静电成像检测控制系统设计

1、引言

静电探测是将目标周围空间的电场作为探测源对目标进行探测的一种方法，静电成像利用目标周围静电场对目标进行成像。任何使用发动机或移动的物体都必定会因为各种不同的带电过程而带上静电，静电目标在一定距离范围内呈现出目标的特征[1]，由于被动式静电探测电极是全向性接收目标的电场信息，无法获得目标的静电图像，为实现静电成像，采用了具有屏蔽外筒的探测电极，使得探测具有一定的方向性，将多个具有屏蔽外筒的探测电极布设成阵列的形式，通过检测系统和图像处理系统，可将一定距离以内的带电目标轮廓显示出来[2]。

静电成像系统包括静电探测阵列、检测与控制系统及图像处理模块等三个部分，静电探测阵列由活动支架和阵列板组成，可在被探测目标的特定位置和方向构成一个静电探测阵;检测与控制系统用于实现静电场信号的检测和整个静电成像设备的控制。 图像处理模块完成将检测阵列各点的信号组成目标的灰度图像，进行显示或打印输出。

2、静电成像系统检测模块设计

在静电场中，普通静电探测极板是全向接收的，由于采用了具有屏蔽外筒的探测电极，使得探测具有一定的方向性，探测电极的信号大小与探测电极屏蔽深度、探测阵元间距、目标尺寸以及目标距离等因素有关[3]。静电成像系统检测模块用于检测探测电极的信号。

2.1 检测电路设计

静电测试技术应用中最常见的是静电电位的测试，静电电压是带电体表面某点的静电电位和某个指定参考点电位之间的差值，通常取地为参考点。由于电位是与物体所带电荷成正比的物理量，因此电位的高低就反映了物体所带电荷量的多少。静电成像系统采用非接触测量，非接触法又分为直感法、交流调制法和空气电离法三类[4]。

直感法电路简单，易于实现。其原理图如图1所示。图中T是仪表的探头，M是测试仪器等效输入电路。

由于被测带电体的电场作用，探头上将产生感应电位。若被测带电体的对地电位为U，则探头对地电位为

 (1)

式中，Cb为仪表输入电容;Rb为仪表输入电阻;Cw为仪表与被测带电体之间的电容。t为放电时间。

由式(1)可以看出，直感式静电计测试值Ub随时间以指数规律衰减，时间常数为。为减小测试误差，要求Rb或Cb充分大。但Cb增大将导致测试灵敏度降低，反而使测试发生困难，因而要求这种仪表有极高的输入电阻，一般要求Rb在1012～1014Ω 量级。即使如此，也只能减缓衰减速度[5]。所以，对带电量缓慢变化的带电体不能做到实时监控。因此该方法不适于被动式地面静电探测系统。

交流调制法通常利用机械方式使探头与被测带电体之间产生一个交变电容分量，把感应直流电压转换为含有交流分量的电压信号，可以减小或克服仪器零点漂移以及被测量因仪器输入电阻的存在而随时间的衰减。由于静电成像系统探测阵列由多个探测单元组成，采用机械振动的方法很难保证各探测单元的一致性。根据静电成像系统探测目标带电量变化缓慢的特点，设计了具有高频开关的定频开关扫描检测电路。该电路利用定频开关将探测电极与地反复导通，实现电极重复充放电。其检测过程相当于使得探测电极的感应电量在定频开关反复地打开和关闭期间不断地累积和泄放，选择适当的开关频率，可以使得检测电路输出电压与探测电极的感应电量保持相对稳定的比例关系。电路原理图如图2所示。

图2 信号检测电路示意图

图2可等效为图3所示的等效电路。其中带电目标体的电量等效为稳流电源，带电目标体与探测电极等效为电容C0，高阻跟随器的输入电阻等效为R，信号调理电路的对地电容等效为C。

定频开关开通和关断的过程使输入到高阻跟随器的同相端的电压为一个周期性变化的电压。定频开关打开时，探测电极充电，在高阻跟随器的同相端的电压是一个充电电压

   (2)

式(2)中，t1是定频开关打开的时间;U是电容C0达到稳态时的电位。

因电路中的稳压二极管反向偏置，稳压二极管不导通，此时高阻跟随器的输入电压与电容C0两端电压相同，即：

   (3)

在定频开关闭合时，电容C0放电，因为定频开关闭合时，回路电阻为零，所以电容 C0上的电压将瞬间放掉，而使电容C0上的电压为零，即：

   (4)

式(4)中，T是定频开关打开和闭合的周期。

从对等效电路的分析中可以看出，在定频开关以一定的频率打开和闭合的过程中，电容C0不断的充电和放电，电容C0充电达到稳态时的电压 和带电目标的电量成正比的关系，定频开关的开关频率选择适当，带电目标的带电量即使发生缓慢的变化，电容 C0达到稳态时的电压U也能反映带电目标电量的变化，而高阻跟随器的同相输入端的输入电压与电容C0两端电压相同，从而能够实现对带电目标带电量实时的测量。图4为示波器显示的检测信号。

由于静电探测系统的探测阵列由多个探测单元组成，为获得好的成像效果，对各探测单元信号同步性要求较高。经过软件算法，对原始信号提取特征，得到探测单元的同步变化曲线，两个探测单元的同步特性比较曲线如图5所示。

经实验证明，两个单元的测试同步性能良好，能够快速反映目标体的电压变化。

2.2 滤波电路设计

经高阻跟随器放大后的静电信号存在噪声与干扰。为消除噪声及干扰的影响，在跟随信号后端增加了低通滤波电路，通频带宽为300Hz。电路芯片采用开关电容滤波芯片LTC1569-7，外围电路简单，仅需一个外置电阻REXT即可调节低通滤波带宽[6]。

图6中5脚选择连接至V+，REXT=270kΩ，

3、静电成像系统控制模块设计

静电成像系统控制模块由中继箱和PXI设备组成，中继箱连接探测阵列和PXI设备，为探测阵列提供电源，对探测阵列的探头进行控制并接收和处理探测阵列的信号。中继箱内包含电源、电机驱动器、信号检测电路及信号接口。电源用于为探测阵列和信号检测提供电源;电机驱动器用于控制探测单元电极深度的调节。

静电成像系统的数据采集及探测单元的调整均由信号调理模块和PXI系统处理，PXI系统由数据采集和控制器组成。PXI设备为中继箱提供控制信号，采集中继箱转接过来的静电探测信号;信号调理模块是测试系统的电气枢纽，其主要功能一个是处理探测单元的信号，并为高速开关提供驱动方波。探测单元电路使用高速光耦开关切换，将探测极板反复接地，实现快速的充放电，实时的感应电场强度;所有探测单元的信号经过前置电路处理后，返回信号调理模块，汇总后由多功能数据采集卡的AI通道采入计算机。二是控制探测单元的屏蔽深度。多功能数据卡的AO通道输出频率可变的脉冲信号，经过信号调理模块处理后，输出至电机驱动器，驱动步进电机工作;屏蔽深度的两个极限位置信息由接近开关反馈给信号调理模块，由逻辑电路处理判断电机的工作状态，当判断达到极限位置后，停止屏蔽深度调节。

运行于PXI控制计算机上的软件对整个静电成像试验设备进行控制并采集静电信号。软件功能包括参数设置、信号采集、数据处理、成像试验、试验数据查询回放功能，分别用几个界面来实现人机交互。软件的总体流程如图7所示。

静电成像系统利用图像处理模块将检测系统得到的信号转换成图像的形式输出。图像处理模块为采集成像流程中的子模块，是静电成像的关键组成。其对同时采入计算机的多通道数据进行分段计算，最后合成为256级灰度图像。

4、结论

被动式的静电探测技术具有隐蔽性强，抗人工干扰能力强等优势，从而使其在军事目标探测和重要部门安防等方面具有较好的应用前景[7]。利用目标周围静电场对其进行成像是一种全新的尝试，由于对探测电极引入接地屏蔽外筒，使得原来全向接收电场信号的一般探测电极具有了一定的方向性。作者在实验室中根据静电成像原理，采用所设计的探测阵列、检测及控制系统和图象处理模块组成的静电成像系统对一块 “十”字型带电金属板的进行了成像实验，实验结果证明由该静电成像系统可以对带电目标进行成像。图8为实验室中利用静电成像系统成像结果。

静电成像技术的研究还处于起步阶段，静电信号的检测手段是静电成像技术的关键问题之一，对提高探测距离和成像效果有着非常重要的意义;此外探测电极设计以及阵列布设与具体被测目标的关系等方面还需进一步深入研究。

参考文献

[1] 陈曦,崔占忠,陈方.空中静电目标特性分析[J].北京理工大学学报.2005,25(增刊):169-172.

[2] 陈曦,林蔚,崔占忠.基于有向性探测阵列的静电体目标探测[J].北京理工大学学报.2006, 26(12):1043-1046.

[3] 林蔚,崔占忠,徐立新,等.一种有向性静电探测单元的研究[J].北京理工大学学报. 2005,25(增刊):163-176.

[4] 刘尚合,魏光辉,刘直承.静电理论与防护[M].北京:兵器 工业出版社，1999.

[5] Guru B S, Hizirogl H R. 电磁场与电磁波[M]. 周克定, 张肃文, 董天临等译. 北京:机械工业出版社, 2000.

[6] 李银林.被动式静电引信探测技术及信息处理[D].北京:北京理工大学机电工程学院.2000.

[7] 陈曦.被动式地面静电探测技术研究[D].北京:北京理工大学机电工程学院.2005.