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1、11 引言非线性结点探测器是应用半导体 PN 结非线性原理，探测射频信号的谐波，探测和定位非线性结点是否存在的仪器。上世纪八十年代，非线性结点探测器主要用于探测定位监视窃听设备和探测隐藏的武器。近年来，世界各种恐怖活动日益猖獗，利用爆炸进行恐怖活动已成为当今世界一种新的犯罪手段，爆炸恐怖事件层出不穷，爆炸破坏造成的损失更加惨重。这些爆炸大部分是由电子设备和电子定时器的控制，于是非线性结点探测器又有了新的应用，探测爆炸物的电子引爆装置。现在越来越多的安检人员开始使用非线性结点探测器在铁路、机场和海关进行包裹安检。2 非线性结点探测器探测原理非线性结点探测器用于探测目标的谐波辐射，而能够产生谐波辐
2、射的目标是非线性目标。非线性目标对接收到的基频信号，不但辐射基波分量，同时也辐射谐波分量。典型的非线性目标包括带有 PN 结点的电子设备和带有金属结的目标。非线性目标的伏安特性一般为曲线关系。PN 结点及一般半导体器件中的 PN 结，它的伏安特性曲线如图 1 所示。图 1 PN 结点的伏安特性曲线如图 1 中可以看出，当 PN 结两端加正向电压时，外加电压的方向与阻挡层内部电场方向相反，削弱了阻挡层内部的电场，电子和空穴的扩散运动远大于漂移运动，即扩散电流占绝对优势。PN 结点正向电流可以表示为：I=Is（e q/T -1）式中，Is 是与外加电压无关的系数，称为反向饱和电流。它与 PN 结点
3、中载流子浓度、扩散情况和温度等因素有关；q 为电子电荷量，等于 1.60210-19C；为结点两端正向电压；T 为绝对温度，单位为 K， 为波尔兹曼常数，等于1.3810-23J/K。由于 eq/T 1，那么 II seq/T ，PN 结点正向电流与两端正2向电压为指数关系，这种非线性关系即可产生谐波再辐射。两块同种或异种金属接触后，在适当条件(如压力、距离)下，特别是中间有一层氧化物(例如生锈)时，即形成金属结，或金属-氧化物-金属结。用晶体管特性测试仪能够直接观察到金属结的伏安特性曲线，如图 2 所示。图 2 金属结的伏安特性曲线如图 2 中，金属结的正、反向伏安特性曲线基本上是以原点为对
4、称中心呈反对称形式，可以认为它是一个奇函数曲线。金属结中电流的形成主要是隧道效应，其次是小部分超过势垒高度的热能量热电子发射。常温下，当接点两端电压v15V 时，隧道电流可以近似表示为： 30vIR式中， 为伏安特性的非线性系数，单位是1/V 2；R 0为金属结初始电阻，即当接点两端电压为零时的电阻，单位为。当两端电压 v15V 后，金属结的伏安特性与 PN 结点的正向伏安特性相似，即可以看成为指数形式。如果继续加大金属结两端的电压，将会出现不可恢复的击穿现象。因此可得出结论：在击穿电压以内，金属结的伏安特性都是非线性的。这种非线性就是金属结能够产生谐波再辐射的基本物理机制。理论分析和实验证明
5、：由于 PN 结点和金属结点伏安特性不同，当受到电磁波照射后，其再辐射信号也相差很大。PN 结点再辐射的偶次谐波或组合波信号比奇次强，而金属结点再辐射的奇次谐波或组合波信号比偶次强。这个重要而有实用意义的结论就是非线性结点探测器探测、定位非线性目标，且还能识别目标属性的理论基础。3 非线性结点探测器性能分析3目前世界上被广泛使用的非线性结点探测器的设计和生产主要集中在美国、俄罗斯和英国等国家。美国的产品是NJE-4000和它的升级版HGO-4000；俄罗斯是生产非线性结点探测器品种最多的国家，它的产品主要有NR系列、Lornet系列以及Lux、Katran等；英国的产品除早期的SuperBro
6、om外，近几年新开发的产品FAH-450、FAW-3000和FAK-XDI也占据了一定的市场份额，去年已经升级为HAWK-XTS-900/2500。由于篇幅有限，这里将主要产品的性能分析列表（详见表1） ，不详细地阐述每一款非线性结点探测器的发展历史、性能指标及特点。4表 1 非线性结点探测器性能对比表：NJE-4000HGO-4000NR-900EMNR-NR-900EKNR-900VNR-900EMSLornetLornet-24Lornet-36Lux SuperBroomFAW-3000FAH-450-2WFAK-HDI-8WReal Time Detection of all kin
7、d of electronic circuits Simultaneous Reception of 2nd &3rd Harmonic Automatic Comparison of 2nd &3rd Harmonic RF Power (ERP)should not be more than 5 Watts Automatic Power Control (DSP for Auto range setting) Advance DSP-for optimized sensitivity Full automatic operation Manual & Automatic Power Co
8、ntrol Discrimination of semiconductor junction &corrosive/bimetal junction Continuous wave transmission(CW) Frequency hopping-for interference free operation Specifically pure RF fundamental frequency 10 selectable frequencies Automatic switch off-for conserving battery life Circular,Polarized Anten
9、na Display of receiver signal strength of the 2nd &3rd harmonic Display of battery status Detection of Stand alone Sim Card Detection of Mobile Phone Switched On/Off AudioAlarm/Tone&Volume Control Differential audio tone electronic /corrosive AM(Amplitude demodulation)&FM(Frequency demodulation) Int
10、ernal rechargeable battery 5Should work continuously for4 hours Extension Tube LCD screen LED screen OLED screen (Organic Light Emitting Display) Single-Body Operational weight should not exceed1Kg Seperated antenna configuration should not exceed1Kg Headphones Screen Shade NJE-4000HGO-4000NR-900EMN
11、R-NR-900EKNR-900VNR-900EMSLornetLornet-24Lornet-36Lux SuperBroomFAW-3000FAH-450-2WFAK-HDI-8W64 非线性结点探测器在安检排爆方面的应用4.1 探测性能分析我国使用非线性结点探测器的历史可以追溯到上个世纪，起初只用于隐蔽电子设备的探查和首长的安全保卫工作，随着近几年国际反恐形势的严峻，非线性结点探测器作为探测爆炸物电子引爆装置的有力手段之一，成为不同安检级别场地安检必备的设备器材，同时它能够探测到隐藏的武器。我们通过探测深度试验对目前我国使用的俄罗斯、美国和英国生产的三款产品进行了性能分析。为了试验能客观
12、、公正的反应上述产品的探测性能，我们分别砌了两块砖头厚度（二四墙）和三块砖头厚度（三七墙）的测试墙，墙面用水泥抹平，测试前先用以上三款产品确定墙内无任何真假非线性结点。墙的一侧布置了 10 个各种形态的真假非线性结点，以上三款产品在墙的另外一侧探测、定位和判断结点的位置和属性（真结点或假结点） 。测试数据如下：表 2 二四墙探测结果结点探测器型号 样机 1 样机 2 样机 3编号 探测对象 二四墙 二四墙 二四墙1 真结点（闹钟）（小功率可测）(发射功率 70%) (最大发射功率)2 真结点（二极管）（小功率可测）(发射功率 70%) (最大发射功率)3 假结点（钢丝球）（小功率可测）(发射功
13、率 100%) (最大发射功率)4 真结点（电路板）（小功率可测）(发射功率 70%) (最大发射功率)5 真结点（电路板）（小功率可测）(发射功率 100%) (最大发射功率)6 真结点（二极管）（小功率可测）(发射功率 70%) (最大发射功率)7 假结点（NJE 自带） （小功率可测）(发射功率 70%) (最大发射功率)78真结点（NJE 自带） （小功率可测）(发射功率 70%) (最大发射功率)9 真结点（二极管）（小功率可测）(发射功率 70%) (最大发射功率)10 真结点（三极管） (发射功率 70%) (最大发射功率)表 3 三七墙探测结果结点探测器型号 样机 1 样机 2
14、 样机 3编号 探测对象 三七墙 三七墙 三七墙1 真结点（闹钟） （大功率可测） (发射功率 75%) (最大发射功率)2 真结点（二极管） （大功率可测） (发射功率 85%) (最大发射功率)3 假结点（钢丝球） （大功率可测） (发射功率 100%) (最大发射功率)4 真结点（电路板） （小功率可测） (发射功率 95%) (最大发射功率)5 真结点（电路板） （小功率可测） (发射功率 95%) (最大发射功率)6 真结点（二极管） （大功率可测） (发射功率 95%) (最大发射功率)7 假结点（NJE 自带） （小功率可测） (发射功率 95%) (最大发射功率)8 真结点（NJE 自带） （小功率可测） (发射功率 95%) (最大发射功率)9 真结点（二极管） （小功率可测） (发射功率 95%) (最大发射功率)10 真结点（三极管） (发射功率 95%) (最大发射功率)通过试验，非线性结点探测器的探测深度和其发射功率、接收灵敏度、天8线带宽、调制方式等参数密切相关。理论上讲，发射功率越大、接收灵敏度越高，探测效果越好，但实
