Исследование возможностей и методов построения аппаратуры для нелинейной радиолокации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.14, кандидат технических наук Зыонг Дык Тхиен

• Зыонг Дык Тхиен
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Зыонг Дык Тхиен

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование возможностей и методов построения аппаратуры для 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 [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.

Заключение диссертации по теме «Радиолокация и радионавигация», Зыонг Дык Тхиен

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Зыонг Дык Тхиен, 2007 год

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.