探测性能

关键词：扩频探测器文献研究

探测性能（精选七篇）

探测性能篇1

1、探测器模型

1.1 宽带能量探测器

结构如图1.1所示, 接收的信号经放大后经过中心频率为fo、带宽为W的带通滤波器、平方律运算器、T秒型的积分器, 最后的积分结果和阈值进行比较, 最终确定每个T秒间隔内是否有信号收到。

根据文献[1]给出的宽带能量探测器的探测概率表达式, 经进一步简化变换可得

其中, WSS跳频信号带宽, TM为信号持续时间。

1.2 最优多通道跳频脉冲匹配探测器

此类型探测器是探测跳频信号的最优探测器。图1.2展示了基本的构成, 每个通道组成了一个能量探测器。通道的输出在每一跳结束后被求和, 消息中所有NT跳的和最后相乘, 结果与阈值L相比较, 最后判断探测器的输入端是否有信号。

文献[2]给出了探测模型:

其中, I0是第一类零阶修正的贝塞尔函数, d与 (1.1) 中的相同。NT为探测器所拥有的信道的数目, Nh为跳数, Wh为跳频单位带宽。

1.3 滤波器集束组合探测器 (FBC)

FBC基本组成与最优多通道探测器类似, 只是其每条信道都可以在每一跳的时间内探测信号的有无, 各自结果的输出做与运算, 结果与门限值l进行比较以判定是否有消息被探测到。

在得出各个信道的探测概率PDI和虚警概率PFAI后, 文献[1]给出了探测模型:

其中, Wh为每一跳的带宽, Th为每一跳的时间, η是卡方应用于高斯假设的校正系数, 其值已经在[1]中有详细的求证。

1.4 滤波器集束组合探测器 (FBC)

PB-FBC是简化的FBC, 它减少了最优或最大的信道数量。PB-FBC除了需要较大的信噪比外, 在性能上可以等同于全频段的FBC。

文献[1]中给出了可分别用于替代 (1.3) 式d1中探测概率和虚警概率的式子:

2、模型分析

为便于比较分析, 现把探测条件统一如下:探测概率PD=0.9, 虚警概率PFA=10-5, 跳频信道数目NT=106。根据模型进行分析, 结果总结如下:

3、结语

在实际应用时, 探测器的选择要考虑总的复杂度和性能。例如, 500通道PB-FBC的信噪比性能虽然比宽带探测器高3.4dB, 但是如果考虑到实际使用时的频率同步问题, 这3.4dB的优势将减少。相比于实现时的高代价, 宽带能量探测器或许是更好的选择。

基于以上的分析, 在进行信号的低截获分析时, 完全可以建立一个简单的宽带能量探测器的仿真来进行信号性能的判断。

参考文献

[1]Marvin K.Simon, Jim K.Omura.Spread Spectrum Communica-tions Handbook[M].McGraw-Hill, Inc.2002.

探测性能篇2

空中目标声信号检测器是声探测系统中的重要组成部分,随着现代战场环境的日趋复杂化,被动声信号检测器以其自身独特的优势越来越受到人们的重视.文中提出了将语音信号检测中的过零率检测算法用于空中目标检测中的方法,并同传统的`能量检测算法相比较.通过计算机仿真试验,结果表明过零率检测算法不但具有算法简单、运算时间短的特点,而且其稳定性比能量检测算法要好,具有一定的识别空中目标的能力.

作者：张国智李京华 ZHANG Guo-zhi LI Jing-hua 作者单位：西北工业大学电子信息学院,西安,710072 刊名：弹箭与制导学报 PKU英文刊名：JOURNAL OF PROJECTILES, ROCKETS, MISSILES AND GUIDANCE 年，卷(期)：2007 27(2) 分类号：V248 关键词：能量检测器过零率检测器目标检测

★ 一种从低分辨率图像序列获取高分辨率图像的算法

探测性能篇3

关键词：对地观测；遥感；月球基地；全球变化；轨道覆盖

摘要：从全球变化的空间观测需求出发，设想了一个依靠载人月球基地的对地观测望远镜，通过模拟地球静止轨道，太阳轨道和月球轨道，利用逐点计算法，从空间、时间和角度三个方面分析月球对地观测的覆盖特点，同时与现有的静止轨道卫星和日地L1点对地观测作比较.分析结果表明，月基对地观测具有良好的时空覆盖性能，尤其是角度覆盖度优点突出，有助于完善多角度遥感以及全球能量平衡观测系统.

关键词：对地观测；遥感；月球基地；全球变化；轨道覆盖

探测性能篇4

文献[3]从信号探测角度,综述了时反探测中的三种主要方法:反复迭代法、DORT法(时反算子分解法)及MUSIC法(多信号分类算法),但仅是理论介绍,无仿真结果;文献[4]和[5]分别讨论了单阵元主动TR探测和一种探测接收自聚焦技术,但二者的探测距离分别为1.0 km和0.5 km,且仿真结果是建立在理想的等声速梯度的基础上;文献[6]利用简正波模型,以时反聚焦性能指数来衡量垂直时反阵的聚焦效果,论证了浅海目标深度对其时反聚焦性能的影响,其聚焦距离为4 km;文献[7]基于被动时间反转,提出了一种信号检测算法。

本文是在前期研究时反聚焦技术[8]的基础上,从提高接收信号信噪比的角度,研究长距离下单阵元主动时反的探测问题,以利用高信噪比信号进行目标的定位研究[9]。

1 主动时反探测原理

1.1 探测模型

单阵元条件下的主动时反探测模型如图1所示。

其探测过程如下:

1)发射信号s(t);

2)s(t)经过信道多径传播到达目标,按照原路径反射后加入预设噪声,设阵元首次接受到的反射信号为y(t);

3)将接收到的信号进行时反、放大等处理后再送入信道,设再次发射的信号为y(-t);

4)信号遇到目标再次反射,过程中再次加入预设噪声,设第二次接收到的反射信号为z(t)。

1.2 探测原理

利用射线理论建立多径信道模型,可得信道传递函数为

式中:N表示声线总数;an,τn分别表示第n条本征声线对应的衰减幅度和时延。

则接收阵首次接收到的信号y(t)可表示为

式中:c为目标反射系数;q(t)为所加噪声。

将y(t)时反后再次发射,接收阵第二次接收到的信号z(t)可表示为

定义htr(t)有

式中:τmn=τm-τn;τij=τi-τj。

将式(4)代入式(3)中,则接收信号z(t)可表示为

加窗[T1,T2]=τs处理式(5),其中T1,T2分别表示时域窗函数的起始和截止参数,τs为s(t)的脉冲周期。从而使得τmn=τij。不失一般性,假设an=a∈(0,1),若τs≤(τm-τi)+(τj-τn),此时式(5)可简化为

通过计算比较y(t)和z(t)中的信噪比来研究引入主动时反后,目标探测性能的改善问题。

1.3 信噪比计算公式

根据信噪比的定义有

为了研究方便,分别定义时反前和时反后的接收信号信噪比为输入信噪比和输出信噪比,将式(1)带入式(2)有

再根据式(7)得输入信噪比为

由式(6)得输出信噪比为

2 仿真研究

2.1 仿真条件

阵元位置(0,80),目标位置(6 000,82),发射信号为如图2所示的CW信号,频率10 k Hz,脉宽80 ms;假设目标反射系数c=1,噪声采用均值为0、方差为1的高斯白噪声;采用图3所示实测的一段声速梯度。

利用Bellhop专用仿真工具箱模拟声场环境,得到阵元与目标之间的本征声线及与之对应的幅值、时延分别如图4、图5所示。

2.2 信噪比仿真计算方法

仿真过程中,为更准确地计算输入、输出信噪比,需要选取合适的信号段及噪声段,引入相关系数对y(t)及z(t)信号进行自适应加窗,选取与发射信号s(t)相关性最强部分作为有效信号进行能量计算,记为Es;对于噪声信号,则采取在接收信号z(t)前部截取与s(t)相同长度信号作为噪声并进行能量计算,记为En。

相关系数计算公式用以衡量q(k),s(k)之间的相似度,设定相关系数ρ,其中ρ∈[0,1],其表达式为

2.3 仿真结果及分析

2.3.1 单次时反探测

接收阵元首次接收到的信号y(t)和时反后第二次接收到的信号z(t)分别如图6、图7所示。

对y(t)、z(t)进行信噪比计算,得此时输入信噪比为12.13 d B,输出信噪比为17.27 d B,可知经过时反后信噪比提升约5.14 d B。

从图7中来看,z(t)信号时域波形受噪声影响严重,为更进一步提高信噪比,采用IIR椭圆带通滤波器进行滤波处理,降低噪声影响。滤波后信号z(t)如图8所示。经计算,滤波后的输出信噪比为33.09 d B,较滤波前提高约15.82 d B,较输入信噪比SNR_in提高约20.96 d B。

2.3.2 迭代时反探测

对接收到的信号z(t)进行TR自适应加窗处理后截取信号,将截取到的信号进行能量增益后,重新按上述过程发射,称为一次迭代。下面分带噪重发和IIR椭圆滤波后再重发两种情况来讨论迭代时反探测问题。

1)带噪重发

图9所示为首次及迭代2,4,6次后接收信号时域图;表1为迭代完成后,输出信噪比及迭代过程中每次接收信号与原发射信号x(t)的相关系数。

2)IIR椭圆滤波后重发

为降低噪声影响,将首次主动时反得到的z(t)信号通过IIR椭圆带通滤波器后再按照以上步骤进行截取迭代过程,按照此方法,首次及迭代2,4,6次后接收信号时域图如图10所示;迭代完成后,输出信噪比及迭代过程中每次接收信号与原x(t)的相关系数如表2所示。

3)结果分析

通过对比分析带噪截取及滤波截取两种方法下迭代时反探测数据,发现单阵元迭代时反方法对输出信噪比提高效果有限,大约进行3次迭代后,所得信号输出信噪比较相对首次输出信噪比提高约1 d B,价值较小;虽然通过多次迭代,信噪比有所提升,但此时每次重发信号与声源信号相关性较小,缺乏研究意义。

3 结论

本文利用射线理论模型研究了单阵元主动时间反转方法在探测过程中对于输出信噪比的提升效果问题。研究中,首先建立了基于射线理论的主动时反探测模型;在此基础上,以一组实测的声速梯度为基础,通过Bellhop工具箱得到仿真所用的信道数据;最后通过Matlab仿真,完成了6 km的探测仿真实验。

仿真表明,通过时间反转方法处理后,接收信号输出信噪相比输入信噪比有明显提高,且通过IIR椭圆带通滤波器后,指标有进一步提升,效果较好;但在单阵元情况下,采用迭代时反探测方法对于输出信噪比提升效果有限,价值较小。本研究结果可为后续利用时反进行定位和跟踪提供一定的参考价值。

摘要：针对信号传播过程中“多径效应”引起的问题,提出时间反转的处理方法,采用经典射线理论,利用Bellhop工具箱模拟多径信道环境,研究了基于单阵元的主动时反探测及主动迭代时反的探测性能。通过计算比较时反前和时反后接收信号的信噪比情况,说明时反方法对于信噪比提升的有效性。仿真结果表明:当发射信号距离目标6 km时,采用单阵元主动时反探测方法,可有效提高接收信号的信噪比,但进一步采用单阵元主动迭代时反方法,效果提升并不明显。

关键词：探测,多径信道,主动时反,迭代时反,信噪比

参考文献

[1]PARVULESCU A,CLAY C S.Reproducibility of signal transmissions in the ocean[J].Radio and electronic engineer,1965,29(4):223-228.

[2]FINK M.Time reversal of ultrasonic fields-Part I:Basic principles[J].IEEE transactions on ultrasonics,ferroelectrics,and frequency control,1992,39(5):555-566.

[3]刘敏,曹燕,韦岗.基于时反处理法的水下目标探测研究[J].科学技术与工程,2009,9(21):6366-6370.

[4]杨伏洲,王海燕,申晓红,等.水声多径单阵元主动时间反转检测性能研究[J].声学技术,2011,30(4):359-363.

[5]田学义,王海燕,申晓红.一种主动时反探测接收阵自聚焦[J].科学技术与工程,2012,12(9):1991-1995.

[6]曲少春,王英民,郑琨.浅海中目标深度对其时反聚焦性能的影响[J].计算机仿真,2014,31(1):195-198.

[7]杨伏洲,王海燕,申晓红,等.基于被动时反“双扩展”效应的信号检测算法[J].计算机仿真,2013,30(1):276-279.

[8]荆海霞,李洪义.基于主动时间反转的水下目标自适应聚焦研究[J].电子设计工程,2015,23(24):12-15.

探测性能篇5

长波红外偏振探测是对目标自身辐射的长波波段(6μm—15μm)进行其偏振信息的探测。其可以同时获得被测目标的长波红外信息以及偏振探测的优点,在对地遥感和目标识别中存在着极大的特点和优势。

但是,由于长波红外与其它波段的红外辐射产生机理不同,大部分并不是通过太阳光的反射和散射来产生的,而是来源于物体的自身辐射。一般被测目标为常温目标,往往能量较低,这样系统本身的背景辐射会对测量结果产生较大的干扰,同时长波红外偏振探测装置的定标过程中,存在着很多影响因素,定标过程有着一定的困难。因此长波红外偏振探测技术在国内相对于其它波段的发展较为缓慢,相关的领域研究较少。

本文的研究内容是从最基本的偏振成像原理开始阐述,并设计搭建了一套长波红外偏振探测装置,在实验室环境对其进行了性能测试与分析,测试结果较为理想,表明其具有较好的性能指标。在外场对一些典型目标和自然环境进行了偏振探测,探测结果表明,相比于红外成像,长波红外偏振成像具有独特的优势与特点。

1 基本原理

1.1 Stokes公式

完整的描述光波偏振态可以用Stokes参数来表示,其描述如下[1]:

$S = [\begin{matrix} s_{0} \\ s_{1} \\ s_{2} \\ s_{3} \end{matrix}] = [\begin{matrix} | E_{x} |^{2} + | E_{y} |^{2} \\ | E_{x} |^{2} - | E_{y} |^{2} \\ 2 | E_{x} | | E_{y} | \cos δ \\ 2 | E_{x} | | E_{y} | \sin δ \end{matrix}] = [\begin{matrix} Ι_{0} + Ι_{90} \\ Ι_{0} - Ι_{90} \\ Ι_{45} - Ι_{135} \\ Ι_{L} - Ι_{R} \end{matrix}] (1)$

式(1)中,s0与入射的光强有关;s1和s2与0°和90°两个方向的线偏振有关;s3与左右旋的园偏振光有关。

偏振度(DOLP)描述为p,当0<p<1时,入射辐射代表部分偏振光。

$p = \frac{\sqrt{s_{1}^{2} + s_{2}^{2}}}{s_{0}} (2)$

偏振方位角(AOLP)描述为:

$α = \frac{1}{2} \arctan (\frac{s_{2}}{s_{1}}) (3)$

因此关键就是在实验中测量计算出s0、s1和s2。

1.2 测量原理

从定义中可以看出,Stokes参数具有强度的量纲,可以使用光电探测仪进行测量。实际探测中,主要有两种测量方式:一种是根据Stokes参数的定义进行测量;一种是基于Stokes矢量和Mueller矩阵的偏振测量方式。

1)根据Stokes参数定义测量。

按照定义的公式,只需要分别测量0°、45°和90°三个方向的光强信息,即可推算出s0、s1和s2。

s0=I0+I90 (4)

s1=I0-I90 (5)

s2=2I45-I0-I90 (6)

最后代入DOLP和AOLP的表达式算的其偏振信息。

2)根据Stokes矢量和Mueller矩阵测量。

在光路中,光通过某一光学元件后将是何种偏振光决定于光学元件的特性。为了描述光学元件的特性,可通过米勒矩阵来描述。若输入光矢量为Sin,则通过k个光学器件后的输出矢量为Sout,则:

Sout=Mk……M3M2M1Sin (7)

与参考方向成θ角的理想起偏器的米勒矩阵为:

$Μ_{p} = \frac{1}{2} (\begin{matrix} 1 & \cos 2 θ & \cos 2 θ & 0 \\ \cos 2 θ & \cos^{2} 2 θ & \cos 2 θ & 0 \\ \sin 2 θ & \cos 2 θ \sin 2 θ & \sin^{2} 2 θ & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{matrix}) (8)$

则出射光的斯托克斯参量Sout为:

$S = [\begin{matrix} s^{'}_{0} \\ s^{'}_{1} \\ s^{'}_{2} \\ s^{'}_{3} \end{matrix}] = Μ_{p} [\begin{matrix} s_{0} \\ s_{1} \\ s_{2} \\ s_{3} \end{matrix}] (9)$

经过相应的计算后,出射光强表达式写为:

$Ι_{θ} = \frac{1}{2} (s_{0} + s_{1} \cdot \cos 2 θ + s_{2} \cdot \sin 2 θ) (10)$

在实际探测中认为圆偏振光较小且仅有线偏光,设s3=0,只需测量3个方向的线偏振光强度,即可通过出射光表达式来反演推算出s0、s1和s2。然后再代入DOLP和AOLP的表达式算的其偏振信息。

理论上,任意选取三个偏振方向测量光强都可以完成Stocks参数测量,但是实际实验中,从工程设计和检偏器透过轴方位角误差带来的测量误差角度考虑,一般选取0°、60°和120°三个方向的偏振信息。

当选取偏振角度是0°、60°和120°三个方向的时候,光强计算公式(10)可以变为如下形式:

$Ι_{0 °} = \frac{1}{2} (s_{0} + s_{1} + s_{2}) (11)$

$Ι_{60 °} = \frac{1}{2} (s_{0} - \frac{1}{2} s_{1} + \frac{\sqrt{3}}{2} s_{2}) (12)$

$Ι_{120 °} = \frac{1}{2} (s_{0} - \frac{1}{2} s_{1} - \frac{\sqrt{3}}{2} s_{2}) (13)$

可以推导出偏振度公式为:

$Ρ = \frac{\sqrt{Ι_{0 °}^{2} + Ι_{60 °}^{2} + Ι_{120 °}^{2} - Ι_{0 °} Ι_{60 °} - Ι_{60 °} Ι_{120 °} - Ι_{0 °} Ι_{120 °}}}{Ι_{0 °} + Ι_{60 °} + Ι_{60 °}} (14)$

在后续测试中,就可以根据公式(14)得到探测出的偏振度。

2 测试原理及装置

为了研究长波红外波段偏振成像技术,本文利用非制冷的微辐射热计,搭建了一个进行长波波段偏振成像的实验装置。该实验装置是本文研究中进行理论分析验证的主要手段,通过其探测结果可以衡量探测装置的性能,为后续的外场成像实验奠定基础。

由于长波红外产生机理等原因,其偏振度与很多因素有关,如被测目标的材料特性、材质粗糙度、材质光学特性,外界背景的反射干扰等,这些都会对最终探测到的偏振度产生影响,因此,采用反射起偏法来产生偏振源。在实验室环境中,利用黑体做光源进行反射起偏,从而产生所需的偏振信息。下面将具体推导反射偏振度表达式。

2.1 测试原理

由菲涅尔公式可知[2],物体表面的反射系数为:

$r_{s} = \frac{n_{1} \cos θ_{1} - n_{2} \cos θ_{2}}{n_{1} \cos θ_{1} + n_{2} \cos θ_{2}} (15)$

$r_{p} = \frac{n_{2} \cos θ_{1} - n_{1} \cos θ_{2}}{n_{2} \cos θ_{1} + n_{1} \cos θ_{2}} (16)$

式中,θ1为光线的入射角,θ2为折射角,n1为介质1的折射率,n2为介质2的折射率。

根据折射定律:

n1sinθ1=n2sinθ2 (17)

可以将其化为:

$r_{s} = - \frac{\sin (θ_{1} - θ_{2})}{\sin (θ_{1} + θ_{2})} (18)$

$r_{p} = \frac{\tan (θ_{1} - θ_{2})}{\tan (θ_{1} + θ_{2})} (19)$

所以物体表面的反射率为:

$R_{s} = r_{s}^{2} = \frac{\sin^{2} (θ_{1} - θ_{2})}{\sin^{2} (θ_{1} + θ_{2})} (20)$

$R_{p} = r_{p}^{2} = \frac{\tan^{2} (θ_{1} - θ_{2})}{\tan^{2} (θ_{1} + θ_{2})} (21)$

因此,通过物体表面反射产生的偏振度公式为:

$Ρ = | \frac{R_{s} - R_{p}}{R_{s} + R_{p}} | (22)$

在测试中,通过调整入射角θ1,就可以获得需要的偏振度。

2.2 偏振成像装置

偏振成像装置由偏振片、物镜和探测器三个部分组成,其装置实物图和示意图分别如下所示:

被测目标发出的长波辐射经过偏振片起偏后通过透镜汇聚在探测器上成像。偏振片可以于垂直纸面方向进行旋转从而改变偏振方向。通过获取-60℃、0℃和+60℃三个偏振方向的辐射测量值,通过反演计算得出目标的偏振度计算结果。其元件的具体参数指标在表1—表3中列出。

2.3 实验环境

由于长波红外偏振受到环境影响极为明显,为了提高测试的准确性,性能测试选择在实验室环境。

使用黑体通过准直系统产生无偏长波红外辐射源,形成平行光束入射到材料为Ge的平面反射镜上进行反射,平面反射镜置于转台中轴处,可以通过旋转转台来控制光线的入射角度,可以产生已知偏振度的偏振光,验证装置随之放置于相应的反射角度方向进行探测,采集到的光学信息通过上位机控制程序在电脑上进行成像及数据处理。

测试环境的装置实物图和原理示意图如下所示:

测试环境中的各个元件参数指标在表4中列出。

测试选用的反射镜为Ge材料,其折射率为4.00左右。将Ge的折射率代入上面计算所得的偏振度公式(22),可以获得Ge的偏振度—角度关系曲线,如图6所示:

这样,可以将黑体与准直透镜产生的平行光束通过一定的入射角入射到Ge平面反射镜上,产生偏振效应,来获得已知的偏振度。

3 偏振探测实验

衡量探测装置性能的主要有三个指标:温度检测精度、偏振精度及偏振准确度。

3.1 温度检测精度测试

温度检测精度探测指标反映的是随着被测目标温度波动,其长波辐射也随之变化,探测装置探测到的输出值能够相应检测到其变化。本文中要求探测器温度精度能达到0.2K。

设定黑体温度60℃,使用调整偏振片方向到辐射最强值,考虑到黑体温度存在一定波动,在一定时间(1分钟)内对目标进行多次采样,采样值选取黑体在成像装置中的均匀成像区域的数值,像素个数为5×5,并以光斑之外的均匀辐射作为背景辐射进行扣除,以替代辐射定标。

辐亮度公式为[3]:

$Ν = \frac{ε}{π} \int λ_{2}_{λ_{1}} W_{λ} d λ = \frac{ε}{π} \int λ_{2}_{λ_{1}} \frac{2 π h c^{2}}{λ^{5}} \frac{1}{e^{c h / λ Κ Τ} - 1} d λ (22)$

根据辐亮度公式,可以求得黑体在60°和60°+0.2°时的辐亮度为N33K=29.6265878W·m-2、N33.2K=29.6983044 W·m-2。由于探测器会自动进行背景温控,当时的背景温度为35°,对应的辐亮度为Nackground=21.3871251 W·m-2。可求得温度波动对应的辐亮度变化为:

$δ_{1} = \frac{(Ν_{333.2 Κ} - Ν_{B a c k g r o u n d}) - (Ν_{333 Κ} - Ν_{B a c k g r o u n d})}{Ν_{333 Κ} - Ν_{B a c k g r o u n d}} (23)$

求得δ1=8.7040384·10-3。

实验时采集测量30次,每次用测得的为5×5像素数值计算测量平均值,然后求30次测量结果的均方根。其中,测量值平均值为62.3,均方根为0.4755,其变化值δ2=7.74·10-3,小于δ1。说明温度检测精度测试复合要求。

3.2 偏振精度和偏振准确度测试

偏振探测精度所反映的含义是多次测量同一目标,其测得的偏振值应该保持一致,不会出现偏差。因为长波红外偏振探测的机理较为复杂,因此偏振精度这个指标就比较重要。

偏振准确度所反映的是探测偏振度和实际偏振度之间的偏差。

设定黑体温度60℃,调整黑体、准直系统、反射镜和成像装置在同一光轴,反射镜分别置于多个角度下分别产生相应的偏振光。

测试分别进行三次0°、60°、120°三个偏振方向的辐射测量值采集,偏振度的计算方法根据公式(14)得到。

每个偏振度下,进行不少于20次的采样。选取数据为黑体成像圆斑中心均匀的5×5像元,并以黑体成像圆斑外的均匀辐射作为背景进行扣除。

实验结果如表5所示。

从实验结果可知,偏振探测精度小于1%,说明探测器探测性能稳定;而偏振探测准确度也保持在一个较好的水平。

3.3 实验结果分析

通过实验结果,验证了长波红外偏振探测原理的正确性及探测装置较好的探测性能。但在实验过程中,也发现了一些长波红外偏振探测与其他波段的偏振探测的差异性。

1)长波红外是目标自身辐射所产生的,会受自身特性较大影响。虽然偏振度代表的是物体表面特性,与温度没有关联。但是在实际探测时,由于黑体温度的实时波动,会影响到三个偏振方向探测到的辐射值对应并不是同一黑体温度,对于探测结果影响较大

2)在测量时,背景辐射对于探测结果影响也较大,实验室的环境温度不是很稳定,一些其他物体的辐射值会进入到探测器中;而在可见波段,只需要在黑室环境下进行探测就可以扣除背景。

4 外场成像实验

在外场,利用偏振探测装置进行了户外偏振成像实验,选取了一些典型目标进行探测。

图8是对建筑物进行辐射探测和偏振探测,可以发现偏振探测比辐射探测可以更好的刻画出被测目标的轮廓以及细节。

图9是在树林中有两个电线杆,通过偏振探测可以很清楚的识别。说明人造目标和自然背景的偏振差别很大。

图10和图11是对汽车分别进行了辐射探测、偏振度探测和偏振角探测所采集的图像。可以从图上看出偏振度图像的汽车更具有立体感,且对比度更好。在偏振角图像中,由于汽车是人造目标,具有比较明显的偏振效应,偏振角信息比较明确,而后面的自然背景的偏振角由于杂乱无章,图像中很难分辨,因此偏振角图像可以更好的区分人造目标和自然背景。

图12是专门对自然景物进行偏振探测,可以很明显的看到偏振角图像上存在较多的噪点,且分辨率不高,这是由于自然目标的偏振特性杂乱造成的。

图13和图14是在道路上进行探测,视场中同时存在人造规则目标(马路),人造不规则目标(汽车和雕像)和自然目标(两边的树)。从图上可以清晰看见偏振图像基本上将所有的目标全部描绘出来。而偏振角图像对于人造目标成像比较清晰,对于自然背景依旧成像杂乱无章。

图15是专门对云彩进行偏振度采集,发现云彩也具有较好的偏振效应,对于大气探测、天气预报等有较好的应有前景。

5 结论

本文首先阐述了长波红外偏振探测的原理模型,并根据其原理设计搭建了一套长波红外偏振探测装置。在实验室环境中,利用反射起偏的原理,对这套探测装置进行了性能检测分析,通过实验结果的计算分析,验证了该探测装置具有较好的性能指标。同时,通过这套探测装置进行了相关典型目标的长波红外偏振成像实验,通过辐射成像、偏振度成像及偏振角成像三种方式的对比研究,得出长波红外偏振成像的特点与优势,对于实际应用中具有一定的意义与价值。

参考文献

[1]廖延彪.偏振光学[M].北京:科学出版社,2003:15-30.

[2]郁道银,谈恒英.工程光学[M].北京:机械工业出版社,2010:281-284.

探测性能篇6

近年来，人们对考试公平问题空前关注，作弊是导致考试不公的重要因素之一。2009年高考中辽宁松原的大规模作弊案曾引发了社会各界很大的震惊，此后，湖南娄底、新化等地又先后揭露出有部分考生利用传感器等工具在高考中作弊；而诸如全国司法考试等成人类考试也屡屡被查出有人使用高科技手段作弊。在某些地区，作弊行为已比较猖獗，人们对考试的严肃性、公正性开始担忧。从表面看，组织或参与考试作弊，是对考试实施工作形成了挑战，但从深远看，它更是对考试公平的极大威胁。毋庸置疑，如果学生的作弊行为得逞，轻易获取了本不该获取的分数，他们就可以享受到比自己实力更强的“同场竞技选手”的同等待遇。

笔者提出过“同分不同质”概念，即不同考生在答题时虽获得了相同的分值，但他们对试题所考查内容的掌握程度却并不相同，且存在本质上的差异。应该说，与考试相关的许多环节都可能促使“同分不同质”现象的发生，考试中作弊就是其中之一。

随着考试作弊手段的科技化、隐蔽化，发现作弊行为的难度越来越大。很难说，被纠察出来的作弊行为就是全部的作弊行为而没有“漏网之鱼”。应该清楚地意识到，“漏网之鱼”越多，那么“同分不同质”问题也就越严重，考试的公平性也就越缺失，考试的检测、选拔等功能从而将遭到削弱甚至摧毁。因此，有效预防和查处考试作弊行为已是当务之急。

一般来说，高科技的作弊手段都需要借助电子设备，所以在考试场所探查作弊器械最通常的思路就是对这些电子设备线路所含的金属进行探测，或者对电子设备工作时发出的电磁信号进行探测。近年来，为了加大对考试作弊的预防和检查力度，多数地区的高考考点都已按规定配备了金属探测仪，以探测考生考前入场时是否携带了违禁物品，同时也便于在考试过程中对“特殊考生”进行再检查。究竟这些探测仪的性能如何，能不能真正发挥效用，从而把好“入门关”和“检测关”，有效预防和察觉作弊行为，有效阻止与此关联的“同分不同质”现象的发生？

二、对考场“门神”—金属探测仪的功能测试与相关推断

笔者于2009年参加了高考、司法考试等监考工作，有机会与考场专用的金属探测仪“零距离”接触，拥有了亲自测试和感受这些“神秘武器”功能的良好条件，以破解上述疑惑。

考场使用的金属探测仪通常有两种形状 (如图1所示) ，分别是检测端为环形和检测端为条形的。据了解，环形的一种是早几年就开始配置在考点使用的，而条形的一种稍晚。据观察，笔者所在高考考点的这两种金属探测仪都贴有本市招生考试办专用的标签，并印有责任人的姓名，以显示这些仪器的专用性，同时也可能表示其质量有专人把关。

首先，笔者对这两种不同外观的仪器进行了性能对比测试。以同一金属物品（如硬币）为被测对象，测试两种仪器因检测到金属而发出警报声（亦可调为振动）所需的最近距离。采用环形仪器时，测量的是金属物品中心与仪器环中心位置之间的直线距离；采用条形仪器时，测量的是金属物品中心与仪器正面之间的垂直最近距离。笔者对每种仪器都选用了2～3个样品进行测试。经测试发现，这两种仪器的灵敏度无明显差异，对同一被测物品的检测距离有的稍近些，有的稍远些，没有统计规律。仔细观察仪器外表又发现，这些仪器的灵敏度其实是可以调节的，产品的后盖上有明确的文字说明，只要利用螺丝刀打开后盖，即可进行调节。由于笔者没有必要的工具，无法将这两种仪器调至同一状态（例如，同时调至最佳灵敏度状态）作进一步比对测试。但是，结合了对周围其他监考教师测试仪器时的观察，笔者认为，这两种仪器在使用上应该是没有太大差别的，可能也正是基于这个原因，在考点，这两种仪器是不做区分，随机发放使用的。

不过，笔者还是注意到这样两个细节。一是由于环形测试仪的测试环直径相对于条形仪器的测试棒长度短很多，所以在对被查对象进行实际扫描时，环形测试仪每次所能扫过的面积就比条形小了许多，要完成同样的检测量，使用环形测试仪必须花费更多的时间，这也可能正是新产品要做成条形的原因。二是部分仪器“过于警觉”，一开机就叫个不停，或在测试到金属后警报声就停不下来，这些仪器还恰巧都是条形测试仪，不过对这些仪器进行反复开、关机，或给予稍重些的拍打后又能正常工作了，可能是线路接触方面存在问题。

鉴于以上两种仪器总体上的灵敏度差异不大，又由于笔者所领取到的是环形测试仪，于是，接下来的测试过程均借助环形测试仪完成。

第一，测试对含金属的不同物品的检测距离。笔者选择了包括回形针、硬币、金属纽扣、手机、建筑物表面（可能筑有钢筋结构或内有电线穿过）等多个被测物。经测试，物品的大小对测试距离有一定的影响，小的物品需要在约6cm的距离才能检测到，而大的物品，例如建筑物表面，则在15cm开外就能检测到。这说明，检测距离应与物品中金属的实际含量有关。

第二，测试对含金属的不同物品的检出率。正如前面所验证的，像建筑物表面、手机、硬币等金属实际含量较高的物品，金属检测仪能100%测出。而某些较小的物品，则在扫描过程中有“蒙混过关”的可能，如果扫描速度稍快，像回形针、订书钉、某些含金属的文具往往不会引起测试仪的警报。这也就意味着，在考场检查学生时，有放过“投机分子”的可能性。再更换物品实验，结果更令人吃惊：笔者所使用的一支钢笔，笔套上端和笔杆前部都镀有银白色金属，但笔者所用的金属探测仪却探测不出，于是又更换了5只金属探测仪进行检测，其中仅有1只作出过反应，且反复重复实验时，测出率仅在50%左右；另外，钢笔的笔芯、圆珠笔的笔芯也都是纯金属制作的，经测试，它们也能轻易逃脱金属检测仪的“视线”，将被测物从测试环的一面穿过再到环的另一面，整个过程中，警报声都不会响起。以上几个被试所使用的金属尚且都是“宏观量”的，却不能被检测出，这不能不令人“遐想”：如果就使用这么多量的金属，足以制作一部功能完整、拥有复杂微电子线路的精良作弊器械了，考生带着它们不是可以毫无阻拦地入场了吗？何况，随着工艺不断的改进，许多电子器械的金属用量已经非常稀少了，面对它们，金属探测仪无异于被蒙着眼睛的警察。

第三，测试对电磁波的检出效能。笔者以自己的手机为测试对象，发现它在关机状态时，被检出距离约为15cm，处于待机状态时，多数情况下的被检出差距也是约15cm，但不是很稳定，有时可以突然明显增大，例如可以超过20cm。笔者认为，这可能是因为待机状态的手机也会不时通过电磁波与外界联系（这一点可以依据生活经验来佐证：将待机状态的手机放在收音机或电视旁边时，喇叭的音响中偶尔会出现嘈杂声，电视的图像偶尔会发生些许扭曲），手机处于发射或集中接收电磁波的过程中，金属探测仪的检测距离就可以增大，“灵敏度”相对增强了。为进一步验证，笔者再将收发信息时或拨打电话时的手机作实验，结果表明，检测距离确实大大提高，最远可以在60cm处被测出，探测仪的“灵敏度”相对增大了约4倍。这说明，金属探测仪是可以对电磁波进行检测的。

三、需指出的问题

据了解，笔者所在地区高考使用的金属探测仪是按考场数来进行配置的，即招生考试部门存量就这么大，基本没有剩余。另外，包括我市在内的许多城市，金属探测仪仅配备到高考考场，其他重要考试（例如中考）尚未能配备，这应该和金属探测仪数量不足有关。

另外，由于规定的考生入场时间为5分钟，这也包括考生从场外警戒线走到考场内的时间，如果考生路途较远，或考生在路途上自行耽搁，时间就更紧，所以教师利用金属探测仪对学生一一检查，任务是很“艰巨”的。若过于认真，要按要求上下、前后、重点程序“走”下来，根本来不及。于是有些时候，特别是到入场时间快结束时，检查的速度是非常快的，更像“走马观花”。

四、思考

通过对考场“门神”—金属探测仪功能的亲手测试，以及对监考过程中相关现象、问题的了解和观察，笔者感到当前预防和纠察作弊行为的现状尚不容乐观。

在测试中，有的物品虽含金属但不能被100%检出，甚至几乎检测不出；有的物品需要在慢速扫描时才能提高被测出率，快了就不行。这些都给予了作弊者和不法的作弊器械制造商许多可乘之机。需知，“我在明处、人在暗处”，作弊现象之所以猖獗，很重要的一个原因就是作弊器械制造商对我们的检测原理和手段已了如指掌，他们完全拥有了我们的作弊检测器械的实物和相关制造标准，已事先拿着我们的检测仪器作了“反侦察”测试，他们有了“过关”产品才敢这么嚣张。某些媒体近期也曾揭露过一些相关内幕。

另外，根据笔者的测试，电子设备在工作过程中更容易被测出，如果考生进场后再悄悄打开这些设备则很有可能逃脱检测。更何况，金属探测仪还不能100%正常工作，若在考场上它恰好失灵，结果又会怎样？

所以，金属探测仪似乎更像是起摆设作用的“门神”，它的意义更多体现在心理震慑上，令存有作弊企图的考生望而生畏。俗话说“吓死胆小的，撑死胆大的”，胆大而细心（“反侦察”）的作弊者完全有可能成为漏网之鱼，如果作弊的规模和程度较大，这些可就是“大鱼”!严重的“同分不同质”风险令人不安。

为此，笔者呼吁，须进一步审视目前的反作弊仪器工作，并立即采取有效的应对措施！例如，要加强对更灵敏、更高效、更稳定可靠的反作弊仪器的研发工作，同时加强对这些仪器的保密工作，将其严格控制在考试部门，仪器本身和相关性能资料绝不外流；要增大各地考试部门反作弊仪器的配置程度，加大资金投入，确保能及时对有故障的仪器进行更换，并力求将其应用到包括中考在内的各项重大考试中去，还需确保仪器有专人保管、定期检修；针对非工作状态的作弊器械不易探测的问题，要加强场内、场外的配合，场外用大型精确的监测仪器作定位，发现了问题考场再作场内“精细化”探测；要适当延长监考员考前的检测时间，确保所有考生能被仔细检查过。

总之，我们只有想得更全，做得更细、更专，才能更有效防患于未然，预防与此关联的“同分不同质”现象的发生，确保考试的公正性。

摘要：考试作弊手段呈现高科技化趋势, 考试作弊问题广受关注。在考场检查考生是否携带作弊工具通常使用的是对金属或电磁信号加以检测的仪器, 例如金属探测仪。笔者对金属探测仪的性能进行了测试, 主要包括:测试对含金属的不同物品的检测距离, 测试对含金属的不同物品的检出率, 测试对电磁波的检出效能等。测试结果表明, 当前预防和探查作弊行为的现状尚不容乐观。

关键词：金属探测仪,性能,测试,思考

参考文献

[1]张弛.阅卷工作引起的“同分不同质”现象探析[J].上海教育科研, 2009, 4:57～58

[2]郎秋红, 王猛.高考舞弊犯罪呈现高科技产业化[N].江海晚报, 2009, 6, 17

[3]吉林松原两女教师售学生家长高考作弊器被拘[EB/OL].http://unn.people.com.cn/GB/14780/21697/9454460.html

[4]吉林高考状元市舞弊成风[EB/OL].http://society.people.com.cn/GB/42733/9451803.html

[5]湖南娄底高考舞弊学生将传感器装在牙齿上[EB/OL].http://news.qq.com/a/20090806/000904.html

探测性能篇7

紫外通讯由于具有良好的保密性能,较强的抗干扰能力,可根据通讯需求调整通讯距离,并能实现非视距通讯等一系列优点而受到广泛的关注,是目前各国军事研究的重要领域之一。自然界中,太阳是最强的紫外辐射光源,阳光中的紫外辐射在通过地球大气层时会受到臭氧层对其中200~280nm(日盲区)的紫外光的强烈吸收[1],这一波段的紫外光辐射几乎无法到达地面。因此,使用紫外通讯系统不会受到太阳光的干扰;而且由于紫外光在大气中传输时会产生散射,所以可以实现非视距通讯;此外,系统辐射的紫外光通讯信号扩散在大气中被大气吸收,信号的强度会随通信距离按指数规律衰减。这样,就可以根据通讯距离的要求来调整系统的辐射功率,使其在非通讯区域的辐射功率减至最小,从而使敌方很难截获到己方的紫外光通讯信号,也不容易受到常规无线电设备的干扰,从而确保数据通讯的保密性[2]。

在实际应用过程中,光电探测组件是整个紫外通讯系统的一个重要组成部分,其能否真正实现日盲特性对系统来说至关重要。本文分别利用光谱测试系统和分光光度计对自主研发用于紫外通讯的真空型光电探测组件中的探测器光电阴极光谱响应和紫外滤光片的透射谱进行测试,并通过对两项测试数据的综合分析来评价组件的日盲性能。此外,为了能够直观地对比不同组件的日盲性能差异,还设计制作了一套可直观评价组件日盲性能的系统,并指出实现真正日盲紫外探测的理想途径。

1真空型光电探测组件的组成和工作原理

用于紫外通讯的真空型光电探测组件主要由紫外滤光片、紫外光电倍增管、高压电源、分压电路以及后续的处理电路和软件部分组成,见图1所示,基本工作原理是:输入的紫外光信号经过滤光片照射在紫外光电倍增管的光电阴极面上,光电阴极将光子转换为电子,在微通道板内加速倍增被阳极接收,获得放大的电信号。实现了紫外光到电信号的转换,同时起到信号倍增放大的作用。其中,紫外滤光片和光电倍增管是核心部件,它们的性能对组件的日盲性能起决定性作用。

2真空型光电探测组件日盲性能测试和分析

理论上,影响组件日盲性能的因素主要有两个:探测器光电阴极的光谱响应和紫外滤光片的透射谱,这两个参数基本上能够决定整个组件的日盲性能。因此,分别利用光谱测试系统和分光光度计对这两个参数进行测试,以此来综合评价整个组件的日盲性能。

光电探测器光电阴极的光谱响应[3]是指紫外光阴极发射光电子的能力随波长的变化关系,通常用阴极辐射灵敏度随入射波长的变化关系来表示,可用下式表示:

式中:S(λ)为紫外光电阴极在波长λ处的灵敏度;I(λ)为波长λ的紫外辐射入射到阴极时产生的光电流;P(λ)为波长λ的紫外辐射到阴极输入面的辐射功率。

这里,使用美国Gooch&Housego公司的OL750宽光谱测试系统测试。该系统采用标准紫外增强型硅探测器来校准光源的辐照度,以解决光源(尤其是氘灯)随使用时间衰减而影响测试结果准确性的问题。测试框图如下图2所示:

测量时,在光电探测器的光电阴极与微通道板输入极之间施加一定工作电压(200V左右),并将其置于暗箱内测试系统的光路上。光源(氘灯)发出的光经双单色仪分成单色光,经平行光装置照射在光电阴极表面,阴极接受光照产生微弱的光电流,光电流经前置放大器和锁相放大器检测、放大后,由A/D采集卡实现模/数转换并输入计算机。依次改变单色光辐射波长,能得到相应的光电流。然后用上述1式计算阴极光谱灵敏度,就能得到光谱响应曲线。

图3给出了测试的三个光电探测器的光电阴极光谱响应曲线。其中,样管A为常规性能光电倍增管,样管B为灵敏度增强型光电倍增管,A、B均为国产样管,样管C为德国proxivision公司生产的常规像增强管(管种不一样,只是比较阴极的日盲性能)。该公司目前是全球最为领先的紫外光电探测器生产商,产品的灵敏度和日盲性能都处于全球领先水平。这三个样管均采用碲碱阴极(Cs2Te或Rb2Te),它们在254nm处的阴极辐射灵敏度分别为15mA/W,35mA/W,45mA/W。日盲性能方面,样管A虽然日盲性能最好,但阴极辐射灵敏度较低,实际使用中虽然减轻了对滤光片的性能要求,但探测效率会较低。样管B虽然灵敏度有了很大的提高,但其日盲性能明显变差。而样管C的灵敏度比B还要高,但是其日盲性却比样管B明显改善,两者在绿光522nm处相差一个数量级,在黄光625nm处相差4个数量级。在实际使用时,自然环境中的可见光波段的辐射相比紫外波段强度大很多,如果滤光片的日盲紫外通带内外抑制比不够高的话,就会产生严重的可见光响应干扰。

滤光片的性能对整个组件来说也至关重要,通过对滤光片透射谱的测试,能充分了解它的滤光水平。这里采用美国PerkinElmer公司的Lambda950分光光度计来测试滤光片的透射谱。对2个样品对比测试结果如图4所示,其中红色曲线所示为国内某科研机构研制的吸收型紫外滤光片,而蓝色曲线所示为以色列OFIL公司生产的吸收型紫外滤光片,该公司的产品目前处于全球领先水平[4]。这两个样品的透过率峰值均位于260nm左右,峰值透过率也均在12%左右。但在日盲紫外通带外,OFIL公司的产品明显透过率小很多数量级(尤其是可见光波段),也就是说通带内外抑制比好很多。这样在实际使用过程中,可以滤去很多可见光的影响。

3日盲性能直观评价系统的建立

为了直观的对比用于紫外通讯的不同光电探测组件的日盲性能优劣,制作了一套简易的日盲性能直观评价系统。其基本工作原理为:采用与组件中光电倍增管相同的光电阴极制作成像增强管,并进一步通过光锥与CCD耦合制作成ICCD,与待测滤光片和紫外镜头组成探测系统,具体结构如下图5所示。然后将系统输出的模拟视频信号通过采集卡采集,传输到计算机中进行直观显示和编制软件进行亮点计数。其中,亮点计数[5]采用Intel的开源计算机视觉库OpenCV函数,先对采集的灰度图像进行处理,使用阀值分割将处理后的图像转换为二值图像,使用轮廓检测返回图像中目标对象的个数。实际使用时,需尽量确保环境中无人为紫外日盲信号,将探测系统正对太阳,计数值越小(即亮点数越少),表明系统的日盲性能越好。该软件的主界面如下图6所示。

分别用上述光电探测器A和光电探测器B与国内吸收型紫外滤光片组合制作了两个组件用于紫外通讯试验系统。为了对比它们的日盲性能,分别采用与A和B各自相同的阴极做成像增强管组成评价系统,对比结果如下图7所示。从图中可以看出,系统A的日盲性能明显优于系统B,两者正对太阳的计数值分别为101和102数量级。分析认为,主要是因为滤光片对可见光波段的抑制不够,而光电探测器B的可见光波段响应又比光电探测器A大很多,很多亮点信号是对可见光响应产生的干扰。

4结论

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紫外光电探测02-21

探测设备02-21

月球探测02-21

水害探测02-21

微波探测02-21

调整框架02-21

光电探测02-21

探测水平02-21

探测试验02-21

行星探测02-21