Содержание к диссертации
Введение
1 Физические принципы и математические модели нелинейного рассеяния электромагнитных волн 10
1.1 Объекты, обладающие эффектом нелинейного рассеяния электромагнитных волн 10
1.2 Нелинейные эффекты на контакте двух металлов, разделенных окислом 20
1.3 Поляризационные эффекты, сопровождающие нелинейную радиолокацию 33
2 Основное уравнение и дальность действия нелинейного радиолокатора 38
2.1 Нелинейная эффективная поверхность рассеяния 38
2.2 Уравнение дальности при нелинейной радиолокации 44
2.3 Влияние поляризации принимаемого сигнала на дальность при нелинейной локации 50
3 Зондирующие сигналы и помехи при нелинейной локации 52
3.1 Выбор параметров зондирующего сигнала при нелинейной локации 52
3.2 Применение многочастотных сигналов в нелинейной радиолокации 59
3.3 Особенности обработки сигналов при нелинейной радиолокации 66
3.4 Помехи в системах нелинейной радиолокации 77
4 Техническая реализация и эксперименталное исследование средств нелинейной радиолокации 89
4.1 Серийные нелинейные локаторы 89
4.2 Экспериментальные результаты обнаружения и селекции нелинейных отражателей 97
4.3 Экспериментальные исследования методов нелинейной радиолокации с использованием прибора НР-900 101
4.4 Технические данные нелинейного локатора HP 900 ЕМ 107
4.5 Методика и план проведения эксперимента 110
4.6 Метрологическое обеспечение нелинейных
радиолокационных измерений 115
Заключение 121
Список литературы 123
- Нелинейные эффекты на контакте двух металлов, разделенных окислом
- Уравнение дальности при нелинейной радиолокации
- Применение многочастотных сигналов в нелинейной радиолокации
- Экспериментальные результаты обнаружения и селекции нелинейных отражателей
Введение к работе
Актуальность темы
диссертационной работы обусловлена тем, что в ней рассмотрены объекты, нелинейно рассевающие радиоволны, методы теоретического и экспериментального исследования эффекта нелинейного рассеяния электромагнитных волн, принципы построения радиолокационных систем и устройств, использующих эффект нелинейного рассеяния, а также основные модели и соотношения, позволяющие рассчитывать эффективность таких устройств Прежде всего - дальность действия С учетом того, что сферы технических применений эффекта нелинейного рассеяния радиоволн непрерывно расширяется, а количество используемых нелинейных радиолокационных устройств и средств возрастает, исследование принципов и методов нелинейной радиолокации является важным направлением развития и совершенствования техники современных радиосистем
Цель и задачи работы
Исследование принципов и потенциальных характеристик точности нелинейной радиолокации, основных технических решений, принимаемых при проектировании устройств, основанных на эффекте нелинейного рассеяния, а также методов использования радиолокаторов, основанных на эффекте нелинейного рассеяния радиоволн
Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие основные задачи
обоснована принципиальная возможность и техническая реализуемость использования методов нелинейного рассеяния радиоволн,
обоснована принципиальная возможность различения искусственных и естественных нелинейных рассеивателей электромагнитных волн по характеру и составу частотного спектра отраженного сигнала,
экспериментально определены уровни сигнала, отражаемого нелинейными рассеивателями
Методы исследования
Основаны на использовании теории радиолокационных систем, статистической радиотехники, теории цепей, прикладной электродинамики, а также натурный эксперимент
Научная новизна работы
Обусловлена тем, что в ней
исследованы факторы, влияющие на уровень сигнала и дальность обнаружения объекта при нелинейной радиолокации,
исследованы факторы, влияющие на величину эффективной поверхности нелинейно рассевающих объектов,
рассмотрены и выявлены принципиальные и технические возможности различения искусственных и естественных нелинейных рассеи-вателей по характеру сформированного ими поля излучения высших гармоник зондирующего сигнала
Практическая значимость результатов работы
Исследованы физические принципы и математические модели нелинейного рассеяния электромагнитных волн
Экспериментально подтверждена справедливость основного уравнения нелинейной радиолокации для нелинейно рассеивающих целей
Разработаны рекомендации по выбору зондирующих сигналов и по анализу помех при нелинейной локации
Выработаны рекомендации по технической реализации и проведено экспериментальное исследование средств нелинейной радиолокации
Основные положения, выносимые на защиту
Использование нелинейных эффектов, сопровождающих рассеяние электромагнитных волн, позволяет обнаружить объекты в условиях сильных фоновых отражений от земной поверхности и широколиственных растительных покровов
Различие в характеристиках нелинейного рассеяния электромагнитных волн позволяет селектировать отражения от радиоэлектронных устройств, содержащих полупроводниковые компоненты, на фоне отражений, формируемых элементами с контактами металл-окисел-металл
Апробация результатов работы и публикации
Основные положения и результаты опубликованы в сборнике докладов на VII-ой всероссийской юбилейной научно-технической конференции МАИ 2005, в статье в электронном журнале «Труды МАИ» и в статье в журнале «Вестник МАИ»
Объем и структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы Работа содержит 126 страниц, 27 рисунков и 3 таблицы Список литературы включает 45 наименований
Нелинейные эффекты на контакте двух металлов, разделенных окислом
Полупроводящая структура металл-окисел-металл, как было показано ранее, обладает проявлять эффект нелинейного рассеивания падающих на нее радиоволн. Для анализа свойств и параметров такого рассеивателя удобно исходить из его модели в виде проволочного вибратора рис. 1.6, в середину которого включен контакт К двух металлических малых тел, размеры которых много меньше длины вибратора. Когда такой вибратор находится в электромагнитном поле высокой частоты, через контакт К протекают токи этой частоты, которые вследствие нелинейности вольтампернои характеристики контакта возбудят в вибраторе токи на гармониках и комбинационных частотах. Соответственно, эти составляющие на гармониках и комбинационных частотах появятся в поле электромагнитной волны, рассеянной вибратором. Контакт двух металлов с нелинейной вольтампернои характеристикой в дальнейшем называется нелинейным контактом, а вибратор, содержащий такой контакт, нелинейным вибратором.
Интенсивность эффекта преобразования частот нелинейным вибратором можно характеризовать двумя связанными между собой параметрами: нелинейной эффективной площадью рассеяния стн и нелинейной мощностью Рв.
Нелинейная эффективная площадь рассеяния определяется по аналогии с обычной (линейной) ЭПР: где Яотр - поток мощности (Вт/м ) рассеянной волны на частоте гармоники пли на комбинационной частоте, измеренный на расстоянии R от вибратора; Я -плотность потока мощности, облучающей вибратор.
Отличие нелинейной эффективной площади рассеяния от линейной ЭПР заключается, во-первых, в том, что в данном случае Яотр и Я относятся к разным частотам, и, во-вторых, в том, что величина о„ зависит от Я.
Вторая характеристика нелинейного вибратора - мощность нелинейного отраженного сигнала Рн определяется соотношением где Рн - мощность, изотропно рассеиваемая гипотетическим излучателем на частоте гармоники или на комбинационной частоте, создающим в месте приема такую же величину потока Япр. Разумеется, Рн и а„ зависят от направлений получения и приема. Величины Рв и а„ из (1.22) и (1.23) связаны соотношением
Соотношения (1.22), (1.23) и (1.24) позволяют рассчитать величину нелинейной эффективной площади рассеяния стн нелинейного вибратора, исходя из параметров, характеризующих контакт и вибратор.
Электрический контакт двух металлов осуществляется, как правило, через тонкую пленку окисла, являющегося диэлектриком пли достаточно высокоомным полупроводником. Известно несколько физических механизмов прохождения электрического тока через такой контакт.
При достаточно малой толщине диэлектрической пленки возможно протекание электрического тока через нее благодаря туннельному эффекту, т.е. квантовому эффекту проникновения электрона сквозь потенциальный барьер, уровень которого превышает полную энергию электрона.
В работе [34] получены приближенные выражения для плотности туннельного тока черев контакт с учетом влияния диэлектрика и сил электрического изображения на величину и форму энергетического барьера. При не слишком больших напряжениях вольтамперная характеристика туннельного контакта двух одинаковых металлов можно аппроксимировать следующим выражением (1.1). При этом начальное (при V=0) сопротивление #о определяется как где ро - начальное "удельное" сопротивление туннельного контакта (Ом.см ); ат - площадь туннельного контакта (см ).
Уравнение дальности при нелинейной радиолокации
В этом разделе получено основное уравнение радиолокации для случая нелинейной цели и проведен анализ влияния различных характеристик это уравнение [9]. При изучении эффектов нелинейной радиолокации основное значение имеют явления, ответственные за возникновение нелинейных свойств при рассеянии радиоволн. В процессе вывода и анализа основного уравнения радиолокации необходимо учитывать наличие нелинеиностеи в отражательных характеристиках радиолокационных целей. Этот факт сводится, прежде всего, в определении эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) объектов радиолокации, обладающих нелинейными свойствами [8,9]. Основное уравнение радиолокации, связывающее мощность сигнала, дальность до цели и ее эффективную отражающую поверхность, применительно к свободному пространству (т.е. без учета влияния земли, окружающих предметов и поглощения на трассе распространения) для радиолокационных отражателей устанавливает связь между характеристиками РЛС, параметрами отражателя и дальностью действия этой РЛС. В качестве ЭПР нелинейной цели используется а], определенная ранее. Плотность потока мощности падающей на цель электромагнитной волны Пи(С) с учетом направленных свойств передающей антенны, описывается выражением:
Если отражатель обладает нелинейными свойствами, то мощность сигнала, отраженного от него на «-ой гармонике с учетом формул, приведенных в [8], можно представить в виде: Для однопозиционной радиолокации плотность потока мощности отраженной от нелинейной цели волны у антенны можно записать в виде: Подставив (2.18) в формулу (2.19), можно получить выражение для плотности потока мощности отраженной от нелинейной цели электромагнитной волны возле приемной антенны: Мощность на выходе приемной антенны Р„(А) и плотность потока мощности у приемной антенны Пп(А) связаны между собой соотношения: Причем между коэффициентом усиления приемной антенны на и-ой гармонике сигнала Gn и эффективной площадью антенны на этой же гармонике -Sn(A) существует известная связь: где А,п длина волны на п-ой гармонике зондирующего сигнала, естественно при этом, что Яи = — п Используя равенства (2.21) и (2.22), можно получить выражение для мощности сигнала на выходе приемной антенны: Подставляя значение плотности потока мощности ПП(А) из равенства (2.20) в формулу (2.21), получим:
Напряженность электрического поля электромагнитной волны, падающей на нелинейную цель Е„, связана с мощностью излученного сигнала следующим соотношением: После подстановки выражения для ЕИ(С) соотношения (2.25) в равенство (2.24) формула для мощности на выходе приемной антенны примет вид: Поскольку соотношение (2.26) остается справедливым для любого момента времени t, фигурирующие в нем мощности также можно рассматривать как функции времени, т. е Pu(A) = Pu{A,t)w Рпр(А) = Pnp(A,t). В дальнейшем, коль скоро речь идет о характеристиках, измеряемых в непосредственной близости от антенн, в аргументе букву А будем опускать, и вместо формулы (2.26) использовать соотношение: Коэффициент к в (2.27) объединяет все сомножители, не зависящие от мощности принимаемого сигнала на той его гармонике, на которой работает приемник обнаружителя. Как известно, обнаружение радиолокационных целей (независимо, от того, идет ли речь об отражателях, обладающих или не обладающих нелинейными свойствами) основывается на принципах накопления энергии полезного сигнала. И основные характеристики качества обнаружения определяются именно накопленным сигналов, т.е. той энергией, которую сигнал за время его наблюдения. В этой связи перейдем в равенстве (2.27) от мощностей сигнала и шума к их энергетическим характеристикам. При определении максимальной дальности действия РЛС необходимо установить связь параметров, характеризующих эффективность обнаружения цели (в частности, вероятности правильного обнаружения цели D и ложной тревоги F), со значением принимаемой энергии сигнала отраженного от нелинейной цели. Энергия принимаемого сигнала Эпр связана с мощностью на выходе приемной антенны соотношением: где ts - время наблюдения отраженного сигнала. Подставляя выражение (2.28) в формулу (2.27), выразим энергию принимаемого сигнала через среднее значение величины PJ(t), которое обозначим С учетом этого окончательно получим: Вероятность правильного обнаружения радиолокационной цели зависит от отношения энергии принимаемого сигнала (в данном случае на п-ой гармо N ники этого сигнала) к плотности мощности шумов —--. Найдем это отношение: Выражение (2.2.15) справедливо для любых дальностей "РЛС - нелинейная цель" (для отражателей, не обладающих нелинейными свойствами, п=\) при радиолокационном наблюдении в свободном пространстве. Однако наиболее важным и часто употребляемым параметром РЛС является максимальная дальность Rn max, на которой цель будет обнаружена. Этой максимальной дальности соответствует такое наименьшее значение принимаемой энергии отраженной от цели волны Эп min, при которой в оконечном устройстве с заданной вероятностью фиксируется наличие цели. Сказанное дает возможность, используя формулу (2.30), записать в виде:
Применение многочастотных сигналов в нелинейной радиолокации
Применение многочастотных сигналов, при использовании которых приемник нелинейного локатора может работать на комбинационных частотах типа f=nf\±mfk. При этом техническая реализация приемника и системы обработки принятого сигнала может оказаться заметно проще. Задача использования многочастотного сигнала в нелинейных радиолокационных станциях впервые была применена в технических решениях [3] для создания нелинейной радиолокационной нелинейной радиолокационной системы с повышенной дальностью обнаружения объектов с использованием двухчастотного зондирования. Однако несмотря на некоторый выигрыш, полученный в результате использования такой структуры сигнала и схемы его обработки, вопрос о синтезе оптимального сигнала остался открытым. Уникальной особенностью нелинейных объектов в нелинейной локации является полная аналогия преобразования сигнала с традиционными преобразователями частоты в радиотехнических устройствах. Главной отличительной особенностью является лишь способ подключения сигнала. В случае нелинейных радиолокационных систем подключение осуществляется через среду распространения, что позволяет подводить одновременно любое количество сигналов с произвольным видом зависимостей от амплитуды, частоты и фазы.
Второй важнейшей особенностью является отсутствие специальных мер для эффективного преобразования подводимых сигналов [6]. Несмотря на кажущуюся очевидность этого явления задача об использовании в нелинейной радиолокационной системе многочастотного зондирования и анализ его эффективности остается открытым. На основе обобщенной модели канала набор генераторов, а сам зондирующий сигнал в виде где at - амплитуда сигнала с частотой щ; N - число монохроматических составляющих в спектре зондирующего сигнала. Пусть нелинейный элемент в рассеивателе представляет собой элементарный полупроводниковый диод. Тогда его вольтамперная характеристика описывается классическим разложением в ряд Тейлора, а отклик объекта на (3.25) с учетом симметричности функции косинуса будет иметь вид: До» а, Р, у - коэффициенты разложения, представляющие собой коэффициенты нелинейного преобразования порядка п. Из вида коэффициента (2-8//) при квадратичном члене ряда следует, что амплитуда сигнала любой комбинационной частотной составляющей (ІФІ) в 2 раза превышает амплитуду второй гармоники любого зондирующего сигнала. Из вида коэффициента \b - AyS + 5\к +S ikJ- 55ІІк при кубическом члене ряда следует, что амплитуда комбинационной составляющей частоты o)j±(Oi±cOk (/=/=&) в 3 раза превышает амплитуду комбинационной составляющей с частотами вида 2o)j±ci) (i=l=k), которые, в свою очередь, в 2 раза превышают амплитуду составляющих с частотами вида 3a j. Соотношение (3.26) позволяет произвести расчет преобразованного спектра для любого нелинейного элемента, при условии, что имеет место слабое нелинейное взаимодействие в отсутствие модуляции его реактивных параметров. Рассмотрим преобразование второго порядка для сигнала по уравнению (3.26), удовлетворяющего условию: что эквивалентно излучению сигнала с равномерным спектром в частотной области. Число спектральных составляющих в преобразованном спектре составит k = 2N-\,а.амплитудное распределение будет иметь вид Амплитуда центральной частотной составляющей спектра на частоте a i+cuN будет равна S0 =—-—. Средняя мощность преобразованного сигнала найдется как лентнои мощностью
Экспериментальные результаты обнаружения и селекции нелинейных отражателей
При выборе модели локатора постоянно возникает вопрос о регистрации отраженного сигнала на 2-й и 3-й гармониках сигнала зондирующего. Эта необходимость вызвана желанием реализовать возможность селекции электронных изделий, содержащих полупроводниковые элементы, и изделии с контактами металлических поверхностей. Теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать вывод о том, что в сигнале, отраженном конструкциями с полупроводниковыми элементами и подводящими проводами, преобладает вторая гармоника зондирующего сигнала. А для нелинейных металлических контактов характерен более высокий уровень третьей гармоники. Этот эффект уже обсуждался выше, в главе .
Опубликованные экспериментальные результаты по определению нелинейной эффективной поверхности рассеяния автомобилей и гусеничной техники [4] подтверждают этот вывод. Так на рис.4.1, рис.4.2 и рис.4.3. соответственно представлены угловые зависимости нелинейной ЭПР автомобиля КАВЗ-651 с цельнометаллическим кузовом, автомобиля Урал-375, трактора С-100 на второй и третьей гармониках облучающего сигнала. В качестве облучающей волны использовался импульсный сигнал с частотой fo=l 55 МГц. Импульсная мощность 200 кВт, длительность импульсов 6 мкс, частота следования импульсов 360 Гц, чувствительность приемного устройства 120 дБ/Вт.
Зависимость ЭПР технических объектов (автомобильного прицепа-фургона, гусеничного трактора и автомобиля ГАЗ-66) на третьей гармонике от плотности потока мощности облучающей волны: 1 соответствует автомобильному прицепу-фургону; 2 — гусеничному трактору при неработающем двигателе; 3 — гусеничному трактору при работающем двигателе; 4 — автомобилю ГАЗ-66 при неработающем двигателе; 5 — автомобилю ГАЗ-66 при работающем двигателе
Максимальные значения нелинейной ЭПР атах, усредненные значения ЭПР аср, в секторе углов ±180 и среднеквадратичное отклонение ЭПР Да представлены в табл.4.2.
Как видно, наибольшая доля энергии падающей волны, преобразованная в гармоники, переизлучается на частотах 2fo и З/о. Мощность вторичного поля на третьей гармонике при плотности потока мощности падающей волны порядка 0,1 Вт/м2 на 10... 15 дБ превышает мощность поля, рассеянного на второй гармонике. Можно считать, что вольтамперная характеристика естественных нелинейных металлических контактов на реальных объектах близка к зависимости используемой для аппроксимации вольтамперная характеристика контактов металл-диэлектрик-металл при теоретических исследованиях. Большая изрезан-ность диаграммы обратного рассеяния объектов на гармониках указывает на значительное число элементов с нелинейными свойствами, формирующих вторичное поле.
На рис.4.4 представлена экспериментальная зависимость ЭПР объектов техники (автомобильного прицепа-фургона, гусеничного трактора к автомобилю ГАЗ-66) на третьей гармонике от плотности потока мощности облучающей волны [4], в качестве которой использовалось непрерывное монохроматическое излучение с частотой 300 МГц. Плотность потока мощности облучающего поля в месте расположения объекта составляет 1 Вт/м . Измерения c=F(#o) для гусеничного трактора и автомобиля ГАЗ-66 проводились при неработающих и работающих двигателях, т.е. объекты находились в неподвижном и вибрирующем состояниях. Зависимость нелинейной ЭПР объектов от плотности потока мощности облучающей волны для неподвижных объектов при Яо 1 Вт/м может быть представлена параболической зависимостью. При увеличении плотности потока мощности падающего поля до 1 Вт/м показатель степенной функции, аппроксимирующей зависимость G=F(/7O), стремится к 1 (к линейной функции). Возрастание Я0 достигалось путем сближения объекта с источником облучающего поля.
При измерении нелинейной ЭПР сильно вибрирующих объектов наблюдается снижение "нелинейной" ЭПР на 10-25дБ и ее независимости от плотности потока мощности падающей волны. Это явление может быть объяснено возрастанием коэффициента нелинейности третьего порядка вольтамперной характеристики нелинейных контактов при вибрации и переходом рассеивателя в существенно нелинейный режим. При переходе к режиму с существенной нелинейностью наблюдается уменьшение скорости возрастания плотности потока мощности поля на гармониках при увеличении плотности потока мощности облучающего поля. Данный эффект с уменьшением сопротивления нелинейного контакта, приводящим к тому, что возрастание тока, формирующего поле на гармониках, происходит более быстро, чем увеличение ЭДС.
Модели объектов, относящихся ко второму классу, отличаются от моделей первого класса меньшим числом "нелинейных" контактов. Радиолокационные характеристики объектов данного класса оцениваются в основном экспериментально. Теоретическое исследование отражательных свойств объектов с двумя-пятью сосредоточенными нелинеиностями основано на представлении их в виде совокупности простых нелинейных рассеивателей, к которым относятся штырь, продольная и крестообразная щели в волноводе.
