Нелинейные радиолокаторы

    В нелинейной локации ситуация аналогичная: активный ответчик - нелинейный объект принимает частоту запроса от НРЛ с l_{изл локт}, а ответ посылает на преобразованной частоте гармоник с l_ответ = l_излокт/n, где n - номер гармоники. Разница в том, что здесь одна и та же антенна объекта принимает излучение генератора и излучает преобразованную длину волны как ответчик. При этом ни приемная, ни излучающая антенны нелинейного ответчика не согласованы ни на прием, ни на излучение преобразованного сигнала. КПД преобразования принятой мощности (энергии) в мощность (энергию) гармоник соответствует безразмерной величине x_n, которая очень мала, при этом для разных гармоник имеет свою зависимость от Р_пр.

    Тогда (1) можно преобразовать к классическому  виду активного наблюдения: 

 
где: r₁ - расстояние от локатора до объекта, r₂ - расстояние от объекта до локатора, и представляют уравнение связи для НРЛ.

    Уравнение связи в НРЛ постоянно используется оператором во время поисковых мероприятий. При неизменной мощности излучения происходит регулировка чувствительности приемника, что указывает на изменение расстояния r₂ в сторону уменьшения, хотя принимаемая объектом мощность в этом случае возрастает.

    Здесь под круглой скобкой - величина мощности, принимаемая вибратором как активным ответчиком и подводимая к нагрузке; под квадратной скобкой - величина мощности второй гармоники, преобразованной нелинейным вибратором - ответчиком; под фигурной скобкой - величина плотности потока мощности, излучаемая ответчиком - вибратором. Последний сомножитель представляет собой эффективную площадь S_а приемной антенны локатора на частоте второй гармоники.  

      При рассмотрении реального объекта  можно видеть, что его антенна  - это статистически неопределенный  набор (ансамбль) элементарных вибраторов, нагруженных на нелинейные элементы, имеющих произвольные значения длин l и расположенных в пространстве произвольным образом. Этот же набор элементарных вибраторов является и излучающей антенной объекта. При этом происходит взаимное влияние вибраторов друг на друга по всему ансамблю. Задача математического моделирования антенны со статистически неопределенным ансамблем взаимно дополняющих активных элементов антенны с различными параметрами на сегодня не решена.  

         Однако не следует забывать, что НЭПР не является const даже для одного и того же объекта, а представляет собой многофункциональную зависимую величину: s = f[П_пад = f(Р_{изл. локт}, r), l_изл., t,оС].

    Для эталонного нелинейного отражателя, параметры которого на прием - излучение и величина принимаемой отражателем мощности, подводимой к нагрузке - поддаются расчету, следует использовать уравнение наблюдения с активным ответом по (2). Уравнения (1, 2) применимы к любой гармонике. На заре теоретических исследований по нелинейной локации формально была введена зависимость Р_{пр. локт.} от дальности в степени (2n+2, 2mn+2) безо всякой привязки как к параметрам самого локатора, так и к частотной зависимости, хотя очевидно, что излучаемая объектом мощность есть функция Р_{изл. объект.} = f(xn).

    В дальнейшем было рассмотрено влияние антенно-фидерного тракта нелинейного объекта в виде рупорной антенны на дальность его обнаружения, и приведен расчет при внеполосном зондировании для обнаружения малозаметных летательных объектов типа ракеты Patriot с помощью НРЛС на второй гармонике преобразованного сигнала. Расчет проводился для оптимизации частоты излучения локатора с целью уменьшения его мощности при заданной дальности обнаружения ракеты в три километра. Выбор модели с рупорной антенной продиктован тем, что позволяет смоделировать коэффициент усиления антенны от единиц до 3х103, что соответствует коэффициенту усиления фазированных антенных решеток любого типа, моделировать в широких пределах рабочий диапазон частот антенны объекта при наиболее простом, но строгом математическом моделировании самой антенны.

    Многие  результаты по нелинейной локации до сих пор не подлежат публикации в  открытой печати.

    Несмотря на свою специфичность, принципы нелинейной локации нашли себе и «мирное применение». Впервые принципы нелинейной радиолокации были применены еще в середине 70-х годов, когда на контрольно-пропускных пунктах заводов и складов установлены устройства предупреждения о попытке скрытного выноса радиоаппаратуры или ее электронных компонентов. После этого идеей заинтересовались спецслужбы и стали разрабатываться приборы обнаружения скрытых электронных средств разведки и радиовзрывателей.

    Так, например, в настоящее время получили широкое распространение системы обнаружения несанкционированного выноса предметов из магазинов, поиск людей в снежных завалах и разрушенных зданиях, контроль багажа авиапассажиров и т. д.

    Первым  устройством, поступившим на вооружение спецслужб, в частности ЦРУ, был  локатор Superscout, серийный выпуск которого начался с 1980 года. В 1981 году появился британский Broorn, который несколько уступал американскому аналогу. Наш отечественный серийный локатор появился в 1982 году и назыался «Орхидея». Правда, раньше ему предшествовали несколько уникальных образцов, но они были сняты с появлением «Орхидеи». 

    Эффект затухания 

     Многие профессионалы полагаются на “эффект затухания” при идентификации  полупроводниковых соединений.

    Если  вы слушаете демодулированный аудиоотклик  от полупроводника, при приближении  к нему антенны НЛ произойдет значительное понижение шумов. При удалении антенны шум усилится и достигнет нормального уровня. Аудиошум имеет наименьшую величину непосредственно над полупроводником и нормальный уровень - в стороне от него, При приближении антенны НЛ к ложному полупроводнику аудиосигнал может усилиться и достигнуть максимума непосредственно над ним или в некоторых спучаях уровень шума понизится как в случае с настоящим полупроводником. При удалении антенны аудиошум достигнет собственного уровня.

    Очень важно понять, что в основе теории “аффекта затухания” лежит очень простой процесс. В общем говоря, если НЛ излучает немодулированный сигнал, то принимаемый гармонический сигнал также будет немодулированным, что и выражается в звуковом “эффекте затухания”.

    Аудиодемодупяция, необходимая для “эффекта затухания”, может быть реализована как в импульсных, так и в НЛ постоянного излучения 
 
 
 
 

    Основные  характеристики нелинейных радиолокаторов 

К основным характеристикам нелинейных радиолокаторов относятся:

- значения рабочих частот зондирующих сигналов;

- режим излучения и мощность передатчика;

- форма, геометрические размеры и поляризация антенн;

- точность определения местоположения переизлучающего объекта;

- чувствительность приемника; максимальная дальность действия и глубина, на которой возможно обнаружение закладки внутри радиопрозрачного материала;

- количество анализируемых гармоник;

- размеры, вес и тип питания радиолокатора.

    Рассмотрим эти характеристики более подробно.

    Значения рабочих частот передатчиков всех типов локаторов находятся в пределах от 400 до 1000 МГц (рабочие частоты приемников, соответственно, составляют удвоенную или утроенную частоту передатчиков). Однако большинство отечественных и зарубежных образцов работают в диапазоне, близком к 900 МГц. Такой выбор обусловлен компромиссом в решении следующего противоречия:

    С одной стороны, чем ниже частота зондирующего излучения, тем лучше его проникающая способность внутрь предметов и сред, в которых могут быть спрятаны ЗУ, и больше относительный уровень высших гармоник в переизлученном сигнале; с другой - чем выше частота излучения, тем уже диаграмма направленности антенны локатора при фиксированных геометрических размерах, следовательно выше плотность потока мощности зондирующего сигнала (кроме того, на высоких - частотах лучшими свойствами обладают случайные антенны, в качестве которых выступают ножки навесных элементов, проводники печатных плат и т. п., а их размеры, невелики).

    К сожалению, многие нелинейные радиолокаторы функционируют на фиксированных частотах без возможности перестройки. Причина такого подхода - упрощение схемотехнических решений, то есть существенное снижение цены. Расплачиваться за такое упрощение приходится худшими эксплуатационными характеристиками, так как на частотах приема могут присутствовать излучения посторонних радиоэлектронных средств. И если даже уровни мешающих сигналов невелики, их может быть достаточно для нарушения нормальной работы радиолокаторов, так как чувствительность приемных устройств очень велика.

    Естественно, более удобны в эксплуатации локаторы, имеющие возможность перестройки в определенном диапазоне. Так, например, в нелинейном локаторе Orion (NJE-400) фирмы Research Electronics International (REI) предусмотрен автоматический режим выбора рабочей частоты в диапазоне 880...1000Мгц. Ее оптимальное значение определяется по наилучшим условиям приема для 2-й гармоники частоты зондирующего сигнала.

    От  рабочей частоты зависит форма  и геометрические размеры антенн, важной характеристикой которых  является поляризация. Передающие антенны имеют, как правило, линейную, а приемные - круговую поляризацию.

    Точность  определения местонахождения радиоэлектронного  устройства, которую позволяют достигать используемые размеры антенн, соответствует нескольким сантиметрам. Например, для локаторов «Родник» и «Циклон» - это 2 см.

    Следующей группой характеристик нелинейных локаторов являются режим работы передатчика, излучаемая мощность и  чувствительность приемника.

     В зависимости от режима работы нелинейные локаторы делятся на локаторы с непрерывным и импульсным излучением. Практически все зарубежные приборы и некоторые отечественные работают с непрерывными зондирующими сигналами малой мощности (10...850 мВт). Большинство отечественных локаторов работают в импульсном режиме излучения с пиковой мощностью 5...400 Вт. Из-за простоты используемых приемных устройств импульсные локаторы значительно дешевле непрерывных.

    Следует отметить, что высокая мощность и характер излучении импульсных локаторов могут создать определенные проблемы в плане электромагнитной совместимости со средствами связи, навигации, телевещания, датчиками пожарной и охранной сигнализации и т. д. Кроме того, зондирующее излучение оказывает негативное воздействие на операторов, эксплуатирующих аппаратуру. Поэтому, в соответствии с санитарными нормами, мощность современных локаторов ограничена максимальным значением 3...5 Вт для непрерывного режима и средним значением 0,1...1,5 Вт (до 400 Вт в импульсе) - для импульсного. Однако даже при таких ограничениях у оператора после часа работы часто начинают болеть глаза, так как именно они наиболее чувствительны к СВЧ-излучению.

    Некоторые современные нелинейные локаторы имеют возможность изменения мощности зондирующего сигнала. Так, в локаторе NJE-400 уровень непрерывного излучения регулируется в пределах от 0,01 до 1 Вт, а в радиолокаторе «Циклон-М» пиковое значение импульсной мощности - от 80 до 250 Вт. Более того, приемник локатора Superbroom Plus снабжен функцией автоматического установления мощности излучения в зависимости от величины принимаемого сигнала на 2-й гармонике.

    Чувствительность  приемников современных нелинейных локаторов лежит в пределах от 10-15 до 10-11 Вт. У импульсных она несколько хуже, что объясняется соответствующим превосходством пиковой мощности импульсных передатчиков (примерно на 35-40 дБ). В большинстве радиолокаторов используются приемники с регулируемой чувствительностью. Диапазон регулировки этого параметра составляет 30...50 дБ.

    В соответствии с законом сохранения энергии (чем выше номер принимаемой гармоники n, тем меньше ее амплитуда) в современных локаторах активизируются только 2-я и 3-я гармоники зондирующего сигнала. Тем не менее, нелинейные радиолокаторы являются приборами ближнего действия, так как коэффициент преобразования энергии облучающего сигнала в энергию высших гармоник очень мал. Конкретная дальность действия зависит от множества факторов. В первую очередь, это тип обнаруживаемого устройства, наличие у него антенны и ее длина, условия размещения объекта поиска (в мебели, за преградами из дерева, кирпича, бетона и т. п.).