Нелинейные радиолокаторы

Уфимский Государственный  Авиационный Технический Университет

Кафедра вычислительной техники

и защиты информации

Реферат.

Тема: Нелинейные радиолокаторы.

Выполнил: студент

группы ЗИ-216

факультета ИРТ

Карасев Павел

Проверил: доцент, к.т.н.

Машкина И. В.

Уфа 2004 г.

Содержание

Введение 1

Общие сведения о нелинейных локаторах 1

Теоретические и экспериментальные  исследования в нелинейной радиолокации 5

Эффект затухания 10

Основные  характеристики нелинейных радиолокаторов 11

Заключение 15

Список  литературы 17

Введение

На практике используются разнообразные электронные  устройства съема информации, не являющиеся радиопередатчиками. В этом и заключается  сильная сторона нелинейного  локатора, который может обнаруживать и определять местоположение любых  электронных устройств, независимо от того, работают они или нет.

Общие сведения о нелинейных локаторах

Одной из наиболее сложных задач в области защиты информации является поиск внедренных ЗУ, не использующих радиоканал для  передачи информации, а также радиозакладок, находящихся в пассивном (неизлучающем) состоянии. Традиционные средства выявления такие, как панорамные радиоприемники, анализаторы спектра или детекторы поля, в этом случае оказываются неэффективны. Визуальный осмотр также не гарантирует обнаружение подобных ЗУ, так как современные технологии позволяют изготовлять их с любым видом камуфляжа, прятать в элементах строительных конструкций и интерьера.

Именно эта  проблема и привела к появлению  совершенно нового вида поискового прибора, получившего название нелинейного радиолокатора. Своим названием он обязан заложенному физическому принципу выявления подслушивающих устройств.

Дело в том, что технические средства промышленного  шпионажа являются радиоэлектронными  устройствами. В их состав входят полупроводниковые элементы (диоды, транзисторы, микросхемы), для которых характерен нелинейный вид вольтамперной характеристики, связывающей протекающий через p-n-переход электрический ток I с приложенным напряжением U. Наличие такой нелинейной связи приводит к возникновению на выходе полупроводникового прибора бесконечно большого количества переменных напряжений (гармоник) с частотами f_n = n*f₀, где n = 1,2,3... (любое натуральное число), а f₀- частота зондирующего сигнала, действующего на входе полупроводникового прибора. Сам факт возникновения сигнала с частотой f₀ на входе полупроводникового элемента обязан явлению наведения ЭДС и токов в случайных антеннах, которыми могут оказаться проводники печатных плат или другие компоненты ЗУ при облучении их высокочастотным сигналом.

Таким образом, нелинейный локатор - это прибор, который  просто реализует следующий принцип: излучает электромагнитную волну с  частотой f₀, а принимает переизлученные сигналы на частотах f₀. Если такие сигналы будут обнаружены, то в зоне действия локатора есть полупроводниковые элементы, и их необходимо проверить на возможную принадлежность к ЗУ.

В соответствии с вышесказанным нелинейный радиолокатор обнаруживает только радиоэлектронную аппаратуру и, в отличие от классического  линейного радиолокатора, «не видит» отражений от окружающих предметов, то есть обладает высокой избирательностью.

Эффективность выявления радиоэлектронных устройств  по признаку наличия нелинейных элементов  определяется не только техническими параметрами аппаратуры, но и свойствами обследуемого объекта — перекрытия, стены, мебель и т.п. Практика применения НРЛ показала, что отклики на гармониках сигнала облучения создаются не только специальными полупроводниковыми приборами, но и различными металлическими элементами конструкций, которые контактируют между собой.

Наиболее типичными  структурами, создающими помехи, являются металлический каркас и арматура железобетонных зданий, металлические  конструкции оконных и дверных  коробок, арматура подвесных потолков и пр. Образующиеся нелинейные элементы выявляются НЛР аналогично “настоящим” полупроводникам.

Источниками помех  для его работы также могут  служить контакты со слабым прижимом, для которых характерно наличие  промежуточного окисного слоя (сваленных  вместе канцелярские скрепки, монеты, плетеные сетки) или просто подверженные коррозии металлы. В редких случаях (при большой мощности излучения) нежелательный эффект могут дать паяные и сварные соединения.  

Рисунок 1. Вольтамперные  характеристики соединений, вызывающих появление высших гармоник в переизлученном сигнале: а - характеристика p-n-перехода полупроводникового прибора; 6 - характеристика случайного перехода «металл-окисел-металл»

Нелинейные элементы, образованные в результате механического  контакта металлических поверхностей через тонкую пленку окисла по аналогии, условно, назовем “ложными” (контактными, коррозийными) полупроводниками.

Причина возникновения  указанных помех связана с  тем, что слабые металлические контакты, как правило, представляют собой  квазинелинейные элементы с устойчивым p-n-переходом, вызванным наличием окислов на поверхности металлов. В физике полупроводников подобные структуры известны как: металл-окисел-металл», а нелинейные элементы такого типа называются МОМ-структурами. Вольтамперная характеристика случайного соединения, в отличие от характеристики p-n-перехода, обычно симметрична. Примерный вид ее показан на рисунке 1(б).

При достаточно малой толщине окисной пленки (менее десятков A) основным механизмом переноса носителей через контакт  является туннельный эффект. При небольших напряжениях (менее 1 В) и одинаковых металлах, ВАХ контакта можно аппроксимировать полиномом третьей степени. При напряжении на контакте более ~ 1,5 В ВАХ становится более крутой, а при дальнейшем увеличении — неустойчивой и в большинстве случаев наступает необратимый пробой контакта. Существенной особенностью ВАХ контактных полупроводников является ее неустойчивость при механическом воздействии (изменении давления на контакт).

Теоретические и экспериментальные  исследования в нелинейной радиолокации

 
   Интенсивные исследования в  области нелинейной локации начались  в начале 60-х гг. минувшего века, хотя эффект нелинейного взаимодействия  был обнаружен еще в 1939 г.  на судах ВМС США как эффект "ржавого болта", приводящий  к помехам при работе мощных коротковолновых судовых радиостанций. При рассмотрении взаимодействия ЭМП и нелинейного перехода на основе металлического контакта все внимание было уделено анализу преобразования частоты для третьей гармоники. В 70-х гг. интенсивность исследований резко возросла. В 1972 г. создается опытный образец американской НРЛС METTRA с мощностью излучения 1 кВт, несущей частотой 750 МГц и частотой следования импульсов 10 кГц. В это же время проводятся теоретические расчеты и экспериментальные исследования с этим локатором для наклонного зондирования объектов в приповерхностном слое. Аналогичные работы велись и в России. Нетрудно понять, что эти исследования проводились с целью обнаружения мин, в том числе с электронными взрывателями. Широкое применение последних впервые было осуществлено Великобританией во время военного конфликта на Фолклендских островах. Позднее были проведены экспериментальные исследования локатора METTRA на третьей гармонике для обнаружения с вертолета замаскированной бронетанковой техники. Результаты были отрицательными. Дальность (высота) обнаружения оказалась неудовлетворительной. В известных работах по НРЛ, все исследования сводились к определению нелинейной эффективной поверхности рассеяния (НЭПР) металлического контакта s и ее зависимости от плотности потока падающей мощности (П_пад.). Но эта зависимость напрямую связана с зависимостью коэффициента нелинейного преобразования энного порядка (x_n) от величины подводимой к контакту мощности. Расчет значения x_n является наиболее трудоемким процессом. Зависимость НЭПР металлического контакта от наведенной ЭДС для третьей гармоники имеет квадратичный характер от подводимой мощности. 
   В начале 80-х гг. публикации иностранных исследователей по НРЛ резко прекратились. Однако отечественные исследования показали, что экспериментальные значения дальности обнаружения на второй гармонике не совпадали с расчетами по предложенной модели для третьей гармоники. Это потребовало проведения теоретических расчетов зависимости x₂ =f(Р_{пр объект}). Параллельно были проведены теоретические расчеты зависимости x₂, x₃ от частоты зондирующего сигнала.

Следует отметить, что ВАХ любого p-n-перехода обладает температурной зависимостью, а, следовательно, и x_n также будет зависеть от температуры.   

 Расчеты проводились  как для СВЧ, так и для низкочастотных диодов. 
   На рис. 1 показана зависимость x₂ = f(Р_{пр НЭ}) для диода 2А605Б, из которой следует, что x₂ = k Р_{пр НЭ}, где k = dx/dР_{пр НЭ} = const и для условий расчета k = 2,14х10-5 (1/Вт) в интервале Р_{пр НЭ} = (10-3e5,5) Вт.  
   На рис. 2 приведена зависимость x₂, x₃ = f(t,оС), подтвержденная экспериментально. Расчеты и эксперимент показывают, что x₃ более чувствительна к изменению температуры. Этот факт очевиден и из теории полупроводниковых приборов. Температурная зависимость x имеет большое практическое значение в условиях российского климата со средними перепадами температур от -30оС до +40оС. При практическом использовании локатора, например, в условиях Чечни для обнаружения радиоуправляемых фугасов, этот фактор также будет влиять на максимальную дальность обнаружения в зависимости от погодного сезона.  

 

Полученные теоретические  результаты свидетельствуют, что x₂, а, следовательно, и s₂ прямо пропорциональны величине принимаемой объектом мощности (рис. 1), что равнозначно линейной зависимости от П_пад и Р_{изл локт}  

 Экспериментальные  исследования Р_{пр лок} от дальности для нелинейного отражателя в виде симметричного вибратора с диодом 2А605Б проводились в безэховой камере, близкой к свободному пространству, и показали, что Р_{пр лок} = f(1/r₄). Был проведен эксперимент по наклонному зондированию малоразмерного сложного объекта. И здесь зависимость принимаемой мощности от дальности для второй гармоники полностью соответствовала классической. Первое практическое применение отечественного нелинейного локатора на второй гармонике произошло во время боевых действий в Афганистане для обнаружения противотанковых мин с электронными взрывателями производства стран НАТО. Второе применение мощного локатора осуществилось аналогично локатору METTRA на вертолете для обнаружения остатков разбившегося в 1992 г. вертолета в Тюменской области.

Таким образом, основное уравнение для НРЛ на второй гармонике будет иметь  вид:

где G_{вибр пр}, G_{вибр изл} - коэффициенты приемной и излучающей антенн вибратора (объекта) для l_изл - принимаемой длины волны и l_изл/2 - второй гармоники частоты, излучаемой вибратором соответственно.  
   В соответствии с моделью канала наблюдения в НРЛ уравнение (1) можно записать как для радиолокационного наблюдения с активным ответом в режиме "свой - чужой". В канале с активным ответом активный ответчик принимает частоту запроса с l_запрос, формирует свой сигнал на частоте ответа с l_ответ № l_запрос, при этом антенны ответчика согласованы как на прием, так и на передачу.

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].