К оценке фундаментальных пределов в нелинейной радиолокации Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

■ТВ-

%

ж,

■IIі

ЩЕРБАКОВ Григорий Николаевич,

профессор, доктор технических наук

ШЛЫКОВ Юрий Александрович,

кандидат технических наук

НИКОЛАЕВ Алексей Владимирович,

доцент, кандидат технических наук

БРОВИН Андрей Валерьевич,

кандидат технических наук

иГ

I

К ОЦЕНКЕ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ПРЕДЕЛОВ В НЕЛИНЕЙНОЙ РАДИОЛОКАЦИИ

і

¥ У? !|| . Г 1

г-

Направление локации объектов искусственного происхождения, обладающих нелинейными свойствами, сверхвысокочастотным полем, возникло в 70-х гг. прошлого столетия и получило название нелинейной радиолокации. Одно из возможных направлений развития данного метода зародилось в рамках программы «METRA» в США. Целью ее являлось создание вертолетной нелинейной радиолокационной станции, позволяющей выявлять вооруженных людей в густых зарослях джунглей, нелинейным элементом которых являлись стыки металлов в оружии. Одновременно в СССР это направление развивалось по линии специальных ведомств в интересах обнаружения инженерных мин. Итогом последних исследований было создание нелинейной перенос-

ной радиолокационной станции ИНМ, принятой на вооружение в начале 80-х гг. [1]. Сущность данного метода локации заключалась в регистрации гармоник одночастотных зондирующих сигналов в амплитудно-частотном спектре сигнала, отраженного от лоцируемого объекта с нелинейными вольтампер-ными и вольтфарадными характеристиками. Было установлено, что такими характеристиками обладают объекты искусственного происхождения, в составе которых имеются полупроводниковые радиоэлементы, а также точечные прижимные металлические контакты. Необходимо отметить, что основная доля энергии отраженного сигнала при локации таких объектов будет содержаться в амплитудно-частотном спектре сигнала, отраженного от элементов объекта с линейными

свойствами и лишь некоторая ее часть с нелинейными. Последнее обстоятельство обуславливает предельные возможности метода нелинейной радиолокации по обнаружению, поиску и измерению координат объектов.

Известно, что становлению радиотехники как науки, в широком смысле этого слова, способствовало установление фундаментальных пределов, определяющих предельно достижимые параметры радиоэлектронной аппаратуры [2]. В настоящее время под фундаментальным пределом понимают некоторый предел, за которым начинается лавинообразный рост (или уменьшение) какого-либо качественного показателя радиоэлектронной аппаратуры. Например, к настоящему времени в области антенной техники установлено четыре фундамен-

тальных предела: электрически малая антенна, сверхнаправленная антенна, сверхразрешающие антенны и антенны с высоким усилением. Качественный анализ процессов, протекающих в нелинейных электрических элементах объектов поиска, показывает, что в нелинейной радиолокации также имеется свой фундаментальный предел — это предел дальности обнаружения. В большинстве случаев он обусловлен электрическим пробоем полупроводниковых нелинейных элементов (р-п перехода полупроводникового радиоэлемента, точечного прижимного металлического контакта с туннельной проводимостью и др.). При удалении объекта поиска от нелинейной радиолокационной станции, при фиксированной чувствительности ее приемного устройства, требуется увеличивать плотность потока мощности, падающего на объект сверхвысокочастотного поля. Только в этом случае будет обеспечиваться обнаружение объекта искусственного происхождения. Однако при достижении определенной, в каждом случае своей, плотности потока мощности произойдет пробой нелинейного элемента — чаще всего

электрический пробой р-п перехода. При этом происходит лавинообразное уменьшение нелинейной эффективной поверхности рассеяния объекта поиска, который становится «невидимым» для нелинейных радиолокационных станций. Именно величина максимально возможного наведенного напряжения на нелинейном элементе и будет определять (при фиксированной чувствительности приемника) дальность действия нелинейного радиолокатора 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 радиолокационной станции практически неограниченно увеличивает даль-

ность обнаружения объектов вплоть до космических масштабов. Формально предел дальности здесь тоже может наступать при напряженности электрической составляющей падающего электромагнитного поля, сравнимой с внутриатомными напряженностями электрического поля вещества (металла, пластмассы), имеющими огромную величину. На практике он ограничен возможностями современной науки по созданию мощных передающих устройств, высоконаправленных антенных систем и чувствительных приемных устройств (ориентировочно они составляют следующие пределы по импульсной мощности Ри до нескольких сот кВт в импульсе, коэффициенту направленного действия С до 20 000 и чувствительности приемного устройства Рпрмин = 10-20 Вт). 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

Рис. 1. Качественная зависимость, поясняющая существование фундаментального предела в нелинейной радиолокации

полуволнового электрического вибратора, в центр которого включен высокочастотный полупроводниковый диод. Предельная дальность обнаружения данного резонансного объекта будет больше, чем обычных апериодических (реальных) объектов.

Анализ процессов, протекающих в нелинейных элементах (р-п переходах, контактах металл — диэлектрик - металл) объектов поиска, показывает (рис. 1), что в нелинейной радиолокации фундаментальный предел по дальности обнаружения обусловлен чаще всего электрическим пробоем. Физический смысл его существования объясняется наличием такой плотности потока мощности электромагнитной волны падающего поля Ппадпред, при которой еще существует нелинейный эффект. Дальнейшее увеличение плотности потока мощности падающего поля Ппад приводит к лавинообразному уменьшению плотности потока мощности отраженной волны Потр.

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 объектов.

Считаем, что ось вибратора параллельна напряженности электрического поля Е падающей электромагнитной волны. В результате взаимодействия электромагнитного поля подающей волны Ппад с объектом в вибраторе наводится электродвижущая сила:

Ппр = Ппада/4лг2

(3)

е = ЕпадХк

(1)

где кд = Апад/п — действующая высота полуволнового вибратора; Апад — длина волны первичного поля.

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

П = Е2 /р

1Апад ^ пад 'Но

(2)

где р0 — волновое сопротивление свободного пространства.

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

где ст — ЭПР объекта, м2.

Экспериментально установлено, что для нелинейного полуволнового вибратора при Ппад > 1 — 2 Вт/м2 зависимость между Ппад и Ппр 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 Ппад > 1 — 2 Вт/м2 в полуволновом вибраторе наводится электродвижущая сила более 1 — 2 В. Например, при Ппад = 1 Вт/м2, Апад = 0,6 м, р0 = 377 Ом в полуволновом вибраторе наводится электродвижущая сила, равная 3,68 В. В большинстве случаев для «апериодических» нелинейных объектов «насыщение» наступает при Ппад > 10 Вт/м2. Известно, что в нелинейной радиолокации целесообразно использовать импульсный режим работы с большой скважностью (О = 103 — 104). При этом выход из строя нелинейного элемента будет обусловлен электрическим пробоем, а не тепловым. Здесь имеется некоторая аналогия с электрическими процессами в сверхвысокочастотных волноводах. Наибольшая проходящая мощность для них ограничивается электрическим пробоем, а не тепловыми процессами. Величина напряжения пробоя для большинства высокочастотных полупроводниковых р-п переходов составляет от 40 до 150 В. В нелинейной радиолокации при больших плотностях потока мощности падающей волны (Ппад > 1 — 10 Вт/м2) величина нелинейной эффективной поверхности рассеяния ан входит в «насыщение» и не зависит от величины первичного 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 нелинейной эффективной поверхности рассеяния на 2-ой гармонике в режиме «насыщения» на 1 — 2 порядка больше, чем «нормированная» нелинейная эффективная поверхность рассеяния (т.е. при плотности потока энергии падающего поля Ппад = 1 Вт/м2).

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

1-1 ТС Цн О!нСнас) ?

4г2Х^Р„ (4)

где ан/нас/ — нелинейной эффективной поверхности рассеяния в режиме насыщения; г — расстояние между объектом поиска и нелинейным радаром; ин — напряжение на нелинейном элементе.

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

Г =

пр .

ТГЦн &н(нас)

(5)

4гХ^Р0 Ппр.

пр. мин

где Ппрмин - заданная чувствительность (по полю) приемника нелинейного радара.

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 нелинейную эффективную площадь вибратора до величины, равной нелинейной эффективной площади рассеяния объекта искусственного происхождения. Поэтому в первом приближении, данной формулой можно воспользоваться при оценке предельной дальности обнаружения реальных объектов, взяв их нелинейную эффективную поверхность рассеяния в режиме «насыщения». Анализ функциональной зависимости, при заданных условиях, для двух различных первичных электромагнитных полей на частотах 500 и 1000 МГц показывает, что с уменьшением длины волны (увеличением частоты первичного поля при равной плотности потока мощности), дальность обнаружения идеализированного объекта уменьшается. Физически это связано с уменьшением нелинейной ЭПР объектов искусственного происхождения, вследствие чего пробой нелинейных элементов наступает раньше. На практике для

д

объекта в виде нелинейного полуволнового электрического вибратора, в зависимости от типа полупроводникового диода, нагруженного на него, и длины волны первичного электромагнитного поля Лпад, нелинейная эффективная поверхность рассеяния в режиме насыщения находится в пределах 10-4 < он(наС) < 108 [1]. Тогда предельная дальность обнаружения, для нелинейного метода локации, будет составлять от 100 м до нескольких километров (рис. 2).

Произведем оценку разрешающей способности по угловым координатам и дальности нелинейного радиолокатора. Данная характеристика определяет возможность раздельного наблюдения нелинейных объектов по соответствующим координатам.

Направленные свойства антенной системы позволяют определить направление на объект поиска и определить разрешающую способность по азимуту и угловым координатам. При использовании метода максимума погрешность пеленга составляет [3, 4]:

АОг = (0,1 - 0,25) АО0г5, (6)

где ЛС05 — ширина диаграммы направленности антенной системы по уровню половинной мощности.

Для дециметрового диапазона (Апад = 0,3 — 0,6 м) при размерах апертуры антенной системы около 0,5 — 0,7 м ширина диаграммы направленности ориентировочно составит Ау05 « 30°. Отсюда точность определения расположения объекта искусственного происхождения по азимуту на поверхности грунта, находящегося на удалении 16 м от нелинейного радиолокатора, будет равна 1,8 - 4,4 м. При использовании метода сравнения («вилки»), что требует на практике двух приемных антенн с одинаковыми характеристиками, точность определения координаты в данном случае будет значительно выше и составит 0,18 - 0,44 м, но при этом необходимо увеличивать плотность потока падающего поля для достижения той же предельной дальности обнаружения.

Значительное увеличение азимутального разрешения может дать применение фазированной антенной решетки с частотным сканированием. Изменение частоты несущей на несколько МГц позволяет осуществлять сканирование основного лепестка диаграммы, направленности в пределах ±45° от нормали к антенной системе, то есть так называемое секторное сканирование. Применение подобной фазированной антенной решетки в виде «линейки» спиральных антенн наиболее целесообразно для нелинейной радиолокационной станции, разрешаемой на наземном подвижном носителе.

Определение расстояния до близко расположенных объектов требует применения очень коротких радиоимпульсов. Столь короткие импульсы могут не успеть «возбудить» нелинейные элементы объекта поиска, которыми в большинстве случаев являются полупроводниковые переходы транзисторов и диодов. Оценим минимально возможную длительность зон-

10000

1000

г М

'пр’

100

0 0 20 40 60 80 100 120 140 150

ит В

Рис. 2. К оценке предельной дальности обнаружения идеализированного объекта поиска в виде нелинейного полуволнового электрического вибратора в свободном пространстве

дирующих радиоимпульсов, при которой еще не происходит значительного уменьшения нелинейной эффективной поверхности рассеяния.

Физически инерционность полупроводникового перехода обусловлена в основном временем установления напряжения первичного сверхвысокочастотного сигнала на его нелинейной емкости. Из известных радиотехнических процессов наиболее близок для нашего случая процесс детектирования коротких радиоимпульсов. Известно, что процесс установления входного напряжения для диодного детектора описывается выражением [5]:

г 8в

; = лр ] —т----------------------—-; (7)

R.C

arcosKc

1-

ctgQ

КС ТР‘/C,

где Кс — коэффициент детектирования; тз — время заряда; тр — время разряда.

Интеграл в (7) решается только численным интегрированием. Данные, приведенные в [4], показывают, что величина напряжения и на емкости достигает 0,7 — 0,8 В от установившегося значения при { > 10КсС. В нашем случае, при Яс « Яб (базЫ) (Я6 = 200 Ом) и С « Со (Со = 10 пФ), что характерно для типичного высокочастотного кремниевого транзистора, длительность зондирующего радиоимпульса в первом приближении должна быть не менее 20 нс.

Рассмотренный пример характеризует процесс в основном качественно. Более строгое решение требует численного решения соответствующего дифференциального уравнения, описывающего процесс формирования напряжения в нелинейном элементе отражателя. Расчетами установлено, что для высокочастотных транзисторов, у которых начальная емкость перехода эмиттер-база составляет 10 — 20 пФ, время установления составляет

l0 — 20 нс, для низкочастотных транзисторов, у которых эта же емкость около l00 пФ — до 25 — З0 нс.

Из всего изложенного следует, что минимальная длительность зондирующих радиоимпульсов в нелинейной радиолокации составляет 10 - 20 нс. Отсюда максимально возможное разрешение по дальности составляет 1,5 - 3,0 м. Однако применение столь коротких радиоимпульсов требует создания широкополосной сверхвысокочастотной аппаратуры с полосой пропускания около l00 МГц. Обеспечение необходимой помехоустойчивости подобной аппаратуры представляет собой весьма сложную задачу [6].

При максимальной скорости поиска с использованием переносной нелинейной радиолокационной станции З км/ч, длительности зондирующего радиоимпульса тимп = I мкс, размере объекта поиска ЛІя 0,в3 м и числе принимаемых импульсов N = I0, скважность зондирующего сигнала составит Q я 3,в*Ю4, это соответствует частоте следования импульсов Fumn я 28 Гц. При локации объектов путем вращения антенного устройства вокруг своей оси с максимальной скоростью поб = 0,5 об/с и шириной диаграммы направленности антенного устройства Лф05 я 30° (практически минимально возможная ширина диаграммы направленности для портативных антенн в метровом — дециметровом диапазонах) скважность составит Q я S,6xI04, что соответствует частоте следования зондирующих импульсов Futln я в0 Гц. Поэтому скважность зондирующего сигнала для переносного нелинейного радиолокатора должна быть порядка Q я ^хЮ4. Это позволит при потребляемой передатчиками мощности Pnomp = I — 2 Вт создавать в передающей антенне импульсную мощность в несколько кВт при коэффициенте полезного действия передатчика около З0 — 50%.

Важная характеристика нелинейно-

го радиолокатора — это максимально возможная скорость ведения поиска с носителя. Особенно актуальна она для нелинейных радиолокационных станций, размещаемых на воздушных носителях (вертолете, небольшом самолете), обладающих значительной скоростью. Оценим ее, воспользовавшись известной формулой для линейной радиолокационной станции бокового обзора [6]. В нашем случае будет иметь вид:

VMaKc Q0,5rFn/NM

(8)

где Q05 — ширина диаграммы направленности антенны по точкам половинной мощности (в радианах); r — расстояние до объекта поиска; Fn — частота повторения зондирующих радиоимпульсов; NMUH — минимальное число принимаемых импульсов, обеспечивающих заданную чувствительность приемника нелинейной радиолокационной станции.

Так как Q05 = Лпад/1а, где 1а — длина антенны фазированной антенной решетки, то формула (8) приобретает вид:

VMaKC ^nadrFn/(NMUH la)'

Например, при Л1 = 0,3 м, r = 100 м, Fn = 1000 Гц, Nmin = 10, 1a = 1 м максимальная скорость при вертикальном зондировании с воздушного носителя будет составлять 3000 м/с. Отсюда следует, что на практике скорость ведения поиска малоразмерных объектов будет ограничена только максимально возможной путевой скоростью самого носителя (ориентировочно — до 300 — 400 км/ч).

Процессы, происходящие в нелинейных радиолокационных отражателях очень сложны. Поэтому теоретические расчеты и выводы данной статьи носят оценочный характер в условиях определенных ограничений.

Литература

1. Щербаков Г.Н. Применение нелинейной радиолокации для дистанционного обнаружения малоразмерных объектов/ Специальная техника, 1999, № 6, с. 34 — 39.

2. Фундаментальные пределы, в радиоэлектронике и смежных областях (пер. с анг.). М.: Мир, 1981.

3. Финкельштейн М.И. Основы, радиолокации. М.: Советское радио, 1973.

4. Теоретические основы, радиолокации. Под ред. Дулевича В.Е. М.: Советское радио, 1978.

5. Измерение радиопомех. Под ред. Фастовского И.А. М.: Связь, 1973.

6. Хармут Х.Ф. Несинусоидальные волны, в радиолокации и радиосвязи. Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1985.