Работа нелинейного локатора

Работа нелинейного локатора основана на свойстве полупроводниковых элементов при облучении их зондирующим СВЧ сигналом переизлучать вторую и третью гармоники этого сигнала. Максимальный отклик от полупроводниковых элементов искусственного происхождения (транзисторы, диоды, микросхемы) наблюдается на второй гармонике зондирующего сигнала. А при облучении окисных плёнок, образованных естественным путём, максимальный отклик наблюдается на третьей гармонике зондирующего сигнала.

В настоящее время в продаже доступно большое число нелинейных радиолокаторов, однако, практически все они производят обработку принятого сигнала в аналоговом виде. В данном дипломном будет разработан нелинейный радиолокатор, в котором обработка сигнала и управление режимами работы будет осуществляться в цифровом виде на базе цифрового сигнального процессора (ЦСП). Это позволит расширить функционал устройства, облегчить его настройку и модификацию, снизить габаритные размеры, массу, энергопотребление и стоимость. Что позволит создать устройство с высокой конкурентоспособностью.

1. Технико-экономическое обоснование темы

В настоящее время производится большое количество нелинейных радиолокаторов, работающих на частотах от 435 МГц, до 3580 МГц. Столь широкий диапазон частот обусловлен разнообразием задач, решаемых различными моделями: от поиска электронных устройств негласного получения информации (радиомикрофонов, микрофонных усилителей, диктофонов и т. п.) в помещениях; поиска людей или объектов, отмеченных специальными нелинейными метками (спасательные операции в труднодоступной местности, например в горах, под завалами снега.); до обнаружения мин и взрывных устройств, оснащенных электронными взрывателями (системами инициирования), установленных на поверхности грунта, в грунте (снегу), под покрытиями дорог и на объектах.

Нелинейные радиолокаторы можно разделить на две группы: с непрерывным и с импульсным излучением.

Рис. 1.1. Портативный нелинейный локатор «Буклет-2»

Нелинейный локатор Буклет-2 — является малогабаритным поисковым прибором, предназначенным для обнаружения электронных компонентов, как активных, так и пассивных, замаскированных в различных средах.

Индикация выявленных радиоэлектронных устройств обеспечивается через светодиодный индикатор, расположенный на корпусе устройства, либо через подключаемые наушники.

Нелинейный локатор Буклет-2 обеспечивает обнаружение приемо-передающего оборудования и радиоэлектронных устройств, в том числе, таких как SIM-карты сотовых телефонов, диктофоны и др.

Дальность обнаружения — от 10 см до нескольких метров (зависит от типа обнаруживаемого устройства).

Нелинейный локатор Буклет-2 отличается:

· Высоким качеством демодуляции принятого сигнала;

· Революционным дизайном, малыми габаритами и весом;

· Высокой эргономикой, мгновенной готовностью к работе;

· Возможностью использования в качестве досмотрового устройства.

Таблица 1.1. Технические характеристики нелинейного локатора Буклет-2

Более функциональной моделью является SEL SP-171 «Катран-Люкс»:

Рис. 1.2. Нелинейный локатор SEL SP-171 «Катран-Люкс»

Нелинейный локатор (обнаружитель полупроводниковых элементов) «Катран-Люкс» предназначен для поиска и обнаружения электронных устройств, установленных в строительных конструкциях, предметах мебели и интерьера, и находящихся как в активном, так и в выключенном состоянии.

Обнаружитель «Катран-Люкс» позволяет проводить анализ откликов облучаемых объектов как по 2-й, так и 3-й гармоникам зондирующего сигнала, что даёт возможность надёжно идентифицировать электронные устройства и естественные окисные полупроводники. Одновременная индикация уровней сигналов второй и третьей гармоник осуществляется на светодиодном табло локатора.

Основные достоинства:

· регулировка мощности излучения в широких пределах и возможность работы вблизи радиоэлектронных устройств;

· наличие режима автоматического регулирования выходной мощности существенно облегчает работу оператора.

· применённая цифровая обработка сигнала позволяет оптимизировать алгоритмы обработки сигналов и получить максимальную чувствительность;

· использование 3-х видов модуляции зондирующего сигнала (импульсная модуляция несущей частоты PULSE, непрерывное излучение несущей частоты CW и непрерывное излучение несущей частоты с модуляцией по частоте сигналом 1 кГц (CW+FM)) даёт возможность сочетать большую дальность обнаружения с уверенной идентификацией обнаруженных устройств;

· уровень второй и третьей гармоники попеременно можно оценивать на слух по частоте следования щелчков, воспроизводимых через встроенный динамик или подключаемые наушники.

· наличие детектора огибающей переизлучённого СВЧ-сигнала позволяет прослушивать работающие электронные устройства, имеющие в своём составе акустический преобразователь.

· возможность работы как от аккумулятора, так и от сети 220 В.

Комплект поставки:

· Приёмо-передающий антенный блок со штангой со сменной Li-Ion аккумуляторной батареей.

· Запасная Li-Ion аккумуляторная батарея.

· Зарядное устройство для аккумуляторной батареи.

· Сетевой адаптер для зарядного устройства.

· Головные телефоны.

· Комплект тестов по 2-й и 3-й гармонике.

· Руководство по эксплуатации, паспорт.

· Транспортная упаковка.

Таблица 1.2. Технические характеристики нелинейного локатора SEL SP-171 «Катран-Люкс»

Нелинейные радиолокаторы с импульсным излучением характеризуются меньшим потреблением тока, что повышает время автономной работы и / или позволяет снизить вес / габариты аккумулятора, что позитивно сказывается на эргономических характеристиках устройства.

Рис. 1.3. Профессиональный нелинейный локатор «NR-900V»

Назначение:

· поиск электронных устройств негласного получения информации (радиомикрофонов, микрофонных усилителей, диктофонов и т. п.) в помещениях;

· выявление электронных устройств независимо от их функционального состояния — включено / выключено, в сторожевом или ждущем режиме.

Область применения:

· обследование строительных конструкций, мебели и предметов интерьера.

Основные достоинства:

· возможность работы в сложных помеховых условиях, высокая результативность поиска при обследовании капитальных строительных конструкций, режим «идентификация» снижает вероятность ложных обнаружений;

· дополнительный индикатор уровней сигнала, расположенный на антенной системе;

· продолжительное время непрерывной работы без замены источника питания.

Таблица 1.3. Технические характеристики нелинейного локатора «NR-900V»

В качестве еще одного примера импульсного нелинейного радиолокатора можно привести NR-2000:

Рис. 1.4. Многофункциональный нелинейный локатор «NR-2000»

Многофункциональный нелинейный локатор «NR-2000» предназначен для поиска электронных устройств, содержащих полупроводниковые компоненты.

Область применения:

· Выявление мобильных телефонов и SIM карт.

· Поиск самодельных взрывных устройств (электронных систем управления СВУ) на фоне сложной техногенной помехи от городской застройки.

· Обнаружение электронных устройств негласного съема информации.

Основные конкурентные преимущества:

· излучаемая мощность (ERP) — не менее 700 Вт;

· точная пространственная селекция при высокой производительности поиска;

· обнаружение СВУ на дальностях эквивалентных полевому локатору «Коршун»;

· невосприимчивость к техногенным помехам городской застройки;

· обнаружение радиоэлектронных устройств за армирующими строительными конструкциями;

· уверенное обнаружение малоразмерных целей в широком диапазоне сред вмещения (в том числе во влажных средах);

· моноблочная конструкция (ружейная компоновка «булпап»), отсутствие разъемных соединений и кабелей, антенная система на раздвижной штанге, подсветка зоны поиска делают прибор компактным и удобным в использовании как в помещениях так и при обследовании больших площадей на местности

Прибор позволяет обнаруживать:

· SIM (UIM) карта —? 1 метр.

· Мобильный телефон — более 1 метра.

Таблица 1.4. Технические характеристики нелинейного локатора «NR-2000»

Разработка устройства с заданными в ТЗ характеристиками целесообразно как с технической точки зрения, так и с точки зрения экономики. Использование современной элементной базы позволит сделать нелинейный радиолокатор с характеристиками не хуже, а по возможностям и функциональности выше, чем у приведённых фирм, а применение универсальных микросхем с высокой степенью интеграции позволит снизить экономические затраты на разработку устройства. Кроме того ряд важных для безопасности страны задач требует отечественной разработки аналогичных приемников.

2. Теоретическая часть

2.1 Краткая история открытия и исследования 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. 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 радиолокационной станцией (РЛС) METTRA с мощностью излучения 1 кВт, несущей частотой 750 МГц и частотой следования импульсов 10 кГц. В были приведены результаты экспериментальных исследований локатора METTRA на третьей гармонике для обнаружения с вертолета замаскированной бронетанковой техники. В приведены теоретические расчеты и экспериментальные исследования с этим локатором для наклонного зондирования объектов в приповерхностном слое. Аналогичные работы велись и в России. 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 [4,5], сводились, прежде всего, к определению нелинейной эффективной поверхности рассеяния металлического контакта, а и ее зависимости от плотности потока падающей мощности P_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. 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 p-n 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 потока электромагнитного излучения. Избирательный прием этих составляющих позволяет расширить возможности нелинейных радиолокаторов по сравнению с обычными РЛС, использующими линейно-отраженный сигнал.

В одной из первых публикаций по использованию эффекта нелинейного рассеяния электромагнитных волн в радиолокации 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 [6−11] 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.

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, радиои 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.

2.2 Физические основы нелинейной электромагнитной локации

Как уже отмечалось ранее, основным фактором, препятствующим использованию радиолокационного метода для создания средств поиска неподвижных малоразмерных объектов, является значительный уровень помех от окружающего фона. Практическое отсутствие нелинейных электромагнитных свойств у естественного фона (грунта, воды, растительности) позволяет регистрировать гармоники облучающего поля, возникающие за счет наличия объектов искусственного происхождения, находящихся в зоне поиска на поверхности грунта или в его толще. Нелинейными свойствами могут обладать некоторые горные породы с высокой концентрацией ферромагнитных включений, а также отдельные залежи сульфидных руд. Исследованиями установлено, что у реальных объектов наибольшими нелинейными свойствами обладают высокочастотные полупроводниковые радиодетали (транзисторы, диоды), а также точечные прижимные стальные контакты. Такими объектами являются (таблица 2.2.1): радиоуправляемые взрывные устройства и устройства промышленного шпионажа, стрелковое оружие, обломки самолетов и вертолетов, переносные радиостанции (в том числе и выключенные) и т. д. Объектами поиска могут быть также специальные нелинейные метки, используемые для скрытого обозначения различных объектов и участков местности, а также людей (например, спасателей в труднодоступных местах).

Таблица 2.2.1. Объекты поиска в нелинейной радиолокации

На Рис. 2.2.1. приведен пример образца радиоуправляемого взрывного устройства непромышленного изготовления. Устройство устанавливается террористами под днище уничтожаемого автомобиля на магните.

Основные элементы:

1 — приемная электрическая антенна;

2 — металлический корпус;

3 — винт крепления магнита;

4 — радиосхема (приемник прямого усиления с реле времени);

5 — тумблер включения.

Как и в обычной (т.е. линейной) радиолокации, длина волны первичного (облучающего) электромагнитного поля должна быть соизмерима по величине с размерами объектов поиска. На более длинных волнах (в релеевской области) интенсивность отраженного поля будет мизерна из-за явления дифракции (т.е. «огибания» поля вокруг объекта). На более коротких волнах — нелинейные свойства объектов поиска резко падают (особенно при l менее 0,3 м). При этом увеличиваются потери сигнала в маскирующем слое грунта, растительности или снеге.

Рис. 2.2.1. Типичный образец радиоуправляемого взрывного устройства непромышленного изготовления Величины амплитуд гармоник отраженного электромагнитного поля зависят от многих факторов: вида вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик нелинейных элементов и их частотных свойств, взаимного расположения нелинейных элементов в пространстве, наличия реактивных нагрузок, соотношения между размерами объекта поиска и длины волны первичного поля, наличия маскирующего слоя грунта и его электрических параметров и др. Основная доля энергии, отраженной от объекта с нелинейными свойствами, сосредоточена на частоте падающего поля и только небольшая ее часть — на частотах гармоник. Отражательные характеристики объекта поиска в СВЧ диапазоне волн можно характеризовать переизлученной (нелинейной) мощностью Р_н и эффективной площадью рассеяния на гармонике ?_н, которую принято называть нелинейной эффективной поверхностью рассеяния (НЭПР).

При этом, по аналогии с эффективной поверхностью рассеяния (ЭПР), можно определить, что НЭПР есть отношение мощности излучения изотропного излучателя на частоте гармоники первичного поля, создающего в месте расположения приемного устройства такую же плотность потока мощности, как и реальный объект поиска, к плотности потока мощности первичного поля, падающего на объект поиска.

Теоретическое определение НЭПР реальных объектов поиска затруднительно. Поэтому на практике отражательные свойства объектов определяют экспериментально.

Многочисленные эксперименты, проведенные в 70-х годах XX в. с использованием малоразмерных объектов показали, что между падающим и отраженными полями дециметрового диапазона в свободном пространстве имеют место зависимости:

где — переизлученная мощность на частоте гармоники; - нелинейная ЭПР (НЭПР); - нормированная НЭПР, численно равная при равной 1 Вт/м², имеет размерность м²т Вт^1-m. Величина НЭПР зависит от направления в пространстве. Поэтому в дальнейшем, если специально это не оговорено, будем использовать их максимальные значения. Основные эксперименты данного цикла исследований проводились при составляющей от 0,03 до 3 Вт/м² в диапазоне частот 0,5−1 ГГц. Для большинства реальных малоразмерных объектов эффекта «насыщения» НЭПР не наблюдалось. В то же время этот эффект имел место для резонансных объектов (полуволновых вибраторов с включенными в их центр нелинейными элементами) при больше 0,5−1 Вт/м². Эти экспериментальные зависимости достаточно удовлетворительно согласуются с результатами других работ в области нелинейной радиолокации, посвященных обнаружению металлических объектов.

НЭПР нелинейных резонансных СВЧ маркеров составляет 10^-4-10^-6 м² на второй гармонике. Причем в качестве линейной части маркера целесообразно использовать антенны магнитного типа (шлейф-вибраторы, рамки и др.). Это особенно важно при установке маркера в толщу полупроводящей среды (растительности, снега, грунта).

Экспериментально установлено, что НЭПР большинства малоразмерных объектов, содержащих не полностью экранированные электронные устройства в своей конструкции (неконтактные и электронно-контактные датчики и др.) составляют 10^-7-10^-11 м² на второй гармонике и 10^-10-10^-12 м² на третьей гармонике — при равной 1 Вт/м². Например, НЭПР радиоуправляемого взрывного устройства (рис. 2.2.1) составляет 10^-8м² на второй гармонике и 10^-10 м² на третьей. Частота облучающего СВЧ поля составляет 840 МГц. Отражательная способность на гармониках объектов с нелинейными свойствами увеличивается с ростом плотности потока мощности падающей на них волны. Поэтому для увеличения дальности действия нелинейной радиолокационной станции (НРЛС) целесообразно увеличивать пиковую мощность зондирующего СВЧ импульса, то есть использовать мощные радиоимпульсы с большой скважностью.

Интересно отметить, что величины ЭПР этих же нелинейных малоразмерных объектов составляли 10^-3-10^-3 м². То есть намного больше, чем их НЭПР на гармониках.

Перед созданием промышленного образца нелинейного локатора в СССР были проведены теоретические и экспериментальные исследования, основной задачей которых являлось выяснение зависимости основного уравнения радиолокационного наблюдения для нелинейного радиолокатора

где _. — принимаемая локатором мощность на n-й гармонике, r — расстояние до объекта,? — степенная зависимость.

Данные исследования были вызваны тем обстоятельством, что введенная в [3−6] зависимость не соответствовала уже имеющимся натурным экспериментальным результатам для второй гармоники.

Исследования проводились в специальной измерительной лаборатории, близкой по параметрам к безэховой камере: ослабление сигнала составляло минус 55 дБ, частота зондирующего сигнала НРЛС — 900 МГц, чувствительность — 10^-11 Вт при отношении сигнал/шум 5 дБ, мощность излучения в импульсе приемника для второй гармоники — 10 кВт, поляризация приемно-излучающих антенн — круговая, высота подвеса антенн и объекта над радиопоглощающей поверхностью — 1,1 м. В качестве объектов использовались: реальный сложный объект — электронный взрыватель противотанковой мины без подключенного источника питания и четвертьволновой вибратор (для частоты зондирующего сигнала), нагруженный на диод 2А605Б — нелинейный вибратор. Для вибратора не предпринималось специальных мер согласования его входного сопротивления с входным сопротивлением нелинейного элемента (НЭ), что достигалось чисто конструктивно.

Из экспериментальных данных для сложного объекта значение в составляет 4,4, тогда как для нелинейного вибратора в равно 2,5. На Рис. 2.2.2. приведены экспериментальная (в) и аппроксимированная (г) зависимости для сложного объекта и экспериментальная (а) и аппроксимированная (б) для элементарного нелинейного объекта. Для реального объекта экспериментальная и аппроксимированная зависимости имеют несущественное различие, тогда как для элементарного объекта наблюдается их существенное расхождение.

Рис. 2.2.2. Экспериментальная зависимость принимаемой мощности от дальности для нелинейного вибратор (а, б, д) и реального объекта (в, г) Подобное поведение принимаемой мощности от дальности было объяснено совершенно другими исследованиями, которые проводились параллельно с целью изучения влияния сверхмощного СВЧ-излучения на материалы, включая и полупроводниковые приборы. Подробно результаты этих исследований показаны в [12,13].

В этих экспериментах для контроля воздействия мощного СВЧ-излучения на полупроводниковые приборы впервые применялся метод дистанционной бесконтактной диагностики с использованием нелинейной локации [14,15]. Это позволило наблюдать процесс воздействия в реальном масштабе времени и установить несколько его этапов:

* кратковременное изменение ВАХ — от длительности воздействующего СВЧ-импульса до долей секунды с последующим восстановлением первоначального значения;

* долговременное изменение ВАХ от одной до 60 минут с последующим восстановлением до исходной характеристики;

* необратимое (устойчивое) изменение ВАХ;

* предпробойное состояние — фриттинг, когда фиксировались произвольные флуктуации сигнала отклика, включая временные флуктуации длительности воздействующего импульса;

* необратимый вывод приборов из строя.

Иллюстрацией этому является рис. 2.2.4, на котором показана динамика необратимого изменения ВАХ.

Рис. 2.2.4. Изменение ВАХ диода КД514А от плотности потока облучающей мощности однократного импульса (1 — до облучения; 2 — 100 Вт/см²; 3 — 500 Вт/см²; 4 — 1 кВт/см²)

Аналогичные результаты были получены с мощной НРЛС во время натурных испытаний для наклонного зондирования по обнаружению противотанковой мины с электронным взрывателем в активном (включенном) режиме, где в предпробойном состоянии происходила самоликвидация.

где - коэффициент нелинейного преобразования принимаемой нелинейным элементом мощности в мощность второй гармоники. Расчетная зависимость от мощности на нелинейном элементе для СВЧ-диода 2А605Б показана на рис. 2.2.5. На рис. 2.2.6 показана расчетная зависимость для нелинейного вибратора с диодом 2А605Б от рабочей частоты вибратора.

Рис. 2.2.5. Зависимость коэффициента нелинейного преобразования второго порядка от мощности для диода 2А605Б Рис. 2.2.6. Зависимость коэффициента нелинейного преобразования от рабочей частоты вибраторов

Изменение зависимости _. от (см. рис. 2.2.3) объясняется только зависимостью за счет изменения ВАХ диода. Изменения ВАХ ведет и к мгновенному изменению реактивных параметров НЭ [12], что еще более усугубляет его рассогласование с вибратором.

Изменение происходит при значительной _., когда объект обнаружен и производится его сопровождение. Сохранение в этой зоне уже не является определяющим. Методики [16, 18], которые используют теорию рядов Вольтера, не позволяют провести строгий анализ для сильного электромагнитного взаимодействия, когда происходит полное изменение исходных параметров объекта: параметрическое взаимодействие. Для сложного объекта зависимость и _. до 1000 Вт/м² меняется несущественно (см. Рис. 2.2.2.), что объясняется геометрическими размерами элементарных вибраторов сложного объекта, которые не согласованы ни с длиной волны на прием зондирующего сигнала, ни с — входным сопротивлением нелинейного элемента.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что нелинейная локация обладает возможностью диагностики состояния цели при ее облучении электромагнитным полем как инструмент контроля функционального поражения объекта электромагнитным оружием. Этот аспект технологических возможностей нелинейной локации до настоящего времени не был известен широкому кругу исследователей.

2.3 Режим работы нелинейного радиолокатора

Как уже отмечалось в технико-экономическом обосновании, существуют нелинейные радиолокаторы работающие в импульсном или непрерывном режиме. Рассмотрим достоинства и недостатки этих режимов подробнее.

Радиолокаторы непрерывного излучения, как следует из названия, излучают зондирующий сигнал непрерывно. Теоретически, для простейшего нелинейного радиолокатора это означает более простое схемотехническое решение. Однако, в современных нелинейных радиолокаторах зачастую реализуются различные дополнительные режимы позволяющие с большей вероятностью выявлять ложные срабатывания. Например эффект затухания, заключающийся в том, что если вы слышите демодулированный аудиоотклик от настоящего полупроводника, то по мере приближения к нему уровень шумов будет значительно понижаться. И напротив, по мере удаления от него уровень шума начнет возрастать и постепенно вернется к нормальному. Демодулированный аудиосигнал достигает наименьшего значения непосредственно над полупроводниковым соединением и увеличивается до нормы в стороне от него. При приближении антенны нелинейного локатора к ложному соединению аудиошум может усилиться и достигнуть своего максимального значения непосредственно над ним или, в некоторых случаях, слегка уменьшиться. По мере удаления антенны нелинейного локатора аудиошум вернется к обычной норме. Для использования эффекта затухания нелинейный локатор непрерывного излучения обязательно должен иметь высококачественные малошумящие усилители в приемном тракте и хороший демодулятор для обеспечения качественного звука. Еще один метод аудиодемодуляции сигналов — импульсное излучение. Если частота следования импульсов выше порога частотного диапазона слышимости, то в этом случае для качественной демодуляции аудиосигнала достаточно простейшего АМ-демодулятора.

Использование эффекта затухания и / или аудиодемодуляции позволяют существенно повысить вероятность выявления реальных объектов на фоне ложных срабатываний без необходимости демонтажа строительных конструкций, в которых они могут быть установлены. Это существенно повышает скорость проверки обследуемого помещения. А так как данные эффекты проще реализуются в нелинейном локаторе, работающем в импульсном режиме, очевидно, что этот режим более перспективен.

Кроме того, импульсный режим позволяет существенно снизить расход тока аккумуляторной батареи, так как достаточно, чтобы приемник принимал сигналы с частотой доступной для восприятия человеческим слухом и зрением, в то время как передатчик выключается на значительные интервалы времени. Это позволяет уменьшить габариты и энергоемкость аккумуляторных батарей и источников питания.

На основании всего вышеизложенного было принято решение спроектировать в рамках данного дипломного проекта нелинейный радиолокатор, работающий в импульсном режиме.

2.4 Мощность передатчика нелинейного радиолокатора

Известно, что становлению радиотехники как науки в широком смысле этого слова, способствовало установление фундаментальных пределов, определяющих предельно достижимые параметры РЭА. В настоящее время под фундаментальным пределом понимают некоторый предел, за которым начинается лавинообразный рост (или уменьшение) какого-либо качественного показателя РЭА. Например, к настоящему времени в области антенной техники установлено четыре фундаментальных предела: электрически малая антенна, сверхнаправленная антенна, сверхразрешающие антенны и антенны с высоким усилением. Качественный анализ процессов, протекающих в нелинейных электрических элементах объектов поиска, показывают, что в нелинейной радиолокации также имеется свой фундаментальный предел — это предел дальности обнаружения. В большинстве случаев он обусловлен электрическим пробоем полупроводниковых нелинейных элементов р-n перехода полупроводникового радиоэлемента, точечного прижимного металлического контакта с туннельной проводимостью и др.). При удалении объекта поиска от НРЛС, при фиксированной чувствительности ее приемного устройства, требуется увеличивать плотность потока мощности падающего на объект СВЧ поля. Только в этом случае будет обеспечиваться обнаружение нелинейного объекта поиска. Однако при достижении определенной, в каждом случае, плотности потока мощности, произойдет пробой нелинейного элемента — чаще всего электрический пробой р-n перехода. При этом происходит лавинообразное уменьшение НЭПР объекта поиска, который становится «невидимым» для НРЛС. Именно величина максимально возможного наведенного напряжения на нелинейном элементе и будет определять (при фиксированной чувствительности приемника) дальность действия НРЛС по обнаружению конкретного объекта поиска. Наибольшая дальность будет обеспечиваться для объектов, в которых нелинейный элемент наилучшим образом согласован с переизлучающей антенной (т.е. остальной конструкцией). Именно в этом случае обеспечивается наибольшая переизлучаемая мощность (на гармониках) при меньшем напряжении на нелинейном элементе.

Необходимо отметить, что в обычной (т.е. линейной) радиолокации отсутствует фундаментальный предел по дальности обнаружения. Увеличение излучаемой мощности передатчика РЛС практически неограниченно увеличивает дальность обнаружения объектов вплоть до космических масштабов. Формально предел дальности здесь тоже может наступать при напряженности электрической составляющей падающего электромагнитного поля, сравнимой с внутриатомными напряженностями эл. поля вещества (металла, пластмассы), имеющими огромную величину.

В то же время пробой нелинейных элементов объектов поиска, как будет показано ниже, может наступать при сравнительно небольших плотностях потока падающего поля — вполне реализуемой современной техникой.

Оценим величину предельной дальности обнаружения идеализированного объекта поиска в виде нелинейного полуволнового электрического вибратора, в центр которого включен высокочастотный полупроводниковый диод. Предельная дальность обнаружения данного резонансного объекта будет больше, чем обычных периодических (реальных) объектов.

Пусть под воздействием падающего поля (и, соответственно) в вибраторе наводится ЭДС. Считаем, что ось вибратора параллельна вектору :

где действующая высота полуволнового вибратора, равная:

при этом — длина волны первичного поля.

Известно, что плотность потока мощности электромагнитного поля и напряженность его электрической составляющей связаны соотношением:

где — волновое сопротивление свободного пространства.

Кроме того, из теории радиолокации также известно, что вторичное поле у антенной системы радиолокатора равно:

где — ЭПР объекта поиска, м².

Из экспериментов известно, что для нелинейного полуволнового вибратора при более 1−2 Вт/м² зависимость между и становится постепенно линейной. Здесь имеется некоторая аналогия по отношению к режимам работы квадратичного и линейного диодного детекторов. В нашем случае «насыщение» обусловлено тем, что при использовании дециметровых волн при более 1−2 Вт/м² в полуволновом вибраторе наводится ЭДС более 1−2 В. Например, при = 1 Вт/м², = 0,6 м, = 377 Ом в полуволновом вибраторе наводится ЭДС, равная 3,68 В. В большинстве случаев для «апериодических» нелинейных объектов «насыщение» наступает при более 10 Вт/м². Известно, что в нелинейной радиолокации целесообразно использовать импульсный режим работы с большой скважностью (примерно равной 10³-10⁴). При этом выход из строя нелинейного элемента будет обусловлен электрическим пробоем, а не тепловым. Здесь имеется некоторая аналогия с электрическими процессами в волноводах СВЧ. Наибольшая проходящая мощность для них ограничивается электрическим пробоем, а не тепловыми процессами. Величина напряжения пробоя для большинства ВЧ полупроводниковых р-п переходов составляет от 50−70 до 150 В. В нелинейной радиолокации при больших (более 1−10 Вт/м²) величина НЭПР входит в «насыщение» и не зависит от величины 1-го поля. То есть в этом случае нелинейный объект поиска становится линейным — как в обычной радиолокации. Но вторичное поле (отраженное) все равно регистрируется на гармонике, а не на основной частоте. На практике величина НЭПР на 2-ой гармонике в режиме «насыщения» на 1−2 порядка больше, чем «нормированная» НЭПР (т.е. при равной 1 Вт/м²).

Из всего изложенного величину плотности потока мощности у приемной антенны НРЛС на гармонике можно оценить по следующей формуле:

где — НЭПР в режиме «насыщения»;

— расстояние между объектом поиска и НРЛС;

— напряжение на нелинейном элементе.

Отсюда выражение для предельной дальности обнаружения в свободном пространстве полуволнового нелинейного диполя, при котором величина U достигнет напряжения пробоя имеет вид:

где — заданная чувствительность (по полю) приемника НРЛС.

При оценке максимальной дальности обнаружения реальных объектов они могут быть заменены полуволновым диполем, в центре которого, помимо диода, включена комплексная линейная нагрузка. Эта нагрузка уменьшает НЭПР вибратора до величины, равной НЭПР реального объекта. Поэтому в первом приближении, данной формулой можно воспользоваться при оценке предельной дальности обнаружения реальных объектов, взяв их НЭПР в режиме «насыщения».

Ранее были получены зависимости предельной дальности обнаружения различных объектов от чувствительности (по полю) приемного устройства НРЛС. Установлено, что при реально достижимой чувствительности приемника НРЛС 10^-13-10^-12 Вт/м² дальность лежит, ориентировочно, в пределах 1−10 км. Однако ее практическая реализация требует весьма большой плотности потока мощности в месте расположения объекта — несколько сотен Вт/м². Как уже показано ранее, реальные дальности обнаружения нелинейных объектов поиска импульсной мощности равной 50 кВт (средняя мощность в антенне — десятки Вт) с наземного носителя — до 100 м, а с воздушного — несколько сотен метров.

Следуют отметить, что получение максимально возможной дальности обнаружения востребовано для нелинейных локаторов, предназначенных для, например, поиска взрывных устройств или спасательных операциях на местности. Для целей обследования помещения на предмет радиоэлектронных средств незаконного съема информации в условиях плотной городской застройки и большого числа источников техногенных помех, столь большая дальность обнаружения (а соответственно и мощность передатчика) напротив вредна. В большинстве случаев, дальность обнаружения не должна превышать нескольких метров, а так же необходима возможность уменьшения излучаемой мощности. Например, при обследовании помещения требуется установить мощность достаточную для проверки стены (обычно не более нескольких десятков сантиметров). Если мощность будет значительно выше, мы захватим соседнее помещение, что, скорее всего, увеличит число ложных срабатываний. Исключение может являться обследование «пустых» зданий — после постройки и перед размещением в нем офисов. В этом случае использование больших мощностей может повысить скорость проверки. Однако такие ситуации встречаются довольно редко, поэтому наиболее востребованы при проверки помещений импульсные нелинейные локаторы с мощностями порядка десятка — сотни Вт в импульсе.

3. Технические условия и их обоснование

Разрабатываемое устройство — нелинейный радиолокатор импульсного излучения. Частота зондирующего сигнала 900 МГц с возможностью динамической перестройки в пределах ±5%. Прием отраженного сигнала осуществляется на второй и третьей гармониках. Мощность излучения составляет 10 Вт. Чувствительность приемного тракта -110 дБ / Вт.

Проектируемое устройство имеет возможность подключения к ПЭВМ через интерфейс USB 2.0. Подключение к компьютеру обеспечивает возможность перепрограммирования нелинейного радиолокатора, просмотр результатов работы на мониторе компьютера, настройку и тестирование.

Демодуляция, обработка принятых сигналов и формирование зондирующих импульсов производится в цифровом виде. На цифровом сигнальном процессоре (ЦСП) в ходе обработки принятых сигналов производится сравнение уровней мощности принятых сигналов на второй и третьей гармониках относительно уровня мощности излучаемого сигнала. Так же, произведя над принятыми сигналами быстрое преобразование Фурье (БПФ) (описанное в п. 2.9), возможно получить спектральное разложение принятых сигналов, которое возможно отобразить на встроенном жидкокристаллическом дисплее нелинейного радиолокатора или, при подключении к ПЭВМ, на экране монитора компьютера. Проведем предварительный анализ необходимой производительности ЦСП. Ширина спектра принимаемого сигнала 3 кГц, по теореме Котельникова АЦП обрабатывает поток в 6 кГц на каждый канал приема. Так как принятый сигнал анализируется на 2 ой и 3 ей гармонике, то, соответственно, каналов приема в проектируемом устройстве два. Тогда с АЦП на ЦСП поступает поток 2×6 кГц = 12 000 (О/с) — Отсчетов в секунду. Согласно для выполнения операции БПФ требуется произвести порядка 10 операций на отсчет. Тогда 120 000 (О/с) потребуется только для выполнения БПФ. Аналогичная производительность потребуется для усреднения спектральной плотности мощности (СПМ). Итого, минимально необходимая мощность для реализации разложения принятого сигнала в спектр составляет 240 000 (О/с). Для реализации работы с дисплеем, клавиатурой и USB 2.0 и других служебных функций удваиваем данную производительность. Получаем минимально необходимую производительность 500 000 (О/с) или 0,5 MIPS. Кроме того реализация дополнительных функций, таких как прослушивания демодулированного аудиотклика, работа с базами спектральных разложений сигналов, а также использование при программировании вычислений с плавающей точкой (floating point) потребует увеличения производительности на несколько порядков. Поэтому по результатам предварительного анализа, получаем необходимую мощность порядка 50 MIPS. В современных ЦСП такая производительность реализована в недорогих, энергосберегающих процессорах, что особенно важно для применения в носимых устройствах, работающих от аккумуляторной батареи.

Разрабатываемый нелинейный радиолокатор является носимым устройством, поэтому он должен иметь малый вес, компактные размеры, хорошие эргономические показатели, то есть должен быть удобным для длительного использования. Для отображения информации о принимаемом сигнале, уровне мощности излучаемого сигнала, а так же служебных и информационных сообщений нелинейный радиолокатор будет оснащен жидкокристаллическим дисплеем. Так же, для управления работой изделия следует установить клавиатуру.

4. Составление и расчет структурной схемы устройства

Как было отмечено ранее, демодуляция и обработка принятого сигнала будет осуществляться в цифровом виде, поэтому на аналоговую часть возлагаются задачи усиления и фильтрации.

Входная цепь 1, 2 — выполняют задачу первичных фильтрации внеполосных сигналов, защиты первого каскада усиления от мощных помех на входе приёмного тракта.

МШУ 1,2 — Малошумящие усилители. Обеспечивают предварительное усиление сигнала. Обладают малыми шумовыми коэффициентами.

Полосовой фильтр 1,2 — Обеспечивают дальнейшую фильтрацию принятых сигналов.

ФНЧ — Фильтр нижних частот. Выделяет только полезный низкочастотный сигнал, подавляя высокочастотный шум.

Демодулятор — Производит квадратурную демодуляцию принятых сигналов.

АЦП — преобразует аналоговый сигнал на входе в цифровую последовательность, поступающую на цифровой сигнальный процессор для дальнейшей обработки.

Цифровой сигнальный процессор — выполняет задачи обработки принятых сигналов (сравнение уровней мощности, БПФ), формирование зондирующих сигналов, работа с жидкокристаллическим дисплеем и клавиатурой.

Постоянно запоминающее устройство (ПЗУ) — предназначено для долговременного, энергонезависимого хранения программы и настроек.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) — служит для временного хранения части программы и данных, необходимых в данный момент для работы ЦСП.

LCD — Жидкокристаллический дисплей. Предназначен для вывода результатов работы нелинейного радиолокатора и служебной информации.

Клавиатура — обеспечивает управление проектируемым изделием.

USB 2.0 — контроллер интерфейса USB 2.0, предназначенный для подключения изделия к ПЭВМ через соответствующий разъем.

Источник питания — обеспечивает требуемым питанием узлы изделия.

ЦАП — Цифро-Аналоговый Преобразователь — преобразует сигналы от ЦСП из цифрового в аналоговый вид.

Смеситель — при помощи сигнала с синтезатора с ГУН переносит излучаемый зондирующий сигнал с ПЧ на РЧ.

Полосовой фильтр 3 — выделяет полезный излучаемый сигнал на частоте 900 МГц ±5%.

УРЧ — обеспечивает усиление излучаемого сигнала до требуемого уровня, указанного в ТЗ.

Расчёт частотного плана: Частота излучаемого зондирующего сигнала = 900 МГц. В ТЗ задана возможность динамической перестройки в диапазоне ±5%, т. е. 855.945 МГц.

Вид излучаемого сигнала — импульсное излучение несущей частоты с возможностью модуляции сигнала на частоте 1 КГц и 2, 7 КГц.

Рис. 4.1.1. Частотный план

5. Составление и расчет принципиальной электрической схемы устройства

5.1 Расчёт входной цепи

Как отмечалось в п. 2.8.2. в данных диапазонах частот выгодного строить входные цепи на микрополосковых линиях.

Зададимся исходными данными для фильтра 2 ой гармоники:

Полоса пропускания по уровню от до. Полоса задержания по уровню начинается с и .

Относительная диэлектрическая проницаемость подложки, а ее толщина. Волновое сопротивление .

.

Необходимое количество элементов фильтра:

где .

.

.

Необходимое количество элементов фильтра .

Параметры крайних элементов:

.

Пользуясь справочной литературой для выбранных частот и количества элементов фильтра, находим обобщенные реактивные параметры элементов прототипа ФНЧ.

.

.

.

.

Обобщенные реактивные параметры прототипа связываются с параметрами фильтра:

Волновые сопротивления связанных линий при четном и нечетном возбуждениях:

Ом

Ом

Ом

Ом

Ом

Ом Относительное расстояние между полосками:

Тогда расстояние между полосками равно:

мм

мм

мм Относительная ширина отрезков линии :

мм

мм

мм

Длина отрезков связанных линий определяется по формуле:

где м,

мм

мм

мм Таким образом, для микрополоскового фильтра второй гармоники получили следующие параметры:

мм; мм; мм

мм; мм; мм

мм; мм; мм.

Произведем расчет параметров фильтра 3 ей гармоники.

Исходные данные:

Полоса пропускания по уровню от до. Полоса задержания по уровню начинается с и .

Относительная диэлектрическая проницаемость подложки, а ее толщина. Волновое сопротивление .

.

Необходимое количество элементов фильтра:

где .

.

.

Необходимое количество элементов фильтра .

Параметры крайних элементов:

.

Пользуясь справочной литературой для выбранных частот и количества элементов фильтра, находим обобщенные реактивные параметры элементов прототипа ФНЧ.

.

.

.

.

Обобщенные реактивные параметры прототипа связываются с параметрами фильтра:

Волновые сопротивления связанных линий при четном и нечетном возбуждениях:

Ом

Ом

Ом

Ом

Ом

Ом Относительное расстояние между полосками:

Тогда расстояние между полосками равно:

мм

мм

мм Относительная ширина отрезков линии :

мм

мм

мм Длина отрезков связанных линий определяется по формуле:

где м,

мм

мм

мм Для микрополоскового фильтра третьей гармоники получены следующие параметры:

мм; мм; мм

мм; мм; мм

мм; мм; мм.

5.2 Малошумящий усилитель (МШУ)

Согласно ТЗ, чувствительность приемного тракта проектируемого нелинейного радиолокатора должна быть не хуже -110 дБ / Вт. Чувствительность демодулятора составляет 20 дБм = -10 дБВт. Следовательно, необходимо обеспечить усиление в приемном тракте -110 — (-10) = -100 дБ. Для обеспечения заданного усиления используем пару усилителей NBL00442.

Основные характеристики данного усилителя приведены в таблице 5.2.1.

Таблица 5.2.1. Основные характеристики усилителя NBL00442