ОБНАРУЖИТЕЛЬ ОБЪЕКТОВ, СОДЕРЖАЩИХ НЕЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
DETECTOR FOR DETECTING OBJECTS WITH NONLINEAR ELEMENTS

Изобретение относится к поисковым устройствам, которые обнаруживают объект на основе приема сигналов, появляющихся в результате вторичного переизлучения с изменением спектра зондирующего сигнала.
Известен по [Горбачев А.А., Особенности зондирования электромагнитными волнами сред с нелинейными включениями // Радиотехника и электроника, 1996, N2, стр. 16-18] обнаружитель объектов, содержащих нелинейные рассеиватели.
Обнаружитель объектов, содержащих нелинейные рассеиватели, состоящий из генератора зондирующего сигнала, сигнальный выход которого присоединен к входу полосового фильтра на частоту f, а выход полосового фильтра на частоту f присоединен к излучающей антенне, кроме того, в состав обнаружителя объектов, содержащих нелинейные рассеиватели, включена приемная антенна, выход которой через второй полосовой фильтр на частоту 2f или 3f присоединен к входу приемника.
Работа обнаружителя объектов, содержащих нелинейные рассеиватели, заключается в том, что в направлении предполагаемого расположения объекта, содержащего нелинейные рассеиватели, излучается зондирующий сигнал на частоте f и принимается сигнал обратного рассеяния на частоте 2f или 3f, при обнаружении которого принимается решение о наличии в зоне обнаружения объекта, содержащего нелинейные рассеиватели.
Функционирование обнаружителя объектов, содержащих нелинейные рассеиватели, основано на использовании эффекта нелинейного рассеяния радиоволн. В соответствии с указанным эффектом на нелинейном элементе, входящем в состав нелинейного рассеивателя, наводится ЭДС зондирующего сигнала. Эта ЭДС вызывает протекающий через нелинейный элемент ток зондирующего сигнала, который искажается из-за нелинейности вида вольт-амперной характеристики нелинейного элемента, при этом его спектр обогащается спектральными компонентами на частотах гармоник зондирующего сигнала. При этом токи на частотах 2-й и 3-й гармоник самые большие. Эти токи формируют на нелинейном элементе ЭДС на частоте гармоник, которая является причиной появления в сигнале обратного рассеяния спектральных компонент на частотах гармоник зондирующего сигнала.
Недостатком устройства-аналога является то, что нелинейные рассеиватели, входящие в состав объекта обнаружения, должны обладать определенными частотными свойствами, а именно обеспечивать хорошее преобразование тока, протекающего через нелинейный элемент с электромагнитной волной как на частоте зондирующего сигнала, так и на частоте второй или третьей гармоники зондирующего сигнала. Указанную эквидистантность спектра достаточно трудно обеспечить даже в специальных устройствах, а ожидать, что она будет обеспечена априори, маловероятно.
1
2
1
2
Частично указанный недостаток преодолен в устройстве обнаружения объектов, содержащих нелинейные элементы, известном по [Кузнецов А.С., Кутин Г.И. Методы исследования эффекта нелинейного рассеяния радиоволн // Зарубежная электроника, 1985, №4, стр.32-36]. Это устройство выбрано в качестве прототипа и включает последовательно включенные первый генератор зондирующею сигнала, первый полосовой фильтр зондирующего сигнала на частоту f и первый излучатель, кроме того, в состав обнаружителя объектов, содержащих нелинейные элементы, входят последовательно включенные второй генератор зондирующего сигнала, второй полосовой фильтр зондирующего сигнала на частоту f и второй излучатель, в состав обнаружителя объектов, содержащих нелинейные элементы, также входят последовательно включенные приемная антенна, третий полосовой фильтр с полосой протекания, настроенной на частоту одной из комбинационных составляющих, образующихся при нелинейном взаимодействии зондирующего сигнала с частотой f и зондирующего сигнала с частотой f, и приемник.
1
2
Работа обнаружителя объектов, содержащих нелинейные элементы, заключается в том, что в направлении предполагаемого расположения объекта, содержащего нелинейный элемент, излучается двухчастотный зондирующий сигнал, спектр которого содержит спектральные составляющие, сосредоточенные возле частот f и f, и принимается сигнал обратного рассеяния, при этом при обнаружении отличий в спектральном составе сигнала обратного рассеяния от спектрального состава зондирующего сигнала, принимается решение о наличии в зоне обнаружения объекта, содержащего нелинейный элемент.
Функционирование обнаружителя объектов, содержащих нелинейные элементы, также основано на использовании эффекта нелинейного рассеяния радиоволн. При этом дополнительные спектральные составляющие появляются также в результате нелинейного искажения протекающего по нелинейному элементу тока, наведенного зондирующим сигналом. В данном случае полезным рассеянным сигналом являются интермодуляционные комбинационные составляющие второго или третьего порядка. Что снимает требование эквидистантности на полосы пропускания объектов поиска.
Недостатком прототипа является то, что возникают существенные проблемы при попытке обнаружения объектов, имеющих только одну полосу пропускания. Такими объектами могут быть, например, элементы активной антенной решетки, передатчики и приемники.
1
2
1
2
2
1
1
2
В [Ларцов С.В. О нелинейном рассеянии при использовании многочастотного и одночастотного зондирующих сигналов // Радиотехника и электроника, 2001, Т.46, №7, С.833-838] предложено использовать указанный обнаружитель для обнаружения узкополосных нелинейных объектов. Для этого предложено использовать двухчастотный зондирующий сигнал с близкими частотами f≈f, а в качестве принимаемого сигнала - нелинейный продукт третьего порядка с частотой 2f-f или 2f-f, которые близки к частотам f и f. Такой вариант зондирования позволяет решить проблему зондирования нелинейных объектов с узкой частотной полосой, однако возникает две технические проблемы из-за того, что частотные полосы первого, второго и третьего полосовых фильтров перекрываются: 1) генераторы зондирующего сигнала становятся источниками помех на частотах полезных сигналов; 2) входные цепи приемника, являясь нелинейным элементом, также становятся источниками помех на частоте принимаемого сигнала, кроме того, входные цепи приемника подвержены помехам из-за эффекта блокирования.
Ставится задача более эффективного поиска объектов, содержащих нелинейные элементы.
Технический результат - обеспечение возможности обнаружения объектов, содержащих нелинейные элементы, которые могут содержать в своем составе узкополосные нелинейные объекты.
1
2
1
2
2
2
Этот технический результат достигается за счет того, что предлагается новое техническое решение в виде обнаружителя объектов, содержащих нелинейные элементы, который включает последовательно включенные первый генератор зондирующего сигнала, первый полосовой фильтр зондирующего сигнала на частоту f и первый излучатель, кроме того, в состав обнаружителя объектов, содержащих нелинейные элементы, входят последовательно включенные второй генератор зондирующего сигнала, второй полосовой фильтр зондирующего сигнала на частоту f и второй излучатель, в состав обнаружителя объектов, содержащих нелинейные элементы, также входят последовательно включенные приемная антенна, третий полосовой фильтр с полосой пропускания, настроенной на частоту одной из комбинационных составляющих третьего порядка, образованной зондирующим сигналом с частотой f и зондирующим сигналом с частотой f, и приемник, при этом дополнительно между выходом первого полосового фильтра зондирующего сигнала и входом первого излучателя включен первый ферритовый вентиль, кроме того, между выходом второго полосового фильтра зондирующего сигнала и входом второго излучателя включен второй ферритовый вентиль, кроме того, в состав обнаружителя объектов, содержащих нелинейные элементы, включен компенсатор второго зондирующего сигнала на входе приемника, состоящий из последовательно включенных первого направленного ответвителя, переменного аттенюатора, переменного фазовращателя и второго направленного ответвителя, при этом первый направленный ответвитель включен между вторым генератором зондирующего сигнала и вторым полосовым фильтром зондирующего сигнала на частоту f так, что вход первого направленного осветителя соединен с выходом второго генератора зондирующего сигнала, первый выход первого направленного ответвителя соединен со входом второго полосового фильтра зондирующего сигнала на частоту f, второй выход первого направленного ответвителя соединен с входом переменного аттенюатора, а второй направленный ответвитель включен между третьим полосовым фильтром и приемником так, что первый вход второго направленного ответвителя соединен с выходом переменного фазовращателя, второй вход второго направленного ответвителя соединен с выходом третьего полосового фильтра, а выход второго направленного ответвителя соединен с входом приемника.
1
2
2
1
Суть изобретения заключается в том, что устраняются источники помех, мешающих реализации метода зондирования, предложенного в [Ларцов С.В. О нелинейном рассеянии при использовании многочастотного и одночастотного зондирующих сигналов // Радиотехника и электроника, 2001, Т.46, №7, С.833-838], а именно в конструкции излучающих антенн вводятся ферритовые вентили, которые не позволяют второму зондирующему сигналу поступать на вход генератора первого зондирующего сигнала и наоборот - первому зондирующему сигналу поступать на вход генератора второго зондирующего сигнала. В результате выходные каскады генераторов зондирующего сигнала перестают быть источниками комбинационных помех на частотах 2f-f и 2f-f. Для устранения появления тех же помех на входных цепях приемника предлагается ввести в конструкцию компенсатор второго зондирующего сигнала на входе приемника. Для этого часть мощности второго зондирующего сигнала отбирается при помощи первого направленного ответвителя и подается на вход приемника. На вход приемника уже поступает сигнал на частоте второго зондирующего сигнала, появляющийся в результате переотражений от окружающих предметов. Этот сигнал компенсируется противофазным и равным по амплитуде сигналом, поступающим от компенсатора. Амплитуда и фаза компенсирующего сигнала подбираются при помощи переменного аттенюатора и переменного фазовращателя.
2
1
1
2
Кроме того, устранение второго зондирующего сигнала на входе приемника позволяет реализовать еще один новый режим обнаружения объектов, содержащих нелинейные элементы, который основан на использовании эффекта блокирования. В данном случае используется свойство нелинейного элемента изменять под действием протекающего по нему тока свой импеданс. В результате под действием спектральной компоненты зондирующего сигнала на частоте f, которая амплитудно-модулирована с частотой F, эффективная поверхность рассеяния объекта, содержащего нелинейный элемент, становится тоже переменной с той же частотой F. Сигнал обратного рассеяния на частоте f от такого объекта будет промодулирован с частотой F. Полоса частот, которая требуется для такого способа зондирования, равна величине f-f+2F.
Изобретение предлагается использовать в составе поисковой системы, представленной на фиг.1.
1
1
2
2
Здесь 1 - объект поиска, содержащий в своей конструкции нелинейный элемент и полосовой фильтр; 2 - первый генератор зондирующего сигнала на частоту f, 3 - первый полосовой фильтр зондирующего сигнала на частоту f, 4 - первая излучающая антенна, состоящая из ферритового вентиля 5 и излучателя 6, 7 - второй генератор зондирующего сигнала на частоту f, 8 - второй полосовой фильтр зондирующего сигнала на частоту f, 9 - вторая излучающая антенна, состоящая из ферритового вентиля 10 и излучателя 11, 12 - приемная антенна, 13 - третий полосовой фильтр, 14 - приемник, 15 - компенсатор второго зондирующего сигнала, состоящий из первого направленного ответвителя 16, переменного аттенюатора 17, переменного фазовращателя 18, второго направленного ответвителя 19.
Сигнальный выход первого генератора 1 зондирующего сигнала присоединен к входу первого полосового фильтра зондирующего сигнала 2, а выход первого полосового фильтра зондирующего сигнала 2 присоединен к входу ферритового вентиля 4, выход которого присоединен ко входу излучателя 5.
Сигнальный выход второго генератора зондирующего сигнала 7 присоединен к входу первого направленного ответвителя 16, первый выход первого направленного ответвителя 16 присоединен к входу второго полосового фильтра 8, выход которого присоединен к входу ферритового вентиля 10, выход которого присоединен к входу излучателя 11.
Выход приемной антенны 12 присоединен к входу третьего полосового фильтра 13, выход которого присоединен к первому входу второго направленного ответвителя 19, а выход направленного ответвителя 19 присоединен к входу приемника 14. Второй выход направленного ответвителя 16 присоединен к входу переменного аттенюатора 17, выход которого присоединен к входу переменного фазовращателя 18, выход которого соединен со вторым входом второго направленного ответвителя 19. Излучатели 6 и 11, а также антенна 12 направлены в направлении объекта поиска 1, содержащего в своей конструкции нелинейный элемент и полосовой фильтр.
Поисковая система может работать в одном из трех режимов.
2
Первый режим называется калибровочным. Цель данного режима - обеспечение возможности приема полезного сигнала. Задача, которая решается, - настройка компенсатора 15 второго зондирующего сигнала для устранения возможности блокирующего действия второго зондирующего сигнала на приемник 14. В данном режиме включают второй генератор зондирующего сигнала 7 на излучение непрерывного сигнала с частотой 12 и подбирают настройки переменного аттенюатора 17 и переменного фазовращателя 18 так, чтобы сигнал на частоте f на входе приемника 14 стал нулевым.
1
2
1
1
Во втором режиме включают первый генератор зондирующего сигнала 2 - на генерацию непрерывного колебания с частотой f и включают второй генератор зондирующего сигнала 7 на генерацию сигнала с частотой f и с амплитудной модуляцией с частотой F. После этого настраивают приемник 14 на прием сигналов на частоте f и демодуляцию принятого сигнала с целью определения, промодулирован или нет данный сигнал амплитудной модуляцией с частотой F. При обнаружении сигнала на частоте f с амплитудной модуляцией с частотой F принимают решение о наличии в зоне облучения объекта поиска, содержащего в своей конструкции нелинейный элемент и полосовой фильтр.
1
2
1
2
2
1
1
2
2
1
В третьем режиме включают первый генератор зондирующего сигнала 2 - на излучение непрерывного сигнала с частотой f, а второй генератор зондирующего сигнала 7 включают на излучение непрерывного сигнала с частотой f. После этого настраивают приемник 14 на прием сигналов на частоте 2f-f и на частоте 2f-f. При обнаружении сигнала на частоте 2f-f или на частоте 2f-f принимают решение о наличии в зоне облучения объекта поиска, содержащего в своей конструкции нелинейный элемент и полосовой фильтр.
В качестве первого и второго генераторов зондирующего сигнала 2 и 7 могут быть использованы измерительные генераторы Г4-159. В качестве излучателей 6, 11 и приемной антенны 12 могут быть использованы измерительные антенны П6-33. В качестве приемника 14 может быть использован измерительный приемник типа SMV-8.5.
В качестве вентилей 5, 10 могут быть использованы стандартные вентили типа ФПВН3-71 производства завода Магнетон.
Первый полосовой фильтр 3, второй полосовой фильтр 8 и третий полосовой фильтр 13 могут быть изготовлены по [В.П. Леонченко, А.Л. Фельдштейн, Л.А. Шеляпинский. Расчет полосковых фильтров на встречных стержнях. М.: Связь, 1975].
В качестве первого и второго направленных ответвителей 16 и 19 могут быть использованы стандартные направленные ответвители типа НО-15 производства завода Радиал.
В качестве переменного аттенюатора 17 может быть использован стандартный переменный аттенюатор типа 2.260.280 производства ФГУП «ННИПИ «Кварц».
Переменный фазовращатель 18 может быть изготовлен по Г.С. Хиджа. И.Б. Видак. В.Л. Серебрякова. СВЧ фазовращатели и переключатели. М.: Радио и связь, 1984.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволит проводить более эффективный поиск объектов, содержащих нелинейные элементы, которые могут содержать в своем составе узкополосные нелинейные объекты.