СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ НЕПОДВИЖНЫХ МАЛОРАЗМЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ ИСКУССТВЕННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
METHOD AND DEVICE FOR DETECTION OF SMALL OBJECTS OF ARTIFICIAL ORIGIN

Изобретение относится к области нелинейной радиолокации и может быть использовано при разработке нелинейных радиолокаторов (HPЛ) ближнего действия, осуществляющих дистанционное обнаружение на дальностях порядка сотен метров объектов искусственного происхождения, к которым относятся объекты военного назначения, а именно, современные танки, БМП, артиллерийские установки и другая военная и специальная техника, имеющая в своем составе нелинейные элементы (наружное оборудование с радио и электронными устройствами, точечными прижимными контактами, обладающие нелинейными электромагнитными свойствами). Также изобретение может быть использовано для наведения оружия (противотанковых управляемых ракет, управляемых ракет класса «земля-земля», специальных боеприпасов и т.п.) на такие неподвижные малоразмерные объекты военного назначения с малой величиной эффективной площади рассеяния (ЭПР), в том числе и находящихся на закрытых огневых позициях, в условиях сильных фоновых радиоотражений.
В линейной ближней радиолокации для обнаружения танков, БМП, артиллерийских установок и другой военной и специальной техники широко применяется способ, основанный на эффекте Доплера, вызванный движением малоразмерного объекта военного назначения. Обнаружение осуществляется за счет регистрации собственного движения объектов на марше или за счет «засечки» полета траекторий снарядов и боеприпасов, выпущенных ими [1]. Использованию других способов радиолокационного обнаружения препятствуют отражения радиоволны от подстилающей поверхности.
Для дистанционного обнаружения наземных неподвижных объектов, в том числе укрытых с применением табельных и подручных средств маскировки, данный способ обнаружения не подходит, т.к. во-первых, будет отсутствовать эффект Доплера, во-вторых, дальность обнаружения объектов во многом будет зависеть от наличия на объекте радиопоглощающих покрытий, а также высоты объекта над уровнем земли и высоты подъема антенны средства обнаружения (последнее, как известно, также снижает заметность самого средства обнаружения).
Известны также акустические, тепловизионные способы обнаружения объектов военного назначения.
Недостатками данных способов обнаружения являются их низкая имитостойкость к имитаторам целей, отсутствие возможности обнаружения объекта при условии одинакового контраста между объектом и фоном (землей), кроме того сложные метео и искусственные условия (снег, дождь, применение специальных аэрозолей) приводят к снижению их эффективности.
Поэтому, задача обнаружения неподвижных малоразмерных объектов искусственного происхождения, в том числе и малоразмерных объектов военного назначения, независимо от их функционального состояния, условий окружающей среды и радиолокационного фона остается весьма актуальной, но ее можно решить с помощью нелинейной радиолокации.
Наличие в составе малоразмерных объектов искусственного происхождения, в том числе и малоразмерных объектов военного назначения, наружного оборудования с радио и электронными устройствами, точечных прижимных контактов, обладающих нелинейными электромагнитными свойствами, позволяет применить для их обнаружения HPЛ, т.к. отражение от таких объектов поиска происходит не только на основной частоте зондирующего сигнала (ЗС), но и на его гармониках и комбинационных составляющих, возникающих при нелинейном преобразовании в элементах, являющихся их составной частью - нелинейных элементах (НЭ). Какие гармоники и комбинационные составляющие появляются в спектре отраженного от объекта поиска сигнала, зависит от вольт-амперной характеристики (ВАХ) НЭ и типа ЗС. Так, согласно [2], отражение от объектов поиска, в состав которых входят радио и электронные устройства, происходит на спектральных составляющих второго порядка из-за квадратичного характера их ВАХ; если же в состав объектов поиска входят прижимные контакты (контактирующие металлические поверхности), то отражение от них происходит на спектральных составляющих третьего порядка из-за кубичного характера их ВАХ.
Для эффективного обнаружения объектов поиска, содержащих НЭ, особенно находящихся в условиях сильных фоновых радиоотражений, в условиях сложной окружающей среды, необходимо добиться максимального выигрыша в характеристиках отраженного от объекта поиска сигнала (значениях отклика на той или иной спектральной составляющей, фазовых и поляризационных характеристиках т.д.), и правильного выбора того или иного нелинейного эффекта для использования его в поисковой системе, которые определяются типом обнаруживаемых объектов, ожидаемыми условиями их установки, необходимыми дальностью и скоростью поиска и т.д.
Отражательная способность любого объекта поиска характеризуется эффективной площадью рассеяния (ЭПР). В частности, для объектов, содержащих НЭ, величина нелинейной ЭПР (НЭПР) зависит от их вида ВАХ и вольткулонных характеристик и частотных свойств, размеров и ориентации в пространстве по отношению к передающей и приемной антеннам, материалов из которых они изготовлены, длины волны ЗС и т.д.
Следовательно, и положение максимума диаграммы обратного рассеяния (ДОР) (зависимость НЭПР от угла отражения) сильно зависит от многих факторов. В работе [3], были сделаны теоретические выводы, которые подтверждены экспериментально, что форма ДОР нелинейных малоразмерных объектов определяется отношением их размера к длине волны зондирующего и отраженного сигнала, т.е. несущей частотой ЗС и номером используемой гармоники, и может иметь изрезанный характер и несколько максимумов. Это создает предпосылки к управлению формой ДОР нелинейных малоразмерных объектов при их поиске за счет плавной перестройки несущей частоты и одновременного приема нескольких гармоник, причем в качестве ЗС необходимо использовать непрерывный сигнал или периодическую последовательность гармонических колебаний с высокой скважностью. Данное обстоятельство позволит согласовать пространственное положение одного из максимумов ДОР и антенны приемного канала НРЛ, и тем самым увеличить отраженный сигнал от объекта поиска, а следовательно, увеличить контрастность, дальность обнаружения и захвата цели.
В нелинейной радиолокации широкое применение нашли многочастотные ЗС, несколько ЗС на разных несущих частотах (в частности на двух), что позволяет получить в спектре отраженного сигнала не только гармоники, но и комбинационные составляющие. Дальнейшие совместный прием и обработка отраженного сигнала на гармониках и комбинационных составляющих повысят эффективность обнаружения объектов поиска с нелинейными свойствами.
1
2
1
2
В качестве прототипа выбрано изобретение [4]. Способ и устройство, описанные в нем, основаны на использовании как минимум двух ЗС на разных несущих частотах ƒ и ƒ, а прием отраженного сигнала осуществляется как минимум на одной из комбинационных составляющих nƒ + m ƒ, где пит любое целое число, не равное нулю. Причем можно использовать различные варианты исполнения изобретения в части числа ЗС (не менее двух) и числа приемных каналов (как минимум одного). Передача ЗС осуществляется синхронно. В качестве ЗС используются простые короткие гармонические сигналы длительностью 1÷100 нсек. Приемопередающие антенные системы крепятся на одном основании и могут работать как стационарно, облучая определенную область пространства, так и в сканирующем режиме, что позволяет определять местоположение объекта поиска, в частности азимут. Причем приемопередающие антенные системы экранированы друг от друга, чтобы предотвратить попадание паразитных составляющих между ними. В общем, это универсальное устройство определения местоположения одиночных объектов поиска.
Недостатком данного изобретения является низкая вероятность обнаружения малоразмерных объектов поиска (такие объекты поиска обладают малой НЭПР) при условии одинакового контраста между объектом и фоном, условий окружающей среды, которые вносят затухание в отраженный сигнал от объекта поиска и неразличимость его с отраженным сигналом от фона.
1
2
1
2
1
1
2
1
2
1
2
1
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение вероятности обнаружения неподвижных малоразмерных объектов искусственного происхождения, в том числе и малоразмерных объектов военного назначения, независимо от их функционального состояния, условий окружающей среды и радиолокационного фона за счет использования двухчастотного способа зондирования периодической последовательностью гармонических колебаний с высокой скважностью (не менее 10) на двух разных несущих частотах ƒ и ƒ, причем ƒ<ƒ<2ƒ, с одновременной регистрацией комбинационных составляющих второго (ƒ+ƒ) и третьего (2ƒ-ƒ) порядка и вторых гармоник 2ƒ и 2ƒ каждого из ЗС. При этом несущая частота ƒ первого ЗС остается постоянной, а несущая частота  второго ЗС медленно перестраивается со скоростью порядка 10 Гц/сек.
Из теории нелинейной радиолокации известно [3], что наведенные токи на НЭ объекта поиска напрямую зависят от амплитудных, фазовых и частотных характеристик ЗС. Сопоставление теоретических и экспериментальных результатов показывает, что медленное изменение частоты (со скоростью перестройки порядка 10 Гц/сек) приводит к изменению ДОР, а именно к изменению положения в пространстве ее максимумов и минимумов, появляются резонансные всплески, а также увеличивается сектор обнаружения. Наблюдаемый эффект объясняется изменением фазы тока, наведенного ЗС с медленно изменяющейся несущей частотой на НЭ объекта поиска. Таким образом, плавная перестройка несущей частоты ЗС обеспечит управление ДОР и создание таких условий, при которых положение максимума ДОР сосредоточивается в направлении антенны приемного канала НРЛ на гармонике или комбинационной составляющей. Также, согласно проведенным экспериментам [3], плавная перестройка несущей частоты ЗС является весьма эффективным методом, обеспечивающим улучшение условий проникновения сверхвысокочастотных сигналов в экранированные корпуса радиоэлектронных устройств через их антенный вход. Использование в качестве ЗС периодической последовательности гармонических колебаний позволит применить на выходе обработки накопитель с пороговым устройством, что дополнительно улучшит отношение сигнал/шум на выходе приемного канала. Данные обстоятельства позволяют получить максимальный отклик от объекта поиска с нелинейными свойствами на гармонике или комбинационной составляющей и повысить дальность и вероятность обнаружения объекта поиска.
1
2
1
2
1
2
Основными нелинейными элементами малоразмерных объектов поиска являются полупроводниковые радиодетали их электронных устройств, а также точечные прижимные металлические контакты элементов конструкции, которые, согласно их ВАХ при двухчастотном способе зондирования, имеют максимальный отклик на вторых гармониках 2ƒи 2ƒ каждого из ЗС, на суммарной комбинационной составляющей второго порядка ƒ+ƒ и разностной комбинационной составляющей третьего порядка 2ƒ-ƒ. Поэтому одновременный прием отраженного сигнала на этих частотах позволит дополнительно повысить вероятность обнаружения таких объектов поиска на фоне окружающей обстановки.
Одновременный прием отраженного сигнала на нескольких составляющих (вторых гармониках, суммарной комбинационной составляющей второго порядка и разностной комбинационной составляющей третьего порядка) с применением на выходе обработки накопителя с пороговым устройством, обеспечат обнаружение любых неподвижных малоразмерных объектов искусственного происхождения вне зависимости от их нелинейного элемента по превышению накопленного сигнала над порогом в любом из приемных каналах.
Структурная схема заявленного устройства обнаружения показана на фигуре, где обозначено:
1 - нелинейный объект поиска,
1
2 - первое передающее устройство постоянной несущей частоты ƒ,
3 - второе передающее устройство перестраиваемой несущей частоты
4 - приемный канал комбинационной составляющей
5 - приемный канал комбинационной составляющей
1
6 - приемный канал гармоники второго порядка первого ЗС 2ƒ,
7 - приемный канал гармоники второго порядка второго ЗС
8 - синхронизатор.
Как видно из фигуры, предлагаемое устройство обнаружения содержит два передающих устройства, четыре приемных канала и синхронизатор, связанный первым выходом с передающими устройствами, вторым - с приемными каналами и третьим - со вторым входом второго передающего устройства.
1
Передающее устройство 2 формирует периодическую последовательность гармонических колебаний на несущей частоте ƒПередающее устройство 3 формирует периодическую последовательность гармонических колебаний с медленной (плавной) перестройкой несущей частоты  Плавная перестройка несущей частоты может осуществляться по любому из линейный законов либо генератором линейного изменения напряжения в задающем генераторе передающего устройства 3, либо по сигналу от цифрового синтезатора частоты, который может быть введен в состав синхронизатора 8, при условии, что скорость перестройки будет составлять порядка 10 Гц/сек.
Приемный канал 4 принимает отраженный сигнал от нелинейного объекта поиска на разностной комбинационной составляющей третьего порядка
Приемный канал 5 принимает отраженный сигнал от нелинейного объекта поиска на суммарной комбинационной составляющей второго порядка
1
Приемный канал 6 принимает отраженный сигнал от нелинейного объекта поиска на второй гармонике первого ЗС 2⋅ƒ.
Приемный канал 7 принимает отраженный сигнал от нелинейного объекта поиска на второй гармонике второго ЗС
Синхронизатор 8 обеспечивает согласованную работу всех передающих и приемных устройств во времени и управление перестройкой несущей частоты передающего устройства 3.
Синхронизатор 8 формирует импульсы для запуска передающих устройств 2 и 3. Два сформированных зондирующих сигнала передающим устройством 2 и передающим устройством 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 приемные каналы 4…7 согласно преобразованию в объекте поиска. За счет плавной перестройки несущей частоты передающего устройства 3 обеспечивается увеличение отклика от объекта поиска с нелинейными свойствами на гармонике или комбинационной составляющей на входе приемных каналов 4, 5, 7, т.к. при этом положение максимума ДОР объекта поиска сосредоточивается в направлении антенны соответствующего приемного канала НРЛ на гармонике или комбинационной составляющей. Составной частью каждого приемного канала является накопитель с пороговым устройством, который позволяет увеличить отношение сигнал/шум на его выходе. Как и в прототипе, обнаружение объекта поиска происходит при превышении сигнала над порогом в любом из приемных каналов. За счет увеличения чувствительности приемников комбинационных частот на 20-25дБ [2, 5], собственные гармоники передающих устройств 2 и 3 не проникают во входные устройства приемных каналов. Это дополнительно позволяет увеличить дальность обнаружения объектов поиска, которая определяется известным в радиолокации способом и составляет порядка сотен метров.
Приемопередающие антенные системы крепятся на одном основании и могут работать как стационарно, облучая определенную область пространства, так и в сканирующем режиме, что позволяет определять азимут объекта поиска. Приемопередающие антенные системы экранированы друг от друга, что предотвращает попадание паразитных составляющих между ними.
Таким образом, применение в двухчастотном нелинейном локаторе плавной перестройки одной из несущих частот ЗС и организация одновременного приема отраженного сигнала от объекта поиска на комбинационных составляющих второго  и третьего  порядка и вторых гармониках частоты каждого из ЗС с последующим накоплением, позволяет увеличить отраженный сигнал от объекта поиска, а следовательно, повысить саму вероятность обнаружения неподвижных малоразмерных объектов искусственного происхождения, в том числе и малоразмерных объектов военного назначения, независимо от их функционального состояния, условий окружающей среды и радиолокационного фона, а также увеличить контрастность, дальность обнаружения и захвата цели.
Литература
1. Средства разведки, обнаружения стрельбы и управления оружием. Учебник М: OA ВС РФ, 2008. - 236 с.
2. Щербаков Г.Н. Обнаружение скрытых объектов - для гуманитарного разминирования, криминалистики, археологии, строительства и борьбы с терроризмом. М: «Арбат-информ», 2004. - 304 с.
3. Щербаков Г.Н., Анцелевич М.А. Новые методы обнаружения скрытых объектов. М, 2011.
4. Изобретение US 20090009380 м, кл. G01S 13/00 08.01.2009.
5. Николаев А.В. Использование электромагнитного спектра при нелинейно-параметрической локации рукотворных объектов полупроводящих средах. // Специальная техника, №1, 2011 г.