基于主动式静电探测技术的目标定位方法*

李彦旭，徐立新，赵不贿

(1.江苏大学电气信息工程学院，江苏镇江212013;2.北京理工大学 机电学院，北京100081)

0 引言

静电探测技术是一种通过检测目标周围空间静电场的电参数来获得目标信息的新型探测方法。根据产生静电场的不同，静电探测技术可分为被动式和主动式两类［1，2］。凡利用目标产生的静电场探测目标的称为被动式静电探测技术;若静电场由探测器产生，通过目标出现时对这一静电场产生的扰动来获取目标信息的称为主动式静电探测技术。被动式静电探测技术隐蔽性高、抗干扰能力强，但仅能对带电目标进行探测;主动式静电探测技术受气象条件影响小，对任何目标都可以进行探测［3］。

本文通过对主动式静电探测技术的研究，提出了通过检测电流来获取目标位置的一种方法，并通过理论推导和仿真进行了验证。

1 主动式静电探测非带电目标时的电流表达式

点电荷q位于半径为a的探测球O1外，与球心距离d，q将在O1上产生感应电荷，探测球外的静电场则由点电荷和感应电荷共同产生，当半径为b的非带电目标球O2(与q距离为r)以速度v向O1运动时将会对静电场产生扰动，如图1所示。主动式静电探测系统正是通过检测静电场的变化来获取目标的信息。

图1 主动式静电探测非带电体目标原理图Fig 1 Principle diagram of active electrostatic detecting uncharged target

为了便于描述，设qi(i=1，2，3…)表示探测球O1内的镜像电荷，其与球心的距离用di(i=1，2，3…)表示，q'i(i=1，2，3…)表示目标球O2内的镜像电荷，其与球心的距离用 ri(i=1，2，3…)表示。

根据镜像电荷法和各镜像电荷的几何位置关系［4，5］，可以得到

则探测球O1上感应的总电荷量Q和电流i分别为

式(6)即为探测非带电目标的电流表达式，探测球上感应的电流i与点电荷的电量q，球O1的相对运动速度v，点电荷与探测球O1，目标O2的距离d，r以及O1，O2的半径a，b有关。其中，q，a，b和 d可认为是常量，因此，通过检测该电流的大小就可获得不同交会速度时的目标距离信息。

2 主动式静电探测带电目标时的电流表达式

当带电目标与探测球O1的距离r在O1半径a的10倍以上时，该目标可视作点电荷来进行分析，探测原理图如图2所示。

图2 主动式静电探测带电点目标原理图Fig 2 Principle diagram of active electrostatic detecting charged point target

则感应电流i为

由式(8)可知，此时探测球上感应的电流i与目标的带电量Q'、探测球半径a、目标与探测器的距离r及相对速度v有关，而与场源的电荷量无关。

3 主动式静电探测仿真分析

在Maxwell 3D中建立主动式静电探测系统模型［6］，半径为3 cm的带电球模拟点电荷，半径为10，15 cm的导体球模拟探测电极和目标，如图3所示。通过给点电荷球施加电压的方式来模拟点电荷电场。图4(a)为未引入目标球时，探测球上的场强分布，图4(b)为引入目标球后，探测球上的场强分布。

图3 主动式静电探测系统模型Fig 3 System model of active electrostatic detection

由图4可以看出:引入目标球后，探测球空间的场强分布发生了明显的变化，且探测球周围空间某一点处的场强幅值变小。由静电学理论可知［5］，当探测球附近电场变化时，其电荷分布也将发生变化，因此，可以通过检测电流的变化来进行目标探测。

图4 引入目标球前后探测球周围的场强分布Fig 4 E-field intensity distribution around detection ball before and after introducing target ball

当对点电荷球施加不同直流电压，不带电目标和带电目标在不同距离时，探测球上的电量仿真结果如表1和图5所示。

表1 探测球上电荷量结果Tab 1 Result of charge quantity on detection ball

图5 探测球上的电荷量与探测距离的关系曲线Fig 5 Curves of relation between charge quantity on detection ball and detection range

4 结论

1)主动式探测技术是通过目标对探测系统空间场强的扰动来获取目标的位置信息，由图4(a)，(b)的仿真结果可以看出:引入目标前后探测球空间的场强发生了明显的变化;

2)探测球上的电荷量随探测距离的增大而减少，根据电流检测电路的上限即可计算出探测距离。在图1中设探测球O1的半径a=5cm，目标球O2的半径b=10cm，点电荷的电量q=1×10-9C，点电荷与O1之间的距离d=15 cm，目标的相对运动速度v=200 m/s，当检测电路的电流上限为10 pA时，该探测系统的作用距离为5 m;

3)为了增加探测距离，可以通过增大探测系统空间场强的来加以实现;

4)主动式静电探测系统的探测距离还与目标的带电量有关，目标所带电量越大，探测距离也越远;

5)图5的曲线出现振荡现象，这是由于目标球与探测球距离过近时，将出现体目标效应所致。

［1］李彦旭，崔占忠，徐立新，等.基于检测电流差式的静电探测方法研究［J］.北京工业大学学报，2008，34(S1):92-95.

［2］李彦旭.喷流对航空器荷电影响的理论研究［D］.北京:北京理工大学，2006.

［3］Li Yanxu，Xu Lixin.Study of a novel electrostatic detection sensor［C］∥International Conference on Nano Science and Technology，ICNST2010，2010:66-69.

［4］鲍重光.静电技术原理［M］.北京:北京理工大学，1993.

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

［6］刘国强，赵凌志，将继娅.Ansoft工程电磁场有限元分析［M］.北京:电子工业出版社，2005.