Технические характеристики нелинейного локатора Буклет-2. Физические основы нелинейной электромагнитной локации. Мощность передатчика. Составление структурной схемы устройства. Расчёт входной цепи. Малошумящий усилитель. Полосовые фильтры радиочастоты.
Аннотация к работе
Работа нелинейного локатора основана на свойстве полупроводниковых элементов при облучении их зондирующим СВЧ сигналом переизлучать вторую и третью гармоники этого сигнала. Столь широкий диапазон частот обусловлен разнообразием задач, решаемых различными моделями: от поиска электронных устройств негласного получения информации (радиомикрофонов, микрофонных усилителей, диктофонов и т.п.) в помещениях; поиска людей или объектов, отмеченных специальными нелинейными метками (спасательные операции в труднодоступной местности, например в горах, под завалами снега.); до обнаружения мин и взрывных устройств, оснащенных электронными взрывателями (системами инициирования), установленных на поверхности грунта, в грунте (снегу), под покрытиями дорог и на объектах. · использование 3-х видов модуляции зондирующего сигнала (импульсная модуляция несущей частоты PULSE, непрерывное излучение несущей частоты CW и непрерывное излучение несущей частоты с модуляцией по частоте сигналом 1 КГЦ (CW FM)) дает возможность сочетать большую дальность обнаружения с уверенной идентификацией обнаруженных устройств; 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. Исследования проводились в специальной измерительной лаборатории, близкой по параметрам к безэховой камере: ослабление сигнала составляло минус 55 ДБ, частота зондирующего сигнала НРЛС - 900 МГЦ, чувствительность - 10-11 Вт при отношении сигнал/шум 5 ДБ, мощность излучения в импульсе приемника для второй гармоники - 10 КВТ, поляризация приемно-излучающих антенн - круговая, высота подвеса антенн и объекта над радиопоглощающей поверхностью - 1,1 м.В данном дипломном проекте был спроектирован нелинейный радиолокатор, полностью отвечающий требованиям технического задания.
Введение
Работа нелинейного локатора основана на свойстве полупроводниковых элементов при облучении их зондирующим СВЧ сигналом переизлучать вторую и третью гармоники этого сигнала. Максимальный отклик от полупроводниковых элементов искусственного происхождения (транзисторы, диоды, микросхемы) наблюдается на второй гармонике зондирующего сигнала. А при облучении окисных пленок, образованных естественным путем, максимальный отклик наблюдается на третьей гармонике зондирующего сигнала.
В настоящее время в продаже доступно большое число нелинейных радиолокаторов, однако, практически все они производят обработку принятого сигнала в аналоговом виде. В данном дипломном будет разработан нелинейный радиолокатор, в котором обработка сигнала и управление режимами работы будет осуществляться в цифровом виде на базе цифрового сигнального процессора (ЦСП). Это позволит расширить функционал устройства, облегчить его настройку и модификацию, снизить габаритные размеры, массу, энергопотребление и стоимость. Что позволит создать устройство с высокой конкурентоспособностью.
1. Технико-экономическое обоснование темы
В настоящее время производится большое количество нелинейных радиолокаторов, работающих на частотах от 435 МГЦ, до 3580 МГЦ. Столь широкий диапазон частот обусловлен разнообразием задач, решаемых различными моделями: от поиска электронных устройств негласного получения информации (радиомикрофонов, микрофонных усилителей, диктофонов и т.п.) в помещениях; поиска людей или объектов, отмеченных специальными нелинейными метками (спасательные операции в труднодоступной местности, например в горах, под завалами снега.); до обнаружения мин и взрывных устройств, оснащенных электронными взрывателями (системами инициирования), установленных на поверхности грунта, в грунте (снегу), под покрытиями дорог и на объектах.
Нелинейные радиолокаторы можно разделить на две группы: с непрерывным и с импульсным излучением.
Нелинейный локатор Буклет-2 - является малогабаритным поисковым прибором, предназначенным для обнаружения электронных компонентов, как активных, так и пассивных, замаскированных в различных средах.
Индикация выявленных радиоэлектронных устройств обеспечивается через светодиодный индикатор, расположенный на корпусе устройства, либо через подключаемые наушники.
Нелинейный локатор Буклет-2 обеспечивает обнаружение приемопередающего оборудования и радиоэлектронных устройств, в том числе, таких как SIM-карты сотовых телефонов, диктофоны и др.
Дальность обнаружения - от 10 см до нескольких метров (зависит от типа обнаруживаемого устройства).
Нелинейный локатор Буклет-2 отличается: · Высоким качеством демодуляции принятого сигнала;
· Революционным дизайном, малыми габаритами и весом;
· Высокой эргономикой, мгновенной готовностью к работе;
· Возможностью использования в качестве досмотрового устройства.
Таблица 1.1. Технические характеристики нелинейного локатора Буклет-2
Вид зондирующего сигнала непрерывный
Эффективная излучаемая мощность 0,5 Вт
Чувствительность приемников -150 ДБВТ
Диапазон излучения 2400 МГЦ
Выбор свободного канала автоматический
Плотность потока энергии, создаваемая прибором в направлении излучения не выше 200 МКВТ/см. кв
Динамический диапазон 80 ДБ
Излучающая и приемные антенны круговая поляризация с коэффициентом эллиптичности не хуже 1,5
Вес изделия не более 350 г
Габариты 220 х 90 х 90 (30) мм
Питание Li-Ion аккумулятор
Время непрерывной работы не менее 3,5 часов
Время подзарядки локатора нелинейностей 1 час
Диапазон рабочих температур от -10 до 40 °С
Более функциональной моделью является SEL SP-171 «Катран-Люкс»:
Рис. 1.2. Нелинейный локатор SEL SP-171 «Катран-Люкс»
Нелинейный локатор (обнаружитель полупроводниковых элементов) «Катран-Люкс» предназначен для поиска и обнаружения электронных устройств, установленных в строительных конструкциях, предметах мебели и интерьера, и находящихся как в активном, так и в выключенном состоянии.
Обнаружитель «Катран-Люкс» позволяет проводить анализ откликов облучаемых объектов как по 2-й, так и 3-й гармоникам зондирующего сигнала, что дает возможность надежно идентифицировать электронные устройства и естественные окисные полупроводники. Одновременная индикация уровней сигналов второй и третьей гармоник осуществляется на светодиодном табло локатора.
Основные достоинства: · регулировка мощности излучения в широких пределах и возможность работы вблизи радиоэлектронных устройств;
· наличие режима автоматического регулирования выходной мощности существенно облегчает работу оператора.
· примененная цифровая обработка сигнала позволяет оптимизировать алгоритмы обработки сигналов и получить максимальную чувствительность;
· использование 3-х видов модуляции зондирующего сигнала (импульсная модуляция несущей частоты PULSE, непрерывное излучение несущей частоты CW и непрерывное излучение несущей частоты с модуляцией по частоте сигналом 1 КГЦ (CW FM)) дает возможность сочетать большую дальность обнаружения с уверенной идентификацией обнаруженных устройств;
· уровень второй и третьей гармоники попеременно можно оценивать на слух по частоте следования щелчков, воспроизводимых через встроенный динамик или подключаемые наушники.
· наличие детектора огибающей переизлученного СВЧ-сигнала позволяет прослушивать работающие электронные устройства, имеющие в своем составе акустический преобразователь.
· возможность работы как от аккумулятора, так и от сети 220 В.
Комплект поставки: · Приемопередающий антенный блок со штангой со сменной Li-Ion аккумуляторной батареей.
· Запасная Li-Ion аккумуляторная батарея.
· Зарядное устройство для аккумуляторной батареи.
· Сетевой адаптер для зарядного устройства.
· Головные телефоны.
· Комплект тестов по 2-й и 3-й гармонике.
· Руководство по эксплуатации, паспорт.
· Транспортная упаковка.
Таблица 1.2. Технические характеристики нелинейного локатора SEL SP-171 «Катран-Люкс»
Виды излучаемого сигнала: непрерывное излучение несущей частоты; импульсная модуляция несущей частоты; непрерывное излучение несущей частоты с модуляцией по частоте сигналом 1 КГЦ (CW FM)
Частота зондирования 800 МГЦ
Анализируемые гармоники 2-я и 3-я
Выходная мощность излучения: • в импульсном режиме не менее 15 Вт
• в непрерывном режиме излучения не менее 1 Вт
• в режиме CW FM не менее 1 Вт
Динамический диапазон регулировки мощности 20 ДБ, 11 градаций
Чувствительность радиоприемных устройств не хуже -110 ДБМ
Время непрерывной работы от одного аккумулятора при макс. излучаемой мощности: • для режима импульсной модуляция несущей частоты (Pulse) не менее 5 часов
• для режима непрерывного излучение несущей частоты (CW) и не менее 2 часов
Вес снаряженного изделия не более 1,7 кг
Общая длина изделия в рабочем состоянии 125 см
Общая длина изделия в сложенном состоянии 55 см
Рабочие температуры окружающей среды от 5 до 40 °С
Нелинейные радиолокаторы с импульсным излучением характеризуются меньшим потреблением тока, что повышает время автономной работы и / или позволяет снизить вес / габариты аккумулятора, что позитивно сказывается на эргономических характеристиках устройства.
Рис. 1.3. Профессиональный нелинейный локатор «NR-900V»
Назначение: · поиск электронных устройств негласного получения информации (радиомикрофонов, микрофонных усилителей, диктофонов и т.п.) в помещениях;
· выявление электронных устройств независимо от их функционального состояния - включено / выключено, в сторожевом или ждущем режиме.
Область применения: · обследование строительных конструкций, мебели и предметов интерьера.
Основные достоинства: · возможность работы в сложных помеховых условиях, высокая результативность поиска при обследовании капитальных строительных конструкций, режим «идентификация» снижает вероятность ложных обнаружений;
· дополнительный индикатор уровней сигнала, расположенный на антенной системе;
· продолжительное время непрерывной работы без замены источника питания.
Таблица 1.3. Технические характеристики нелинейного локатора «NR-900V»
Выходная мощность: • импульсная/ средняя не менее 160 Вт/ 0,11 Вт
• режим выделения огибающей (20К) не менее 22 Вт
Ослабление мощности зондирующего сигнала семь ступеней по 3 ДБ
Чувствительность приемников при отношении сигнал/шум 10 ДБ не хуже минус 150 ДБ / Вт [минус 120 DBM]
Ослабление уровней входных сигналов приемников пять ступеней по 10 ДБ
Антенна, поляризация направленная, круговая
Индикация: • звуковая головные телефоны
• визуальная светодиодный индикатор
Точность локализации цели не менее 0,1 м
Питание автономное
Время непрерывной работы от одного источника не менее 4 ч
Цена 283770.00 руб.
В качестве еще одного примера импульсного нелинейного радиолокатора можно привести NR-2000:
Основные конкурентные преимущества: · излучаемая мощность (ERP) - не менее 700 Вт;
· точная пространственная селекция при высокой производительности поиска;
· обнаружение СВУ на дальностях эквивалентных полевому локатору «Коршун»;
· невосприимчивость к техногенным помехам городской застройки;
· обнаружение радиоэлектронных устройств за армирующими строительными конструкциями;
· уверенное обнаружение малоразмерных целей в широком диапазоне сред вмещения (в том числе во влажных средах);
· моноблочная конструкция (ружейная компоновка «булпап»), отсутствие разъемных соединений и кабелей, антенная система на раздвижной штанге, подсветка зоны поиска делают прибор компактным и удобным в использовании как в помещениях так и при обследовании больших площадей на местности
Прибор позволяет обнаруживать: · SIM (UIM) карта - ? 1 метр.
· Мобильный телефон - более 1 метра.
Таблица 1.4. Технические характеристики нелинейного локатора «NR-2000»
Вид модуляции амплитудно-импульсная
Режимы работы «Поиск», «20К»
Средняя мощность СВЧ сигнала в режиме поиска не более 200МВТ
Плавная регулировка выходной мощности зондирующего сигнала до -15Дб с шагом 1 ДБ
Питание Li-ION аккумулятор 7,4 В
Время непрерывной работы от встроенного аккумулятора не менее 4 часов
Масса снаряженного прибора (со встроенным аккумулятором) не более 2,2 кг
Разработка устройства с заданными в ТЗ характеристиками целесообразно как с технической точки зрения, так и с точки зрения экономики. Использование современной элементной базы позволит сделать нелинейный радиолокатор с характеристиками не хуже, а по возможностям и функциональности выше, чем у приведенных фирм, а применение универсальных микросхем с высокой степенью интеграции позволит снизить экономические затраты на разработку устройства. Кроме того ряд важных для безопасности страны задач требует отечественной разработки аналогичных приемников.
2. Теоретическая часть
2.1 Краткая история открытия и исследования нелинейной радиолокации
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 [1]. 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 радиолокационной станцией (РЛС) METTRA с мощностью излучения 1 КВТ, несущей частотой 750 МГЦ и частотой следования импульсов 10 КГЦ. В [2] были приведены результаты экспериментальных исследований локатора METTRA на третьей гармонике для обнаружения с вертолета замаскированной бронетанковой техники. В [3] приведены теоретические расчеты и экспериментальные исследования с этим локатором для наклонного зондирования объектов в приповерхностном слое. Аналогичные работы велись и в России [4]. 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 [4,5], сводились, прежде всего, к определению нелинейной эффективной поверхности рассеяния металлического контакта а и ее зависимости от плотности потока падающей мощности Рпад. 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 [6]. 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 p-n 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 потока электромагнитного излучения. Избирательный прием этих составляющих позволяет расширить возможности нелинейных радиолокаторов по сравнению с обычными РЛС, использующими линейно-отраженный сигнал.
В одной из первых публикаций по использованию эффекта нелинейного рассеяния электромагнитных волн в радиолокации [6] 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 [6-11] 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.
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.
2.2 Физические основы нелинейной электромагнитной локации
Как уже отмечалось ранее, основным фактором, препятствующим использованию радиолокационного метода для создания средств поиска неподвижных малоразмерных объектов, является значительный уровень помех от окружающего фона. Практическое отсутствие нелинейных электромагнитных свойств у естественного фона (грунта, воды, растительности) позволяет регистрировать гармоники облучающего поля, возникающие за счет наличия объектов искусственного происхождения, находящихся в зоне поиска на поверхности грунта или в его толще. Нелинейными свойствами могут обладать некоторые горные породы с высокой концентрацией ферромагнитных включений, а также отдельные залежи сульфидных руд. Исследованиями установлено, что у реальных объектов наибольшими нелинейными свойствами обладают высокочастотные полупроводниковые радиодетали (транзисторы, диоды), а также точечные прижимные стальные контакты. Такими объектами являются (таблица 2.2.1): радиоуправляемые взрывные устройства и устройства промышленного шпионажа, стрелковое оружие, обломки самолетов и вертолетов, переносные радиостанции (в том числе и выключенные) и т.д. Объектами поиска могут быть также специальные нелинейные метки, используемые для скрытого обозначения различных объектов и участков местности, а также людей (например, спасателей в труднодоступных местах).
Таблица 2.2.1. Объекты поиска в нелинейной радиолокации
Объекты поиска Нелинейные элементы объектов поиска Области применения нелинейной радиолокации (варианты)
Устройства промышленного шпионажа аудио П/п радиодетали модулятора и УВ микропередатчика «Чистка» помещений от устройств коммерческой разведки конкурентов видео Фотоприемники, п/п радиодетали УВЧ (СВЧ) микропередатчика
Радиоуправляемые взрывные устройства (см. рис. 3.1) П/п радиодетали схемы радиоприемника и блока управления состоянием РВУ Предотвращение подрыва объектов террористами (офисов, автомобилей и др.)
Обломки самолетов и вертолетов Точечные контакты отдельных металлических элементов и обломков между собой. Обломки радиоэлектронной аппаратуры Дистанционное обнаружение обломков в труднодоступных местах (тайга, горы и т.д.)
Стрелковое оружие, мины Точечные и плоскостные металлические контакты деталей и патронов Борьба с терроризмом Разминирование
Переносные радиостанции и ЗР П/п радиодетали передатчика, приемника и системы наведения ЗР Дистанционное обнаружение террористических групп с воздушных носителей
Нелинейные маркеры Полупроводниковые диоды, нагруженные на антенны-отражатели Дистанционное маркирование подземных объектов, черных ящиков самолетов, участков местности и спасателей с земли и воздуха
На Рис. 2.2.1. приведен пример образца радиоуправляемого взрывного устройства непромышленного изготовления. Устройство устанавливается террористами под днище уничтожаемого автомобиля на магните.
Основные элементы: 1 - приемная электрическая антенна;
2 - металлический корпус;
3 - винт крепления магнита;
4 - радиосхема (приемник прямого усиления с реле времени);
5 - тумблер включения.
Как и в обычной (т.е. линейной) радиолокации, длина волны первичного (облучающего) электромагнитного поля должна быть соизмерима по величине с размерами объектов поиска. На более длинных волнах (в релеевской области) интенсивность отраженного поля будет мизерна изза явления дифракции (т.е. «огибания» поля вокруг объекта). На более коротких волнах - нелинейные свойства объектов поиска резко падают (особенно при l менее 0,3 м). При этом увеличиваются потери сигнала в маскирующем слое грунта, растительности или снеге.
Рис. 2.2.1. Типичный образец радиоуправляемого взрывного устройства непромышленного изготовления
Величины амплитуд гармоник отраженного электромагнитного поля зависят от многих факторов: вида вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик нелинейных элементов и их частотных свойств, взаимного расположения нелинейных элементов в пространстве, наличия реактивных нагрузок, соотношения между размерами объекта поиска и длины волны первичного поля, наличия маскирующего слоя грунта и его электрических параметров и др. Основная доля энергии, отраженной от объекта с нелинейными свойствами, сосредоточена на частоте падающего поля и только небольшая ее часть - на частотах гармоник. Отражательные характеристики объекта поиска в СВЧ диапазоне волн можно характеризовать переизлученной (нелинейной) мощностью Рн и эффективной площадью рассеяния на гармонике ?н, которую принято называть нелинейной эффективной поверхностью рассеяния (НЭПР).
При этом, по аналогии с эффективной поверхностью рассеяния (ЭПР), можно определить, что НЭПР есть отношение мощности излучения изотропного излучателя на частоте гармоники первичного поля, создающего в месте расположения приемного устройства такую же плотность потока мощности, как и реальный объект поиска, к плотности потока мощности первичного поля, падающего на объект поиска.
Теоретическое определение НЭПР реальных объектов поиска затруднительно. Поэтому на практике отражательные свойства объектов определяют экспериментально.
Многочисленные эксперименты, проведенные в 70-х годах XX в. с использованием малоразмерных объектов показали, что между падающим и отраженными полями дециметрового диапазона в свободном пространстве имеют место зависимости:
где - переизлученная мощность на частоте гармоники; - нелинейная ЭПР (НЭПР); - нормированная НЭПР, численно равная при равной 1 Вт/м2, имеет размерность м2т Вт1-m. Величина НЭПР зависит от направления в пространстве. Поэтому в дальнейшем, если специально это не оговорено, будем использовать их максимальные значения. Основные эксперименты данного цикла исследований проводились при составляющей от 0,03 до 3 Вт/м2 в диапазоне частот 0,5-1 ГГЦ. Для большинства реальных малоразмерных объектов эффекта «насыщения» НЭПР не наблюдалось. В то же время этот эффект имел место для резонансных объектов (полуволновых вибраторов с включенными в их центр нелинейными элементами) при больше 0,5-1 Вт/м2. Эти экспериментальные зависимости достаточно удовлетворительно согласуются с результатами других работ в области нелинейной радиолокации, посвященных обнаружению металлических объектов.
НЭПР нелинейных резонансных СВЧ маркеров составляет 10-4-10-6 м2 на второй гармонике. Причем в качестве линейной части маркера целесообразно использовать антенны магнитного типа (шлейф-вибраторы, рамки и др.). Это особенно важно при установке маркера в толщу полупроводящей среды (растительности, снега, грунта).
Экспериментально установлено, что НЭПР большинства малоразмерных объектов, содержащих не полностью экранированные электронные устройства в своей конструкции (неконтактные и электронно-контактные датчики и др.) составляют 10-7-10-11 м2 на второй гармонике и 10-10-10-12 м2 на третьей гармонике - при равной 1 Вт/м2. Например, НЭПР радиоуправляемого взрывного устройства (рис. 2.2.1) составляет 10-8м2 на второй гармонике и 10-10 м2 на третьей. Частота облучающего СВЧ поля составляет 840 МГЦ. Отражательная способность на гармониках объектов с нелинейными свойствами увеличивается с ростом плотности потока мощности падающей на них волны. Поэтому для увеличения дальности действия нелинейной радиолокационной станции (НРЛС) целесообразно увеличивать пиковую мощность зондирующего СВЧ импульса, то есть использовать мощные радиоимпульсы с большой скважностью.
Интересно отметить, что величины ЭПР этих же нелинейных малоразмерных объектов составляли 10-3-10-3 м2. То есть намного больше, чем их НЭПР на гармониках.
Перед созданием промышленного образца нелинейного локатора в СССР были проведены теоретические и экспериментальные исследования, основной задачей которых являлось выяснение зависимости основного уравнения радиолокационного наблюдения для нелинейного радиолокатора где . - принимаемая локатором мощность на n-й гармонике, r - расстояние до объекта, ? - степенная зависимость.
Данные исследования были вызваны тем обстоятельством, что введенная в [3-6] зависимость не соответствовала уже имеющимся натурным экспериментальным результатам для второй гармоники.
Исследования проводились в специальной измерительной лаборатории, близкой по параметрам к безэховой камере: ослабление сигнала составляло минус 55 ДБ, частота зондирующего сигнала НРЛС - 900 МГЦ, чувствительность - 10-11 Вт при отношении сигнал/шум 5 ДБ, мощность излучения в импульсе приемника для второй гармоники - 10 КВТ, поляризация приемно-излучающих антенн - круговая, высота подвеса антенн и объекта над радиопоглощающей поверхностью - 1,1 м. В качестве объектов использовались: реальный сложный объект - электронный взрыватель противотанковой мины без подключенного источника питания и четвертьволновой вибратор (для частоты зондирующего сигнала), нагруженный на диод 2А605Б - нелинейный вибратор. Для вибратора не предпринималось специальных мер согласования его входного сопротивления с входным сопротивлением нелинейного элемента (НЭ), что достигалось чисто конструктивно.
Из экспериментальных данных для сложного объекта значение a составляет 4,4, тогда как для нелинейного вибратора a равно 2,5. На Рис. 2.2.2. приведены экспериментальная (в) и аппроксимированная (г) зависимости для сложного объекта и экспериментальная (а) и аппроксимированная (б) для элементарного нелинейного объекта. Для реального объекта экспериментальная и аппроксимированная зависимости имеют несущественное различие, тогда как для элементарного объекта наблюдается их существенное расхождение.
Рис. 2.2.2. Экспериментальная зависимость принимаемой мощности от дальности для нелинейного вибратор (а, б, д) и реального объекта (в, г)
Подобное поведение принимаемой мощности от дальности было объяснено совершенно другими исследованиями, которые проводились параллельно с целью изучения влияния сверхмощного СВЧ-излучения на материалы, включая и полупроводниковые приборы. Подробно результаты этих исследований показаны в [12,13].
В этих экспериментах для контроля воздействия мощного СВЧ-излучения на полупроводниковые приборы впервые применялся метод дистанционной бесконтактной диагностики с использованием нелинейной локации [14,15]. Это позволило наблюдать процесс воздействия в реальном масштабе времени и установить несколько его этапов: • кратковременное изменение ВАХ - от длительности воздействующего СВЧ-импульса до долей секунды с последующим восстановлением первоначального значения;
• долговременное изменение ВАХ от одной до 60 минут с последующим восстановлением до исходной характеристики;
• необратимое (устойчивое) изменение ВАХ;
• предпробойное состояние - фриттинг, когда фиксировались произвольные флуктуации сигнала отклика, включая временные флуктуации длительности воздействующего импульса;
• необратимый вывод приборов из строя.
Иллюстрацией этому является рис. 2.2.4, на котором показана динамика необратимого изменения ВАХ.
Рис. 2.2.4. Изменение ВАХ диода КД514А от плотности потока облучающей мощности однократного импульса (1 - до облучения; 2 - 100 Вт/см2; 3 - 500 Вт/см2; 4 - 1 КВТ/см2)
Аналогичные результаты были получены с мощной НРЛС во время натурных испытаний для наклонного зондирования по обнаружению противотанковой мины с электронным взрывателем в активном (включенном) режиме, где в предпробойном состоянии происходила самоликвидация.
где - коэффициент нелинейного преобразования принимаемой нелинейным элементом мощности в мощность второй гармоники. Расчетная зависимость от мощности на нелинейном элементе для СВЧ-диода 2А605Б показана на рис. 2.2.5. На рис. 2.2.6 показана расчетная зависимость для нелинейного вибратора с диодом 2А605Б от рабочей частоты вибратора.
Рис. 2.2.5. Зависимость коэффициента нелинейного преобразования второго порядка от мощности для диода 2А605Б
Рис. 2.2.6. Зависимость коэффициента нелинейного преобразования от рабочей частоты вибраторов
Изменение зависимости . от (см. рис. 2.2.3) объясняется только зависимостью за счет изменения ВАХ диода. Изменения ВАХ ведет и к мгновенному изменению реактивных параметров НЭ [12], что еще более усугубляет его рассогласование с вибратором.
Изменение происходит при значительной ., когда объект обнаружен и производится его сопровождение. Сохранение в этой зоне уже не является определяющим. Методики [16, 18], которые используют теорию рядов Вольтера, не позволяют провести строгий анализ для сильного электромагнитного взаимодействия, когда происходит полное изменение исходных параметров объекта: параметрическое взаимодействие. Для сложного объекта зависимость и . до 1000 Вт/м2 меняется несущественно (см. Рис. 2.2.2.), что объясняется геометрическими размерами элементарных вибраторов сложного объекта, которые не согласованы ни с длиной волны на прием зондирующего сигнала, ни с - входным сопротивлением нелинейного элемента.
Проведенные экспериментальные исследования показали, что нелинейная локация обладает возможностью диагностики состояния цели [14] при ее облучении электромагнитным полем как инструмент контроля функционального поражения объекта электромагнитным оружием [19]. Этот аспект технологических возможностей нелинейной локации до настоящего времени не был известен широкому кругу исследователей.
2.3 Режим работы нелинейного радиолокатора
Как уже отмечалось в технико-экономическом обосновании, существуют нелинейные радиолокаторы работающие в импульсном или непрерывном режиме. Рассмотрим достоинства и недостатки этих режимов подробнее.
Радиолокаторы непрерывного излучения, как следует из названия, излучают зондирующий сигнал непрерывно. Теоретически, для простейшего нелинейного радиолокатора это означает более простое схемотехническое решение. Однако, в современных нелинейных радиолокаторах зачастую реализуются различные дополнительные режимы позволяющие с большей вероятностью выявлять ложные срабатывания. Например эффект затухания, заключающийся в том, что если вы слышите демодулированный аудиоотклик от настоящего полупроводника, то по мере приближения к нему уровень шумов будет значительно понижаться. И напротив, по мере удаления от него уровень шума начнет возрастать и постепенно вернется к нормальному. Демодулированный аудиосигнал достигает наименьшего значения непосредственно над полупроводниковым соединением и увеличивается до нормы в стороне от него. При приближении антенны нелинейного локатора к ложному соединению аудиошум может усилиться и достигнуть своего максимального значения непосредственно над ним или, в некоторых случаях, слегка уменьшиться. По мере удаления антенны нелинейного локатора аудиошум вернется к обычной норме. Для использования эффекта затухания нелинейный локатор непрерывного излучения обязательно должен иметь высококачественные малошумящие усилители в приемном тракте и хороший демодулятор для обеспечения качественного звука. Еще один метод аудиодемодуляции сигналов - импульсное излучение. Если частота следования импульсов выше порога частотного диапазона слышимости, то в этом случае для качественной демодуляции аудиосигнала достаточно простейшего АМ-демодулятора.
Использование эффекта затухания и / или аудиодемодуляции позволяют существенно повысить вероятность выявления реальных объектов на фоне ложных срабатываний без необходимости демонтажа строительных конструкций, в которых они могут быть установлены. Это существенно повышает скорость проверки обследуемого помещения. А так как данные эффекты проще реализуются в нелинейном локаторе, работающем в импульсном режиме, очевидно, что этот режим более перспективен.
Кроме того, импульсный режим позволяет существенно снизить расход тока аккумуляторной батареи, так как достаточно, чтобы приемник принимал сигналы с частотой доступной для восприятия человеческим слухом и зрением, в то время как передатчик выключается на значительные интервалы времени. Это позволяет уменьшить габариты и энергоемкость аккумуляторных батарей и источников питания.
На основании всего вышеизложенного было принято решение спроектировать в рамках данного дипломного проекта нелинейный радиолокатор, работающий в импульсном режиме.
2.4 Мощность передатчика нелинейного радиолокатора
Известно, что становлению радиотехники как науки в широком смысле этого слова, способствовало установление фундаментальных пределов, определяющих предельно достижимые параметры РЭА. В настоящее время под фундаментальным пределом понимают некоторый предел, за которым начинается лавинообразный рост (или уменьшение) какого-либо качественного показателя РЭА. Например, к настоящему времени в области антенной техники установлено четыре фундаментальных предела: электрически малая антенна, сверхнаправленная антенна, сверхразрешающие антенны и антенны с высоким усилением. Качественный анализ процессов, протекающих в нелинейных электрических элементах объектов поиска, показывают, что в нелинейной радиолокации также имеется свой фундаментальный предел - это предел дальности обнаружения. В большинстве случаев он обусловлен электрическим пробоем полупроводниковых нелинейных элементов р-n перехода полупроводникового радиоэлемента, точечного прижимного металлического контакта с туннельной проводимостью и др.). При удалении объекта поиска от НРЛС, при фиксированной чувствительности ее приемного устройства, требуется увеличивать плотность потока мощности падающего на объект СВЧ поля. Только в этом случае будет обеспечиваться обнаружение нелинейного объекта поиска. Однако при достижении определенной, в каждом случае, плотности потока мощности, произойдет пробой нелинейного элемента - чаще всего электрический пробой р-n перехода. При этом происходит лавинообразное уменьшение НЭПР объекта поиска, который становится «невидимым» для НРЛС. Именно величина максимально возможного наведенного напряжения на нелинейном элементе и будет определять (при фиксированной чувствительности приемника) дальность действия НРЛС по обнаружению конкретного объекта поиска. Наибольшая дальность будет обеспечиваться для объектов, в которых нелинейный элемент наилучшим образом согласован с переизлучающей антенной (т.е. остальной конструкцией). Именно в этом случае обеспечивается наибольшая переизлучаемая мощность (на гармониках) при меньшем напряжении на нелинейном элементе.
Необходимо отметить, что в обычной (т.е. линейной) радиолокации отсутствует фундаментальный предел по дальности обнаружения. Увеличение излучаемой мощности передатчика РЛС практически неограниченно увеличивает дальность обнаружения объектов вплоть до космических масштабов. Формально предел дальности здесь тоже может наступать при напряженности электрической составляющей падающего электромагнитного поля, сравнимой с внутриатомными напряженностями эл. поля вещества (металла, пластмассы), имеющими огромную величину.
В то же время пробой нелинейных элементов объектов поиска, как будет показано ниже, может наступать при сравнительно небольших плотностях потока падающего поля - вполне реализуемой современной техникой.
Оценим ве
Вывод
В данном дипломном проекте был спроектирован нелинейный радиолокатор, полностью отвечающий требованиям технического задания.
В процессе разработки был произведен обзор аналогичных устройств и необходимой теоретической базы. Были разработаны структурные и принципиальные схемы устройства, чертеж внешнего вида устройства и эскиз разводки печатной платы. В рамках экспериментального моделирования были рассмотрены полосовые фильтры на микрополосковых линиях.
Список литературы
1. Eastman A., Horle L. Proc. IRE, 1940, v. 28, p. 438.
2. Danber D.A., Hull D. Mettra signature radars section measurement. Final Report instrmetion Manual. San-Diego, 1978.
3. Harger R. О. Harmonic radar systems for near - ground in - foliage nonlinear scatterers. // IEEE. 1976. V. AES-12. №2, p. 230.
4. Штейншлейгер В.Б. К теории рассеяния электромагнитных волн вибратором с нелинейным контактом // Радиотехника и электроника, 1978, Т.23, №7, С. 1329-1338.
5. Штейншлегер В.Б. Нелинейное рассеяние радиоволн металлическими объектами. // Успехи физических наук, 1984, Т.142, вып. 1, С. 131-145.
6. Кузнецов A.C., Кутин Г.И. Методы исследования эффекта нелинейного рассеяния электромагнитных волн // Зарубежная радиоэлектроника, 1985, №4, С. 41-43.
7. Мусабеков П.М., Панычев С.Н. Нелинейная радиолокация: методы, техника и области применения. // Зарубежная радиоэлектроника, 2000, №5, с. 54-60.
8. Вернигоров Н.С. Неизвестная нелинейная локация как технология двойного применения. // Конфидент зашита информация 6. 2003, С. 80-83.
9. Щербаков Г.Н. Параметрическая локация новый метод обнаружения скрытых объектов. // Специальная техника, 2000, №4, С. 52-57.
10. Щербаков Г.Н. Средства обнаружения управляемых взрывных устройств. // Специальная техника, 2000, №5, С. 38-43.
11. Калабухов В.А., Ткачев Д.В. нелинейная радиолокация: принципы сравнения. // Специальная техника, 2001, №2, С. 28.32.3 ахаров A.B. Методика работы с различными моделями нелинейных локаторов. // Конфидент зашита информация 4. 2001. С. 43-47.
12. Вернигоров Н.С., Саркисьян А.П., Сулакшин А.А., Шаркеев Ю.П. Экспериментальные исследования воздействия импульсного СВЧ-излучения на материалы // Информост. 2002. №6. С. 51. Электронный вариант: www.informost.ru.
13. Вернигоров Н.С. Экспериментальные исследования воздействия сверхмощного СВЧ-излучения на полупроводниковые приборы как составной элемент аналога американской программы СОИ // Труды докладов 5-й Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы информационной безопасности общества и личности». Томск. 2003. С. 32.
14. Вернигоров Н.С., Борисов А.Р. Способ определения изменений вольт-амперной характеристи полупроводникового прибора. А.С. №1574040.
15. Вернигоров Н.С., Борисов А.Р., Парватов Г.Н. и др. СВЧ-метод дистанционной диагностики полупроводниковых приборов на основе нелинейного рассеяния // Тезисы докладов Всесоюзной конференции «Оптический, радиоволновый и тепловой методы неразрушающего контроля». Могилев. 1989. Ч. 2. С. 7.
16. Вернигоров Н.С. Процесс нелинейного преобразования и рассеяния электромагнитного поля электрически нелинейными объектами // РЭ. 1997. Т. 42, №10. С. 1181.
17. Вернигоров Н.С., Кузнецов Т.В. К вопросу о принципе сравнения в нелинейной локации // Информост. 2002, №3. С 7. Электронный вариант: www.informost.ru.
18. Франческетти Дж., Пинто И. Антенны с нелинейной нагрузкой // В кн. под ред. П. Усленги. Нелинейные электромагнитные волны. М.: Мир. 1983, 312 с.
19. Панов В.В., Саркисьян А.П. Некоторые аспекты проблемы создания СВЧ-средств функционального поражения // Зарубежная радиоэлектроника, 1995, №№10, 11, 12.
20. Вернигоров Н.С. Использование нелинейного локатора для раннего обнаружения устройств звукозаписи.
«Конфидент», 2001 г., №4, с. 50.
21. Дингес С.И. Мобильная связь: технология DECT. - М.: СОЛОН-Пресс, 2003 г., 272 с.
22. Побережский Е.С. Цифровые радиоприемные устройства. - М.: Радио и связь, 1987 г., 184 с.
23. V.N. Kurskii and V.V. Proklov. Advanced Mobile Communication Radiointerface (CTDMA). Architecture Based on SAW Components. IEEE Ultrasonics Symposium Proc. October 5-8, 1997, Ontario Canada.
24. M. Hikita, C. Takubo and K. Asai. New High Performance SAW convolvers and their fundamental experiments for Highbitrate CDMA communication system. IEEE Ultrasonics Symposium Proc. October 5-8, 1997, Ontario Canada.
25. Mitsutaka Hikita, Chizaki Takubo and Kengo Asai. New SAW Convolver demodulation technique for very high speed CDMA communication. IEEE Ultrasonics Symposium Proc. October 5-8, 1998, Sendai, Miyagi, Japan.
26. Марпл-мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990.
27. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М.:Мир, 1978.
28. САНПИН 2.1.8/2.2.4.1383-03 «Гигиенические требования к размещению и эксплуатации передающих радиотехнических объектов».
29. САНПИН 2.2.2/2.4.1340-03 «Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы».
30. ГОСТ Р 50948-96 «Средства отображения информации индивидуального пользования. Общие эргономические требования и требования безопасности».
31. СНИП 23-05-95 «Естественное и искусственное освещение».
32. САНПИН 2.2.1 / 2.1.1.1278-03 «Гигиенические требования к естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых и общественных зданий».
33. ГОСТ 12.1.006-84 «Электромагнитные поля радиочастот. Допустимые уровни на рабочих местах и требования к проведению контроля».