探测理论（共5篇）
探测理论 篇1
近年来, 随着科学技术的进步与发展, 红外扫描技术广泛应用于各个领域。然而在激光主动探测中, 红外扫描型成像系统作为被探测的目标, 探测结果具有不确定性:由于目标的扫描线阵在工作过程中位置并不固定在焦平面处, 而是不断变化, 因此其后向反射特性并非一直存在。为深入分析目标探测结果存在不确定性的根本原因, 笔者对此作出如下分析与探讨。
1 红外扫描型成像系统成像方式
1.1 扫描成像方式简介
目前主流红外探测器的扫描成像方式大致可分为三类[1]。
1.1.1 串联扫描成像
如图1所示, 串联扫描成像方式按扫描方向排列线阵检测单元来进行水平和垂直方向的扫描, 各检测单元的输出信号由元件的间隔和扫描速度共同决定, 探测器的输出信号则由各检测单元的输出信号叠加而成。扫描方法为利用多面体旋转扫描镜在水平方向上进行快速扫描和利用垂直扫描镜进行垂直方向慢速扫描。若再利用所谓时间延迟积分 (TDI) 技术则可以补偿由于高速扫描而引起的灵敏度下降问题。串联扫描的优点是即便探测元件灵敏度有误差, 图像也有比较好的均匀性。
1.1.2 并联扫描成像
如图2所示, 并联扫描成像方式相对于扫描方向排列成扫描线阵, 线阵各行的检测单元分担每行的扫描区。这种方式的线阵元件数量多, 不必对垂直方向进行扫描, 因此相对于串联扫描方式具有扫描速度快、扫描结构简单等优点。目前, 在民用方面, 多采用多面体旋转扫描镜或鼓式扫描镜进行水平方向扫描, 扫描线阵约10个元件左右;军用方面, 多采用平面镜进行扇面扫描, 扫描线阵约240至900个元件不等。并联扫描的缺点是每个元件都需要独立的放大器, 成像质量与各元件的性能相关。
1.1.3 串并联扫描方式
如图3所示, 串并联扫描方式综合了串联扫描中时滞与积分改善性噪比的优点和并联扫描中扫描速度快的优点。在目前串并联扫描方式中, 以扫描型CCD成像方式最为典型:如图2.3所示, 用2至16列线阵CCD, 在各列之间进行时间延迟积分。在图像垂直方向用线阵CCD, 信号由CCD读出, 各列元件的信号进行时间延迟积分后重叠在最后的CCD列上。CCD列伴有机械扫描, 故称为扫描型CCD。目前, 欧美发达国家投入实用的扫描型CCD已经达到960×4元, 对8~12μm波段的红外成像具有很高的水平。
1.2 红外扫描型成像系统参数
在红外扫描型成像系统中, 最重要的两个参数是扫描周期和探测单元的扫描时间 (驻留时间) 。由于红外扫描型成像系统的帧频不容易改变, 其扫描周期一般为常数, 故我们关心的是扫描时间与驻留时间之间的关系, 这需要求出驻留时间的表达式。下面以并联扫描为例说明探测单元扫描时间的求解过程。
如图4所示, 设红外探测器的光敏面为矩形, 尺寸为ɑ×b;光学系统物空间线视场尺寸为A×B。于是, 探测器的角度尺寸 (光敏面瞬时视场) 为
式1中, f为光学系统物镜焦距。红外成像系统的角视场:
式2中, D为目标到红外成像系统的距离。对于A1×B1的视场, 设红外成像系统的扫描周期为TTa, 扫描效率为η, 一个探测单元的扫描时间为, n为线列每一行的并行扫描元探测单元数, 则我们可得到关系式如下:
式3中, 为表征红外扫描型成像系统扫描特性的重要参数, 称为驻留时间, 其值一般为数微秒左右。通过查阅相关资料可知, 一般情况下, 驻留时间在目标线列CCD扫描周期内的占空比低于1%。当瞬时视场的扫描速度不变时, 驻留时间为常数。
由图4还可见, 水平扫描棱柱的旋转速率是与红外探测器的扫描速率一致的, 因此, 红外扫描型成像系统的光敏面 (扫描棱柱) 只有在驻留时间内才存在“猫眼”效应, 使目标主动探测成为可能。
2 脉冲制式激光主动探测系统探测原理分析
由第一章激光主动探测系统背景可知, 激光主动探测系统的各组成部分按功能可分为激光主动成像单元和实时信号处理单元两部分。其中, 激光主动成像单元包括激光器、发射光系统、基于接收CCD探测器的回波接收系统和捕获跟瞄机构等;而实时信号处理单元主要包括数据处理系统和目标信息输出系统。由于本文要解决的是作为目标的红外扫描型成像系统的可探测性问题, 而不涉及目标提取和识别问题, 因此, 重点关注的是激光主动成像单元的工作原理, 即激光器、发射光学系统、基于CCD探测器回波接收系统的基本工作原理。
2.1 脉冲激光器
作为激光主动探测系统主要组成部分的激光器, 一般分为高频连续激光制式和脉冲激光制式两大类。通常, 连续激光制式发射功率较低, 后向散射噪声较大, 致使探测距离受限;而脉冲激光能量较高, 并且受后向散射噪声影响较小, 因此具有更远的探测距离。因此, 目前主流的激光主动探测系统一般多选用脉冲制式的激光器。
激光器作为激光主动探测系统的核心部件, 提供了对目标主动照射的能量, 其性能直接关系到激光主动探测系统的效能[2]。在波长方面, 现有激光主动探测系统普遍采用1.06μm、793nm、808nm或880nm近红外光, 它们在大气传输特性等方面具有较好性能, 此外, 在激光器选型时, 还要考虑对应回波接收系统的CCD对应哪种波长具有较高光电转化率等实际问题;功率方面, 主要依据主动探测系统探测距离需求选型;发光制式方面, 多选用半导体激光器, 因为与气体激光器和固体激光器相比, 半导体激光器具有体积小、工作寿命长、电光转化率高、光束质量好等优点。对于脉冲激光器, 除激光波长、峰值功率等参数外, 还需要知道激光脉冲的脉宽、重复频率等信息。在本研究中, 重点关注的是激光脉冲脉宽和重复频率参数, 两者关系式简要推导如下:
由调Q理论[3]可知, 当调Q重复频率为f时, 激光脉冲的能量E, 脉冲宽度Δt表达式为:
在式4至式6中, P'为激光器平均输出功率;ni和nf为上、下级的粒子束密度;h为普朗克常量;V0为激光输出的中心频率;L'为谐振腔透射损耗以外的其他损耗;L为谐振腔长度;c为真空中光速。由式2-4和式2-6, 可得激光脉冲宽度与激光重复频率之间的关系式如7所示。
由式7还可以看出, 当激光重复频率f和光子频率V0不变时, 激光脉冲的脉宽Δt与激光脉冲能量E成反比, 这说明若激光脉冲的能量减小, 则脉宽增大, 反之则减小。
2.2 发射光学系统
在激光主动探测中, 减小激光发散角, 可以提高激光能量利用率并增大探测距离, 而激光器本身的发散角一般不符合使用要求, 因此, 需要对激光器出射光束进行准直处理, 改善光束的方向性。在对光束进行准直处理后, 为将激光束能量最大限度投送到远距离目标上, 通常还会对光束进行扩束处理以增大光束宽度。激光主动探测系统的发射光学系统的功能就是对激光器出射光束进行准直扩束处理。
目前, 激光主动探测系统的发射光学系统一般采用折射式变焦扩束方案和反射式扩束方案。折射式变焦扩束方案如图5所示。
图5中, 从左至右三个镜组分别称为变焦组、固定组和补偿组。当变焦组相对于固定组发生移动时, 会使得变焦组与固定组的等效焦距连续改变并产生新的焦点。当变焦组移至某个位置时, 补偿组也可以移动到相应位置使新的焦点稳定在补偿组的焦点上。这样就组成了新的扩束比的扩束系统。
若设变焦组、固定组和补偿组的焦距分别为f1、f2、f3, 变焦组与固定组之间的距离为l1, 固定组与补偿组之间的距离为l2, 输入激光束的瑞利距离为Z01, 则按照高斯光束通过透镜的变换理论[4], 可得扩束比M和l1与l2之间的关系式:
在式8和式9中, M和l2随l1递减的条件为:
在实际应用中, 为满足成像质量要求, 需要对变焦组、固定组和补偿组三个镜组的参数进行优化。优化过程一般是首先根据高斯参数设定初始结构参数, 然后组合得到一个可追踪光迹的光学系统, 最后附加一个理想抛物面反射镜进行像差优化和成像质量评价, 并结合多重结构来优化。
激光器出射光束经过折射式扩束系统后, 形成发散角较小的平行光, 此时光束的轴外像差较小, 而轴上宽光束引起的球差较大。为消除球差, 需要增设反射式扩束系统。目前反射式扩束系统主要有卡塞格伦系统、牛顿系统、格里高利系统等, 其中卡塞格伦系统应用最为广泛。在卡塞格伦系统中, 由于次镜是对无限远目标进行成像, 因此一般采用双抛物反射面系统来消除系统球差。此外, 由于激光束能量集中在中心, 因此需要在共轴系统所设定的初始参数基础上进行离轴处理, 并对次镜二次球面系数进行优化, 以避免中心遮挡。
2.3 基于CCD的回波接收系统分析
在目前的激光主动探测系统研究中, 一般采用雪崩光电二极管 (APD) 或电荷耦合器件 (CCD) 等将目标回波的光信号转化为电信号供后续信号处理单元处理。APD具有单光子探测能力, 内增益和灵敏度高, 因而能探测微弱信号, 使低功远距离耗探测成为可能[5]。然而, APD受半导体制造工艺限制, 内增益能力提高有限, 且回波信号为一维信号, 受背景噪声影响较大, 目标信号的去噪处理较复杂。而通过CCD得到目标信号为二维图像, 与一维数字信号相比不仅更有利于目标识别提取, 而且还具有灵敏度高等优点, 更适合应用于快速主动成像场合。
CCD基本工作方式主要依靠信号电荷的注入、存储、转移和检测, 通过以电荷为信号载体实现光信息到电信息的转换[6,7]。目前, CCD图像传感器可分为一维 (线阵) CCD和二维 (面阵) 两大类。其中, 线阵CCD图像传感器光敏单元紧密排列成一行, 具有传输速度快、集成密度高等优点, 广泛引用于高速测量和大幅面高精度实物图像扫描等领域。线阵CCD又有单沟道和双沟道之分, 单沟道线阵CCD主要结构如图6所示。
图6中, 光敏二极管在光信号作用下产生信号电荷, 转移栅可将光敏区信号电荷向模拟移位寄存器转移, 且在模拟移位寄存器转移信号电荷期间隔离模拟移位寄存器和像元, 使像敏区进行光积分的同时将模拟移位寄存器中的信号电荷转移到信号输出单元。在信号输出单元中, 信号电荷经输出电路转换为脉冲电压序列从输出端口输出。
双沟道线阵CCD在单沟道CCD的结构基础上, 又增加了一组CCD模拟移位寄存器、转移栅和存储栅等部件, 如图7所示。
双沟道线阵CCD与单沟道线阵CCD相比, 具有驱动简便、较高动态范围等优点, 但由于双沟道线阵CCD的信号分别通过两个移位寄存器沟道输出, 两个沟道转移特性的差异会造成输出信号的奇偶性, 影响器件像敏单元不均匀性参数。
将线阵CCD作为激光主动探测系统的回波接收器件时, 具有以下优点:
1) 光谱探测范围大:当探测距离增大到一定程度时, 受背景环境各种波长的杂波以及探测光束在大气中损耗等因素影响, 目标受“猫眼”效应而产生的回波信号很容易湮没在噪声中, 此时利用CCD光谱范围宽的特点, 通过在回波光学系统中添加滤光片, 可消除杂散波影响, 而突出对探测光波长的响应。
2) 图像采集速度高:在高速工作的线阵CCD中, 通常采用“分段同步驱动”的设计方法, 将器件的线阵分段并行输出, 使器件的等效驱动频率等于各分段驱动频率之和, 从而提高了图像传感器的工作速度。此外, 还可以通过降低分辨率的方法来提高速度。目前, 高速线阵CCD工作频率范围从数十到数百兆赫兹不等。
可见, 在设计激光主动探测系统的激光主动成像单元时, 需要综合考虑激光器选型、发射光学系统设计、回波接收系统设计等问题, 各个子系统的性能及其匹配程度好坏决定了激光主动成像单元的整体效能。
3 红外扫描型目标探测建模与分析
当采用基于脉冲激光制式的激光主动探测系统探测红外扫描型成像系统时, 由于后者的后向反射特性并不是一直存在的, 因此发射光打到这类目标时, 目标可能不能产生“猫眼”效应而将入射光原路返回, 导致目标不可探测。为分析红外扫描型成像系统这类目标探测结果的不确定性, 首先需要依据激光主动探测系统和红外扫描型成像系统的工作原理, 对激光主动探测的探测过程进行建模, 确定相关参数;然后, 通过探测仿真实验分析目标反射回波数量与目标扫描频率的定量关系, 从而得到目标扫描频率与目标探测难易程度之间的关系, 即目标的探测特性。
3.1 红外扫描型目标的探测模型
在脉冲制式激光主动探测系统和红外扫描型成像系统工作原理的基础上, 结合对红外扫描型成像系统的可探测性问题的研究目的, 可知在分析目标的可探测性时, 只需关心目标有无反射回波的情况, 而不必考虑回波强度等其他因素。因此, 为分析简便起见, 探测模型建立的前提条件可假设如下:
1) 激光主动探测系统中的激光器为脉冲激光器, 对于模型中的脉冲激光器, 不用考虑波长、功率、脉冲能量、发散角等因素, 而只需考虑激光脉冲的脉宽和重复周期 (频率) 参数;
2) 对于激光主动探测系统中的发射光学系统部分, 出射光束为理想的平行光, 光束宽度、发散角等因素不用考虑;
3) 回波接收系统的光电传感器为满足实时目标探测应用领域的专用高速线阵CCD, 其工作频率 (数十兆赫兹) 远高于脉冲激光器重复频率 (数百赫兹) , 因此在CCD在接收到回波光信号到输出电压信号的积分时间可忽略不计, 并且忽略分辨率等其他不相关参数;
4) 由于在实用中激光主动探测系统的探测距离通常为数十千米左右, 因此探测光束来回传播时间可忽略不计, 同时还可不计大气扰动等因素的影响;
5) 对于红外扫描型成像系统, 只需考虑其扫描线阵的扫描周期 (频率) 和驻留时间参数。
由探测模型的建立条件可知, 脉冲制式激光主动探测系统对红外扫描型成像系统的探测结果之所以具有不确定性, 其原因主要体现在时间因素上。因此, 在对激光主动探测的探测过程进行建模时, 需要分别考虑激光主动探测系统的时间参数模型和红外扫描型成像系统的时间参数模型的建模。
激光主动探测系统的时间参数模型如图8所示:将时间轴t看成由无数发射激光重复周期所组成的序列, 激光脉冲为每个重复周期内的一段子区间, 如图中的灰色矩形块所示。模型中涉及到的时间参数分别是发射激光重复周期 (频率) , 以及激光脉冲脉宽。
与激光主动探测系统的时间参数模型建模一样, 可将时间轴看成由无数目标线阵扫描周期 (以下简称目标扫描周期) 组成的序列, 如图9所示, 图中箭头表示红外成像目标扫描焦平面的时间, 即驻留时间。由3式可见, 驻留时间的大小与红外成像系统的扫描周期成正比, 因此可假定对于不同的红外扫描型成像系统的扫描频率, 其驻留时间的占空比为定值。这样, 目标时间参数模型中涉及到的时间参数就只有目标线阵的扫描周期 (频率) 。
在实际探测中, 激光主动探测系统和红外扫描型成像系统之间的时间关系是不确定的:只有在探测系统发射探测激光脉冲的同时, 目标由探测单元所组成的扫描线阵恰好扫描至光学窗口焦平面, 目标才能受“猫眼”效应影响产生反射回波。这样, 上述反射回波的产生条件, 反映在时间关系上, 就是驻留时间脉冲与发射激光脉冲的交集不为空, 如图10所示。又由于在探测模型的建立条件中, 已假设回波接收系统的高速线阵CCD的积分时间以及探测光传输时间可忽略不计, 因此目标若能够反射探测光形成反射回波, 则反射回波脉宽等于驻留时间与发射激光脉冲交集宽度。
将图8中的激光主动探测系统时间参数模型和图9中的红外扫描型成像目标的时间参数模型组合在一起, 就可以得到探测模型如图11所示。
由于在实际探测中, 激光主动探测系统是在开机启动之后才进行探测工作的。因此, 在图11的探测模型中, 可定义一个0时刻, 代表激光主动探测系统开始工作的时刻。此外, 由于在系统开始探测时, 目标相对于探测系统的时间状态是不确定的, 故可以将不确定的时间状态用初始时间定量表示, 即为0时刻开始到目标第一个驻留时间脉冲上沿之间的间距, 于是可知初始时间就是在目标扫描周期范围内的均匀分布的随机变量, 初始时间每一种取值情况, 都可视为探测系统相对于目标的一个初始状态。
将图11中的探测模型参数化得到图12所示。
上述参数相关说明如下:由于激光脉冲的脉宽大小取决于系统本身, 因此为计算方便, 设激光脉冲脉宽Tpl可整除激光脉冲重复周期TLa;Tsa是在 (0, TTa]上均匀分布的随机变量;TMe是从0时刻开始的有限长时间段。设置观测时间参数TMe的原因是:在实际中, 观测时间无限长是没有意义的, 故一般只关心在观测时间内的探测情况, 而不关心观测时间以外的探测情况。
3.2 红外扫描型目标的探测特性分析
在建立了激光主动探测系统对红外扫描型成像系统的探测模型后, 可根据探测模型, 分析目标的探测特性。这里, 探测特性指的是目标探测的难易程度。而目标探测的难易程度, 可以用其初始状态与反射回波数量的关系来形象表示———若目标在大部分初始状态条件下都产生反射回波, 且反射回波数量多, 说明该目标探测难度较低;反之则说明探测难度较大。
由上节中的探测模型可知, 初始时间Tsa是描述目标相对于探测系统时间状态的物理量, 反映在探测模型中, Tsa就是在 (0, TTa]上均匀分布的随机变量。当Tsa在 (0, TTa]上取不同的值时, 也就反映了目标相对于探测系统不同的状态。因此, 可以考虑遍历Tsa取值的所有可能情况, 对每一个取值条件下进行探测试验, 得到目标反射回波的情况, 最后通过初始状态与目标反射回波数量的关系得到目标的探测特性。
由于初始时间在理想条件下为连续的随机变量, 对应的初始状态为无穷多且不可数, 而探测试验的次数为有限可数的离散量。因此, 为了得到初始状态与目标反射回波数量的关系, 需要首先将初始时间进行量化处理, 即对初始时间的取值范围 (即目标扫描周期) 进行抽样, 使每一个抽样值对应一个初始状态。这样, 初始时间经抽样后得到的初始状态即为数量有限的离散值, 初始状态也即是在目标扫描周期上分布的离散随机变量。目标扫描周期的抽样过程如图13所示。
图13中, Tsa为初始时间;TTa为目标扫描周期;TLa为发射激光脉冲周期;Ts为抽样间隔。由图可见, 当完成目标扫描周期的抽样后, 探测系统的0时刻可看成是一个指针 (以下称为0时刻指针) , 这个0时刻指针从目标驻留时间上升沿开始, 从右向左移动, 移动的步长等于抽样间隔Ts。0时刻指针每移动到一个抽样时刻, 就对应一个新的初始状态。这样, 当0时刻指针遍历完每个抽样时刻后, 也就遍历完了所有的初始状态。通过分析在不同初始状态条件下目标的反射回波数量情况就可得到目标的探测特性。
关于抽样间隔Ts, 需要作出下面两点说明:
1) 图2.13中, Ts的值可根据计算精度的可自行指定:Ts越小, 则初始状态越多, 探测特性精度越高, 但计算量也会急剧增大;而Ts越大, 则计算负担越小, 但探测特性精度低, 极端情况下当抽样间隔等于目标扫描周期时, 探测模型反映不出任何有意义的初始状态信息。因此抽样间隔Ts需要合理地确定。
2) 抽样过程既可以是均匀抽样, 也可以是非均匀抽样。在非均匀抽样中, 抽样间隔Ts的值可改变。但无论采用哪种抽样方式, 由于目标初始时间是服从均匀分布的随机变量, 因此每个初始状态发生的可能性与其对应的抽样间隔长度成正比。为计算简便起见, 本章考虑均匀抽样的情况, 以保证每个初始状态发生的可能性相等。
上述探测特性分析过程可以用图14中的流程图表示。
在实际的激光主动探测中, 目标扫描频率的具体数值是未知的, 一般只知道扫描频率的范围, 因此在仿真实验中, 通过遍历目标每个扫描频率, 就可以得到目标反射回波数量、目标扫描频率 (周期) 、以及初始时间三者之间的定量关系。该定量关系可以直观的反映出目标在各个扫描频率条件下的探测特性。
4 红外扫描型目标的探测仿真实验
本节仿真实验条件为:目标扫描线阵的扫描频率范围为10Hz到200Hz, 驻留时间占空比0.5%;探测系统发射激光重复周期为10ms;激光脉冲脉宽为1ms, 均匀发射;抽样间隔为1ms均匀抽样;观测时间为1s。仿真实验结果如图15所示。
由图15可见, 由于不同目标扫描频率对应的扫描周期不同, 使得初始时间也不相同。为了能够在统一的尺度上研究目标在不同扫描频率下的探测特性, 对于目标扫描周期不足100ms的情况, 可扩大抽样范围, 即将初始时间抽样范围统一为100ms后均匀抽样, 得到探测结果如图16所示。
在图16中, 可见对于目标所有可能的扫描频率, 其反射回波数量在目标初始时间上周期性分布, 周期等于探测系统激光脉冲重复周期。图17给出了目标扫描频率分别为27Hz、46Hz、133Hz和179Hz条件下的目标反射回波数量与初始时间的曲线关系图。
图17中出现的目标反射回波数量在目标初始时间上呈现周期性现象的原因是探测激光脉冲均匀发射:在观测时间不变的情况下, 初始时间每隔10ms, 相当于目标扫描周期序列相对于发射激光重复周期序列平移一个重复周期的距离。由于激光脉冲的周期性, 两个序列对应时间关系在平移前后等效, 因此对应的观测时长内的目标反射回波数量自然也就没有变化, 从而呈现出周期性。
由图16还可以看到在不同的初始时间条件下, 都有目标扫描频率越大, 则目标反射回波数量越多的情况。这说明, 目标反射回波数量与目标扫描频率为正相关关系。图18给出了初始时间分别为13ms、47ms、73ms和91ms条件下的目标反射回波数量与目标扫描频率的曲线关系图。
由图16和图18可直观地看到, 在各个初始状态条件下, 都有目标扫描频率与反射回波数量的正相关关系。这说明, 目标扫描频率越高, 则越容易被探测到。
在上面的仿真实验中, 都是用初始时间来表示目标相对于探测系统的时间状态, 这样的表示方式不能反映出目标扫描相位与目标反射回波数量之间的关系。在上述仿真实验基础上, 还可以得到目标扫描频率、目标初始相位以及目标反射回波数量三者之间的三维关系曲线图, 如图19所示。
将图19与图16相比较后可以发现, 在图19中, 当固定目标某个初始相位时, 其对应的目标扫描频率与目标反射回波数量关系的曲线和图16中一样, 呈现出正相关关系。然而, 当固定某个目标扫描频率时, 发现有些频率对应的目标相位与目标反射回波数量的关系呈现一定周期性, 而有些频率则没有。对图19中所示的部分目标扫描频率, 我们可得其对应的目标相位与目标反射回波数量的关系曲线如图20所示。
由图20中可见, 目标扫描频率为179Hz时, 其对应的初始时间最大值等于扫描周期, 小于发射激光重复周期, 因此目标扫描周期序列相对于发射激光重复周期序列平移的距离不足一个重复周期, 自然也就无法呈现出像图17中那样的周期性了。
5 结论
综上, 首先在红外扫描型成像系统成像方式和脉冲制式激光主动探测系统的工作原理的基础上, 提出了脉冲制式激光主动探测系统探测红外扫描型成像系统的探测模型, 分析了目标探测结果存在不确定性的根本原因是探测系统与目标之间之间的时间状态;然后, 根据探测模型, 对目标在不同扫描频率以及不同初始时间条件下进行了探测仿真实验。实验的结果表明, 在探测系统激光脉冲均匀发射条件下, 且目标扫描频率大于激光脉冲重复频率时, 目标反射回波数量随着初始时间的增加呈现周期性;而无论激光脉冲是否均匀发射, 目标反射回波数量与目标扫描频率均存在正相关关系, 这个正相关关系从定性的角度反映了目标扫描频率越高则越容易被探测的特点。此外, 通过对目标探测特性的分析流程, 可以为探测概率计算提供相应的理论依据。
摘要：文章分析了红外成像系统的成像方式以及脉冲制式激光主动探测系统的探测原理;然后, 依据它们的工作原理, 建立了激光主动探测系统对红外扫描型成像系统的探测模型, 并通过探测模型分析了目标探测结果存在不确定性的影响因素;最后, 通过对红外扫描型成像系统的探测特性进行仿真实验, 从定性的角度, 刻画了目标扫描频率与目标探测难易程度之间的关系。
关键词：红外扫描,目标探测,理论分析
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探测理论 篇2
非线性节点探测器是一种安检设备，不仅品牌型号都是各式各样，而且应用功能也不一样。有的可以探测金属物品，有的可以探测手机等。总之款式不同应用也不同。那么有哪款探测器可以探测关机后的手机？麦格弗尔非线性节点探测器就可以做到。
麦格弗尔非线性节点探测器是由石家庄于栋电子科技有限公司自主研发生产的国内首款非线性节点探测器，它的灵敏度和精准性都是最好的，误报率也是最低的，对人体的辐射伤害也是最低的。它可以探测定位各式各样的电子设备/电子元器件等类似设备，不管是否在使用中或者停用状态下。比如：手机、手机卡、内存卡、收音机、充电器等，即使是拆分状态下也不行。麦格弗尔非线性节点探测器的原理是通过设备的发射端向目标区域或目标物体发出波段的高频基波，由接收端捕获来自目标物体所产生的二次谐波和三次谐波，运用人工智能领域中的模糊识别算法和自学习算法对谐波信号进行分析和处理后，给出基波发射前后的谐波变化规律，从而能够有效的识别出带有非线性结的电子设备。
磁异探测法探测海底光缆 篇3
目前,在海底光缆探测中广泛应用的方法是有源磁探测法,即在海缆中注入一适当频率和功率的交流电流,通过探测设备探测该电流产生的电磁场,再根据探测信号的信息判断海缆的位置。该方法有以下缺点:(1)必须中断海缆承载的业务,这会给海底通信带来不可避免的损失;(2)海底光缆内的导体(无缝金属管或供检测用的小直径铜导线)对加载的信号有较强的衰减作用,不适合对长距离光缆进行探测;(3)有源法对于有中继的海底光缆无法实现有效探测。因此亟需采用新的探测方法——无源磁探测法。无源磁探测法是一种地球物理勘探技术,它的前提是海底光缆中的钢铠装结构,是通过探测海底光缆自身的磁场信息实现探测和定位的。该方法无需给海底光缆加载额外信号。本文分析的磁异探测方法即为一种典型的无源磁探测法。
1 磁异探测
磁异探测,即地磁异常探测,是基于铁磁性物体扰乱地磁场磁力线均匀分布这一基本物理现象的。由于磁场的磁力线从水中进入空气几乎不改变传播方向,而且传播方式几乎一致,这样我们就能通过在空气中测量磁场的异常来确定水下目标。
目前该方法已经广泛应用于探测磁性矿物、油气资源及铁质的给水、燃气等管道(线),此外还可以用来搜寻沉船等大型目标和较小的沉物(如铁锚、遗弃水雷等)。
1.1 磁异常的产生
从物理学上可知,任何物体在地磁环境中都不可避免地被磁化,铁磁体的磁性是由感应磁化强度和不同时期的剩磁叠加而成的。但是对于水下铁磁体而言,其剩磁强度比感应磁化强度小好几个数量级,因此,水下铁磁体的当前磁性主要来源于当前地磁背景场作用下产生的感应磁化强度undefined,方向沿着当前地磁场的方向undefined[1]。
铁磁体磁化产生的磁场叠加在海底地磁背景场上,就会产生磁异常: ΔB=B-T0,式中,ΔB为磁异常强度,B为总磁场强度,T0为地磁背景场。因此只要获取高精度区域海底磁场数据,利用铁磁体产生的磁异常特性,就可以对实际地磁场异常特性进行分析判断,从而对其进行识别和定位。
1.2 海底光缆磁场模型
对于工程勘察而言,磁化率的大小对磁场的影响很大。光缆的铠装主要是钢绞线,由表1可知,钢的磁化率最强,与周围介质(海水或淤泥)之间的磁性差异非常明显,这就为磁法探测海底缆线提供了前提条件。因此无论海底光缆敷设在海床还是埋设在海底,都可以通过磁异探测法去发现海缆,实现光缆的定位。
根据探测物体体积的大小,对海上寻找的铁磁性物体一般简化为3种类型[3]:第1种为球体(探测距离大于目标最长边5倍以上,铁锚、水雷等小沉物均类似于此类型),其产生的磁异常曲线类似于偶极子;第2种为无限走向的圆柱体(管线、海底缆线等近似于该种类型);第3种为长方体,有限边长的目标除了球体外,均近似于此类(由于此目标的长宽比、埋深和厚度各不相同,所以表现形态也各异)。
1.3 磁异常分析
地磁场是由许许多多不同的成分组成的,其中地磁场偶极子成分远远大于其他成分,也就是说,地磁场的空间分布类似于位于地心的磁偶极子磁场,磁偶极子指向南半球,偶极轴(称作地磁轴)与地球自转轴(即地理轴)的夹角约为11°[4]。简化模型如图1所示。
1.3.1 铁磁体磁矩分解
建立如图2所示的坐标系,x轴为地理北,y轴为地理东,z轴为垂直向下。
将无限长圆柱体分割为无限个小体积dV,如果在dV中,任意点Q(x,y,z)处介质的磁化强度是=undefined(x,y,z),则可以求出dV内部的全部磁矩undefined,体积V外P(x′,y′,z′)一点的磁位可以写成:
undefined
式中,μ0为磁场空间磁导率;undefined为从Q点到P点的矢量,undefined;∇p表示对P点的坐标作梯度运算。
如果介质是均匀磁化,则undefined为常矢量,对式(1)利用由重力位计算磁位的泊松定理,再利用标量与矢量积的散度公式可得:
undefined
由于undefined0,所以式(2)右端第2项等于零[4]。将高斯公式应用于第1项,得:
undefined
式中,undefinedn、r和S均为x、y和z的函数。由undefined可以导出磁场undefined′沿x方向的分量undefined′x、沿y方向的分量undefined′y和沿z方向的分量undefined′z,在图2所示的坐标系中进行分解,分解过程如图3所示,分解结果如下:
undefined
1.3.2 地磁背景分解
水下铁磁体周围的磁场是其自身磁场和地磁背景场的合成。通常地磁背景场变化比较平缓,我们不妨设水下铁磁体所在处的局部地磁背景场是均匀恒定磁场,用undefined0表示。地磁偏角为D0,地磁倾角为I0,则空间一点的地磁背景场undefined0同样可以在3个相互垂直的轴向产生分量,称为地磁三要素[5],如图4所示。
地磁背景场三要素分别如下:
undefined
1.3.3 磁异计算
通过分析可知,坐标系的每个轴上都叠加着来自铁磁体和地磁背景场的两个分量。因此,可导出P处的总磁场为
undefined
由上式可得磁场总强度undefined的模量为
undefined
通过磁探测仪器,我们得到的即为磁场的总强度undefined,减去地磁背景场undefined0,就可以得到由铁磁体磁异常产生的磁场强度undefined′,
undefined
我们可以适当布置多个磁力仪探头,只要它们能捕捉到一次磁异常信号,就可以通过比较各个磁异常信号的微弱差异,基本上确定水下铁磁体的空间位置。
2 结束语
海底光缆探测是海洋工程中经常遇到的实际问题,对于海缆敷设和维护具有重要意义。本文从海底光缆自身的铠装出发,对磁异探测这种无源磁探测方法的原理进行了分析,并利用磁偶极子磁场模型推导出了海缆的磁场计算公式,为确定海底管线的精确位置奠定了理论基础,并为将来开展仿真和实验提供了依据。
参考文献
[1]任来平,欧阳永忠,陆秀平,等.水下铁磁体磁场特征平面[J].海洋测绘,2005,25(4):1-4.
[2]吕邦来.海底管线的地球物理探测技术探讨[J].水运工程,2009,(7):146-150.
[3]王闰成,王守国.水下铁磁体磁场特性[J].海洋测绘,2006,26(5):35-41.
[4]徐文耀.地球电磁现象物理学[M].合肥:中国科技大学出版社,2009.
L波段高空气象探测资料审核探测 篇4
1.1 系统台站基本参数的审核
L波段高空探测系统台站基本参数主要设置有本站常用参数和发报参数两种。L波段探测系统的常用参数包括台站名称、区站号、经纬度、海拔高度、气压表修改值等, 在设置时要认真输入各项参数, 确保台站基本参数的正确性, 以免影响到高空探测数据的精确处理;发报参数包括报文标志和名代号, 在设置时需要认真、仔细地选择和填写, 确保在软件运行的第一次就能够正确输入。在日后的工作中, 如果另有变动, 要及时修改, 严禁使用超检仪器, 防止处理后的资料出现错误。
1.2 L波段探空仪器序列号的审核
仔细检查探空仪器序列号, 认真核对序列号的参数是否与观测仪器设备厂家配发的系列参数一致, 认真核对d D0~d D5的数值, 查看T0和R0的读数是否正确、接近数值“2”的输入有无错误。一般情况下, R0的有效合格范围为:8.0 kΩ≤R0≤20.0 kΩ。
1.3 地面瞬间数据的审核
对干、湿球温度, 云, 辐射值, 能见度, 天气现象等地面数据要素最佳的读取时间应该控制在放球前、后的5 min内。认真观测、核对输入的数据, 确保数据的准确性, 避免观测、记录方面出现明显性错误。基值测定值与瞬间温湿度值相差较大, 却与瞬间气压值、附温值相差较小。正常的基值测定值和瞬间观测压值应该在0.5 h Pa以内, 附温差值在1℃内。如果基值测定值和瞬间观测压值相差大于1 h Pa, 附温大于2℃, 则认为记录有误。此时需认真检查地面人工采集和自动站的原始记录数据, 查看这两者是否一致、是否因天气变化而出现跳变误差;通过与地面站的自动记录进行比较, 判断读数是否有误, 并比较变化趋势, 判断相关影响因素。
2 放球点的放球资料审核
L波段雷达探测系统中的自动跟踪探空仪对放球的跟踪, 一般根据雷达较为有利的跟踪角度和方向进行选择。通常情况下, 台站有两三个默认放球点。为避免近距离气球过顶丢球情况的出现, 放球地点应尽量选择便于雷达自动跟踪的下风方向。如果没有在默认放球点放球, 则要在“空中风记录”这一备注栏中修改新的放球点参数。如果没有及时修改放球点参数, 会对0.5 min内量得风层的风产生影响, 导致高空风数据出错。一般情况下, 00 s与01 s方位相差应该保持在10°以下, 当地面风速大于6 m/s时, 方位差值将超出10°。施放瞬间采用近地面手动抓球, 如果不是手动跟踪, 可判定值班员未修正放球点。
2.1 放球时间
L波段高空气象探测的时间点应该严格按照规定时间放球, 将时间控制在北京时间01:15, 07:15, 13:15和19:15这几个时间点, 不得随意更改放球时间。如果遇到特殊天气影响正点放球时间, 此时可延迟放球, 但不能超过正点后的75 min。气球释放后要及时按“确定”键, 如果忘记按“确定”键, 则需要订正放球时间。预审时, 通过比较数据处理软件中的00 s和01 s的气压值来确定“放球”键是早按, 还是迟按。如果气压值没有发生变化, 则说明按键过早;如果气球升速在350~400 m/min, 计算气压在近地面0.6~0.8 h Pa之间变化, 说明迟按了“放球”键;如果00 s和01 s所显示的气压值大于1.5 h Pa, 说明放球值班员没有修正放球时间。
2.2 探空数据确认审核
L波段高空探测数据的审核主要是对删除飞点和超声速情况的处理。探空仪放球后, 容易受到雷达跟踪、天气异常现象或外来信号的干扰, 导致探测信号被削弱, 飞点增多。如果没有完全删除飞点, 会造成高度、温湿度等数据出现异常, 审核时要认真查看是否存在没有删除的飞点, 并自动或手动修改探空曲线。超声速是指从某一等压面内观测开始至观测结束, 气球的平均升速如果出现小于150 m/min或大于600 m/min的声速, 则说明超声速存在异常。此时, 应从终止层逐点下移, 直至升速控制在150~600 m/min之间为止。
2.3 测风数据审核处理
L波段高空雷达系统的测风数据是根据各个整点分钟数及前后2 s的平均数据计算得出, 主要是查看风层方向和风速变化之间的规律。通过查看每分钟内的斜距、仰角和方位之间的变化及整点分钟参与计算的5 s内记录是否有突变, 利用L波段数据处理软件内提供的图形检测功能, 对各量得风层的风数据进行检测, 并对量得风层的突变数据作删除处理, 然后手动输入正确数据, 保证计算量得的风层和风速的可靠性。
3 L波段高空气象探测资料的常见问题
3.1 探测仪无法实现放球自动跟踪
L波段高空探测系统能够实现地面放球自动跟踪作业。但是, 在大风天气或受到外界干扰控制时, 会在放球的过程中出现不能自动跟踪的情况。如果放球时天控开关处于自动状态, 跟踪仪容易出现天线死位或雷达下限位出现警报, 导致不能实现自动跟踪目标, 从而造成探空资料的缺失。针对这种情况, 可预先安排操作人员手动跟踪, 保证在放球前天控开关处于手动状态, 放球后可进行手动控制天线的方位和仰角, 利用摄像头对气球进行密切跟踪, 并持续10 s保持在屏幕中央。当气球出现仰角抬升, 可在气球稳定后转换天控开关到自动状态。
3.2 旁瓣跟踪分辨问题
在降雨、大雾天气等能见度较差的情况下, 在相机画面上气球不容易被清楚地观察到, 容易产生旁瓣跟踪问题。如果系统长时间处于这种状态, 可能会造成数据缺测, 甚至重新放球的可能。因此, 判断前瓣除了对4条亮线进行观测外, 还必须对高度、气高值进行观察。旁瓣跟踪产生的增益值一般在150~160 db之间, 这时高度与气高存在较大差值。夜间能见度较低, 无法显示气高, 高度值的增加值在350~400 m/min之间, 不论高低, 如果有旁瓣跟踪, 可将仰角升高10°, 然后实施天线扇扫, 可以快速发现旁瓣现象, 并及时修正。
摘要：L波段高空气象探测系统的使用为获取空旷气象资料提供了更加准确的依据。分析了地面人工采集审核及放球点放球资料审核的注意方法, 并提出探测资料中可能出现的问题, 希望引起工作人员的注意。
关键词：L波段,高空探测,资料审核,基本参数
参考文献
[1]戴丽琼, 黄祖辉, 吴立新.L波段高空气象探测资料审核要点[J].现代农业科技, 2007 (20) .
探测理论 篇5
它的设计原理是正常工作产生电弧 (工作电弧) 与故障产生电弧 (故障电弧) 均可产生电流信号或电流波形。经研究工作电弧的波形具有周期性或重复性特点, 并且可呈现为非正弦波形 (即不是正弦波形的形状) 。故障电弧具有非周期性或非重复性波形特点。电弧故障电气火灾探测器可通过持续监控电路的电压、电流波形, 通过使用检测电路来区分正常与异常电弧状态。一旦检测到异常的电弧状态, 探测器就会发出报警信号, 降低发生火灾的可能性。
故障电弧有两种基本类型——串型和并型。当串联载流负载电路被无意中断开时, 会发生串型电弧故障。电弧会在断开间隙处产生, 并且局部热量增加。而串型电弧的电流强度则受到负载量的限制。导致串型电弧故障的条件包括:连接器或接线的连接不良;线缆弯曲过度而导致的导线磨损或电缆外被夹伤致使导线断裂等。
而当火、地线间无意地形成导电通路时, 则会出现并型电弧故障。并型电弧仅受限于源故障电流和故障阻抗。接地电弧故障是并型电弧故障的另一种形式, 当火线与金属外壳接触时, 就会产生此类故障。
一般认为, 并型电弧故障比串型电弧故障更具危险性, 这是因为并型电弧故障会产生更多能量。通常并型电弧故障的峰值电流要高于传统类型断路器的标明额定值 (前者相当于短路电流, 后者是负荷电流) 。如果故障阻抗较低且故障电流充足, 则不会报警。