Параметрическая локация - Специальная Техника
Параметрическая локация - Специальная Техника
Параметрическая локация - Специальная Техника
- TAGS
- metrra
- auqust
- www.ess.ru
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
ЩЕРБАКОВ Григорий Николаевич,<br />
доктор технических наук, профессор<br />
ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ЛОКАЦИЯ – НОВЫЙ МЕТОД ОБНАРУЖЕНИЯ СКРЫТЫХ ОБЪЕКТОВ<br />
Известные методы обнаружения неподвижных объектов в укрывающих средах основаны на регистрации различных<br />
аномалий НЧ, ВЧ, СВЧ (электромагнитных, теплофизических и др.) в местах расположения этих объектов. При этом<br />
методы активной локации - радиолокационный, индукционный, акустический и др. - используют имеющиеся контрасты<br />
между объектом поиска и естественным фоном (грунтом, растительностью, водой). Название метода обусловлено, как<br />
правило, типом зондирующего поля [1].<br />
В более ранних работах автором показана возможность использования для поиска малоразмерных объектов<br />
принципиально нового метода, основанного на регистрации искусственно вызываемых контрастов между объектом<br />
поиска и фоном за счет дополнительного облучения исследуемого пространства, наряду с основным зондирующим,<br />
различными физическими полями. Возникновение этих контрастов обусловлено различной реакцией объекта поиска<br />
искусственного происхождения и элементов естественного фона на возбуждающее поле.<br />
Физические основы параметрической локации<br />
Известно, что электрические цепи, в которых хотя бы один из параметров изменяется по какому-либо заданному<br />
закону, называются параметрическими. Рассеянное, например, объектом поиска электромагнитное поле может<br />
отличаться от падающего своими параметрами: амплитудой, фазой, частотой и поляризацией. Под воздействием<br />
дополнительного возбуждающего поля (акустического, лазерного и др.) эти параметры могут изменяться во времени и<br />
пространстве. Закон изменения этих параметров будет определяться прежде всего характеристиками возбуждающего<br />
поля (плотностью потока мощности, частотой и др.). Из этого следует, что предлагаемый тип локации можно назвать<br />
параметрическим.<br />
На рис.1 приведены возможные варианты сочетаний зондирующих и возбуждающих физических полей.
Рис.1. Физические поля, используемые в параметрической локации<br />
В качестве возбуждающих полей при поиске различных объектов могут быть использованы помимо электромагнитных,<br />
акустических и сейсмических полей также и радиоактивные излучения. Воздействие этих излучений (нейтронного и<br />
гамма) на электронные устройства объектов поиска изменяет их параметры (сопротивление базы, барьерную и<br />
диффузионную емкости переходов и др.) [2] и, соответственно, отражательные характеристики этих объектов. Это<br />
может быть зафиксировано путем использования зондирующих электромагнитных полей.
Следует отметить, что многие из предложенных вариантов параметрической локации основаны на физических<br />
эффектах, известных в технике как “вредные”. Например, механические вибрации цели (самолетов, танков и др.)<br />
вызывают “шум цели”, которые ухудшают поисковые характеристики РЛС, особенно когерентных [3, 4]. Эффект кроссмодуляции<br />
рассматривается как “вредный”, создающий взаимные помехи между соседними каналами связи [5, 6].<br />
Возбуждение электронно-оптических приборов наблюдения и целеуказания лазерным излучением часто приводит к их<br />
“ослеплению” [7]. Облучение, даже кратковременное, электронной аппаратуры ионизирующим излучением<br />
(нейтронным, гамма) вызывает обратимые и необратимые изменения в ее элементной базе, прежде всего<br />
полупроводниковых деталях [2, 8]. Однако, управление всеми этими эффектами, прежде всего за счет выбора<br />
оптимальных параметров (энергетических, временных, частотных и др.) возбуждающего поля позволяет превратить их<br />
из “вредных” в “полезные” и использовать в целях локации объектов искусственного происхождения.<br />
Таблица 1: Характерные параметры возбуждающих полей.<br />
Тип<br />
возбуждающего<br />
поля<br />
СВЧ<br />
электромагнитное<br />
ВЧ<br />
электромагнитное<br />
(ДВ, СВ, КВ, УКВ)<br />
Возбуждаемые<br />
элементы объекта<br />
поиска<br />
Полупроводниковые<br />
радиодетали;<br />
точечные<br />
прижимные<br />
металлические<br />
контакты<br />
Плоскостные<br />
металлические<br />
контакты<br />
Входные<br />
резонансные<br />
устройства<br />
радиоуправляемых<br />
фугасов и<br />
электронных<br />
“жучков”<br />
Интенсивность<br />
поля и<br />
длительность<br />
воздействия<br />
П пад > 0,1-1 Вт/м 2<br />
t в > 20-30 нс<br />
П пад > 100-200 Вт/м 2<br />
t в > 5-10 нс<br />
(плазменный<br />
пробой)<br />
Е> 0,1-1 В/м<br />
Н > 10 -4 -10 -3 А/м<br />
t в >1-10 мкс<br />
Возможные<br />
области<br />
применения<br />
параметрических<br />
эффектов<br />
Дистанционное<br />
обнаружение<br />
неизлучающих<br />
радиоэлектронных<br />
и взрывных<br />
устройств<br />
Дистанционное<br />
обнаружение<br />
стрелкового<br />
оружия и взрывных<br />
устройств<br />
Неконтактное<br />
определение<br />
рабочих<br />
частот<br />
радиоприемных<br />
устройств, фугасов<br />
и управляемых ВУ
НЧ<br />
магнитное<br />
(квазистационарное)<br />
НЧ<br />
электрическое<br />
(квазистационарное)<br />
Лазерное<br />
(УФ, видимое, ИК)<br />
“жучков” и управляемых ВУ<br />
- с целью их<br />
распознавания и<br />
создания<br />
прицельной помехи<br />
Магнитные<br />
взрыватели и<br />
датчики цели;<br />
ферромагнитные<br />
корпуса взрывных<br />
устройств<br />
Активные<br />
приемные<br />
антенны<br />
Емкостные<br />
датчики цели<br />
Электроннооптические<br />
приборы<br />
(ИК датчики цели)<br />
Акустическое Микрофонные<br />
датчики цели;<br />
подпружиненные<br />
устройства<br />
ориентации<br />
мин и фугасов<br />
Н> 0,1-1 А/м<br />
t в >1-10 мс<br />
Е> 10-20 В/м<br />
t в >0,1-1 мкс<br />
Е> 100 В/м<br />
t в > 1...10 мс<br />
П пад >10 -3 -10 -2<br />
Вт/м 2<br />
t в > 1...10 мс<br />
П пад >1-10 Вт/м 2<br />
t в > 1-10 мс<br />
Неконтактное<br />
обнаружение<br />
экранированных<br />
электронных<br />
устройств;<br />
обнаружение<br />
взрывных<br />
устройств на фоне<br />
помех от<br />
металлических<br />
предметов<br />
Поиск ИП РЛУ<br />
взрывом мин и<br />
фугасов<br />
Поиск датчиков<br />
охранной<br />
сигнализации,<br />
противопехотных<br />
мин и др.<br />
Дистанционное<br />
распознавание<br />
пассивных ЭОП, в<br />
том числе<br />
“видеожучков”<br />
Дистанционное<br />
обнаружение<br />
“жучков”, мин и<br />
взрывных<br />
устройств
Радиоактивные<br />
излучения (гамма и<br />
нейтронное)<br />
мин и фугасов<br />
Переходы<br />
транзисторов и<br />
диодов<br />
электронных схем;<br />
заряды ядерных<br />
устройств<br />
нейтронное:<br />
Ф n >10 10 -10 11<br />
нетр./см 2 ;<br />
гамма:<br />
Рg > 10 3 -10 4 рад/с<br />
t в > 1-5 мкс<br />
Неконтактное<br />
распознавание<br />
экранированных<br />
устройств и<br />
ядерных устройств<br />
В параметрической локации возбуждающий сигнал “окрашивает” зондирующий сигнал при его отражении от объекта<br />
поиска искусственного происхождения. “Окраска” заключается в придании ему характерных амплитудных, частотновременных<br />
и поляризационных признаков, которые могут затем быть выявлены в приемном устройстве поисковой<br />
системы.<br />
Параметрический процесс формирования вторичного сигнала может быть как линейным, так и нелинейным. Первый<br />
случай имеет место, например, при рассеянии СВЧ-электромагнитного поля вибрирующим объектом поиска - за счет<br />
дополнительного его облучения мощным акустическим полем. Второй - при рассеянии СВЧ-поля возбуждаемым<br />
нелинейным объектом на гармониках. Возбуждение нелинейных элементов объекта поиска (переходов транзисторов и<br />
диодов и др.) может при этом осуществляться электромагнитным полем ДВ-, СВ-, КВ-диапазонов, что приводит к<br />
соответствующему изменению НЭПР всего объекта. Это делает возможным, например, определение рабочей частоты<br />
искомого радиоприемного устройства линии управления взрывом, радиостанции. Характерно, что объект поиска<br />
(радиоприемник) может быть при этом выключен.<br />
Необходимо отметить наличие значительного количества возможных сочетаний зондирующих и возбуждающих<br />
физических полей. Выбор той или иной комбинации должен осуществляться с учетом многих факторов: наличия<br />
априорной информации об особенностях устройства объектов поиска, характеристик окружающего фона, требуемой<br />
дальности обнаружения и др. Применительно к рассматриваемой проблеме наиболее перспективным следует считать<br />
сочетания различных электромагнитных полей НЧ-, ВЧ-, СВЧ-диапазонов. Это обусловлено, в основном, их<br />
способностью проникать через укрывающие полупроводящие среды. Не исключено совместное использование<br />
различных сочетаний зондирующих и возбуждающих полей в одной поисковой системе - с целью увеличения<br />
надежности обнаружения различных малоразмерных объектов.<br />
На основании изложенного автором предлагается следующее определение параметрической локации: это активный<br />
метод обнаружения объектов, при котором регистрируются изменения параметров зондирующего поля за счет<br />
облучения этих объектов дополнительным возбуждающим полем (акустическим, СВЧ-электромагнитным, лазерным и<br />
др.).<br />
Использование СВЧ-нелинейно-параметрических взаимодействий для обнаружения стрелкового оружия и
Использование СВЧ-нелинейно-параметрических взаимодействий для обнаружения стрелкового оружия и<br />
взрывных устройств<br />
Проведенные ранее в нашей стране исследования показали, что для дистанционного обнаружения малоразмерных<br />
металлических объектов возможно использование нелинейной радиолокации. Это обусловлено наличием нелинейных<br />
электрических свойств у металлических контактов [9, 10].<br />
Однако для обнаружения стрелкового оружия использование известной НРЛС типа METRRA (США) и ей подобных<br />
оказалось малоэффективным. Это объясняется его незначительными нелинейными свойствами на третьей гармонике -<br />
из-за отсутствия точечных прижимных контактов. Имеющиеся же в конструкции стрелкового оружия многочисленные<br />
плоскостные металлические контакты обладают незначительными нелинейными свойствами на СВЧ, что объясняется<br />
шунтирующим действием их большой собственной емкости. Некоторое увеличение НЭПР точечных металлических<br />
объектов (на 18...20 дБ) может быть достигнуто при двухчастотном режиме работы НРЛС с регистрацией<br />
комбинационных частот третьего порядка. Однако и в этом случае обнаружение небольших по размерам металлических<br />
объектов (пистолетов и др.) затруднительно. Качественный скачок в обнаружении подобных объектов может быть<br />
достигнут за счет использования нелинейно-параметрического метода. Предлагаемый вариант метода основан на<br />
усилении нелинейных свойств плоскостных металлических контактов за счет дополнительного воздействия на них<br />
мощными СВЧ-короткими радиоимпульсами. Это воздействие вызывает, при определенных условиях, электрический<br />
плазменный пробой диэлектрических окисных пленок, покрывающих контактирующие металлические поверхности.<br />
Пробой состоит из нескольких элементарных быстродействующих нелинейных электронных процессов: эмиссии<br />
электронов из катода в диэлектрик (окисную пленку), размножения электронов вследствие ударной ионизации,<br />
образования и разрушения отрицательного объемного заряда. В момент пробоя нелинейные свойства контактов резко<br />
усиливаются, что может быть зарегистрировано приемником НРЛС. Усиление нелинейных свойств может быть<br />
объяснено возникновением нелинейного плазменного слоя.<br />
Эффект пробоя тонких диэлектрических пленок рассматривается в электронике [2, 11] и электротехнике [12] как<br />
“вредный”. Однако в нашем случае его специальное создание позволяет усилить демаскирующие свойства<br />
малоразмерных металлических объектов поиска, то есть делает эффект “полезным”.<br />
Известно, что чистые поверхности практически всех металлов, соприкасаясь с атмосферой, содержащей кислород,<br />
немедленно покрываются пленками своих окислов. За довольно короткий промежуток времени на металлической<br />
поверхности образуется начальный окисный слой толщиной в несколько атомных ячеек, который в свою очередь,<br />
покрывается абсорбированной пленкой газа. Законы роста окисных пленок для разных металлов различны. Для<br />
металлов с плотными окислами закон роста окисной пленки при низких температурах оказывается ближе к<br />
логарифмическому. В частности, это наблюдается у железа при температуре окисления до 375 0 С, у меди - до 100 0 С, у<br />
алюминия - до 225 0 С. Быстрое уменьшение скорости роста этих пленок с течением времени обусловлено их защитным<br />
действием. Такие пленки называются пассивирующими.<br />
Все изложенное позволяет сделать вывод о наличии быстрого окисления плоскостных металлических контактов<br />
(различных металлических предметов), содержащихся в стрелковом оружии и взрывных устройствах, после<br />
повреждений окисных пленок. Последнее возникает, например, из-за сухого трения между элементами
(различных металлических предметов), содержащихся в стрелковом оружии и взрывных устройствах, после<br />
повреждений окисных пленок. Последнее возникает, например, из-за сухого трения между элементами<br />
контактирующих поверхностей (окисные пленки “сдираются”) - при передергивании затвора пистолета, установки<br />
взрывных устройств на поверхность грунта.<br />
Напряженность электрического поля, необходимая для пробоя окисной пленки, зависит от многих факторов:<br />
шероховатости контактирующих поверхностей, толщины пленки, химического состава пленки, частоты<br />
прикладываемого напряжения и др.<br />
Анализ литературы, посвященной электрическим процессам в контактирующей системе “металл-окисел-металл”<br />
показывает, что в большинстве случаев пробивная напряженность электрического поля составляет 10 5 ...10 7 В/см.<br />
Весьма важно, что длительность прикладываемого напряжения может быть весьма малой - единицы...десятки<br />
наносеукнд. Соответственно и продолжительность воздействия электромагнитного поля, облучающего объект поиска,<br />
может быть такой малой. При толщине окисной пленки единицы...десятки микрон ее пробой наступает при напряжении<br />
10 В и более. Необходимая импульсная мощность возбуждающего СВЧ-передатчика дециметрового диапазона,<br />
облучающего малоразмерный объект (l об » 0,1...0,2 м), определяется формулой:<br />
(1)<br />
где U пр - минимально необходимое напряжение пробоя окисной пленки плоскостного контакта.<br />
Отсюда, например, при U пр = 10 В, r = 5 м, l в = 0,3 м, l об = 0,15 м, G u = 10 мощность генератора (в импульсе) должна<br />
быть не менее 913,9 Вт. Для увеличения надежности электрического пробоя контактов (U пр > 20...30 В) эта мощность<br />
должна составлять несколько кВт. При длительности зондирующего радиоимпульса 100 нс и частоты следования 1000<br />
Гц средняя мощность в передающей антенне составит незначительную величину - десятые доли Вт. В выходном<br />
усилителе мощности могут быть использованы импульсные биполярные СВЧ-транзисторы, включенные по схеме<br />
сложения мощностей. Обязательно использование невзаимного элемента (ферритового вентиля или циркулятора)<br />
между выходом СВЧ-усилителя мощности и антенной - так как СВЧ-транзисторы не выдерживают больших КСВ.<br />
Последнее может произойти, например, при поднесении передающей антенны к телу оператора или поверхности<br />
грунта.<br />
Поисковая система, регистрирующая “возбужденную” нелинейность металлических контактов объема поиска,<br />
технически может быть реализована несколькими способами. Например, с использованием НРЛС при двухчастотном<br />
СВЧ-облучении с регистрацией комбинационных частот второго порядка или за счет реализации эффекта кроссмодуляции.<br />
При этом необходимо, чтобы один из двух СВЧ-сигналов, облучающих объект, был по мощности<br />
значительно больше другого.
Выражение, позволяющее оценить дальность действия двухчастотной НРЛС в свободном пространстве, имеет вид:<br />
(2)<br />
где s нк(1) - нормированная нелинейная ЭПР металлического объекта поиска на комбинационной частоте.<br />
Расчеты показывают, что при Р u1 = 10 3 Вт; Р u2 = 10 2 Вт, G u1 = G u2 = 10, s нк(1) = 10 -11 м 6 /Вт 2 , А п = 10 -2 м 2 , Р пр( min) = 10 -12<br />
Вт дальность обнаружения малоразмерного металлического объекта (пистолета, мины) составит около 5 м. При<br />
длительности зондирующих импульсов 10...100 нс, частоте следования 1000 Гц общая средняя мощность в передающих<br />
СВЧ-антеннах составит всего десятки мВт.<br />
Основная трудность, возникающая при реализации эффекта кросс-модуляции, заключается в получении второго<br />
сигнала (меньшего по мощности) с “чистым” спектром, то есть без собственной амплитудной модуляции. Эта мешающая<br />
шумовая модуляция появляется как в самом СВЧ-генераторе, так и при отражении зондирующего сигнала от<br />
неоднородностей естественного фона [13].<br />
Для увеличения дальности обнаружения малоразмерных металлических объектов дополнительно могут быть также<br />
использованы резонансные явления. Возможно также располагать более мощный СВЧ-передатчик вблизи исследуемого<br />
пространства (единицы метров), а второй СВЧ-передатчик и приемник - на значительном удалении (десятки метров).<br />
Экспериментально установлено, что для металлических объектов с точечными прижимными контактами (макетов<br />
взрывных устройств) наблюдается исчезновение нелинейных свойств при плотности потока первичного СВЧ-поля более<br />
10...30 Вт/м 2 . Это можно объяснить “выжиганием” точечных контактов - из-за высокой концентрации в них<br />
СВЧ-мощности. Для металлических объектов с плоскостными контактами (пистолетов ПМ) эффекта “выжигания” не<br />
наблюдалось. В большинстве случаев отраженный сигнал на комбинационной частоте увеличивался с ростом<br />
возбуждающего СВЧ-поля. Рабочую гипотезу о возбуждении плазменного пробоя в плоскостных контактах<br />
подтверждают следующие наблюдаемые явления:<br />
наличие порогового значения П пад , ниже которого нелинейные свойства у пистолетов пропадали;<br />
шумовая “окраска” отраженного сигнала, что характерно для СВЧ-диагностики плазмы.<br />
Таким образом, экспериментальные исследования в дециметровом диапазоне волн подтвердили правильность выводов<br />
о целесообразности использования эффекта плазменного пробоя окисной пленки плоскостных контактов металл-металл<br />
для обнаружения малоразмерных “рукотворных” металлических объектов.<br />
В процессе исследований было также выявлено, что сигнал, отраженный от пистолета, может быть соизмерим с
В процессе исследований было также выявлено, что сигнал, отраженный от пистолета, может быть соизмерим с<br />
сигналом, отраженным от связки ключей. В связи с этим в дальнейшем целесообразно проведение дополнительных<br />
исследований, направленных на выявление характерных сигнатур (спектральных, поляризационных, резонансных и<br />
др.), присущих отдельным образцам оружия и других малоразмерных объектов, что способствовало бы селекции их на<br />
фоне других предметов.<br />
Ожидаемые дальности обнаружения малоразмерных объектов, реализуемых при использовании переносного варианта<br />
параметрических локаторов, лежат в пределах от десятков сантиметров до десятков метров. Первые цифры характерны<br />
при применении квазистанционарных возбуждающих НЧ-электромагнитных полей – для локации объектов в сильно<br />
поглощающих средах (влажном глинистом грунте, строительных конструкциях и др.). Вторые цифры – при<br />
использовании направленных СВЧ- и лазерных возбуждающих полей в свободном пространстве – для локации,<br />
например. замаскированных пассивных оптико-электронных устройств (датчиков цели взрывных устройств,<br />
радиоуправляемых “видео-жучков” и др.).<br />
Идея параметрической локации является логическим продолжением метода нелинейной радиолокации. В обоих методах<br />
регистрируются спектральные различия принимаемых сигналов от неподвижных объектов. Однако в отличие от<br />
нелинейной радиолокации, круг обнаруживаемых объектов в параметрической локации значительно шире. Главным<br />
недостатком параметрической локации являются повышенные энергозатраты на создание возбуждающего поля.<br />
Возможные области применения параметрической локации: защита информации, борьба с терроризмом,<br />
криминалистика, строительство, археология.<br />
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ<br />
Толстой М.И. и др. Основы геофизических методов разведки. Киев, “Вища школа”, 1985.<br />
Мырова Л.О., Чепиженко А.З. Обеспечение стойкости аппаратуры связи к ионизирующим и электромагнитным<br />
излучениям. М., “Радио и связь”, 1984.<br />
Справочник по радиолокации. Редактор М. Сколник. М., “Советское радио”, 1978.<br />
Теоретические основы радиолокации. Под редакцией Дулевича В.Е. М., “Советское радио”, 1978.<br />
Бонд К.Д. и др. Взаимная модуляция при туннельном прохождении электронов через пленки алюминий – окисел<br />
алюминия. ТИИЭР, № 12, 1979.<br />
Князев А.Д. Элементы теории и практики обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных<br />
средств. М., “Радио и связь”, 1984.<br />
Малашин М.С. и др. Основы проектирования лазерных локационных систем. М., “высшая школа”, 1983.<br />
Глудкин О.П., Черняев В.Н. Технология испытания микроэлементов радиоэлектронной аппаратуры и<br />
интегральных микросхем. М., “Энергия”, 1980.<br />
Штейншлегер В.Б. К теории рассеяния электромагнитных волн вибратором с нелинейным контактом.<br />
“Радиотехника и электроника”, 1978., №7.<br />
Charles L. Optiz. Man-portable and helicopter-borne METRRA systems. “Microwaves”, auqust, 1976.<br />
Воробьев Г.А., Мухачев В.А, Пробой тонких диэлектрических пленок. М., “Советское радио”, 1977.<br />
Воробьев А.А., Воробьев Г.А. Электрический пробой и разрушение твердых диэлектриков. М., “Высшая школа”,
Воробьев А.А., Воробьев Г.А. Электрический пробой и разрушение твердых диэлектриков. М., “Высшая школа”,<br />
1966.<br />
Радиолокационные методы исследования Земли. Под редакцией Мельника Ю.А. М., “Советское радио”, 1980.