Использование нелинейных локаторов

         Работа нелинейного радиолокатора основана на облучении объекта спектрально чистым СВЧ сигналом и на способности объекта к прямому спектральному преобразованию зондирующего сигнала и переотражению его на гармониках частоты зондирования. Эти явления возможны при наличии в составе объекта элементов с нелинейными вольтамперными характеристиками (ВАХ), или, как их обычно называют, просто нелинейных элементов – диодов, транзисторов, интегральных микросхем.

             Из теоретических основ радиотехники известно, что спектр отклика нелинейного элемента всегда отличается от спектра воздействующего сигнала, причем гораздо шире его. Хотя при воздействии гармонического сигнала на нелинейное соединение ток отклика имеет бесконечный спектр, содержащий все гармоники, на практике ВАХ аппроксимируют конечным степенным многочленом. Причем номер наивысшей гармоники определяется степенью многочлена. Среди реальных объектов нелинейные свойства сильнее всего выражены у полупроводниковых переходов, а также режимных металлических контактов. ВАХ большинства полупроводниковых переходов, входящих во все элементы современной РЭА, близки к квадратичным. Именно эти нелинейные элементы и представляют объект поиска для нелинейного радиолокатора. ВАХ контактов разнородных металлов, а также контактов металл–оксид–металл, возникающих в результате коррозии, аппроксимируются многочленом третьей степени. Такие контакты принято называть “ложными”переходами. Когда локатор облучает полупроводниковый переход, отклик на второй гармонике значительно сильнее, чем на третьей. При облучении же металлических контактов, напротив, более сильный отклик на третьей гармонике.

           Качественные НЛ способны сравнивать интенсивность сигналов на второй и третьей гармониках и тем самым помогают оператору отличать полупроводниковые переходы от ложных. Правда, для этого локатору необходимо два приемника с хорошо изолированными каналами, что повышает стоимость устройства. 

            2.2. Параметры нелинейных локаторов

            Процесс обнаружения объекта в условиях нелинейной радиолокации полностью аналогичен традиционной локации при наблюдении объектов с активным ответом в режиме опознавания. Следователь но, мощность отклика объекта на гармонике (а значит, и эффективность обнаружения) находится в прямой зависимости от мощности излучения локатора и в обратной – от квадрата частоты его излучения и номера принимаемой гармоники. Чем ниже частота из лучения НЛ, тем меньше затухание как зондирующего сигнала, так и сигнала отклика от объекта.

          Таким образом, частота излучения – один из основополагающих параметров НЛ. Для большинства нелинейных локаторов она – около 915 МГц (соответственно, вторая гармоника 1830, а третья –2745 МГц). Реже используют частоту порядка 888 МГц (соответственно, вторая гармоника – 1776, а третья – 2664 МГц). Как правило, локаторы работают на одной фиксированной частоте, однако некоторые имеют несколько каналов. Поскольку локаторы с ограниченной частотной полосой часто конфликтуют с другими электронными устройствами, предпочтительнее НЛ с достаточно широким диапазоном частот и автоматическим нахождением свободных каналов. Так, в США на частоте 888 МГц возможна интерференция с сигналами сотовых телефонов. Хотя мощность излучения принципиально повышает обнаружительную способность локатора, не менее важна и чувствительность приемника. НЛ с низкой мощностью излучения, но с достаточно чувствительным приемником может обладать более высокими характеристиками по обнаружению, чем мощный локатор с малочувствительным приемником. Кроме того, мощный НЛ может ненамеренно вывести из строя электронные устройства, а также нанести вред здоровью людей.

           Напрямую с мощностью излучения связан режим излучения. Большинство нелинейных радиолокаторов работают в непрерывном режиме и мощность их излучения практически не превышает 3 Вт. Нелинейный локатор с мощностью 2 Вт способен обнаружить подслушивающий аппарат внутри бетонной стены на расстоянии нескольких сантиметров от антенны или запрятанный глубоко в грунте. Локаторы с более низкой мощностью (50–100 мВт) обнаруживают такие приборы только в двух сантиметрах от антенны.

          Некоторые отечественные НЛ используют импульсный режим, что имеет свои преимущества. Локатор, работающий в импульсном режиме, потребляет значительно меньше электроэнергии, что снижает требования к источнику питания. Кроме того, при мощности в импульсе, достигающей 300 Вт, средняя мощность облучения, которой подвергается оператор, очень мала – значительно меньше, чем при 3–5 Вт в непрерывном режиме.

         Не последнюю роль в работе НЛ играют его эргономические параметры. Большинство локаторов имеют тяжелый приемопередатчик, который оператор переносит с помощью ремня на шее или плече. Антенну надо держать в руке. Кабели, соединяющие антенну с приемопередатчиком, часто мешают работе, цепляясь за мебель. На некоторых НЛ дисплей расположен на приемопередатчике, что заставляет оператора следить за его показаниями одновременно с перемещением антенны. Значительно удобнее, когда дисплей размещен на рукоятке. Однако при ЖКдисплее сложность считывания сохраняется. Лучше всего располагать дисплей на антенной штанге – при этом оператор может одновременно считывать показания дисплея и перемещать антенну.  

          2.3. Работа нелинейного локатора

         В процессе работы нелинейные радиолокаторы выполняют три основные функции: детектирование (обнаружение), определение местоположения и идентификация объекта. Детектирование происходит в том случае, если амплитуда ответного сигнала превышает пороговый уровень. При этом световая или звуковая сигнализация информирует оператора, что предполагаемый объект находится в поле воздействия облучающего сигнала антенны.

          Принцип действия нелинейного локатора основан на физическом свойстве всех нелинейных компонентов (транзисторов, диодов и проч.) радиоэлектронных устройств излучать в эфир при их облучении сверхвысокочастотными сигналами, гармонические составляющие, кратные частоте облучения. Нелинейный локатор облучает подозреваемую область подобным сигналом (обычно около 900 МГц), после чего различные гармонические частоты анализируются на наличие гармонического сигнала. При этом процесс преобразования не зависит от того, включен или выключен исследуемый объект, также не существенно функциональное назначение радиоэлектронного устройства. Это свойство позволяет обнаруживать радиоэлектронные устройства буквально "сквозь стены". В случае получения положительных результатов обследования окончательное решение о наличии подслушивающих устройств может быть принято после проведения физического обследования, или применения металлодетектора или рентгеновского оборудования.

          Определение местоположения объекта производится путем сопоставления амплитуды и пеленга ответного сигнала. Амплитуда ответного сигнала растет по мере приближения антенны к его источнику во время проведения поиска. Анизотропия диаграммы направленности антенны позволяет оператору, изменяя угол направления антенны, определять направление на источник ответного сигнала по его максимальному уровню.

Идентификация объекта проводится по результату анализа  ответного сигнала объекта, находящегося в зоне воздействия излучения  антенны. В тех моделях НЛ, которые  принимают отклик от объекта одновременно на второй и третьей гармониках излучаемого сигнала, идентификация объекта обычно производится путем сравнения уровней сигналов обоих приемных трактов по свечению линейных индикаторов. Как правило, электронные объекты с полупроводниковыми переходами переизлучают сигнал на второй гармонике на 20–40 дБ выше, чем на третьей. Помеховые металлические контакты, напротив, генерируют сигналы на третьей гармонике излучаемого сигнала с уровнем, превышающим уровень второй гармоники на 20–40 дБ.

           При работе же с радиолокаторами, принимающими отклик только на второй гармонике, идентификация объекта требует от оператора дополнительных действий. Дело в том, что некоторые объекты с нелинейными металлическими контактами, такие как железобетонные конструкции, опоры любого оборудования, мебельные пружины, контактирующие с головкой винта, гвозди, имеющие контакты с другими металлическими объектами внутри стены, электрические выключатели, контакты люминесцентных ламп, скрепки для бумаги и т.п., дают ложные сигналы не только на нечетных, но иногда и на четных гармониках. Поскольку эти контакты механически нестабильны, их ВАХ также нестабильна и находится в сильной зависимости от механического воздействия. Если к ложному переходу приложить невысокую физическую вибрацию, можно нарушить кристаллическую структуру коррозионных и биметаллических переходов, что приведет к модуляции сигнала отклика с частотой вибрации. На полупроводниковые переходы вибрация не оказывает воздействия. Используя и индикатор, и наушники, оператор простукивает области поиска, например небольшим резиновым молоточком. Сигнал от электронных устройств в этом случае не изменится, и в наушниках не будет никакого шума.

            Металлические источники при простукивании вызывают беспорядочные нестабильные показания индикатора и шумящий звук(треск) в наушниках. Здесь уместно отметить, что любой НЛ должен иметь в своем составе дополнительную аппаратуру – гибкий волоконнооптический прибор (для визуальных наблюдений), металлодетекторы, зубоврачебные зеркала, мягкие молотки, фонарики и даже иногда рентгеновскую аппаратуру. Как правило, поисковые работы с НЛ начинают с медленного сканирования антенной любой поверхности в зоне поиска при отключенном излучении. Оператор буквально “красит” каждую поверхность, включая стены, пол, потолок, оборудование. Эта процедура предназначена для обнаружения генерирующих электромагнитные поля приборов и поглощает много времени – обычно она протекает со скоростью 0,2–0,4 м 2 мин. Далее уже при включенном облучающем сигнале антенной сканируют стены и остальные поверхности на расстоянии от них покрайней мере 2–3 м, что позволяет обнаружить и изолировать предметы, создающие помехи. После очистки зоны поиска от этих предметов расстояние до НЛ сокращается до 1–1,5 м и процедура повторяется. В конце концов расстояние сокращается до 0,5 м или непосредственного контакта с объектом и проводится несколько операций проверки при постепенном повышении мощности излучения НЛ от минимально возможного уровня до полного значения. Сканирование плоских поверхностей происходит со скоростью 0,03 м2/с, сложных – с еще меньшей.             

В результате для проверки небольшого офиса (менее 20 м2) необходимо 2–3 ч, офиса среднего размера – 3–4 ч, а для более  крупных учреждений – 6–8 ч или  даже несколько дней.

           Методы нелинейной радиолокации применимы также для дистанционного обнаружения малоразмерных объектов. Здесь объектами поиска могут стать различные радиоуправляемые устройства, устройства промышленного шпионажа, стрелковое оружие, обломки самолетов и вертолетов, переносные радиостанции (в том числе и выключенные) и т.д. Объектами поиска могут быть также специальные нелинейные метки, используемые для скрытого обозначения различных объектов и участков местности, а также людей (например, спасателей в труднодоступных местах). Эксперименты показали, что для дистанционного поиска нелинейных объектов оптимальная частота не должна превышать 1 ГГц, а для увеличения дальности действия локатора целесообразно использовать мощные радиоимпульсы с большой скважностью. При мощности в импульсе 50 кВт и скважности 1000 дальность обнаружения с воздуха малоразмерных объектов, замаскированных на поверхности грунта, составит 300–350 м. Если объект установлен в грунт на глубину 0,1–0,2 м, дальность обнаружения – 80–100 м.  

          2.4. Современные модели нелинейных локаторов

          В мире создана уже широкая номенклатура нелинейных радиолокаторов, различающихся параметрами и эффективностью в обнаружении объектов. Рассмотрим наиболее известные модели НЛ.

          Модель Orion NJE4000 американской фирмы Research Electronics Inc. (REI) (рис.2.1.) предназначена для обнаружения активных и пассивных электронных устройств – магнитофонов, видеокамер с полупроводниковыми формирователями изображения, подслушивающих устройств с дистанционным управлением и других видов разведывательной аппаратуры, скрытой в стенах, потолках, мебели, цветочных горшках и т.п. НЛ работает на второй и третьей гармониках с алгоритмами дискриминации, обеспечивающими минимизацию ложных тревог и прослушивание сигнала каждой из принимаемых гармоник. Цифровая обработка сигнала повышает чувствительность прибора, благодаря чему возрастает дальность обнаружения. Мощность излучения может автоматически и вручную изменяться от 10 мВт до 1 Вт. Если на приемник поступает слишком сильный сигнал, мощность автоматически снижается с тем, чтобы оператор смог оценить отклик от нелинейного элемента. При ослаблении сигнала отклика мощность передатчика уменьшается.