Спосіб селекції нелінійних розсіювачів за рівнем однієї гармоніки перевипромінюваного сигналу

Реферат: Спосіб селекції нелінійних розсіювачів за рівнем однієї гармоніки перевипромінюваного сигналу включає опромінювання нелінійного розсіювача зондуючим сигналом, приймання та реєстрацію кратної гармоніки як сигналу відгуку. Для селекції нелінійних розсіювачів використовують ефект петльової функціональної залежності рівня (амплітуди) другої гармоніки розсіяного сигналу від рівня потужності зондуючого сигналу. UA 71286 U (12) UA 71286 U UA 71286 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 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, приймальнопередавальну 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 селекції нелінійних розсіювачів за рівнем однієї гармоніки перевипромінюваного сигналу 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 належить, 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 заявленому способі селекції нелінійних розсіювачів за рівнем однієї гармоніки перевипромінюваного сигналу поставлена задача використання додаткових демаскуючих властивостей нелінійних розсіювачів штучного походження, які створюють ефект петльової функціональної залежності рівня (амплітуди) другої гармоніки розсіяного сигналу від рівня потужності зондуючого сигналу, за допомогою якого можливо суттєво підвищити ефективності та ймовірності виявлення і правильного розпізнавання типу нелінійного розсіювача. Поставлена задача вирішується тим, що в способі селекції нелінійних розсіювачів за рівнем однієї гармоніки перевипромінюваного сигналу, що включає опромінювання нелінійного розсіювача зондуючим сигналом, приймання та реєстрацію кратної гармоніки в якості сигналу відгуку, згідно з корисною моделлю, новим є те, що при модуляції амплітуди зондуючого сигналу за пилкоподібним законом чи будь-яким іншим, для селекції нелінійних розсіювачів використовують ефект петльової функціональної залежності рівня (амплітуди) другої гармоніки розсіяного сигналу від рівня потужності зондуючого сигналу та додатково аналізують ймовірність існування та вираженість ефекту петльової функціональної залежності рівня (амплітуди) другої гармоніки розсіяного сигналу 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 селекції нелінійних розсіювачів за рівнем однієї гармоніки перевипромінюваного сигналу; на фіг. 2 - вольт-амперна характеристика (ВАХ) кремнієвих р-n переходів для різних значень потужності зондуючого сигналу; на фіг. 3 - еквівалентна схема штучного нелінійного розсіювача на кремнієвому р-n переході при дії відносно потужного зондуючого сигналу з врахуванням можливих "паразитних" елементів; 1 UA 71286 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 на фіг. 4 - фазовий портрет коливань на фоні N-подібної ВАХ кремнієвого діода при дії відносно потужного зондуючого сигналу нелінійного локатора; на фіг. 5 - функціональна залежність рівня (амплітуди) другої гармоніки розсіяного сигналу від рівня потужності зондуючого сигналу. 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. Як сигнал відгуку приймається друга гармоніка, рівень якої є функціонально залежним від рівня потужності зондуючого сигналу. Якщо функціональна залежність рівня (амплітуди) другої гармоніки розсіяного сигналу від рівня потужності зондуючого сигналу має область петлеутворення - аналог функціональної залежності при ефекті гістерезису в дослідженні намагнічуваності матеріалів з магнітними властивостями, 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 селекції нелінійних розсіювачів за рівнем однієї гармоніки перевипромінюваного сигналу, 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). Друга перевипромінювана гармоніка приймається приймальною вузькосмуговою антеною 9, після чого додатково відфільтровується в третьому смуговому фільтрі 10 та подається на підсилювач 11, який має подільник на два рівноцінні за коефіцієнтом підсилення виходи. Перший вихід підсилювача навантажений на лінію затримки 12, час затримки якої визначається (за допомогою зворотного зв'язку) тривалістю фронту зростання (спадання) пилкоподібного сигналу (тривалість фронту зростання дорівнює тривалості фронту спадання в пилкоподібному сигналі). Другий вихід підсилювача навантажений на інвертор 13. Причому в лінії затримки 12 врахована затримка в інверторі 13. Сигнали з лінії затримки 12 та інвертора 13 подаються на суматор 14, де вони підсумовуються, після чого остаточно сформований інформаційний сигнал подається до аналізатора 15. У випадку, коли функціональна залежність рівня (амплітуди) другої гармоніки розсіяного сигналу від рівня потужності зондуючого сигналу має область з петлеутворенням, то до аналізатора 15 надходить сигнал, рівень якого більший гранично допустимого (для останнього з ймовірністю 95 % справедливе існування з відповідною вираженістю петлі у досліджуваній функціональній залежності). Якщо функціональна залежність рівня (амплітуди) другої гармоніки розсіяного сигналу від рівня потужності зондуючого сигналу не має області петлеутворення, то до аналізатора 15 надходить сигнал, максимальний рівень якого менший гранично допустимого, що пов'язано з взаємною компенсацією в суматорі 14 сигналів від лінії затримки 12 та інвертора 13. Таким чином, аналізатор 15 у випадку надходження до нього інформаційного сигналу, визначає його рівень (амплітуду) та порівнює його з гранично допустимим, потім, відповідно до результату порівняння, генерує цифровий сигнал, який надходить на дисплей (індикатор) 16. Відповідно до прийнятого цифрового коду дисплей (індикатор) 16 виводить інформацію щодо ймовірності існування з відповідною вираженістю петлі у досліджуваній функціональній залежності рівня (амплітуди) другої гармоніки розсіяного сигналу від рівня потужності зондуючого сигналу та поради стосовно подальших дій. Можливість практичної реалізації запропонованого способу селекції нелінійних розсіювачів за рівнем однієї гармоніки перевипромінюваного сигналу 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 2 UA 71286 U 5 10 15 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 зворотнім 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  20 25 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;  0 - рухливість електронів у слабкому полі, S - площа поперечного перерізу активної області,  0 - діелектрична постійна,  - відносна діелектрична проникність напівпровідника. Повний опір домену сильного поля 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  30 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, 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  35 40 45 50 1 RC  iLC  Z1  Z 2 . (1) 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 впливу наявних паразитних елементів з інерційними властивостями в типовій еквівалентній схемі нелінійного розсіювача. Збудження квазігармонічних коливань відбувається при певних значеннях потужності ЗБ ЗБ зондуючого сигналу, наприклад, на фіг. 5 - це значення PЗС 1 та PЗС 2 (відрізняються за величиною для різних нелінійних розсіювачів штучного походження). Після збудження, як правило, спостерігається падіння амплітуд перевипромінюваних основної складової з кратними їй гармоніками, що пов'язано з перерозподілом поглиненої нелінійним розсіювачем енергії зондуючого сигналу. Наприклад, до збудження, поглинена нелінійним розсіювачем енергія зондуючого сигналу йшла на його нагрівання (дисипативні втрати) та перевипромінювання основної складової з кратними їй гармоніками. Після збудження квазігармонічних коливань, поглинена нелінійним розсіювачем енергія зондуючого сигналу йде на його нагрівання (дисипативні втрати), перевипромінювання основної складової з кратними їй гармоніками та генерацію з подальшим випромінюванням в навколишній простір квазігармонічного сигналу (його частота не є кратною зондуючому сигналу). Зі збільшенням потужності зондуючого сигналу, маємо одночасне зростання енергій перевипромінювання основної та кратних їй 3 UA 71286 U гармонік і випромінювання квазігармонічного сигналу, та зростання дисипативних втрат. Після ГР деякого граничного значення рівня потужності зондуючого сигналу PЗС  (див. фіг. 5) характерні 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 незворотні перетворення в напівпровідниковій структурі нелінійного розсіювача, що може призвести до втрати його напівпровідникових властивостей. У разі зменшення потужності зондуючого сигналу після збудження квазігармонічних коливань, слідує одночасне пониження енергій перевипромінювання основної складової з кратними гармоніками і випромінювання квазігармонічного сигналу, та падіння дисипативних втрат. При цьому значення потужності зондуючого сигналу, при якому зникає генерування квазігармонічних коливань для одного й того ж нелінійного розсіювача не дорівнює відповідному значенню збудження (наприклад, на фіг. 5 ЗБ ЗН ЗБ ЗН PЗС 1 не дорівнює PЗС 1 та PЗС 2 не дорівнює PЗС 2 ). Таким чином, маємо утворення петлі в функціональній залежності рівня (амплітуди) другої гармоніки розсіяного сигналу від рівня потужності зондуючого 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 селекції нелінійних розсіювачів за рівнем однієї гармоніки перевипромінюваного сигналу. Як джерело зондуючого сигналу використовувався генератор стандартних сигналів типу Г476А з регульованим рівнем виходу за потужністю, до якого послідовно підключений 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 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. Приймання сигналу відгуку здійснювалося від нелінійного розсіювача, за який використовувалися різні типи діодів, біполярних транзисторів та еквіваленти МОМ-структур, навантажених на відповідні антенні структури, переважно симетричні вібратори. 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 при зміні амплітуди зондуючого сигналу в обидва напрямки, маємо виникнення ефекту петльової функціональної залежності рівня (амплітуди) другої гармоніки розсіяного сигналу від рівня потужності зондуючого сигналу лише для нелінійних розсіювачів штучного походження. Порівняння заявленого технічного рішення з аналогами дозволило встановити його відповідність критерію "новизна". При вивченні інших технічних розв'язків у даній області техніки заявлені відмінні ознаки корисної моделі відносно аналогів виявленими не були, атому можна зробити висновок про їхню вагомість. Таким чином, за рахунок використання ефекту петльової функціональної залежності рівня (амплітуди) другої гармоніки розсіяного сигналу від рівня потужності зондуючого сигналу в 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. 2. Мусабеков П. М., Панычев С. Н. Нелинейная радиолокация: методы, техника и области применения // Зарубежн. радиоэлектроника. Успехи соврем. радиоэлектроники. - 2000. - N 5. С. 59. 4 UA 71286 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 Спосіб селекції нелінійних розсіювачів за рівнем однієї гармоніки перевипромінюваного сигналу, що включає опромінювання нелінійного розсіювача зондуючим сигналом, приймання та реєстрацію кратної гармоніки як сигналу відгуку, який відрізняється тим, що при модуляції амплітуди зондуючого сигналу за пилкоподібним законом чи будь-яким іншим, для селекції нелінійних розсіювачів використовують ефект петльової функціональної залежності рівня (амплітуди) другої гармоніки розсіяного сигналу від рівня потужності зондуючого сигналу та додатково аналізують ймовірність існування та вираженість ефекту петльової функціональної залежності рівня (амплітуди) другої гармоніки розсіяного сигналу 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