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1、无线传感器网络简明教程,第7章 传感器网络技术的军事应用,本章内容：,战场感知的网络架构常见的地面战场微型传感器美军沙地直线传感器网络项目介绍,第7章 传感器网络技术的军事应用,7.1 战场感知的网络架构 现代战争被人们喻为“感知者的胜利”，在新的军事竞争背景下，掌控“透明战场”既是军事信息技术发展的必然结果，也是当今各军事强国的建设重点。美、英、法、澳、俄等国新近开展了一系列旨在提高战场态势感知能力的研究。,战场感知是随着信息技术特别是探测技术的发展、信息优势等概念的形成，以及新军事革命理论的深化而产生的新概念。所谓战场感知(Battlefield Awareness,BA)是指参战部队和支
2、援保障部队对战场空间内敌、我、友各方的兵力部署、武器配备和战场环境（如地形、气象和水文）等信息的实时掌握过程。战场感知除了具有传统的侦察、监视、情报、目标指示与毁伤评估等内涵以外，它的最大特点在于信息共享和信息资源的管理与控制。为了提高部队的战场感知能力，各军事强国都非常重视战场感知技术，投入巨资研制相关系统。,美军科学咨询委员会在2002年就曾建议美军应在组织和技术上进行改进，以获得更好的“预先战场感知”能力。美空军已经在战略计划制定部门中组建了态势感知特别工作组，提高部队的传感器分析和数据融合能力，并先后研制了快速攻击识别、探测和报告系统、战场感知广域视界传感器等感知系统。美军的未来战斗系
3、统为士兵提供全天候、全天时识别目标的功能。美军开展的其它类似项目还包括陆军“无人值守地面传感器群”、陆军“战场环境侦察与监视系统”、海军“传感器组网系统”等。,除美军在战场感知领域投入大量经费和精力外，其它国家也纷纷展开了研究。法国武器装备总署正在设计一种技术演示器，保证海军和空军的各种异构传感器通过网络互换信息，希望提高舰船和飞机的态势感知能力。澳大利亚研制的先进传感器网络系统提供实时目标捕获的功能，为澳军能及时获取目标和环境信息打下基础。,随着电子技术和信息技术的发展，战场目标信息采集的手段和设备日益先进，可以通过地面和空中的各种侦察设备获取大量的情报。目标信息感知系统具有实现确定重点侦察
4、地域的功能，提高侦察器材的针对性，从而提高目标信息感知的科学程度。这种系统需要充分考虑系统的扩展，在实现现有侦察器材数据接收接口的基础上，预留对多种侦察设备进行数据接收的接口。,7.2 常见的地面战场微型传感器,地面侦察设备通常包括战场监视雷达、地面传感器和电子侦察设备等。目标信息感知系统充分利用这些先进的情报采集手段，接收和处理它们所提供的各种情报。在陆军地面侦察设备系统中，地面传感器可以充当现代战场的隐形侦察兵。所谓地面传感器，顾名思议就是一种专门植于地面，通过对地面目标运动所引起的电磁、声、微震动和红外辐射等物理量的变化进行探测，并转化成电信号后对目标进行侦察与识别的探测设备。,地面传感
5、器与其他侦察设备相比，具有结构简单、便于携带埋伏、易于伪装等特点。它可用飞机空投、火炮发射或人工设置在敌人可能入侵的地段，特别是在其它侦察器材“视线”达不到的地域。正是基于上述原因，地面传感器自诞生之日起就倍受军事家们的青睐。目前，经过蓬勃发展，地面微型探测传感器已发展成为了包括震动传感器、磁性传感器、声响传感器、红外传感器、压力传感器和超声波传感器等在内的系列产品。,随着现代科学技术的发展，地面侦察传感器呈现两个重要的趋势和特点：(1)随着MEMS微型化技术的出现，早先体积较大、电路组成复杂的传感器变为体积微型化、低功耗、高灵敏度的探测器件；(2)随着无线局域网技术、ZigBee自组网通信技
6、术等的发展，传感器之间采用通信与组网方式进行连接，更适宜地面战场的信息采集和传输。目前外国军事部门常用的地面探测传感器包括如下几种。,7.2.1 微震动传感器,震动传感器也叫震动探测器，它类似于记录地震和原子弹爆炸震波的地震仪，在智能交通系统和建筑物的防震监测中也有应用。这种传感器在侦察目标时，主要是通过装置的震动探头(也叫拾震器)捕捉人员或车辆活动而造成的地面震动信号来探测目标。在战场使用时，可采用人工、火炮发送和飞机空投等设置方式，通常拾震器要设在地表层，一旦人员或车辆经过传感器的有效探测地域时，传感器将目标引起的地面震动信号转化为电信号，经放大处理后发给监控中心，进而进行实时的战场监测。
7、,目前电子市场上常见的微震动传感器产品及型号包括：美国ADI公司的ADXL系列加速度传感器(单轴向、双轴向、三轴向)。飞思卡尔公司的MMA62xxQ系列MEMS加速度传感器等。特别是博世(BOSCH)公司推出的三轴加速度传感器SMB380，一个典型的特点就是具有自动唤醒功能，在低功耗和长期监测应用中可以发挥作用。,震动传感器的主要优点是探测距离远、灵敏度高，通常可探测到30米以内运动的人员和300米以内行进的车辆，是所有传感器中探测距离较远的一种。同时，震动传感器还具有一定的目标分类能力，不仅可区分人为震动与自然扰动，还能区分人员和车辆，因为它们的震动信号强度通常差别很大。,另外，震动传感器的
8、耗电量很小，自备电池可使用数月甚至若干年都不需更换，且传感器可在开启后不中断地进行长期侦察与监视，不会漏掉目标。当然震动传感器也存在着不足，它的探测距离受地面土质变化影响较大。土质硬，探测距离远；土质软，探测距离近。如果震动传感器抛撒在洼地、沟壑、水溪等地带，则它会丧失对运动人员和车辆的探测功能。,美国陆军正在使用的一种轻型震动入侵探测装置，可以用于远程侦察巡逻队。这种装置能够有效探测大约130米以内的人员活动引起的震动，且能在5分钟内设置完毕。侦察巡逻队可在距离1800米远的位置上监控震动传感器，能够有效采集地面战场的目标活动信息。,声响传感器是一种通过对运动目标发出的声响信号进行接收、处理
9、后，实现对运动目标侦察探测的侦察装置。实际上声响传感器的探测器就是常见的“话筒”，它可以把获取的目标发出的声音信号转变为电信号发送给监控中心，再还原为声音信号来对目标进行识别、探测。,7.2.2 声响传感器,声响传感器的最大优点是分辨力强，它能鉴别目标的性质。在对人员进行探测时，不仅可以直接听到声音，还能根据话音判明其国籍、身份和谈话内容。如果探测的目标是车辆，则可根据声响判断车辆的种类，还能够准确地分辨出是人为的声响还是自然声响，从而排除自然干扰。此外，声响传感器的探测范围也较大，一般对人员正常谈话探测距离可以达到40米，对运动车辆可以达到数百米。,声响传感器的缺点是耗电量大，在实际工作时为
10、了保持较长的工作时间，通常受人工指令信号控制探测，或者与震动传感器联用。平时震动传感器处于工作状态，声响传感器则关机。震动传感器探测到目标后再启动声响传感器，把震动传感器耗电量少与声响传感器鉴别目标能力强的优点结合起来，达到取长补短、相互配合完成探测任务的目的。,譬如以BOSCH公司的三轴加速度传感器 SMB380为例，SMB380与声响传感器平时均处于休眠状态，如果SMB380震动传感器探测到有目标经过时，则唤醒声响传感器与微控制器，进行目标信号特征的详细分析。声响传感器的典型应用是美国陆军使用的一种可悬挂在树上的被称作“音响浮标”传感器，探测距离可达300400米，已接近人的听力范围。,磁
11、性传感器的探测器为磁性探头，磁性探头工作时，能连续发出无线电信号，并在其周围形成一个静磁场，当铁磁金属制成的物体，如步枪、车辆等进入这个静磁场时，就会感应产生一个新的磁场，干扰了原来的静磁场，由于目标的运动变化所产生的干扰使磁场发生变化，引起磁力计指针的偏转及摆动，产生一个电信号，进而实现对携带武器的人和车辆的探测。,7.2.3 磁性传感器,磁性传感器鉴别目标性质的能力较强，能区别徒手人员、武装人员和各种车辆；同时对目标探测的反应速度也比较快，一般为2.5秒，可实时地探测快速运动的目标。与其他传感器相比，磁性传感器还有一个突出特点，就是它能适应各种条件下的战场探测，特别适用于震动传感器难以探测
12、的沼泽、滩涂、水网等地区，从而弥补了震动传感器的不足。但是传感器的能源有限，这使得它的探测距离较近，一般对人员的探测距离为34米，对轮式车辆的探测距离为15米以内，对履带式车辆的探测距离为25米以内。,磁性传感器的典型产品主要有Honeywell公司的HMC系列微型磁阻传感器，这是磁阻系列传感器中灵敏度最高、对微型金属目标信号探测距离最远的一类传感器。另外，我国研究较为成熟的磁通门传感器也具有较好的探测灵敏度和分辨率，有的磁通门产品灵敏度可以达到0.5mV/nT、分辨率优于1nT。,红外传感器是一种能够感应目标辐射的红外线，并将其转换成电信号后对目标进行识别探测的侦察设备。这种传感器通常分为有
13、源式和无源式两种。有源式红外传感器的工作原理是:当战场上运动的人员或车辆通过传感器的工作区域时，传感器发出的红外光线即被切断，此时传感器便被启动，同时监控站的警报器便自动报警，以此来探测目标。,7.2.4 红外传感器,无源式红外传感器的工作原理是:当目标发出热辐射使 传感器工作区域的温度突然发生变化时，传感器被启动。这种装置非常灵敏，在15米的范围内人的正常体温足以启动该装置。红外传感器通常隐蔽地布设在需要监视的道路和目标区附近，可探测到视角扇面区20米以内的人员和50米以内的车辆目标。它的主要优点是体积小，无源探测，隐蔽性好，响应速度快，能探测快速运动的目标，还可探测目标运动的方向并计算出目
14、标的数量，因而它是传感器系统中很重要的目标侦察传感器。红外传感器的不足之处是只能进行人工布设，探测范围有限，只局限于正对探测器的扇形地区，无辨别目标性质的能力。,考虑到战场使用的隐蔽性等问题，通常可以采用被动式的热释电红外传感器。譬如德国海曼产品型号LHI958红外传感器是一种值得推荐的选择。试验表明随着距离的增加，红外信号逐渐减弱，人员的红外信号要比目标信号减弱得快。,7.2.5 压力传感器,压力传感器的探头通常是一根极细的应变电缆。使用时埋设在目标可能通过的路面下，当运动目标压过浅埋的应变电缆时，电缆因受挤压而变形，从而引起电阻发生变化，产生的电信号起到报警作用。,压力传感器是使用最早、种
15、类较多的一类地面战场侦察传感器。在上世纪60年代中期的越南战争中，美军曾使用很多压力传感器。使用最多的是应变钢丝传感器和平衡压力传感器。随着科学技术的发展，震动磁性电缆传感器、驻极体电缆和光纤压力传感器等作为侦察装备也得到了广泛应用。压力传感器的特点是它的虚警率较低、目标信息判断准确、抗电磁干扰能力强以及响应速度快。但这种传感器只有当运动目标压过电缆时，才能发现目标，探测范围与电缆的布设长度相等，通常只有30米左右，而且只能人工布设，因而在野战使用上有一定的局限性。,7.2.6 超声波传感器,超声波距离传感器一般采用独立的发射器和接收器，发射器由高频信号(40-80kHz)来激励。传感器测量发
16、射一个超声波脉冲至接收到反射信号所用的时间间隔，可以简单地估计出被测物体的距离。这种传感器的主要优点是成本较低，尺寸较小，缺点是有些目标物（如土壤和草木）的反射信号很弱而无法探测，另外声波在空气中的传播时间随温度而变化。因此超声波传感器用在温度范围较大的场合下，必须进行温度补偿。,目前正在发展中的常见地面传感器还包括：(1)智能传感器，所谓智能传感器是指探测节点带有微处理机，因而兼有探测与信息处理能力；(2)CMOS图像传感器，它利用光电器件的光电转换功能，将其光面上的所成像转换为与光对应的电信号图像，用以观察战场上声像并存的敌方活动情况；(3)微量气体传感器，通过敌方车辆排出气体的气味和含量
17、浓度来判断车辆种类和数量等。,7.3 美军沙地直线传感器网络项目介绍,美国陆军于2003年在俄亥俄州开发了“沙地直线”（A Line in the Sand）系统，这是一个用于战场探测的无线传感器网络系统项目。在国防高级研究计划局的资助下，这个系统能够侦测运动的高金属含量目标，例如侦察和定位敌军坦克和其他车辆。,7.3.1 项目背景,美军研制沙地直线项目的目的是希望识别出入侵的物体或目标，入侵目标可以是徒手人员、携带兵器的士兵或车辆。该项目的主要功能包括目标探测、分类和跟踪。沙地直线项目研制的无线传感器网络节点，被命名为“超大规模微尘节点”(eXtreme Scale Mote,简称XSM)。
18、这是一种具有特殊功能的传感器网络节点，新技术含量高，能可靠地、大范围地实施长久监视。,(a)正面,(b)反面,下表总结了沙地直线项目要求的传感器探测工作特性和战术技术指标。C、P、S和V是简记写法。对于分类混合矩阵来说，某一类目标的分类概率指标不能小于规定值；不同种类目标之间存在错误分类问题，它们之间有一个错误分类的上限概率，这就是表中符号所表达的含义。,表2所示为目标分类要求的详细技术指标，其中垂直栏表示实际种类，水平栏表示要求的分类指标。,7.3.2 目标探测的传感器选型,这里主要介绍沙地直线项目用于探测上述三类目标的传感器模式，分析它们引起六种基本能量域（光、机械、热、电、磁、化学）方面
19、的变化。首先确立目标现象，即潜在目标可能导致的环境扰动特征，然后确定出能探测这些扰动的一组传感器，从那些探测信号中提取出有意义的信息。在沙地直线项目的研究中，研究人员希望找出同类目标的相似特征，以区别于不同种类目标的相异特征值，从光、机械、热、电、磁、化学六个基本能量域来识别目标特征。,(1)徒手人员 徒手人员类型可以从热量、地震动、声音、电场、化学、视觉等方面扰动周围环境。人体的热量以红外能量方式向四周发散，因而能采用红外传感器进行感测人的脚步可以引起地面自然频率回响的脉冲信号，这种共振信号是以阻尼振荡方式通过地面进行传播，因而可以采用微震动传感器收集震动信号。脚步声还能引起声音脉冲信号，并
20、通过空气进行传播，它的传播速度不同于通过地面传播的地震动信号，但可以运用声响传感器收集这种脚步声信号。,(2)武装人员 持械士兵或武装人员可以具有一些徒手人员所不具备的信号特征。通常士兵应该持有枪支和其他含有铁质或金属的装备，因而士兵具有磁信号，这些磁信号是大多数徒手人员所不具有的。士兵的磁信号是由于铁磁质材料对周围地磁环境的扰动而产生的，因此这里采用磁阻传感器探测此类目标。,(3)车辆 车辆类型的目标可以从热量、地震 动、声音、电场、磁场、化学、视觉等方面扰动周围环境.。车辆与人员类似，会产生热信号特征，例如机车车头部分和尾气排气位置都会产生比周围温度高的现象。,轮式和履带式的车辆具有能被探
21、测到的震动和声波特征信号。特别是履带式车辆由于具有节奏的卡塔声和履带振动，具有非常明显的机械特征信号。车辆相对于武装人员而言，它们本身的金属物质含量大，可以更显著地影响周围某一区域的电磁场。另外，车辆的燃油燃烧时会释放化学物质，如一氧化碳、二氧化碳等。车辆也反射、散射和吸收光线信号。根据这些目标现象，沙地直线项目采取了相应的传感器进行探测车辆类型的目标。,下面结合具体的传感器类型介绍目标信号的检测技术：(1)声音传感器 这里采用JL1型电子F6027AP麦克风声音传感器，它是声音子系统的核心部件。这种麦克风声音传感器的灵敏度是，响应频率在20Hz和16kHz之间。这种麦克风是高为2.5mm、地
22、面直径为6mm的圆柱形状。选择这种传感器的原因在于它的灵敏性好、尺寸小、铅制终端、性价比高。,(2)被动红外传感器 采用Kube Electronics的 C172型传感器，它是被动红外子系统的核心部件。该传感器包含两个相隔一定距离的热电感应元件和一个JFET放大器，放大器密封在封闭的金属盒内，自带一个光学滤波器。该传感器安装有一个圆锥形光学反射镜，因而不再需要其它的透镜设备。被动红外探测器是根据警戒区域内的背景和入侵者的身上辐射出的远红外能量差进行探测。这种传感器非常适合对人员和车辆的探测，对移动目标运动轨迹的探测来说，它具有低功耗、小尺寸、高灵敏性和低成本等特点。,(3)磁传感器 采用Ho
23、neywell HMC1052型磁阻传感器，作为磁感应子系统的 核心部件，并建立基于磁偶极子信号的探测模型，用于检测判断士兵和车辆目标，提供分析结果。(4)多普勒雷达传感器 采用TWR-ISM-002脉冲多普勒传感器作为雷达平台。该传感器能探测半径为60英尺的活动范围，使用电位计可以把探测范围调整为较短的距离。根据当时使用的环境情况，还可以调整灵敏度，以适应嘈杂的环境。,7.3.3 项目系统试验,1、网络节点的封装问题 研究人员考虑到对于入侵探测这种战场的应用，传感器节点必须承受住多种不利的环境，如风、雨、雪、洪水、炎热、寒冷和复杂地形等。传感器的封装能够保护这些元件中的精密电子元器件。封装性
24、能的优劣也直接影响传感器的探测和无线通信功能。,左图所示为沙地直线项目研制的传感器节点XSM的封装剖视图。它的塑料罩由一种不透明的红外材料制造，但每一个侧边可安装红外透过的观察孔，并且在每一个侧边有许多小孔允许声音信号被成功探测。传感器密封罩内安装的一种防水挡风玻璃可以降低风和噪音的影响，保护电子元器件不受光照和雨淋。天线安装在传感器的电路板上，在密封罩的顶部露出长杆。,研究人员提出并研制了以下系列的封装设备：密封罩、曲棍球冲压罩、锥形罩、简易检测罩、改进型检测罩，这里主要侧重介绍前三种封装设备。密封罩 密封形的封装罩表面光滑，具有自动调整自身位置的能力，可以在节点位置或姿态变化时，仍然可以完
25、成可靠的探测和无线通信功能。这种罩体能使光线照到里面的太阳能电池板上。,传感器节点的电子元器件安装在一个固定框架上，框架使用一种简单的万向节机械装置，连接在罩壳上。万向节机构绕着罩的长轴（横向轴）可以自由旋转。安装电池的一边在框架底部，安装太阳能电池的一边在框架顶部。当万向节机构在增加了圆柱形罩的转动自由度之后，可以增加雷达和无线电天线的水平性，从而使它们垂直于地面，太阳能电池板也可以直接面向天空，从而增加了节点的探测感应范围、无线通信范围和使用寿命。,曲棍球冲压罩 下图所示为曲棍球冲压罩的剖视图，它由顶盖、罩身和底基组成。底基由立体圆柱和塑料块组成，密封装置底部的重量变重了，从而降低密封装置
26、翻倒的可能性。底基有一个正方形孔存放电池，有一个圆柱状孔从电池部位伸出来。另外，还有一个圆柱状孔从音响器部位延伸出来，从而在底基的顶端处露出一个圆孔。这个小孔用作音响器与周围环境的声音波导、无线通信的导向孔。,锥形罩 锥形罩的结构具有自动调整姿态和位置的功能，节点可以像交通锥标的使用方式一样，从空中扔下，然后锥形罩自己调整姿态，保证它正面朝上，其中的磁力计也处于水平状态。虽然宽大的底基能避免锥形罩翻倒，但锥形罩的底基重量足够大，在可能发生的意外情况下出现翻倒时，仍能自正位，保证天线指向朝上。,锥形罩的“悬垂钟摆”电路板由天线悬挂着，天线本身被装在锥形罩的顶部。假设锥形罩里的传感器节点电路板旋转范围在 到 之间，则它在倾斜电路板上产生的磁场变化量不会超过2-4%。这种锥形罩的设计方式对从无人驾驶飞机上抛撒无线传感器网络节点，具有启发作用。它可以做到自动抛撒后不用再管，在地面上由这些落地的传感器节点自动组网。尽管会有少数节点失效，但可以保证大多数传感器节点能够有效探测和无线通信，因而构建出完整的无线传感器网络。,2、试验部署与实施 沙地直线项目的研究人员分别在俄亥俄州和佛罗里达州等不同地方进行了试验。通过可视化的软件界面系统，可以观察传感器节点的状况和目标的活动情况。该软件平台支持窗口放大和缩小，可重放最近记录，随时观察网络拓扑布局，显示目标的运动踪迹。,
