Использование эффекта нелинейного рассеяния электромагнитных волн для обнаружения закладных устройств

Способность обнаруживать радиоэлектронные объекты с использованием эффекта нелинейного рассеяния электромагнитных волн основана на физическом свойстве полупроводниковых приборов при их облучении зондирующим сигналом преобразовывать частоту сигнала в кратные гармоники с последующим их излучением в эфир. При этом процесс преобразования не зависит от состояния облучаемого радиоэлектронного устройства (включено или выключено питание устройства). Приём локатором высших гармоник собственного излучения (одной или двух) практически однозначно устанавливает присутствия в зоне зондирования радиоэлектронного изделия любого функционального назначения и в любой маскировке.

Следует отметить, что эффектом нелинейного рассеяния обладают не только радиоэлементы имеющие pn переходы, но и металлические элементы имеющие контакты друг с другом. Электрический контакт любых двух металлов осуществляется, как правило, через плёнку окиси, являющейся диэлектриком. Такой контакт представляет собой систему металл — диэлектрик — металл. При малой толщине диэлектрика (порядка десяти ангстрем) прохождение электрического тока через систему металл — диэлектрик — металл происходит благодаря квантовому эффекту проникновения электронов сквозь энергетический барьер (туннельный эффект). При небольших значениях тока вольт — амперная характеристика (ВАХ) такого контакта апроксимируется выражением:

i = (U + BU3) / R0,.

B — коэффициент, В-2, R0 — сопротивление перехода, Ом.

Вид характеристики обусловлен различной толщиной слоя диэлектрика и типом контактирующих металлов. Из формулы видно, что если на контакт металлдиэлектрик — металл подать гармоническое напряжение то ток протекающий через контакт помимо основной гармоники f1 будет содержать и третью гармонику.

Очевидно, что, а отличие от источников рассеянных сигналов в виде металл — диэлектрик — металл при подаче на нелинейные полупроводниковые приборы гармонического напряжения ток протекающий через них будет иметь в своём составе, помимо третей гармоники частоты f1, вторую, третью и т. д. гармоники и их амплитуда зависит от вида ВАХ.

Разработанные эквивалентные электрические схемы для каждого конкретного случая лежат в основе теоретических исследований эффекта нелинейного рассеяния, основной задачей которого является определение отражающих свойств объектов и их элементов и разработка наиболее эффективных методов нелинейной радиолокации.

Экспериментальное обнаружение эффекта нелинейного рассеяния является весьма сложной задачей, что обусловлено очень большой разницей уровней зондирующего и принимаемого сигналов, достигающей 120 — 150 дБ, а также необходимостью перекрытия широкого диапазона частот отражённых сигналов (единицы ГГц).

Обнаружение эффекта нелинейного рассеяния во временной области считается практически нецелесообразных, так как разница в уровнях гармоник составляет 30 — 80 дБ, а частоты весьма высоки 0,1 -18 ГГц, поэтому используются СВЧ измерители в частотной области.

Недостаток прямого метода измерения считается то, что при увеличении мощности генератора на основной частоте возникает проблема подавления высших гармоник генератора. Для этого используют ВЧ полосовые фильтры на гармониках излучаемого сигнала, а так же разносят в пространстве и экранируют передающие и приёмные устройства.

Косвенный метод измерений свободен от недостатков прямого метода. Суть его заключается в том, что исследуемый объект облучается с помощью двух генераторов на частотах f1 и f2, а приём осуществляется на одной из комбинационных частот: 2f2 — f1; 2f1 — f2; 3f2 — f1 и т. д.

При использовании этого метода не требуются генераторы с низким уровнем гармоник в зондирующем сигнале. Кроме того, вся приёмная аппаратура и волноводный тракт настроенный на один диапазон частот. Один из недостатков метода — сложность настройки измерительной аппаратуры.

Сравнение возможностей этих двух методов показывает, что прямой метод измерений более информативен поскольку позволяет определять не только энергетические, но фазовые и поляризационные характеристики исследуемого объекта.

Дальность действия нелинейной РЛС (НРЛС) ограничивается энергетическим потенциалом, коэффициентом шума приёмного устройства, а также паразитными нелинейными эффектами. Паразитные нелинейные эффекты обусловлены наличием гармоник в зондирующем сигнале и возникновением гармоник сигнала, отражённого от элементов конструкции носителя НРЛС при их облучении боковым излучением передающей антенны или отражёнными от подстилающей поверхности колебаниями передатчика. Уровень гармонических составляющих после отражения от подстилающей поверхности или линейной части рассеивателя может превышать сигнал от цели, находящейся на той же дальности. Расчёты и эксперименты показали, что отражение от подстилающей поверхности оказывает более существенное влияние на ограничение дальности НРЛС, чем паразитные эффекты, связанные с возникновением гармоник в элементах конструкций.

В качестве характеристики отражающих свойств нелинейных рассеивателей используют понятие нелинейной эффективной площади рассеяния (ЭПР). При этом исходят из того, что нелинейная ЭПР должна определяться по той же методике, что и линейная, но вместе с тем учитывают нелинейность цели (наличие гармоник и интермодуляционных составляющих рассеянного сигнала; раздельно наблюдают влияние различных нелинейностей (квадратической, кубической и т. д.), учитывают зависимость от падающего потока мощности).

Разработки нелинейных локаторов начались в США, Великобритании и СССР в середине 70-х годов. Первым устройством, поступившим на вооружение ЦРУ был локатор «Super Scout», серийный выпуск которого был начат в 1980 году. В 1981 году появился британский локатор «Broom», который несколько уступал по параметрам американскому аналогу. Первым в СССР в 1982 году был локатор «Орхидея», по своим тактико-техническим характеристикам превосходивший зарубежные аналоги.

К настоящему времени существует большой ассортимент нелинейных локаторов как российского производства так и производства дальнего зарубежья.

Особенности применения нелинейных локаторов (НЛ) (локаторов нелинейности (ЛН)).

1. Проблема ложных срабатываний ЛН.

Наиболее распространённая проблема возникающая при использовании ЛН — ложные срабатывания, возникающие из-за бытовых электронных приборов (телефон, электронные часы). На практике такие срабатывания легко различимы, однако ложные срабатывания могут возникнуть из-за металлических объектов, не содержащих никаких электронных компонентов, но имеющих контакт между собой образуя соединения металлокиселметалл. Чаще всего это ржавая арматура железобетонных конструкций. Но если для выявления закладного устройства недостаточно обнаружить эффект нелинейного рассеивания радиоволны, но и необходимо идентифицировать и сам объект.

На сегодняшний день существует несколько методов идентификации объектов нелинейного рассеивания радиоволн:

• 1. сравнение амплитуд 2-й и 3-й гармоник.
• 2. использование АМ и ЧМ зондирующих сигналов для обеспечения аудио селекции.
• 2.1. использование эффекта затухания демодулированного аудиоотклика.
• 2.2. использование вибрационного воздействия на место расположения объекта локации, при облучении модулированным сигналом.
• 3. применение рентгеновских установок.
• 4. применение аппаратуры поверхностной локации (Раскан -2).
• 1. Метод сравнения 2-й и 3-й гармоник основан на том, что из-за различия вольт-амперных характеристик полупроводников и соединений металл — окисел — металл 2-й и 3-й гармоник будут иметь различную интенсивность. При облучении полупроводника отклик на второй гармонике больше чем на третьей. При облучении ложного соединения наблюдается обратная картина: отклик на третьей гармонике сильнее, чем на второй.

Эффективное применение этого метода имеет ряд сложностей. Первая — чисто техническая, заключается в том, что приемные тракты для второй и третьей гармоник должны иметь очень хорошую развязку, что не во всех типах локаторов выполняется. Вторая сложность — большое разнообразие вольтамперных характеристик электронных элементов, у которых амплитуда третьей гармоники сравнима с амплитудой гармоники от металлического контакта. Кроме того изменение температуры окружающей среды на 1 градус приводит к возрастанию амплитуды 3-й гармоники в 1,2 раза. Таким образом в зависимости от температуры амплитуда 3-й гармоники существенно изменяется и произвести идентификацию простым фиксированием двух гармоник не всегда представляется возможным.

2.1. Лучший результат по мнению большинства специалистов, даёт метод основанный на эффекте затухания демодулированного отклика от объекта локации. При прослушивании демодулированного отклика от полупроводника, по мере приближения к нему уровень шумов будет значительно повышаться. И напротив, по мере удаления от него уровень шума начинает возрастать и постепенно вернётся к нормальному фоновому уровню. Демодулированный аудиосигнал достигает наименьшего значения непосредственно над полупроводниковым элементом и увеличивается до нормы в сторону от него.

При приближении антенны локатора к ложному соединению аудиошум может усилится и достигнуть своего максимального значения непосредственно над ним или, в некоторых случаях, слегка уменьшится. По мере удаления антенны аудиошум вернётся к обычной норме.

В российских моделях ЛН режим работы на основе эффекта затухания называется режимом «20К».

Наличие аудиодемодуляторов в ЛН даёт возможность при поиске записывающих устройств услышать аудиосигнал записывающей головки или прослушать синхронизирующие импульсы при обнаружении видеокамер. Использование частотной демодуляции иногда позволяет прослушать характерные аудиосигналы в электронных устройствах, возникающие из-за фазовых сдвигов, что становится возможным при наличии определённого опыта работы с ЛН.

Отличить полупроводниковый прибор от металлических соединений можно без особого труда прослушивая демодулированный аудиосигнал с одновременным физическим вибрационным воздействием на объект локациии, постукивая по стене кулаком или резиновым молотком. Металлическое соединение реагирует на такое воздействие треском в наушниках, а чистый полупроводник будет молчать.

Таким образом, локатор нелинейности должен иметь демодуляторы как в АМ, так и в ЧМ режимах, чтобы полностью использовать возможности аудиоселекции.

Для реализации третьего метода применяются рентгеновские установки. Но их применение не всегда возможна из-за множества сложностей. В частности, необходим доступ к обеим сторонам стен, существует опасность облучения, возникают проблемы связанные с транспортировкой.

Перспективной технологией является применение поверхностной локации, в частности прибора «Раскан -2», разработанного в Москве. Это малогабаритное устройство, использующее радиоизлучение для получение изображения внутренних поверхностей, однако его разрешающая способность составляет (на сегодняшний день, 1999) 2 см.

Выбор типа излучения и уровня мощности излучаемого ЛН сигнала.

Наиболее существенным классификационным признаком ЛН является мощность излучаемого зондирующего сигнала. Из таблицы 3 видно, что все ЛН можно разделить на две большие группы:

• — «мощные», как правило, импульсные ЛН с выходной импульсной мощностью более 100 Вт;
• — «маломощные», как правило, непрерывные ЛН с выходной средней мощностью 1 Вт.

Импульсная мощность передатчиков локаторов первой группы в 1000 раз больше, чем у передатчиков второй группы (непрерывных). В свою очередь чувствительность приёмников в непрерывных локаторах в 1000 раз выше, чем у приёмников импульсных ЛН. При одинаковых антеннах соотношение сигнал/шум на входе приёмника импульсного локатора на три порядка выше, чем у непрерывного. Последнее обуславливает практически 3-х кратное превышение дальности обнаружения, обеспечиваемой импульсным локатором по сравнению с непрерывным. Непрерывные локаторы по сравнению с импульсными показывают в 3 — 10 раз меньшую дальность нежели импульсные.

При сравнении ЛН по мощности передатчика в обязательном порядке необходимо учитывать диаграмму направленности антенны ЛН, так как существенным является плотность потока мощности в месте искомого объекта, которая пропорциональна произведению мощности и коэффициента усиления передающей антенны. Остронаправленная антенна не только увеличивает энергетику зондирующего сигнала, но и позволяет осуществлять лучший пространственный выбор. Важно так же чтобы антенна имела круговую поляризацию.

Таким образом сфера применения маломощных как непрерывных так и импульсных ЛН ограничивается поиском в поверхностном слое строительных конструкций и в простейших элементах интерьера. Маломощные ЛН способны обнаруживать простейшие объекты, серьезно не экранированные и без специальных фильтров. Мощные импульсные локаторы практически лишены указанных выше недостатков, обеспечивают большую производительность и эффективность поисков в толще строительных конструкций, без двухстороннего обследования стен и снятия подвесных потолков.

В разрабатываемых в России ЛН решен вопрос минимизации воздействия электромагнитного излучения зондирующего сигнала на оператора за счёт:

• — малой средней мощности (при Рвых = 150 Вт и скважности 1000 средняя мощность составляет 150 мВт (для NR — 900);
• — уровень задних лепестков передающей антенны составляет — 20 дБ.

Это обеспечивает возможность непрерывной работы оператора в течение 8 часов в соответствии с ГОСТ 12.1.006 — 84.

Выбор рабочей частоты и электромагнитная совместимость ЛН.

При выборе рабочей частоты ЛН учитываются два фактора:

• — частотная зависимость зондирующего сигнала в среде распространения (экспоненциальный рост затухания с ростом частоты);
• — уровень мощности преобразованного сигнала при нелинейном рассеивании тем выше, чем ниже частота локатора.

Следовательно характеристики ЛН будут тем выше, чем ниже частота. С другой стороны, с понижением частоты увеличиваются габариты антенны ЛН. Чаще всего используют частоты в диапазоне 880 — 1000 МГц. Но в последнее время появились ЛН с частотой зондирования 680 МГц («ЦиклонМ» Россия) и 435 МГц («ЛЮКС» Россия).

Вопросы электромагнитной совместимости ЛН решаются за счёт:

• — применения высокоэффективных антенн с узкой ДН (ширина ДН по половиной мощности у ЛН NR — 900 60 по половинной мощности);
• — введением режима прослушивания, обеспечивающего контроль загрузки диапазона до включения передатчика (NR — 900);
• — выбор любой рабочей частоты в диапазоне частот (например в АН ORION реализован автоматический и ручной поиск «свободной» частоты в диапазоне 870 — 1000 МГц с шагом 200 КГц.

Выбор правильной рабочей частоты важен не только для того, чтобы не создавать помехи другим радиоэлектронным средствам, но и для обеспечения благоприятных условий работы самого ЛН в отсутствие посторонних помех.

Дальность обнаружения ЛН объектов поиска.

В условиях поиска скрытых радиоэлектронных средств в помещениях под дальностью обнаружения понимается максимальная глубина обнаружения объектов в маскирующей среде. Для помещений этим параметром является максимальная толщина строительных конструкций, при которой происходит обнаружение объекта. Максимальная глубина обнаружения объектов в маскирующей среде составляет десятки сантиметров. Например, локатор «ЦИКЛОН» обнаруживает радиоэлектронные средства в железобетонных стенах толщиной 50 см, в кирпичных и деревянных стенах 70 см.

Дальность обнаружения полупроводниковых элементов вне маскирующей среды состовлят 0,5 -2,0 м, что позволяет использовать некоторые типы ЛН в режиме «сторожа» для использования в проходах контрольно — пропускных пунктов, например в дверном проёме (ЛН «Циклон».

Известно применение для обнаружения людей в снежных лавинах и завалах, дальность действия которых составляла до 10 м (работа осуществляется по специальным излучателям).

В настоящее время (1999 г) следует выделить российский ЛН IV поколения серии NR — 900 (NR — 900 М, NR — 900 Е), сочитающий в себе высокий энергетический потенциал, возможность наиболее полного анализа сигналов откликов оператором (вторая и третья гармоники, режим огибающей «20К», высокие энергометрические показатели.

Из ЛН производимых в странах дальнего зарубежья можно назвать ORION фирмы REI в котором реализованы большинство достижений последних лет:

• — анализ 2-й и 3-й гармоник;
• — ручной и автоматический режим выходной мощности от 14 мВт до 1,4 Вт; радиоэлектронный локатор нелинейный
• — непрерывный и импульсный режимы излучения;
• — автоматический и ручной поиск «свободной» рабочей частоты в диапазоне 870 — 1020 МГц с шагом 200 кГц;
• — круговая поляризация передающей и приёмной антенн;
• — возможность контроля демодулирующего аудиосигнала для каждой гармоники с АМ и ЧМ демодуляторами;
• — полоса приёма 3 МГц;
• — беспроводные наушники ИК диапазона;
• — питание от батареи 7 В;
• — непрерывное время работы 1 час;
• — вес 1,8 кг;
• — размещение в стандартном кейсе.