СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ В ДВУХЧАСТОТНОМ НЕЛИНЕЙНОМ РАДИОЛОКАТОРЕ
METHOD AND DEVICE FOR MEASURING DISTANCE IN DOUBLE-FREQUENCY NONLINEAR RADAR

Настоящее изобретение относится к области нелинейной радиолокации и может быть использовано при разработке нелинейных радиолокаторов (НРЛ), осуществляющих поиск объектов, представляющих собой как радиоэлектронные устройства (РУ) (как во включенном, так и в выключенном состоянии), так и контактирующие металлические поверхности, за счет обнаружения нелинейных свойств элементов (НЭ), являющихся составной частью таких объектов поиска. Отражение от объектов поиска происходит на гармониках и комбинационных частотах зондирующего сигнала, возникающих при нелинейном преобразовании в элементах, являющихся их составной частью (полупроводниковых элементах электронных средств, контактирующих металлических поверхностях и т.д.). Т.е. при поиске объектов с нелинейными свойствами в качестве полезного принимаемого сигнала выступают продукты преобразования зондирующего сигнала НЭ. Какие гармоники и комбинационные составляющие появляются в спектре отраженного от объекта поиска сигнала зависит от вольт-амперной характеристики (ВАХ) НЭ.
В настоящее время исследователи в области нелинейной радиолокации стремятся создать такие устройства обнаружения объектов поиска, которые позволили бы не просто обнаруживать, но и измерять координаты объекта поиска, в частности дальность, с наименьшими финансовыми и энергетическими затратами и наименьшими габаритами. Все устройства обнаружения отличаются способами получения радиолокационной информации (РЛИ) об объекте поиска, а именно алгоритмической реализацией и видом используемых зондирующих сигналов (ЗС).
В нелинейной радиолокации в качестве ЗС наиболее широкое применение нашли многочастотные ЗС (сумма гармонических колебаний с различными частотами). Известно, что использование в качестве ЗС суммы некоторого числа простых сигналов типа радиоимпульса с различными несущими частотами (уже начиная с двух) обогащает спектр отраженного от объекта поиска, обладающего нелинейными свойствами, сигнала спектральными составляющими, первоначально отсутствующими во входном сигнале, гармониками и комбинационными составляющими. Поэтому частот на излучение обычно используют две, т.к. их дальнейшее увеличение не дает значительного выигрыша в характеристиках отраженного от объекта поиска сигнала, но при этом приводит к значительному усложнению, удорожанию устройства обнаружения и энергетическим затратам.
Такие двухчастотные НРЛ дают лишь заключение о наличии или отсутствии отраженного сигнала от объекта поиска без измерения его координат, в частности дальности. Для измерения дальности до объекта поиска устройство обнаружения строят по другому принципу: изменяют тип зондирующего сигнала.
и
Известно, что применение в качестве зондирующих сигналов импульсных широкополосных сигналов, у которых  (где  - ширина спектра зондирующего сигнала, τ ~ длительность зондирующего сигнала), с последующей оптимальной обработкой отраженного сигнала от объекта поиска на основе оптимального фильтра сжатия (ОФ) позволяет измерить дальность до объекта поиска по временному положению максимума сжатого сигнала на выходе обработки [1]. Широкополосность обычно достигается путем внутриимпульсной модуляции частоты (фазы) сигнала. К таким широкополосным сигналам относятся сигналы с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ сигналы), фазомодулированные сигналы (коды Баркера и т.д.) и т.д.
Сигнал на выходе ОФ описывается интегралом свертки между отраженным сигналом от объекта поиска и импульсной характеристикой фильтра, оптимальной зондирующему сигналу [1, стр. 132]:
отр
где U(t) - сигнал, отраженный от объекта поиска,
ОФ
h(t) - импульсная характеристика ОФ.
Существует запатентованный аналог, основанный на использовании широкополосных зондирующих сигналов в НРЛ [2]. Способ и устройство нелинейной радиолокации, описанные в нем, предназначены для дистанционного обнаружения и точного измерения координат управляемых взрывных устройств (УВУ), обладающих избирательными свойствами в частотном диапазоне электромагнитных волн. В качестве зондирующего сигнала используется сложный многодиапазонный широкополосный сигнал, ширина спектра которого перекрывает весь частотный диапазон функционирования УВУ - шумовой сигнал (в частности, белый гауссов шум с ограниченной полосой пропускания ). Прием отраженного сигнала осуществляется на второй гармонике. Дальнейшая обработка по высокой частоте на основе коррелятора, осуществляющего свертку отраженного сигнала на второй гармонике и опоры, сформированной из зондирующего сигнала, предварительно подвергнутого нелинейному квадратичному преобразованию, позволяет измерить дальность до объекта поиска по положению максимума на его выходе.
К недостаткам данного изобретения относятся большие размеры приемопередающих модулей и антенных систем, а также большое количество приемных частотных каналов. А использование в качестве зондирующего сигнала шумового сигнала с ограниченной широкой полосой пропускания, представляющего собой набор гармонических сигналов с несущими частотами из диапазона  разной длительности с разными начальными фазами и амплитудами, заставляет, с одной стороны, для организации обработки на основе коррелятора иметь копию зондирующего сигнала в каждом такте из-за случайного характера начальных фаз шумового сигнала; с другой стороны, для исключения появления паразитных спектральных составляющих в отраженном сигнале, порождаемых приемопередающими модулями, использовать дополнительные широкополосные фильтры, подавляющие уровень второй гармоники не менее 120 дБ. Это приводит к усложнению аппаратуры передачи и приема и усложнению алгоритмов обработки, а при больших мощностях зондирующего сигнала к невозможности реализации устройства.
Поэтому использование вышеуказанного аналога в случае создания НРЛ с наименьшими финансовыми, энергетическими затратами и наименьшими габаритами нецелесообразно.
В качестве прототипа выбрано изобретение [3]. Способ и устройство, описанные в нем, основаны на использовании двухчастотного способа обнаружения носимых осколочных взрывных устройств с регистрацией комбинационных частот второго и третьего порядка. Изобретение позволяет повысить дальность обнаружения осколочных взрывных устройств на фоне помех от электронных компонентов за счет использования демаскирующих признаков, присущих большой группе контактирующих металлических элементов: регистрации низкочастотного контактного шума и периодической инфразвуковой составляющей на принимаемых комбинационных частотах второго и третьего порядка. Совместная обработка на основе измерения отношения амплитуд сигналов комбинационных частот второго и третьего порядка и учет демаскирующих признаков позволяет обеспечить обнаружение и селекцию носимых осколочных взрывных устройств на фоне помех от электронных компонентов.
Недостатком данного изобретения является только обнаружение и селекция обнаруживаемых объектов без измерения их координат (в частности, дальности).
Техническим результатом предлагаемого изобретения является измерение дальности до объекта поиска за счет использования двухчастотного способа зондирования с регистрацией комбинационных частот второго и третьего порядка, где в качестве одного зондирующего сигнала используется широкополосный сигнал (ЛЧМ сигнал) на одной несущей частоте, а в качестве другого - радиоимпульс на другой несущей частоте, с последующей обработкой отраженного от объекта поиска, содержащего НЭ, сигнала, зарегистрированного на комбинационных частотах второго или третьего порядка, на основе ОФ. Причем прием осуществляется на комбинационных составляющих с предварительным понижением несущих частот отраженного сигнала до промежуточной частоты, что позволяет создать широкополосный приемник, принимающий отраженный сигнал от объекта поиска на различных гармониках и комбинационных составляющих.
Использование в двухчастотном НРЛ на одной из двух несущих частот широкополосного сигнала (ЛЧМ сигнала), а на другой - простого сигнала типа радиоимпульса позволяет измерять дальность до объекта поиска, сохраняя все преимущества двухчастотного способа зондирования, такие как возможность принимать и обрабатывать отраженный сигнал как на гармониках, так и на комбинационных составляющих, с наименьшими финансовыми и энергетическими затратами и небольшой эффективной антенной системой.
В соответствии с типовой моделью реакция любого НЭ на входное воздействие U(t) с достаточной точностью аппроксимируется степенным полиномом - (ВАХ) [4, стр. 325]:
0
где U=U - исходное положение рабочей точки на ВАХ в отсутствие сигнала,
0
- крутизна ВАХ в точке U=U,
- первая производная крутизны,
γ и т.д. - вторая и т.д. - производные крутизны.
Наличие нелинейных членов в формуле (2) приводит к появлению в выходном сигнале НЭ гармоник и комбинационных составляющих от входного воздействия. Какие гармоники или комбинационные составляющие возникают при воздействии на контур НЭ сигнала передатчика зависит от типа НЭ и вида входного воздействия.
Так, воздействие на объект поиска, содержащего НЭ, суммы двух радиоимпульсов на различных несущих частотах  и , причем , легко описывается формулами приведения. В результате квадратичный и кубичный члены разложения ВАХ формула (2) принимают следующий вид:
- квадратичный член ВАХ объекта поиска:
- кубичный член ВАХ объекта поиска
Таким образом, на выходе НЭ:
- квадратичный член ВАХ порождает составляющие на частотах:
- кубичный член ВАХ порождает составляющие на частотах:
Выделение тех или иных составляющих определяется типом НЭ и является основным фактором при поиске объектов.
Использование в качестве зондирующих сигналов сложного сигнала на несущей частоте  и полосой  и радиоимпульса на несущей частоте , причем  (для исключения наложения значений амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) зондирующих сигналов) согласно заявленному способу позволит: с одной стороны получить реакцию НЭ объекта поиска на составляющих (5) и (6) (воздействие на объект поиска, содержащий НЭ, происходит суммой двух сигналов с разными несущими частотами) в соответствии с его ВАХ; с другой стороны, применив обработку к отраженному сигналу от объекта поиска на основе ОФ, получить сигнал, по временному положению максимума которого измерить дальность до объекта поиска. Причем характеристику ОФ необходимо сформировать с учетом преобразования спектра зондирующего сигнала объектом поиска, т.е. на той или иной спектральной составляющей.
Следует отметить, при таком представлении входного воздействия реакция НЭ объекта поиска на спектральных составляющих примет иной вид. В формулах (5) и (6) необходимо учитывать полосу сложного зондирующего сигнала . В результате на выходе НЭ:
- квадратичный член ВАХ порождает составляющие на частотах:
- кубичный член ВАХ порождает составляющие на частотах:
Как видно из формул (7) и (8), в случае реакции НЭ объекта поиска на комбинационных составляющих второго порядка вида  и третьего порядка вида  полоса отраженного сигнала от объекта поиска на этих составляющих не изменяется; на второй гармонике вида  и комбинационных составляющих третьего порядка вида  полоса отраженного сигнала от объекта поиска на этих составляющих увеличивается в два раза; на комбинационных составляющих второго порядка вида  и третьего порядка вида  происходит инверсия значений спектральных составляющих АЧХ сигнала относительно центральной частоты без расширения полосы отраженного сигнала.
В случае ограниченной частоты дискретизации АЦП приемник отраженных от объекта поиска сигналов можно построить по гетеродинному принципу. Согласно которому в принимаемом сигнале производится преобразование его несущей частоты до значения промежуточной частоты (ПЧ) (в предельном случае до нулевого значения), не изменяющего его закона модуляции. Именно благодаря этому свойству можно создать широкополосный приемник, позволяющий принимать отраженный сигнал от объекта поиска, обладающего нелинейными свойствами, на различных гармониках или комбинационных составляющих. Распараллеливание обработки на N каналов, число которых определяется используемыми гармониками и комбинационными составляющими, позволит обнаружить объект поиска, обладающий нелинейными свойствами, учитывая результаты по всем рассматриваемым составляющим.
При преобразовании несущей частоты принимаемого колебания до ПЧ весь набор из N используемых комбинационных составляющих разделяется на две группы: одна - с несущей частотой, равной ПЧ, и полосой  (М составляющих); другая - с несущей частотой, равной ПЧ, и полосой  (N-M составляющих), учитывающая расширение полосы сигнала в два раза после соответствующего преобразования в объекте поиска, согласно формулам 7 и 8 соответственно. Вследствие данного факта, для организации оптимальной обработки принимаемого колебания необходимо сформировать два вида импульсных характеристик ОФ: сложный сигнал на ПЧ с полосой  и .
Структурная схема устройства измерения дальности при оптимальном обнаружении объектов поиска, содержащих НЭ, где в качестве одного из зондирующих сигналов использовался сложный сигнал (ЛЧМ сигнал), а в качестве другого - радиоимпульс, показана на фиг. 1, где обозначено:
1 - блок передатчиков;
2 - первый передатчик;
3 - второй передатчик;
4 - многоканальный широкополосный приемник;
5 - малошумящий усилитель (МШУ);
6 - набор смесителей;
1
7
7 - набор генераторов (Г…Г);
1
8 - набор полосовых фильтров ПФ;
2
9 - набор полосовых фильтров ПФ;
10 - блок обработки;
11 - блоки комплексного сопряжения (КС);
1
12 - набор ОФ;
1
13 - формирователь первой импульсной характеристики ОФ (ИХ);
2
14 - набор ОФ;
2
15 - формирователь второй импульсной характеристики ОФ (ИХ);
16 - межтактовый накопитель (НАК);
17 - межканальный накопитель с пороговым устройством (Н+ПУ).
Как видно из фиг. 1, предлагаемое устройство измерения дальности при оптимальном обнаружении объектов поиска с НЭ содержит блок передатчиков 1, многоканальный широкополосный приемник 4, число каналов которого N определяется используемыми комбинационными составляющими, необходимыми для обнаружения объектов поиска, и N канальный блок обработки 10. Структурная схема приведена для общего случая: использования всех гармоник и комбинационных составляющих согласно формулам 7 и 8, т.е. N=7, М=4 и (N-M)=3.
Блок передатчиков 1 содержит два передатчика 2 и 3. Первый передатчик 2 формирует ЛЧМ сигнал с полосой  на несущей частоте , второй передатчик 3 формирует радиоимпульс на несущей частоте .
Многоканальный широкополосный приемник 4 содержит МШУ 5, выход которого распараллеливается на N=7 каналов по две группы (М=4 и (N-M)=3 каналов)), каждый из которых состоит из последовательно соединенных смесителя 6 и ПФ 8 или 9, соответственно для двух групп, и генератора 7. На второй вход смесителя подается сигнал гетеродина с выхода соответствующего генератора 7. М каналов соответствуют обнаружению объектов поиска на комбинационной частоте с полосой , N-M каналов - с полосой .
1
2
Каждый из N=7 каналов блока обработки 10 состоит из последовательно соединенных блока комплексного сопряжения 11 (кроме второго и четвертого), вход которого соединен с выходом ПФ 8 или 9 многоканального широкополосного приемника 4, ОФ 12 или 14, второй вход которого соединен с формирователем импульсной характеристики ОФ HX 13 или ИХ 15 соответственно и НАК 16. Выходы НАК 16 всех N=7 каналов соединены со входами (Н+ПУ) 17, в котором объединяются результаты обработки и принимается решение о наличии объекта поиска.
Два сформированных зондирующих сигнала передатчиком 2 и передатчиком 3 излучаются в пространство, где происходит их сложение. Результатом взаимодействия такого сигнала с объектом поиска, содержащим НЭ, является наличие в отраженном сигнале набора гармоник и комбинационных составляющих, соответствующих нелинейному преобразованию второго и третьего порядка в объекте поиска.
Отраженный от объекта поиска сигнал поступает в многоканальный широкополосный приемник 4. В МШУ 5 сигнал усиливается и далее раздается на N=7 каналов, согласно формулам 7 и 8 соответственно.
В каждом N-м канале обработки, соответствующем одной из комбинационных составляющих, в принимаемом сигнале с помощью смесителя 6 производится понижение значения соответствующей несущей частоты до ПЧ. Для этого на второй вход смесителя 6 подается сигнал гетеродина  с соответствующего генератора 7, равный разности комбинации несущих частот согласно преобразованию в объекте поиска второго (формула 5) или третьего (формула 6) порядка и значению промежуточной частоты. Сигнал с выхода смесителя 6 фильтруется в соответствующем ПФ 8 или 9 от паразитных составляющих преобразования частоты, на выходе которого выделяется сложный сигнал с несущей частотой, равной ПЧ, и полосой  (М каналов обработки) или  (N-М каналов обработки) согласно формулам 7 и 8.
1
2
Сигнал на ПЧ поступает в соответствующий канал блока обработки 10 на блок КС 11 и на первый вход ОФ 12 или 14. На второй вход которого поступает импульсная характеристика с формирователя ИХ 13 - ЛЧМ сигнал с несущей частотой, равной ПЧ, и полосой  или с формирователя ИХ 15 - ЛЧМ сигнал с несущей частотой, равной ПЧ, и полосой . В случае инверсии значений спектральной составляющей АЧХ сигнала относительно центральной частоты, согласно формулам 7 и 8 операция комплексного сопряжения не требуется, и сигнал с выхода ПФ 8 и 9 сразу поступает на первый вход соответствующего ОФ 12 или 14. В ОФ происходит свертка отраженного сигнала от объекта поиска на ПЧ и импульсной характеристикой ОФ с полосой  в зависимости от М-го канала или с полосой  в зависимости от (N-M)-го канала согласно формуле 1. Если есть отраженный сигнал от объекта поиска на ожидаемых комбинационных составляющих, то на выходе ОФ соответствующего N канала будет сжатый сигнал. Далее сигнал с выхода ОФ поступает в НАК 16, увеличивающий отношение сигнал/шум на выходе обработки. Выходы всех НАК 16 N каналов объединяются (Н+ПУ) 17, на выходе которого будет зафиксировано превышение порога. По временному положению максимумов, превысивших порог сигналов, происходит измерение дальности до объекта поиска, содержащего НЭ.
Характерный вид сигнала на выходе устройства оптимального обнаружения согласно структурной схеме фиг. 1 для обнаружения отраженного сигнала от объекта поиска, содержащего НЭ, на комбинационной составляющей второго порядка  и комбинационной составляющей третьего порядка  показан на фиг. 2 и фиг. 3 соответственно.
Таким образом, применение в двухчастотном нелинейном локаторе сложного сигнала (в частности, ЛЧМ сигнала) на одной из двух несущей частоте позволяет, организовав оптимальную обработку отраженного сигнала, не только обнаружить объект поиска, но и измерить его дальность. Для этого необходимо сформировать два вида импульсных характеристик ОФ: сложный сигнал (ЛЧМ сигнал) на несущей частоте, равной ПЧ, и полосой  и , учитывающий квадратичный или кубичный член ВАХ НЭ; распараллелить обработку отраженного сигнала на N каналов, число которых определяется используемыми гармониками и комбинационными составляющими, необходимыми для обнаружения объекта поиска, обладающего нелинейными свойствами, учитывая результаты по всем рассматриваемым комбинационным составляющим отраженного сигнала от объекта поиска.
Список литературы
1. Я.Д. Ширман. Теоретические основы радиолокации. М., Советское радио, 1970 г.
2. Патент РФ №2474839 «Способ и устройство нелинейной радиолокации», опубл.: 10.02.2013, авторы В.И. Ирхин, С.Н. Матюгин.
3. Патент RU №2540726 «Способ и устройство обнаружения носимых осколочных взрывных устройств», опубл. 10.02.2015 г., авторы Г.Н. Щербаков, М.А. Анцелевич, А.Г. Прохоркин, А.С. Веревкин - прототип.
4. И.С. Гоноровский. Радиотехнические цепи и сигналы. М., Советское радио, 1971 г.