舰船军用毒剂新型监测装备体系研究

梅建庭，白雪莲，罗一丁

(海军大连舰艇学院水武与防化系，辽宁 大连 116018)

0 引言

近年来，舰船在维护岛礁领土主权、海洋权益，护航、维和、联合军演、反恐、救援和出访等多样化军事任务中经常会受到化学毒剂、生物战剂、爆炸物和工业有毒有害危险品等威胁，及时、有效和准确检测这些物质有利于提升舰船防护能力［1－2］。舰船常规毒剂监测装备由于受当时科学技术的制约，存在灵敏度和分辨率低，抗干扰能力弱和监测距离近等不足，难以满足未来舰船遂行多样化军事任务的需求［3－5］。本文根据舰船作战训练的环境和当前毒剂监测领域取得的进展，提出适合舰船装备集近距离、遥测和机载于一体的全方位毒剂预警监测装备体系，能及时为舰船提供现场、预测预警毒剂检测数据，为舰船及时防护和机动赢得时间。

1 舰船毒剂监测装备作战需求

1)广谱、高灵敏度和分辨率。生化战剂种类繁多、毒性大和危害途径多，化学战中常使用低浓度、高毒性的化学战剂混合物，除已知毒剂外，还含有一些未知的有毒有害物质。所以，不仅要求能监测神经性、糜烂性等常见毒剂蒸气、气溶胶，而且能监测常见的有毒有害气体;装备的响应时间应在几秒之内，最好达到实时监测。

2)远距离监测功能。由于舰船是人员众多的作战平台，长时间在生化条件下作战训练，需要大量防护装备才能确保舰艇人员的安全。如果舰船能远距离发现生化战剂云团，可以采用机动的方式避开生化战剂云团的危害。探测距离要求超过5 km，甚至达到10～20 km。

3)抗干扰能力强。舰船在作战条件下，周围环境十分复杂，发射武器弹药产生的硝烟、橡胶、油漆等物质燃烧产生的废气都会对毒剂检测装备灵敏度产生干扰，易出现误报漏报现象。准确率一般应在80%或更高。

4)抗复杂电磁环境的能力。舰船上装备大量基于计算机、现代通信、观测、人工智能和自动控制等电子装备，使得毒剂监测装备周围的电磁环境极为复杂，极易引起毒剂监测装备信号和运行基线的不稳定。

5)耐“三高”能力。舰船长期处于高温、高湿和高盐的环境下，毒剂监测装备极易被腐蚀，特别是离子迁移管，需要经过特殊处理，才能防止由“三高”引起灵敏度和分辨率的降低。

6)自动化全天候监测。能在各种背景下全天候快速展开、自动完成监测工作，具备报警显示和信息传递等功能。

2 常规舰船毒剂监测装备面临的挑战

常规舰船毒剂监测装备监测原理是基于离子迁移谱技术，具有灵敏度高、响应快、恢复时间短等优点，广泛应用于舰船、公共安全中毒剂、危险品和爆炸物等检测。常规离子迁移管原理的工作方式如图1所示。该工作方式是对离子施加一个匀强电场，该电场一般小于1000 V/cm，利用不同离子在该电场下飞行速度的差异导致飞行时间的不同来实现对离子的分离监测。不足之处:一是离子迁移管体积大。由于采用匀强电场对离子进行分离，所以需要一个较大的匀强电场区才能实现离子的完全分离，造成离子迁移管体积过大，难以进行结构优化;二是离子利用率低。由于采用通断离子门，引起离子的极大损耗，限制了装备检测灵敏度的进一步提高［5－6］。

图1 常规离子迁移管原理Fig.1 Theory of ion mobility pipeline

1)直接吸入型离子迁移谱的不足:一是分辨率不高，关键部位易腐蚀。由于接收电极受几何尺寸和数量的限制，待检气体直接进入漂移管，环境温度湿度的影响都会引起分辨率的降低。舰船在“三高”环境下使用，样品气体直接进入装备内部易引起精密电极、放射源等器件腐蚀。二是环境气体影响大，误报漏报多。舰船在作战中环境气体背景十分复杂，硝烟、橡胶和油漆等各种不明易燃物的燃烧废气在检测器电极上的响应对计算机在毒剂的模式识别影响很大。

2)渗透膜型离子迁移谱虽然防止“三高”环境对精密电极等器件的腐蚀，但存在以下缺点:一是响应时间长，装备复零慢。渗透膜型漂移管内部的漂移气体与外界的空气由硅橡胶渗透膜隔离，样品分子需要穿过渗透膜才能使装备有响应，渗透时间越长，响应时间越长，复零也越慢。二是溶剂有干扰。大多数油漆、润滑脂、分子量大于150的物质易穿过硅橡胶渗透膜而引起干扰，如汽油、油烟等。三是难以监测挥发性小的毒剂。液体毒剂挥发性小，大多数毒剂分子不能直接到达渗透膜表面而无法穿过渗透膜，致使难以监测这类毒剂。

3 舰船新型毒剂监测装备体系构建

3.1 常规毒剂监测装备的改进

采用高场强非对称波形离子迁移谱 (FAIMS)可对常规毒剂监测装备进行技术升级，既可以克服常规毒剂监测装备的不足，又可以进一步减小体积和重量，有利于研制便携式毒剂监测装备。FAIMS主要通过对常规毒剂监测装备的传感器、漂移管、电场和接收装置等关键部位进行技术创新，进一步提高装备的灵敏度、分辨率和抗干扰能力，还扩展了检测物质的种类。

1)平板型漂移管

FAIMS漂移管目前比较成熟的技术是平板型结构，基本结构如图2所示［7］。FAIMS离子分离技术只需要对2块平行金属板施加非对称射频电压和补偿电压就能构成“离子滤波器”，使符合条件的某种离子通过平行金属板，到达离子收集盘。平行平板长度、平板间宽度、非对称高电压波形和频率、缓冲气体的种类和流速等参数都对FAIMS性能有影响。该结构易用微机电系统 (MEMS)工艺加工，具有微型化、灵敏度高、检测时间短、检测物质广和功耗低等特点。

图2 FAIMS漂移管原理Fig.2 Theory of the high-field asymmetric waveform ion mobility pipeline

2)离子电流捕获装置

离子电流捕获装置为阵列式微法拉第筒，如图3所示［8］。该方法优点:一是敏感电极采用阵列式设计，扩大了气体与敏感电极的接触面积。在敏感电极中形成许多分散的微气流通道，可以破坏气体进入敏感阵列后的稳定流场，使气体中的离子更容易与敏感电极发生碰撞。由于载气驱动离子从敏感电极间流过，省去了驱动电极;二是栅电极、屏蔽电极及导电侧壁能够对敏感电极进行良好的屏蔽，提高了法拉第筒的检出限。三是离子在到达敏感电极前，会由于电磁感应而在敏感电极上形成感生电流。栅电极的存在能够大大减小电磁感应现象，减小敏感电极上的感生电流。

图3 阵列式微法拉第筒Fig.3 Array micro Faraday cup

3.2 遥测式毒剂监测装备

舰艇遥测化学/生物战剂不仅能大幅度提高舰艇的战场生存能力，而且能充分发挥舰艇机动性好的特点，可以灵活规避化学/生物战剂云团，为舰艇节省大量防护装备，延长舰艇在生化条件下的作战训练时间，同时为舰艇防护提供足够的准备时间［9］。

1)被动红外遥测装备

M21化学毒剂遥测报警系统 (RSCAA)是美军重点发展并正式列装的化学毒剂遥测装备。M21遥测毒剂报警器是利用1台自动扫描被动式红外探测器，探测因毒剂云团的存在而引起的背景红外辐射的变化来探测毒剂的存在与否，可探测神经性、糜烂性等常见毒剂，最远探测距离为5 km。该系统从20世纪50年代末期开始研制，经过多年的实验、改进、设计定型后于1990年底生产25台套，部分在1990年“沙漠风暴”海湾战争中成功使用后改称M21。美国在M21基础上研究、发展为轻型被动红外传感毒剂报警器 (LSCAD)。该装备由光学传感器、电子模块、数据分析/控制软件等几部分组成。传感器是一种基于迈克尔逊干涉仪的红外光谱仪，He-Ne激光器和用作干涉仪参照物的偶联光导纤维安装在底座上。LSCAD具有小巧、轻便和坚固耐用的特点，不仅可安装在各种舰艇和装甲车上，还可安装于直升机和无人驾驶飞机上。目前还在对LSCAD进行技术升级，发展为ILSCAD。

德国布鲁尔 (BRUKER)公司为德军研究开发了RAMSIS系统。RAMSIS系统曾在两伊战争中使用，并为国际生化核查组织所订购。目前，RAMSIS系统已改称RAPID，RAPID化学毒剂红外遥测报警系统由主机、远距离显示与控制单元、专用计算机、电源和车载减震器及三脚架等组成。主机由干涉仪、红外探测器、景物扫描器、CCD摄像器、控制和数据处理单元组成，通过RS422电缆与专用计算机连接。

2)化学毒剂红外成像系统

美国海军在20世纪80年代后期成功开发了AN/KAS-1型化学战方向探测器。该系统由2种视场 (3.4°×6.8°;1.1°×2.2°)通用组件的前视红外系统加上步进光谱滤光片和数据处理系统组成。对于神经性蒸气云团的作用距离大于5 km，总重量为20.9 kg。根据海军的订货已交付总计555台套。

3)主动激光遥测装备

20世纪80年初，美军研制了一种差分吸收激光雷达 (DIAL)，光源为1只频率可调CO2激光器，能发出9～10μm波段 (含磷神经毒剂峰值吸收波长为9.8μm)的60条谱线。DIAL的作用距离2 km，对神经毒剂的灵敏度为0.01 mg/m3，对芥子气为0.1 mg/m3。1986年，通过技术攻关，DIAL系统的体积和重量都有所减少，探测距离增加到7 km，此监测装备可安装在直升机和远程飞机上使用。目前，美国休斯飞机公司正在为美军发展一种基于吸收原理的CO2调频激光雷达，该激光雷达的CO2激光器可调出4种激光束用以照射监测毒剂，对蒸汽态毒剂的作用距离为5 km、对气溶胶毒剂为1 km、对地面液态毒剂为500 m，此监测装备可安装在水面舰艇和直升机上。法国的DETADIS、德国的VTB－1型遥测化学战剂传感器都是基于CO2差分吸收激光雷达基础上研制的。

3.3 机载式毒剂监测装备

长期以来，人们一直希望使用较为小型的无人飞行器 (UAV)作为化学/生物探测器的先锋，传感器尺寸的缩小和自动化程度提高提供了可能。21世纪初，波音公司和Smiths公司联合研制固定在无人机上的毒剂监测装备，并取得阶段性成果。2009年10月美国陆军埃奇伍德生化中心和Smiths公司联合宣布，成功试验了采用无人机前端的一个传感器检测云中化学毒剂。Smitns公司还将轻型化学侦检仪 (LCD)装载在美国“捕食者”号无人机上，用于试验和训练已有5年以上时间。由于舰载无人机的成本低、体积小、用途广泛、效费比高、可避免人员伤亡的特点，越来越受到各国海军的青睐，已成为西方军事强国追求现代战争“零伤亡”的理想武器。在舰载无人机上挂载化学/生物监测任务载荷，能够快速准确监测、预测远距离化学/生物染毒分布态势和扩散趋势，为舰艇编队指挥决策机关及时有效掌握化学/生物信息，做出正确决策提供科学、有效的依据。

4 结语

舰船新型化学/生物监测装备体系是由接触式、遥测式和机载式化学/生物监测装备构建，既克服了常规毒剂监测装备的不足，又增加了遥测和远距离监测等装备手段。对FAIMS中漂移管和离子捕获等关键部件进行研究，可以达到同时检测多种类物质所需的灵敏度和分辨率，能满足舰船未来遂行多样化军事任务所需装备的要求。

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