Способ нелинейной радиолокации

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в устройствах подповерхностной радиолокационной разведки. Достигаемый технический результат - повышение эффективности обнаружения и идентификации нелинейных рассеивателей при сохранении возможности определения глубины его залегания. Способ нелинейной радиолокации заключается в том, что формируют сигнал A(t), представляющий периодическую последовательность сверхширокополосных импульсов, возбуждают передающую антенну сигналом A(t), излучают передающей антенной линейно поляризованный сигнал A(t), принимают отраженный сигнал B(t) на приемную антенну и принимают решение об обнаружении нелинейного рассеивателя на заданной глубине в результате наблюдения принятого сигнала, при этом дополнительно возбуждают передающую антенну сигналом А(Т-τ), формируемым из сигнала A(t) путем задержки последнего на время τ, излучают сигнал A(t-τ) с линейной поляризацией, противоположной поляризации сигнала A(t), задерживают принимаемый сигнал B(t) на время τ, суммируют принимаемый сигнал B(t) с его задержанной копией B(t-τ), а в качестве наблюдаемого сигнала используют суммарный сигнал B(t)+B(t-τ). 4 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в устройствах подповерхностной радиолокационной разведки.

Известен способ обнаружения нелинейных объектов /1/, предназначенный для решения задачи обнаружения и идентификации малоразмерных нелинейных рассеивателей (HP), располагающихся в укрывающей поверхности с линейными электромагнитными свойствами. В качестве модели HP ограничимся рассмотрением элементарной антенны с нелинейной нагрузкой в виде полупроводникового элемента (диода, транзистора, микросхемы и т.п.) /4/, вольт-амперная характеристика (ВАХ) которого является несимметричной. Известный способ обнаружения и идентификации таких HP базируется на способности HP преобразовывать частоту зондирующего сигнала в высшие гармоники с их последующим переизлучением в эфир. При этом обнаружение интересующих нас HP осуществляется путем сравнения интенсивностей первой и второй переизлучаемых гармоник, а их идентификация путем сравнения второй и третьей гармоник /2/.

Недостаток аналогов заключается в том, что в результате применения в них гармонического или близкого к нему квазигармонического зондирующего сигнала не представляется возможным определения глубины залегания HP, т.к. такой зондирующий сигнал не обладает разрешающей способностью по дальности. Вместе с тем, информация о глубине залегания HP является весьма важной при распознавании типа обнаруживаемой однородности, особенно в тех ситуациях, когда в укрывающей поверхности присутствуют несколько неоднородностей (линейных и нелинейных), находящихся на различной глубине.

Наиболее близким по технической реализации к предложенному является способ импульсной радиолокации ближнего действия, в котором в качестве зондирующего сигнала используется периодическая последовательность сверхширокополосных импульсов (нано- и пикосекундной длительности) /3/. В этом способе-прототипе глубина залегания радиолокационных объектов определяется по величине задержки отраженного ими сигнала.

Недостаток способа-прототипа состоит как в низкой эффективности обнаружения HP в укрывающей среде с множеством неоднородностей по всей ее глубине, являющимися пассивными линейными источниками отражений, так и в низкой эффективности идентификации интересующих HP. Способ-прототип изначально был предназначен для обнаружения и определения глубины залегания линейных радиолокационных объектов и использования его для обнаружения HP в том виде, который изложен в /3/, т.е. без изменения как зондирующего сигнала, так и метода обработки отраженного сигнала, будет малоэффективно.

Целью изобретения является повышение эффективности обнаружения и идентификации HP при сохранении возможности определения глубины его залегания.

Для достижения поставленной цели в способе-прототипе, заключающемся в формировании сигнала A(t), представляющем периодическую последовательность сверхширокополосных импульсов, возбуждении передающей антенны сигналом A(t), излучении передающей антенной линейно поляризованного сигнала A(t), приеме отраженного сигнала B(t) на приемную антенну и принятии решения об обнаружении HP на заданной глубине в результате наблюдения принятого сигнала, ДОПОЛНИТЕЛЬНО осуществляется:

- возбуждение передающей антенны сигналом А(t-τ), формируемым из сигнала A(t) путем задержки последнего на время т, излучение сигнала A(t-τ) с линейной поляризацией, противоположной поляризации сигнала A(t);

- задержка принимаемого сигнала B(t) на время τ;

- суммирование принимаемого сигнала B(t) с его задержанной копией B(t-τ);

ПРИЧЕМ в качестве наблюдаемого сигнала используется суммарный сигнал B(t)+B(t-τ).

На фиг.1 изображена типовая ВАХ нагрузки интересующего нас HP.

На фиг.2 изображена возможная функциональная схема нелинейного радиолокатора. Здесь обозначено: 1 - задающий генератор; 3, 11- делитель; 2 - генератор сверширокополосных импульсов (СШПИ); 4, 12 - линия задержки; 5, 6 - направленный ответвитель; 7, 8 - вентиль, 9, 13 - сумматор; 10 - ключевая схема; 14 - осциллограф. А1, А2 - передающая и приемная антенны. Элементы 1-8 образуют передатчик, а элементы 9-14 - приемник радиолокатора.

На фиг.3 изображена возможная конструкция антенны А1.

На фиг.4 изображены сигналы в контрольных точках "а", "б", "в", "г", "д" структурной схемы фиг.2 для двух случаев: расположения в укрывающей среде линейного и нелинейного (HP) объектов, при одинаковой глубине их залегания.

Рассмотрим работу радиолокатора. Задающий генератор 1 формирует импульсную последовательность с периодом Т, которая поступает на вход генератора СШПИ 2. На выходе генератора СШПИ 2 формируется сигнал A(t), который с помощью делителя 3 разделяется на две равные части. Сигнал A(t) с одного из выходов делителя 3, пройдя направленный ответвитель 6 и вентиль 7, поступает на первый вход передающей антенны А1. Сигнал A(t) с другого выхода делителя 3, предварительно задержанный на время τ (τ<Т) в линии задержки 4, пройдя направленный ответвитель 5 и вентиль 8, поступает на второй вход передающей антенны А1. Отраженный сигнал B(t) принимается на приемную антенну А2, которая при помощи ключевой схемы 10, управляемой суммарным сигналом A(t)+A(t-τ), закрывается на прием во время излучения СШПИ импульсов A(t) и A(t-τ) передающей антенной А1. Суммарный сигнал A(t)+A(t-τ) образуется на выходе сумматора 9 из сигналов направленных ответвителей 5 и 6. Запирание приемника на время излучения СШПИ определяет “мертвую зону” радиолокатора. Сигнал B(t) с выхода ключевой схемы 10 поступает на делитель 11, который разделяет входной сигнал на две равные части. Сигнал с одного из выходов делителя 11 поступает на первых вход сумматора 13.

Сигнал с другого выхода делителя 11 сначала задерживается на время τ в линии задержки 12 и после этого поступает на второй вход сумматора 13. С выхода сумматора 13 сигнал B(t)+B(t-τ) подается на вход осциллографа 14.

Для определенности примем: Т=0,1-10 миллисекунд, τ=10-20 наносекунд, длительность СШПИ на выходе генератора 2: Δτ=0,1-1 наносекунда. При таких значениях длительностей все соединения в схеме фиг.2 можно реализовать в виде коаксиальных линий передачи. Делители 3, 11 и сумматоры 9, 13 можно реализовать в виде тройников на коаксиальных линиях /6, стр. 425/, стр. 274/. Генератор СШПИ 2 можно реализовать по схеме /5, стр. 121/ на лавинных транзисторах. Передающую А1 и приемную А2 антенны можно, как и в прототипе, выполнить в виде прямоугольных рупоров, раскрывы которых лежат в одной плоскости, причем для излучения СШПИ противоположной полярности схема возбуждения передающей антенны представляет из себя совокупность двух стандартных схем возбуждения рупорной антенны от коаксиальной линии /8, стр. 417/ с противоположно направленными штырями и приведена на фиг.3. Штырь приемной антенны А2 можно расположить как в плоскости поляризации передающей антенны, так и в ортогональной плоскости (с одновременным поворотом всего рупора на π/2), для снижения уровня зондирующего сигнала, просачивающегося в приемник радиолокатора. Линии задержки 4, 12 проще всего реализовать на отрезках коаксиальной линии, причем при τ=10-20 наносекунд их длина должна составлять около 3-6 метров. Схемы направленных ответвителей 5, 6 и вентилей 7, 8 приведены, например, в /6, стр. 413/ и /6, стр. 489-490/. Ключевую схему 10 возможно построить, например, по схеме волноводного выключателя на полупроводниковых СВЧ диодах /7, стр. 297/. В качестве задающего генератора 1 и осциллографа 14 можно взять серийные Г5-78 и С1-91/4. Синхронизацию осциллографа 14 можно осуществлять, например, задержанным сигналом задающего генератора 1.

Раскрыв антенн А1 и А2 должен находиться на расстоянии “мертвой зоны” радиолокатора (С*Δτ/2) или немного больше от облучаемой укрывающей среды. Примерный вид сигналов на первом A(t) и на втором А(1-τ) входах передающей антенны А1 показан на фиг.3 "а" и фиг.3 "б" соответственно, причем противоположная поляризация сигнала А(1-τ) символически отображена через его противоположную полярность по отношению к A(t). В принимаемом сигнале всегда будет присутствовать сигнал, отраженный от поверхности укрывающей среды. Ограничимся рассмотрением случая, когда в поле зрения радиолокатора попадает только одна неоднородность (линейная или нелинейная).

Очевидно, что в случае линейного объекта, имеющего симметричную ВАХ, принимаемые антенной А2 сигналы B(t) от зондирующих СШПИ противоположной поляризации A(t) и A(t-τ) будут иметь одинаковую форму и противоположные знаки. И наоборот, в случае нелинейного объекта (HP), имеющего несимметричную ВАХ, принимаемые антенной А2 сигналы от зондирующих СШПИ противоположной поляризации A(t) и A(t-τ) будут различными по форме. Поэтому на выходе сумматора 13 входные сигналы B(t) и B(t-τ) в случае линейного объекта компенсируют друг друга, а в случае HP такой компенсации не будет (фиг.3 "в", "г", "д", причем на фиг.3 "в" цифрой 1 обозначены сигналы, отраженные от поверхности укрывающей среды, а цифрой 2 - сигналы, отраженные от объекта).

Из диаграмм фиг.4 видно, что если ограничиться задачей обнаружения и определения глубины залегания только HP (т.е. линейные объекты исключаются из рассмотрения), то этот алгоритм обнаружения-измерения заключается:

- в наблюдении в каждом периоде Т суммарного сигнала B(t)+B(t-τ) на отрезке времени (интервал анализа) длиной τ, с началом в точке t=τ и концом в точке t=2τ, где момент времени t=0 соответствует началу первого зондирующего импульса A(t);

- в случае обнаружения в интервале анализа импульса принимается решение о наличии HP объекта;

- расстояние R между плоскостью раскрыва рупоров антенной системы А1, А2 и HP объектом определяется через время задержки δτ обнаруженного импульса от начала интервала анализа (R=С*δτ/2);

- глубина Н залегания HP объекта получается равной Н=С/2*(δτ-Δτ).

Данный алгоритм, очевидно, можно обобщить и на случай нахождения в поле зрения радиолокатора нескольких объектов как линейных, так и нелинейных.

В заключение отметим, что уровень мощности излучаемого сигнала нужно подбирать таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить возможность обнаружения типового объекта на интересующей нас глубине залегания, а с другой стороны, эта мощность не должна быть слишком большой, чтобы мощность сигналов от типовых неоднородностей, расположенных на расстояниях, больших Сτ/2, была незначительной. Другими словами, уровень мощности зондирующих сигналов подбирается таким, чтобы максимальная дальность обнаружения типового HP примерно совпадала с верхней границей интервала однозначного измерения дальности.

Источники информации

1. Мусабеков П.М., Панычев С.Н. Нелинейная радиолокация: методы, техника и области применения. - Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники, 2000, №5, с.54-61.

2. Томас Джонс. Обзор технологий нелинейной локации. - Специальная техника, 1998, №4-5, с.27-31.

3. Баскаков А.И., Терехов В.А., Жутяева Т.С., Иванов В.А. Прецизионный измеритель малых временных интервалов (ИМВИ) для работы в широком диапазоне изменения интенсивности отраженного сигнала. - Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике: Сборник докладов Всероссийской научной конференции. Муром, 1-3 июля 2003 г. - Муром: Изд. - полиграфический центр МИ ВлГУ, 2003, с.476-480.

4. Разиньков С.Н. Математическое моделирование нелинейного рассеяния электромагнитных волн в радиолокации. - Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники, 1997, №1, с.87-96.

5. Астанин Л.Ю., Костылев А.А. Основы сверхширокополосных радиолокационных измерений. - М.: Радио и связь, 1989.

6. Техническая электродинамика / Пименов Ю.В., Вольман В.И., Муравцев А.Д.; Под ред. Ю.В. Пименова: Учеб. Пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 2000.

7. Антенны и устройства СВЧ / Д.И.Воскресенский, В.Л.Гостюхин, В.М.Максимов, Л.И.Пономарев; Под ред. Д.И.Воскресенского. - М.: Изд-во МАИ, 1999.

8. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. Учебник для радиотехнических специальностей вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Энергия, 1975.

Способ нелинейной радиолокации, заключающийся в формировании сигнала A(t), представляющего периодическую последовательность сверхширокополосных импульсов, возбуждении передающей антенны сигналом A(t), излучении передающей антенной линейно поляризованного сигнала A(t), приеме отраженного сигнала B(t) на приемную антенну и принятии решения об обнаружении нелинейного рассеивателя на заданной глубине в результате наблюдения принятого сигнала, отличающийся тем, что дополнительно возбуждают передающую антенну сигналом A(t-τ), формируемым из сигнала A(t) путем задержки последнего на время τ, излучают сигнал A(t-τ) с линейной поляризацией, противоположной поляризации сигнала A(t), задерживают принимаемый сигнала B(t) на время τ, суммируют принимаемый сигнала B(t) с его задержанной копией B(t-τ), причем в качестве наблюдаемого сигнала используют суммарный сигнал B(t)+B(t-τ).