Патент 2668228

Способ обнаружения носимых осколочных взрывных устройств и огнестрельного оружия

Изобретение относиться к области противодействия терроризму и может быть использовано в системе защиты объектов, при этом используется двухчастотный режим облучения металлических объектов с регистрацией комбинационных частот в спектре отраженного СВЧ сигнала. Технический результат состоит в увеличении дальности обнаружения носимых осколочных взрывных устройств и огнестрельного оружия, в конструкции которых имеются различные металлические контакты (в том числе и только плоскостные). Для этого способ основан на усилении нелинейных свойств плоскостных металлических контактов за счет воздействия на них мощными СВЧ короткими радиоимпульсами. Это вызывает электрический плазменный пробой диэлектрических окисных пленок, покрывающих контактирующие металлические поверхности. Пробой состоит из нескольких элементарных быстродействующих нелинейных электронных процессов: эмиссии электронов из катода в диэлектрик (окисную пленку), размножения электронов вследствие ударной ионизации, образования и разрушения отрицательного объемного заряда. В момент пробоя нелинейные свойства контактов резко усиливаются, что может быть зарегистрировано приемником нелинейной радиолокационной станции. Усиление нелинейных свойств объясняется возникновением нелинейного плазменного слоя. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относиться к области противодействия терроризму и может быть использовано в системе защиты объектов.

Известен способ нелинейной радиолокации, разработанный в рамках программы METRA(США) [1]. При облучении металлического объекта (осколочного взрывного устройства, пистолета и др.) СВЧ электромагнитным полем из-за наличия нелинейной электрической проводимости («туннельного» эффекта) у металлических контактов в спектре отраженного СВЧ сигнала появляется третья гармоника, фиксирующаяся приемником.

Недостаток данного способа – низкая эффективность обнаружения из-за малого уровня сигнала на 3-й гармонике и наличия собственных гармоник СВЧ передатчика, что снижает дальность обнаружения.

Наиболее близким к заявленному изобретению является двухчастотный способ нелинейной радиолокации, с регистрацией комбинационных частот в спектре отраженного сигнала [2].

При этом собственные гармоники СВЧ передатчиков не оказывают помехового влияния на процесс обнаружения. Кроме того, более низкие принимаемые комбинационные частоты третьего порядка (fпр=2f1,2-f2,1), по сравнению с 3-й гармоникой, обуславливают меньшее шунтирующее влияние емкостей нелинейных металлических контактов объектов поиска, увеличивая этим их отражательные свойства.

Недостатком данного двухчастотного способа является малая дальность обнаружения металлических объектов, у которых имеются плоскостные металлические контакты, но отсутствуют точечные. Как известно из теории металлических контактов, в этом случае их нелинейные свойства минимальны из-за большой шунтирующей емкости [3, 4]. Такими плоскостными металлическими контактами обладают, например, пистолеты.

Техническим результатом изобретения является увеличение дальности обнаружения носимых осколочных взрывных устройств и огнестрельного оружия, в конструкции которых имеются различные металлические контакты (в том числе и только плоскостные).

Предлагаемый способ обнаружения основан на усилении нелинейных свойств плоскостных металлических контактов за счет воздействия на них мощными СВЧ короткими радиоимпульсами. Это вызывает электрический плазменный пробой диэлектрических окисных пленок, покрывающих контактирующие металлические поверхности. Пробой состоит из нескольких элементарных быстродействующих нелинейных электронных процессов: эмиссии электронов из катода в диэлектрик (окисную пленку), размножения электронов вследствие ударной ионизации, образования и разрушения отрицательного объемного заряда. В момент пробоя нелинейные свойства контактов резко усиливаются, что может быть зарегистрировано приемником нелинейной радиолокационной станции. Усиление нелинейных свойств объясняется возникновением нелинейного плазменного слоя.

Пробивная напряженность электрического поля составляет 105-107 в/см. Весьма важно, что длительность прикладываемого напряжения может быть весьма малой – единицы - десятки наносекунд. Соответственно и продолжительность воздействия электромагнитного поля, облучающего объект поиска может быть такой малой. При толщине окисной пленки единицы-десятки микрон ее пробой наступает при напряжении 10 В и более [4, 5]. Такие напряжения создают в металлических объектах поиска, имеющих характерные размеры в единицы дециметров (пистолеты, «пояса шахида» и др.) при плотности потока мощности СВЧ поля в несколько десятков Вт/м2 [6, 7]. Диапазон используемых радиоволн при этом должен соответствовать характерным размерам объектов поиска (0,1…0,3 м), т.е. должен быть дециметровым.

Наибольшую амплитуду сигнала от металлических контактов создаются на комбинационных частотах 3-го порядка, т.е. при fпр=2f1-f2 и fпр=2f2-f1[2, 3, 4]. Это обусловлено кубической вольт-амперной характеристикой металлического контакта [3].

В заявленном способе обнаружения плотность потока СВЧ мощности у металлического объекта поиска (скрыто носимого осколочного взрывного устройства, огнестрельного оружия) на одной из частот создается не менее порога плазменного пробоя в металлических контактах конструкции этого объекта. При этом для повышения экономичности это СВЧ поле создается в импульсном режиме с длительностью не менее 10 нс.

На фиг.1 показана структурная схема реализующая предлагаемый способ обнаружения носимых осколочных взрывных устройств и огнестрельного оружия.

Устройство обнаружения осколочных взрывных устройств и огнестрельного оружия (1) содержит СВЧ передающее устройство с частотой f1 (2), СВЧ предающее устройство с частотой f2 (3), СВЧЧ приемное устройство комбинационных частот.

Устройство обнаружения работает следующим образом.

Узконаправленные лучи СВЧ электромагнитного поля с помощью передающего устройства (2) на частоте f1 и передающего устройства (3) на частоте f2 излучает в направлении объекта поиска (1) (осколочного взрывного устройства, спрятанного под одеждой пистолета и др.). При этом импульсная мощность плотности потока мощности СВЧ поля у объекта поиска, создаваемого передающим устройством (3), выше порога плазменного пробоя окисных пленок металлических контактов (десятки Вт/м2 и более) этого объекта. Это приводит к скачкообразному увеличению нелинейных отражательных свойств объекта поиска. Отраженный сигнал на комбинационных частотах регистрируется приемным устройством (4).

С целью проверки работоспособности предлагаемого способа был проведен эксперимент в полевых условиях. В качестве объектов поиска использовались:

- пистолеты Макарова (учебные) – с плоскостными металлическими контактами в своей конструкции (3 шт);

- макеты скрыто носимых осколочных взрывных устройств с различными поражающими элементами (гвозди, обрезки арматуры, проволоки и др.) – 3 шт.размером 0,15×0,4 м – с точечными металлическими контактами

Характеристики передающего устройства №1: частота f1=840 МГц, Мощность Pимп=600 Вт (в импульсе), КНД=6, длительность импульса τи=1,2 мкс, частота следования импульсов Fсл=450 Гц.

Характеристики передающего устройства №2: частота f1=680 МГц, Мощность Pимп=1 Вт (непрерывный режим излучения), КНД=10,

Характеристики приемного устройства на базе приемника П5-20: частота принимаемая fпр=2f1-f2=1000 МГц, чувствительность до 10-12 Вт, на входе приемника установлен дополнительный полосовой СВЧ фильтр (f0=1000 МГц), режим работы – прием импульсных сигналов («Пик»)

Величины зондирующих СВЧ полей замерялись прибором П3-19.

Создание режима возбуждения плазменного пробоя в плоскостных контактах (у пистолетов) подтверждают следующие факторы:

- наличие порогового значения падающего на объект плотности потока мощности Ппад≈50…60 Вт/м ниже которого нелинейные свойства у пистолетов (плоскостные контакты) пропадали;

- шумовая «окраска» отраженного на комбинационной гармонике (1000 МГц) сигнала, что характерно для СВЧ диагностики плазмы [8].

Дальность обнаружения пистолетов достигала 2…2,2 м, а осколочных взрывных устройств – до 12…15 м.

В то же время, при использовании в качестве первого передающего устройства обычного измерительного генератора с мощностью P=1 Вт (непрерывный режим) объекты с плоскостными контактами (пистолеты) не обнаруживались.

Источники информации:

1. Hager R. Harmonic Radar System. IEEE Tr. V-AES-12, №2, 1976

2. Щербаков Г.Н. Применение нелинейной радиолокации для дистанционного обнаружения малоразмерных объектов. Специальная техника, 1999, №1, с.34-39

3. Смирнов В.С. и др. Теория конструкций контактов в электронной аппаратуре. М. Советское радио, 1974, 176 стр.

4. Клеметенко А.Я. и др. Контактные помехи радиоприему. М. Военное издательство МО СССР, 1979, с.24-32

5. Воробьев А.А. и др. Электрический пробой и разрушение твердых диэлектриков. М. Высшая школа, 1966 г., 224 с.

6. Драбкин А.Л. и др. Антенно-фидерные устройства. М. Советское радио, 1961, с.136-155

7. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации М. Советское радио, 1973 г., с.119-133

8. Брандт А.А. и др. Плазменные умножитель частоты М. Изда. «Наука», 1974 г., 208 с.

1. Способ обнаружения носимых осколочных взрывных устройств и огнестрельного оружия, включающий двухчастотное облучение СВЧ электромагнитным полем и регистрацию комбинационных СВЧ составляющих в спектре отраженного сигнала, отличающийся тем, что плотность потока зондирующего СВЧ поля у объекта поиска на одной из частот создают не менее порога плазменного пробоя в металлических контактах конструкции этого объекта.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что СВЧ электромагнитное поле, вызывающее энергетический пробой у металлических контактов, создают в импульсном режиме с длительностью импульсов не менее 10 нс.