La ubicación paramétrica es un nuevo método para detectar objetos ocultos.

La ubicación paramétrica es un nuevo método para detectar objetos ocultos.

SHCHERBAKOV Grigory Nikolaevich,
Doctor en Ciencias Técnicas, Profesor

Métodos conocidos para detectar estacionarios Los objetos en entornos de cobertura se basan en el registro de diversas anomalías de LF, HF, microondas (electromagnéticas, termofísicas, etc.) en las ubicaciones de estos objetos.

Al mismo tiempo, los métodos de localización activos — radar, inducción, acústico, etc. — utilice los contrastes existentes entre el objeto de búsqueda y el fondo natural (suelo, vegetación, agua).

El nombre del método generalmente está determinado por el tipo de campo de sondeo [1].

En trabajos anteriores, el autor mostró la posibilidad de utilizar un método fundamentalmente nuevo para buscar objetos de pequeño tamaño, basado en el registro de contrastes inducidos artificialmente entre el objeto de búsqueda y el fondo debido a la irradiación adicional del espacio en estudio, junto con el sondeo principal. uno, con varios campos físicos.

La aparición de estos contrastes se debe a diferentes reacciones del objeto de búsqueda de origen artificial y elementos de fondo naturales al campo excitante.

Base física de la ubicación paramétrica

Se sabe que los circuitos eléctricos en los que al menos uno de los parámetros cambia según una ley determinada se denominan paramétricos.

El campo electromagnético dispersado, por ejemplo, por el objeto buscado, puede diferir del incidente en sus parámetros: amplitud, fase, frecuencia y polarización.

Bajo la influencia de un campo excitante adicional (acústico, láser, etc.), estos parámetros pueden cambiar en el tiempo y el espacio.

La ley de cambio de estos parámetros estará determinada principalmente por las características del campo excitante (densidad de flujo de potencia, frecuencia, etc.).

De esto se deduce que el tipo de ubicación propuesto puede denominarse paramétrico.

La Figura 1 muestra posibles combinaciones de campos físicos de sondeo y excitación.

Fig.1. Campos físicos utilizados en ubicación paramétrica

Además de los campos electromagnéticos, acústicos y sísmicos, la radiación radiactiva también se puede utilizar como campo excitante en la búsqueda de diversos objetos.

El impacto de estas radiaciones (de neutrones y gamma) en la electrónica Los dispositivos de búsqueda de objetos cambian sus parámetros (resistencia base, barrera y capacitancia de difusión de uniones, etc.) [2] y, en consecuencia, las características reflectantes de estos objetos.

Esto puede ser registrado mediante el uso de campos electromagnéticos de sondeo.

Esto se puede registrar mediante el uso de campos electromagnéticos de sondeo.

Cabe señalar que muchas de las opciones propuestas para la ubicación paramétrica se basan en efectos físicos conocidos en tecnología como “dañinos”.

Por ejemplo, las vibraciones mecánicas de un objetivo (aviones, tanques , etc.) causan ruido en los objetivos”, lo que empeora las características de búsqueda de los radares, especialmente los coherentes [3, 4].

El efecto de modulación cruzada se considera perjudicial”, creando mutua interferencia entre canales de comunicación adyacentes [5, 6].

La excitación de dispositivos electroópticos de observación y designación de objetivos con radiación láser conduce a menudo a su “cegamiento” [7].

Irradiación, incluso a corto plazo, de equipos electrónicos con radiación ionizante ( neutrón, gamma) provoca cambios reversibles e irreversibles en su base elemental, principalmente partes semiconductoras [2, 8].

Sin embargo, el control de todos estos efectos, principalmente mediante la selección de parámetros óptimos (energía, tiempo, frecuencia, etc.) del campo excitante, permite transformarlos de “nocivos” a “útiles” y utilizarlos para localizar objetos de interés. origen artificial.

Tabla 1: Parámetros característicos de los campos excitantes.

En localización paramétrica, la señal de excitación “colorea” la señal de sondeo cuando se refleja en un objeto de búsqueda de origen artificial.

“Colorear consiste en dar Son características características de amplitud, frecuencia, temporalidad y polarización, que luego pueden identificarse en el dispositivo receptor del sistema de búsqueda.

El proceso paramétrico de formación de una señal secundaria puede ser lineal o no lineal.

El primer caso ocurre, por ejemplo, cuando un campo electromagnético de microondas es dispersado por un objeto de búsqueda que vibra — debido a su irradiación adicional con un potente campo acústico.

Segundo — cuando un campo de microondas es dispersado por un objeto no lineal excitado en armónicos.

La excitación de elementos no lineales del objeto de búsqueda (transiciones de transistores y diodos, etc.) puede realizarse mediante un campo electromagnético en los rangos DV, SV y HF, lo que conduce a un cambio correspondiente en el NEPR de todo el objeto.

Esto permite, por ejemplo, determinar la frecuencia de funcionamiento del receptor de radio deseado de la línea de control de explosiones o de la estación de radio. Es típico que el objeto de búsqueda (receptor de radio) se pueda apagar.

Es necesario tener en cuenta la presencia de un número significativo de combinaciones posibles de campos físicos de sondeo y excitación.

La elección de una u otra combinación debe hacerse teniendo en cuenta muchos factores: la disponibilidad de información a priori sobre las características de diseño de los objetos de búsqueda, las características del fondo circundante, el rango de detección requerido, etc.

Con respecto al problema que estamos considerando, los más prometedores deberían ser las combinaciones de varios campos electromagnéticos en los rangos de baja frecuencia, alta frecuencia y microondas. Esto se debe principalmente a su capacidad para penetrar a través de medios semiconductores de cobertura.

Es posible utilizar diferentes combinaciones de campos de sondeo y excitación juntos en un sistema de búsqueda: para aumentar la confiabilidad de la detección de varios objetos de pequeño tamaño.

Basándose en lo dicho, el autor propone la siguiente definición de ubicación paramétrica: este es un método activo de detección de objetos, en los que se registran cambios en los parámetros del campo de sondeo debido a la irradiación de estos objetos con un campo excitante adicional (acústico, electromagnético de microondas, láser, etc.).

Uso de interacciones paramétricas no lineales de microondas para detectar armas pequeñas y artefactos explosivos

Investigaciones realizadas anteriormente en nuestro país demostraron que es posible utilizar radares no lineales para la detección remota de pequeños objetos metálicos. Esto se debe a la presencia de propiedades eléctricas no lineales de los contactos metálicos [9, 10].

Sin embargo, para detectar armas pequeñas, el uso del conocido radar tipo METRRA (EE. UU.) y otros similares resultó ineficaz.

Esto se explica por sus insignificantes propiedades no lineales en el tercer armónico — debido a la falta de contactos de sujeción puntuales.

Los numerosos contactos metálicos planos que se encuentran en el diseño de armas pequeñas tienen propiedades no lineales insignificantes en frecuencias de microondas, lo que se explica por el efecto de derivación de sus gran capacitancia intrínseca.

Se puede lograr un cierto aumento del NEPR de objetos metálicos puntuales (de 18 a 20 dB) con el modo de funcionamiento del radar de navegación de doble frecuencia con registro de frecuencias Raman de tercer orden.

Sin embargo, en este caso, la detección de objetos metálicos de pequeño tamaño (pistolas, etc.) es difícil.

Se puede lograr un salto cualitativo en la detección de tales objetos mediante el uso de un método paramétrico no lineal.

La versión propuesta del método se basa en mejorar las propiedades no lineales de los contactos metálicos planos debido a la exposición adicional a potentes y cortos pulsos de radio de microondas. Este efecto provoca, bajo ciertas condiciones, la descomposición del plasma eléctrico de las películas de óxido dieléctrico que cubren las superficies metálicas en contacto.

La descomposición consta de varios procesos electrónicos elementales rápidos no lineales: la emisión de electrones del cátodo al dieléctrico (película de óxido), la multiplicación de electrones debido a la ionización por impacto, la formación y destrucción de una carga espacial negativa.

En el momento de la rotura, las propiedades no lineales de los contactos aumentan considerablemente, lo que puede ser registrado por el receptor de radar. La mejora de las propiedades no lineales puede explicarse por la aparición de una capa de plasma no lineal.

El efecto de ruptura de películas dieléctricas delgadas se considera en electrónica [2, 11] e ingeniería eléctrica [ 12] como “dañino”.

Sin embargo, en nuestro caso, su creación especial permite mejorar las propiedades desenmascaradoras de los objetos metálicos de búsqueda de pequeño tamaño, es decir, hace que el efecto sea “útil”.

Se sabe que las superficies limpias de casi todos los metales, en contacto con una atmósfera que contiene oxígeno, quedan inmediatamente cubiertas con películas de sus óxidos.

En un período de tiempo bastante corto, se forma sobre la superficie del metal una capa inicial de óxido de varias células atómicas de espesor, que a su vez se cubre con una película de gas absorbido.

Las leyes del crecimiento de películas de óxido son diferentes para diferentes metales.

Para metales con óxidos densos, la ley de crecimiento de la película de óxido a bajas temperaturas es más cercana a logarítmica.

En particular, esto se observa en el hierro a una temperatura de oxidación de hasta 3750C, en el cobre — hasta 1000C, para aluminio — hasta 2250С.

La rápida disminución de la tasa de crecimiento de estas películas con el tiempo se debe a su efecto protector.

Estas películas se denominan pasivantes.

Todas De lo anterior nos permite concluir que la rápida oxidación de los contactos metálicos planos (diversos objetos metálicos) contenidos en armas pequeñas y dispositivos explosivos después del daño a las películas de óxido.

Esto último se produce, por ejemplo, debido a la fricción seca entre los elementos de las superficies en contacto (se desprenden las películas de óxido”) — al apretar el cerrojo de una pistola, instalar artefactos explosivos en la superficie del suelo.

La intensidad del campo eléctrico necesaria para romper la película de óxido depende de muchos factores: la rugosidad de las superficies de contacto , el espesor de la película, la composición química de la película, la frecuencia del voltaje aplicado, etc.

Un análisis de la literatura dedicada a los procesos eléctricos en el sistema de contacto «metal-óxido-metal» muestra que en la mayoría de los casos la resistencia a la ruptura del campo eléctrico es de 105…107 V/cm.

Muy importante, que la duración de la tensión aplicada puede ser muy corta — unidades…decenas de nanosegundos.

En consecuencia, la duración de la exposición al campo electromagnético que irradia el objeto de búsqueda puede ser muy pequeña.

Con un espesor de película de óxido de decenas de micrones, su descomposición se produce a un voltaje de 10 V o más.

La potencia de pulso requerida del excitante transmisor de microondas UHF que irradia un objeto de tamaño pequeño (loob » 0,1…0,2 m) está determinada por la fórmula:

(1 )

donde Upr — la tensión de ruptura mínima requerida de la película de óxido del contacto plano.

Desde aquí, por ejemplo, con Upr = 10 V, r = 5 m, l in = 0,3 m, lrev = 0,15 m, Gu = 10 la potencia del generador (por impulso) debe ser de al menos 913,9 W. Para aumentar la fiabilidad de la rotura eléctrica de los contactos (Upr > 20…30 V), esta potencia debe ser de varios kW.

Con una duración del pulso de radio de sondeo de 100 ns y una frecuencia de repetición de 1000 Hz, la potencia promedio en la antena transmisora ​​será insignificante — décimas de W.

El amplificador de potencia de salida puede utilizar transistores de microondas bipolares pulsados ​​conectados según un circuito de adición de potencia.

Es obligatorio utilizar un elemento no recíproco (válvula de ferrita o circulador) entre la salida del amplificador de potencia de microondas y la antena — ya que los transistores de microondas no pueden soportar una ROE alta. Esto último puede ocurrir, por ejemplo, cuando la antena transmisora ​​se acerca al cuerpo del operador o a la superficie del suelo.

Un sistema de búsqueda que registra la no linealidad “excitada” de los contactos metálicos de el volumen de búsqueda se puede implementar técnicamente de varias maneras.

Por ejemplo, utilizando un radar de navegación con irradiación de microondas de doble frecuencia con registro de frecuencias Raman de segundo orden o mediante la implementación de la cruz -efecto de modulación.

En este caso, es necesario que una de las dos señales de microondas que irradian el objeto tenga una potencia significativamente mayor que la otra.

Expresión que permite estimar el alcance de una señal dual -El radar de frecuencia en el espacio libre tiene la forma:

(2)

donde snc(1) — EPR no lineal normalizado de un objeto de búsqueda de metal en la frecuencia de combinación.

Los cálculos muestran que en Pu1 = 103 W; Pu2 = 102 W, Gu1 = Gu2 = 10, s nc(1) = 10-11 m6/W2, Ap = 10-2 m2, Rpr(min) = 10-12 W rango de detección de un objeto metálico pequeño (pistola, el mío) será de unos 5 m.

Con una duración de los pulsos de sondeo de 10…100 ns, una frecuencia de repetición de 1000 Hz, la potencia promedio total en las antenas de microondas transmisoras será sólo decenas de mW.

La principal dificultad que surge a la hora de implementar el efecto de modulación cruzada es obtener una segunda señal (de menor potencia) con un espectro “limpio”, es decir, sin modulación de amplitud propia.

Esta modulación de ruido perturbador aparece tanto en el propio generador de microondas como cuando la señal de sondeo se refleja en las faltas de homogeneidad del fondo natural [13].

Para aumentar el rango de detección de pequeños objetos metálicos, también se pueden utilizar fenómenos de resonancia.

También es posible colocar un transmisor de microondas más potente cerca del espacio en estudio (a unos pocos metros). ), y un segundo transmisor y receptor de microondas — a una distancia considerable (decenas de metros).

Se ha establecido experimentalmente que para objetos metálicos con contactos de presión puntual (modelos de dispositivos explosivos), se observa la desaparición de propiedades no lineales cuando la densidad de flujo del campo de microondas primario es superior a 10&# 8230;30 W/m2.

Esto se puede explicar por el quemado de los contactos puntuales — debido a la alta concentración de potencia de microondas en ellos. En el caso de objetos metálicos con contactos planos (pistolas PM), no se observó el efecto de “quemado”.

En la mayoría de los casos, la señal reflejada en la frecuencia combinada aumentó al aumentar el campo de microondas excitante. .

La hipótesis de trabajo sobre el inicio de la descomposición del plasma en contactos planos se ve confirmada por los siguientes fenómenos observados:

• la presencia de un valor umbral Ppad, por debajo del cual desaparecieron las propiedades no lineales de las pistolas;
• ruido “coloreado” de la señal reflejada, que es típico del diagnóstico por microondas de plasma.

Así, los estudios experimentales en el rango de longitudes de onda decimétricas confirmaron la exactitud de las conclusiones sobre la viabilidad de utilizar el efecto de la descomposición del plasma de la película de óxido de los contactos planos metal-metal para detectar objetos metálicos «hechos por el hombre» de pequeño tamaño.

En el proceso de investigación también se descubrió que la señal reflejada por el arma puede ser comparable a la señal reflejada por el llavero.

En este sentido, en el futuro es aconsejable realizar investigaciones adicionales destinadas a identificar firmas características (espectrales, polarización, resonancia, etc.) inherentes a muestras individuales de armas y otros objetos pequeños, lo que facilitaría su selección en el contexto de otros. objetos.

Los rangos de detección esperados de objetos de tamaño pequeño implementados cuando se utiliza una versión portátil de localizadores paramétricos varían desde decenas de centímetros hasta decenas de metros.

Los primeros números son típicos cuando se utilizan campos electromagnéticos excitantes de baja frecuencia casi estacionarios, para localizar objetos en ambientes altamente absorbentes (suelo arcilloso húmedo, estructuras de edificios, etc.).

Los segundos números se refieren al uso de campos de excitación láser y de microondas dirigidos en el espacio libre, por ejemplo para la localización. dispositivos óptico-electrónicos pasivos camuflados (sensores de objetivos para artefactos explosivos, “videobugs” controlados por radio, etc.).

La idea de ubicación paramétrica es una continuación lógica de la método de radar no lineal.

En ambos métodos, se registran las diferencias espectrales en las señales recibidas de objetos estacionarios.

Sin embargo, a diferencia del radar no lineal, el rango de objetos detectados en la ubicación paramétrica es mucho más amplio.

La principal desventaja de la ubicación paramétrica es el mayor consumo de energía para crear el campo excitante.

Posibles áreas de aplicación de la localización paramétrica: seguridad de la información, antiterrorismo, ciencia forense, construcción, arqueología.

REFERENCIAS

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