Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

__________________________________________________________________

Е.А. Теличко, В.А. Трушин

ПРАКТИКА ПРИМЕНЕНИЯ

НЕЛИНЕЙНОГО ЛОКАТОРА

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

НОВОСИБИРСК

2007г.

Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

__________________________________________________________________

Е.А. Теличко, В.А. Трушин

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ПРИМЕНЕНИЯ

НЕЛИНЕЙНОГО ЛОКАТОРА

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

НОВОСИБИРСК

2007г.

УДК 681.3.067 (076.5)

ББК 32.988

3-17

Теличко Е.А., Трушин В.А.

Практика применения нелинейного локатора. Учебно-методическое пособие.-Новосибирск: НГТУ,2007.-21с.

Пособие содержит теоретическую и экспериментальную

части к лабораторным работам. Предназначено для

студентов IV,Vкурсов специальностей 090104, 090105.

Рецензенты:

Доктор технических наук, профессор, лауреат премии

Совмина СССР, Н.С.Вернигоров.

Кандидат технических наук, заведующий кафедры АИУС

НГТУ, В.П.Ющенко

ISBN5-902958-02-4

Оглавление

Введение

Цель пособия

2. Краткие сведения из теории

2.1. Общие положения

2.2. Практическое применение нелинейных локаторов

3. Состав учебно-лабораторного стенда

4. Содержание и порядок выполнения лабораторной работы

5. Требования к содержанию отчета

6. Контрольные вопросы

7. Список литературы

8. Приложение 1

9. Приложение 2

1. Цель лабораторной работы

Изучение принципа работы нелинейного локатора (НЛ) и приобретение практических навыков по обнаружению и идентификации нелинейных объектов.

2. Краткие сведения из теории

2.1.Общие положения

Нелинейная локация – это процесс обнаружения и определения местоположения устройств, содержащих нелинейные электронные компоненты, при облучении их зондирующим сигналом с последующим анализом переизлученных сигналов на высших гармониках частоты передатчика. Обнаружение происходит вне зависимости от того, находится ли устройство в активном состоянии или нет. Электронный компонент называется нелинейным, если он имеет нелинейную вольтамперную характеристику (ВАХ). Вольтамперная характеристика элемента – это зависимость тока, протекающего через элемент, от приложенного к нему напряжения. Нелинейными компонентами искусственного происхождения являются микросхемы, транзисторы, диоды; компонентами естественного происхождения – двуокись железа (ржавчина) и другие окислы металлов – компонентами естественного происхождения (рис.1).

Рис.1. ВАХ естественного(А) и искусственного(Б) нелинейных элементов.

Отличительной особенностью ВАХ полупроводников естественного происхождения является её нестабильный характер («зашумлённость»).

Далее устройство, содержащее нелинейный электронный компонент или несколько таких компонентов, будем называть нелинейным объектом (НО). Кроме непосредственно электронных компонентов в состав объекта входят печатные платы с проводниками, которые являются для сигнала зондирования набором элементарных несогласованных антенн; переменная ЭДС, наводимая при этом на них, поступает на нелинейный элемент.

При локации происходит прямое преобразование падающей на нелинейный объект энергии зондирующего сигнала в энергию высших гармоник. Для степенной аппроксимации ВАХ нелинейного элемента [1] выражение для тока на нелинейном элементе будет иметь вид:

i(u) =a₀ + a₁u(t) + a₂u ²(t) + a₃u³(t) + ... (1)

где u(t) – входной сигнал (сигнал зондирования),

a₀ , a₁, a₂,, a₃ – коэффициенты аппроксимации ВАХ нелинейного

элемента;

Предположим, что сигнал зондирования представляет собой строго гармоническое колебание:

u(t) = u_mcos ωt (2)

где u_m – амплитуда сигнала; ω = 2π f, f – частота, Гц.

Как известно:

cos² ωt = (1+cos 2ωt) / 2

cos³ ωt = (3 cos ωt +cos 3ωt) / 4 (3)

Тогда:

i = i₀ + i₁cos ωt + i₂cos2 ωt + i₃cos3 ωt+… (4)

где i_{0 =} a₀+½a₂u ²_m …

i₁₌ (a₁u_m +¾a₃u ³_m) (5)

i₂₌ ( ½a₂u_m² +….)

i₃₌ ( ¼a₃u_m³ +…)

Из анализа этого выражения следует, что в ответном сигнале, переизлучаемым нелинейным элементом, кроме основной гармоники присутствуют новые составляющие на частотах, кратных частоте зондирующего сигнала (рис. 2). При этом наибольший вклад по энергетическому критерию имеют вторая и третья гармоники.

Рис.2. Преобразование зондирующего сигнала нелинейным элементом.

При нелинейной локации решается две задачи: обнаружение нелинейного объекта и его селекция. Под обнаружением понимается установление наличия объекта в исследуемом пространстве и его локализация. При селекции оператором принимается решение о характере обнаруженного объекта (содержит он нелинейные компоненты искусственного или естественного происхождения). Эффективность обнаружения нелинейного объекта и селективные возможности определяют качество нелинейной локации в целом.

В большинстве случаев конечным результатом нелинейной локации является установление местонахождения в обследуемом объёме или на обследуемой площади нелинейных объектов, классифицированных как устройства съема информации или управляемые дистанционные взрывные устройства и неконтактные взрыватели. Существует также область применения нелинейной локации для организации личного досмотра на предмет проноса в охраняемый объём электронных средств нелегального съема информации и несанкционированных средств связи, а также выноса электронных компонентов с целью хищения.

Прибор, использующий описанный выше принцип нелинейной локации, называется локатором нелинейности или нелинейным локатором (НЛ). Интенсивное исследование принципов нелинейной локации началось в 60-х годах прошлого века. По разным данным, нелинейный локатор в современном его виде был разработан в начале 1970-х. Отечественный НЛ появился в 1971 году [2].

Классификация НЛ достаточно обширна, так как проводится по большому числу признаков. Основными из которых являются:

- вид излучения;

- регистрируемая гармоника;

- мощность излучения;

- частота излучения;

- поляризация излучения.

По виду излучения различают локаторы с непрерывным и импульсным излучением. Общее потребление энергии от источника питания или батареи у импульсного НЛ может быть даже меньшим, вследствие работы на полную мощность только в короткие промежутки излучения зондирующих импульсов. При той же средней мощности, импульсные локаторы обычно имеют большую дальность обнаружения. Объясняется это тем, что короткие зондирующие импульсы большей, чем у непрерывного НЛ, амплитуды вызывают соответственно большие отклики на одном и том же нелинейном элементе. Другими словами, на процесс преобразования, происходящий на нелинейном элементе, оказывает влияние значение не средней, а импульсной зондирующей мощности сигнала.

По регистрируемой гармонике НЛ подразделяются на локаторы с анализом только по одной гармонике и на локаторы с анализом по двум гармоникам. Последние обеспечивают возможность сравнительного анализа второй и третьей гармоники зондирующего сигнала, что, как считается [ ], существенно расширяет возможности оператора в части идентификации электронных объектов поиска на фоне коррозионных нелинейностей. С другой стороны, это качество обычно значительно влияет на стоимость НЛ, так как в этом случае он имеет два приемных тракта. Для НЛ, работающего на второй и третьей гармониках также очень важно, чтобы приемные каналы были хорошо изолированы и не влияли на работу друг друга. Чувствительность приемных трактов во многом определяет дальность обнаружения объектов. Следует понимать, что НЛ с малым уровнем мощности передатчика, но качественным приемником может обладать более высокими обнаруживающими свойствами и в работе быть более эффективным, чем прибор с большей мощностью и плохим приемником.

Не всегда правильно судить о НЛ только по его мощности, будь то импульсный или непрерывный режим; существенным является плотность потока мощности в месте расположения нелинейного объекта, пропорциональная произведению мощности передатчика на коэффициент усиления передающей антенны. Эффективная остронаправленная антенна не только увеличивает энергетику зондирующего сигнала, но и позволяет осуществлять лучшую пространственную селекцию в условиях обследуемого объёма. Имеет значение также, чтобы антенна НЛ имела круговую поляризацию. Это позволяет избежать двойного обследования во взаимно перпендикулярных направлениях, обусловленного возможными поляризационными свойствами антенн нелинейного объекта. Немаловажным остаётся и вопрос безопасности оператора, связанный с уровнем задних лепестков антенной системы. Должно обеспечиваться выполнение норм по энергетической нагрузке на оператора (10 мкВт/см²) [3].

В большинстве современных НЛ предусматривается несколько различных режимов модуляции зондирующего сигнала и несколько методов анализа демодулированного аудиоотклика. Это позволяет максимально достоверно трактовать различия между искусственным и естественным нелинейным элементом при решении задачи селекции.

По конструктивному исполнению и технике применения НЛ делятся на портативные и стационарные. Портативные представляют собой небольшие приборы, пригодные для транспортировки, как в специальном кейсе, так и в полностью собранном состоянии. Они предназначены для оперативно-поисковых работ по поиску скрытых радиоэлектронных устройств на выезде и в полевых условиях. Стационарные НЛ конструктивно выполняются в виде арочных проемов и предназначаются для организации контроля проноса на защищаемый объект запрещённых радиоэлектронных средств. Зона контроля при этом располагается непосредственно в объеме арки и имеет возможность настройки чувствительности. Область применения таких локаторов достаточно разнообразна и включает в себя установку как в банках и на проходных предприятий, так и досмотр багажа в аэропортах, контроль при прохождении в особо охраняемые зоны.

Отдельно стоит отметить специальные НЛ, предназначенные для установки на средства передвижения. Конструктивно это уже приборы не портативные, но пригодные для перевозки в рабочем состоянии и решения задач поиска при передвижении средства. Примером может служить НЛ, разработанный российскими учёными [2] и применявшийся для поиска крупного объекта с расстояния нескольких сотен метров с вертолёта. Существует зарубежный опыт применения подобной техники для спасения терпящих бедствие, заранее снабжённых специальными маркерами, обеспечивающими большую амплитуду отклика для выбранной частоты зондирования. Преимуществом такого метода в сравнении с обычными радиомаяками является отсутствие источника питания и малые массогабаритные показатели маркера.

Различают НЛ, работающие на фиксированной частоте и на имеющие возможность автоматического или ручного выбора одной из нескольких частот. Обычно это набор частот, каждая следующая частота которого отличается от предыдущей на одинаковый шаг (несколько сотен кГц). В соответствие каждой частоте излучения ставятся частоты приемников по второй и третьей гармоникам (в два и в три раза большие). В крупных индустриальных центрах помеховая обстановка оставляет желать лучшего. Проблемы вызваны, прежде всего, всё возрастающим числом различных средств связи и регулированием частотного диапазона органами связьнадзора. При работе прибора на одном фиксированном канале он может находиться во взаимном влиянии с другими электронными устройствами, вследствие чего его показания могут принимать случайный характер, а работа с прибором стать ненадёжной или вовсе невозможной. НЛ с несколькими частотами излучения работает в более широком диапазоне и способен автоматически настраивать приемник (и передатчик соответственно!) на свободный рабочий канал с наименьшим уровнем помеховых сигналов, тем самым, обеспечивая правильную работу при поисковых мероприятиях практически в любых электромагнитных условиях.

Перспективным направлением развития нелинейной локации является применение в качестве зондирующего сигнала многочастотного. Уже в самом простом случае при двухчастотном зондировании получаются интересные результаты. Кроме высших гармоник каждой из двух частот (2-я и 3-я) в спектре переизлученного нелинейным объектом сигнала будут присутствовать комбинационные составляющие суммарной и разностной частот. Причём их амплитуда в два раза больше амплитуды составляющей второй гармоники и первой и второй частот зондирования, при условии равенства их амплитуд [5]. Ещё более сложным будет взаимодействие при воздействии трёх и более частот.

На рисунке 3 приведена обобщённая структурная схема НЛ с возможностью анализа по второй и третьей гармоникам.

Рис.3. Обобщённая структурная схема нелинейного локатора.

1-усилитель радиочастоты (УРЧ), 2-смеситель, 3-гетеродин, 4-усилитель промежуточной частоты(УПЧ), 5-детектор, 6-фильтр, 7-усилитель мощности (УМ), 8-генератор.

Согласно схеме НЛ имеет два приёмных тракта и один передающий, работающие на конструктивно общий антенный блок, состоящий из трёх антенн. Блок управления и обработки (БУО) принимает сигналы от пульта управления (ПУ) и приёмных трактов и выдает сигналы на блок индикации (БИ) и передающий тракт. Рассмотрим более подробно работу НЛ по приведённой схеме.

Генератор по команде БУО начинает формировать непрерывный сигнал, поступающий на УМ для усиления до необходимого уровня. Уровень выбирается на ПУ оператором и задается БУО на УМ. Далее сигнал поступает на фильтр, обеспечивающий высокое соответствие сигнала зондирования гармоническому. Отфильтрованный, он передается на излучающую антенну антенного блока, включающего в себя также и приемные антенны трактов 2-ой и 3-ей гармоник отражённого сигнала. Отклики нелинейного объекта с приемных антенн идут на соответствующие УРЧ для предварительного усиления. На смесителях (2) осуществляется преобразование частот в промежуточные путём смешения с сигналами гетеродинов с последующим усилением в УПЧ каждого приемного тракта. С УПЧ сигналы поступают на детекторы для демодуляции. БУО обрабатывает демодулированные сигналы и выдаёт на БИ уровни принимаемых гармоник. Также в зависимости от режима работы осуществляется звуковая индикация или прослушивание демодулированного отклика одной из гармоник.

При длительной работе с НЛ большое значение приобретают его эргономические показатели. Удобство работы с прибором и размещение его основных органов управления и отображения создают комфортные условия для высокоэффективной поисковой деятельности. Наилучшим решением является яркий дисплей, расположенный на корпусе антенны. Показания с такого дисплея легко считывать с разных углов. Дисплей, встроенный в корпус антенны, позволяет пользователю одновременно считывать показания и перемещать антенну. Если у оператора нет возможности легко считывать показания с дисплея, качество поисковых работ снижается из-за ухудшения интерпретации уровней гармоник. Массогабаритные показатели все производители стараются уменьшить, сделав прибор удобным в работе и для транспортировки. Важен внешний вид приборов и их дизайн, составляющие, характерные для успеха на рынке современной информационной безопасности бизнеса. В таблице 1 представлены основные характеристики наиболее распространённых НЛ различных модельных годов выпуска.

Таблица 1

Модель, страна изгото- витель	Режим излу- чения	Средняя мощ- ность, Вт	Импуль- сная мощность, Вт	Чувстви- тель- ность, дБ/Вт	Частота излуче- ния, МГц	Частота приема, МГц	Габариты, См	Масса, кг
Broom Англия	непр.	0,06-0,9	-	-120	915	1830	51*24*8	12
Super Broom Англия	непр.	0,06-0,9	-	-120	915	1830 2745	51*24*8	12
Super Scout США	непр.	0,5-2	-	-	915	1830 2745	53*45*20	18
Diviner Англия	непр.	2,5	-	-	890	1780	35*17*7	4,5
Armashield Англия	непр.	0,3-3	-	-	888	1776 2664	28*25*5	3,7
PC- Elektronik	непр.	0,3-3	-	-	890	1780	55*45*18	17
Энвис Россия	непр.	0,04-0,8	-	-145	910	1820 2730	45*32*14	13
АТ623 Россия	непр.	0,03-0,3	-	-150	915	1830 2745	26*20*8	-
Обь Россия	непр.	0,5-3	-	-145	1000	2000	47*40*10	13
Катран Россия	непр.	0,08-2	-	-130	890	1780 2670	-	3
Онега 3 Россия	имп.	-	100	-120	910	1820 2730	-	-
Люкс Россия	имп.	-	3-14	-120	435	970	22*14*5,5	6,5
Лотос Россия	имп.	-	30-300	-110	890	1780	58*38*15	13
RFD 23 Россия	имп.	0,09	150	-115	860	1720 2580	-	3
Октава М Россия	имп.	1,5	50-300	-110	890	1780	16*15*5	9
Циклон Россия	имп.	0,12	50-300	-110	680	1360	49*39*9	12
Циклон-М Россия	имп.	0,12	80-250	-110	680	1360	17*15*5	5,5
Циклон-М1А Россия	имп.	0,09	250	-110	680	1360	15*12*4	2,2
NR 900М Россия	имп.	0,25	40-150	-115	900	1800	16*7*19	7
NR 900Е Россия	имп.	0,25	40-150	-115	900	1800 2700	23*65*16	8