[发明专利]一种适用于爆炸物探测的低频调谐天线

说明书

技术领域

本发明属于射频电路设计领域，具体的说是一种适用于爆炸物探测的低频调谐天线。

背景技术

基于核四极矩共振(Nuclear Quadrupole Resonance缩写为NQR)爆炸物探测系统由主控计算机、信号发生器、大功率发射机、天线线圈、前置放大器和接收装置组成。

NQR探测过程有以下几步，首先，计算机发送脉冲控制序列给信号发生器，然后信号发生器产生与待测样品特征频率相同的射频脉冲，此脉冲经过大功率发射机放大后发射到天线线圈上，天线线圈向外辐射电磁场，待测爆炸物中的核四极矩不为零的N原子在吸收天线线圈辐射出的能量后产生能级跃迁(假定样品中含有待测物质)。当计算机控制射频脉冲停止工作时，随后待测物质中的N原子由高能态恢复到平衡态，在此过程中释放出包含特征频率的能量，即NQR信号。NQR信号经过前置放大器放大后，通过接收装置进行模数转换等相关处理后，并将结果送给主控计算机进行处理，据此判别样品中是否含有待测爆炸物。其中NQR信号通常可分为自由感应衰减(FID)信号和自旋回波(SE)信号，它们是在不同的激励脉冲序列形式下产生的，后者可以在短时间内使NQR信号的信噪比(SNR)得以改善。

由NQR探测过程可以看出，系统中天线线圈扮演着极其重要的角色，它不仅激发包含待测物质的样品产生NQR的信号，还要接收微弱的NQR信号。

然而，大多数爆炸物质中NQR信号共振频率(待测样品的特征频率)较低(一般在0.5～6MHz范围)。此频段属于射频中的低频段，从理论上讲，天线尺寸为波长一半为最佳利用辐射能量的状态，一般也要求大于四分之一波长，而此频段信号的波长为数十米左右，若按此要求进行设计则天线尺寸至少十米。为了节约成本和减小体积，设计的NQR探测天线采用了一个螺旋线圈加调谐电容构成谐振电路的方式，而待测的物质位于螺旋线圈的中间，可通过接收微弱的NQR信号来实现爆炸物探测，设计的线圈的尺寸远小于信号波长的尺寸。

基于核四极矩共振探测系统中，在对探测样品激励时，希望来自发射机的功率信号能够最大限度地作用到样品上，同时在对微弱NQR信号回波进行接收时则要求探测天线具有较高的灵敏度，因此探测天线一般工作在谐振状态，同时具有较高的Q值以保证较高的天线增益。

探测天线与发射或接收系统连接时，信号传输介质应当视为传输线，根据传输线理论，并考虑功率反射，阻抗匹配等特性，负载匹配是非常重要的一种提高效率的方法。由于在无线电系统中，多采用阻抗为50欧姆的同轴电缆来连接发射电路与天线，这要求使用无源的功率匹配网络将探测天线阻抗转换为50欧姆，然后由同轴电缆无损失的将功率从发射机传送到探测天线电路中。

基于核四极矩共振探测系统工作时，系统中发射机和接收机一般是分时工作的，理论上，针对基于FID信号进行探测的系统来说，发射机停止工作时，接收机马上开始工作，这时候接收到的NQR信号是最强的，但是由于发射机停止工作后，由于天线的Q值较高，而使天线储存了一定的能量，此能量不能及时释放，从而形成了衰减的振荡，即天线的振铃拖尾。拖尾振铃的持续时间被称为天线的“死时间”。死时间与系统的Q值成正比。由于被检测样品受激励产生的NQR信号本身很微弱，而天线的振铃拖尾比NQR信号大好几个数量级，完全可以将NQR信号淹没，所以抑制拖尾振铃是能否检测到NQR信号的关键。由于FID信号强度是随时间成指数衰减的(衰减非常快)，在时间轴上越靠前其信号强度越大，为了提高NQR信号的信噪比，尽量将采集NQR信号的采样时间窗提前，即必须减少死时间。

发明内容

针对上述几点要求，本发明提出了一种适用于爆炸物探测的低频调谐天线，以解决在频率较低(0.5～6MHz范围内)条件下，实现对爆炸物样品的有效激励及对极其微弱的NQR信号的探测。

为实现上述目的，本发明提供的基于爆炸物探测的天线包括：

调谐电路：其作用是将电路中的频率调谐到待测物质的特征频率上，以激励待测物质的N原子吸收天线线圈辐射的能量而产生核四极矩共振。其实现电路有两种形式：分流式和分压式调谐电路。

阻抗匹配电路：本发明设计中假定探测系统的信号传输阻抗为50欧姆，为使输出功率最大，设计天线线圈的复阻抗在载频f₀(即待测物质的特征频率)上为50欧姆，相位为0，也就是说使调谐电路在载频上相位为0，阻抗为50欧姆。本发明设计中通过选择阻抗匹配设计中的电容或电感值来实现上述目的。在谐振电路参数确定后，可根据分压式和分流式调谐电路器件的计算公式可以求得阻抗匹配设计的电容、电感值。