無人機載荷與行業(yè)應用第五章 其他載荷目 錄

通信中繼載荷項目1項目2項目3項目4

航磁傳感器

氣體傳感器

其他特殊載荷隨著無人機技術和傳感器技術的發(fā)展，無人機的應用領域也變得越來越廣泛。除了前面幾章節(jié)提到的無人機載荷外，在一些特殊應用場景下，無人機會因為任務需要掛載其他載荷。為了保證無人機遠程通信，在信道間存在距離遠或存在障礙物的情況下，無人機可搭載通信中繼載荷，進行信息的中繼傳輸。在航空物探方面，可采用無人機搭載航磁傳感器對地磁場精確測量，另外可采用無人機搭載氣體傳感器的方式對大氣或特殊區(qū)域快速地進行氣體種類和濃度的測量，這也是無人機應用的一個重要分支。在軍事運用方面，各國使用無人機進行通信偵察、雷達偵察和電子對抗已經(jīng)越來越頻繁，技術也愈加成熟。項目1通信中繼載荷無人機通信中繼載荷，是為了保證無人機進行遠距離控制及信息傳輸，而設置在無人機上的通信中繼基站裝備。無人機之間、無人機與地面站之間，

通常存在非視距鏈路（

NoneLine

of

Sight，NLoS），包括傳輸距離過遠、傳輸節(jié)點之間有障礙物遮擋等，這時需要借助高空中繼平臺進行中繼通信。任務1

通信中繼載荷任務1

通信中繼載荷隨著科技的發(fā)展，無人機在飛行高度、續(xù)航時間等方面有很大的提高。與衛(wèi)星相比，無人機具有靈活機動、成本低、維修方便等特點。在無人機組網(wǎng)通信中，無人機作為中繼進行戰(zhàn)場通信與衛(wèi)星作為中繼進行戰(zhàn)場通信相比，具有很大的優(yōu)勢。而相較于地面中繼，首先，無人機中繼部署靈活，不受限于站址選擇；其次，無人機中繼將原始的地面中繼鏈路轉換為空對地鏈路，可充分利用空對地視距傳播優(yōu)勢，提高鏈路可靠性。在多跳無人機中繼通信中，無人機之間形成空對空的超視距傳播鏈路，在保證鏈路可靠性的同時，進一步擴大端到端的通信距離。目前的空中中繼平臺主要有兩種：衛(wèi)星中繼和無人機中繼。任務1

通信中繼載荷目前的空中中繼平臺主要有兩種：衛(wèi)星中繼和無人機中繼。無人機中繼的優(yōu)點：隨著科技的發(fā)展，無人機在飛行高度、續(xù)航時間等方面有很大的提高。與衛(wèi)星相比，無人機具有靈活機動、成本低、維修方便等特點。在無人機組網(wǎng)通信中，無人機作為中繼進行戰(zhàn)場通信與衛(wèi)星作為中繼進行戰(zhàn)場通信相比，具有很大的優(yōu)勢。而相較于地面中繼，首先，無人機中繼部署靈活，不受限于站址選擇；其次，無人機中繼將原始的地面中繼鏈路轉換為空對地鏈路，可充分利用空對地視距傳播優(yōu)勢，提高鏈路可靠性。在多跳無人機中繼通信中，無人機之間形成空對空的超視距傳播鏈路，在保證鏈路可靠性的同時，進一步擴大端到端的通信距離。任務2

通信中繼載荷分類根據(jù)無人機通信方式不同，可分為：電臺移動通信Wi-Fi通信蜂窩移動通信電纜通信（系留）衛(wèi)星中繼通信其中蜂窩移動通信是重點發(fā)展方向，這是因為蜂窩移動通信是現(xiàn)在普遍使用的無人機通信或移動電話通信業(yè)務，在具有一定人流量的地方均架設有蜂窩移動通信網(wǎng)絡，覆蓋面廣，適用范圍大。它是采用蜂窩無線組網(wǎng)方式，在終端和網(wǎng)絡設備之間通過無線通道連接起來。無人機搭載基站設備，當?shù)孛嬲竞蜔o人機都處于蜂窩移動通信的地面基站信號覆蓋范圍內(nèi)時，就可以完成無人機與地面站之間的通信功能。任務2

通信中繼載荷分類按無人機飛行狀態(tài)不同靜態(tài)場景通信中繼載荷動態(tài)場景通信中繼載荷靜態(tài)場景人機的靜態(tài)部署問題，即無人機部署后的位置不再發(fā)生變化，在單無人機無法滿足業(yè)務需求時，還需要部署多架無人機進行通信覆蓋，此時又會涉及用戶分簇和無人機數(shù)量規(guī)劃。動態(tài)場景即在大范圍目標區(qū)域場景以及地面用戶不斷移動的動態(tài)場景中，無人機需要不斷地調(diào)整部署位置，來保證能覆蓋所有用戶或適應網(wǎng)絡環(huán)境的變化，這種動態(tài)部署需要無人機軌跡設計。任務2

通信中繼載荷分類頻分雙工通信類設備包含TDMA\CDMA-2000和WCDMA等設備。時分雙工通信類設備如中國提出和自主開發(fā)的移動通信設備TD-SCDMA。根據(jù)移動通信系統(tǒng)的雙工工作方式來劃分：移動通信中繼覆蓋系統(tǒng)組成示意圖中繼基站是位于基站和移動站之間的一個射頻中繼轉發(fā)系統(tǒng)。移動通信中繼覆蓋系統(tǒng)組成如圖所示。中繼基站主要由施主天線、收/發(fā)雙工器、上/下行放大鏈路和覆蓋天線等組成。施主天線接收基站天線發(fā)射的無線電波信號，經(jīng)中繼基站下行鏈路放大后，由覆蓋天線輻射出去。覆蓋天線用于覆蓋基站無線電波無法覆蓋的陰影盲區(qū)，為陰影盲區(qū)中的移動終端用戶提供無線通信傳輸鏈路。任務3

通信中繼載荷工作原理任務3

通信中繼載荷工作原理圖為某公司HEPBURN

系列無人機通信中繼設備，其基于物理層、數(shù)據(jù)鏈路層研發(fā)的自組網(wǎng)模塊，采用軟件無線電架構，具有大帶寬、遠距離、組網(wǎng)靈活等特點，可適配多種無線自組網(wǎng)通信需求。HEPBURN系列無人機通信中繼設備任務3

通信中繼載荷工作原理某典型應用場景其典型應用場景如圖所示，該場景包括

4

個自組網(wǎng)模塊，每個自組網(wǎng)模塊可與IP攝像頭、電腦、語音設備等連接，將各自的業(yè)務數(shù)據(jù)無線傳輸給控制中心。自主建網(wǎng)，自主尋找最優(yōu)路徑進行數(shù)據(jù)回傳或中繼，任意兩個模塊之間均可進行通信。任務3

通信中繼載荷工作原理目前，無人機中繼載荷主要在下述三類任務類型中應用：（1）無人機通過搭載基站等通信設備，為地面提供通信覆蓋，無人機可以通過系留等方式搭載基站等通信設備，為缺少通信覆蓋的區(qū)域提供臨時的通信服務。主要的應用場景包括：熱點地區(qū)的流量卸載、災后的緊急通信恢復等。翼龍中繼平臺發(fā)送的通信信息2021年7月21日，因為強降雨鄭州下轄的鞏義市信號塔被沖毀失聯(lián)，應急管理部發(fā)送的通信信息極大地幫助了應急救災。任務3

通信中繼載荷工作原理（2）任務無人機工作距離過遠或超視距飛行，會出現(xiàn)無法將信號直接傳輸?shù)降孛婵刂平K端的情況，此時需要在任務無人機與地面控制終端之間設置無人機擔任中繼通信的任務?；诔帻?60（CL-860）垂直起降固定翼無人機平臺的中繼通信模型任務3

通信中繼載荷工作原理（3）無人機作為移動匯聚節(jié)點，采集地面?zhèn)鞲衅鞯臄?shù)據(jù)。傳感設備由于尺寸、電量等原因，很難支持長距離的通信。在缺少通信覆蓋的偏遠區(qū)域，無人機可以憑借自身的高移動性，飛行到傳感設備的上方對傳感設備進行數(shù)據(jù)采集，再將數(shù)據(jù)回傳到數(shù)據(jù)中心/邊緣服務器進行進一步的處理，克服了傳輸距離的限制。除此之外，通過縮短通信距離和減少數(shù)據(jù)傳遞的跳數(shù)，有效降低了地面無線傳感網(wǎng)絡的能耗，延長了其使用壽命。最常見的應用場景包括：精準農(nóng)業(yè)、設備巡檢以及智慧城市、智慧交通中的一些邊緣計算應用。項目2航磁傳感器無人機航空地球物理勘查方法技術（簡稱無人機航空物探）是航空地球物理勘查（簡稱航空物探）技術領域中的新興技術分支。隨著無人機平臺技術的日趨成熟，無人機航空物探技術研究在國內(nèi)外受到了廣泛關注，新技術、新方法層出不窮。任務1

航磁傳感器簡介目前國內(nèi)外絕大部分的無人機航空物探測量系統(tǒng)為航磁測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)將先進的無人機技術和航空物探技術相結合，使得無人機航空物探具有費用低、小型化、智能化、效率高、人員安全等優(yōu)勢，具有廣闊的應用前景。通常我們把進行磁異常數(shù)據(jù)采集及測定巖石磁參數(shù)的儀器，統(tǒng)稱為磁力儀，其核心部件為航磁傳感器。為利用磁力勘探研究和勘查礦產(chǎn)資源，必須準確測量磁異常的量值，這就需要有高精度的儀器。任務1

航磁傳感器簡介任務1航磁傳感器簡介中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所，從2013年開始，陸續(xù)成功將CS-VL高精度銫光泵磁力儀和AARC510航磁數(shù)據(jù)收錄及補償器搭載到無人機平臺上，形成了國內(nèi)首套基于長航時中型無人機的航空磁測樣機系統(tǒng)。定型系統(tǒng)航速為170～200

km/h，最大航行時間為12

h，最大航程達2

000

km，最高升限5

000m，測控定位精度優(yōu)于±5m，初步具備了高精度實用化測量能力，其系統(tǒng)如圖所示。無人機航空物探測量系統(tǒng)任務2

航磁傳感器的分類按照磁力儀的發(fā)展歷史以及它應用的物理原理，可劃分為：①

第一代磁力儀：它應用了永久磁鐵與地磁場之間相互力矩作用的原理，并利用了感應線圈以及輔助機械裝置。如機械式磁力儀、感應式航空磁力儀等。②

第二代磁力儀：它是應用核磁共振特性，利用高磁導率軟磁合金，以及專門的電子線路，如質子磁力儀、光泵磁力儀及磁通門磁力儀等。③

第三代磁力儀：它是利用低溫量子效應，如超導磁力儀。任務2

航磁傳感器的分類）光泵式磁敏傳感器是高靈敏磁測設備的核心部件。它是以某些元素的原子在外磁場中產(chǎn)生的塞曼分裂為基礎，并用光泵和磁共振技術研制而成的。按共振元素的不同，分為氦（He光泵式磁敏傳感器（其中又分He3、He4）和堿金屬光泵式磁敏傳感器，其共振元素有銣（Rb85、Rb87）、目前，國內(nèi)外航磁測量主要是采用光泵式磁敏傳感器和磁通門式磁敏傳感器。磁通門式磁敏傳感器可以構成多種不同用途的測磁儀器，無人機航磁測量中，主要用在磁測量和后期數(shù)據(jù)處理的磁補償上。銫（Cs133）、鉀（K39）、汞（Hg）等。目前無人機航磁測量主要使用氦（He4）光泵式磁敏傳感器和銫光泵式磁敏傳感器。任務3

航磁傳感器工作原理本小節(jié)主要以He4光泵式磁敏傳感器和磁通門式磁敏傳感器為例，介紹航磁傳感器的基本工作原理。1.

He4光泵式磁敏傳感器利用光泵傳感器做成的測磁儀器，是目前實際生產(chǎn)和科學技術應用中靈敏度較高的一種測磁儀器。具有如下特點：靈敏度高，一般為0.01

nT量級，理論靈敏度高達10－2～10－4

nT；響應頻率高，可在快速變化中進行測量，可測量磁場的總向量T及其分量，并能進行連續(xù)測量。任務3

航磁傳感器工作原理He4光泵式磁敏傳感器系由吸收室、氦燈、兩個透鏡、偏振片、

/4和光敏元件等元器件組成，其組成如圖所示。1—高頻激發(fā)振蕩器；2—氦燈；3—透鏡1；4—偏振片；5—

/4；6—吸收室；7—RF振蕩器；8—射頻線圈；9—透鏡2；10—光敏元件。He4光泵式磁敏傳感器的組成框圖任務3

航磁傳感器工作原理主要部件介紹如下：①

吸收室。給吸收室內(nèi)充以He4氣體。其形狀一般呈圓柱形（直徑3.5

cm，長5

cm），以便使圓偏振光通過吸收室時反射為最小，提高光的利用效率。吸收室的體積大小要綜合考慮。從原子極化的情況考慮，體積大，原子極化就多，信號也大。但體積大，又會使各點磁場不均勻，使共振線加寬，降低測量精度；同時，體積大，需要大功率去激發(fā)。根據(jù)實驗與理論計算綜合考慮，吸收室體積約45

cm3左右為宜。任務3

航磁傳感器工作原理另外，吸收室內(nèi)氣壓大小的選擇也必須予以重視，如果氣壓太高，泵激原子增多，固然可使共振信號加強，但也會使馳豫時間變短，使原子碰撞次數(shù)增多，產(chǎn)生強烈的去取向作用，從而使共振線加寬，降低測量精度。一般認為取0.22

mm

Hg氣壓為宜。吸收室一般采用無電極激發(fā)方式，這是一種電離過程，它可以將電子動能傳給原子，使He4原子由基態(tài)1S，被激發(fā)到亞穩(wěn)定態(tài)23S1。即要求激發(fā)的動能等于兩個能級之間的能量差。如果躍遷頻率不變的話，必須使外加電場E和氣壓P為正比關系。這為設計和制作高頻激發(fā)振蕩器提供了依據(jù)。另外，關于吸收室制作材料選用GG54型的派勒克斯玻璃為宜，且真空度要求在10－6

mm

Hg以上。任務3

航磁傳感器工作原理氦燈選用啞鈴形為宜，其頸部能使光集中，類似于點光源，能發(fā)生的光較強。對氦燈的要求：有足夠的光②

光源——氦燈。氦燈是發(fā)光器件。要求它能產(chǎn)生D線，照射吸收室。光的強度是通過燈中氣壓保證的，而一定波長的光則是由激發(fā)的強弱決定的。如果氣壓加大，則亮度增加，如果氣壓太高，會使原子熱碰撞增加，致使散射加大，使氦燈中譜線復雜，光敏元件接收的噪聲增加。經(jīng)過實驗和理論計算得出：氣壓約等于5

mmHg為宜。強度發(fā)出的光具有一定波長任務3

航磁傳感器工作原理③

透鏡。透鏡1透鏡1的作用是將點光源（氦燈）變成平行光。透鏡2透鏡2的作用是把吸收室射出的平行光變成聚焦光，便于光敏元件的檢測。制作時可將焦距做得小些，亦能使體積小些。任務3

航磁傳感器工作原理④

圓啟偏器。圓啟偏器由偏振片和1/4

組成，其目的是將1.08

m波長的平行光變成圓周極化光。第一步是用偏振片將1.08

m波長的光變成線偏振光，也就是將正常光變?yōu)闃O化光。之后，再用1/4

波長片把線偏振光變成圓周極化光。通過物理學知識可知：右旋光為

mj左旋光為

mj線偏振光

mj

1

1

0任務3

航磁傳感器工作原理類型Cs133Rb87Rb85He4D1線8

9437

9487

948

D0:10

829.08

D:10

830.25

1

D:10

830.34

2D28

5257

8007

800⑤

光敏元件。光敏元件為光電轉換器件。要求噪聲小，響應波長要與共振元素的波長相對應，表列出了不同的共振元素譜線的波長，供選用光敏元件時參考。不同共振元素波長（

）表對自激式光泵式磁傳感器，由于響應頻率較高，應選用響應頻率較高的硅光敏器件為宜。對跟蹤式則應選用與調(diào)制頻率相符合的光敏元件，對He4而言，調(diào)制頻率一般選用280

Hz或175

Hz，用Pbs光敏電阻可較好地完成光電轉換任務。任務3

航磁傳感器工作原理首先將測磁傳感器置于被測地磁場中，并使傳感器的軸向與地磁場方向平行，然后將高頻激發(fā)振蕩器打開，激發(fā)氦燈使發(fā)出D線；激發(fā)He4吸收室使其處于亞穩(wěn)定狀態(tài)。這時燈發(fā)出的D線經(jīng)過透鏡3將D線變成平行光，再經(jīng)偏振片和l/4變成圓周極化光，直射至吸收室中的亞穩(wěn)定正氦上，正氦在地磁場作用下產(chǎn)生塞曼分裂，塞曼能級2S態(tài)原子吸收D線，躍遷到2P態(tài)而產(chǎn)生光泵作用。光泵作用結果使原子磁矩取向于2S態(tài)某一磁子能級上。然后由RF振蕩器提供給的射頻能量，打亂亞穩(wěn)態(tài)中某一磁子能級上原子磁矩的取向，產(chǎn)生磁共振作用。當測出磁共振時射頻率場的頻率

。根據(jù)公式即可計算出被測地磁場的大小。工作原理：任務3

航磁傳感器工作原理磁共振的檢測方法一般分為：大調(diào)頻法，大調(diào)場法和小調(diào)頻法三種。圖為典型的He4跟蹤式光泵磁力儀方框圖。He4跟蹤式光泵磁力儀方框圖任務3

航磁傳感器工作原理2.磁通門傳感器磁通門傳感器主要包含探頭和電路兩個組成部分。磁通門探頭是磁通門傳感器的核心，其工作原理為：以一定頻率的激勵信號驅動磁芯周期性地處于磁導通和磁飽和狀態(tài)，在磁導通狀態(tài)下，磁芯磁導率較高，磁感線向磁芯處聚攏，檢測線圈內(nèi)的磁感應強度變大；在磁飽和狀態(tài)下，磁芯磁導率下降，磁感線由磁芯處向周圍散開，檢測線圈內(nèi)的磁感應強度變小。在一個激勵周期內(nèi)，磁芯的狀態(tài)變化四次，導致磁通量也變化四次，從而使得檢測線圈產(chǎn)生四個與外加磁場強度有關的感應脈沖信號。由于磁通門傳感器能夠適用于高速運動的測試環(huán)境，尤其在弱磁場的測量方面具有優(yōu)勢，被廣泛用于物理學、金屬冶煉、醫(yī)療軍事、地球物理勘測、導航測姿、工業(yè)自動化等領域，地磁常規(guī)和地動預兆檢測的最合適的技術是弱磁場檢測技術。任務3

航磁傳感器工作原理任務3

航磁傳感器工作原理目前無人機載荷中應用比較廣泛的是三軸磁通門探頭，如圖所示。三軸磁通門磁力儀可以在－

50

～＋210

C的環(huán)境中工作，無故障工作時間超過2

000

h。因此它適用于可靠性要求超高的領域如國防、航空和航天領域。主要用于微型衛(wèi)星、小型無人機和旋轉彈的姿態(tài)測量、導航和制導。三軸磁通門探頭示意圖項目3氣體傳感器人類生活和工業(yè)發(fā)展的過程中，向環(huán)境排放出的氣體種類、數(shù)量都在日益增多。這些氣體中，許多都是易燃、易爆或者會對自然環(huán)境中的動、植物造成危害的氣體。為了保護人類賴以生存的自然環(huán)境，需要對各種有害、可燃性氣體在環(huán)境中存在的情況進行有效的監(jiān)控。采用“無人機＋氣體傳感器”即通過無人機搭載多種因子（如VOCs、SO2、PM2.5）的高精度氣體監(jiān)測傳感器或氣體采集裝置，在測區(qū)進行大范圍巡查，以尋找污染特征因子的監(jiān)測方式，可實現(xiàn)大區(qū)域、精準、高效快速監(jiān)測任務。任務1

氣體傳感器簡介任務1

氣體傳感器簡介氣體傳感器搭配無人機的典型應用場景氣體傳感器是能夠感知環(huán)境中某種氣體成分及其濃度，并將氣體種類及其濃度有關的信息轉換成電信號的一種敏感器件，根據(jù)這些電信號的強弱就可以獲得與待測氣體在環(huán)境中存在情

況有關的信息，從而可以進行檢測、監(jiān)控、報警，還可以通過接口電路與電子計算機或者微處理機組成自動檢測、控制和報

警系統(tǒng)。任務1

氣體傳感器簡介任務1

氣體傳感器簡介氣敏傳感器是在暴露于各種成分的氣體環(huán)境中使用的，其使用環(huán)境溫度、濕度一般較大，且存在大量粉塵、煙霧等，工作條件惡劣氣體反應物附著在元件表面，往往會使其性能變差。氣體傳感器通常被安裝于監(jiān)控系統(tǒng)探測頭內(nèi)，是氣體監(jiān)測系統(tǒng)的核心，對氣體檢測系統(tǒng)的工作效果起著決定性的作用。氣體濃度的表示方法主要有質量濃度（Kg/m3）和體積濃度（PPm）。氣敏傳感器使用環(huán)境：任務1

氣體傳感器簡介穩(wěn)定性是指傳感器在整個工作時間內(nèi)基本響應的穩(wěn)定性。（1）穩(wěn)定性：（2）靈敏度：（3）選擇性：（4）響應時間：是指傳感器輸出變化量與被測輸入變化量之比。也被稱為交叉靈敏度，可以通過測量由某一種濃度的干擾氣體所產(chǎn)生的傳感器響應來確定。從氣敏元件接觸到一定濃度的被測氣體開始至氣敏元件的阻值達到該濃度下測量值的時間。是指傳感器暴露于高體積分數(shù)目標氣體中，在返回正常工作條件下，傳感器漂移和零點校正值應盡可能小的能力。（5）抗腐蝕性：因此氣體傳感器必須滿足幾個重要的技術指標和特性：任務1

氣體傳感器簡介圖為深圳某公司研發(fā)的一款專門為無人機飛行平臺設計的多氣體監(jiān)測系統(tǒng)——Sniffer4D靈嗅，它包含搭載于無人機上的小型輕量化監(jiān)測硬件與數(shù)據(jù)分析軟件，可對無人機飛行軌跡附近的最多9種空氣成分（大氣污染物、有毒有害氣體等）進行實時監(jiān)測，并在軟件中實時直觀地展示空氣成分濃度以及分布情況。Sniffer4D靈嗅氣體檢測系統(tǒng)近年來，由于工業(yè)生產(chǎn)、家庭安全、環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)療等領域對氣體傳感器的精度、性能、穩(wěn)定性方面的要求越來越高，氣體傳感器的研究變得越來越重要。隨著新技術、新材料的不斷涌現(xiàn)，氣體傳感器正朝著微型化、智能化和多功能化的方向發(fā)展。深入研究和掌握有機、無機、生物和各種材料的特性及相互作用，理解各類氣體傳感器的工作原理和作用機理，正確選擇各類傳感器的敏感材料，靈活運用微機械加工技術、敏感薄膜形成技術、微電子技術、光纖技術等，使傳感器性能最優(yōu)化是氣體傳感器的發(fā)展方向。任務1

氣體傳感器簡介任務2

氣體傳感器分類半導體式氣體傳電化學式氣體傳固體電解質氣體感器感器傳感器接觸燃燒式氣體光化學式氣體傳高分子氣體傳感傳感器感器器氣體傳感器是化學傳感器的一大種類，由于被測氣體的種類繁多，性質不同，相應地，需要采用的氣敏傳感器種類也比較多。在分類標準的問題上沒有嚴格統(tǒng)一，分類方法可以根據(jù)工作原理、特性分析、測量技術、所用材料、制造工藝、檢測對象和應用領域等進行制定。通常以氣敏特性來分類，主要可分為：任務3

氣體傳感器工作原理1.半導體式氣敏傳感器的工作原理半導體氣體傳感器以金屬氧化物半導體為基礎材料。當被測氣體在被該半導體表面吸附后，會引起其電學特性（例如電導率）發(fā)生變化。半導體式氣敏傳感器可分為電阻式和非電阻式兩類，其詳細分類如圖所示。導體式氣敏傳感器分類任務3

氣體傳感器工作原理電阻式氣敏傳感器是用金屬氧化物（如：SnO2、ZnO、Fe2O3、TiO2等）制成的敏感元件，利用敏感材料接觸氣體時其電阻值的變化來測量氣體的成分和濃度。非電阻式半導體氣體傳感器在與被測氣體接觸后，其電流或電壓會隨著氣體含量的不同而變化，主要用來檢測可燃性氣體。電阻式和非電阻式半導體式氣敏傳感器：構成電阻式氣敏傳感器的核心——氣敏電阻的材料一般都是金屬氧化物，分為N型半導體（如氧化錫、氧化鋅、氧化鐵等）和P型半導體（如氧化鉬、氧化鉻、氧化鈷、氧化鉛、氧化銅、氧化鎳等）。有時，還會在合成材料時添加其他一些金屬元素催化劑，如鈀、鉑等。任務3

氣體傳感器工作原理任務3

氣體傳感器工作原理當半導體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)時，氣體會在接觸半導體表面時被吸附，被吸附的分子首先在表面自由擴散，失去運動能量，期間一部分分子被蒸發(fā)掉，另一部分殘留分子會產(chǎn)生熱分解而固定在吸附處。如果電子從半導體中逸出的能力（即功函數(shù)）小于吸附分子的電子親和力，則吸附分子將從半導體中奪得電子而變成負離子吸附，半導體表面呈現(xiàn)電荷層，具有這種傾向的氣體（如O2和NOx）稱為氧化型或電子接收型氣體。如果半導體的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子將向半導體釋放電子而形成正離子吸附，常見的H2

、CO、碳氫化合物、醇類傾向于正離子吸附，稱為還原型或電子供給型氣體。任務3

氣體傳感器工作原理當氧化型氣體吸附到N型半導體上，或還原型氣體吸附到P型半導體上時，將使半導體載流子減少，從而使半導體電阻率增大。相反，當還原型氣體吸附到N型半導體上，或氧化型氣體吸附到P型半導體上時，將使載流子增多，半導體電阻率下降。由于空氣中的含氧量大體上是恒定的，器件阻值也相對固定。若氣體濃度發(fā)生變化，其阻值也會變化。根據(jù)這一特性，就可以從阻值變化情況得知被測氣體的成分和濃度。N型半導體氣敏器件吸附氣體時所產(chǎn)生的阻值變化為了去除附著在元件表面的油污和塵埃，以加速氣體的吸附，從而提高元件的靈敏度和響應速度，氣敏元件在工作時都需要加熱。具體加熱溫度與氧化物材料和被測氣體有關，通常被加熱到200～400

C。任務3

氣體傳感器工作原理任務3

氣體傳感器工作原理通常，電阻式半導體氣敏傳感器主要由氣敏元件、加熱器和外殼三部分組成，如圖所示。電阻式半導體氣敏傳感器結構示意圖任務3

氣體傳感器工作原理按結構可分為三類：燒結型、薄膜型、厚膜型。（1）燒結型。燒結型氣敏元件是將一定配比的敏感材料和摻雜劑等用粘合劑調(diào)和，采用制陶工藝進行燒結。燒結時，埋入加熱絲和測量電極，制成管芯，最后將加熱絲和測量電極焊在管座上，加外殼后構成器件，如圖所示。半導體傳感器的器件結構-燒結型元件任務3

氣體傳感器工作原理（2）薄膜型。薄膜型氣敏元件制作方法簡單，是采用蒸發(fā)或濺射工藝，通過在石英基片上形成厚度約100nm氧化物半導體薄膜而成，如圖所示。半導體薄膜的氣敏特性最好，但半導體薄膜為物理性附著，器件間性能差較大。半導體傳感器的器件結構-薄膜型元件任務3

氣體傳感器工作原理（3）厚膜型。厚膜型氣敏元件是將氣敏材料與一定比例的硅凝膠混合制成能印刷的厚膜膠，把厚膜膠用絲網(wǎng)印制到事先安裝的有鉑電極AL2O3

基片上，

在400～800

C的溫度下燒結，其結構如圖所示。此元件一致性好、機械強度高、適合批量生產(chǎn)。半導體傳感器的器件結構-厚膜型元件任務3

氣體傳感器工作原理2.

電化學式氣體傳感器電化學式氣體傳感器是把測量對象氣體在電極處氧化或還原后測電流，得出氣體濃度的一種探測器。工作原理：通過與被測氣體發(fā)生反應并產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號來工作。氣體首先通過微小的毛管型開孔與傳感器發(fā)生反應，通過憎水屏障，到達電極表面。穿過屏障擴散的氣體與傳感電極發(fā)生反應，傳感電極采用氧化或還原機理。通過電極間連接的電阻器，與被測氣體濃度成正比的電流會在正負極間流動，測定該電流即可確定氣體濃度。任務3

氣體傳感器工作原理電化學式氣體傳感器主要的優(yōu)點是靈敏度較高、選擇性較好?？煞譃樵姵厥?、可控電位電解式、電量式和離子電極式四種類型。原電池式氣體傳感器通過檢測電流來檢測氣體的體積分數(shù)可控電位電解式傳感器是由外界施加特定電壓，通過測量電解電流來檢測氣體的體積分數(shù)，除了能檢測CO，NO，NO2，SO2，O2等氣體外，還能檢測血液中的氧體積分數(shù)。電量式氣體傳感器是通過被測氣體與電解質反應產(chǎn)生的電流來檢測氣體的體積分數(shù)。離子電極式氣體傳感器通過測量離子極化電流來檢測氣體的體積分數(shù)。任務3

氣體傳感器工作原理恒電位電解式氣體傳感器伽伐尼電池式氣體傳感器離子電極式氣體傳感器電量式氣體傳感器濃差電池式氣體傳感器電化學式氣體傳感器主要由透氣膜、電極、電解質、過濾器等組成。按照工作原理的不同，主要分為以下幾種類型：任務3

氣體傳感器工作原理（1）恒電位電解式氣體傳感器。其工作原理是使電極與電解質溶液的界面保持一定電位進行電解，通過改變其設定電位，有選擇地使氣體進行氧化或還原，從而能定量檢測各種氣體。其結構如圖所示：恒電位電解式氣體傳感器的基本構造任務3

氣體傳感器工作原理①

被測氣體進入傳感器的氣室：通過氣體擴散或機械泵，先經(jīng)過一個過濾器，提高選擇性。③

電活性物質在電解液中的溶解：氣體在電解液中的溶解速率在很大程度上決定了傳感器的靈敏度和響應時間。②

反應物從氣室到達工作電極前面的多孔膜，并向電極-電解液界面擴散：工作電極一般不暴露在外，所以氣體先經(jīng)過多孔膜；多孔膜的作用是防止泄漏，給電極提供結構支持，以再次提高選擇性。④電活性物質在電極表面吸附：待測氣體擴散到催化劑電極表面發(fā)生氧化或還原反應，氧化或還原反應速率的大小與氣體在電極表面的吸附密切相關。任務3

氣體傳感器工作原理⑤

擴散速度下的電化學反應：當擴散步驟為速率控制步驟時，整個反應可以用Cottrell方程描述。⑥

產(chǎn)物的脫附：如果產(chǎn)物脫離電極速率慢，電極很可能被反應物污染，電流信號會逐步下降，造成電極中毒。⑦

產(chǎn)物離開電極表面的擴散：凈化電極，使電極回到初始的清潔狀態(tài)。⑧

產(chǎn)物的排除：凈化傳感器內(nèi)部空間。如果產(chǎn)物不是氣體或易溶于電解液，會使傳感器內(nèi)部成分改變，從而改變傳感器的信號響應。任務3

氣體傳感器工作原理（2）伽伐尼電池式氣體傳感器。伽伐尼電池式氣體傳感器與上述恒電位電解式一樣，通過測量電解電流來檢測氣體濃度，其結構如圖所示。但由于傳感器本身就是電池，所以不需要由外界施加電壓。這種傳感器主要是用于O2的檢測，用來檢測缺氧的儀器幾乎都使用這種傳感器。伽伐尼電池式氣體傳感器任務3

氣體傳感器工作原理（3）離子電極式氣體傳感器。離子電極式氣體傳感器的工作原理是：氣態(tài)物質溶解于電解質溶液并離解，離解生成的離子作用于離子電極產(chǎn)生電動勢，電動勢的大小代表氣體的濃度。離子電極式氣體傳感器的構造（以檢測氨氣的傳感器為例）任務3

氣體傳感器工作原理（4）電量式氣體傳感器。電量式氣體傳感器的原理是被測氣體與電解質溶液反應生成電解電流，將此電流作為傳感器輸出來檢測氣體濃度，其作用電極、對比電極都是

Pt電極。（5）濃差電池式氣體傳感器。濃差電池式氣體傳感器是基于固體電解質產(chǎn)生的濃差電勢來進行測量的。濃差式

ZrO2

氧傳感器是比較成熟的產(chǎn)品，已被廣泛應用于許多領域。任務3

氣體傳感器工作原理3.光學式氣體傳感器光學式氣體傳感器包括紅外吸收型、光譜吸收型、熒光型、光纖化學材料型等。主要以紅外吸收型氣體分析儀為主，由于不同氣體的紅外吸收峰不同，可通過測量和分析紅外吸收峰來檢測氣體。目前的最新動向是研制開發(fā)了流體切換式、流程直接測定式和傅里葉變換式在線紅外分析儀。該傳感器具有高抗震能力和抗污染能力，與計算機相結合，能連續(xù)測試和分析氣體，具有自動校正、自動運行的功能。任務3

氣體傳感器工作原理光纖氣敏傳感器的主要部分是兩端涂有活性物質的玻璃光纖。活性物質中含有固定在有機聚合物基質上的熒光染料，當VOC與熒光染料發(fā)生作用時，染料極性發(fā)生變化，使其熒光發(fā)射光譜發(fā)生位移。用光脈沖照射傳感器時，熒光染料會發(fā)射不同頻率的光，檢測熒光染料發(fā)射的光，并可識別VOC。任務3

氣體傳感器工作原理4.接觸燃燒式氣體傳感器接觸燃燒式氣體傳感器可分為直接接觸燃燒式和催化接觸燃燒式。工作原理：氣敏材料（如Pt電熱絲等）在通電狀態(tài)下，可燃性氣體氧化燃燒或者在催化劑作用下氧化燃燒，電熱絲由于燃燒而生溫，從而使其電阻值發(fā)生變化。任務3

氣體傳感器工作原理接觸燃燒式氣體傳感器的特點：（1）對不燃燒氣體不敏感，例如在鉛絲上涂敷活性催化劑Rh和Pd等制成的傳感器，具有廣譜特性，即能檢測各種可燃氣體。（2）這種傳感器有時被稱為熱導性傳感器，普遍適用于石油化工廠、造船廠、礦井隧道和浴室廚房的可燃性氣體的監(jiān)測和報警。（3）在環(huán)境溫度下非常穩(wěn)定，并能對處于爆炸下限的絕大多數(shù)可燃性氣體進行檢測。項目4其他特殊載荷任務1

通信偵察載荷通信偵察：搜索并截獲目標輻射的電磁信號，檢測其出現(xiàn)和結束的時間、工作頻率、比特率、調(diào)制方式、功率電平等信號特征和技術參數(shù)；通過對信號特征和技術參數(shù)的分析、處理和對通話內(nèi)容解調(diào)監(jiān)聽，識別敵通信網(wǎng)（臺）的組成、指揮關系和聯(lián)通規(guī)律；查明目標的產(chǎn)品類型、數(shù)量、部署和變化情況，形成戰(zhàn)略、戰(zhàn)術通信情報，必要時引導通信干擾設備對目標進行干擾。通信偵察載荷系統(tǒng)組成任務1通信偵察載荷通信偵察是實施通信對抗的前提和基礎，是實施通信對抗戰(zhàn)術的重要一環(huán)。其核心設備為通信偵察接收機。通信偵察載荷（COMINT）為不主動輻射電磁信號的無源探測設備，具有一定的隱蔽性且探測距離較遠。在實際應用中，通信偵察載荷可針對通信電臺、手機等常用的通信手段進行偵察并有效地支持其他火力單元進行打擊。因此，無人機載通信偵察系統(tǒng)的應用和發(fā)展已越來越多地受到用戶方的重視。任務1

通信偵察載荷通信偵察分系統(tǒng)通常覆蓋的頻段是30～3000MHz。通信偵察任務載荷用于截獲無線電信號以及分析所截獲的信號參數(shù)，并能對相應的無線電發(fā)射機進行測向和交叉定位。通常與雷達偵察載荷、光電偵察載荷等偵察打擊載荷協(xié)同工作。任務1

通信偵察載荷任務1

通信偵察載荷無人機通信載荷分類豐富，按照偵察任務分類，可分為：（1）通信支援偵察：通信支援偵察屬于戰(zhàn)術情報偵察，其任務是監(jiān)視當前戰(zhàn)場上敵方通信輻射源的位置、工作參數(shù)、技術參數(shù)和變化態(tài)勢，并且判斷其威脅程度，為指揮員和有關的作戰(zhàn)系統(tǒng)提供技術情報，作為指揮系統(tǒng)的輔助決策依據(jù)。通信支援偵察需要測量的信號特征和技術參數(shù)有工作頻率、調(diào)制方式、電平、方位、網(wǎng)臺屬性等。任務1

通信偵察載荷（2）通信情報偵察：通信情報偵察屬于戰(zhàn)略情報偵察，它通過長期和連續(xù)地監(jiān)測某個地區(qū)的通信輻射源的戰(zhàn)術、技術參數(shù)和情報信息，獲得廣泛、全面、準確的技術和軍事情報，提供給高級決策機關和指揮中心的數(shù)據(jù)庫，為指揮中心的戰(zhàn)略或者戰(zhàn)役決策提供依據(jù)。通信情報偵察在平時和戰(zhàn)時都要進行，通信偵察情報的形成，通常需要長期的觀測和積累，然后經(jīng)過自動分析和處理，才能得到比較準確、系統(tǒng)和翔實的情報。通信情報偵察還需要獲取對通信信號解調(diào)后的內(nèi)容，即傳送的信息真諦，包括語音、數(shù)據(jù)、圖像、文字信息等。任務1

通信偵察載荷（3）通信干擾引導偵察：通信干擾引導偵察設備對通信干擾設備提供實時引導，向干擾設備提供威脅通信輻射源的方向、頻率、調(diào)制方式、調(diào)制參數(shù)、威脅程度等相關信息，以便干擾設備的干擾資源配置，合理地選擇干擾對象、最佳干擾樣式和干擾時機。（4）反輻射武器引導偵察：反輻射武器引導偵察提供對通信輻射源進行截獲和分析識別，引導反輻射武器跟蹤威脅輻射源，并且進行攻擊。同時在干擾過程中，需要不斷監(jiān)視通信輻射源環(huán)境和信號參數(shù)的變化，動態(tài)地調(diào)整干擾參數(shù)和管理干擾資源。任務1

通信偵察載荷無線電監(jiān)測系統(tǒng)對給定頻譜范圍內(nèi)的輻射源信號進行實時偵收，分析輻射源信號特征，統(tǒng)計輻射源信號占用度，對輻射源信號進行測向，為無線電頻譜分配和管理提供技術信息，為有效的頻譜管理提供有力的保障。在上述幾種偵察類型中，情報偵察的實時性要求最低，但需要獲得的參數(shù)多；支援偵察的實時性要求次之，干擾引導和反輻射引導的實時性要求最高。（5）電磁頻譜監(jiān)測：無線電頻譜監(jiān)測是通信偵察的重要任務之一。無線電頻譜監(jiān)測分為民用無線電監(jiān)測和軍用無線電監(jiān)測。任務1

通信偵察載荷按照偵察設備作用范圍和作戰(zhàn)級別的不同可分為戰(zhàn)術通信偵察和戰(zhàn)略通信偵察按工作頻段不同可分為短波通信偵察、超短波通信偵察、微波通信偵察等按被偵察對象屬性不同可分為常規(guī)通信偵察、跳頻通信偵察、直擴通信偵察等習慣上還常常使用另外一些不同的分類方法，如：雷達對抗偵察裝備是搜索、截獲被偵察目標的各種雷達信號，測定其戰(zhàn)術技術參數(shù)，并對其進行識別和定位的一種電子對抗偵察裝備。其本身并不發(fā)射電磁波，具有偵察目標距離遠、獲取目標信息多、自身隱蔽性好等優(yōu)點，使得其在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中有重要的地位。任務2

雷達偵察載荷任務2

雷達偵察載荷雷達偵察是現(xiàn)代無人機進行電子戰(zhàn)中重要的任務載荷。雷達偵察系統(tǒng)通常由天線、天線控制設備、接收機和終端設備等四部分組成。根據(jù)任務類型的不同，雷達偵察可以分為：電子情報偵察（ELINT）電子支援偵察（ESM）雷達尋的和告警（RHAW）引導干擾武器引導殺傷武器任務2

雷達偵察載荷雷達偵察系統(tǒng)的工作原理：偵察天線和測頻接收機實現(xiàn)脈沖信號檢測和脈沖載頻（測量，偵察天線與測向接收機實現(xiàn)脈沖信號到達角（DOA）測量；信號處理分系統(tǒng)首先對輸入的脈沖序列信號進行脈沖信號到達時間（TOA）、脈沖寬度（PW）、脈沖幅度（PA）等時域參數(shù)測量，并與之前的RF、DOA組合成脈沖描述字（PDW），然后對交錯的脈沖字序列并行地進行分選、脈內(nèi)調(diào)制特征分析、輻射源識別。最后將結果顯示、存儲和實時提交給其他系統(tǒng)使用。任務2

雷達偵察載荷某雷達偵察系統(tǒng)的基本組成由圖可見，雷達偵察系統(tǒng)由接收分系統(tǒng)和信號處理分系統(tǒng)兩部分組成，接收分系統(tǒng)包括天線陣、微波前端、中頻處理、測頻接收機和測向接收機。信號處理分系統(tǒng)主要包括雷達輻射源信號參數(shù)測量、信號分選、脈內(nèi)調(diào)制特征分析，輻射源識別等。傳統(tǒng)的雷達偵察接收技術主要采用晶體視頻偵察接收機，其特點是瞬時帶寬較寬，雖然通過檢波能提高信號的截獲概率，但自身存在著靈敏度低的固有缺陷。為了滿足現(xiàn)代雷達、通信技術的發(fā)展，現(xiàn)代雷達偵察系統(tǒng)正向著寬帶數(shù)字化方向發(fā)展。任務2

雷達偵察載荷任務2

雷達偵察載荷在數(shù)字接收機中通過模數(shù)轉換器將信號轉換為離散數(shù)字序列，利用大規(guī)模集成電路和計算機進行數(shù)字信號處理，充分發(fā)揮數(shù)字化接收機在信號處理方面的優(yōu)勢，提高接收系統(tǒng)的靈敏度和對信號參數(shù)精確提取和詳細分析的能力，從而提供給雷達信號更為精確的多種參數(shù)特征。下圖展示了某種中頻數(shù)字接收機的結構組成。某中頻數(shù)字接收機的構成任務2

雷達偵察載荷數(shù)字接收機中采集的數(shù)據(jù)便于保存，可以在后續(xù)的處理過程中使用各種算法進行詳盡的分析，因此它還具有信號檢測靈敏度高、參數(shù)估計精度高、分辨力高、信號細微特征檢測能力強等優(yōu)點。這些優(yōu)點使得數(shù)字接收機在雷達對抗領域獲得越來越廣泛的應用。當前較為成功的應用主要有數(shù)字測頻、數(shù)字測向和脈內(nèi)調(diào)制分析等。測頻接收機是雷達偵察系統(tǒng)中必不可少的。測頻接收機包