СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ПОИСКА, СОДЕРЖАЩИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ, В НЕЛИНЕЙНЫХ РАДИОЛОКАТОРАХ БЛИЖНЕГО ДЕЙСТВИЯ
METHOD AND DEVICE FOR DETECTING SEARCH OBJECTS COMPRISING METAL CONTACTS IN NONLINEAR SHORT-RANGE RADARS

Настоящее изобретение относится к области радиолокации, в частности, к радиолокационным станциям (РЛС) ближней радиолокации, в которые входят нелинейные радиолокаторы (НРЛ), осуществляющие поиск объектов, содержащих контактирующие металлические поверхности. Причем отражение от такого объекта поиска происходит на гармониках и комбинационных частотах зондирующего сигнала, возникающих при нелинейном преобразовании в контактирующих элементах, являющихся его составной частью.
Специфические условия поиска объектов, содержащих металлические контакты, заключаются, в первую очередь, в малых дальностях до них, от нескольких десятков метров и практически до нуля. Вследствие данных обстоятельств методы классической радиолокации в случае малых дальностей сталкиваются с рядом проблем их реализации, которые, например, обусловлены необходимостью обеспечения защиты входа приемника на момент излучения зондирующего сигнала. Эта проблема в нелинейной локации решается применением линейных фильтров на входе приемника, которые выделяют комбинационные частоты или гармоники (в зависимости от условий приема), возникающие при нелинейном преобразовании контактирующих металлических поверхностей, являющихся составной частью объекта поиска, и подавляют основную гармонику зондирующего сигнала.
Другой проблемой ближней локации является минимизирование влияния мощности, создаваемой передатчиком на человека, в соответствии с СанПиН2.2.4/2.1.8.055-96. В радиолокации дальнего действия особых требований на этот счет не предъявляется, т.к. обслуживающий персонал находится в специальном помещении, отведенном для него. В нелинейной локации, при условии обнаружения объектов, содержащих контактирующие металлические поверхности, в зоне работы НРЛ часто могут находиться сотрудники оперативного реагирования. Поэтому, с одной стороны, необходима мощность излучения, которой будет достаточно для получения устойчивого отклика от нелинейного объекта поиска, позволяющего его обнаружить, с другой стороны, ее выбор ограничен условиями СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96. Эта проблема решается выбором параметров зондирующего сигнала, а именно средней мощностью излучения, скважностью и дальнейшей обработкой отраженного сигнала от объекта поиска, позволяющей улучшить отношение сигнал/шум, которое необходимо для устойчивого обнаружения объектов поиска в местах скопления людей.
В импульсных линейных РЛС улучшение отношения сигнал/шум достигается интегрированием (накоплением) [1, стр. 41]. При интегрировании процесс обнаружения определяется суммарным воздействием группы импульсов. При этом сумма М сигналов, амплитуда каждого из которых равна единице, равна М, а сумма М выборочных значений шума, каждое из которых до сложения имело стандартное отклонение, равное единице, имеет стандартное отклонение, равное . Следовательно, улучшение отношения сигнал/шум по напряжению равно .
В линейной радиолокации для обнаружения объектов поиска, содержащих контактирующие металлические поверхности, широко применяется метод когерентного или некогерентного межпериодного (межтактового) накопления во временной области сигнала, отраженного от объекта поиска. Это реализация так называемого оптимального приема когерентной [2, стр. 215] или некогерентной [2, стр. 225] пачки импульсов. Оптимальный прием когерентной пачки импульсов реализуется по схеме: радиочастотный фильтр, согласованный с одиночным импульсом пачки - накопитель импульсов - амплитудный детектор - порог; оптимальный прием некогерентной пачки импульсов реализуется по схеме: радиочастотный фильтр, согласованный с одиночным импульсом пачки - амплитудный детектор - накопитель импульсов - порог. В обеих схемах радиочастотный фильтр, согласованный с одиночным импульсом пачки, реализуется путем согласования полосы пропускания с длительностью импульсов пачки [2, стр. 225]. Выбор когерентного или некогерентного накопления зависит от многих факторов: величины превышения полезного сигнала над шумом на входе схемы обработки; наличия мешающих отражений от близлежащих помех, превышающих полезный сигнал от объекта поиска; известна или неизвестна начальная фаза сигнала, отраженного от объекта поиска; числа импульсов в пачке и т.д. Известно [2, стр. 232], что при малом числе импульсов в пачке некогерентное накопление не хуже когерентного, а при большом числе импульсов продолжает заметно улучшать сквозную чувствительность радиолокационного обнаружителя.
В нелинейной локации ближнего действия применение когерентного или некогерентного межтактового накопления во временной области отраженного от объекта поиска сигнала не дает заявленного выигрыша в отношении сигнал/шум, как в линейной локации. Это объясняется процессами, протекающими между контактирующими металлическими поверхностями, являющимися начинкой объекта поиска.
В результате, не вся энергия зондирующего сигнала отражается от объекта поиска, часть проникает вовнутрь объекта и возбуждает нелинейный элемент (НЭ), и только оставшаяся часть энергии, преобразованная в соответствии с вольт-амперной характеристикой (ВАХ) НЭ, отражается от объекта поиска. В спектре отраженного сигнала появляются гармоники и комбинационные частоты.
Контакт металлических поверхностей, служащих начинкой объекта поиска, осуществляется обычно через тонкую пленку окисла, которую в большинстве случаев приближенно можно считать диэлектриком или высокоомным проводником. Данные показывают, что пленки, толщина которых не превышает трех слоев молекул кислорода, обладают достаточно высокой проводимостью благодаря туннельному эффекту. Именно наличие туннельного эффекта в тонких оксидных пленках у металлических контактов делает их нелинейными (НК). А объекты, содержащие такие контакты, могут быть обнаружены с помощью нелинейной радиолокации [3, стр. 100].
Таким образом, объект поиска, состоящий из множества металлических элементов, является переизлучающей СВЧ антенной благодаря туннельному эффекту. Зондирующий сигнал, падая на его поверхность, наводит токи, которые, проникая через нелинейные металлические контакты, формируют спектральные составляющие. Порядок спектральной составляющей определяется типом металлического контакта, материалом, площадью контактов. Отраженное поле этих токов регистрируется СВЧ-приемником НРЛ.
Потери в энергии отраженного поля, которые идут на возбуждение НЭ, частично компенсируются импульсным режимом работы генераторов НРЛ. Но этого недостаточно, чтобы межтактовое накопление отраженного сигнала во времени дало улучшение отношения сигнал/шум.
Известно, что улучшение отношения сигнал/шум достигается выбором зондирующего сигнала и внутритактовой обработкой отраженного сигнала (на основе коррелятора), с последующим межтактовым когерентным накоплением сигнала на его выходе. Но на применение корреляционной обработки накладывает ограничение выбор частоты дискретизации  сигнала: она дает эффект, когда существует несколько отсчетов дискретного сигнала по дальности, т.е. нет ограничений в производительности аналого-цифрового преобразователя (АЦП).
Для обработки на основе коррелятора наиболее подходят широкополосные зондирующие сигналы, у которых , где  - ширина спектра зондирующего сигнала,  - длительность зондирующего сигнала [4, стр. 132].
Существуют запатентованные аналоги, основанные на использовании широкополосных зондирующих сигналов в НРЛ [5, 6]. Их применение в НРЛ обусловлено, во-первых, спецификой объектов поиска, а именно обнаружением мин и радиоуправляемых взрывных устройств (РУВУ), которые содержат полупроводниковые элементы (диоды, транзисторы, микросхемы) и обладают избирательными свойствами в частотном диапазоне длин волн. Во-вторых, необходимостью измерения координат положения объектов поиска и увеличения дальности до них, что приводит к усложнению аппаратуры передачи и приема и усложнению алгоритмов обработки.
Поэтому использование вышеуказанных аналогов в случае обнаружения объектов, не содержащих РУВУ на малых дальностях без измерения координат, нецелесообразно.
При поиске объектов, содержащих контактирующие металлические поверхности, в качестве зондирующих сигналов достаточно использовать простые сигналы типа радиоимпульс.
Использование в качестве зондирующих сигналов суммы некоторого числа простых сигналов типа радиоимпульс (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 достаточно двух. Их увеличение не даст значительного выигрыша в характеристиках отраженного от объекта поиска сигнала, но при этом приведет к значительному усложнению, удорожанию устройства обнаружения и энергетическим затратам.
Существует запатентованный аналог использования двухчастотного способа обнаружения носимых осколочных взрывных устройств с регистрацией комбинационных частот второго и третьего порядка [7]. 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 осколочных взрывных устройств на фоне носимых помех от электронных компонентов.
В описании данного способа и реализующего его устройства нет подтверждения их эффективной работы, проверенной в реальных условиях, что является недостатком, а необходимость учета демаскирующих признаков и принятие решения на основе измерения отношения амплитуд комбинационных составляющих второго и третьего порядка только усложняет реализацию вышеописанного способа.
Обнаружить осколочные взрывные устройства (объекты, содержащие контактирующие металлические поверхности) можно более легким способом.
1
2
В случае ограничения в производительности АЦП и использования при поиске объектов, содержащих металлические контакты, простых зондирующих сигналов, а именно двух радиоимпульсов с различными несущими частотами ƒ и ƒ, обработку отраженного сигнала необходимо строить по другому принципу.
В качестве прототипа для предлагаемого изобретения выберем методы когерентного [2, стр. 215] и некогерентного [2, стр. 225] оптимального приема пачки импульсов. Недостаток прототипа состоит в том, что в нелинейной радиолокации ближнего действия применение указанных способов оптимального приема не дает заявленного выигрыша в отношении сигнал/шум из-за процессов, протекающих между контактирующими металлическими поверхностями. Это не позволяет увеличить дальность и повысить вероятность обнаружения объектов поиска, содержащих металлические контакты, в НРЛ ближнего действия.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение отношения сигнал/шум, а следовательно увеличение дальности и вероятности обнаружения объектов поиска, содержащих контактирующие металлические поверхности, с наименьшими энергетическими и финансовыми затратами и небольшой эффективной антенной системой для носимого прибора обнаружения, в НРЛ ближнего действия при использовании в качестве зондирующего сигнала простых сигналов типа радиоимпульс за счет организации обработки отраженного от объекта поиска сигнала в спектральной области в узкой полосе частот с помощью межтактового некогерентного или когерентного накопления спектра отраженного сигнала от объекта поиска.
В соответствии с типовой моделью реакция НЭ на входное воздействие U(t) с достаточной точностью аппроксимируется степенным полиномом - вольт-амперной характеристикой (ВАХ) НЭ [5, 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 (1) приводит к появлению в выходном сигнале НЭ гармоник и комбинационных частот от входного воздействия.
Какие гармоники или комбинационные частоты возникают, при воздействии на контур НЭ сигнала передатчика, зависит от типа НЭ и вида входного воздействия.
1
2
2
1
1
2
Так воздействие на контакт, обладающий нелинейными свойствами, суммы двух радиоимпульсов с различными несущими частотами ƒ и ƒ в соответствии с формулами приведения обогащает спектр отраженного от контакта колебания спектральными составляющими, первоначально отсутствующими во входном колебании, гармониками и комбинационными составляющими. Причем уровень комбинационных составляющих (второго и третьего порядка) значительно превышает уровень высших гармоник [8, стр. 330]. Вследствие данного факта нелинейные свойства контакта падают с ростом частоты, прием отраженного сигнала от объектов поиска, содержащих контактирующие металлические поверхности, ведется на комбинационных частотах с наименьшей частотой: ƒ-ƒ - второго порядка и 2⋅ƒ-ƒ - третьего порядка.
2
1
Значения несущих частот зондирующего сигнала выбираются из следующих факторов: эти значения должны быть высокие из заданного частотного диапазона, что позволит получить более узкую диаграмму направленности при одинаковых размерах антенны и, следовательно, приведет к увеличению коэффициента усиления антенной системы; частоты принимаемых колебаний (комбинационные частоты) должны быть отстроены от наиболее используемых частотных диапазонов, таких как сотовая связь, эфирное телевизионное вещание, это позволит исключить влияние паразитных составляющих при приеме отраженных сигналов; наличие элементной базы и т.д. Причем при выборе значений несущих частот должно выполняться следующее условие: ƒ>ƒ, , следовательно .
На фиг. 1 и 2 показаны, соответственно, спектр входного воздействия на объект поиска, содержащий металлический контакт, и спектр отклика на комбинационных составляющих, на которых осуществляется прием.
Из фиг. 1 и 2 следует, что, зная несущие частоты входного воздействия на объект поиска, содержащий металлические контакты, прием отраженного сигнала можно построить на известных комбинационных составляющих, причем решение о наличии или отсутствии сигнала, отраженного от объекта поиска, принимать по наличию или отсутствию ожидаемой спектральной составляющей.
В реальных условиях в пределах рабочей полосы приемника, как правило, работает значительное число радиоэлектронных средств (РЭС), излучающих каждое в своей узкой полосе частот. В результате спектр приемного сигнала содержит большое количество мешающих составляющих. Исключить их влияние можно, уменьшив полосу принимаемого сигнала до ожидаемого значения на разностных комбинационных частотах второго или третьего порядка, применив полосовую фильтрацию на соответствующую комбинационную частоту на входе приемника. Дальнейшее некогерентное или когерентное накопление за N тактов спектра принимаемого сигнала в узкой полосе частот и порог позволят выделить ожидаемую спектральную составляющую и принять решение о наличии или отсутствии сигнала, отраженного от объекта поиска. Выбор когерентного или некогерентного накопления определяется помеховой обстановкой и задается вручную оператором подачей управляющего напряжения на детектор в соответствии со структурной схемой.
Таким образом, алгоритм обработки в спектральной области сигнала, отраженного от объекта поиска, содержащего металлические контакты, при условии воздействия на него суммы двух радиосигналов с разными несущими частотами, запишем согласно формуле (2):
где  - накопленный спектр отраженного сигнала от объекта поиска за N тактов;
N - число суммирований по тактам;
- спектр отраженного сигнала от объекта поиска .
При превышении уровня ожидаемой спектральной составляющей (2-го или 3-го порядка) над порогом выдается решение о наличии или отсутствии отражения от объекта поиска. Значение порога в спектральной области выбирается из допустимого соотношения вероятность правильного обнаружения/уровень ложных тревог, т.е. от отношения сигнал/шум, по известным характеристикам обнаружения приемника для сигнала со случайной начальной фазой [4, стр. 162].
Структурная схема устройства обнаружения объектов поиска, содержащих металлические контакты, в НРЛ ближнего действия показана на фиг. 3, где обозначено:
1 - первый передатчик с передающей антенной,
2 - второй передатчик с передающей антенной,
3 - первый приемник с приемной антенной,
1
4 - первый полосовой фильтр (ПФ),
1
5 - первый АЦП (АЦП),
6 - первый преобразователь в спектральную область,
7 - первый детектор,
8 - первый накопитель,
9 - второй приемник с приемной антенной,
2
10 - второй полосовой фильтр (ПФ),
2
11 - второй АЦП (АЦП),
12 - второй преобразователь в спектральную область,
13 - второй детектор,
14 - второй накопитель;
15 - межканальный накопитель с пороговым устройством (Н+ПУ).
1
1
2
2
Как видно из фиг. 3 предлагаемое устройство обнаружения объектов поиска содержит два передатчика с двумя передающими антеннами и два приемных канала. Один передатчик формирует радиоимпульс с одной несущей частотой, другой передатчик формирует радиоимпульс с другой несущей частотой. Один приемный канал соответствует обнаружению объектов поиска при нелинейном преобразовании второго порядка в нем с последовательно соединенными первым приемником с приемной антенной 3, составной частью которого является ПФ 4, АЦП 5, первым преобразователем в спектральную область 6, первым детектором 7, первым накопителем 8. Другой приемный канал соответствует обнаружению объектов поиска при нелинейном преобразовании третьего порядка в нем с последовательно соединенными вторым приемником с приемной антенной 9, составной частью которого является ПФ 10, АЦП 11, вторым преобразователем в спектральную область 12, вторым детектором 13, вторым накопителем 14. Выходы накопителей 8 и 14 двух каналов соединены, соответственно, с первым и вторым входами межканального накопителя с пороговым устройством (Н+ПУ) 15.
Передатчик 1 формирует первый зондирующий сигнал типа радиоимпульс с одной несущей частотой, передатчик 2 формирует второй зондирующий сигнал типа радиоимпульс с другой несущей частотой. Два сформированных зондирующих сигнала излучаются в пространство передающими антеннами, где происходит их сложение. Результатом взаимодействия такого сигнала с объектом поиска, содержащим контактирующие металлические поверхности, является появление в отраженном сигнале набора гармоник и комбинационных составляющих, соответствующих нелинейному преобразованию второго и третьего порядка в объекте поиска.
Отраженный от объекта поиска сигнал, принимается двумя приемными антеннами и обрабатывается в двух приемных каналах.
1
2
1
1
упр
упр
В первом канале приема, соответствующем обнаружению объектов поиска при нелинейном преобразовании второго порядка в нем, отраженный сигнал от объекта поиска поступает в первый приемник 3. В ПФ 4 выделяется сигнал с разностной комбинационной частотой второго порядка ƒ-ƒ, возникающей при контакте металлических поверхностей, являющихся составной частью объекта поиска. Далее сигнал на комбинационной частоте второго порядка поступает в АЦП 5, в котором осуществляется его дискретизация, потом на блок 6, выполняющий операцию быстрого преобразования Фурье, на выходе которого получается спектр сигнала. Подача управляющего сигнала U=1 на детектор 7 делает дальнейшую обработку в спектральной области некогерентной, которая заключается в некогерентном накоплении спектра сигнала за N тактов в накопителе 8. Подача управляющего сигнала U=0 на детектор 7 выключает детектор и делает дальнейшую обработку в спектральной области когерентной, которая заключается в когерентном накоплении спектра сигнала за N тактов в накопителе 8.
2
1
2
2
упр
упр
Во втором приемном канале, соответствующем обнаружению объектов поиска при нелинейном преобразовании третьего порядка в нем, отраженный сигнал от объекта поиска поступает во второй приемник 9. В ПФ 10 выделяется сигнал с разностной комбинационной частотой третьего порядка 2⋅ƒ-ƒ, возникающей при контакте металлических поверхностей, являющихся составной частью объекта поиска. Далее сигнал на комбинационной частоте третьего порядка поступает в АЦП 11, в котором осуществляется его дискретизация, потом на блок 12, выполняющий операцию быстрого преобразования Фурье, на выходе которого получается спектр сигнала. Подача управляющего сигнала U=1 на детектор 13 делает дальнейшую обработку в спектральной области некогерентной, которая заключается в некогерентном накоплении спектра сигнала за N тактов в накопителе 14. Подача управляющего сигнала U=0 на детектор 13 выключает детектор и делает дальнейшую обработку в спектральной области когерентной, которая заключается в когерентном накоплении спектра сигнала за N тактов в накопителе 14.
упр
Управляющий сигнал U на оба канала подается одинаковый.
Выходы накопителей 8 и 14 объединяются блоком (Н+ПУ) 15, в котором оценивается уровень комбинационных искажений зондирующих сигналов и принимается решение о наличии цели.
В случае отражения зондирующего сигнала от объекта поиска, содержащего контакты металлических поверхностей, на выходе накопителей 8 или 14 будет происходить накопление разностных комбинационных составляющих второго или третьего порядка, соответственно. На выходе блока (Н+ПУ) 15 произойдет объединение результатов двух каналов и будет зафиксировано превышение порога. Произойдет обнаружение объекта поиска, содержащего контакты металлических поверхностей.
1
2
Работа устройства обнаружения объектов поиска, которые содержат металлические контакты, была проверена в реальных условиях. Для этого объект поиска, находящийся на дальностях 2 метра и 15 метров, содержащий контакты металлических поверхностей, облучался двумя радиосигналами с несущими частотами ƒ и ƒ. Накопление отраженного сигнала при обработке было некогерентное.
На фиг. 4 показан некогерентно накопленный спектр отраженного сигнала без объекта поиска, на фиг. 5 и 6 - некогерентно накопленный спектр отраженного сигнала от объекта поиска, находящегося на дальностях 2 метра и 15 метров, соответственно.
Как видно из фиг. 5 и 6, в спектральной области, в месте расположения ожидаемой комбинационной частоты, появляется гармоническая составляющая. Причем ее уровень меняется в зависимости от дальности до объекта поиска и значительно превышает уровень составляющей без объекта поиска фиг. 4.
Данный факт говорит о том, что можно установить порог в спектральной области, позволяющий обнаружить объект поиска, содержащий контакт металлических поверхностей.
Таким образом, организация обработки сигнала, отраженного от объекта поиска, содержащего металлические контакты, в спектральной области в узкой полосе частот с помощью когерентного или некогерентного межтактового накопления его спектра с предварительной установкой порога, вычисляемого по помеховой обстановке без объекта поиска, позволяет увеличить отношение сигнал/шум, а следовательно увеличить дальность и вероятность обнаружения объектов поиска, содержащих контактирующие металлические поверхности, с наименьшими энергетическими и финансовыми затратами и небольшой эффективной антенной системой для носимого прибора обнаружения, в НРЛ ближнего действия при использовании в качестве зондирующих сигналов простых сигналов типа радиоимпульс.
Литература
1. «Справочник по радиолокации», том 1, под ред. М. Сколника. М., «Советское радио», 1976 г.
2. М.И. Финкельштейн. «Основы радиолокации». М., «Советское радио», 1973 г.
3. Р. Хольм «Электрические контакты». М.Ж. ИЛ, 1961.
4. Я.Д. Ширман. «Теоретические основы радиолокации». М., «Советское радио», 1970 г.
5. Патент РФ №139761. «Устройство нелинейной радиолокации», опубл.: 20.04.2014, авторы В.И. Ирхин, С.Н. Матюгин, М.Г. Блайвас.
6. Патент РФ №2474839. «Способ и устройство нелинейной радиолокации», опубл.: 10.02.2013, авторы В.И. Ирхин, С.Н. Матюгин.
7. Патент RU №2540726. «Способ и устройство обнаружения носимых осколочных взрывных устройств», опубл. 10.02.2015, авторы Г.Н. Щербаков, М.А. Анцелевич, А.Г. Прохоркин, А.С. Веревкин.
8. И.С. Гоноровский. «Радиотехнические цепи и сигналы». М., «Советское радио», 1971 г.