子產品是否攜帶遙控裝置。有些旅行箱各面的交匯處會用金屬加固，金屬氧化后，非線性結點探測器會給出三次諧波高的結果，為確保檢測的準確性，安檢員可利用其它的安檢器材對箱內角進行檢查。在場地安檢過程中，軟管窺鏡、炸探等裝備配合非線性結點探測器同時使用，也會降低探測的誤報率。

為保障探測效果的準確，非線性結點探測器應該定期維護，每次使用前用樣片進行校準。

四、非線性結點探測器的發展趨勢

縱觀非線性結點探測器三十多年的發展史，結合其在安檢排爆方面的應用，不難判斷出其技術的發展趨勢。

第一，便攜式非線性結點探測器的結構，“一體機”將取代“分離機”。所謂“一體機”的結構，整機重量輕，它們的控制單元小巧輕便，通過伸縮桿和天線單元連接在一起，符合人體工程學的設計，使用者不必再像NR-900系列的產品，控制單元通過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，發射功率超大的非線性結點探測器將被市場淘汰。早期的非線性結點探測器產品中，發射功率都超過了150W，雖然探測效果得到了用戶的肯定，但也帶來了許多弊端，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備的正常使用，甚至觸發引爆物爆炸。目前國內的許多單位，出于“以人為本”的原則，對上述產品停用。隨著數字技術的發展，DSP技術引入非線性結點探測器的設計后，接收靈敏度有了很大的提高，發射功率適當降低后也能保障探測的效果。此外發射頻率選擇在超高頻段，能夠很好的實現遠程探測的效果。

第三，具有遠程控制功能的非線性結點探測器將受到使用者的青睞。國際反恐形勢日趨嚴峻，許多非線性結點探測器的使用者的操作環境相當危險，在這種情況下，使用遠程控制軟件就可以通過電腦及接口連線，在危險區域幾十米之外操作非線性結點探測器，進行探測。

第四，配套附件的使用將會大大提高探測效率和正確率。當今的非線性結點探測器都配有耳機，可以依靠聽覺來判斷真假結點，因為半導體結點具有消音接收功能，而偽結點不具備這種特性。使用附件如橡皮錘，對被檢測處進行敲擊，同時用聽覺判斷，就可以提高探測的正確率。

五、結語

非線性結點探測器是基于諧波探測技術的一種儀器，它在反恐、安全檢查等領域有廣泛的使用前景。 加強產品數字化、自動化和智能化的設計，可以使之更加貼近公安一線的需求。