Нелинейные радиолокаторы

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.).

Максимальное  расстояние, на котором возможно выявление  ЗУ ограничено величиной 0,5 м. Данное значение соответствует варианту работы на открытых площадях или в больших необорудованных помещениях, например таких, как готовящийся к сдаче строительный объект. Для офисных помещений возможности обнаружения еще скромнее. Это связано с высокой концентрацией различных «помеховых» объектов (канцелярские принадлежности, оргтехника и т. п.).

С понятием максимальной дальности действия тесно связана  максимальная глубина обнаружения  объектов в маскирующей среде. Для строительных конструкций она может достигать несколько десятков сантиметров. Например, локаторы серии «Циклон» обнаруживают радиоэлектронные изделия в железобетонных стенах толщиной до 50 см, в кирпичных и деревянных - до 7 см.

Важной характеристикой  является и количество анализируемых гармоник переизлученного сигнала. Так как одновременный прием на двух гармониках зондирующего сигнала дает неоспоримые преимущества по сравнению с однотональным приемом: он дает возможность осуществлять идентификацию обнаруженных объектов.

Современные нелинейные локаторы имеют небольшие размеры, вес и позволяют работать как  от электросети, так и от автономных источников питания (аккумуляторов).

Среди основных способов селекции сигнала на фоне помеховых воздействий, вызванных  наличием в обследуемом пространстве случайных преобразователей частоты  зондирующего излучения, выделяют следующие:

- по относительному значению уровней принимаемого излучения на 2-й и 3-й гармониках частоты сигнала;

- по характеру  изменения амплитуды шума на  выходе приемника вблизи переизлучающего  объекта; 

- реакции объекта  на вибровоздействия;

- по наличию  информационных признаков в принимаемом сигнале.

1. Этот способ  применим для локаторов, снабженных  функцией приема на двух гармониках  частоты зондирующего сигнала.  Он основан на различии преобразующих  свойств полупроводниковых элементов  и случайных МОМ-структур.

Физическая сущность способа заключается в том, что для полупроводниковых элементов характерен более высокий уровень переизлученного сигнала на 2-й гармонике по сравнению с 3-й (примерно на 20-40 дБ), и наоборот, контактные источники помех переизлучают сигнал на 3-й гармонике с большим уровнем, чем на 2-й.

Рисунок. Способ селекции помех по относительному уровню 2-й и 3-й гармоник переизлученного  сигнала: а - обнаружен полупроводниковый элемент; б - в зоне облучения присутствует контактный источник помех

2. Характер изменения амплитуды шума на выходе приемника локатора также может служить признаком наличия объекта с нелинейной вольтамперной характеристикой.

Так, при приближении  антенны локатора к месту расположения полупроводникового элемента в головных телефонах, подключенных к выходу приемника, наблюдается значительное понижение уровня шума (примерно на 8-10 дБ). Минимальное значение U_ш имеет место на расстоянии AR от дислоцируемого объекта, не превышающем 5 см.

И наоборот, уменьшение расстояния между антенной и случайной МОМ-структурой сопровождается некоторым возрастанием уровня шума.

Применение данного  способа может быть несколько  ограничено следующими двумя факторами: данный способ может быть реализован только в локаторах, оснащенных амплитудным  детектором; некоторые типы случайных электрических контактов вызывают не увеличение, а уменьшение амплитуды шума на выходе приемника радиолокатора.