Нелинейный радиолокатор и особенности его применения при поиске замаскированных устройств

УДК 621-391

НЕЛИНЕЙНЫЙ РАДИОЛОКАТОР И ОСОБЕННОСТИ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ ПРИ ПОИСКЕ

ЗАМАСКИРОВАННЫХ УСТРОЙСТВ

Д.Г. Доматырко, Н.И. Козачок, В.П. Литвиненко

Приводится подробное описание принципа действия нелинейных радиолокаторов, принимающих сигнал на частотах кратных гармоник, и даются рекомендации по совершенствованию их характеристик

Ключевые слова: суть эффекта нелинейного рассеивания, полупроводниковые элементы, нелинейный локатор, прием сигнала на второй и третьей гармониках, пути и возможности улучшения нелинейных локаторов

Устройство под названием «Нелинейный радиолокатор» (НРЛ) или «Нелинейная РЛС» (НРЛС) является одним из наиболее востребованных и часто применяемых видов поисковой техники, поскольку область применения весьма многогранна: поиск закладных устройств (фугасов), обнаружения любых радиоэлектронных устройств в окружающих предметах, в строительных конструкциях, и т.д., что делает нелинейные радиолокаторы особенно незаменимыми при проведении поисковых мероприятий. Нелинейный радиолокатор способен идентифицировать любые нелинейные свойства полупроводников (ПП), которые имеются в составе закладных радиоэлектронных устройств любого происхождения. Отметим, что в независимости от того, включено замаскированное устройство или нет, нелинейный локатор может обнаруживать и определять его местоположение с высокой точностью. Как показывает практика наблюдений, основная причина «недопонимания» значимости и весомости этого устройства кроется в незначительном раскрытии некоторых важных и тонких тактико-технических характеристик и особенностей, которые и определяют успешность применения НРЛ для поиска фугасных устройств.

Как известно, физической основой нелинейной радиолокации является эффект нелинейного рассеяния электромагнитных волн, присущий определенному классу рукотворных объектов, который выражается в появлении в рассеянном объектом поле спектральных компонент, отсутствующих в поле, падающем на него.

При работе НРЛ излучается высокочастотный сигнал, проникающий в различные объекты с самыми разными свойствами, далее отражается от исследуемой поверхности и принимается приемником НРЛ. Существенное отличие заключается в том, что если приемник радиолокационной станции принимает отраженный от объекта эхо-сигнал на частоте излучаемого сигнала, то приемник НРЛ принимает кратные гармоники отраженного сигнала (21 3:1}.

Доматырко Дмитрий Геннадьевич - ВГТУ, студент, тел. (4732) 47-72-23

Козачок Николай Иванович - ОАО «Концерн «Созвездие»», канд. техн. наук, нач. отдела, тел. 8-920-407-11-91

Литвиненко Владимир Петрович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. (4732) 71-44-57

Факт появления в принимаемом (отраженном) сигнале этих гармоник обусловлено нелинейностью характеристик ПП, присущих зондируемому устройству.

В результате нелинейного преобразования электрического сигнала, индуцируемого в элементах схемы ЗУ высокочастотным полем локатора, образуется сигнал, в спектре которого присутствуют, кроме основной частоты, ее кратные гармоники с частотами 21; 31 и т. д. Так как амплитуда гармоник резко убывает с увеличением ее номера, то при работе НРЛ используют вторую и третью гармоники. При этом амплитуды гармоник во многом зависят от характера нелинейности радиоэлементов, входящих в состав ЗУ, и мощности излученного электромагнитного поля.

Однако наличие нелинейности характерно не только лишь для полупроводниковых РЭС, а также для контактов между металлическими предметами с пленкой окислов различной толщины на поверхности, так называемых МОМ-диодов (металл - окисел - металл), например, коррозийных и ржавых прутьев в железобетонных плитах домов, приводящих к появлению ложных сигналов. Следовательно, выявление второй и третьей гармоник в отраженном сигнале далеко не всегда является достаточным условием обнаружения ЗУ.

Условно МОМ - диоды и ПП-соединения теоретически можно представить следующим образом. Два равных правильных куба, наложенные вместе -это полупроводниковое соединение. МОМ-диод -соединение ложное, похожее на две неправильные фигуры, стыкующиеся друг с другом только в некоторых местах с гладкой ровной поверхностью. Для оценки и понимания принципа работы НРЛ представляется необходимым дать элементарные математические модели для полупроводниковых соединений и МОМ-диодов. Заметим, что по структуре ПП-соединения и МОМ-диоды отличны, но по своим свойствам полупроводниковые соединения имеют достаточно однородные свойства и, в отличие от МОМ-диодов, их характеристики соответствуют строгой математической модели. Приведенная ниже формула описывает ВАХ III 1-диода - простейшая модель нелинейного соединения:

I = IS

q-V , k-T

-1

где I - сила тока, ї8 - сила тока пробоя, q - заряд электрона, V - напряжение, к - постоянная Больцмана, Т - температура.

Несмотря на существенное различие среди возможных полупроводниковых элементов, все они обладают весьма «чистыми» и угадываемыми характеристиками. Для полупроводниковых соединений приведенная выше формула практически всегда описывается кривой (рис. 1). Что касается МОМ-диодов, эта характеристика непредсказуема и трудно описывается четкой формулой. Тем не менее с определенной долей погрешности ВАХ МОМ-диодов в большинстве случаев можно считать достаточно симметричной (рис. 2).

Уровень «чистоты» соединения, а значит и селекции сигналов от ПП и МОМ-диодов проявляется в различии значений принимаемых НРЛ сигналов гармоник. Так, при облучении нелинейным радиолокатором полупроводникового соединения возникает сильный сигнал 2-й и слабый сигнал 3-й гармоник. МОМ-диод ведет себя иначе, имеет слабый сигнал на 2-й и сильный на 3-й гармонике. Таким образом, сравнительный анализ уровней второй и

третьей гармоник позволяет оператору провести селекцию их источников. Применение НРЛ обеспечивает высокий процент обнаружения ЗУ, размещенных в различных укрытиях (например, в железобетонных стенах вероятность обнаружения ЗУ составляет 90 - 95 %).

Главное достоинство нелинейного радиолокатора - способность обнаруживать электронные схемы как во включенном, так и выключенном состоянии, недостаток - сравнительно большое число ложных обнаружений естественных нелинейных отражателей типа МОМ.

Подробно рассмотрим основные технические характеристики НРЛ и присущие им особенности. Для НРЛ основными параметрами принято полагать: режим работы; мощность и частота зондирующего излучения передатчика; чувствительность приемника; направленные свойства антенной системы; точность устройств индикации; эргономические характеристики приборов; масса устройства.

Особое значение при испытании нелинейного радиолокатора имеет глубина зондируемого материала материала, зависящая от характеристики проникающей способности излучающей волны, в свою очередь зависящей от частоты и мощности НРЛ. При выборе частоты работы НРЛ необходимо учесть 2 важных условия. Во-первых, в силу увеличения затухания электромагнитной волны в среде распространения с увеличением частоты уровень мощности преобразованного принимаемого (отраженного) сигнала тем выше, чем ниже частота НРЛ. Но, с другой стороны, для излучений с более низкой частотой ухудшаются возможности НРЛ по точной локализации места нахождения ЗУ, так как при приемлемых размерах его антенны расширяется диаграмма направленности антенны НРЛ.

Рассмотрим влияние мощности на работу НРЛ. Очевидно, что чем выше мощность излучения локатора, тем глубже проникает электромагнитная волна и тем больше вероятность и дальность обнаружения помещенной в укрытие закладки. Но, с другой стороны, с учетом того, что работа НРЛ осуществляется в области сверхвысоких частот - СВЧ (приборы, предлагаемые в настоящее время, работают в частотном диапазоне 680 - 1000 МГц), большая мощность излучения оказывает вредное воздействие на оператора.

Также мощность излучения НРЛ в значительной степени определяет коэффициент преобразования (КП) энергии зондирующего сигнала в энергию высших гармоник. С увеличением мощности излучения возрастает значение КП. Вместе с тем, как было отмечено ранее, повышение мощности улучшает характеристики НРЛ, но одновременно приводит к увеличению опасного воздействия на оператора. Поэтому для решения задач увеличения дальности действия НРЛ и эффективного осуществления работы прибора по локализации ЗУ в современных видах НРЛ применяют режимы с непрерывным и импульсным излучением. Учитывая, что эффективность преобразования (КП) определяется не средней мощностью излучения, а ее пиковым значением,

дальность действия локаторов, работающих в импульсном режиме, оказывается выше, чем у приборов, работающих с непрерывным излучением (при прочих равных условиях).

Таким образом, передающие устройства радиолокаторов, излучающие сигнал определенной частоты, характеризуются следующими значимыми-тактико - техническими характеристиками: частотой непрерывного излучения; частотой следования и длительностью радиоимпульса (мкс); пределами регулирования выходной мощности (дБ); режимом работы (непрерывным или импульсным).

Максимальная дальность действия нелинейного радиолокатора в значительной степени определяет чувствительность приемника. Качество приемного устройства, фиксирующего переизлученные сигналы, определяется такими параметрами: пределами регулирования чувствительности (дБ), частотами настройки (МГц) на регистрируемые гармоники -вторую и третью; реальной чувствительностью при заданном отношении сигнал/шум (дБ-Вт);

К значимым параметрам любой антенной системы, генерирующей зондирующие сигналы и принимающей переотраженные излучения на частотах кратных гармоник, относятся: уровень подавления задних лепестков диаграммы направленности (дБ); коэффициент направленного действия (КНД); коэффициент эллиптичности; ширина главного лепестка диаграммы направленности по уровню половинной мощности (град.);

К эргономическим характеристикам относят массогабаритные показатели, а также удобство использования радиолокатора, излучаемую в атмосферу мощность.

Владение информацией о тактико-тактических характеристиках во многом определяет эффективность применения нелинейного радиолокатора. При осуществлении поисковых мероприятий с помощью данного устройства оператор обязан выполнить 3 функции последовательно: обнаружение объекта, определение местоположения и идентификацию полупроводниковых приборов. Обнаружительная характеристика НРЛ нормируется только для свободного пространства. Возможность оценивания этого показателя проводится по мощности принимаемого отклика, увеличивающегося при приближении к объекту, этот факт позволяет зафиксировать искомое местоположение закладываемого устройства.

Если работа ведется на открытом пространстве или в больших по площади и пустых помещениях, применение импульсных РЛС позволяет обеспечить в несколько раз большую дальность обнаружения, чем использование непрерывных, что позволяет существенно уменьшить текущее время поиска. Отметим, что при работе в офисных помещениях наибольшая дальность действия локаторов обоих типов зачастую мало используется из-за присутствия в помещении электронной техникой и контактных помеховых объектов. Максимальная дальность действия НРЛС, конечно, зависит от типа обнаруживаемого устройства и условий его размещения

Далее подробно и основательно обратим внимание на главные функции нелинейного радиолокатора, а также на алгоритм их выполнения. Для решения первого этапа мероприятий по осуществлению поиска - обнаружения закладного устройства, оператору надо выполнить такие операции: привести в действие НРЛС, обнаружить и затем устранить источники мешающих сигналов, помехи; установить максимально достижимый уровень чувствительно -сти приемного устройства и максимально достижимый уровень мощности передатчика зондирующего сигнала; произвести контроль помещения, в котором проходит испытание, на всевозможное наличие мощных помеховых объектов, структур; необходимо учитывать, что помеховые объекты и структуры иногда могут находиться в смежных комнатах, помещениях, даже на других этажах, которые по возможности есть смысл осмотреть; после удаления из комнаты источников мощных помех следует повторить осмотр потолков, стен и различных приборов с расстояния около 10-25 см; в ходе осмотра на бумаге пометить потенциально опасные зоны.

При решении второго этапа поисковых мероприятий - определении местоположения закладного устройства - проводится путем оценки уровня и пеленга отклика сигнала. Важно учесть, что зондирующие и отраженные сигналы зачастую переотра-жаются находящимися рядом объектами. Эффективными рефлекторами являются зеркала, металлические плиты, сетки, арматура и т.д., при облучении которых можно фиксировать переотраженные сигналы от нелинейных отражателей, находящихся в том числе за спиной оператора.

При решении третьего этапа поисковых мероприятий - идентификации МОМ-диодов и ПП существует ряд методов, позволяющих достигать высокого практического эффекта.

В оборудовании, принимающем и регистрирующем сигналы отклика одновременно на второй и третьей гармониках зондирующего сигнала, в качестве первого и самого главного шага по идентификации объекта применяется методика сравнения уровней сигналов на выходах обоих трактов приема. При зондировании ПП-соединения возникает мощное переотражение на частоте 2-ой гармоники и слабое на частоте 3-й гармоники.

МОМ-диод ведет себя совсем не так, попутно создавая мощное переотражение на 3-й гармонике и слабое переотражение на 2-й гармонике.

В качестве второго шага по идентификации МОМ-диодов и ПП в ряде НРЛ разработана и реализована возможность «прослушивания» демодули-рованных сигналов гармоник, позволяющая идентифицировать объект, используя эффект изменения уровня шума. По мере приближения НРЛ к ПП отмечается значительное понижение уровня шума, достигающего минимума непосредственно над объектом. При облучении МОМ-диодов такого рода эффект почти не наблюдается (рис. 3).

Однако существуют ложные соединения, так же снижающие уровень шума, как ПП. Поэтому, в качестве третьего шага по идентификации ПП

(МОМ-диода) рекомендуется произвести механическое воздействие на потенциально опасное место. Зачастую на практике механическое воздействие осуществляется методом «простукивания». Оно приводит к изменению геометрии МОМ-диода, а значит, и его преобразующих свойств. В этом случае в преобразованном сигнале ясно прослушивается частота простукивания.

Мощность (уровень) сигнала при простукивании может быть минимальным, поэтому достаточно легкого постукивания рукой по обследуемой поверхности. Данная операция позволяет более точно идентифицировать объект.

Современные виды нелинейных радиолокаторов включают в себя достаточно много новых инженерных решений, которые делают поиск более точным и эффективным. Назовем основные тенденции по совершенствованию НРЛ: применение автоматической регулировки мощности передающего устройства НРЛ, которое может обеспечивать динамичное регулирование уровня выходного сигнала, не допуская перегрузки приемного тракта; применение цифровых приемопередающих устройств НРЛ с

синтезаторами, которое обеспечивает стабильность частоты и автоматический поиск «чистых» рабочих частот в широком диапазоне рабочих частот; применение в нелинейном радиолокаторе конструкции с круговой поляризацией антенны, которая устраняет необходимость нескольких проходов над исследуемой поверхностью и уменьшает риск пропустить замаскированный объект из-за неправильной ориентации антенны; передача по одному кабелю всех сигналов передачи, приема и цифрового управления дисплеем с прокладкой кабеля внутри конструкции НРЛС, что убирает необходимость излишних дополнительных соединений компонентов нелинейного радиолокатора непосредственно перед началом работы; применение легких и компактных аккумуляторных батарей и быстрых зарядных устройств; при этом желательно, чтобы конструкция легко складывалась, обеспечивая ее компактность и мобильность.

Литература

1. Кузнецов А.С., Кутин Г.И. Методы исследования рассеяния электромагнитных волн. Зарубежная радиоэлектроника, 1985, № 4. С. 41-53.

2. Мусабеков П.М., Панычев С.Н. Нелинейная радиолокация: методы, техника и области применения. Зарубежная радиоэлектроника, 2000, № 5. С.54-61.

3. Петров Б.М., Семенихина Д.В., Панычев А.И. Эффект нелинейного рассеяния. Таганрог, ТРТУ, 1997.

4. Лобашев А.К. Современное состояние применения индикаторов электромагнитных излучений./ Спец. техника, 2004, № 6.

ОАО «Концерн «Созвездие»» г. Воронеж Воронежский государственный технический университет

NONLINEAR RADAR AND FEATURES OF ITS APPLICATION BY SEARCH OF THE DISGUISED

DEVICES

D.G. Domatyrko, N.I. Kozachok , V.P. Litvinenko

The description of a full principle of action of the nonlinear radars accepting a signal on frequencies of multiple harmonics is resulted, and recommendations about perfection of their characteristics are made

Keywords: main in effect of nonlinear dispersion, the semiconductor elements, a nonlinear locator, receive signals on the second and third harmonics, methods and possibilities of perfection of nonlinear locators