Свойство электропроводящих материалов отражать радиоволны было положено в основу радиолокационного обнаружения. Этими свойствами в полной мере обладают электронные средства перехвата информации. Поскольку для опознавания объектов используются нелинейные свойства полупроводниковых схемных элементов, данный вид локации назвали нелинейной, а приборы - нелинейными локаторами.
Существенным отличием нелинейной локации от классического наблюдения (обнаружения) объектов с активным ответом является прямое преобразование падающей на объект энергии зондирующего сигнала в энергию высших гармоник. В связи с этим мощь радиолокационного наблюдения (обнаружения) в условиях нелинейной локации можно классифицировать как наблюдение с полуактивным ответом, что связано с отсутствием потребления энергии объектом от специального источника питания.
Нелинейным объектом называется объект, обладающий нелинейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ). К ним относятся диоды, транзисторы, микросхемы, контакты металл-окисел-мета (МОМ-диод). К простейшему нестабильному МОМ-диоду относится и классическая двуокись железа - ржавчина.
Как известно, ВАХ любого нелинейного элемента разлагается в ряд Тейлора в виде аппроксимирующего степенного полинома. Тогда выходной ток при воздействии гармонического входного сигнала будет иметь вид:
(13.1)
где es(t) - входной сигнал на нелинейном элементе.
Из (13.1) следует, нелинейность ВАХ приводит к появлению в выходном сигнале за счет детектирования постоянной составляющей е0 основной гармоники с амплитудой, умноженной на коэффициент α и высших гармоник основной частоты, амплтуды которых пропорциональны соответствующим коэффициентам.
Пусть входной сигнал представляет собой гармоническое колебание вида:
es(t) = A0 cos ωt, (13.2)
где A0 - амплитуда сигнала, ω = 2πf - круговая частота сигнала| рад/с, f -частота сигнала, Гц.
Подставляя (13.2) в (13.1) и проводя тригонометрические преобразования над степенными функциями cos ωt, получим отклик нелинейного элемента в виде:
(13.3)
Из (13.3) следует, что в сигнале отклика присутствуют гармонические составляющие, среди которых наиболее существенными являются вторая и третья гармоники.
В состав нелинейного локатора (НЛ) входят: передатчик, приемник, приемо-передающая антенная система, устройства индикации. Внешний вид нелинейных локаторов представлен на Рисунке 13.1
Рисунок 13.1 - Внешний вид нелинейных локаторов
Процесс наблюдения с помощью НЛ представлен на Рисунке 13.2.
Рисунок 13.2 - Модель процесса поиска с помощью НЛ
Запишем уравнение локационного наблюдения для нелинейной локации.
Из уравнения следует, что мощность на гармониках, излучаемая объектом и, следовательно, эффективность обнаружения растет при увеличении мощности излучения локатора Pизл , снижении частоты его излучения f, и номера гармоники N. Кроме того, чем ниже частота излучения локатора, тем меньшие значения имеют коэффициент затухания, что также ведёт к увеличению мощности сигнала от объекта.
Помехами для нелинейного локатора могут быть отражения от соприкасающихся металлических поверхностей. При контакте таких слоев возникает полупроводниковый нелинейный элемент с неустойчивым «р-п» переходом. В физике полупроводников такое образование известно как металл-окисел-металл, а возникающий элемент называется МОМ-диод. МОМ-структура преобразовывает спектр зондирующего сигнала в частотный спектр, отличающийся от спектра сигнала, отраженного от электронного элемента. Различие обусловлено временной и механической нестабильностью МОМ-структуры и проявляется в соотношении уровней компонентов спектра, являющихся продуктами нелинейных преобразований второго и третьего порядка. Источником помех могут служить и радиопередатчики, работающие на частотах, близких или кратных частоте зондирующего сигнала.
Главное достоинство нелинейных локаторов - способность обнаруживать электронные схемы как во включенном, так и выключенном состоянии, недостаток - сравнительно большое число «ложных» обнаружений естественных нелинейных отражателей типа МОМ.
Основными параметрами, используемыми при сравнении эксплуатационных качеств нелинейных локаторов, являются: режим работы, мощность и частота зондирующего излучения передатчика, чувствительность приемника, направленные свойства антенной системы, точность устройств индикации, а также сервисные возможности приборов.
В зависимости от режима работы передатчика различают нелинейные локаторы непрерывного и импульсного излучения. Мощность излучения в значительной степени определяет коэффициент преобразования («Кп») энергии зондирующего сигнала в энергию высших гармоник. Повышение мощности улучшает характеристики нелинейных локаторов, но одновременно приводит к увеличению опасного воздействия на оператора. Средняя мощность локаторов непрерывного излучения составляет от 0,3 до 3 Вт. Пиковая мощность импульсных нелинейных локаторов при сравнимой или меньшей средней составляет от 150 до 400 Вт, т.е. почти на 30 дБ . превышает мощность приборов непрерывного излучения.
Так как эффективность преобразования определяется не средней мощностью излучения, а ее пиковым значением, дальность действия локаторов, работающих в импульсном режиме, оказывается выше, чем у приборов с непрерывным излучением при прочих равных условиях.
Чем выше частота излучения, тем меньше геометрические размеры антенной системы, тем удобнее работа с прибором. Но с увеличением частоты по экспоненциальному закону растет доля энергии, поглощаемой материальной средой, укрывающей средство съема. Вместе с тем при приближении частоты излучения НЛ к рабочей частоте закладки из-за околорезонансных явлений возрастает уровень переотраженных сигналов и, следовательно, вероятность ее обнаружения. Приборы, предлагаемые в настоящее время, работают в частотном диапазоне 680...1000 МГц. Чувствительностью приемника определяется максимальная дальность действия НЛ. Для современных приборов этот показатель составляет от -110 до -145 дБ.
Передающие устройства локаторов, генерирующие зондирующий сигнал, характеризуются:
a) режимом работы (непрерывным или импульсным);
b) пределами регулирования выходной мощности (дБ);
c) частотой непрерывного излучения;
d) частотой следования и длительностью радиоимпульса (мкс).
e) Качество приемного устройства, регистрирующего переизлученные сигналы, отражается следующими показателями:
f) частотами настройки (МГц) на регистрируемые гармоники (2 и 3);
g) реальной чувствительностью при определенном соотношении с/ш (дБ-Вт);
h) пределами регулирования чувствительности (дБ).
i) Основными параметрами антенной системы, излучающей зондирующие сигналы и принимающей переотраженные излучения на частотах высших гармоник, являются:
j) коэффициент направленного действия (КНД);
k) ширина главного лепестка диаграммы направленности по
уровню половинной мощности (град);
l) уровень подавления задних лепестков диаграммы направленности (дБ);
m) коэффициент эллиптичности (для антенн с круговой поляризацией).
Эксплуатационные показатели локаторов определяются во многом качеством устройств индикации режимов работы и параметров сигналов. Большинство современных нелинейных локаторов оборудованы многосегментными светодиодными индикаторами и звуковыми сигнализаторами переменного тона.
Для повышения точности идентификации объекта в нелинейных локаторах предусматриваются режимы приема на частотах 2 и 3 гармоник зондирующего излучения, а также прослушивания сигналов, транслируемых средствами съема за пределы обследуемого помещения.