基于NQR技术的爆炸物探测天线自动调谐装置

作者 / 任天亮，中国电子科技集团公司第二十二研究所



基于NQR技术的爆炸物探测天线自动调谐装置

作者 / 任天亮，中国电子科技集团公司第二十二研究所

本文基于NQR技术提出了一种适用于爆炸物探测的天线自动调谐装置，该装置具有自动调谐的能力，可以在较大范围内调整电容匹配网络的各电容值，以满足发射电路和接收电路的匹配和隔离要求，并在试验室环境下进行了验证。

NQR；爆炸物探测；自动调谐

引言

核电四极距共振（nuclear quadrupole resonance，NQR）技术，是指原子核的非球对称部分因与核外电场梯度相互作用引起能级分裂，在外加射频场作用下，产生能级跃迁的过程。同一种原子核，处在不同的物质中，或同一种物质不同的结构型式，其核电四极矩共振频率都不相同。在炸药探测领域，NQR技术具有准确率高、误警率低等优点。

目前使用NQR技术探测炸药成分主要有黑索金（RDX）、梯恩梯（TNT）、奥克托金（HMX）、太安（PETN）、特屈儿（TETRYL）、硝铵（AN）。由于它们的NQR信号频率不同，在进行探测时，需要更换不同的天线。而更换天线后，发射电路与天线谐振电路的阻抗匹配状态发生变化，需要手动调节可调电容，匹配不同的天线，使系统达到较佳的发射状态。由于电路采用收发共用天线，谐振电路在发射和接收时的谐振状态不完全一致，需要手动调节可调电容，使发射电路和接收电路均可以满足阻抗匹配的要求。本文设计了一种天线自动调谐装置，适用于梯恩梯（TNT）、太安（PETN）、硝铵（AN）3种炸药的NQR信号探测。

1. 天线自动调谐装置设计

■1.1 收发天线设计

在进行NQR信号探测时，采用收发共用天线。对于多层线圈产生的电感是多层线圈产生的磁场影响的，多层线圈的磁场又是多层线圈产生磁场的叠加，因此有多层线圈的电感为：

式中 h为线圈的间距、为线圈的匝数、d为线圈导线的直径、r为线圈框架的外半径。

在本系统中，设计的线圈电感量为200μH，使用的材料为铜质漆包线，固定骨架采用介电常数较小的玻璃纤维材料。

■1.2 天线谐振电路设计

由于发射电路和接收电路使用同一个天线，因此在发射脉冲或接收信号时，谐振电路的阻抗不一致，其阻抗匹配情况也会发生变化，因此在发射脉冲前，需要对谐振电路进行调谐，以满足发射电路与谐振电路匹配的要求。发射脉冲时谐振电路阻抗模型如下图1（a）所示，则谐振电路的阻抗为：

图1（a） 谐振电路阻抗示意图

图1（b） 谐振电路等效阻抗示意图

由于C3的阻抗很大，谐振电路等效阻抗模型如图1（b）所示，考虑天线的内阻为R，

由于C2R2和wC2R2很小，可以忽略，将公式化简如下：

通过调整电容C2使谐振电路的特征阻抗调整为50Ω，满足发射电路的阻抗匹配，

通过调整电容C1使图3（b）中电路满足串联谐振要求，

图2 谐振电路阻抗示意图

接收电路接收信号时，谐振电路模型如图2所示，

根据探测天线的参数及以上公式计算出各种频率下各电容的设计值。根据设计值，络采用一系列的电容组合，通过切换电容组合，调整电容组合的容值。

图3 谐振电路电容组合示意图

谐振电路示意图如图4所示，使用高压继电器控制切换匹配电容（见图5），该电路可与上位机的通信，根据上位机的调谐命令，驱动调谐电容步进递增或者递减，实现谐振电路自动调谐。

图4 谐振电路示意图

图5 电容自动调谐控制电路

■ 1.3嵌入式软件设计

嵌入式软件使用IAR Embedded Workbench平台。软件设计主要实现电容自动调谐电路与上位机的通信，切换高压继电器的闭合状态，使电容自动调谐电路按照上位机的命令，进行步进递增或者递减。电容自动调谐电路和上位机之间的通信采用上位机主动发送方式，软件的流程如图6所示。

图6 软件工作流程示意图

2.测试结果与分析

天线自动调谐装置可以远程控制电容组合切换，调整参与谐振电路的电容值，使天线谐振电路在发射和接收时，均可以达到较好的匹配状态及谐振状态。由于收发共用一个天线，在进行激励信号发射和NQR信号接收切换的时候，需要切换时间尽量短，要求高压继电器的切换时间小于6ms，该电路在试验室中测试结果如下，从图中可以看出，继电器的闭合和释放时间均小于6ms。

图7 继电器切换时间波形图

在试验室中试验时，自动调谐完成后，检测接收谐振状态，通过信号发生器发射0.423MHz信号，在谐振天线两端感应的信号经过前置放大器放大后，通过示波器检测谐振波形（见图8）。

通过发射电路发射激励信号，在谐振天线旁放置感应天线，在感应天线两端使用示波器测量发射谐振感应波形（见图8）。

可以看出，使用天线自动调谐装置，可以完成天线调谐，使谐振电路满足发射电路和接收电路匹配的要求。

图8（a） 接收谐振波形

图8（b） 发射谐振感应波形

3.结论

文中基于NQR技术设计了一种天线自动调谐装置，该装置具有自动调谐的能力，可以在较大范围内调整电容匹配网络的各电容值，能够满足发射电路和接收电路的匹配和隔离要求，在试验室环境下可以有效的完成天线自动调谐。但是，该电路仍有不足之处。由于高压继电器在高压下工作，而高压继电器的控制电压为低电压，控制电路很容易受到干扰，导致高压继电器产生误动作；电容匹配网络采用一系列的电容进行并联，而现有电容标称值及精确度，不能完全覆盖到所需要的电容值，在一定程度上，其调谐的精度不如手动调节可调电容精确。因此需要从电路抗干扰设计和电容匹配网络设计方面进一步处理，采用更好的电容切换控制方法以及更优的电容组合。

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

＊ ［2］核磁共振光谱解析简论.梁晓天

＊ ［3］朱凯然，苏涛等.基于核四极共振的爆炸物探测技术研究进展.2013