нелинейный радар для обнаружения исполнительных радиоэлектронных устройств управления взрывом

Формула изобретения

Нелинейный радар для обнаружения исполнительных радиоэлектронных устройств управления взрывом, содержащий опорный генератор, последовательно соединенные усилитель мощности, фильтр нижних частот и передающую антенну, а также последовательно соединенные приемную антенну, первый полосовой фильтр, и последовательно соединенные приемник и индикаторное устройство, отличающийся тем, что между опорным генератором и усилителем мощности введены последовательно соединенные делитель частоты и линейный частотно-модулирующий генератор, второй вход которого соединен с выходом опорного генератора, а между первым полосовым фильтром и приемником введены последовательно соединенные смеситель и второй полосовой фильтр, причем между выходом линейного частотно-модулирующего генератора и вторым входом смесителя введены последовательно соединенные усилитель-ограничитель и третий полосовой фильтр.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано при разработке нелинейных радаров для обнаружения исполнительных радиоэлектронных устройств управления взрывом.

Известны нелинейные радары [Зарубежная радиоэлектроника, 1994, стр.49-50, рис.23 и патент США №4053891, G 01 S 9/02, 1977 г.], которые содержат последовательно соединенные задающий генератор, усилитель мощности, фильтр нижних частот и передающую антенну, а также последовательно соединенные приемную антенну, полосовой фильтр, приемник и индикаторное устройство, при этом второй вход усилителя мощности через последовательно соединенные модулятор и синхронизатор подключен к второму входу приемника.

Применение данных нелинейных радаров для поиска исполнительных радиоэлектронных устройств управления взрывом может вызвать несанкционированное срабатывание взрывателя [Щербаков Г.Н. Средства обнаружения управляемых взрывных устройств. Специальная техника, 2000, №5, стр.38-42, см. стр.40].

Из известных нелинейных радаров наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является нелинейный радар [патент США №4053891, G 01 S 9/02, 1977 г.] содержащий синхронизатор, последовательно соединенные опорный генератор, усилитель мощности, фильтр нижних частот и передающую антенну, а также последовательно соединенные приемную антенну, полосовой фильтр, приемник и индикаторное устройство, при этом вторые входы усилителя мощности и приемника подключены к соответствующим выходам синхронизатора.

Недостатком этого нелинейного радара является высокая вероятность несанкционированного срабатывания исполнительных радиоэлектронных устройств управления взрывом при воздействии на них электромагнитного излучения на фиксированной частоте. Несанкционированное срабатывание возможно при прохождении сигнала, излучаемого нелинейным радаром, на выход приемника исполнительного устройства управления взрывом и достижении уровня, превышающего порог срабатывания взрывателя.

Техническим результатом изобретения является снижение вероятности несанкционированного срабатывания исполнительных радиоэлектронных устройств управления взрывом при их обнаружении за счет уменьшения спектральной плотности мощности облучающего сигнала путем модуляции его несущей частоты по линейному закону.

Указанный результат достигается за счет того, что в известный нелинейный радар для обнаружения исполнительных радиоэлектронных устройств управления взрывом, содержащий опорный генератор, последовательно соединенные усилитель мощности, фильтр нижних частот и передающую антенну, а также последовательно соединенные приемную антенну, первый полосовой фильтр и последовательно соединенные приемник и индикаторное устройство, между опорным генератором и усилителем мощности введены последовательно соединенные делитель частоты и линейный частотно-модулирующий генератор, второй вход которого соединен с выходом опорного генератора, а между первым полосовым фильтром и приемником введены последовательно соединенные смеситель и второй полосовой фильтр, причем между выходом линейного частотно-модулирующего генератора и вторым входом смесителя введены последовательно соединенные усилитель-ограничитель и третий полосовой фильтр.

Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку из общедоступных сведений не известно устройство, обеспечивающее существенное снижение вероятности несанкционированного срабатывания исполнительных радиоэлектронных устройств управления взрывом при их обнаружении за счет расширения спектра облучающего сигнала путем модуляции его несущей частоты по линейному закону. Расширение спектра облучающего сигнала уменьшает спектральную плотность мощности сигнала, а следовательно, и снижается вероятность срабатывания взрывателя (Р_СР).

Вероятность срабатывания (Р_СР) исполнительного радиоэлектронного устройства управления взрывом определяется из выражения:

где q² - отношение мощностей сигнал/шум на выходе приемника управления взрывом;

q²_о - пороговое значение отношения мощностей сигнал/шум.

Отношение мощностей сигнал/шум на выходе приемника (q²) находится из выражения [Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985. - 384 с., ил., с.6]:

где Е=Р_{С И} - энергия принятого сигнала;

P_C - мощность сигнала на выходе приемника;

N_Ш - спектральная плотность мощности шумов в полосе радиосигнала управления взрывом.

Мощность принятого сигнала на выходе исполнительного радиоэлектронного устройства управления взрывом (приемника) находится из выражения:

где - огибающая напряжения на выходе интегрирующего фильтра приемника;

- огибающая импульсной характеристики интегрирующего фильтра приемника;

, - переменные, характеризующие, например, изменение фазы в облучающем и принятом сигналах;

R( - ) - корреляционная функция сигнала.

Выражение для корреляционной функции сигнала может быть представлено в виде:

где ²_С - дисперсия сигнала, равная средней мощности;

- нормированная корреляционная функция;

- интервал корреляции случайного процесса [u(t)] на уровне ;

f - ширина спектра случайного процесса [u(t)].

В соответствии с [Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М., 1971 г., 720 стр., с илл., стр.531] нормированная корреляционная функция [r(t)]:

где G( ) - нормированный спектр случайного процесса, может быть найден из выражения (5):

Найдем среднюю мощность сигнала при условии, что на вход приемника управления взрывом поступает линейный частотно-модулированный (ЛЧМ) сигнал:

,

где _o - средняя круговая частота ЛЧМ сигнала;

- скорость перестройки частоты.

Положим, что девиация круговой частоты ( ) превышает полосу пропускания фильтра приемника управления взрывом ( _ф).

Тогда выражение (3) приведем к виду:

Используя (4) и (5), преобразуем (7) к виду:

Так как огибающая импульсной характеристики [H(t)] является медленно изменяющейся функцией по сравнению с экспоненциальным множителем, то для вычисления средней мощности сигнала на выходе приемника, определяемой в соответствии с выражением (8), используем принцип стационарной фазы [Кук Ч., Бернфельд М. Радиолокационные сигналы. Пер. с англ. /Под ред. В.С.Кельзона. - М., Изд-во "Сов. радио", 1971, стр.48-56]. Учитывая при этом, что точка стационарной фазы:

где _o, _o - точки стационарной фазы, выражение (8) может быть представлено в виде:

Найдем импульсную характеристику интегрирующего фильтра приемника [H(t)]:

где - частотная характеристика интегрирующего фильтра;

- полоса пропускания интегрирующего фильтра на уровне .

Приведем подынтегральное выражение (10) к виду exp{-t²}:

Подставляя в (9) выражения для [H(t)] и [G( )] из (11) и (6), получим:

Из (12) видно, что мощность сигнала [P_c(t)] на выходе интегрирующего фильтра зависит от времени. Поэтому выражение (12) усредним по времени на интервале [0, _И]:

Опуская промежуточные преобразования, получим:

где Ф() - интеграл Вероятности.

Подставляя (14) в (2), получим:

Из выражения (15) следует, что при фиксированной полосе пропускания интегрирующего фильтра ( F_ф) отношение мощностей сигнал/шум на выходе приемника управления взрывом (q²) обратно пропорционально величине скорости перестройки частоты ЛЧМ сигнала ( ).

Подставляя (15) в (1), получим выражение для вероятности срабатывания исполнительных радиоэлектронных устройств управления взрывом (Р_СР):

где = F/ _И;

F - частотная девиация;

_И - длительность импульса.

Из анализа зависимости, приведенной на фиг.1, следует, что для =0 и более 10 возможно срабатывание исполнительного радиоэлектронного устройства управления взрывом. Однако при увеличении скорости перестройки частоты входного сигнала ( ) до 10 МГц/с вероятность срабатывания исполнительного радиоэлектронного устройства управления взрывом (Р_СР) снижается до 0,1.

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого нелинейного радара.

На фиг.2 представлены: амплитудно-частотные спектры сигнала, излучаемого передающей антенной; спектры сигналов на входе приемной антенны, на выходах первого полосового фильтра и смесителя; амплитудно-частотные характеристики третьего и второго полосовых фильтров.

На фиг.3 показана зависимость вероятности срабатывания исполнительного радиоэлектронного устройства управления взрывом (Р_СР) от скорости перестройки частоты входного ЛЧМ сигнала ( ).

Нелинейный радар (фиг.2) содержит опорный генератор 1, делитель частоты 2, линейный частотно-модулирующий генератор 3, усилитель мощности 4, фильтр нижних частот 5, передающую антенну 6, усилитель-ограничитель 7, полосовые фильтры 8.1, 8.2 и 8.3, приемную антенну 9, индикаторное устройство 10, приемник 11 и смеситель 12.

Причем опорный генератор 1 через последовательно соединенные делитель частоты 2, линейный частотно-модулирующий генератор 3, второй вход которого подключен к выходу опорного генератора 1, усилитель мощности 4, фильтр нижних частот 5 подключен к передающей антенне 6, а приемная антенна 9 через последовательно соединенные первый полосовой фильтр 8.1, смеситель 12, второй полосовой фильтр 8.2, приемник 11 подключена к входу индикаторного устройства 10, при этом второй вход смесителя 12 через последовательно соединенные третий полосовой фильтр 8.3 и усилитель-ограничитель 7 подключен к выходу линейного частотно-модулирующего генератора 3.

Для реализации технического решения может быть использовано стандартное промышленное оборудование. Так, например, опорный генератор 1 представляет собой генератор импульсов с кварцевой стабилизацией, выполненный, например, на микросхеме серии К564ЛН2 [В.Н. Вениаминов, О.Н. Лебедев, А.И. Мирошниченко. Микросхемы и их применение: Справ. пособие. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1989 г. 240 с., стр.210, рис.7.10, д].

Делитель частоты 2 может быть выполнен, например, на микросхеме серии КМ155ИЕ8 [Перельман Б.Л., Шевелев В.И. Отечественные микросхемы и зарубежные аналоги. Справочник, "НТЦ Микротех", 2000 г. - 375 с.: ил., стр.129, 81].

ЛЧМ генератор 3 представляет собой, например, схему, состоящую из генератора с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ) [Проектирование радиолокационных приемных устройств: Учеб. пособие для радиотехнических специалистов вузов /А.П. Голубков, А.П. Лукошкин и др.: Под ред. М.А. Соколова. - М.: Высшая школа, 1984. - 335 с., ил., стр.176, рис.6.28] и цифрового синтезатора ЛЧМ сигнала [Кочемасов В.Н., Белов Л.А., Оконешников В.С. Формирование сигналов с линейной частотной модуляцией. - М.: Радио и связь, 1983. -192 с., ил., стр.55, рис.4.12]. ФАПЧ обеспечивает точную подстройку частоты генератора на частоту эталонного ЛЧМ сигнала, формируемого цифровым синтезатором и снижение уровня шумов в сигнале ЛЧМ генератора 3.

Фильтр нижних частот 5 и полосовые фильтры 8.1, 8.2 и 8.3 могут быть выполнены, например, по схеме трехзвенного полосового фильтра [Радиопередающие устройства. / М.В. Балакирев, Ю.С. Вохмяков, А.В. Журиков и др.; Под ред. О.А.Челнокова. - М.: Радио и связь, 1982. - 256 с., ил., стр.94, рис.4.12].

Усилитель-ограничитель 7 представляет собой двухсторонний ограничитель [Гальперин М.В. Практическая схемотехника в промышленной автоматике. - Энергоатомиздат, 1987. - 32 с., см. стр.131, рис.3.20, в, д] и может быть реализован, например, на быстродействующем операционном усилителе 1433УД1 [Перельман Б.Л., Шевелев В.И. Отечественные микросхемы и зарубежные аналоги. Справочник, "НТЦ Микротех", 2000 г. - 375 с.: ил., стр.182, 211].

Смеситель 12 представляет собой, например, диодный преобразователь частоты, выполненный по балансной схеме [М.С. Шумилин, В.Б. Козырев, В.А. Власов. Проектирование транзисторных каскадов передатчиков. Учебное пособие для техникумов. - М.: Радио и связь, 1987. - 320 с.: ил., стр.178, рис.2.77].

Заявляемый нелинейный радар (фиг.1) работает следующим образом.

В исходном состоянии опорный генератор 1 формирует высокостабильную последовательность тактовых импульсов. Эти импульсы поступают на входы делителя частоты 2 и на второй вход ЛЧМ генератора 3. Делитель частоты 2 формирует импульсы запуска ЛЧМ генератора 3. С выхода делителя частоты 2 импульсы запуска поступают на первый вход ЛЧМ генератора 3. Колебания с выхода ЛЧМ генератора 3 поступают на входы усилителя мощности 4 и усилителя-ограничителя 7.

ЛЧМ сигнал с выхода усилителя мощности 4 через фильтр нижних частот 5 поступает на вход передающей антенны 6. Амплитудно-частотный спектр ЛЧМ сигнала, излучаемого передающей антенной 6, показан на фиг.2,а, сплошная линия.

Фильтр нижних частот 5 предназначен для подавления в зондирующем сигнале высших гармоник.

ЛЧМ сигнал с выхода усилителя-ограничителя 7 поступает на вход полосового фильтра 8.3. Полосовой фильтр 8.3 настроен на вторую гармонику ЛЧМ сигнала. С выхода полосового фильтра 8.3 ЛЧМ сигнал гетеродина поступает на второй вход смесителя 12.

Поиск исполнительного радиоэлектронного устройства управления взрывом начинается с момента излучения передающей антенной 6 ЛЧМ сигнала:

где f_o - центральная частота облучающего сигнала;

t - текущее время.

При облучении объектов поиска, имеющих нелинейные электромагнитные характеристики, в отраженном сигнале появляются частотные составляющие, отсутствующие в спектре облучающего поля [Зарубежная радиоэлектроника, 1994, стр.49-50, см. стр.49, Щербаков Г.Н. Средства обнаружения управляемых взрывных устройств. Специальная техника, 2000, №5, стр.38-42, см. стр.40].

В сигнале, поступающем на вход приемной антенны, наряду с сигналом, отраженным от исполнительного радиоэлектронного устройства управления взрывом, появляется частотная составляющая с удвоенным значением девиации частоты, отсутствующая в спектре облучающего поля [Кузнецов А.С., Кутин Г.И. Методы исследования эффекта нелинейного рассеяния электромагнитных волн. Зарубежная радиоэлектроника, 1985, 4, стр. 41-53]:

,

где t_з - время задержки сигнала.

Амплитудно-частотный спектр сигнала, поступающего на вход приемной антенны, показан на фиг.2, б.

Полосовой фильтр 8.1 настроен на вторую гармонику, сформированную объектом поиска (см. фиг.2, в, пунктирная линия). С выхода полосового фильтра 8.1 вторая гармоника принятого ЛЧМ сигнала с удвоенным значением девиации частоты поступает на вход смесителя 12 (см. фиг.2, г).

В смесителе 12 вторая гармоника принятого ЛЧМ сигнала преобразовывается по частоте и свертывается по спектру. Амплитудно-частотный спектр свернутого сигнала показан на фиг. 2, д. Преобразованный на промежуточную частоту полезный сигнал будет иметь приращение частоты (F_R), принимающее значение [Виницкий А.С. Очерк основ радиолокации при непрерывном излучении радиоволн. - М.: Сов. радио, 1961]:

где R - дальность до исполнительного радиоэлектронного устройства;

С - скорость света.

Значение разностной частоты (F_R) прямо пропорционально дальности до объекта поиска.

Так, для значений девиации частоты второй гармоники F₂=2 F=500 МГц (девиация частоты облучающего сигнала F=250 МГц), периода следования ЛЧМ сигнала _И=0,01 и задержки полезного ЛЧМ сигнала t_з=100 10^-9 с (при удалении до объекта поиска R=15 м) приращение частоты F_R=20 кГц.

Разрешающая способность по дальности ( R) предлагаемого устройства находится из выражения:

Так, для значений девиации частоты второй гармоники F₂=500 МГц разрешающая способность по дальности ( R) составит 0,15 м.

С выхода смесителя 12 полезный сигнал поступает на вход полосового фильтра 8.2. Амплитудно-частотная характеристика полосового фильтра 8.2 приведена на фиг.2, е, пунктирная линия. Полезный сигнал с выхода полосового фильтра 8.2 поступает на вход приемника 11. Амплитудно-частотный спектр полезного сигнала на входе приемника 11 приведен на фиг.2, ж.

В приемнике 11 происходит усиление и преобразование полезного сигнала к виду, удобному для наблюдения на индикаторном устройстве 10.

Таким образом, использование ЛЧМ сигнала в нелинейном радаре при обнаружении исполнительных радиоэлектронных устройств управления взрывом существенно (до 0,1) снижает вероятность несанкционированного срабатывания взрывателей и тем самим обеспечивает безопасное проведение работ по разминированию.