автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.14, диссертация на тему:Исследование возможностей и методов построения аппаратуры для нелинейной радиолокации

На правах рукописи УДК 621 396

Зыонг Дык Тхиен

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ И МЕТОДОВ ПОСТРОЕНИЯ АППАРАТУРЫ ДЛЯ НЕЛИНЕЙНОЙ РАДИОЛОКАЦИИ

Специальность 05 12 14 - « Радиолокация и радионавигация »

АВТОРРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических

ОИБ7 1

Москва-2007 V

003158671

Работа выполнена на кафедре Радиосистем передачи информации и управления Московского авиационного института (государственного технического университета)

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Куприянов Александр Ильич

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Юдин Василий Николаевич, кандидат технических наук, профессор Кирин Вячеслав Иванович

Ведущая организация ЗАО «АвиакоМверсия»

Защита диссертации состоит « 15» мая 2007 г в 12 часов на заседании диссертационного Совет Д 212 125 03 Московского авиационного института (государственного технического университета) по адресу 125993, Москва, А-80, ГСП, Волоколамское шоссе, д 4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ

Отзыв, заверенный печатью, просим направлять в двух экземплярах по адресу 125993, ГСП-3, Москва А-80, Волоколамское шоссе, д 4, Ученый совет МАИ

Автореферат разослан «13» апреля 2007г

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212 125 03

к т н, доцент

М И. Сычев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТА

Актуальность темы

диссертационной работы обусловлена тем, что в ней рассмотрены объекты, нелинейно рассевающие радиоволны, методы теоретического и экспериментального исследования эффекта нелинейного рассеяния электромагнитных волн, принципы построения радиолокационных систем и устройств, использующих эффект нелинейного рассеяния, а также основные модели и соотношения, позволяющие рассчитывать эффективность таких устройств Прежде всего - дальность действия С учетом того, что сферы технических применений эффекта нелинейного рассеяния радиоволн непрерывно расширяется, а количество используемых нелинейных радиолокационных устройств и средств возрастает, исследование принципов и методов нелинейной радиолокации является важным направлением развития и совершенствования техники современных радиосистем

Цель и задачи работы

Исследование принципов и потенциальных характеристик точности нелинейной радиолокации, основных технических решений, принимаемых при проектировании устройств, основанных на эффекте нелинейного рассеяния, а также методов использования радиолокаторов, основанных на эффекте нелинейного рассеяния радиоволн

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие основные задачи

- обоснована принципиальная возможность и техническая реализуемость использования методов нелинейного рассеяния радиоволн,

- обоснована принципиальная возможность различения искусственных и естественных нелинейных рассеивателей электромагнитных волн по характеру и составу частотного спектра отраженного сигнала,

- экспериментально определены уровни сигнала, отражаемого нелинейными рассеивателями

Методы исследования

Основаны на использовании теории радиолокационных систем, статистической радиотехники, теории цепей, прикладной электродинамики, а также натурный эксперимент

Научная новизна работы

Обусловлена тем, что в ней

- исследованы факторы, влияющие на уровень сигнала и дальность обнаружения объекта при нелинейной радиолокации,

- исследованы факторы, влияющие на величину эффективной поверхности нелинейно рассевающих объектов,

- рассмотрены и выявлены принципиальные и технические возможности различения искусственных и естественных нелинейных рассеи-вателей по характеру сформированного ими поля излучения высших гармоник зондирующего сигнала

Практическая значимость результатов работы

- Исследованы физические принципы и математические модели нелинейного рассеяния электромагнитных волн

- Экспериментально подтверждена справедливость основного уравнения нелинейной радиолокации для нелинейно рассеивающих целей

- Разработаны рекомендации по выбору зондирующих сигналов и по анализу помех при нелинейной локации

- Выработаны рекомендации по технической реализации и проведено экспериментальное исследование средств нелинейной радиолокации

Основные положения, выносимые на защиту

1 Использование нелинейных эффектов, сопровождающих рассеяние электромагнитных волн, позволяет обнаружить объекты в условиях сильных фоновых отражений от земной поверхности и широколиственных растительных покровов

2 Различие в характеристиках нелинейного рассеяния электромагнитных волн позволяет селектировать отражения от радиоэлектронных устройств, содержащих полупроводниковые компоненты, на фоне отражений, формируемых элементами с контактами металл-окисел-металл

Апробация результатов работы и публикации

Основные положения и результаты опубликованы в сборнике докладов на УП-ой всероссийской юбилейной научно-технической конференции МАИ 2005, в статье в электронном журнале «Труды МАИ» и в статье в журнале «Вестник МАИ»

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы Работа содержит 126 страниц, 27 рисунков и 3 таблицы Список литературы включает 45 наименований

Во введении обоснована актуальность темы, дан обзор состояния вопроса, сформулированы цель и основные задачи исследования, описаны состав и структура работы, показаны ее научная новизна и практическая ценность, приведены положения, выносимые на защиту

В первой главе приведен анализ физических эффектов и математических моделей нелинейного рассеяния электромагнитных волн

Эффект нелинейного рассеяния электромагнитных волн состоит в том что, большинство технических объектов при облучении не только отражают падающие электромагнитные волны, но и преобразуют индуцированные сигналы элементами с нелинейными вольтамперными характеристиками Нелинейностью переходных характеристик обладают соединения металлических элементов конструкций и полупроводниковые р-п переходы

Примерный вид вольтамперной характеристики полупроводникового р-п перехода рис 1 обычно с достаточно высокой степенью точности аппроксимируется степенным рядом, в котором ограничиваются членами, не выше второй степени, т е применяют параболическую аппроксимацию

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I (?) - а0 + ахи (?) + а2м2 (?) + А '

(1)

О

►

и

Рис 1 Вольтамперная характеристика р-п перехода

Такое преобразование гармонического запросного сигнала радиолокатора = асо&ш создаст ток, в котором существенный уровень

будет иметь вторая гармоника

I (?) = а^ (?) + а252 (?) = + ага сое со? + а

а» 2га/,

те колебание

, ч а,а 12 у) = -С08>

(2)

(3)

которое и создаст отраженный сигнал на второй гармонике частоты запросного сигнала

Характер тока через контакт проводников иной Поскольку структура контактирующих проводящих поверхностей, разделенных слоем диэлектрика рис 2. а), симметрична, центральной симметрией должна, в принципе, обладать и вольтамперная характеристика туннельного через такой контакт рис 2 б).

Рис 2 Контакт металлов а) и его вольтамперная характеристика б)

Общее приближенное выражение для степенного ряда тока через контакт металлов, разделенных тонким слоем окисла, не содержит членов с четными степенями, т е представляется в виде

»(0 - (0+з«3 (')+•••]

(4)

Поэтому ток через контакт при синусоидальном приложенном напряжении я(?) = асоэт/ будет

а сое со? Ра

До

Ч

«о

*0

+ -—сое со? = *0

7а а

—соэ со? ч— сое Зсо? 4 4

(5)

те обязательно будет содержать составляющую на частоте третьей гармонике зондирующего сигнала, а составляющей на второй гармонике может и не быть. Поэтому нелинейные локаторы, предназначенные

для поиска и обнаружения скрытых объектов, содержащих металлические конструкции (железобетонные сооружения укрытий, предметы вооружения и военной техники) должны принимать рассеянное излучение прежде всего на третьей гармонике зондирующего сигнала

В работе проведен анализ основных методов, пригодных для теоретических исследований характеристик нелинейных рассеивателей Основные задачи теоретического и экспериментального исследования эффекта нелинейного рассеяния состоят в определении отражающих свойств объектов или их элементов на частотах нелинейно-рассеянного сигнала и в разработке наиболее эффективных методов нелинейной радиолокации

Рассмотрены три метода расчета характеристик и анализа таких объектов

1 Методы расчет наведенного тока в нелинейной нагрузке, основанные на классическом методе анализа цепей с помощью дифференциальных уравнений

2 Метод расчета, основанный на использовании рядов Вольтера

3 Метод вычислений, при котором нелинейный рассеиватель представляют в виде линейной и нелинейной частей

При сравнительном анализе методов расчета рассмотрены преимущества и недостатки каждого метода анализа исследования нелинейных рассеивателей

В первом разделе рассмотрены также поляризационные эффекты, сопровождающие нелинейную радиолокацию

Во второй главе рассматривается основное уравнение и факторы, влияющие на дальность действия нелинейного радиолокатора

В качестве характеристики отражающих свойств нелинейных рассеивателей используется нелинейная эффективная площадь рассеяния с„ При этом нелинейная эффективная площадь рассеяния должна определяться по той же методике, что и в задачах линейной локации Но вместе с тем при определении эффективной площади рассеяния необходимо учитывают нелинейность рассеивателя (наличие гармоник и интермодуляционных составляющих рассеянного сигнала). Такой учет требует определения зависимости потока мощности отраженного рассеивателем сигнала от нелинейностей различного характера (квадратичной, кубической и т д )

В процессе вывода и анализа основного уравнения радиолокации учтено наличие нелинейностей в отражательных характеристиках

радиолокационных целей Теоретический вывод и экспериментальная проверка нелинейной ЭПР для контактов типа металл-окисел-металл приведен для полуволнового вибратора с нелинейным сопротивлением, имеющим кубическую вольтамперную характеристику при приеме отраженного сигнала на третьей гармонике Анализ ЭПР для рассеива-теля с р-п переходом выполнен для полуволнового вибратора с квадратичной вольтамперной характеристикой нелинейности

Для сильных сигналов выражение для ЭПР принимает вид

1 С3 1х21У0 Яр 100 ^ V ря ял

(6)

где Ил - сопротивление вибратора в месте включения контакта, Яо -начальное (при нулевом напряжении) сопротивление контакта, Ж=120 Ом - волновое сопротивление свободного пространства, 3 - коэффициент, характеризующий нелинейность вольтамперной характеристики (1/В2)

Наибольший интерес представляет рассмотрение ЭПР полуволнового вибратора, обладающего нелинейными свойствами, в случае воздействия на него слабых сигналов Формула для нелинейной эффективной площади рассеяния вибратора при слабых сигналах имеет вид

а, =-

4тг

1 +

'Г1

кfА J

пз

1 + 9

'Г2

/л

(7)

где / - частота электромагнитного поля, воздействующего на вибратор, /А — граничная частота реального контакта с учетом сопротивления излучения

Анализ выражений (6) и (7) показывает, что при сильных сигналах нелинейная ЭПР вибратора уменьшается при увеличении потока мощности облучения (при некоторых параметрах контакта может произойти его пробой При слабых сигналах имеет место квадратичная зависимость мощности сигнала, отраженного на третьей гармонике зондирующего сигнала, от потока мощности облучения Когда на вибратор воздействуют колебания двух частот, формула для ЭПР имеет аналогичный вид и отличается лишь числовым коэффициентом порядка единицы

При определении максимальной дальности действия РЛС в диссер-

тации установлена связь параметров, характеризующих эффективность обнаружения цели (в частности, вероятности правильного обнаружения цели £> и ложной тревоги Р), со значением принимаемой энергии сигнала отраженного от нелинейной цели

Максимальную дальность действия РЛС Я„ тах для случая, когда точечный радиолокационный отражатель обладает нелинейными свойствами описываться степенной зависимость п-ой степени, а прием отраженного сигнала ведется на п-ой гармонике зондирующего сигнала

<1 (4тс)3 Эпгшп ()

В случае излучения непрерывного колебания постоянной мощности Ри будет иметь место равенство (О™ = Р" , а поэтому уравнение (8) примет вид

(я„тах и,=(зоадг1 (9>

V (4п>Зшш

При облучении цели последовательностью из N импульсов, каждый из которых имеет мощность РИМ и длительность т, при этом период повторения равен Т Для такой ситуации формула (8) примет вид

(я ) = (9)

N (4л)Э„т|П

Для того, чтобы осуществить корректное сравнение максимальной дальности при работе нелинейного радиолокатора в непрерывном и в импульсном режимов, необходимо потребовать равенства излученной энергии за один и тот же промежуток времени, что эквивалентно равенству средних мощностей сигнала за тот же промежуток времени

х

Формально это условие означает, что Ри-Р^=Рт — Подстановка этого равенства в формулу (9) приводит к следующему выражению

и-1

(^птах)имп ~ (^птах)непрб ' (Ю)

Т

где 0, =--скважность импульсного зондирующего сигнала

т

Дальность действия нелинейных радиолокаторов ограничивается не только их энергетическим потенциалом и коэффициентом шума

приемного устройства, но и паразитными нелинейными эффектами Эти эффекты обусловлены наличием гармоник в зондирующем сигнале, а также возникновением гармоник сигнала, отраженного от местных предметов Прежде всего - от элементов конструкции носителя нелинейной РЛС при облучении этих элементов боковым излучением передающей антенны или отраженными от подстилающей поверхности зондирующими сигналами Уровень гармонических составляющих, наблюдаемых в спектре зондирующего сигнала, после отражения от подстилающей поверхности или линейной части рас-сеивателя может превысить сигнал от цели, находящийся на той же дальности Расчеты и экспериментальные исследования показали, что последний эффект оказывает более существенное влияние на ограничение дальности НРЛС, чем паразитные эффекты, связанные с возникновением гармоник в элементах конструкции носителя

В третьей главе проведен анализ зондирующих сигналов (ЗС) и помех при нелинейной локации Представлены результаты анализа проблемы выбора параметров ЗС Показано, что оптимальной является прямоугольная форма огибающей зондирующего сигнала Действительно, наличие фронтов конечной длительности означает наличие временных интервалов с меняющейся (те неоптимальной) излучаемой мощностью Исключение этих интервалов обеспечивает мгновенный выход зондирующего сигнала на оптимальный режим работы Из сказанного, однако, не следует, что прямоугольную форму можно эффективно реализовать при приеме сигналов, так как выбранный критерий не учитывает шумы приемника Поэтому энергетический выигрыш при переходе к прямоугольной огибающей может быть утрачен при согласовании полосы пропускания приемника с шириной спектра зондирующий сигнал

При построении нелинейных локаторов важен выбор длительности импульса зондирующего сигнала х Сокращение т требует расширения полосы приемника и приводит к соответствующему росту мощности шумов Анализ наиболее интересного случая слабого взаимодействия показывает, что сужение импульса при сокращении средней мощности зондирующего сигнала приводит к соответствующему линейному увеличению мощности шумов на выходе согласованного фильтра и к квадратичному увеличению мощности принимаемого сигнала Поэтому отношение сигнал/шум линейно возрастает с сокращением х Энергетический потенциал (отношение мощности зондирующего сигнала к чувствительности приемника) при поиске и обнаружении

чувствительности приемника) при поиске и обнаружении нелинейного рассеивателя не является однозначной характеристикой нелинейного локатора. Существенное значение имеет его распределение между активной (передающей) и пассивной (приемной) частями При слабом взаимодействии большее влияние на рост средней мощности принимаемого сигнала оказывает увеличение мощности зондирующего сигнала, при сильном - повышение чувствительности приемника

В третьей главе также проведена оценка эффективности применения многочастотных сигналов для нелинейной радиолокации На основе анализа обобщенной модели канала в виде набора генераторов, а сам

N

ЗС в виде = собю/ рассмотрена зависимость отношения

<=1

мощностей переизлученных сигналов продукта преобразования второго порядка для многочастотного зондирующего сигнала и одночастот-дого сигнала эквивалентной мощности Результаты показали, что применение в нелинейной радиолокации многочастотного сигнала позволяет существенно улучшить качество обнаружения, не применяя простого наращивания мощности излучения, а лишь рационально выбирая структуру зондирующего сигнала

Особенностью приема сигналов, преобразованных нелинейными рассеивателями, является наличие большей априорной неопределенности В общем случае, кроме неопределенности координат точки расположения рассеивателя и самого факта его присутствия, неизвестным является преобразование запросного сигнала, которое осуществляется нелинейностью рассеивателя К тому же принимаемый сигнал зависит от ориентации рассеивателя, от значения плотности потока мощности запросного сигнала в точке расположения нелинейного рассеивателя

В работе рассмотрены некоторые особенности, возникающие при приеме сигналов, рассеянных нелинейным объектом При этом считается, что обнаруживаемый объект - нелинейный рассеиватель - является безынерционным, осуществляющим нелинейное преобразование Р[и3<Ш зондирующего сигнала мзс(0> а в качестве полезного сигнала используются гармоники зондирующего Поскольку сведения об операции преобразования запросного сигнала нелинейным рассеивателем ^ ограничены и взаимооднозначной связи между ипр({) и щс(() может и не быть, возникает вопрос о выборе изс(/) и структуры приемника сигнала мпр(0 для разных моделей операции ^

Для режима слабого сигнала характерно то, что при всех реальных

простых формах запросного импульса происходят обострение его огибающей, сокращение длительности тс и соответствующее увеличение разрешающей способности по дальности. Естественно, что при взаимодействии такого запросного сигнала с нелинейным рассеивате-лем, переходящим в режим насыщения, наблюдается обратная картина увеличение длительности тс

Использование в качестве запросного сигнала радиоимпульса с прямоугольной формой огибающей и постоянной частотой заполнения при условии безынерционности нелинейного рассеивателя снимает вопрос о форме приходящего сигнала и о выборе и*(7), поскольку для любого безынерционного преобразования ^ такого радиоимпульса форма его огибающей во всех частотных каналах остается прямоугольной, как остается неизменной и его длительность тс

Кроме простых импульсов в качестве запросных сигналов нелинейных радиолокаторов могут использоваться колебания с постоянной амплитудой и модуляцией неэнергетических параметров Применяя такие сигналы, следует учитывать факт сохранения взаимооднозначного соответствия между запросным сигналом и принимаемым сигналом В рассматриваемом случае это соответствие возможно при использовании частотной модуляции Принимаемые сигналы в при этом будут различаться своими амплитудами и девиациями частоты иДсо Ширина основного пика функции неопределенности принимаемого ЧМ сигнала в плоскости £2=0 при достаточно большом значении Асохс составит 4л

п «Дсо

Другим примером модуляции неэнергетических параметров запросного сигнала является фазоманипулированный запросный сигнал

изс (г) = и51п [ю/ + ср(7)], где ф(')= ^ - число дискретных значений фазы; А: - случайное число (0<£<1)

При таком сигнале за счет умножения частоты нелинейным рассеи-вателем полная фаза запросного сигнала умножается в п раз, где п -номер гармоники запросного сигнала, на которой осуществляется прием. Так, при 1=2 в канале второй гармоники происходит разрушение модуляции Приведенный пример свидетельствует о наличии специфических эффектов нелинейного взаимодействия, когда при определенных условиях относительно широкополосный запросный сигнал нелинейным рассеивателем «свертывается»в квазимонохроматический и в

результате демодуляции сигнала в канале второй гармоники будет наблюдаться радиоимпульс длительностью тс с ф(0=соп$1 и постоянной амплитудой.

Таким образом, анализ возможностей использования традиционных подходов к задачам обработки сигналов при поиске нелинейных рас-сеивателей показывает, что при выборе запросного сигнала важную роль играют два связанных между собой аспекта во-первых, обеспечение независимости структуры принимаемых сигналов от свойств нелинейного рассеивателя и, во вторых, согласование энергетических свойств запросного сигнал с амплитудными характеристиками нелинейного рассеивателя

В третьей главе рассмотрены также основные виды помех при нелинейном зондировании При этом основной интерес представляют особенности воздействия помех на аппаратуру нелинейного зондирования, механизмы возникновения и методы выявления помех

В четвертой главе проведены исследования возможности технической реализации и результаты экспериментального исследования средств нелинейной радиолокации Представлен анализ и сравнение тактико-технических характеристик серийных нелинейных локаторов, производимых в России, США и Великобритании с середины 70-х годов до настоящего времени Основные параметры нелинейной радиолокаторов являются мощность, режим и частота излучения

Результаты экспериментальных исследований с использованием опытной установки показали, что в сигнале, отраженном конструкциями с полупроводниковыми элементами и подводящими проводами, преобладает вторая гармоника зондирующего сигнала А для нелинейных металлических контактов характерен более высокий уровень третьей гармоники Превышение третьей гармоники иллюстрирует экспериментально зависимостями, представленными на рис 3 и рис 4

А л гармо и--*»*« | ^ г / л

\ аДА 1/ л!ь!/ Л

ЧД/У

а)

/ \ 1 А

114

ГУУ \ г^

° г 10О° 2 б) 70° "— 3

в) Рис 3

На рис.3 приведены диаграммы обратного рассеяния поля на второй и третьей гармониках облучающей волны автомобилем КАВЗ-651, УРАЛ-375, трактором С-100

Рис 4

На рис 4 представлена зависимость ЭПР технических объектов (автомобильного прицепа-фургона, гусеничного трактора и автомобиля ГАЗ-66) на третьей гармонике от плотности потока мощности облучающей волны 1 соответствует автомобильному прицепу-фургону, 2 -гусеничному трактору при неработающем двигателе, 3 - гусеничному трактору при работающем двигателе, 4 - автомобилю ГАЗ-66 при неработающем двигателе, 5 - автомобилю ГАЗ-66 при работающем двигателе

В четвертой главе представлены также результаты экспериментальных исследовании методов нелинейной радиолокации с использованием прибора НР-900 Измерения показали, что энергетический потенциал нелинейного локатора обеспечивает эффективный поиск в элементах интерьера помещения и в ограждающих строительных конструкциях (пол, потолок, стены)

Остронаправленная антенная система, широкий диапазон регулировок основных параметров прибора обеспечили высокую точность локализации и облегчают проведение поисковых мероприятий

Одновременный прием второй и третьей гармоник зондирующего сигнала, визуальная индикация их уровней, а также режим выделения огибающей отраженного сигнала, позволили в ходе проведения эксперимента отличить сигналы, отраженные от полупроводниковых радиоэлементов, от сигналов естественных (коррозийных) нелинейных отражателей

В зависимости от характера переотражающего объекта - коррозийный диод или искусственный полупроводниковый элемент (радиоэлектронное устройство), возможны две принципиально различных зависимости уровня отраженного сигнала, контролируемого на слух с использованием головных телефонов Качественный вид зависимости уровня сигнала при перемещении антенной системы вдоль обследуемой поверхности представлен на рис 5

Рис 5

На рис 5 представлены зависимости уровней модуляционных шумов 2-ой гармоники коррозийного р-п перехода от расстояния а) и зависимость уровня модуляционных шумов 2-ой гармоники полупроводникового р-п перехода от расстояния объекта до оси антенной системы анализатора б)

"К" - точка расположения коррозийного р-п - перехода, Ы- уровень

шума в головных телефонах, ЛГ0 - уровень шума в головных телефонах при отсутствии нелинейного переотражающего объекта, К - расстояние от точки расположения переотражающего объекта до оси антенной системы изделия, "Р]ЧР" - точка расположения полупроводникового элемента

В четвертой главе также приведены результаты разработки методического обеспечения нелинейных радиолокационных измерений Рассмотрены три способа проведения измерений безэталонным методом, методом косвенного эталона и методом реального эталона

Рис 6

На рис 6 приведены амплитудные характеристики нелинейных рас-сеивателей с характерными точками, ^с=300МГц, вторая гармоника кривая 1 - диполь, нагруженный на диод ГИ401, кривая 2 - на диод 1И104Д

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы

1. Показана возможность применения методов нелинейной радиолокации для решения задачи обнаружения и распознавания объектов, содержащих контакты металлических элементов и радиокомпоненты с нелинейными вольтамперными характеристиками

2 Исследованы физические принципы и математические модели нелинейного рассеяния электромагнитных волн, на основании проведенного анализа выполнено сравнение методов расчета характеристик рассеивателей и сформулированы рекомендации по выбору метода расчета

3 Показано, что применение в нелинейной радиолокации многочастотного сигнала позволяет существенно улучшить качество обнаружения, не применяя простого наращивания мощности излучения, а лишь рационально выбирая структуру зондирующего сигнала

4 Анализ возможностей использования традиционных подходов к задачам обработки сигналов при поиске нелинейных рассеивателей показывает, что при выборе запросного сигнала важную роль играют два связанных между собой аспекта во-первых, обеспечение независимости структуры принимаемых сигналов от свойств нелинейного рассеивателя и, во-вторых, согласование энергетических свойств запросного сигнал с амплитудными характеристиками нелинейного рассеивателя

5 Показано, что из-за различной нелинейной характеристики рассеяния полупроводниковых р-п переходов и контактов металл-диэлектрик-металл, отраженные сигналы на вторых и третьих гармониках частоты сигнала запросного будет иметь различную интенсивность, использование этого эффекта дает возможность для построения простых приемов селекции радиолокационных целей, содержащих радиоэлектронные компоненты

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ

1 Зыонг Дык Тхиен Исследование возможностей и методов построение аппаратуры для нелинейной радиолокации Сборник докладов УП-ой всероссийской юбилейной научно-технической конференции МАИ 2005, с. 204-206

2 Зыонг Дык Тхиен Реализация и экспериментальное исследование средств нелинейной радиолокации Труды МАИ, 2007, №27

3 Зыонг Дык Тхиен. Техническая реализация средств нелинейной радиолокации Вестник МАИ, 2007, Т 14, №2

ВВЕДЕНИЕ.

1 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ НЕЛИНЕЙНОГО РАССЕЯНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН.

1.1 Объекты, обладающие эффектом нелинейного рассеяния электромагнитных волн.

1.2 Нелинейные эффекты на контакте двух металлов, разделенных окислом.

1.3 Поляризационные эффекты, сопровождающие нелинейную радиолокацию.

2 ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ И ДАЛЬНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ НЕЛИНЕЙНОГО РАДИОЛОКАТОРА.

2.1 Нелинейная эффективная поверхность рассеяния.

2.2 Уравнение дальности при нелинейной радиолокации.

2.3 Влияние поляризации принимаемого сигнала на дальность при нелинейной локации.

3 ЗОНДИРУЮЩИЕ СИГНАЛЫ И ПОМЕХИ

ПРИ НЕЛИНЕЙНОЙ ЛОКАЦИИ.

3.1 Выбор параметров зондирующего сигнала при нелинейной локации.

3.2 Применение многочастотных сигналов в нелинейной радиолокации.

3.3 Особенности обработки сигналов при нелинейной радиолокации.

3.4 Помехи в системах нелинейной радиолокации.

4 ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СРЕДСТВ НЕЛИНЕЙНОЙ РАДИОЛОКАЦИИ.

4.1 Серийные нелинейные локаторы.

4.2 Экспериментальные результаты обнаружения и селекции нелинейных отражателей.

4.3 Экспериментальные исследования методов нелинейной радиолокации с использованием прибора НР-900.

4.4 Технические данные нелинейного локатора HP 900 ЕМ.

4.5 Методика и план проведения эксперимента.

4.6 Метрологическое обеспечение нелинейных радиолокационных измерений.

Эффекты, лежащие в основе нелинейной радиолокации, известны еще с сороковых годов XX века. Так в 1939 г. на судах ВМС США как эффект "ржавого болта", приводящий к помехам при работе мощных коротковолновых судовых радиостанций [33]. При рассмотрении взаимодействия электромагнитного поля и нелинейного перехода на основе металлического контакта все внимание уделялось анализу преобразования частоты для третьей гармоники. В 1972 г. В 70-х гг. прошлого века, судя по количеству и объему публикаций, интенсивность исследований резко возросла. В печати появились первые данные о создании опытного образца американской нелинейной PJ1C METTRA с мощностью излучения 1 кВт, несущей частотой 750 МГц и частотой следования импульсов 10 кГц. В [35] были приведены результаты экспериментальных исследований локатора METTRA на третьей гармонике для обнаружения с вертолета замаскированной бронетанковой техники. В [34] приведены теоретические расчеты и экспериментальные исследования с этим локатором для наклонного зондирования объектов в приповерхностном слое. Аналогичные работы велись и в России [1]. Исследования методов и средств нелинейной локации в это время проводились, прежде всего, с целью создания приборов для обнаружения металлических объектов, скрытых от непосредственных наблюдения.

С тех пор исследованиям методов нелинейной радиолокации и разработке нелинейных радиолокаторов посвящено много работ. Исследования по проблеме нелинейной локации в те годы, например [1,2], сводились, прежде всего, к определению нелинейной эффективной поверхности рассеяния металлического контакта а и ее зависимости от плотности потока падающей мощности #пад). Это научно-техническое направление интенсивно развивается. Но с начала 80-х гг. публикации иностранных исследователей по проблеме нелинейной локации резко сократились. Однако работы российских исследования показали, что экспериментальные значения основных характеристик созданных к этому времени нелинейных локаторов, прежде всего - дальности обнаружения на второй гармонике - не совпадают с расчетами на основе наиболее распространенных моделей нелинейного преобразования электромагнитного поля для третьей гармоники [3]. Этот эмпирический факт требует уточнения моделей и методик теоретических расчетов для основных качественных и количественных характеристик нелинейных радиолокаторов.

Для большинства искусственных (технических) объектов проявляется эффект нелинейного рассеяния радиоволн. Использование этого эффекта в радиолокации дает дополнительные возможности для обнаружения технических, прежде всего - радиоэлектронных, объектов и селекции рассеянных ими сигналов на фоне мешающих отражений от местных предметов и подстилающей поверхности. Объекты, обладающие такими нелинейными свойствами, получили название нелинейных рассеивателей. Это устройства либо имеющие в своем составе контактирующие металлические части, в месте соприкосновения которых образуется структура металл-окисел-металл, обладающая нелинейными свойствами, либо содержащие полупроводниковые р-п переходы (диоды, транзисторы, микросхемы).

Уникальные возможности нелинейной радиолокации обусловили широкий спектр и быстро растущее количество ее приложений. Это связано с развитием: средств радиолокационной техники, позволившим обеспечить необходимые энергетические и диапазонные требования при исследовании эффекта нелинейного рассеяния электромагнитных волн. Суть этого эффекта заключается в том, что некоторые объекты или их элементы при облучении электромагнитными волнами обладают способностью генерировать спектральные составляющие, отсутствующие в спектре падающего потомка электромагнитного излучения. Избирательный прием этих составляющих позволяет расширить возможности нелинейных радиолокаторов по сравнению с обычными РЛС, использующими линейно-отраженный сигнал.

Первые упоминания об обнаружении эффекта нелинейного рассеяния связаны с исследованиями систем радиосвязи морских кораблей и систем дальней космической связи, в которых имелись передатчики большой мощности и приемники с высокой чувствительностью. Однако физический механизм генерации гармоник зондирующего радиосигнала не был объяснен, а их измерение было сопряжено с рядом трудностей, которые требуют разрешения.

В дальнейшем в данной работе основное внимание уделяется использованию эффекта нелинейного рассеяния радиоволн в радиолокации. В первую очередь эти исследования направлены на решение радиолокационных задач в условиях сильных фоновых отражений от поверхности Земли, листвы, деревьев, морской поверхности и т.п. Идея этих решений основана, на том, что, если РЛС будет использовать сигнал, проникающий, например, через листву, а приемник будет настроен на гармоники зондирующего сигнала, то объект, не имеющий сложных металлических конструкций, не будет восприниматься таким приемником. Таким образом удается избавиться от сильных фоновых отражений, которые в ряде случаев затрудняют или даже делают невозможным использование обычных радиолокационных методов поиска и обнаружения объектов. Исследования эффекта нелинейного рассеяния электромагнитных волн и методов нелинейной радиолокации направлены на построение нелинейных радиолокационных средств.

В одной из первых публикаций по использованию эффекта нелинейного рассеяния электромагнитных волн в радиолокации [3] рассматривается радиолокатор ближнего действия для быстрого, незаметного и надежного осмотра людей, например, в аэропортах с целью обнаружения спрятанного оружия и другого оснащения террористов. В таких радиолокаторах используется преобразование зондирующего сигнала нелинейностями, образованной контактом металлов. В [5,27,29,30,32] описаны устройства для обнаружения объектов и измерения расстояний до них с использованием эффекта нелинейного рассеяния электромагнитных волн при отражении падающей волны на третьей гармонике зондирующего сигнала. Подчеркивается, что нелинейные РЛС могут использоваться для обнаружения спрятанных в лесу, под землей или водой металлических конструкций, а также движущихся объектов, на которых возникают случайные контакты электропроводящих элементов конструкций.

Анализ последних работ в области нелинейного рассеяния электромагнитных волн и создания устройств нелинейной радиолокации [4,5] показывает, что повышение дальности действия возможно за счет выбора оптимальной формы и вида поляризации зондирующего сигнала, а также применения методов когерентного накопления и оптимальной фильтрации сигнала.

Интенсивно исследуются рассеивающие свойства антенн, находящихся на облучаемом объекте. Так как в большинстве случаев эти антенны нагружены на полупроводниковые элементы (смесители на СВЧ диодах, параметрические усилители, твердотельные модули фазированных антенных решеток и т.п.), то при достаточно высоком уровне зондирующего сигнала в них тоже возникает эффекты нелинейного рассеяния электромагнитных волн.

В последнее время большое внимание уделяется исследованию возможностей реализации эффекта нелинейного рассеяния радиоволн для поиска и обнаружения электронных устройств негласного несанкционированного съема информации. Такими устройствами пользуются технические средства акустической и видовой разведок, радио- и радиотехнической разведки, системы и средства съема информации с проводных и кабельных линий связи. Заметное увеличение объемов информации, циркулирующей в каналах и сетях электросвязи, а также ощутимый прогресс в технике несанкционированного доступа к такой информации, выдвигают в разряд актуальных новые проблемы информационной безопасности. Эффективному решению этой проблемы также способствует развитие методов и средств нелинейной радиолокации.

Актуальность настоящей диссертационной работы обусловлена тем, что в ней рассмотрены объекты, нелинейно рассевающие радиоволны, методы теоретического и экспериментального исследования эффекта нелинейного рассеяния электромагнитных волн, принципы построения нелинейных радиолокационных систем и устройств, а также основные модели и соотношения, позволяющие рассчитывать их эффективность. Прежде всего -дальность действия. С учетом того, что сферы технических применений эффекта нелинейного рассеяния радиоволн непрерывно расширяется, а количество используемых нелинейных радиолокационных устройств и средств возрастает, исследование принципов и методов нелинейной радиолокации является важным направлением развития и совершенствования техники современных радиосистем.

Целью диссертационной работы является исследование принципов и потенциальных характеристик точности нелинейной радиолокации, основных технических решений, принимаемых при проектировании а также методик использования радиолокаторов, основанных на эффекте нелинейного рассеяния радиоволн.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие основные задачи:

- обоснована принципиальная возможность и техническая реализуемость использования методов нелинейного рассеяния радиоволн;

- обоснована принципиальная возможность различения искусственных и естественных нелинейных рассеивателей электромагнитных волн по характеру и составу частотного спектра отраженного сигнала;

- экспериментально определены уровни сигнала, отражаемого нелинейными рассеивателями.

Методы исследования основаны на использовании теории радиолокационных систем, статистической радиотехники, теории цепей, прикладной электродинамики и натурном эксперименте.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- исследованы факторы, влияющие на уровень сигнала и дальность обнаружения объекта при нелинейной радиолокации;

- исследованы факторы, влияющие на эффективную поверхность нелинейно рассевающего объекта;

- рассмотрены и выявлены принципиальные и технические возможности различения искусственных и естественных нелинейных рассеивателей по характеру сформированного ими поля излучения высших гармоник зондирующего сигнала.

Апробация результатов:

Результат диссертационной работы докладывались на УН-ой всероссийской юбилейной научно-технической конференции МАИ 2005. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в статье в электронном журнале «Труды МАИ» и в статье в журнале «Вестник МАИ». Всего по результатам работе имеются 3 публикации.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Использование нелинейных эффектов, сопровождающих рассеяние электромагнитных волн, позволяет обнаружить объекты в условиях сильных фоновых отражений от земной поверхности и широколиственных растительных покровов.

2. Различие в характеристиках нелинейного рассеяния электромагнитных волн позволяет селектировать отражения от радиоэлектронных устройств, содержащих полупроводниковые компоненты, на фоне отражений, формируемых элементами с контактами металл-окисел-металл.

ЗАКЛЮЧНИЕ

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы.

1. Показана возможность применения методов нелинейной радиолокации для решения задачи обнаружения и распознавания объектов, содержащих контакты металлических элементов и радиокомпоненты с нелинейными вольтам-перными характеристиками.

2. Исследованы физические принципы и математические модели нелинейного рассеяния электромагнитных волн; на основании проведенного анализа выполнено сравнение методов расчета характеристик рассеивателей и сформулированы рекомендации по выбору метода расчета.

3. Показано, что применение в нелинейной радиолокации многочастотного сигнала позволяет существенно улучшить качество обнаружения, не применяя простого наращивания мощности излучения, а лишь рационально выбирая структуру зондирующего сигнала.

4. Анализ возможностей использования традиционных подходов к задачам обработки сигналов при поиске нелинейных рассеивателей показывает, что при выборе запросного сигнала важную роль играют два связанных между собой аспекта: во-первых, обеспечение независимости структуры принимаемых сигналов от свойств нелинейного рассеивателя и, во-вторых, согласование энергетических свойств запросного сигнал с амплитудными характеристиками нелинейного рассеивателя.

5. Показано, что из-за различий нелинейной характеристики рассеяния полупроводниковых р-п переходов и контактов металл-диэлектрик-металл, отраженные сигналы на вторых и третьих гармониках частоты сигнала запросного будет иметь различную интенсивность; использование этого эффекта дает возможность для построения простых приемов селекции радиолокационных целей, содержащих радиоэлектронные компоненты.

Эти результаты позволяют создавать и совершенствовать приборы для обнаружения скрытых радиоэлектронных устройств и селекции сигналов, отраженных этими устройствами, на фоне отражений от других радиолокационных целей, обладающих свойством рассеивать сигналы, преобразованные нелинейными элементами.

Создание и использование радиолокационных средств, основанных на эффекте нелинейного рассеяния и приеме сигналов на гармониках и комбинационных частотах спектра зондирующего сигнала, открывает новые возможности не только для поиска и обнаружения радиоэлектронных приборов. Методы и нелинейной радиолокации могут быть применены для поиска и обнаружения таких искусственных объектов, как минно-взрывные устройства, тайники с оружием и боеприпасами. Имеются данные о том, что методы нелинейной радиолокации могут применяться для поиска и обнаружения биологических объектов [23]. Возможны и другие технические применения эффекта нелинейного рассеяния радиоволн. Эти применения требуют специальных исследований.

1. Штейиншлейгер В. Б. К теории рассеяния электромагнитных волн вибратором с нелинейным контактом // Радиотехника и электроника, 1978, Т.23, № 7, С. 1329-1338.

2. Штейншлегер В.Б. Нелинейное рассеяние радиоволн металлическими объектами. // Успехи физических наук, 1984, Т.142, вып. 1, С. 131-145.

3. Кузнецов A.C., Кутин Г. И. Методы исследования эффекта нелинейного рассеяния электромагнитных волн // Зарубежная радиоэлектроника, 1985, № 4, С. 41-43.

4. Беляев В.В, Маюнов А.Т, Разиньков С.Н. Состояние и перспективы развитие нелинейной радиолокации // Зарубежная радиоэлектроника, 2002, № 6, С. 59-78.

5. Мусабеков П.М., Панычев С.Н. Нелинейная радиолокация: методы, техника и области применения. // Зарубежная радиоэлектроника, 2000, № 5, с. 54-60.

6. Вернигоров Н.С. Процесс нелинейного преобразования и рассеяния электромагнитного поля электрически нелинейными объектами // Радиотехника и электроника, 1997, Т. 42, № 10, С. 1181-1185.

7. Вернигоров Н.С., Харин В.Б. Влияние антенно-фидерного тракта нелинейного объекта на дальность обнаружения в нелинейной локации // Радиотехника и электроника, 1997, Т. 42, № 12, С. 1447-1451.

8. Козлов А.И, Колядов Д.В. Эффективная площадь рассеяния нелинейных отражателей. // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника, 2004, № 79, с. 36-40.

9. Козлов А.И., Колядов Д.В. Основное уравнение нелинейной радиолокации. // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника, 2004, № 79, С. 41-45.

10. Козлов А.И., Колядов Д.В. Матрица рассеяния нелинейных отражателей // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника, 2004, № 79, С. 46-48.

11. Горбачев A.A., Колбанов А.П., Тараканков С.П., Ларцов C.B., Чинин Е.П. Признаки распознавания нелинейных рассеивалелей электромагнитных волн. //

12. Нелинейный мир, 2004, № 5-6, С. 301-309.

13. Горбачев A.A., Ларцов C.B., Тараканов С.П., Чигин Е.П. Влияние некоторых факторов на нелинейное рассеяние электромагнитных волн структурами с несовершенными контактами. // Радиотехника и электроника, 1997, Т.42, № 7, С. 182-184.

14. Горбачев A.A., Ларцов C.B., Тараканов С.П., Чигин Е.П. Амплитудные характеристики нелинейных рассеивателей. // Радиотехника и электроника, 1996, Т.41, № 5, С. 558-562.

15. Горбачев A.A., Заборонкова Т. М, Васенков A.A. Рассеяние электромагнитных волн вибратором с нелинейной нагрузкой, расположенным вблизи плоской границы раздела сред. // Радиотехника и электроника, 2002, Т.47, № 6, С. 694-699.

16. Колбанов А.П., Потапов A.A., Степанов Е.Е., Чигин Е.П. Распознавание нелинейных рассеивателей, содержащих несовершенные металлические контакты или полупроводниковые радиокомпоненты. // Нелинейный мир, 2005, № 4, Т.З, С. 239-244.

17. Горбачев A.A., Лавцов C.B. Поляризационные свойства двухвибраторной модели нелинейного рассеивателя // Радиотехника и электроника, 1995, Т.40, №12, С. 1761.

18. Горбачев А. А., Лавцов С. В., Тараканков С.П., Чигин Е.П. Помехи в системах нелинейного зондирования. // Радиотехника и электроника, 1998, Т.43, №1, С. 71-76.

19. Горбачев П.А. О некоторых параметрах зондирующего сигнала при поиске нелинейных рассеивателей. // Радиотехника и электроника, 1998, Т.43, №7, С. 804-807.

20. Горбачев П.А. О некоторых особенностях обработки сигналов при поиске нелинейных рассеивателей. // Радиотехника и электроника, 1998, Т.43, №10, С. 1216-1220.

21. Вернигоров Н.С., Борисов А.Р., Харин В. Б. К вопросу о применении многочастотного сигнала в нелинейной радиолокации. // Радиотехника и электроника, 1998, Т.43, №1, С. 63-66.

22. Ларцов C.B. О нелинейном рассеянии при использовании многочастотногои одночастотного зондирующих сигналов. // Радиотехника и электроника, 2001, Т.46, №7, С. 833-838.

23. Горбачев A.A., Ларцов C.B., Тараканов С.П. Измерение характеристик объектов, нелинейно рассеивающих электромагнитные волны. // Радиотехника и электроника, 2001, Т.46, № 6, С. 659-665.

24. Васенков A.A. О дистанционном обнаружении биологических объектов на основе нелинейного рассеяния электромагнитных волн // Радиотехника и электроника, 1999, Т.44, №5, С. 111-114.

25. Вернигоров Н.С. Использование нелинейного локатора для раннего обнаружения устройств звукозаписи. // Конфидент зашита информация 4. 2001, С. 50-54.

26. Вернигоров Н.С., Кузнецов Т.В. К вопросу о принципе сравнения в нелинейной радиолокации. ИНФОРМОСТ Радиоэлектроника и Телекоммуникации №3 (21), 2002.

27. Вернигоров Н.С. Неизвестная нелинейная локация как технология двойного применения.// Конфидент зашита информация 6. 2003, С. 80-83.

28. Щербаков Г.Н. Применение нелинейной радиолокации для дистанционного обнаружения малоразмерных объектов // Специальная техника , 1999 г, № 1, С. 34-39.

29. Щербаков Г.Н. Параметрическая локация новый метод обнаружения скрытых объектов. // Специальная техника, 2000, № 4, С. 52-57.

30. Щербаков Г.Н. Средства обнаружения управляемых взрывных устройств. // Специальная техника, 2000, № 5, С. 38-43.

31. Левин. Б.Р. Теоретические основы статической радиотехники. -М.: Радио и связь, 1989,-656 с.

32. Калабухов В.А., Ткачев Д.В. нелинейная радиолокация: принципы сравнения. // Специальная техника, 2001, № 2, С. 28.32.3ахаров A.B. Методика работы с различными моделями нелинейных локаторов. // Конфидент зашита информация 4. 2001. С. 43-47.

33. Eastman A., Hörle L. Proc. IRE, 1940, v. 28, p. 438.

34. Harger R.O. IEEE, 1976, v. AES-12, № 2, p. 230.

35. Danber D.A., Hull D. Mettra signature radars section measurement. Final Report instrmetion Manual. San-Diego, 1978.

36. Таблицы физических величин. Справочник // Под ред. Акад. И.К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976 г, 1008 с.

37. Воскресенский Д.И., Гостюхин B.JL, Максимов В.М., Пономарев Л.И. Антенны и устройства СВЧ. М.: Издательство МАИ, 1999 г. 528 с.

38. Хореев A.A. Способы и средства защиты информации М.: МО РФ, 1998 г -316с.

39. Куприянов А.И., Шевцов В.А., Сахаров А.В Основы защиты информации. М.: "Академия", 2006 г. 356 с.

40. Франческетти Дж., Пинто И. Нелинейные электромагнитные волны. М.: Мир, 1983.-316с.

41. Бакулев П.А, Сосновский. A.A. Радиолокационные и радионавигационные системы. М.: Радио и связь, 1994.-296 с.

42. Нелинейная радиолокация. Сборник статей. Часть 1/ Под ред. A.A. Горбачева, А.П. Колбанова, A.A. Потапова, Е.В. Чигина. М.: Радиотехника, 2005, - 96с.

43. Зыонг Дык Тхиен. Исследование возможностей и методов построение аппаратуры для нелинейной радиолокации. Сборник докладов VII-ой всероссийской юбилейной научно-технической конференции МАИ 2005, С. 204-206.

44. Зыонг Дык Тхиен. Реализация и экспериментальное исследование средств нелинейной радиолокации. Труды МАИ, 2007, №27.

45. Зыонг Дык Тхиен. Техническая реализация средств нелинейной радиолокации. Вестник МАИ, 2007, Т. 14, №2.