CC BY
213
УДК 621.396.96 А.Г. Лощилов
Разработка принципов нелинейной сверхширокополосной радиолокации
Предложен подход к дистанционному обнаружению объектов, обладающих нелинейными свойствами, основанный на использовании комбинации сверхширокополосных тестовых сигналов с малой и большой базой. Разработана модель экспериментальной установки для оценки эффективности использования предложенного подхода. В результате моделирования было установлено, что для рассмотренного частного случая предложенный подход обладает лучшей чувствительностью к продуктам нелинейного преобразования (более чем в 20 раз) при меньшей энергии тестового воздействия (в 17,5 раза) по сравнению с классическим одночастотным подходом. Результаты моделирования позволяют утверждать о перспективности применения предложенного подхода для задач нелинейной радиолокации.
Ключевые слова: нелинейная локация, сверхширокополосное импульсное воздействие.
Состояние проблемы. Первые упоминания об эффекте нелинейного рассеяния электромагнитных волн относятся к началу 40-х годов прошлого века. Было установлено, что окислившиеся сочленения металлических палубных конструкций [1, 2] приводили к значительным интермодуляционным искажениям сигналов мощных коротковолновых радиостанций. Позднее данный вид искажений получил название эффекта «ржавого болта» [3]. В работах [4, 5] исследованы режимы работы вибраторов, нагруженных на нелинейные неоднородности в виде контактов двух металлов.
В конце 70-х годов прошлого века появились первые сведения о прикладных работах, основанных на использовании эффекта нелинейного рассеяния. В патенте США [6] описана установка для дистанционной диагностики состояния обшивки космического аппарата по критерию величины отклика объекта на третьей гармонике зондирующего сигнала. Аналогичный подход был использован в [7] при создании мощного нелинейного локатора МЕТТИЛ для обнаружения замаскированной бронетанковой техники. В работах [8-12] приводятся материалы, обобщающие результаты ключевых отечественных коллективов в данном направлении.
Следует отметить, что основные принципы работы нелинейных радиолокаторов на протяжении последних 40 лет не претерпели значительных изменений. В настоящее время применяется два подхода к построению нелинейных радиолокаторов, отличающихся режимом работы и используемыми тестовыми сигналами: гармонический и комбинационный. Первый режим основан на излучении гармонического зондирующего сигнала и приеме второй и/или третьей гармоники отраженного сигнала. Во втором режиме тестовый сигнал - двухчастотный радиоимпульс (в публикациях по нелинейной радиолокации такой сигнал также называется многочастотным), при этом продукты нелинейного преобразования измеряются на комбинационных частотах тестового сигнала. В работах авторов [13, 14] обсуждаются вопросы нелинейного рассеяния одночастотных и многочастотных сигналов. Показано влияние различных типов сигналов на чувствительность нелинейных радиолокаторов к продуктам нелинейного преобразования сигналов.
Существующие нелинейные радиолокаторы можно также разделить по виду воздействия: непрерывный и импульсный. В [15, 16] показана связь между дальностью обнаружения цели и скважностью радиоимпульсов, предложено для увеличения дальности нелинейных радиолокаторов использовать мощные радиоимпульсы со скважностью 1000-10000. В обзорной статье [17] рассмотрены особенности излучения и приема сверхширокополосных сигналов, пространственная длительность которых значительно меньше размеров антенны и/или продольного размера облучаемой цели. В [18] предложена схема нелинейного радиолокатора с использованием фазокодоманипу-лированных радиоимпульсных последовательностей, чем достигается улучшение разрешающей способности по дальности и дальности действия нелинейного радиолокатора.
В таблице приведены сравнительные технические характеристики некоторых выпускаемых нелинейных радиолокаторов.
Сравнительные технические характеристики нелинейных радиолокаторов
Наименование Частота излучаемого сигнала, МГ ц Мощность, Вт Вид воздействия Номер гармоники
ORION HGO-4000 850-1005 0,03-3 Импульсный 2, 3
ORION NJE-4000 850-1005 0,014-1,4 Импульсный 2, 3
NR-МЮ 848 0,2-2 Импульсный 2, 3
NR-900EM 860 20-200 Импульсный 2, 3
NR-900P 900 25-150 Импульсный 2
ЛОРНЕТ-24 2400-2483 1-10 Импульсный, непрерывный 2, 3
ЛОРНЕТ 880-906 1-15 Импульсный, непрерывный 2, 3
Циклон-М2Ч 120-150 Двухчастотный, импульсный Комбинационные частоты
Циклон-М1А 680 250-300 Импульсный 2
Онега-2М 910 100 Импульсный 2
Онега-ЗМ 910 100 Импульсный 2, 3
Родник-2К 980-1020 0,8 Непрерывный 2, 3
Катран-Люкс 800 1-15 Импульсный, непрерывный 2, 3
Super Broom 204 888,5 Не более 4 Непрерывный 2,3
RFD 23 860 25-150 Импульсный 2,3
Анализ технических характеристик и ассортимента выпускаемых радиолокаторов позволяет утверждать, что большинство выпускаемых в настоящее время нелинейных локаторов работают на основной частоте в диапазоне 850-1000 МГц. В представленных радиолокаторах преимущественно используется импульсный режим излучения со значениями пиковой мощности зондирующего сигнала от единиц до сотен ватт. Продукты нелинейного рассеяния наблюдаются на 2-й и 3-й гармониках тестового воздействия. В одном из выпускаемых нелинейных локаторов реализован режим измерения нелинейных искажений при воздействии двухчастотного зондирующего сигнала пиковой мощностью 120-150 Вт, что эквивалентно, по утверждению разработчиков [19], пиковой мощности 480-600 Вт для локатора с одночастотным режимом.
Ключевые задачи нелинейной радиолокации на ее текущей стадии развития можно свести к следующим:
• повышение чувствительности нелинейных локаторов к продуктам нелинейного рассеяния;
• увеличение дальности обнаружения цели;
• обеспечение высокого пространственного разрешения нелинейных объектов;
• классификация объектов по параметрам нелинейного отклика.
Существующие подходы, основанные на одночастотном воздействии на объект с последующим анализом продуктов нелинейного преобразования на 2-й и 3-й гармониках, подошли к границе технической реализуемости: переносные нелинейные радиолокаторы обеспечивают пиковую мощность в импульсе до 700 Вт при чувствительности приемников на гармониках сигнала до минус 120 дБм. Дальнейшее повышение тактико-технических характеристик нелинейных локаторов сопряжено с использованием новых типов тестовых воздействий, алгоритмов и аппаратуры для обработки продуктов нелинейного преобразования сигналов.
Методы исследований. В основе предлагаемого подхода лежит способ исследования нелинейных свойств объектов в режиме сверхширокополосного импульсного воздействия [20]. Разработаны измерительный комплекс [21] и измерительный прибор для анализа временных и частотных характеристик цепей, а также характеристик нелинейности преобразования сигналов [22], в том числе с использованием упомянутого способа. Разработаны устройства формирования и обработки сверх-широкополосных сигналов пикосекундной длительности для задач нелинейной рефлектометрии [23]. Разработаны и реализованы измерительные установки для исследования характеристик нелинейности объектов при воздействии сверхширокополосными тестовыми сигналами с фронтами пикосекундной длительности [24, 25]. Показано, что применение метода нелинейной рефлектометрии при исследовании характеристик СВЧ-цепей в пикосекундном диапазоне позволяет выделить и локализовать во времени отклики объектов, осуществляющих линейное и нелинейное преобразование
сигналов. Достигнутые научно-практические результаты в данной области позволили предложить использовать данный подход для задач сверхширокополосной нелинейной радиолокации.
Сущность предлагаемого подхода состоит в воздействии на объект последовательностью сверхширокополосных тестовых сигналов. Число таких сигналов - два или более. Первый из сигналов является референсным (опорным), второй и последующие - результатом фазовой (амплитудной) обработки первого по известному закону. Под характеристикой нелинейности [20] понимается набор временных зависимостей разностей отклика исследуемого объекта м0(?) на референсное тестовое воздействие х0(?) и свертки обратного преобразования Фурье от отношения спектров отклика объекта м„(?) на п-е воздействие х„(?) с функцией тестового воздействия х0(?):
Єи (t) = u0(t) - F
-1
F {un (t)}
X X0(t) .
(і)
_ Р{хп (? )}
Для оценки эффективности использования предложенного подхода в решении задач нелинейной радиолокации разработана модель экспериментальной установки в среде численного электромагнитного моделирования, представляющая собой две встречно расположенных сверхширокополосных (СШП) антенны на заданном расстоянии 1 м, в центре между которыми установлен нелинейный отражатель. Внешний вид модели приведен на рис. 1.
приемная (1) и передающая (2) антенны, отражатель (3) и нелинейный элемент (4)
Для использования в составе экспериментальной установки была спроектирована сверхширо-кополосная антенна Вивальди со следующими параметрами:
- коэффициент стоячей волны напряжения в полосе і,2—10 ГГц не более 1,5;
- уровень боковых лепестков диаграммы направленности: —6, — 1З,7 и —5 дБ, на частотах і, 5 и 10 ГГц соответственно;
- ширина основного лепестка диаграммы направленности по уровню —З дБ на частотах і, 5 и 10 ГГц составляла: 65, ЗЗ и 18 град.
Разработан сверхширокополосный отражатель в виде печатного диполя с вибраторами, вырождающимися в окружности. Диаметр окружностей З5 мм, подложка отражателя — стеклотекстолит FR4, расчетный коэффициент стоячей волны на входе в полосе от 1,2 до 10 ГГц не превышал 5.
Для моделирования нелинейного элемента (см. рис. 1, поз. 4) использовалась spice-модель [26] СВЧ-диода Aeroflex MGV075-08.
С использованием предложенной модели проведены предварительные исследования режимов работы классического (одночастотного) нелинейного локатора с анализом продуктов нелинейного рассеяния на высших гармониках тестового воздействия и предложенного принципа построения сверхширокополосного нелинейного локатора. Для этого были рассчитаны параметры матриц рассеяния экспериментальной установки в полосе частот от 1 до 10 ГГц в режиме работы отражателя на согласованную нагрузку. Затем последовательно задавались режимы возбуждения передающей антенны (см. рис. 1, поз. 1), рассчитывались напряжения на входах/выходах приемной и передающих антенн, а также на входе/выходе нелинейного отражателя.
Первый из режимов возбуждения соответствовал работе одночастотного импульсного нелинейного локатора. Передающая антенна возбуждалась радиоимпульсом амплитудой 5 В. Длительность радиоимпульса равна 100 нс, несущая частота 1,5 ГГц, огибающая — окно Кайзера с параметром B = 10. Расчетная пиковая мощность локатора составляла Рп = 0,5 Вт, средняя мощность равна Рср = 1,75 мВт. Форма радиоимпульсного воздействия и его спектр приведены на рис. 2.
В результате численного моделирования рассчитаны временные зависимости напряжений на входах/выходах приемной и передающей антенн. На рис. З приведены вычисленные спектральные характеристики сигналов. Значения спектральных характеристик сигналов на входах/выходах передающей и приемной антенн нормированы к значению амплитудного спектра на основанной гармонике (1,5 ГГц) на входе соответствующей антенны.
и, В 4
2 --
-2
-4
20
80
-----(►
мкс
\и\, дБ 0
-50 --
-100 +
-150 +
4,5
7,5
I ГГц
б
Рис. 2. Форма (а) и амплитудный спектр (б) тестового воздействия в режиме одночастотного импульсного нелинейного радиолокатора
\ин\, дБ'
0
-50 --
1,5
4,5
7,5
9 I ГГц
-100
-150 +
Рис. 3. Нормированные амплитудные спектры сигналов на входе приемной (2) и передающей (1) антенн
По полученным значениям были рассчитаны коэффициенты гармонических искажений сигналов на входе передающей и приемной антенн. При расчете учитывались все высшие гармоники тестового сигнала, попадающие в анализируемую полосу частот (со второй по шестую). Рассчитанные значения коэффициентов гармонических искажений составили: Кг1 = 0,007% - для сигнала на входе передающей антенны; Кг2 = 3% - для сигнала на входе приемной антенны.
При этом коэффициент гармонических искажений, рассчитанный для модели тестового сигнала (см. рис. 2), не превышал 0,0001%.
Для исследования работы сверхширокополосного нелинейного локатора в качестве референс-ного тестового сигнала использовалась первая производная от импульса Гаусса. Амплитуда сигнала равна 5 В. Длительность, измеренная по уровню 50% от амплитудного значения, равна 200 пс. Форма сигнала и его амплитудный спектр приведены на рис. 4.
Пиковая мощность сверхширокополосного импульсного воздействия, как и гармонического воздействия, составила 0,5 Вт при том, что средняя мощность в данном режиме не превышает 50 мкВт.
0
а
3
6
9
3
6
Рис. 4. Форма (а) и амплитудный спектр (б) референсного тестового воздействия в режиме работы СШП нелинейного радиолокатора
Для получения второго и третьего тестовых воздействий была задана функция фазовой обработки референсного сигнала вида
H(f) = е~1'4^П 2 , (2)
где f — частоты спектральных компонент сигнала; d - коэффициент, определяющий наклон характеристики группового времени запаздывания спектральных компонент сигнала на выходе фазового фильтра.
При некоторых допущениях можно считать коэффициент d параметром, пропорциональным расширению базы сигнала в результате фазовой обработки. Были рассчитаны формы дополнительных тестовых воздействий (хі и х2) для двух значений коэффициента ^ d\ = 0,08-1018 и d2 = 0,4-1018, что соответствует увеличению базы референсного сигнала (х0) в 10 и 50 раз соответственно. На рис. 5 приведены формы второго (кривая 1) и третьего (кривая 2) тестовых воздействий в режиме сверхширокополосной нелинейной радиолокации.
Рис. 5. Форма второго (1) и третьего (2) тестовых воздействий в режиме работы СШП
нелинейного радиолокатора
В результате численного моделирования рассчитаны временные формы сигналов на входах приемной и передающей антенн в трех режимах воздействия: при воздействии референсным сигна-
лом (см. рис. 4, а), а также с использованием дополнительных воздействий (см. рис. 5), полученных в результате фазовой обработки референсного воздействия по закону (2).
На рис. 6 показаны формы сигналов на входе передающей (кривая 1) и приемной (кривая 2) антенн, полученные при воздействии референсного сигнала.
Рис. 6. Формы сигналов на входе передающей (1) и приемной (2) антенн в режиме работы СШП
нелинейного радиолокатора
Задержка между импульсами соответствует времени распространения сигнала с выхода передающей на вход приемной антенны, расстояние между которыми составляет 1,6 м.
Результаты, аналогичные представленным на рис. 6, были получены для второго и третьего тестовых воздействий (см. рис. 5), после чего с использованием выражения (1), были рассчитаны характеристики нелинейности преобразования сигналов, наблюдаемых на выходе приемной антенны.
На рис. 7 показаны рассчитанные характеристики нелинейности преобразования сверхшироко-полосных тестовых сигналов, полученные путем совместной обработки откликов объекта на пары тестовых воздействий, первый из которых представлял собой производную от импульса Гаусса, второй - результат фазовой обработки первого по закону (2) при двух значениях наклона характеристики группового времени запаздывания.
Количественная оценка нелинейных искажений по аналогии с коэффициентом гармоник возможна путем вычисления отношения энергии нелинейного отклика (е„(0) и отклика на референсное воздействие (и0(?))
Т 6И (?)2
Еп =\^&, (3)
0 ио (?)2
где Т - время наблюдения; ио (?) - линейный отклик объекта на референсное тестовое воздействие; еп (?) - характеристика нелинейности объекта, рассчитанная в соответствии с (1).
Пределы интегрирования могут быть изменены в случае, если имеется возможность временного разделения откликов (как линейных, так и нелинейных) от нескольких объектов.
Рассчитанные с использованием (3), коэффициенты нелинейных искажений сверхширокопо-лосного сигналов составили Е\ = 74,18% и Е2 = 96,21%, что более чем в 20 раз превышает аналогичные в сущности оценки, выполненные с использованием классического подхода. Притом средняя мощность сверхширокополосного импульсного воздействия в 17,5 раза меньше, чем средняя мощность гармонического воздействия.
Заключение. В результате моделирования было установлено, что для рассмотренного частного случая предложенный подход обладает лучшей чувствительностью к продуктам нелинейного преобразования (более чем в 20 раз) при меньшей энергии тестового воздействия (в 17,5 раза) по сравнению с классическим одночастотным подходом. При этом увеличение базы второго тестового воздействия позволяет повысить обнаружительную способность сверхширокополосного нелинейного локатора (более чем на 20% при увеличении базы в 5 раз для представленной модели).
Результаты моделирования позволяют утверждать о перспективности применения предложенного подхода для задач нелинейной радиолокации.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант 12-07-31162 мол_а).
Литература
1. Eastman A. The Generation of Spurious Signal by Nonlinearity of the Transmission Path / A. Eastman, L. Horle // Proc. IRE. - 1940. - Vol. 28. - P. 438-443.
2. Betts J. Intermodulation interference in mobile multiple-transmission communication systems operating at high frequencies (3-30 MHz) / J. Betts, D. Ebenezer // Proc. IEE. - 1973. - Vol. 120. - P. 1337-1344.
3. Mason Н.Р Multiple channel VHF reception on naval ships // The Radio and Electronic Engineer. -1973. -Vol. 43, № 5. - P. 299-311.
4. Исследование нелинейных электрических эффектов в контакте двух металлов, включенном в дипольную антенну / Г.С. Мисежников, М.М. Мухина, А.Г. Сельский, В.Б. Штейншлейгер // Вопросы радиоэлектроники. - 1978. - Вып. 1.
5. Штейншлейгер В.Б. К теории рассеяния электромагнитных волн вибратором с нелинейным контактом // Радиотехника и электроника. - 1978. - Т. 23, вып.7. - С. 1329.
6. Pat. USA № 3732567 Junction range finder / Low G.M., Morisette S., Sea P.G., Frazlmer M.J.
7. Mettra signature - radars section measurement / D.A. Danber, D. Hull // Final Report instrumentation Manual. - San-Diego, 1978. - 88 p.
8. Кузнецов А.С. Методы исследования эффекта нелинейного рассеяния электромагнитных волн / А.С. Кузнецов, Г.И. Кутин // Зарубежная электроника. - 1985. - № 4. - C. 51-53.
9. Разиньков С.Н. Математическое моделирование нелинейного рассеяния электромагнитных волн в радиолокации // Зарубежная электроника. - 1997. - № 1. - C. 87-96.
10. Горбачев А. А. Особенности зондирования электромагнитными волнами сред с нелинейными включениями // Радиотехника и электроника. - 1996. - Т 41, № 2. - С. 152-157.
11. Вернигоров Н.С. Процесс нелинейного преобразования и рассеяния электромагнитного поля электрически нелинейными объектами // Радиотехника и электроника. - 1997. - № 10. - С. 1181-1185.
12. Петров Б.М. Эффект нелинейного рассеяния / Б.М. Петров, Д.В. Семенихина, А.И. Паны-чев. - Таганрог: ТРТУ, 1997. - 202 с.
13. Ларцов С.В. О нелинейном рассеянии при использовании многочастотного и одночастотного зондирующих сигналов // Радиотехника и электроника. - 2001. - Т. 46, № 7. - C. 833-838.
14. Вернигоров Н.С. К вопросу о применении многочастотного сигнала в нелинейной радиолокации / Н.С. Вернигоров, А.Р. Борисов, В.В. Харин // Радиотехника и электроника. - 1998. - Т. 43, вып. 1. - C. 63-66.
15. Harger R. Harmonic Radar System for Near-Ground In-Foliage Nonlinear Scatterers // IEEE Trans., AES-12. - 1976. - № 2. - P. 230-245.
16. Беляев В.В. Состояние и перспективы развития нелинейной радиолокации / В.В. Беляев, А.Т. Маюнов, С.Н. Разиньков // Успехи современной радиоэлектроники. - 2002. - № 6. - C. 59-78.
17. Иммореев И.Я. Сверхширокополосные радары. Особенности и возможности // Радиотехника и электроника. - 2009. - Т. 54. - C. 5-31.
18. Пат 2382380 РФ. МПК G01S13/00. Способ нелинейной радиолокации / В.П. Лихачев, Н.А. Усов. - 2008131114/09; заявл. 28.07.2008; опубл. 20.02.2010.
19. Сайт ООО «Вихрь» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://vikhr.ru/product, 137, свободный (дата обращения: 22.10.2013).
20. Пат. 2263929 РФ, МПК7 G01S13/00. Способ исследования нелинейности преобразования сигналов объектом. / Э.В. Семенов (РФ). - № 2004110640; заявл. 07.04.2004; опубл. 11.10.2005; Бюл. № 31. - 1 с.
21. Лощилов А.Г. Цифровой измерительный комплекс для измерения частотных и импульсных характеристик четырехполюсников / А.Г. Лощилов, Э.В. Семенов, Н.Д. Малютин // Изв. Том. политех. ун-та. - 2006. - Т. 309, № 8. - C. 37-42.
22. Векторный импульсный измеритель характеристик цепей и проводных систем / А. А. Бомби-зов, А. А. Ладур, А.Г. Лощилов и др. // Приборы. - 2007. - № 9. - C. 28-31.
23. Разработка устройств обработки сверхширокополосных импульсных сигналов для исследования нелинейных свойств объектов методом нелинейной рефлектометрии / А.Г. Лощилов, Э.В. Семенов, Н.Д. Малютин и др. // Доклады Том. гос. ун-та систем управления и радиоэлектроники. - 2010. -№ 2(22), ч. 1. - С. 166-170.
24. Semyonov E. Measurements of the Nonlinearity of the Ultra Wideband Signals Transformation / E. Semyonov, A. Loschilov // Ultra Wideband Communications: Novel Trends - System, Architecture and Implementation. - Rijeka, Croatia : InTech, 2011. - P. 3-16.
25. Экспериментальная установка для исследования характеристик нелинейности объектов при воздействии импульсами пикосекундной длительности / А.Г. Лощилов, Т.Х. Бибиков, Э.В. Семёнов, Н.Д. Малютин // Тр. 22-й Междунар. Крым. конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрымиКо’2012). - Севастополь: Вебер. - 2012. - С. 815-816.
26. MGV Spice models / Aeroflex [Электронный ресурс] - Режим доступа:
http://www.aeroflex.com / ams/Metelics/pdfiles/MGV_spice_models.pdf, свободный (дата обращения: 22.10.2013).
Лощилов Антон Геннадьевич
Канд. техн. наук, ст. научн. сотрудник СКБ «Смена»
Тел.: 8 (383-2) 25-33-60 Эл. почта: [email protected]
Loschilov A.G.
Development of principles of nonlinear ultra-wideband radar
The approach for remote detection of objects with non-linear properties is proposed. The approach investigates the combinations of nonlinear scattering of ultra-wideband test signals with small and large base. A model of an experimental setup to evaluate the efficiency of the proposed approach was designed.
The efficiency is demonstrated on a special case where the proposed approach showed better sensitivity to nonlinear transformation products (more than 20 times) at a lesser energy test exposure (17.5-fold) compared to the classical single-frequency approach. The simulation results suggest promising applications of the proposed approach to problems of nonlinear radiolocation.
Keywords: nonlinear radar, ultra-wideband pulse.
