УСТРОЙСТВО НЕЛИНЕЙНОЙ РАДИОЛОКАЦИИ

Предлагаемая полезная модель относится к области нелинейной локации и предназначена для дистанционного обнаружения и определения местоположения радиоуправляемых взрывных устройств (РУВУ), обладающих избирательными свойствами в частотном диапазоне электромагнитных волн.
Исследования по оценке возможности использования нелинейной локации для обнаружения инженерных мин и взрывных устройств в различных укрывающих средах велись, начиная с 70-х годов прошлого века. Основные результаты этих исследований обобщены и опубликованы в ряде отечественных работ [1-5]. Эти работы завершились созданием в промышленности переносного нелинейного радиолокатора.
Принцип действия нелинейного радиолокатора (НРЛ) заключается в том, что при облучении внешним сигналом, электронные устройства, содержащие полупроводниковые элементы (диоды, транзисторы, микросхемы), переизлучают сигналы на высших гармониках зондирующего сигнала, которые затем принимаются и анализируются НРЛ.
Существуют поисковые нелинейные локаторы, которые решают задачи поиска электронных закладок в помещениях [6, 7]. Принят на вооружение поисковый локатор «Коршун» [8], который обнаруживает нелинейные элементы (НЭ) и РУВУ на расстоянии нескольких метров.
Измерение координат в поисковых локаторах осуществляется путем изменения амплитуды зондирующих сигналов и чувствительности устройств приема отраженных колебаний высших гармоник. Поисковые локаторы характеризуются малой дальностью обнаружения, что в ряде случаев ограничивает область их применения в практических приложениях, а при обнаружении РУВУ на близких расстояниях приводит к неоправданному риску оператора.
Имеется ряд патентов [9-12], в которых основным недостатком НРЛ является небольшая дальность обнаружения нелинейных элементов.
Известно изобретение «Способ и устройство нелинейной радиолокации» [13], принятое за прототип.
1
N
1
N
1
Ν
1
N
1
N
Устройство содержит передатчик 1, где с помощью хронизатора 5 формируется мощный широкополосный сигнал, который фильтруется в блоке 2, где происходит выделение основной гармоники зондирующего сигнала и подавление высших гармоник. Далее сформированный сигнал через первый выход направленного ответвителя 3 поступает на передающую антенну 4 и облучает НЭ РУВУ. В результате параметрического эффекта, за счет расширения полос Δf в РУВУ, отклик сигнала принимается на N-й гармонике на приемные антенны 11…11 и, проходя через фильтры гармоник 10…10, поступает на приемники 9…9, в которых принимаемые сигналы сворачиваются с опорным сигналом передатчика, поступающим на вторые входы приемников 9…9 через второй выход направленного ответвителя 3 и формирователь опорного напряжения 6, и сжимаются. На выходах блоков 9…9 обеспечивается выделение сигналов на фоне шумов и помех и решается задача пространственного разрешения по дальности.
1
Ν
Выходы блоков 9…9 поступают на входы блока 8, где моноимпульсными методами производится измерение угловых направлений прихода сигналов, отраженных от НЭ РУВУ, относительно линии движения блоков. Обработанная информация в блоке 8 обеспечивает определение местоположения НЭ РУВУ после чего результаты отображаются в блоке 7. Прототип хотя и позволяет увеличить дальность обнаружения РУВУ, однако для некоторых типов РУВУ эта дальность оказывается недостаточной для безопасности обслуживающего персонала.
Достигаемым техническим результатом полезной модели является обеспечение безопасного дистанционного обнаружения РУВУ за счет реализации двухпозиционного нелинейного радиолокатора.
Известно, что применение разнесенных пунктов отдельно на прием и передачу увеличивает дальность обнаружения объектов в направлении вынесенного пункта на величину расстояния между двумя разнесенными пунктами [14].
Увеличение дальности обнаружения определяется двумя факторами: увеличением плотности потока мощности электромагнитного поля за счет уменьшения расстояния между объектом и вынесенным предающим пунктом и увеличением коэффициента ослабления, который учитывает влияние интерференции между прямым и переотраженным от земли сигналом.
Теоретические оценки показывают, что в разнесенном нелинейном локаторе, состоящем из вынесенного передающего пункта и приемного пункта, происходит значительное увеличение максимальной дальности обнаружения по сравнению с однопозиционным нелинейным локатором.
Актуальность разработки дистанционного обнаружителя мин и РУВУ обуславливается необходимостью снижения вероятности подрыва персонала и техники при разведке местности с целью уничтожения отдельных мин или их совокупностей (фрагментов минных полей). Сравнительно быстрое и надежное дистанционное обнаружения мин и РУВУ на больших дальностях (более 50 м) позволит существенно повысить безопасность саперов, применяя методы дистанционного разминирования.
Применение метода нелинейной радиолокации дает возможность увеличить вероятность правильного обнаружения мин и РУВУ и снизить уровень ложных тревог при наличии местных предметов.
Анализ современного состояния проблемы дистанционного обнаружения мин и РУВУ показывает, что увеличение дальности дистанционного обнаружения мин и РУВУ в однопозиционном варианте требует весьма высоких энергетических потенциалов таких средств.
Перспективная возможность увеличения дальности обнаружения мин и РУВУ без увеличения мощности передатчика достигается созданием многопозиционной широкополосной нелинейной радиолокационной системы, состоящей из мобильного пункта управления и обработки (МГГУО) и выносных пунктов излучения (приема) зондирующих сигналов. Этот перспективный подход позволяет осуществить несколько вариантов реализации дистанционного обнаружителя, каждый из которых имеет свои достоинства и дает возможность существенно увеличить дальность и надежность обнаружения мин и РУВУ. В одном из вариантов на вынесенном пункте (ВП) устанавливаются антенная система и приемник полезного сигнала, отраженного от НЭ РУВУ, с системой передачи усиленного сигнала на МПУО; в другом - на ВП устанавливается полностью нелинейная радиолокационная система (НРЛС) и передатчик результатов обработки принятого полезного сигнала на МПУО; в третьем - передатчик НРЛС устанавливается на одном из ВП, а приемник - на другом и т.д.).
Взаиморасположение приемных и передающих антенн НРЛС по высоте и расстоянию влияет на мощность принимаемого сигнала [15].
Так, даже в однопозиционной системе увеличение высоты подъема приемопередающей антенны дистанционного обнаружителя или только приемной антенны приводит к росту мощности принимаемого сигнала (увеличение высоты подъема приемной антенны в 3,3 раза ведет к увеличению мощности принимаемого сигнала на порядок и т.д.).
Одним из вариантов увеличения высоты приемной антенны является установка ее, например, на беспилотном летательном аппарате вертолетного типа.
С целью повышения безопасности личного состава предлагается реализовать дистанционное обнаружение взрывоопасных объектов, используя двухпозиционный (разнесенный) нелинейный радиолокатор.
Увеличение дальности обнаружения в предлагаемом устройстве обеспечивается за счет разнесения приемника и передатчика НРЛ.
В предлагаемой двухпозиционной НРЛС передатчик и приемник находятся в разных точках по дальности и на разных высотах. Вынесенный передающий пункт, кроме передатчика, фильтра выделения основной гармоники, направленного ответвителя, передающей антенны, хронизатора и формирователя опорного напряжения, содержит введенный блок передачи опорного напряжения и сигнала синхронизации на пункт управления и приема, который содержит две приемные антенны, два фильтра гармоник, два приемника, измеритель параметров принимаемых сигналов и устройство отображения, а также введенный блок приема опорного напряжения и сигнала синхронизации.
1
2
1
2
1
2
1
2
Структурная схема разнесенного нелинейного радиолокатора, реализующая предлагаемое устройство в локальной зоне обнаружения по азимуту, представлена на фиг.1. Она состоит из вынесенного передающего пункта, содержащего последовательно соединенные передатчик 1, фильтр выделения основной гармоники 2, направленный ответвитель 3 и передающую антенну 4, а также хронизатор 5, формирователь опорного напряжения 6 и блок 12 передачи на пункт управления и приема опорного сигнала и сигнала синхронизации, и пункта управления и приема, содержащего блок 13 приема опорного напряжения и сигнала синхронизации, два приемных канала, состоящих из последовательно соединенных приемных антенн 11 (11), фильтров гармоник 10 (10) и приемников 9 (9), а также измеритель 8 параметров принимаемых сигналов и устройство отображения 7, причем первый, второй и третий выходы хронизатора соединены, соответственно, с входом передатчика 1 и вторыми входами формирователя опорного напряжения 6 и блока 12 передачи опорного напряжения и сигнала синхронизации, а второй выход направленного ответвителя 3 через формирователь опорного напряжения 6 соединен с первым входом блока 12 передачи опорного напряжения и сигнала синхронизации, выход которого посредством радиолинии соединен с входом блока 13 приема опорного напряжения и сигнала синхронизации, первый выход которого соединен со вторым входом устройства отображения 7, а второй и третий выходы - со вторыми входами приемников 9 (9), выходы которых через первый и второй входы измерителя 8 параметров принимаемых сигналов соединены с первым входом устройства отображения 7.
Обзорный разнесенный нелинейный радиолокатор дистанционно обнаруживает устройства РУВУ и определяет положение их в пространстве. При этом важным фактором является время определения положения РУВУ, которое определяет целесообразность использования двухпозиционного (разнесенного) НРЛ в реальных практических применениях. Данные обстоятельства и определяют функционирование и структурную схему обзорного разнесенного нелинейного локатора.
Отличия предлагаемого устройства от прототипа [13]:
- радиолокатор состоит, как минимум, из двух модулей: вынесенного передающего пункта и пункта управления и приема;
- введены дополнительно блоки 12, 13, каждый из которых может быть выполнен, например, в виде приемопередающего модуля OmniTIK U-5HnD, оборудованного двумя встроенными антеннами - раздельно для приемника и передатчика, а обмен информацией между модулями осуществляется по радиолинии [16];
- значительно уменьшена мощность передающего устройства, что обеспечивает меньшее воздействие электромагнитного излучения на человека, и уменьшены его массогабаритные характеристики.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Устройство работает следующим образом. В передатчике 1 с помощью хронизатора 5 формируется широкополосный сигнал, который фильтруется в блоке 2, где происходит выделение основной гармоники зондирующего сигнала и подавление высших гармоник. Далее сформированный сигнал через первый выход направленного ответвителя 3 поступает на передающую антенну 4 и облучает НЭ РУВУ. В результате нелинейного и параметрического эффектов, отклик сигнала принимается на 2-й гармонике на приемные антенны 11 (11) и, проходя через фильтры гармоник 10 (10), поступает на приемники 9 (9), где принимаемые сигналы сворачиваются с опорным напряжением передатчика, поступающим на приемники 9 (9) с выхода направленного ответвителя 3 через формирователь опорного напряжения 6, блоки 12 и 13, и сжимаются. На выходах блоков 9 (9) обеспечивается обнаружение сигналов на фоне шумов и помех и решается задача пространственного разрешения по дальности.
1
2
С выходов блоков 9 (9) сигналы поступают на входы блока 8, где моноимпульсными методами производится измерение угловых направлений прихода сигналов, отраженных от НЭ РУВУ, относительно линии движения блоков. Обработанная информация в блоке 8 обеспечивает определение местоположения НЭ РУВУ, после чего результаты отображаются в блоке 7.
Один из возможных вариантов реализации предложенного устройства показан на фиг.2.
Таким образом, реализация предлагаемого устройства в виде двухпозиционного (разнесенного) нелинейного радиолокатора, состоящего из вынесенного передающего пункта и пункта управления и приема с введением в прототип дополнительных блоков с вышеописанными связями, обеспечивающих передачу и прием опорного напряжения и сигнала синхронизации с вынесенного передающего пункта на пункт управления и приема, позволило существенно увеличить дальность обнаружения РУВУ (от РУВУ до оператора), повысив тем самым безопасность обслуживающего персонала при решении задач разминирования.
Литература
1. Нелинейная радиолокация. Сборник статей. Часть 2. / Под. ред. А.А. Горбачева, А.П. Колданова, А.А. Потапова, Е.П. Чигина - А.А. Горбачев, Е.П. Чигин. Взаимодействие электромагнитных волн с нелинейными объектами. М.: Радиотехника, 2006, с.6-13.
2. В.Б. Штейншлегер. К теории рассеяния электромагнитных волн вибратором с нелинейным контактом. Радиотехника и электроника, 1978, т.23, №7, с.1329-1338.
3. А.А. Горбачев, СВ. Ларцов, СП. Тараканков, Е.П. Чигин Амплитудные характеристики нелинейных рассеивателей. Радиотехника и электроника, 1996, т.41, №5, с.558-562.
4. Г.Н. Щербаков. Применение нелинейной радиолокации для дистанционного обнаружения малоразмерных объектов. Специальная техника, 1999, №1, с.34-39.
5. Г.Н. Щербаков, А.В. Николаев, B.C. Лапшин, Р.И. Усманов, СА. Мухин. Применение нелинейной радиолокации для обнаружения террористических управляемых взрывных устройств. Специальная техника, 2010, №1, с.32-36.
6. А.В. Иванов, С.Н. Панычев, В. И. Поддужный, Н.Т. Хакимов. Параметрический метод обнаружения объектов с нелинейными рассеивателями. Известия вузов. Сер. Радиоэлектроника. 2003, №9-10. С.11-16.
7. А.А. Горбачев. Особенности зондирования электромагнитными волнами сред с нелинейными включениями. Нелинейная радиолокация. Сборник статей №2, Москва, Радиотехника, 2006.
8. Изделие NR-900EK. Руководство по эксплуатации. ЮТДН.468165.003 РЭ. http://www.analitika.info/public/files/instrukcia-nr-900ek.pdf.
9. Патент RU 2166769, опубликован 10.05.2001, G01S 13/02.
10. Патент RU 2251708, опубликован 10.05.2005, G01S 13/02.
11. Патент RU 2291462, опубликован 10.01.2007, G01S 13/04.
12. Патент RU 2382380, опубликован 20.02.2010, G01S 13/00.
13. Патент RU 2474839, опубликован 10.02.2013, G01S 13/02 (Прототип).
14. В.И. Есипенко, В.И. Ирхин, С.Н. Матюгин, А.А. Потапов, С.П. Тараканков, Е.П. Чигин. Уравнения дальности нелинейной сверхширокополосной и сверхкороткоимпульсной радиолокации. Нелинейный мир, №6, 2012.
15. Долуханов М.П. Распространение радиоволн // М.: Связь, 1972. - 336 с.
16. Приемопередающий модуль OmniTIK U-5HnD, характеристики http://www.technotrade.com.ua/Products/MikroTik_OmniTIK_U-5HnD.php