Radar no lineal: concepto “NR”.

Radar no lineal: el concepto “NR”.

Dmitry Vladimirovich Semenov, estudiante de posgrado en la Universidad Técnica Estatal de Moscú. N.E. Bauman
Dmitry Viktorovich Tkachev

RADIOLOCALIZACIÓN NO LINEAL: CONCEPTO “NR”.

Durante los últimos 6 o 7 años, Rusia ha experimentado un verdadero auge en el desarrollo de radares no lineales (NLR). Durante este tiempo, se presentaron al consumidor más de diez (!) modelos diferentes: “Cyclone”, “Octava”, “Lux”, “Onega 2”, “NR900E”, “NR900M”, “NR900N”, “Onega 3M ”, “Envis” ”, Transition”, “Spring-2”, “Spring 23”, “Ob”, “Ob 2C”… La razón de tal diversidad son las cualidades únicas para el consumidor de NRL — Se trata de un equipo de búsqueda muy eficaz, versátil y fácil de utilizar. NRL — una especie de indicador de dispositivos semiconductores: permite detectar dispositivos radioelectrónicos colocados ilegalmente para cualquier propósito, tanto en funcionamiento como “inactivos”.

La alta garantía de detección de objetos radioelectrónicos extraños mediante métodos de localización ha llevado a la creación de una amplia gama de instrumentos diseñados para inspeccionar locales en diversas situaciones. Los productos ofrecidos tienen diferentes características técnicas de sus componentes, lo que conlleva diferencias en su eficiencia de detección final.

Los especialistas en inspección hardware de locales necesitan conocer la física de los fenómenos que determinan la efectividad de la localización no lineal. así como las características de los principales modos de operación NRL.

SEMICONDUCTORES: REALES Y FALDOS.

A diferencia del radar clásico (lineal), en el radar no lineal la información sobre el objeto detectado está determinada por su capacidad para transformar espectralmente la señal de sondeo y reflejarla en los armónicos de la frecuencia de sondeo. Estos fenómenos son posibles si el objeto contiene elementos con características de corriente-voltaje no lineales (características de voltios-amperios). Dichos elementos, por la naturaleza de su aparición, se pueden dividir condicionalmente en «real» y «falso».

Por «reales» nos referimos a dispositivos semiconductores de origen artificial que contienen una unión p-n (por ejemplo, diodos, transistores, etc.). Para abreviar, llamémoslos semiconductores «reales». Son los semiconductores “reales” los que son objeto de interés durante la búsqueda.

La característica corriente-voltaje de la unión p-n se describe mediante una función exponencial [1]. Si calculamos los múltiples componentes espectrales de la corriente a través de un elemento con tal característica corriente-voltaje dependiendo de la amplitud Um y el voltaje sinusoidal aplicado, entonces podemos demostrar que para valores de Um menores a varias decenas de milivoltios serán estar representado principalmente por el segundo armónico. A medida que Um aumenta, las amplitudes de los armónicos más altos aumentarán rápidamente.

El trabajo [2] presenta los resultados de estudios experimentales de dispersión no lineal de una señal de sondeo mediante «semiconductores reales». Se muestra que la dependencia de la potencia del segundo armónico en la antena receptora NRL Pr2 de la densidad de flujo de potencia de la señal de sondeo — Pt, a una distancia fija R, tiene la forma que se muestra en la Fig. 1.

Fig. 1

La naturaleza de la dependencia experimental Рr2(Пt)

Hay tres áreas resaltadas en este gráfico:

1 – región de interacción débil Pr2 ~ Pt2,
2 – región de interacción fuerte Pr ~ Pt,
3 – región de saturación Pr2=const.

Esta dependencia es una característica de la eficiencia de la dispersión no lineal. Su forma para diferentes «semiconductores reales» suele ser la misma, pero los valores numéricos son diferentes en cada caso.

Si rastreamos los procesos físicos que ocurren durante el funcionamiento del NRL, entonces para la región de interacción débil y el caso del espacio libre podemos obtener la siguiente expresión que establece la relación entre los principales parámetros del NRL, la distancia y la potencia en el antena receptora en la frecuencia del segundo armónico

donde Pt es la potencia de la señal de sondeo en la entrada de la antena transmisora,
Gt – ganancia de la antena transmisora,
Sef. – área efectiva de la antena receptora NRL.

La efectividad de la identificación de dispositivos radioelectrónicos en función de la presencia de elementos no lineales está determinada no solo por los parámetros técnicos del equipo, sino también por las propiedades del objeto que se examina: pisos, paredes, muebles, etc. La práctica de utilizar NRL ha demostrado que las reacciones a los armónicos de la señal de radiación son creadas no solo por dispositivos semiconductores especiales, sino también por diversos elementos estructurales metálicos que están en contacto entre sí.

Las estructuras más típicas Los que crean interferencias son las estructuras metálicas y el refuerzo de hormigón armado de los edificios, las estructuras metálicas de los marcos de puertas y ventanas, el refuerzo de falsos techos, etc. Los elementos no lineales resultantes son detectados por NLR de forma similar a los semiconductores «reales».

Por analogía, llamaremos convencionalmente a los elementos no lineales formados como resultado del contacto mecánico de superficies metálicas a través de una fina película de óxido “falsos semiconductores (de contacto, corrosivos). Las propiedades de los “falsos semiconductores” que nos interesan se describen más detalladamente en [3].

Cuando el espesor de la película de óxido es suficientemente pequeño (menos de decenas de A), el principal mecanismo de transferencia de portadores a través del contacto es el efecto túnel. A voltajes bajos (menos de 1 V) y metales idénticos, las características I-V del contacto se pueden aproximar mediante un polinomio de tercer grado. Cuando el voltaje en el contacto es superior a ~ 1,5 V, la característica corriente-voltaje se vuelve más pronunciada y, con un aumento adicional, se vuelve inestable y, en la mayoría de los casos, se produce una ruptura irreversible del contacto. Una característica esencial de la característica corriente-voltaje de los semiconductores de contacto es su inestabilidad bajo influencia mecánica (cambios de presión en el contacto).

La aproximación indicada de la característica corriente-tensión significa que el tercer armónico dominará en el espectro de la señal reflejada. La naturaleza de la dependencia de la potencia de la señal dispersada (en el tercer armónico) en la entrada del receptor NRL – Pr3 a una distancia fija es similar a la que se muestra en la Fig. 1 con la diferencia de que en la región de interacción débil el exponente de la densidad de flujo de potencia Pt es igual a tres: Pr3 ~ Pt3.

• Con dispersión no lineal de la señal de sondeo, la dependencia de la La potencia de la señal armónica en la entrada del receptor NRL es Prn (a R=const) y la densidad de flujo de potencia de la señal de sondeo Pt tiene la forma que se muestra en la Fig. 1.
• En la región de interacción débil Prn ~ Пtn (n es el número armónico).
• Las características corriente-tensión de los semiconductores «falsos» dependen significativamente de la fuerza de presión sobre el contacto, lo que determina la inestabilidad mecánica de las características de dispersión.

DETECCIÓN DE OBJETOS NO LINEALES.

A veces uno se encuentra con la opinión de que el rango de detección no es una característica importante del NRL. La búsqueda todavía se realiza a corta distancia (decenas de centímetros) y aumentarla no tiene sentido. Este es un argumento falso. De hecho, hay que tener en cuenta que los objetos de búsqueda tienen una eficacia de dispersión significativa, que en algunos casos puede ser extremadamente pequeña. La comparación de diferentes dispositivos según el rango máximo de detección de un mismo simulador no es más que una simple evaluación de la capacidad de un NRL en particular para detectar un «objetivo» con mayor o menor reflectividad. En condiciones de funcionamiento reales y con una incertidumbre a priori de las características de dispersión, un rango más corto dará como resultado la pérdida de un objeto con baja eficiencia de transformación no lineal. Por lo tanto, creemos que el rango de detección para una determinada relación señal-ruido — la característica principal del NRL, determinada por la totalidad de sus parámetros técnicos y los parámetros del objeto no lineal.

Consideremos un método para la evaluación comparativa de la capacidad de detección de NRL con diferentes características. Supondremos que dos NRL detectaron el mismo objeto no lineal a la misma distancia. En este caso, la relación señal-ruido a la salida del primer receptor NRL es q1 y la del segundo, q2. Usando la expresión (1) puedes escribir:

donde Gr1, Gr2 – factores de ganancia de las antenas receptoras.

Todos los NRL se pueden dividir en dos grandes grupos, que se diferencian en la ley de modulación de la señal de sondeo. El primer grupo incluye los llamados NRL “pulsos” (NR900E, Cyclone, “Octava”, “Onega”…), cuya señal de sondeo es una secuencia de pulsos de radio cortos (de unos pocos microsegundos) con una frecuencia de repetición. de cientos de Hz (factor de trabajo Qn? 1000) y potencia máxima Ptimp. – decenas…cientos de W.

El segundo grupo está formado por los llamados NRL «continuos» («Ob», Rodnik, todos los NRL de fabricación extranjera), cuya señal de sondeo no está modulada en amplitud o tiene una modulación de pulso con un ciclo de trabajo Qn. 10. Algunos NRL de fabricación extranjera (por ejemplo, ORION) utilizan una modulación de frecuencia de la señal de sonido con una desviación de ~ 1 kHz. Esta técnica le permite aumentar ligeramente el aislamiento entre el receptor y el transmisor. La potencia del NRL “continuo” varía desde decenas de mW hasta unidades de W.

Usando la expresión (2), consideremos un ejemplo específico, comparando NRL “continuo” y pulsado”. Las pruebas conjuntas de los productos NR900E y Rodnik 23 mostraron que estos dos dispositivos, completamente diferentes en sus características, proporcionan aproximadamente el mismo rango de detección. Este resultado se obtuvo para diez simuladores diferentes. El criterio para el rango de medición correspondió a la iluminación del mismo número de segmentos en las barras indicadoras de los dispositivos q1=q2, correspondientes a las potencias umbral Pthr.1 y Rthr.2. Para este caso (2) se puede reescribir:

La Tabla 1 presenta los parámetros NRL, con las potencias del transmisor teniendo en cuenta la atenuación en los cables, y los valores de ganancia de las antenas NR900E, que tienen polarización circular, se recalculan en relación con una fuente isotrópica lineal, es decir. reducido en 3 dB.

Tabla 1.

El cálculo numérico proporciona el acuerdo de igualdad (3) con una precisión no peor que 3 dB, lo que encaja en el error general del experimento y es más que suficiente para estimaciones de ingeniería.

Como se desprende de las dependencias y cálculos dados, reducir la potencia del transmisor N veces requería aumentar la sensibilidad del receptor N 2 veces — Ésta es la especificidad del radar no lineal. Esto significa que la influencia de las interferencias externas (terrestres) e internas (hardware) en los NRL de menor potencia ha aumentado en proporción al N2.

Cabe aclarar que la menor sensibilidad de los receptores NRL de “pulsos” se explica por la necesidad de ampliar su ancho de banda, de acuerdo con el espectro de la envolvente del pulso de radio. Figuras de ruido del receptor: Fsh de NRL «pulso» y continuo con parámetros bien seleccionados, que proporcionan un alto potencial de detección y la capacidad de trabajar en condiciones «reales», debido a la presencia de ajustes de potencia y sensibilidad bastante amplios. Consideramos errónea la opinión actual de que los NRL «pulsos», a diferencia de los continuos, supuestamente sólo son adecuados para trabajar en habitaciones absolutamente vacías — «limpias», ya que, en nuestra opinión, carecen de cualquier base física.

Según la tabla comparativa proporcionada en [4], las principales características técnicas de los NRL «pulsos» son aproximadamente las mismas y, por lo tanto, las características de detección son aproximadamente las mismas. La diferencia en sus cualidades de consumo, en nuestra opinión, está determinada por parámetros ergonómicos: facilidad de uso, facilidad de control, claridad de visualización, presencia de modos adicionales, etc. Parámetros técnicos del producto Rodnik 23” — los mejores entre los NRL “continuos” y en sus valores se acercan al máximo alcanzable para esta clase de equipo.

• Una de las principales características del rango de detección de NRL está determinada principalmente por la potencia del señal de sondeo (el producto Pt · Gt ). «Los NRL de pulso son potencialmente superiores a los continuos en estos parámetros».
• Un intento de compensar una disminución en la potencia de la señal de sondeo N veces, con el mismo rango de detección, requerirá un aumento en la sensibilidad del receptor NRL en N 2 veces, y la inmunidad al ruido se deteriorará proporcionalmente.

SELECCIÓN DE SEMICONDUCTORES “FALDOS”.

Métodos para la selección de SEMICONDUCTORES “falsos”. semiconductores” se basan principalmente en dos principios físicos:

• diferencias en los niveles del segundo y tercer armónico dispersos por semiconductores “reales” y falsos (para semiconductores reales, el nivel del segundo armónico es ~ 20 dB mayor que el nivel del tercero para “los falsos por el contrario);
• inestabilidad de las características corriente-voltaje de los «falsos semiconductores bajo influencia mecánica».

El efecto de «desvanecimiento», promocionado activamente en [5], es, en nuestra opinión, simplemente una consecuencia de el primer principio.

En [6] se critica el principio de selección de semiconductores “reales” y “falsos basándose en la diferencia de armónicos” y se intenta demostrar la inutilidad de un receptor de tercer armónico en general. Compartimos la opinión del autor de que a veces la regla de la “diferencia armónica” no funciona o funciona exactamente al revés. Esta situación corresponde a una probabilidad extremadamente alta de una falsa alarma y requiere una verdadera habilidad por parte del operador y del equipo — proporcionarle la mayor cantidad de información posible. Cuando un «falso semiconductor» se somete a una acción mecánica, debido a la inestabilidad de su característica corriente-voltaje, se produce una modulación de amplitud de los armónicos de la señal de sondeo reflejada en él. Esto se percibe por el oído como un crujido con un ritmo correspondiente al ritmo del impacto. Consideramos que la capacidad de recibir dos armónicos a la vez es una cualidad importante de NRL, aunque sólo sea porque recibir el tercer armónico permite escuchar más claramente la modulación característica.

En algunos receptores NRL, por ejemplo en Onega, la señal de la salida del detector se mide previamente, en principio, esto es una ventaja: se puede usar la acumulación y luego, para la indicación del sonido, se forma usando un generador auxiliar con una amplitud proporcional a; el valor medido. En nuestra opinión, esta es una mala decisión: el operador se ve privado de la oportunidad de escuchar la modulación. Esta oportunidad no está disponible para el operador de NRL Cyclone debido a la naturaleza del umbral de su señal de salida.

La tarea de seleccionar un semiconductor real entre un conjunto de semiconductores falsos es más compleja. Existen varios métodos para resolver este problema, pero todos requieren una linealidad suficiente del receptor NRL, lo que garantiza la capacidad de reconocer señales de diferentes fuentes. En nuestra opinión, la dinámica del receptor NRL debe ser de al menos 20 dB, lo que, lamentablemente, no se implementa en todos los modelos. Así, por ejemplo, ORION NRL no alcanzará un “objetivo” ubicado junto a un objeto “falso” si opera en el modo de emisión de señal continua y detección de FM, ya que el detector de FM asume una limitación de amplitud.

En varios casos prácticos, los potentes NRL pulsados ​​ofrecen la posibilidad de una «lucha» muy eficaz contra los «falsos semiconductores». Para distancias pequeñas y contactos puntuales (por ejemplo, refuerzo, alambre trenzado), la energía de la señal emitida es suficiente para romper la película de óxido y destruir el contacto no lineal. Los NRL continuos no proporcionan esta capacidad.

• Al seleccionar semiconductores «falsos», los mejores resultados los proporcionan los potentes NRL pulsados, que brindan la capacidad de recibir simultáneamente el segundo y tercer armónico y mostrarlos visualmente. los niveles.
• El diseño de la ruta de recepción debe permitir al operador escuchar la modulación característica que se produce durante la acción mecánica sobre el falso semiconductor. El rango dinámico de la ruta de recepción debe ser de 20…30 dB o más.

MODO DE SELECCIÓN DE ENVOLTURA.

Este modo permite al operador NRL detectar dispositivos radioelectrónicos basándose en la modulación del segundo armónico por señales características de este dispositivo.

El hecho es que si, por ejemplo, una corriente de señal de baja frecuencia a(t) fluye a través de un diodo, que forma parte del circuito, debido al funcionamiento del circuito, entonces el segundo armónico de la señal de sondeo dispersado por este El diodo también se modulará de acuerdo con la ley a(t).

Este modo se implementa de manera más efectiva en operación continua NRL. En los NRL pulsados, el modo de extracción de envolvente requiere cambiar los parámetros de modulación de la señal de sondeo, lo que conduce a un transmisor más complejo y costoso. Por lo tanto, en modelos simples de NRL pulsados ​​(por ejemplo, “Ciclón”) este modo no está presente.

En NRL pulsados ​​​​más avanzados (por ejemplo, «Octave», NR900E), este modo se denomina 20 K», lo que se explica por un aumento en la frecuencia de repetición del pulso de la señal de sondeo a varios kilohercios (la frecuencia de repetición del pulso en este modo disminuye Q20″ 100, y la potencia máxima también disminuye). La señal reflejada representa, por así decirlo, muestras de la función moduladora a(t), realizadas con la frecuencia de repetición de los pulsos de sondeo. En el receptor NRL pasan a través del filtro de paso bajo y se restablece la forma a(t). En comparación con los NRL continuos, la pérdida en la relación señal-ruido (al mismo nivel del segundo armónico en la entrada del receptor) es al menos Q veces.

El modo de selección de envolvente amplía las capacidades de los NRL , y además para el propósito mencionado, se utiliza a menudo en la selección de «falsos semiconductores».

El ORION NRL también tiene un modo «20 K» (?), lo cual es bastante sorprendente para un localizador «continuo»; la transición a radiación pulsada conduce a un aumento significativo del ruido. Da la impresión de que el modo “20 K” fue “espiado” en uno de los productos rusos, no comprendido del todo, pero implementado por si acaso.

• El modo de extracción de sobres le permite detectar e identificar dispositivos electrónicos débilmente blindados en condiciones de funcionamiento. En NRL “continuo”, este modo tiene una eficiencia significativamente mayor que en los “pulsos”.

CONCLUSIÓN.

En este artículo, describimos nuestra visión de los principios físicos que subyacen al funcionamiento del NRL, las características de sus modos de funcionamiento y los requisitos para sus principales parámetros. Este material es una especie de concepto: el concepto de radares no lineales de la serie «NR», el concepto de la empresa «IKMTs-1», en nombre de la cual actuamos.

A la pregunta: ¿qué NRL? para elegir cual es mejor? — Responderemos: por supuesto, «pulso», ya que tiene una serie de ventajas fundamentales sobre «continuo», lo que lo hace más universal tanto en términos de objetos de búsqueda como de condiciones de aplicación, de lo que intentamos hablar en este artículo.

Las preguntas pueden dirigirse a la dirección stt@detektor.ru.

REFERENCIAS:

1. I.P. Fundamentos de microelectrónica. M. “Radio Soviética”, 1980.
2. A.A. Gorbachev y otros. Ingeniería de radio y electrónica. 1996. T.41 No. 5, pág. 558-562.
3. V.B.Steinshleger. Avances en las ciencias físicas. 1984. T. 142, edición. 1. pág. 131-145.
4. A.A. Métodos y medios de protección de la información. M.: Ministerio de Defensa de RF, 1998. – 316 p.
5. T. Revisión de la tecnología de radar no lineal. Equipo especial. No. 3, 1999
6. N.S.Vernigorov. El principio de detección de objetos mediante radar no lineal. Confiado, 5, 1998