Исследование структуры поля при нелинейной радиолокации

Нелинейная радиолокация возникла в результате объединения радиолокации и поиска нелинейных элементов (НЭ), таких как различного типа закладки, подслушивающие и ТВ устройства, диктофоны и т.п. Принцип ее работы основан на том, что любое нелинейное устройство при облучении сильным ЭМП начинает переиз-лучать на высших гармониках: второй, третьей и т.д. Обнаружение НЭ ведется по принимаемому на высших гармониках излучению.

Реализация устройств НРЛ позволила получить ряд положительных эффектов, однако не достигнут главный эффект радиолокации: нелинейный локатор плохо «видит» НЭ. Отраженный от него сигнал принимается с различных направлений, а при перемещении оператора изменяется случайным образом.

На рис. 1 показана доработанная математическая модель исследования структуры ЭМП вблизи обнаруживаемого объекта [2].

Излучатель в направлении обнаруживаемого объекта (в дальнейшем – объекта) на частоте первой гармоники ω ₁ зондирующего сигнала формирует сильное ЭМП. Облученный объект начинает переизлучать на высших гармониках ω ₂ , ω ₃ , … . Его представим эквивалентным передатчиком с мощностью, зависящей от степени облучения. Излучаемое поле оценивается приемником оператора. По изменениям его уровня при перемещениях определяется направление на излучающий объект.

Исследование процессов пространственного распределения уровня ЭМП при НРЛ рассмотрим в три этапа:

• -    в направлении на объект на частоте первой гармоники ω ₁ зондирующего сигнала;

• -    в направлении от обнаруживаемого объекта в направлении на регистратор на второй

гармонике ω ₂=2· ω ₁ при постоянной мощности сигнала;

• -    в направлении от обнаруживаемого объекта в направлении на регистратор на второй гармонике ω ₂ . при случайной мощности сигнала от объекта, которая является функцией уровня ЭМП на частоте ω ₁ .

Подстилающая поверхность модели представлена прямоугольником X×Y с шагом дискретизации dx и заданными диэлектрическими параметрами. Приемопередающая антенна излучателя и приемника располагается на уровне груди оператора на высоте h₁ в точке с начальными координатами i_o ,j_o . Направление максимума диаграммы направленности антенны может быть выбрано произвольно, но на модели оно направлено по центру подстилающей поверхности (оси AF ). Вид диаграммы направленности антенны облучателя в вертикальной и горизонтальной плоскостях показан на рис. 2.

В горизонтальной плоскости угол между максимумом диаграммы излучения антенны в горизонтальной плоскости и направлением на объект L FAC = α .

Высота объекта h₂ может быть произвольной, на модели она расположена в плоскости АОВС и образует угол L ВОЕ’ = β между максимумом излучения антенны в вертикальной плоскости и направлением на объект.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭМП ОТ ИЗЛУЧАТЕЛЯ В НАПРАВЛЕНИИ НА ОБНАРУЖИВАЕМЫЙ

ОБЪЕКТ НА ЧАСТОТЕ ПЕРВОЙ ГАРМОНИКИ ω ₁ СИГНАЛА

Исследование структуры ЭМП зондирующего сигнала проведено от «излучателя» в направлении обнаруживаемого объекта на частоте первой гармоники ω ₁ сигнала.

Результирующее поле на объекте состоит из суммы полей прямой Е_пр и отраженной от подстилающей поверхности Е_отр волн [2]:

Е = Е пр + Е отр .

Прямая волна Е_пр от излучателя до обнаружи-

Рис. 1. Математическая модель исследования структуры ЭМП на плоской подстилающей

Рис. 2. Диаграмма направленности антенны облучателя в вертикальной и горизонтальной плоскостях ваемого объекта распространяется по прямой ОЕ на расстояние r1. Она рассчитывается по формуле

_ 730-Po-G,-№)■/.№)  _ИГ1

^Епр —                               ^      ,

' 1

где: P_a и G₁ – мощность передатчика излучателя и КПД его фидера;

• f _г (a) и f _в ( β ₁) – ХДН антенны излучателя в двух плоскостях;

• r ₁ и k – расстояние до объекта и фазовый коэффициент.

Отраженная от подстилающей поверхности волна Е_отр лежит в той же плоскости и распространяется по прямым ОD и DE на r₂ , причем r₂ = r´₂ + r”₂ . Угол ее падения θ .

Расстояние r₂ и углы от максимума диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости в направлении объекта β ₂ определяются в соответствии с выбранной моделью.

Напряженность поля отраженной волны E_отр рассчитывается с учетом коэффициента отражения R _вг по формуле

Е _0Т р — « _вг

, ^зо-р_а-С1-ы«УГ в (.1У ■ _с _ _16Г2

г ₂

Расчет модуля коэффициента отражения вертикально поляризованной волны | R_вг | проведен для наклонного падения плоской волны на границу раздела двух сред (воздух – среда с потерями) по [1]. Пространственное значение | R_вг | зависит от диэлектрических параметров подстилающей поверхности и угла падения волны Θ . Для влажной почвы с параметрами ε ´ = 10 и σ = 0,01см/м он представлен на рис. 3. Модуль коэффициента отражения | R_вг | вблизи излучателя принимает минимальные значения, но на расстоянии 10…15 длин волн λ имеет практически постоянное значение.

Рис. 3. Пространственное значение модуля коэффициента отражения | R_вг | при вертикальной поляризации волн

В нелинейной радиолокации целесообразно использовать вертикально поляризованные волны, т.к. в силу большего ослабления отраженной волны уменьшается ее вредное воздействие на структуру общего поля.

В работе приведены результаты расчета на- пряженности поля для поверхности размерами X×Y=6×10 м, при шаге дискретизации dx=0,05 м, по модели рисунка 1, для частоты излучения f = 2,4 ГГц. Излучатель «размещен» на высоте h1=1,2 м в точке с координатами iо=6 м, jо=0 м; ось излучателя направлена по горизонту по оси AF; расчеты выполнены для влажной почвы равнинной и слабопересеченной местности с параметрами ε´ = 10 и σ = 0,01см/м.

Расчеты проводились для ряда высот размещения объекта от h₂ = 0 до 2,4 м, однако на рис. 4 представлен график распределения уровня ЭМП зондирующего сигнала при высоте расположения объекта на высоте h₂=1.2 m;

Анализ графиков пространственного рас- пределения при различных высотах размещения объекта h2 показывает, что:

• -    пространственные распределения уровня напряженности поля имеют форму апериодических «холмов» с разновысокими вершинами и гладкими боковыми скатами, определяемыми диаграммой направленности антенны излучателя . Глубина интерференционных максимумов и минимумов зависит от подстилающей поверхности ;

  

  Рис. 4. Пространственная картина распределения уровня ЭМП зондирующего сигнала на объекте при h1=h2=1.2 m; f=2.4 ГГц, dx=0.05 m

  
  

• -    количество апериодических максимумов напряженности поля, вызванных явлением двухлучевого распространения увеличивается, если объект расположен выше уровня излучателя, т.е. h₂>h₁ и уменьшается до одного при h₂=0;

• -    уровень напряженности поля на объекте меняется при перемещении излучателя в его направлении;

• -    малые значения напряженности поля вблизи излучателя обусловлены значениями ХДН антенны в вертикальной плоскости и коэффициентом отражения | R_вг | .

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭМП

ОТ ОБНАРУЖИВАЕМОГО ОБЪЕКТА В НАПРАВЛЕНИИ НА РЕГИСТРАТОР НА ЧАСТОТЕ ВТОРОЙ ГАРМОНИКИ

• 2 ω ₁ ИЗЛУЧЕНИЯ

Второй этап работы посвящен исследованию пространственного распределения ЭМП на второй гармонике 2ω1 в направлении от объекта к оператору (в обратную сторону).

Нелинейный элемент при облучении мощным ЭМП с частотой ω ₁ переизлучает на частотах гармоник ω ₂ , ω ₃ и т.д. Его можно представить в виде эквивалентного передатчика с мощностью, нелинейно-пропорциональной уровню ЭМП на объекте.

Эквивалентный передатчик гармоник расположен в плоскости АОВС, на высоте h₂ , в точке i, j. Структура его излучения может быть аппроксимирована антенной «симметричный диполь». Типовая диаграмма направленности антенны эквивалентного передатчика (переизлучающе-го объекта) в вертикальной и горизонтальной плоскостях показана на рис. 5.

Расчеты пространственного распределения ЭМП от эквивалентного передатчика выполнены аналогичным методом, для высот размещения объекта от h₂ = 0 до 2,4 м, однако на рис. 6 представлено распределение уровня ЭМП при высоте излучателя h₂=1.2 m;

Рис. 5. Диаграмма направленности антенны эквивалентного передатчика (переизлучающего объекта) в вертикальной и горизонтальной плоскостях

Рис. 6. График пространственного распределения ЭМП при высоте излучателя и объекта на высоте h1 = h2 =1.2 m; на второй гармонике излучения f = 4.8 ГГц

Анализ графиков пространственного распределения ЭМП при различных высотах размещения объекта h₂ показывает, что:

• -    пространственное распределение уровня электромагнитного поля, распространяющегося на высших гармониках в обратном направлении, носит характер радиально расходящихся апериодических максимумов и минимумов относительно точки размещения объекта;

• -    количество апериодических максимумов и минимумов увеличивается, если объект расположен выше уровня излучателя, т.е. h₂>h 1 и уменьшается до одного при h₂=0;

• -    глубина интерференционных максимумов и минимумов зависит от подстилающей поверхности;

• -    при перемещении регистратора в сторону объекта уровень напряженности поля на его входе изменяется случайным образом.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯ НА ЧАСТОТЕ ВТОРОЙ ГАРМОНИКИ ВБЛИЗИ РЕГИСТРАТОРА

ПРИ ИЗМЕНЕНИЯХ ИНТЕНСИВНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ ОБЪЕКТА

График пространственного распределения ЭМП от объекта в направлении к оператору (рис. 6) выполнен в предположении, что мощность эквивалентного (переизлучающего) передатчика постоянна. Реально это условие не выполняется.

При перемещении оператора в сторону объекта картина уровня ЭМП зондирующего сигнала (рис. 4) как бы «наезжает» на объект. В результате объект оказывается в точке, где случайным образом изменяется уровень зондирующего сигнала. Интенсивность его излучения (рис. 6) становится случайной величиной, пропорцио- нальной уровню зондирующего сигнала. Получается, что поле зондирующего сигнала на ю 1 как бы модулирует поле, распространяющимся от объекта к приемнику на частоте ю2. Эти зависимости носят нелинейно-попорциональный характер и структуру результирующего поля на частоте ю2, можно представить только для каждой конкретной точки размещения оператора.

Для обоснования причин сложности в пеленгации нелинейного объекта наибольший интерес представляет структура поля вблизи оператора: увеличение уровня сигнала свидетельствует о перемещении оператора в правильном направлении; уменьшение уровня – в ошибочном. Но на практике это получается далеко не всегда. Для исследования причин ошибочной пеленгации рассмотрим структуру ЭМП от объекта к регистратору для трех ситуаций:

• -    в исходном положении оператора;

• -    при перемещении его на 1 метр;

• -    при перемещении оператора на 2 метра.

Для этих ситуаций положения оператора провели три расчета результирующих пространственных картин ЭМП (по уровню зондирующего сигнала на объекте рассчитывалась картина интенсивности его переизлучения). На них выделили сегменты площадью 1м² вблизи точки размещения оператора, затем совместили их на одном графике. На рис. 7 показаны сегменты структуры поля вблизи оператора в исходном положении, при перемещении на 1 и 2 м. Расчет проведены при высотах излучателя и объекта h1= h2=1.2 м и частоте сигнала 4,8 ГГц.

Анализ этого графика показывает, что уровень принимаемого сигнала при движении оператора в сторону объекта может изменяться и в большую, и в меньшую сторону. Вблизи от объекта он может оказаться ниже, чем при удалении

Рис. 7. Напряженность поля на площадках 1.0^х1.0 м, высотах излучателя и объекта h1= h2=1.2 м, частоте отраженного сигнала 4,8 ГГц, которую «видит» приемник регистратора в исходном положении, при перемещении на 1 и 2 м

от него. Возрастание уровня можно зафиксировать при движении в сторону от объекта. Определение направления на объект в этих условиях становится трудновыполнимой задачей. Вместе с тем, анализ выявленных закономерностей результирующего поля позволяет сформулировать некоторые алгоритмы ее решения.

В заключение работы можно отметить, что она:

• -    делает попытку теоретически обосновать причины, по которым нелинейный радио-локатор «плохо видит» обнаруживаемый объект и принимает сигнал с произвольных направлений;

• -    позволяют разработать научно-обоснованную методику применения приборов нелинейной радиолокации и наметить ряд мер по повышению качества обнаружения нелинейных элементов;

• -    обосновывает ряд предложений по совершенствованию аппаратуры нелинейной радиолокации и отработке методов пеленгации НЭ;

• -    может найти применение в области авиационной безопасности, производственных процессах других областях техники.