Спосіб виявлення та розпізнавання нелінійних розсіювачів як випадкових генераторів хаотичних коливань

Реферат: Спосіб виявлення та розпізнавання нелінійних розсіювачів як випадкових генераторів хаотичних коливань включає випромінювання зондуючого сигналу в напрямку на нелінійний розсіювач, приймання та реєстрацію сигналу відгуку. У вигляді сигналу відгуку використовують хаотичний сигнал вторинного електромагнітного поля і розпізнають тип нелінійності за ступенем хаотичності сигналу. Для цього додатково в приймачі реєструють ймовірність кореляційної залежності ступеня хаотичності сигналу відгуку від рівня потужності зондуючого сигналу. UA 71285 U (12) UA 71285 U UA 71285 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до області радіолокації, зокрема до області нелінійної радіолокаційної техніки, і може використовуватися для пошуку, виявлення та розпізнавання об'єктів з нелінійними електричними властивостями (нелінійних розсіювачів). Відомий спосіб виявлення нелінійного розсіювача із застосуванням імпульсного нелінійного локатора, що здійснює зондування нелінійного розсіювача імпульсним високочастотним сигналом і приймання відгуку на другій або третій гармоніці зондуючого сигналу [1]. Імпульсний нелінійний локатор містить у своєму складі послідовно з'єднані імпульсний задавальний генератор, що формує високочастотний зондуючий сигнал, приймально-передавальну антену, а також підключений до останньої приймач, настроєний на другу або третю гармоніку зондуючого сигналу. Принцип дії нелінійного локатора заснований на тому, що при опроміненні об'єктів, що містять нелінійні елементи (перехід "метал-окисел-метал", р-n перехід та ін.), відбувається відбиття на вищих кратних гармоніках зондуючого сигналу. Коефіцієнт перетворення енергії зондуючого сигналу в енергію вищих гармонік дуже малий, що відносить нелінійні локатори до систем близької дії. Основними недоліками імпульсного нелінійного локатора є невелика дальність дії та неможливість розпізнавання типу нелінійного розсіювача. Найбільш близьким за досягнутим результатом до заявленого способу виявлення та розпізнавання нелінійних розсіювачів як випадкових генераторів хаотичних коливань є спосіб виявлення із застосуванням нелінійного локатора, що здійснює приймання сигналу відгуку по двох каналах на другій та третій гармоніках вторинного електромагнітного поля і розпізнаванні типу нелінійного розсіювача за співвідношенням амплітуд вихідних сигналів в каналах [2]. В способі з застосуванням двоканального нелінійного локатора в процесі радіолокаційного зондування нелінійного розсіювача додатково модулюють амплітуду зондуючого сигналу за пилкоподібним законом, а на виході приймача реєструють залежність амплітуди сигналу відгуку від амплітуди зондуючого сигналу та по її виду здійснюють оцінку правильного розпізнавання типу нелінійності за двома гармоніками. До таких локаторів належать, наприклад, нелінійний локатор NR-900 [2]. Практика експлуатації даного нелінійного локатора показує, що в ряді випадків при виявленні нелінійності типу "метал-окисел-метал" (МОМ-структура) рівень третьої гармоніки сигналу відгуку перевищує рівень сигналу відгуку на другій гармоніці частоти зондуючого сигналу, а при виявленні об'єкта зі стійким р-n переходом (транзистор, діод і т. п.) рівень другої гармоніки перевищує рівень третьої гармоніки. Однак ця ознака розпізнавання є нестійкою, оскільки величини прийнятих на гармоніках сигналів залежать не тільки від властивостей нелінійного елемента, але й від форми діаграм зворотного розсіювання об'єкта та елементів середовища. Ці форми на різних гармоніках можуть відрізнятися між собою. Тому основним недоліком цього способу є велика кількість помилкових спрацьовувань і, як наслідок, низька ймовірність розпізнавання типу нелінійного розсіювача. В заявлений спосіб виявлення та розпізнавання нелінійних розсіювачів як випадкових генераторів хаотичних коливань поставлена задача використання додаткових демаскуючих властивостей нелінійних розсіювачів, які дають можливість представлення досліджуваного об'єкта (штучного нелінійного розсіювача) як випадкового генератора хаотичних коливань, що забезпечить підвищення ефективності та ймовірності виявлення і правильного розпізнавання типу нелінійного розсіювача. Поставлена задача вирішується тим, що в способі виявлення та розпізнавання нелінійних розсіювачів як випадкових генераторів хаотичних коливань, що включає випромінювання зондуючого сигналу в напрямку на нелінійний розсіювач, приймання та реєстрацію сигналу відгуку, згідно з корисною моделлю, новим є те, що у вигляді сигналу відгуку використовують хаотичний сигнал вторинного електромагнітного поля і розпізнають тип нелінійності за ступенем хаотичності сигналу, для чого, при модуляції амплітуди зондуючого сигналу за пилкоподібним законом чи будь-яким іншим, додатково в приймачі реєструють ймовірність кореляційної залежності ступеня хаотичності сигналу відгуку від рівня потужності зондуючого сигналу, аналізують ймовірності існування кореляційної залежності зміни ступеня хаотичності досліджуваного сигналу відгуку від рівня потужності зондуючого сигналу при різних видах його модуляції. Суть корисної моделі пояснюється ілюстративним матеріалом, де зображені: на фіг. 1 - структурна схема нелінійного локатора, що базується на способі виявлення та розпізнаванні нелінійних розсіювачів як випадкових генераторів хаотичних коливань; на фіг. 2 - вольт-амперна характеристика (ВАХ) кремнієвих р-n переходів для різних значень потужності зондуючого сигналу; 1 UA 71285 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 на фіг. 3 - еквівалентна схема штучного нелінійного розсіювача на кремнієвому p-n переході при дії відносно потужного зондуючого сигналу з врахуванням можливих "паразитних" елементів; на фіг. 4 - фазовий портрет коливань на фоні N-подібної ВАХ кремнієвого діода при дії відносно потужного зондуючого сигналу нелінійного локатора; на фіг. 5 - еквівалентна схема генератора хаотичних коливань на базі р-n переходу з негативним диференціальним опором. Заявлений спосіб реалізують наступним чином. Середовище, де потенційно знаходиться штучний нелінійний розсіювач, опромінюється відносно потужним (до 1 Вт) моногармонічним НВЧ зондуючим сигналом, причому амплітуда останнього змінюється, наприклад, за пилкоподібним законом (варіювання потужності). У випадку існування нелінійного розсіювача, який у своєму складі містить напівпровідникові елементи (діоди, біполярні транзистори тощо), маємо додаткове перевипромінювання кратних гармонік та хаотичного сигналу. Ступінь хаотичності сигналу буде змінюватися кореляційно зміні амплітуди зондуючого сигналу. Прийом в широкій смузі частот хаотичного сигналу дозволяє визначати в режимі реального часу його ступінь хаотичності. Якщо відповідно до ймовірнісних критеріїв з ймовірністю більше 99,5 % існує кореляційна залежність зміни ступеня хаотичності досліджуваного сигналу від виду модуляції зондуючого сигналу, то з ймовірністю 95 % можна стверджувати, що в просторі, який опромінюється зондуючим сигналом, міститься нелінійний розсіювач штучного походження. Як показано на фіг. 1, найпростіший нелінійний локатор, що базується на способі виявлення та розпізнаванні нелінійних розсіювачів як випадкових генераторів хаотичних коливань, працює наступним чином. Моногармонічний зондуючий НВЧ сигнал генерує високостабільний генератор 1, генерований сигнал відфільтровується від можливих паразитних гармонік в першому смуговому фільтрі 2, після чого виконується його підсилення підсилювачем потужності 3, коефіцієнт підсилення якого змінюється за пилкоподібним законом завдяки опорному генератору пилкоподібного сигналу 4, далі модульований по амплітуді сигнал остаточно відфільтровується від можливих паразитних гармонік в другому смуговому фільтрі 5 та подається через подільник потужності 6 на випромінюючу вузьконаправлену антену 7. Таким чином, нелінійний розсіювач 8, який у своєму складі містить напівпровідникові елементи (діоди, біполярні транзистори тощо), опромінюється зондуючим сигналом S(t), після чого перевипромінює цей сигнал з кратними йому гармоніками (H(t )  R1  S(t )  R2  2  S(t )  R3  3  S(t )  ...  Rn  n  S(t ) , де Rn - коефіцієнт пропорційності для n-ї гармоніки, n - деяке дійсне число) та хаотичний сигнал (X(t)). Хаотичний сигнал приймається приймальною широкосмуговою антеною 9, після чого додатково відфільтровується в третьому смуговому фільтрі 10 та подається на K-тестер 11 (опис пристрою див. нижче), на виході якого з'являється сигнал, величина амплітуди якого пропорційна ступеню хаотичності прийнятого хаотичного сигналу. Отриманий сигнал підсилюється підсилювачем 12 та подається на четвертий смуговий фільтр 13, після чого надходить до блока аналізу (аналізатор) 14, до якого також приходить опорний сигнал від подільника потужності 6 (зворотний зв'язок). В блоці аналізу (аналізаторі) 14 виконується встановлення кореляційної залежності зміни ступеня хаотичності досліджуваного сигналу від зміни величини амплітуди зондуючого сигналу. Далі блок аналізу (аналізатор) 14 генерує цифровий сигнал, який надходить на дисплей (індикатор) 15. Відповідно до прийнятого цифрового коду дисплей (індикатор) 15 виводить інформацію щодо ймовірності кореляційної залежності зміни ступеня хаотичності досліджуваного сигналу від зміни величини амплітуди зондуючого сигналу та поради стосовно подальших дій. К-тестер 11 дозволяє здійснити визначення ступеня хаотичності демаскуючого сигналу за допомогою ідентифікаційного параметра - коефіцієнта варіабельності K1. Під яким будемо розуміти відношення середнього модуля приросту сигналу до середнього модуля сигналу X(t) X( t ) . Даний коефіцієнт представляє за відомими дискретними відліками: K1  X( t ) відношення середнього модуля приросту сигналу до середнього модуля сигналу за відомими відліками. Значення K 1 , що дорівнює 1, розділяє сигнали на два класи: перший з них, коли K 1 менше одиниці та більше чи дорівнює 0, утворюють періодичні сигнали, а другий, коли K 1 більше чи дорівнює 1 - випадкові (переважно хаотичні) сигнали. Таким чином, можна виявляти нелінійні розсіювачі під час зондування як випадкові генератори хаотичних коливань. Також при ідентифікації нелінійних розсіювачів для більш якісної оцінки доречним є використання коефіцієнта варіабельності другого порядку, який характеризує розподіл відліків приросту сигналу за часом: K 2  d2 X( t ) d(dX( t )) . 2 UA 71285 U 5 10 15 20 25 30 На практиці вихідний безперервний у часі сигнал X(t) представляється в К-тестері 11 після аналого-цифрового перетворення у вигляді дискретної вибіркової реалізації обсягу N і записується у файловому форматі в пам'ять мікроконтролера. Операції диференціювання, визначення модуля, усереднення та обчислення ідентифікаційних параметрів K 1 і K 2 реалізуються на програмному рівні. У логічному аналізаторі (ЛА) реалізований алгоритм класифікації. У структурній схемі ЛА представляє звичайну реляційну базу даних (БД), записами якої є імена файлів вибіркових реалізацій сигналів, а полями - імена ідентифікаційних параметрів ( K 1 , K 2 ) відносно значень яких і здійснюється визначення ступеня хаотичності прийнятого сигналу. Можливість практичної реалізації запропонованого способу виявлення та розпізнавання нелінійних розсіювачів як випадкових генераторів хаотичних коливань пояснюється наступним. Відомо, що залежність коефіцієнта перетворення сигналу нелінійним розсіювачем від потужності в першому наближенні (до 80 %) повторює структуру його вольт-амперної характеристики. Різні типи нелінійних елементів відрізняються один від одного видом ВАХ та її здатністю до спотворення під час зондування засобами нелінійної радіолокації. Так, наприклад, вольт-амперні характеристики об'єктів "метал-діелектрик-метал" ("метал-окисел-метал") і напівпровідникових діодів суттєво відрізняються один від одного за формою. Наявність цієї стійкої ознаки забезпечує можливість розпізнавання типу нелінійного розсіювача за рівнями двох гармонік. Дана ознака не завжди є надійною, тому доцільним є використання знання про схильність ВАХ напівпровідникових структур до спотворення при зондуванні засобами нелінійної радіолокації - ідентифікація нелінійних розсіювачів за другорядними (додатковими) ознаками. На фіг. 2. показані експериментальні (1-4) і теоретичні (1’-4’) ВАХ кремнієвих р-n переходів для різних значень потужності зондуючого сигналу, мВт: 1, 1’-0; 2, 2’-150; 3, 3’-350; 4, 4’-500 (дані спотворення притаманні для широкого діапазону частот зондуючого сигналу - від 300 до 1300 МГц). На фіг. 3 представлена еквівалентна схема типового нелінійного розсіювача з врахуванням властивих внутрішніх другорядних ефектів у напівпровідникових структурах. Завдяки характерним паразитним негативним зворотним зв'язкам нелінійний розсіювач при зондуванні засобами нелінійної радіолокації представляє випадковий генератор штучного походження. На фіг. 3. повний опір частини нелінійного розсіювача, яка перебуває в слабкому полі Z1  R1  iX1  R0 2 2 1  2C0R0  i 2 C0R0 2 2 1  2C0R0 , де активний опір і ємність області слабкого поля визначаються за формулами: R0  35 d  dd  S ; C0  0 , en00S d  dd де dd - довжина домену сильного поля (теорія домену застосовна для кремнієвого р-n переходу у випадку дії відносно потужного зондуючого сигналу); d - ширина області об'ємного заряду; e - заряд електрона; - рухливість електронів у слабкому полі, S - площа поперечного перерізу активної 0 області,  0 - діелектрична постійна,  - відносна діелектрична проникність напівпровідника. Повний опір домену сильного поля 40 Z2  R2  iX2  Rd 1  2C2R2 d d  i CdR2 d 1  2C2R2 d d , де активний опір і ємність області сильного поля визначаються за формулами: Rd  d  dd S ; Cd   0  , en00S dd В еквівалентну схему нелінійного розсіювача при впливі відносно потужного зондуючого сигналу входять також паразитні параметри: ємність Cc та індуктивність L c антенних структур, 45 а також опір Rc контактних площин. Повна провідність нелінійного розсіювача, згідно з еквівалентною схемою на фіг. 3, визначається наступним виразом YD  GD  iBD  iCc  50 1 .(1) RC  iLc  Z1  Z2 Завдяки виразу (1) можна отримати фазову площину (фіг. 4), яка визначає стан (фазу) системи. Згідно з фіг. 4 коливання системи є квазігармонічними, що підтверджує значимість 3 UA 71285 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 впливу наявних паразитних елементів з інерційними властивостями в типовій еквівалентній схемі нелінійного розсіювача. Більш детальна еквівалентна схема типового нелінійного розсіювача при зондуванні засобами нелінійної радіолокації представлена на фіг. 5. На даній фігурі YD відповідає параметрам схеми на фіг. 3, а інші елементи виконують корекцію з метою наближення запропонованої моделі до реальних випадкових генераторів у момент зондування. Згідно з фіг. 5, в реальних нелінійних розсіювачах наявність елементів з інерційними властивостями призводять до генерації не тільки квазігармонічних, а також так званих хаотичних коливань. Відомо, що траєкторії хаотичних систем надзвичайно чутливі до початкових умов. Джерела хаосу можуть характеризуватися ступенем хаотичності, який визначається параметрами системи та має кореляційну від них залежність (при зміні параметрів системи спостерігається кореляційна зміна ступеня хаотичності генерованого хаотичного сигналу). Причому, якщо кількість істотних параметрів у системі зростає, то це, як правило, призводить до зростання величини ступеня хаотичності генерованого хаотичного сигналу. Приклад. Для перевірки працездатності заявленої корисної моделі у лабораторії НДЦ "ТЕЗІС" при Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" зібрано макет пристрою, що реалізує заявлений спосіб виявлення та розпізнавання нелінійних розсіювачів як випадкових генераторів хаотичних коливань. Як джерело зондуючого сигналу використовувався генератор стандартних сигналів типу Г476А з регульованим рівнем виходу за потужністю, до якого послідовно підімкнений підсилювач потужності (власної розробки, максимальна потужність до 2 Вт на виході). Зондуючий сигнал випромінювався на частоті 450 МГц. Як передавальна антена використовувалася вузьконаправлена логарифмічна антена, діаграма направленості (ДН) якої подібна до ДН антени ДР-3 з комплекту селективного мікровольтметра SMV-8.5. Як аналізуючий приймальний пристрій в експерименті використовувався калібрований аналізатор спектра Anritsu Spectrum Master MS2711 D, до якого була підключена логарифмічно-періодична антена ETS 3146, причому паразитні впливи (перевідбиття зондуючого сигналу, наведення від інших джерел тощо) на приймальну антену аналізатора спектра були максимально мінімізовані для одержання зважених даних. Виявлений спектр хаотичного сигналу подавався на K-тестер (власної розробки) - пристрій, що визначає ступінь хаотичності за коефіцієнтами варіабельності, в якому сигнал після аналого-цифрового перетворення у вигляді дискретної вибіркової реалізації обсягу N записувався у файловому форматі в пам'ять комп'ютера. Операції диференціювання, визначення модуля, усереднення та обчислення ідентифікаційних параметрів реалізувалися на програмному рівні. У логічному аналізаторі був реалізований відповідний алгоритм визначення ступеня хаотичності, причому його структурна схема представляла зіставлення експериментально отриманих значень коефіцієнтів з відповідними значеннями, в реляційній базі даних (у комірках БД (на перетині рядків і стовпців) записані чисельні оцінки ідентифікаційних параметрів, відносно яких і виконувалося визначення ступеня хаотичності). Приймання сигналу відгуку здійснювалося від нелінійного розсіювача, за який використовувалися різні типи діодів, біполярних транзисторів та еквіваленти МОМ-структур, навантажених на відповідні антенні структури. Зміна рівня амплітуди вихідного сигналу генератора проводилася за допомогою атенюатора в динамічному діапазоні 90 дБ з кроком 3 дБ. Нелінійний розсіювач розміщувався на відстані 50 см від передавальної та приймальної антен установки, що відповідає реаліям використання типових нелінійних локаторів. Аналіз отриманих експериментальних результатів показав, що кореляційна залежність ступеня хаотичності сигналу відгуку від амплітуди зондуючого сигналу притаманна лише для штучних нелінійних розсіювачів, що містять у своєму складі напівпровідникові структури (кремнієві діоди, біполярні транзистори тощо), що підтверджує можливість реалізації заявленого способу. Таким чином, за рахунок використання суттєво іншого принципу виявлення й ідентифікації нелінійних розсіювачів у заявленій корисній моделі досягається зменшення кількості помилкових спрацьовувань і, як наслідок, підвищення ймовірності правильного розпізнавання типу нелінійного розсіювача (штучного на фоні завадового) в порівнянні зі способом розпізнавання за співвідношенням амплітуд другої та третьої гармонік сигналу відгуку. Джерела інформації: 1. Вернигоров Н.С. Нелинейный локатор - принцип действия и основные особенности // Безопасность от А до Я. - 1997. - № 3. - С. 8-9. 4 UA 71285 U 2. Мусабеков П.М., Панычев С.Н. Нелинейная радиолокация: методы, техника и области применения // Зарубежн. радиоэлектроника. Успехи соврем, радиоэлектроники. - 2000. - № 5. С. 59. 5 10 15 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб виявлення та розпізнавання нелінійних розсіювачів як випадкових генераторів хаотичних коливань, що включає випромінювання зондуючого сигналу в напрямку на нелінійний розсіювач, приймання та реєстрацію сигналу відгуку, який відрізняється тим, що у вигляді сигналу відгуку використовують хаотичний сигнал вторинного електромагнітного поля і розпізнають тип нелінійності за ступенем хаотичності сигналу, для чого, при модуляції амплітуди зондуючого сигналу за пилкоподібним законом чи будь-яким іншим, додатково в приймачі реєструють ймовірність кореляційної залежності ступеня хаотичності сигналу відгуку від рівня потужності зондуючого сигналу, аналізують ймовірності існування кореляційної залежності зміни ступеня хаотичності досліджуваного сигналу відгуку від рівня потужності зондуючого сигналу при різних видах його модуляції. Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5