RU2474839C1

RU2474839C1 - Method and apparatus for nonlinear radar

Info

Publication number: RU2474839C1
Application number: RU2011128239/07A
Authority: RU
Inventors: Владимир Иванович Ирхин; Сергей Никандрович Матюгин
Priority date: 2011-07-07
Filing date: 2011-07-07
Publication date: 2013-02-10
Also published as: RU2011128239A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: method is realised by creating surveillance nonlinear radar which, at a long range, detects and measures coordinates of controlled explosive devices independently in each range resolution element. Longer detection range is provided due to resonant excitation of the sought objects and use of parametric effects which arise in nonlinear elements of controlled explosive devices when exposed to a powerful electromagnetic field, and measurement of their location is provided by using complex multi-range broadband probe signals with a large base in order to improve range resolution, and by realisation of mono-pulse techniques of measuring angular directions using a discrete set of multi-range receiving antennae.

EFFECT: providing safe remote detection of controlled explosive devices with high range resolution and virtually instantaneous and precise positioning thereof.

2 cl, 6 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области нелинейной радиолокации и предназначено для дистанционного обнаружения и точного измерения координат управляемых взрывных устройств (УВУ), обладающих избирательными свойствами в частотном диапазоне электромагнитных волн.The present invention relates to the field of nonlinear radar and is intended for remote detection and accurate measurement of the coordinates of guided explosive devices (IEDs) having selective properties in the frequency range of electromagnetic waves.

Актуальность разработки такого способа и создания соответствующего устройства обусловлена широким распространением во всем мире «взрывного» терроризма.The relevance of developing such a method and creating an appropriate device is due to the widespread worldwide use of "explosive" terrorism.

Одним из наиболее перспективных способов обнаружения УВУ является метод нелинейной радиолокации. Основные результаты исследований по оценке возможности использования нелинейной локации для обнаружения инженерных мин и взрывных устройств в различных укрывающих средах обобщены и опубликованы в ряде отечественных работ [1-4]. Реализация этих работ завершилась созданием в промышленности переносного нелинейного радиолокатора ИНМ (искатель неконтактных мин) [5].One of the most promising methods for detecting airborne vehicles is the nonlinear radar method. The main results of studies evaluating the possibility of using a nonlinear location to detect engineering mines and explosive devices in various concealment environments are summarized and published in a number of domestic works [1-4]. The implementation of these works ended with the creation in the industry of a portable nonlinear radar INM (non-contact mine finder) [5].

Принцип действия нелинейного радиолокатора (НРЛ) заключается в том, что при облучении внешним сигналом электронные устройства, содержащие полупроводниковые элементы (диоды, транзисторы, микросхемы), переизлучают сигналы на высших гармониках зондирующего сигнала, которые затем принимаются и анализируются НРЛ [6].The principle of operation of a nonlinear radar (NRL) is that when an external signal is irradiated, electronic devices containing semiconductor elements (diodes, transistors, microcircuits) re-emit signals at the higher harmonics of the probe signal, which are then received and analyzed by the NRL [6].

Обычно в существующих НРЛ режим облучения производится простыми (узкополосными) зондирующими сигналами (ЗС), база которых D=Δf·T~1, где Δf - ширина спектра ЗС, Т - длительность ЗС. Существует большое количество поисковых нелинейных локаторов дециметрового диапазона волн, использующих простые сигналы в качестве ЗС, которые решают задачи поиска электронных закладок в помещениях [7, 8].Typically, in existing NRLs, the irradiation mode is performed by simple (narrow-band) probing signals (ZS), the base of which is D = Δf · T ~ 1, where Δf is the width of the spectrum of the ZS, and T is the duration of the ZS. There are a large number of search non-linear decimeter wave locators that use simple signals as ES, which solve the problem of finding electronic bookmarks in rooms [7, 8].

Поисковые локаторы относятся к классу средств ближней локации, и применение в них сигналов с малой базой ограничивает пространственный элемент разрешения и затрудняет измерение координат положения объектов поиска при их дистанционном обнаружении на плоскости (x, у). Измерение координат в поисковых локаторах осуществляется путем изменения амплитуды зондирующих сигналов и чувствительности устройств приема отраженных колебаний высших гармоник [7, 8]. Данные операции выполняются последовательно во времени и поэтому требуют значительной длительности анализа. Поисковые локаторы характеризуются малыми дальностью обнаружения и разрешающей способностью, большим временем анализа отраженных сигналов, что в ряде случаев ограничивает область их применения в практических приложениях, а при обнаружении УВУ на расстояниях менее 1 м приводит к неоправданному риску оператора.Search locators belong to the class of near-location tools, and the use of signals with a small base in them limits the spatial resolution element and makes it difficult to measure the coordinates of the position of search objects when they are remotely detected on the (x, y) plane. Coordinates are measured in search locators by changing the amplitude of the probing signals and the sensitivity of the devices for receiving reflected oscillations of higher harmonics [7, 8]. These operations are performed sequentially in time and therefore require a significant analysis time. Search locators are characterized by a short detection range and resolution, a long analysis time of the reflected signals, which in some cases limits the scope of their application in practical applications, and when detecting UVDs at distances less than 1 m leads to unjustified risk for the operator.

С целью обеспечения безопасности личного состава необходимо реализовать дистанционное обнаружение взрывоопасных объектов и практически мгновенное точное их позиционирование на местности.In order to ensure the safety of personnel, it is necessary to implement remote detection of explosive objects and their almost instantly accurate positioning on the ground.

Следует отметить, что для поставленных задач в нелинейной локации делались попытки улучшить разрешение и точностные характеристики по дальности за счет применения сложных сигналов с базой D>>1.It should be noted that for the tasks in non-linear location, attempts were made to improve resolution and accuracy characteristics in range due to the use of complex signals with the base D >> 1.

Известно, что в обычной линейной локации применение сложных сигналов позволило разрешить противоречие между энергетическим потенциалом и разрешающей способностью по дальности [7].It is known that in the usual linear location the use of complex signals allowed to resolve the contradiction between the energy potential and the resolution in range [7].

В нелинейной локации применение сложных сигналов имеет свои особенности, определяемые нелинейным преобразователем в объектах поиска. В частности, применение бифазных кодов при выделении колебаний 2-й гармоники приводит к эффекту обужения спектра колебаний, отраженных от УВУ, т.е. к ухудшению, а не улучшению, разрешающей способности и точности измерения дальности [8].In a nonlinear location, the use of complex signals has its own characteristics, which are determined by a nonlinear converter in the search objects. In particular, the use of biphasic codes in the extraction of 2nd harmonic oscillations leads to the effect of narrowing the spectrum of oscillations reflected from the UVA, i.e. to deterioration, not improvement, resolution and accuracy of range measurement [8].

Не изменяет ситуации и применение сложных сигналов типа линейно-частотно модулированных колебаний (ЛЧМ сигналы) в качестве зондирующих сигналов. Фактически ЛЧМ сигнал в каждый момент времени представляет собой узкополосный сигнал, который на конечном временном интервале в пределах огибающей ЛЧМ сигнала попадает в полосу пропускания УВУ. В результате чего разрешающая способность и точность измерения дальности определяется не параметрами зондирующего сигнала, а параметрами нелинейного элемента (НЭ) в УВУ.The use of complex signals such as linear-frequency modulated oscillations (chirp signals) as probing signals does not change the situation. In fact, the LFM signal at each moment of time is a narrow-band signal, which falls into the passband of the UVD at a finite time interval within the envelope of the LFM signal. As a result, the resolution and range accuracy are determined not by the parameters of the probing signal, but by the parameters of the nonlinear element (NE) in the UVD.

Таким образом, простое увеличение базы зондирующего сигнала в случае нелинейной локации не приводит к улучшению разрешающей способности по дальности, и выбор типа модуляции зондирующего сигнала с целью улучшения разрешения для нелинейного локатора весьма актуален.Thus, a simple increase in the base of the probe signal in the case of a nonlinear location does not improve the resolution in range, and the choice of the modulation type of the probe signal in order to improve the resolution for a nonlinear locator is very relevant.

Техническим результатом изобретения является обеспечение безопасного дистанционного обнаружения УВУ с высокой разрешающей способностью по дальности, их мгновенным и точным позиционированием на местности, что достигается созданием обзорного НРЛ, который на большой дальности обнаруживает и измеряет координаты УВУ независимо в каждом элементе разрешения по дальности.The technical result of the invention is the provision of safe remote detection of UVU with high resolution in range, their instantaneous and accurate positioning on the ground, which is achieved by creating an overview NRL, which at long range detects and measures the coordinates of UVU independently in each element of the resolution in range.

Проведенный поиск не выявил описания способа и устройства, близкого к заявленным, поэтому прототип предлагаемого изобретения отсутствует.The search did not reveal a description of the method and device close to the claimed, therefore, a prototype of the invention is absent.

Увеличение дальности обнаружения в предлагаемом изобретении обеспечивается за счет резонансного возбуждения объектов поиска и использования параметрических эффектов, которые возникают в нелинейных элементах УВУ при облучении их мощным электромагнитным полем, а измерение их местоположения обеспечивается применением сложных многодиапазонных широкополосных зондирующих сигналов с большой базой, для улучшения разрешающей способности по дальности, и реализацией моноимпульсных методов измерения угловых направлений с помощью дискретного набора многодиапазонных передающих и приемных антенн.An increase in the detection range in the present invention is provided due to the resonant excitation of search objects and the use of parametric effects that arise in nonlinear elements of the UVD when they are irradiated with a powerful electromagnetic field, and their location is measured using complex multi-band wideband probe signals with a large base to improve resolution range, and the implementation of monopulse methods for measuring angular directions using discrete th set of multi-band transmit and receive antennas.

Следует отметить, что в обзорном нелинейном локаторе дистанционного обнаружения локатор должен выполнять обнаружение УВУ независимо от их частотного диапазона и измерение дальности и угловых направлений в заданной зоне обнаружения, то есть фактически обработка принимаемых колебаний в обзорном НРЛ должна быть, по крайней мере, двумерной.It should be noted that in the non-linear survey remote sensing locator, the locator must perform UVD detection regardless of their frequency range and measure the range and angular directions in a given detection zone, that is, in fact, the processing of received vibrations in the overview NRL should be at least two-dimensional.

Кроме того, следует учитывать, что специфические области применения НРЛ накладывают ограничения на его массогабаритные характеристики, которые должны быть приемлемыми для установки на любое транспортное средство, в том числе быть пригодными для ручного применения.In addition, it should be borne in mind that the specific applications of the NRL impose restrictions on its overall dimensions, which must be acceptable for installation on any vehicle, including being suitable for manual use.

С учетом перечисленных ограничений наиболее целесообразно для реализации обзорного НРЛ применить методы моноимпульсной локации [9], которые позволяют выполнять практически мгновенный обзор заданной зоны пространства, используя ограниченное число многодиапазонных антенн, допускающих излучение и прием многодиапазонного широкополосного сигнала. Ограниченное число антенн минимизирует массогабаритные характеристики обзорного НРЛ.Given the above limitations, it is most expedient to use monopulse location methods [9] for the implementation of a survey radar radar [9], which allow an almost instantaneous survey of a given area of space using a limited number of multi-band antennas that allow radiation and reception of a multi-band wideband signal. A limited number of antennas minimizes the overall dimensions of the survey radar.

Время обзора заданной зоны пространства в принципе не может быть мгновенным и определяется временем накопления (усреднения) принимаемых колебаний, т.е. временем фильтрации принимаемых сигналов на фоне шума и внешних помех, которое, как правило, не имеет практического значения в реальных условиях при принятии решений по результатам обнаружения УВУ, и в этом смысле осуществляется практически мгновенно в реальном масштабе времени. Время обзора по частотному диапазону УВУ также должно быть мгновенным, что обеспечивается применением многодиапазонных широкополосных зондирующих сигналов, которые обеспечивают «подсветку» и обнаружение УВУ во всем частотном диапазоне их функционирования и, таким образом, обеспечивают двумерность обработки.In principle, the viewing time of a given area of space cannot be instantaneous and is determined by the accumulation (averaging) time of the received oscillations, i.e. filtering time of received signals against the background of noise and external interference, which, as a rule, does not have practical value in real conditions when making decisions based on the results of detection of air-conditioners, and in this sense is carried out almost instantly in real time. The viewing time in the frequency range of the UVD should also be instantaneous, which is ensured by the use of multi-band wideband sounding signals that provide “backlight” and detection of the UVD in the entire frequency range of their operation and, thus, provide two-dimensional processing.

Такой подход позволяет исключить операции последовательного сканирования по угловым и частотным параметрам и реализовать беспоисковые методы обнаружения, что существенно сократит время обзора заданной зоны. Основой беспоисковых двумерных методов обнаружения (по пространству и частоте) является применение многодиапазонных широкополосных зондирующих сигналов, ширина спектра которых должна перекрывать весь частотный диапазон функционирования УВУ.This approach eliminates sequential scanning operations by angular and frequency parameters and implements non-search detection methods, which will significantly reduce the viewing time of a given area. The basis of non-search two-dimensional detection methods (in space and frequency) is the use of multi-band wideband probing signals, the width of the spectrum of which should cover the entire frequency range of operation of the UVU.

Типовой частотный диапазон УВУ соответствует частотному диапазону связных радиостанций, которые часто используются в качестве каналов радиоуправления, и занимает полосу частот от 30 МГц до 3000 МГц.A typical UHF frequency range corresponds to the frequency range of connected radio stations, which are often used as radio control channels, and occupies a frequency band from 30 MHz to 3000 MHz.

В обзорном НРЛ при беспоисковом по частоте методе обнаружения откликов УВУ на высших гармониках многодиапазонный зондирующий сигнал НРЛ должен иметь дискретную структуру по частоте. Дискретная структура по частоте многодиапазонного зондирующего сигнала необходима для обеспечения чувствительности приема откликов УВУ на высших гармониках, которые должны обнаруживаться на фоне собственного шума приемных устройств НРЛ, т.е. в этом частотном диапазоне спектральные составляющие многодиапазонного зондирующего сигнала строго должны быть равны нулю.In the survey NRL with the frequency-searchless method for detecting UHF responses at higher harmonics, the multiband probing NRL signal should have a discrete frequency structure. A discrete frequency structure of the multiband sounding signal is necessary to ensure the sensitivity of the reception of the UVC responses at higher harmonics, which should be detected against the background of the intrinsic noise of the NRL receivers, i.e. in this frequency range, the spectral components of the multiband sounding signal must strictly be equal to zero.

С другой стороны, спектр зондирующих сигналов должен занимать непрерывную полосу частот для выполнения условия резонансного возбуждения приемных каналов УВУ во всем их частотном диапазоне. С учетом параметрических эффектов, возникающих в нелинейных элементах УВУ [6], компромиссным решением для обеспечения оптимальной структуры зондирующих сигналов в частотной области является излучение непрерывного спектра в дискретных зонах.On the other hand, the spectrum of the probing signals must occupy a continuous frequency band in order to satisfy the conditions for the resonant excitation of the receiving channels of the UVD in their entire frequency range. Taking into account the parametric effects arising in the nonlinear elements of the UVD [6], a compromise solution for ensuring the optimal structure of the probing signals in the frequency domain is the emission of a continuous spectrum in discrete zones.

Ширина спектра каждой из дискретных зон соизмерима с их центральной частотой. Расстановка центральных частот дискретных зон широкополосных сигналов соизмерима с их шириной спектра. Сигналы, излученные в таких дискретных зонах, относятся к классу многодиапазонных широкополосных сигналов.The width of the spectrum of each of the discrete zones is comparable with their center frequency. The arrangement of the central frequencies of the discrete zones of broadband signals is commensurate with their spectrum width. Signals emitted in such discrete zones belong to the class of multi-band wideband signals.

Ширина спектра дискретных зон широкополосного многодиапазонного сигнала определяется выражениемThe width of the spectrum of the discrete zones of a broadband multi-band signal is determined by the expression

где m - номер высшей гармоники,where m is the number of higher harmonics,

n - порядковый номер дискретной зоны многодиапазонного сигнала,n is the serial number of the discrete zone of the multi-band signal,

ω₀ - наименьшая граничная частота частотного диапазона УВУ.ω ₀ - the smallest cutoff frequency of the frequency range of the UVU.

В практических применениях наибольшую значимость имеет вторая гармоника ЗС в отраженном сигнале. Поэтому рассмотрим структуру многодиапазонного ЗС, предназначенную для обнаружения откликов УВУ на второй гармонике.In practical applications, the second harmonic of the ES in the reflected signal is of greatest importance. Therefore, we consider the structure of a multi-band ZS, designed to detect the responses of the UVD at the second harmonic.

Для обнаружения отраженных сигналов на 2-й гармонике спектр зондирующих сигналов в каждой из дискретных зон должен иметь октавную структуру. Число октавных зон, которые перекрывают частотный диапазон имеющихся и перспективных УВУ, не превышает величины 3÷4. Характерный вид ЗС в спектральной области представлен на фиг.1.To detect reflected signals at the 2nd harmonic, the spectrum of the probing signals in each of the discrete zones should have an octave structure. The number of octave zones that overlap the frequency range of the available and promising UVUs does not exceed 3–4. A typical view of the CS in the spectral region is shown in FIG.

Когерентная фильтрация широкополосных сложных зондирующих сигналов в каждой n дискретной зоне позволяет локализовать местоположение разных УВУ по дальности с элементом разрешения ~4÷5 м, начиная с дискретной октавной зоны, граница которой начинается с 30 МГц. Реализация такого элемента разрешения соизмерима с пространственным шагом типовой установки мин на плоскости x, y. Данное обстоятельство является достаточным условием применения методов моноимпульсной локации для точного определения местоположения УВУ во всем возможном их частотном диапазоне. Действительно, методы измерения в моноимпульсной локации основаны на предположении, что объект обнаружения локализован в пространстве и не превышает элемента разрешения по дальности [9].Coherent filtering of broadband complex sounding signals in each n discrete zone allows you to localize the location of different IEDs in range with a resolution element of ~ 4 ÷ 5 m, starting with a discrete octave zone, the boundary of which starts at 30 MHz. The implementation of such a resolution element is commensurate with the spatial step of a typical installation of mines on the x, y plane. This circumstance is a sufficient condition for the application of monopulse location methods for accurate determination of the location of the air-blast devices in their entire possible frequency range. Indeed, the measurement methods in monopulse location are based on the assumption that the detection object is localized in space and does not exceed the range resolution element [9].

Для формирования необходимого элемента разрешения по дальности основополагающим является применение в НРЛ зондирующего сигнала в виде широкополосного шума с равномерной спектральной плотностью в каждой из n зон. Ограничение по ширине спектра каждой дискретной зоны является необходимым условием для выделения на фоне основной гармоники гармоник высшего порядка.For the formation of the necessary range resolution element, it is fundamental to use in the NRL a probe signal in the form of broadband noise with a uniform spectral density in each of the n zones. A limit on the spectral width of each discrete zone is a necessary condition for highlighting higher-order harmonics against the background of the fundamental harmonic.

Следует отметить, что при облучении НЭ ЗС в нем возникают вынужденные колебания. В случае, когда резонансный контур УВУ совпадает со спектром дискретных зон ЗС, во входном контуре УВУ возникают резонансные колебания, амплитуда которых нарастает по линейному закону. Резонансные колебания также возникают и на кратных гармониках. Для возбуждения резонансных колебаний на кратных гармониках требуется вводить в контур внешний сигнал с большей энергией. Требуемое увеличение энергии минимально для гармоник с наименьшей кратностью, например для второй гармоники.It should be noted that during the irradiation of the NE ZS, forced oscillations arise in it. In the case when the resonance circuit of the UVA coincides with the spectrum of the discrete zones of the CS, resonant oscillations arise in the input circuit of the UVA, the amplitude of which increases linearly. Resonant oscillations also occur at multiple harmonics. To excite resonant oscillations at multiple harmonics, it is required to introduce an external signal with higher energy into the circuit. The required increase in energy is minimal for harmonics with the lowest magnification, for example, for the second harmonic.

Возникновение резонансных колебаний во входном контуре УВУ приводит при достаточно больших их амплитудах к модуляции по периодическому закону входного сопротивления приемника УВУ. В результате входной контур УВУ превращается в контур с переменными параметрами и начинает работать как параметрический усилитель, что приводит к усилению отклика отраженного от НЭ зондирующего сигнала и расширению полосы пропускания контура УВУ [10]. Усиление отклика возникает за счет использования энергии внешнего ЗС либо энергии источника питания НЭ.The occurrence of resonant oscillations in the input circuit of the UVU leads, at sufficiently large amplitudes, to modulation according to the periodic law of the input resistance of the UVU receiver. As a result, the input loop of the UVU turns into a loop with variable parameters and starts working as a parametric amplifier, which leads to an increase in the response of the probe signal reflected from the NE and to the expansion of the passband of the loop of the UVU [10]. The enhancement of the response occurs due to the use of the energy of an external ES or the energy of a NE power source.

Расширение полосы пропускания контура УВУ происходит не только на основной гармонике, но также, по крайней мере, на наборе гармонических составляющих

, где K=1, 2, 3, ... - целое число.The expansion of the bandwidth of the UVU loop occurs not only at the fundamental harmonic, but also at least on the set of harmonic components

, where K = 1, 2, 3, ... is an integer.

Набор данных частот описывает резонансные колебания в колебательной системе, параметры которой меняются по синусоидальному закону. Эти резонансные колебания называются «обобщенным» резонансом [11].The frequency data set describes resonant vibrations in an oscillatory system, the parameters of which vary according to a sinusoidal law. These resonant vibrations are called “generalized” resonance [11].

Объединяя условия «обобщенного» резонанса с дискретностью излучения зондирующих сигналов, получим, что каждая из n зон зондирующего сигнала возбуждает набор гармонических составляющих K=2·m^-n. Наибольший интерес представляют зоны, которые примыкают к n дискретной зоне зондирующего сигнала, т.к. в этих зонах требуется наименьшая энергия для возбуждения параметрического усиления входных колебаний. В случае возбуждения 2-й гармоники это соответствует появлению колебаний на частоте 2ω₀ и частоте субгармоники

Combining the conditions of "generalized" resonance with the discrete radiation of the probing signals, we find that each of the n zones of the probing signal excites a set of harmonic components K = 2 · m ^-n . Of greatest interest are the zones that are adjacent to the n discrete zone of the probing signal, because in these zones, the least energy is required to excite the parametric amplification of the input oscillations. In the case of the 2nd harmonic excitation, this corresponds to the appearance of oscillations at a frequency of 2ω ₀ and a subharmonic frequency

Наличие обобщенного резонанса обосновывает достаточность структуры многодиапазонного зондирующего сигнала, состоящего из набора дискретных зон для обнаружения НЭ во всем ожидаемом диапазоне электромагнитных волн. Следует отметить, что при достаточно большой импульсной мощности излучения требования по количеству дискретных зон в частотной области многодиапазонного зондирующего сигнала уменьшаются.The presence of generalized resonance justifies the sufficiency of the structure of a multi-band probing signal, consisting of a set of discrete zones for detecting NEs in the entire expected range of electromagnetic waves. It should be noted that with a sufficiently large pulsed radiation power, the requirements for the number of discrete zones in the frequency domain of a multi-band probing signal are reduced.

Рассмотренный механизм колебаний в НЭ, обусловленный применением широкополосных зондирующих сигналов, в значительной мере определяет энергетический потенциал локатора.The considered oscillation mechanism in NE caused by the use of broadband probing signals determines to a large extent the energy potential of the locator.

Возникновение окна «прозрачности» на частоте 2ω₀ благодаря наличию обобщенного резонанса обусловливает прохождение колебаний на второй гармонике практически без ослабления во входных цепях УВУ.The appearance of a “transparency” window at a frequency of 2ω ₀ due to the presence of a generalized resonance causes the passage of oscillations at the second harmonic with virtually no attenuation in the input circuits of the UVU.

В общем случае дальность действия НРЛ определяется соответствующим для нелинейной радиолокации уравнением дальности. При условии возбуждения параметрических колебаний в НЭ происходит увеличение дальности обнаружения, по сравнению с нерезонансным (непараметрическим) возбуждением отклика. Увеличение дальности обнаружения происходит за счет параметрического усиления отклика на основной гармонике и возникновения окна «прозрачности» на высших гармониках, например второй, и составляет величину порядка 10÷30 раз по сравнению с нерезонансным возбуждением НЭ.In the general case, the range of the NRL is determined by the range equation appropriate for non-linear radar. Under the condition of excitation of parametric oscillations in the NE, an increase in the detection range occurs, compared with nonresonant (nonparametric) response excitation. An increase in the detection range occurs due to the parametric amplification of the response at the fundamental harmonic and the appearance of a “transparency” window at higher harmonics, for example, the second, and amounts to about 10–30 times as compared to nonresonant excitation of the NE.

Рассмотрим подробнее процедуру обнаружения и измерения координат в НРЛ. Основным фактором, отличающим НРЛ от классической линейной радиолокации, является наличие нелинейных преобразований ЗС в НЭ, которое приводит к возникновению высших гармоник.Let us consider in more detail the procedure for detecting and measuring coordinates in the NRL. The main factor that distinguishes NRL from classical linear radar is the presence of nonlinear transformations of the ES in NE, which leads to the appearance of higher harmonics.

Возникновение гармонических колебаний на частоте 2ω₀ может быть вызвано двумя явлениями. Одним из них является собственно нелинейное преобразование колебаний в нелинейных элементах УВУ, а другим - преобразование (гетеродинирование) принимаемых колебаний в УВУ на частоту 2ω₀, за счет их умножения на переменную во времени проводимость контура УВУ. Оба этих механизма приводят к возникновению постоянной составляющей в цепях входного контура УВУ с нелинейным элементом, что приводит к смещению его рабочей точки и, соответственно, к увеличению нелинейных искажений зондирующего сигнала.The occurrence of harmonic oscillations at a frequency of 2ω ₀ can be caused by two phenomena. One of them is the nonlinear conversion of oscillations in the nonlinear elements of the UVD, and the other is the conversion (heterodyning) of the received oscillations in the UVD at a frequency of 2ω ₀ , due to their multiplication by the time-variable conductivity of the UVU circuit. Both of these mechanisms lead to the appearance of a constant component in the circuits of the input circuit of the UVU with a nonlinear element, which leads to a displacement of its operating point and, accordingly, to an increase in the nonlinear distortion of the probe signal.

Вынужденный режим параметрического усиления в УВУ с резонансным колебательным контуром относится к классу невырожденных параметрических усилителей. В невырожденном параметрическом усилителе квадратичный нелинейный элемент особенно важен для практики, потому что он в отличие от более высоких степеней приводит к усилению без искажений [12].The stimulated parametric amplification mode in a UVU with a resonant oscillatory circuit belongs to the class of non-degenerate parametric amplifiers. In a non-degenerate parametric amplifier, a quadratic nonlinear element is especially important for practice, because it, in contrast to higher degrees, leads to amplification without distortion [12].

Данное обстоятельство позволяет реализовать взаимно корреляционную обработку сигналов, отраженных на 2-й гармонике от нелинейных элементов УВУ и зондирующего сигнала передатчика, предварительно подвергнутого нелинейному квадратичному преобразованию. Минимизацию возникающих искажений в структуре сложного сигнала при нелинейном преобразовании можно обеспечить выбором вида модуляции зондирующего сигнала. Очевидно, что мгновенный спектр такого зондирующего сигнала должен быть широкополосным, а параметр модуляции определятся времяпозиционным кодированием. Данным условиям удовлетворяет белый гауссов шум с ограниченной полосой пропускания (для второй гармоники ширина спектра зондирующего сигнала равна октаве).This circumstance makes it possible to realize cross-correlation processing of signals reflected at the 2nd harmonic from non-linear elements of the UVD and the probe signal of a transmitter previously subjected to non-linear quadratic transformation. The minimization of arising distortions in the structure of a complex signal during non-linear transformation can be achieved by choosing the type of modulation of the probe signal. Obviously, the instantaneous spectrum of such a probe signal should be broadband, and the modulation parameter will be determined by time-position coding. These conditions are satisfied by white Gaussian noise with a limited passband (for the second harmonic, the width of the spectrum of the probe signal is equal to an octave).

Экспериментальная проверка возможности сжатия сложных шумовых сигналов, отраженных на 2-й гармонике ЗС, подтверждает правильность рассмотренной модели функционирования НРЛ. На фиг.2(а) представлен шумовой зондирующий сигнал с базой D~1000. На фиг.2(б) представлен сигнал на выходе приемника 2-й гармоники ЗС, который содержит 2 составляющих - собственный шум приемника и шумовые колебания ЗС, отраженные от УВУ на 2-й гармонике. На фиг.2(в) представлен результат сжатия ЗС после взаимно корреляционной обработки на выходе приемного устройства.An experimental verification of the possibility of compressing complex noise signals reflected at the 2nd harmonic of the surroundings confirms the correctness of the considered model of NRL functioning. Figure 2 (a) presents a noise sounding signal with a base of D ~ 1000. Figure 2 (b) shows the signal at the output of the receiver of the 2nd harmonic of the surroundings, which contains 2 components - the intrinsic noise of the receiver and noise oscillations of the surroundings, reflected from the VUU at the 2nd harmonic. Figure 2 (c) presents the result of the compression of the AP after cross-correlation processing at the output of the receiving device.

На фиг.2(г) представлен аналогичный результат в диапазоне дальностей, представляющих интерес для НРЛ.Figure 2 (g) presents a similar result in the range of ranges of interest for the NRL.

Из полученных данных видно, что сигнал на выходе приемного устройства 2-й гармоники после взаимно корреляционной обработки с зондирующим сигналом, подвергнутым нелинейному преобразованию, укорачивается примерно в 1000 раз, то есть пропорционально базе зондирующего сигнала (см. фиг.2(г)).From the obtained data it can be seen that the signal at the output of the 2nd harmonic receiver after cross-correlation processing with the probing signal subjected to non-linear transformation is shortened by about 1000 times, i.e., in proportion to the base of the probing signal (see Fig. 2 (d)).

Фактически это означает, что рассмотренный механизм функционирования НРЛ осуществляет лианеризацию принимаемых колебаний в схеме передатчик (1-я гармоника) - НЭ - приемник (2-я гармоника), что позволяет обоснованно применять для обработки в приемниках НРЛ известные методы линейной фильтрации сложных сигналов для выбранного типа модуляции (шумового или времяпозиционного кодирования) зондирующего сигнала.In fact, this means that the considered mechanism of the NRL functioning provides lanerization of the received oscillations in the transmitter circuit (1st harmonic) - NE - receiver (2nd harmonic), which makes it possible to reasonably apply the well-known methods of linear filtering of complex signals for selected type of modulation (noise or time coding) of the probe signal.

Следует отметить, что измерения угловых координат, выполненные в каждом элементе разрешения по дальности, являются необходимым условием для применения моноимпульсных методов измерения угловых направлений.It should be noted that the measurements of angular coordinates performed in each element of the resolution in range are a prerequisite for the application of single-pulse methods for measuring angular directions.

Измерение угловых направлений в 2-х ортогональных плоскостях можно производить различными методами, которые широко апробированы в моноимпульсных системах [9].Angular directions in 2 orthogonal planes can be measured using various methods that are widely tested in monopulse systems [9].

Измерения угловых направлений электромагнитной волны, отраженной от НЭ в 2-х ортогональных плоскостях, азимутальной и угломестной, либо применение триангуляционных методов измерений в одной плоскости, используя для этого перемещение НРЛ в этой плоскости, позволяют однозначно оценить его местоположение.Measurement of the angular directions of the electromagnetic wave reflected from the NE in 2 orthogonal planes, azimuthal and elevation, or the use of triangulation measurement methods in the same plane, using the movement of the NRL in this plane, make it possible to unambiguously assess its location.

Использование для этой цели данных по оценке запаздывания отраженных колебаний от НЭ малоэффективно, т.к. время из запаздывания определяется линейными цепями УВУ τ_Л.Ц. (антенна, входной контур и т.п.), а возбуждение параметрических эффектов требует определенного времени τ_ПАР для накачки энергии в контур. В результате запаздывание колебаний на выходе приемника определяется какThe use for this purpose of data on estimating the delay of reflected oscillations from NEs is ineffective, because the time from the delay is determined by the linear chains of the UVU τ _L.Ts. (antenna, input circuit, etc.), and the excitation of parametric effects requires a certain time τ _PAR to pump energy into the circuit. As a result, the delay of oscillations at the output of the receiver is defined as

,

где

- запаздывание, которое соответствует истинному положению УВУ.Where

- delay, which corresponds to the true position of the UVU.

Поскольку τ_Л.Ц.и τ_ПАР являются характеристиками конкретного УВУSince τ _L.Ts. and τ _PAR are the characteristics of a specific UVU

и априорно неизвестны, то оценку

нельзя использовать для оценки местоположения УВУ.and a priori unknown, then the estimate

cannot be used to estimate the location of the OOD.

Отметим, что длительность огибающей зондирующего сигнала должна обеспечивать временные параметры накачки энергии в контур НЭ. Фактически данное условие определяет величину базы сложного широкополосного зондирующего сигнала, необходимую для возбуждения режима параметрического усиления в НЭ. Известно [13], что параметрические колебания развиваются за длительность τ_пар=0,2÷0,3 мксек.Note that the duration of the envelope of the probe signal should provide temporary parameters of energy pumping into the NE circuit. In fact, this condition determines the value of the base of a complex broadband sounding signal, which is necessary for the excitation of the parametric amplification mode in the NE. It is known [13] that parametric oscillations develop over a duration of τ _pairs = 0.2–0.3 μs.

С учетом данного обстоятельства, величина базы сложного широкополосного зондирующего сигнала в каждой n дискретной зоне с неизменяемой структурой при нелинейном преобразовании, равнаGiven this circumstance, the value of the base of a complex broadband sounding signal in each n discrete zone with an unchanged structure during non-linear transformation is

D≈mⁿ·τ_пар·ω₀ D≈m ⁿ · τ · ω ₀ _pairs

и составляет величину не менее 30 для метрового диапазона длин волн, что вполне достаточно для выделения резонансных вынужденных колебаний, отраженных от нелинейного элемента, на фоне собственного шума приемного устройства НРЛ.and amounts to at least 30 for the meter wavelength range, which is quite sufficient to isolate resonant stimulated oscillations reflected from a nonlinear element against the background of the intrinsic noise of the NRL receiver.

Структурная схема обзорного нелинейного радиолокатора, реализующая описанный выше способ в локальной зоне обнаружения по азимуту, представлена на фиг.3, где обозначено: 1 - передатчик, 2 - полосовой фильтр выделения основной гармоники и подавления высших гармоник, 3 - направленный ответвитель, 4 - передающая антенна, 5 - хронизатор, 6 - формирователь опорного напряжения для коррелятора, 7 - устройство отображения, 8 - измеритель параметров принимаемых сигналов, 9_1…N - приемники, настроенные на гармонические составляющие отраженного сигнала, 10_1…N - фильтры гармоник, 11_1…N - приемные антенны, N - число каналов.The structural diagram of the survey non-linear radar that implements the method described above in the local detection zone in azimuth is shown in Fig. 3, where it is indicated: 1 - transmitter, 2 - bandpass filter for extracting fundamental harmonics and suppressing higher harmonics, 3 - directional coupler, 4 - transmitting antenna, 5 - chronizer, 6 - driver of the reference voltage for the correlator, 7 - display device, 8 - meter of parameters of the received signals, 9 _{1 ... N} - receivers tuned to the harmonic components of the reflected signal, 10 _{1 ... N} - harmonic filters, 11 _{1 ... N} - receiving antennas, N - number of channels.

Обзорный нелинейный радиолокатор дистанционно обнаруживает УВУ и измеряет положение их в пространстве. При этом важным фактором является время формирования положения УВУ, которое определяет целесообразность использования обзорного НРЛ в реальных практических применениях. Данные обстоятельства и определяют функционирование и структурную схему обзорного нелинейного радиолокатора, представленную на фиг.3.Survey non-linear radar remotely detects UVA and measures their position in space. An important factor is the time of formation of the position of the air defense system, which determines the feasibility of using a surveillance radar in real practical applications. These circumstances determine the functioning and structural diagram of the survey non-linear radar, presented in figure 3.

Обзорный нелинейный радиолокатор в реальном времени определяет координаты всех УВУ, находящихся в зоне обзора. Устройство работает следующим образом. В передатчике 1 с помощью хронизатора 5 формируется мощный многодиапазонный широкополосный сложный сигнал, который фильтруется в блоке 2, где происходит выделение основной гармоники в каждом из n≥2 диапазонов зондирующего сигнала и подавление высших гармоник. Далее, сформированный сигнал через первый выход направленного ответвителя 3 поступает на передающую антенну 4 и облучает НЭ УВУ. В результате параметрического эффекта, за счет расширения полос Δf в УВУ, отклик сигнала принимается на N-й гармонике (N≥2n) на приемные антенны 11₁…11_N и, проходя через фильтры гармоник 10_1…N, поступает на первые входы приемников 9_1…N. В приемниках 9_1…N эти сигналы подвергаются корреляционной обработке с опорным сигналом передатчика, поступающим на вторые входы приемников 9_1…N со второго выхода направленного ответвителя 3 через формирователь опорного напряжения 6, и сжатию. На выходах приемников 9_1…N обеспечивается выделение (например, пороговым устройством) сигналов на фоне шумов и помех и решается задача пространственного разрешения по дальности.The real-time non-linear survey radar determines the coordinates of all the air-defense devices located in the field of view. The device operates as follows. Using transmitter 5, a powerful multi-band wideband complex signal is generated in transmitter 1, which is filtered in block 2, where the main harmonic is extracted in each of the n≥2 ranges of the probe signal and the higher harmonics are suppressed. Further, the generated signal through the first output of the directional coupler 3 enters the transmitting antenna 4 and irradiates the NE of the UVU. As a result of the parametric effect, due to the expansion of the Δf bands in the VLF, the signal response is received at the Nth harmonic (N≥2n) at the receiving antennas 11 ₁ ... 11 _N and, passing through the harmonics filters 10 _{1 ... N} , is fed to the first inputs of the receivers 9 _{1 ... N.} In the receivers 9 _{1 ... N,} these signals are subjected to correlation processing with the reference signal of the transmitter supplied to the second inputs of the receivers 9 _{1 ... N} from the second output of the directional coupler 3 through the voltage driver 6, and compression. At the outputs of the receivers 9 _{1 ... N} , the signal is separated (for example, by a threshold device) against the background of noise and interference, and the spatial resolution of the range is solved.

Выходы приемников 9_1…N поступают на входы блока 8, где производится измерение дальности до УВУ и, моноимпульсными методами [9, стр.21, 71, 100], угловых направлений прихода сигналов, отраженных от НЭ УВУ. Обработанная информация в блоке 8 обеспечивает определение местоположения НЭ УВУ, после чего результаты отображаются в блоке 7.The outputs of the receivers 9 _{1 ... N} go to the inputs of block 8, where they measure the distance to the air-blast and, using single-pulse methods [9, p. 21, 71, 100], the angular directions of the arrival of signals reflected from the NE of the air-blast. The processed information in block 8 provides the location of NE NEOs, after which the results are displayed in block 7.

Таким образом, применение в НРЛ широкополосных сложных дискретных по частоте многодиапазонных зондирующих сигналов является необходимым и достаточным условием для обеспечения возбуждения в нелинейных элементах объектов поиска режима параметрического усиления с последующим нелинейным преобразованием отраженных колебаний вверх и вниз по частоте в частотные зоны, свободные от спектральных составляющих дискретного по частоте многодиапазонного зондирующего сигнала. Для перекрытия всего частотного диапазона связных радиостанций, используемых для подрыва УВУ, число дискретных частотных диапазонов многодиапазонного зондирующего сигнала должно быть не менее 2-3, число каналов по частоте в каждом приемном устройстве должно быть в 2 раза больше с учетом преобразования отраженных колебаний вверх и вниз по частоте. Для определения угловых направлений на объекты поиска необходимо реализовать моноимпульсный метод измерения угловых направлений с помощью N-канальной приемной системы. Число приемных каналов определяется отношением полной зоны обзора по угловой координате к ширине ДНА элементарных излучателей.Thus, the use of complex broadband, frequency-discrete, multi-band probing signals in the NRL is a necessary and sufficient condition for providing excitation of parametric amplification mode in nonlinear elements of search objects with subsequent nonlinear conversion of the reflected oscillations up and down in frequency into frequency zones free of the spectral components of the discrete by the frequency of a multi-range probing signal. In order to cover the entire frequency range of connected radio stations used to undermine the airborne UVD, the number of discrete frequency ranges of the multi-band probing signal should be at least 2-3, the number of channels in frequency in each receiver should be 2 times larger, taking into account the conversion of reflected oscillations up and down in frequency. To determine the angular directions to search objects, it is necessary to implement a single-pulse method for measuring angular directions using an N-channel receiving system. The number of receiving channels is determined by the ratio of the total viewing area in the angular coordinate to the bottom width of the elementary emitters.

ЛитератураLiterature

1. Нелинейная радиолокация. Сборник статей. Часть 2./ Под. ред. А.А.Горбачева, А.П.Колданова, А.А.Потапова, Е.П.Чигина - А.А.Горбачев, Е.П.Чигин. Взаимодействие электромагнитных волн с нелинейными объектами. М.: Радиотехника, 2006, с.6-13.1. Non-linear radar. Digest of articles. Part 2. / Under. ed. A.A. Gorbacheva, A.P. Koldanova, A.A. Potapova, E.P. Chigina - A.A. Gorbachev, E.P. Chigin. The interaction of electromagnetic waves with nonlinear objects. M .: Radio engineering, 2006, p.6-13.

2. В.Б.Штейншлегер. К теории рассеяния электромагнитных волн вибратором с нелинейным контактом. Радиотехника и электроника, 1978, т.23, №7, с.1329-1338.2. VB Steinshleger. On the theory of scattering of electromagnetic waves by a vibrator with a nonlinear contact. Radio engineering and electronics, 1978, v.23, No. 7, p.1329-1338.

3. А.А.Горбачев, С.В.Ларцов, С.П.Тараканков, Е.П.Чигин. Амплитудные характеристики нелинейных рассеивателей. Радиотехника и электроника, 1996, т.41, №5, с.558-562.3. A.A. Gorbachev, S.V. Lartsov, S.P. Tarakankov, E.P. Chigin. Amplitude characteristics of nonlinear scatterers. Radio engineering and electronics, 1996, t. 41, No. 5, p. 588-562.

4. Г.Н.Щербаков. Применение нелинейной радиолокации для дистанционного обнаружения малоразмерных объектов. Специальная техника, 1999, №1, с.34-39.4. G.N. Scherbakov. The use of nonlinear radar for remote detection of small objects. Special equipment, 1999, No. 1, p. 34-39.

5. Г.Н.Щербаков, А.В.Николаев, B.C.Лапшин, Р.И.Усманов, С.А.Мухин. Применение нелинейной радиолокации для обнаружения террористических управляемых взрывных устройств. Специальная техника, 2010, №1, с.32-36.5. G. N. Scherbakov, A. V. Nikolayev, B. C. Lapshin, R. I. Usmanov, S. A. Mukhin. The use of non-linear radar to detect terrorist guided explosive devices. Special equipment, 2010, No. 1, p. 32-36.

6. А.В.Иванов, С.Н.Панычев, В.И.Подлужный, Н.Т.Хакимов. Параметрический метод обнаружения объектов с нелинейными рассеивателями. Известия вузов. Сер. Радиоэлектроника. 2003, №9-10, с.11-16.6. A.V. Ivanov, S.N. Panychev, V.I. Podluzhny, N.T. Khakimov. Parametric method for detecting objects with nonlinear scatterers. University News. Ser. Radio Electronics 2003, No. 9-10, pp. 11-16.

7. Ю.С.Лезин Оптимальные фильтры и накопители импульсных сигналов. М.: Сов. радио, 1969.7. Yu.S. Lezin Optimal filters and accumulators of pulse signals. M .: Sov. radio, 1969.

8. А.А.Горбачев. Особенности зондирования электромагнитными волнами сред с нелинейными включателями. Нелинейная радиолокация. Сборник статей №2. М.: Радиотехника, 2006.8. A.A. Gorbachev. Features of sounding by electromagnetic waves of media with nonlinear switches. Non-linear radar. Collection of articles No. 2. M .: Radio engineering, 2006.

9. Д.Р.Родс. Введение в моноимпульсную радиолокацию. М.: Сов. радио, 1960.9. D.R. Rhodes. Introduction to monopulse radar. M .: Sov. radio, 1960.

10. А.А.Харкевич. Линейные и нелинейные системы. Т.2. М.: Наука, 1973.10. A.A. Kharkevich. Linear and nonlinear systems. T.2. M .: Nauka, 1973.

11. М.Е.Жаботинский, Ю.Л.Свердлов. Основы теории и техники умножения частоты. М.: Сов. радио, 1964, с.328.11. M.E.Zhabotinsky, Yu.L. Sverdlov. Fundamentals of the theory and techniques of frequency multiplication. M .: Sov. Radio, 1964, p. 328.

12. М.Букингем. Шумы в электронных приборах и системах. М.: Мир, 1986.12. M. Buckingham. Noises in electronic devices and systems. M .: Mir, 1986.

13. П.А.Горбачев. Нелинейный рассеиватель электромагнитных волн, создающий субгармоники. Нелинейная радиолокация. Сборник статей №2. М.: Радиотехника, 2006, с.69.13. P.A. Gorbachev. Non-linear diffuser of electromagnetic waves, creating subharmonics. Non-linear radar. Collection of articles No. 2. M .: Radio engineering, 2006, p.69.

Claims

1. Способ нелинейной радиолокации, заключающийся в том, что формируют мощные многодиапазонные широкополосные сложные сигналы с базой D>>l и ограниченным спектром в каждом из n≥2 диапазонов, которые после выделения из них основной и подавления высших гармоник каждого диапазона излучают в пространство в качестве зондирующих сигналов (ЗС), возбуждающих резонансные параметрические колебания в объектах поиска и усиление отраженных от них сигналов на высших гармониках ЗС, поступающих на N≥2n приемных частотных каналов, в которых производят взаимнокорреляционную обработку отраженных сигналов с зондирующим сигналом, предварительно подвергнутым нелинейному преобразованию, сжатие и выделение отраженных сигналов на фоне шумов, обеспечивая пространственное разрешение по дальности и используя моноимпульсные методы измерения, определение угловых направлений в заданной зоне обзора.1. The method of nonlinear radar, which consists in the formation of powerful multi-band wideband complex signals with a base D >> l and a limited spectrum in each of n≥2 ranges, which, after extracting the main ones and suppressing the higher harmonics of each range, radiate into space in as sounding signals (ZS), exciting resonant parametric oscillations in the search objects and amplification of the signals reflected from them at the highest harmonics of the ZS arriving at N≥2n receiving frequency channels in which they produce multi-correlation processing of reflected signals with a probing signal previously subjected to nonlinear conversion, compression and extraction of reflected signals against a background of noise, providing spatial resolution in range and using monopulse measurement methods, determining angular directions in a given viewing area.

2. Устройство нелинейной радиолокации, содержащее передатчик, формирующий мощные многодиапазонные широкополосные сложные зондирующие сигналы с базой D>>l и ограниченным спектром в каждом из n≥2 диапазонов, последовательно соединенный с полосовым фильтром, выделяющим основную и подавляющим высшие гармоники сигнала передатчика, направленным ответвителем и передающей антенной, хронизатор, формирователь опорного напряжения, первый вход которого соединен со вторым выходом направленного ответвителя, устройство отображения, измеритель параметров принимаемых сигналов и N≥2n приемных частотных каналов, каждый из которых настроен на одну из гармонических составляющих отраженного сигнала и состоит из последовательно соединенных приемной антенны, фильтра гармоник и приемника, обеспечивающего взаимнокорреляционную обработку сигнала с опорным напряжением, сжатие и выделение сигнала на фоне шумов, вторые входы приемников соединены с выходом формирователя опорного напряжения, а выходы - с N входами измерителя параметров принимаемых сигналов, где производится измерение дальности и, моноимпульсными методами - измерение угловых направлений прихода отраженных сигналов, выход измерителя параметров принимаемых сигналов соединен с первым входом устройства отображения, второй вход которого, также как вход передатчика и второй вход формирователя опорного напряжения, соединен с третьим, первым и вторым выходами хронизатора соответственно. 2. A nonlinear radar device containing a transmitter that generates powerful multi-band wideband complex sounding signals with a base D >> l and a limited spectrum in each of n≥2 ranges, connected in series with a band-pass filter that selects the main and suppresses the higher harmonics of the transmitter signal directed by the coupler and a transmitting antenna, a chronizer, a voltage driver, the first input of which is connected to the second output of the directional coupler, a display device, a pair meter of meters of received signals and N≥2n receiving frequency channels, each of which is tuned to one of the harmonic components of the reflected signal and consists of a series-connected receiving antenna, a harmonic filter and a receiver providing signal correlation with the correlation signal, compressing and isolating the signal against noise , the second inputs of the receivers are connected to the output of the reference voltage driver, and the outputs are connected to the N inputs of the meter of parameters of the received signals, where the distance mono-pulse methods - measuring the angular directions of arrival of the reflected signals, the output of the received signal parameter meter is connected to the first input of the display device, the second input of which, as well as the transmitter input and the second input of the voltage driver, is connected to the third, first and second outputs of the chronizer, respectively .