Параметрическая локация – новый метод обнаружения скрытых объектов.

Параметрическая локация – новый метод обнаружения скрытых объектов.

ЩЕРБАКОВ Григорий Николаевич,
доктор технических наук, профессор

Известные методы обнаружения неподвижных объектов в укрывающих средах основаны на регистрации различных аномалий НЧ, ВЧ, СВЧ (электромагнитных, теплофизических и др.) в местах расположения этих объектов.

При этом методы активной локации — радиолокационный, индукционный, акустический и др. — используют имеющиеся контрасты между объектом поиска и естественным фоном (грунтом, растительностью, водой).

Название метода обусловлено, как правило, типом зондирующего поля [1].

В более ранних работах автором показана возможность использования для поиска малоразмерных объектов принципиально нового метода, основанного на регистрации искусственно вызываемых контрастов между объектом поиска и фоном за счет дополнительного облучения исследуемого пространства, наряду с основным зондирующим, различными физическими полями.

Возникновение этих контрастов обусловлено различной реакцией объекта поиска искусственного происхождения и элементов естественного фона на возбуждающее поле.

Физические основы параметрической локации

Известно, что электрические цепи, в которых хотя бы один из параметров изменяется по какому-либо заданному закону, называются параметрическими.

Рассеянное, например, объектом поиска электромагнитное поле может отличаться от падающего своими параметрами: амплитудой, фазой, частотой и поляризацией.

Под воздействием дополнительного возбуждающего поля (акустического, лазерного и др.) эти параметры могут изменяться во времени и пространстве.

Закон изменения этих параметров будет определяться прежде всего характеристиками возбуждающего поля (плотностью потока мощности, частотой и др.).

Из этого следует, что предлагаемый тип локации можно назвать параметрическим.

На рис.1 приведены возможные варианты сочетаний зондирующих и возбуждающих физических полей.

Рис.1. Физические поля, используемые в параметрической локации

В качестве возбуждающих полей при поиске различных объектов могут быть использованы помимо электромагнитных, акустических и сейсмических полей также и радиоактивные излучения.

Воздействие этих излучений (нейтронного и гамма) на электронные устройства объектов поиска изменяет их параметры (сопротивление базы, барьерную и диффузионную емкости переходов и др.) [2] и, соответственно, отражательные характеристики этих объектов.

Это может быть зафиксировано путем использования зондирующих электромагнитных полей.

Следует отметить, что многие из предложенных вариантов параметрической локации основаны на физических эффектах, известных в технике как “вредные”.

Например, механические вибрации цели (самолетов, танков и др.) вызывают шум цели”, которые ухудшают поисковые характеристики РЛС, особенно когерентных [3, 4].

Эффект кросс-модуляции рассматривается как вредный”, создающий взаимные помехи между соседними каналами связи [5, 6].

Возбуждение электронно-оптических приборов наблюдения и целеуказания лазерным излучением часто приводит к их “ослеплению” [7].

Облучение, даже кратковременное, электронной аппаратуры ионизирующим излучением (нейтронным, гамма) вызывает обратимые и необратимые изменения в ее элементной базе, прежде всего полупроводниковых деталях [2, 8].

Однако, управление всеми этими эффектами, прежде всего за счет выбора оптимальных параметров (энергетических, временных, частотных и др.) возбуждающего поля позволяет превратить их из “вредных” в полезные” и использовать в целях локации объектов искусственного происхождения.

Таблица 1: Характерные параметры возбуждающих полей.

В параметрической локации возбуждающий сигнал “окрашивает” зондирующий сигнал при его отражении от объекта поиска искусственного происхождения.

“Окраска заключается в придании ему характерных амплитудных, частотно-временных и поляризационных признаков, которые могут затем быть выявлены в приемном устройстве поисковой системы.

Параметрический процесс формирования вторичного сигнала может быть как линейным, так и нелинейным.

Первый случай имеет место, например, при рассеянии СВЧ-электромагнитного поля вибрирующим объектом поиска — за счет дополнительного его облучения мощным акустическим полем.

Второй — при рассеянии СВЧ-поля возбуждаемым нелинейным объектом на гармониках.

Возбуждение нелинейных элементов объекта поиска (переходов транзисторов и диодов и др.) может при этом осуществляться электромагнитным полем ДВ-, СВ-, КВ-диапазонов, что приводит к соответствующему изменению НЭПР всего объекта.

Это делает возможным, например, определение рабочей частоты искомого радиоприемного устройства линии управления взрывом, радиостанции. Характерно, что объект поиска (радиоприемник) может быть при этом выключен.

Необходимо отметить наличие значительного количества возможных сочетаний зондирующих и возбуждающих физических полей.

Выбор той или иной комбинации должен осуществляться с учетом многих факторов: наличия априорной информации об особенностях устройства объектов поиска, характеристик окружающего фона, требуемой дальности обнаружения и др.

Применительно к рассматриваемой проблеме наиболее перспективным следует считать сочетания различных электромагнитных полей НЧ-, ВЧ-, СВЧ-диапазонов. Это обусловлено, в основном, их способностью проникать через укрывающие полупроводящие среды.

Не исключено совместное использование различных сочетаний зондирующих и возбуждающих полей в одной поисковой системе — с целью увеличения надежности обнаружения различных малоразмерных объектов.

На основании изложенного автором предлагается следующее определение параметрической локации: это активный метод обнаружения объектов, при котором регистрируются изменения параметров зондирующего поля за счет облучения этих объектов дополнительным возбуждающим полем (акустическим, СВЧ-электромагнитным, лазерным и др.).

Использование СВЧ-нелинейно-параметрических взаимодействий для обнаружения стрелкового оружия и взрывных устройств

Проведенные ранее в нашей стране исследования показали, что для дистанционного обнаружения малоразмерных металлических объектов возможно использование нелинейной радиолокации. Это обусловлено наличием нелинейных электрических свойств у металлических контактов [9, 10].

Однако для обнаружения стрелкового оружия использование известной НРЛС типа METRRA (США) и ей подобных оказалось малоэффективным.

Это объясняется его незначительными нелинейными свойствами на третьей гармонике — из-за отсутствия точечных прижимных контактов.

Имеющиеся же в конструкции стрелкового оружия многочисленные плоскостные металлические контакты обладают незначительными нелинейными свойствами на СВЧ, что объясняется шунтирующим действием их большой собственной емкости.

Некоторое увеличение НЭПР точечных металлических объектов (на 18…20 дБ) может быть достигнуто при двухчастотном режиме работы НРЛС с регистрацией комбинационных частот третьего порядка.

Однако и в этом случае обнаружение небольших по размерам металлических объектов (пистолетов и др.) затруднительно.

Качественный скачок в обнаружении подобных объектов может быть достигнут за счет использования нелинейно-параметрического метода.

Предлагаемый вариант метода основан на усилении нелинейных свойств плоскостных металлических контактов за счет дополнительного воздействия на них мощными СВЧ-короткими радиоимпульсами. Это воздействие вызывает, при определенных условиях, электрический плазменный пробой диэлектрических окисных пленок, покрывающих контактирующие металлические поверхности.

Пробой состоит из нескольких элементарных быстродействующих нелинейных электронных процессов: эмиссии электронов из катода в диэлектрик (окисную пленку), размножения электронов вследствие ударной ионизации, образования и разрушения отрицательного объемного заряда.

В момент пробоя нелинейные свойства контактов резко усиливаются, что может быть зарегистрировано приемником НРЛС. Усиление нелинейных свойств может быть объяснено возникновением нелинейного плазменного слоя.

Эффект пробоя тонких диэлектрических пленок рассматривается в электронике [2, 11] и электротехнике [12] как “вредный”.

Однако в нашем случае его специальное создание позволяет усилить демаскирующие свойства малоразмерных металлических объектов поиска, то есть делает эффект “полезным”.

Известно, что чистые поверхности практически всех металлов, соприкасаясь с атмосферой, содержащей кислород, немедленно покрываются пленками своих окислов.

За довольно короткий промежуток времени на металлической поверхности образуется начальный окисный слой толщиной в несколько атомных ячеек, который в свою очередь, покрывается абсорбированной пленкой газа.

Законы роста окисных пленок для разных металлов различны.

Для металлов с плотными окислами закон роста окисной пленки при низких температурах оказывается ближе к логарифмическому.

В частности, это наблюдается у железа при температуре окисления до 3750С, у меди — до 1000С, у алюминия — до 2250С.

Быстрое уменьшение скорости роста этих пленок с течением времени обусловлено их защитным действием.

Такие пленки называются пассивирующими.

Все изложенное позволяет сделать вывод о наличии быстрого окисления плоскостных металлических контактов (различных металлических предметов), содержащихся в стрелковом оружии и взрывных устройствах, после повреждений окисных пленок.

Последнее возникает, например, из-за сухого трения между элементами контактирующих поверхностей (окисные пленки сдираются”) — при передергивании затвора пистолета, установки взрывных устройств на поверхность грунта.

Напряженность электрического поля, необходимая для пробоя окисной пленки, зависит от многих факторов: шероховатости контактирующих поверхностей, толщины пленки, химического состава пленки, частоты прикладываемого напряжения и др.

Анализ литературы, посвященной электрическим процессам в контактирующей системе “металл-окисел-металл” показывает, что в большинстве случаев пробивная напряженность электрического поля составляет 105…107 В/см.

Весьма важно, что длительность прикладываемого напряжения может быть весьма малой — единицы…десятки наносеукнд.

Соответственно и продолжительность воздействия электромагнитного поля, облучающего объект поиска, может быть такой малой.

При толщине окисной пленки единицы…десятки микрон ее пробой наступает при напряжении 10 В и более.

Необходимая импульсная мощность возбуждающего СВЧ-передатчика дециметрового диапазона, облучающего малоразмерный объект (lоб » 0,1…0,2 м), определяется формулой:

(1)

где Uпр — минимально необходимое напряжение пробоя окисной пленки плоскостного контакта.

Отсюда, например, при Uпр = 10 В, r = 5 м, l в = 0,3 м, lоб = 0,15 м, Gu = 10 мощность генератора (в импульсе) должна быть не менее 913,9 Вт. Для увеличения надежности электрического пробоя контактов (Uпр > 20…30 В) эта мощность должна составлять несколько кВт.

При длительности зондирующего радиоимпульса 100 нс и частоты следования 1000 Гц средняя мощность в передающей антенне составит незначительную величину — десятые доли Вт.

В выходном усилителе мощности могут быть использованы импульсные биполярные СВЧ-транзисторы, включенные по схеме сложения мощностей.

Обязательно использование невзаимного элемента (ферритового вентиля или циркулятора) между выходом СВЧ-усилителя мощности и антенной — так как СВЧ-транзисторы не выдерживают больших КСВ. Последнее может произойти, например, при поднесении передающей антенны к телу оператора или поверхности грунта.

Поисковая система, регистрирующая возбужденную” нелинейность металлических контактов объема поиска, технически может быть реализована несколькими способами.

Например, с использованием НРЛС при двухчастотном СВЧ-облучении с регистрацией комбинационных частот второго порядка или за счет реализации эффекта кросс-модуляции.

При этом необходимо, чтобы один из двух СВЧ-сигналов, облучающих объект, был по мощности значительно больше другого.

Выражение, позволяющее оценить дальность действия двухчастотной НРЛС в свободном пространстве, имеет вид:

(2)

где s нк(1) — нормированная нелинейная ЭПР металлического объекта поиска на комбинационной частоте.

Расчеты показывают, что при Рu1 = 103 Вт; Рu2 = 102 Вт, Gu1 = Gu2 = 10, s нк(1) = 10-11 м6/Вт2, Ап = 10-2 м2, Рпр(min) = 10-12 Вт дальность обнаружения малоразмерного металлического объекта (пистолета, мины) составит около 5 м.

При длительности зондирующих импульсов 10…100 нс, частоте следования 1000 Гц общая средняя мощность в передающих СВЧ-антеннах составит всего десятки мВт.

Основная трудность, возникающая при реализации эффекта кросс-модуляции, заключается в получении второго сигнала (меньшего по мощности) с “чистым” спектром, то есть без собственной амплитудной модуляции.

Эта мешающая шумовая модуляция появляется как в самом СВЧ-генераторе, так и при отражении зондирующего сигнала от неоднородностей естественного фона [13].

Для увеличения дальности обнаружения малоразмерных металлических объектов дополнительно могут быть также использованы резонансные явления.

Возможно также располагать более мощный СВЧ-передатчик вблизи исследуемого пространства (единицы метров), а второй СВЧ-передатчик и приемник — на значительном удалении (десятки метров).

Экспериментально установлено, что для металлических объектов с точечными прижимными контактами (макетов взрывных устройств) наблюдается исчезновение нелинейных свойств при плотности потока первичного СВЧ-поля более 10…30 Вт/м2.

Это можно объяснить выжиганием” точечных контактов — из-за высокой концентрации в них СВЧ-мощности. Для металлических объектов с плоскостными контактами (пистолетов ПМ) эффекта “выжигания не наблюдалось.

В большинстве случаев отраженный сигнал на комбинационной частоте увеличивался с ростом возбуждающего СВЧ-поля.

Рабочую гипотезу о возбуждении плазменного пробоя в плоскостных контактах подтверждают следующие наблюдаемые явления:

• наличие порогового значения Ппад, ниже которого нелинейные свойства у пистолетов пропадали;
• шумовая “окраска” отраженного сигнала, что характерно для СВЧ-диагностики плазмы.

Таким образом, экспериментальные исследования в дециметровом диапазоне волн подтвердили правильность выводов о целесообразности использования эффекта плазменного пробоя окисной пленки плоскостных контактов металл-металл для обнаружения малоразмерных “рукотворных” металлических объектов.

В процессе исследований было также выявлено, что сигнал, отраженный от пистолета, может быть соизмерим с сигналом, отраженным от связки ключей.

В связи с этим в дальнейшем целесообразно проведение дополнительных исследований, направленных на выявление характерных сигнатур (спектральных, поляризационных, резонансных и др.), присущих отдельным образцам оружия и других малоразмерных объектов, что способствовало бы селекции их на фоне других предметов.

Ожидаемые дальности обнаружения малоразмерных объектов, реализуемых при использовании переносного варианта параметрических локаторов, лежат в пределах от десятков сантиметров до десятков метров.

Первые цифры характерны при применении квазистанционарных возбуждающих НЧ-электромагнитных полей – для локации объектов в сильно поглощающих средах (влажном глинистом грунте, строительных конструкциях и др.).

Вторые цифры – при использовании направленных СВЧ- и лазерных возбуждающих полей в свободном пространстве – для локации, например. замаскированных пассивных оптико-электронных устройств (датчиков цели взрывных устройств, радиоуправляемых “видео-жучков” и др.).

Идея параметрической локации является логическим продолжением метода нелинейной радиолокации.

В обоих методах регистрируются спектральные различия принимаемых сигналов от неподвижных объектов.

Однако в отличие от нелинейной радиолокации, круг обнаруживаемых объектов в параметрической локации значительно шире.

Главным недостатком параметрической локации являются повышенные энергозатраты на создание возбуждающего поля.

Возможные области применения параметрической локации: защита информации, борьба с терроризмом, криминалистика, строительство, археология.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

• Толстой М.И. и др. Основы геофизических методов разведки. Киев, “Вища школа”, 1985.
• Мырова Л.О., Чепиженко А.З. Обеспечение стойкости аппаратуры связи к ионизирующим и электромагнитным излучениям. М., “Радио и связь”, 1984.
• Справочник по радиолокации. Редактор М. Сколник. М., “Советское радио”, 1978.
• Теоретические основы радиолокации. Под редакцией Дулевича В.Е. М., “Советское радио”, 1978.
• Бонд К.Д. и др. Взаимная модуляция при туннельном прохождении электронов через пленки алюминий – окисел алюминия. ТИИЭР, № 12, 1979.
• Князев А.Д. Элементы теории и практики обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств. М., “Радио и связь”, 1984.
• Малашин М.С. и др. Основы проектирования лазерных локационных систем. М., “высшая школа”, 1983.
• Глудкин О.П., Черняев В.Н. Технология испытания микроэлементов радиоэлектронной аппаратуры и интегральных микросхем. М., Энергия”, 1980.
• Штейншлегер В.Б. К теории рассеяния электромагнитных волн вибратором с нелинейным контактом. “Радиотехника и электроника”, 1978., №7.
• Charles L. Optiz. Man-portable and helicopter-borne METRRA systems. Microwaves”, auqust, 1976.
• Воробьев Г.А., Мухачев В.А, Пробой тонких диэлектрических пленок. М., “Советское радио”, 1977.
• Воробьев А.А., Воробьев Г.А. Электрический пробой и разрушение твердых диэлектриков. М., “Высшая школа”, 1966.
• Радиолокационные методы исследования Земли. Под редакцией Мельника Ю.А. М., “Советское радио”, 1980.