книги из ГПНТБ / Мясников, Л. Л. Новые методы измерений в подводной акустике и радиотехнике

щего электромагнитного потока СВЧ. Это объясняется сравнительно узкой направленностью даже малого рупора и, следовательно, пе­ риодическим изменением чувствительности при его вращении. Могут быть использованы и другие способы модуляции, например периоди­ ческое вращение или качание вторичных отражателей антенного устройства.

Уровень сигнала, получаемый на выходе радиометра при прове­ дении измерений, записывается с помощью самописца, магнитофона или какого-либо другого прибора.

Радиометры, применяемые на судах, отличаются от описанного радиометра лишь техническими деталями, обусловленными специ­ фикой задач навигации и обнаружения на море. Принцип их дей­ ствия аналогичен вышеизложенному; разница заключается в самом способе отсчета положения Солнца и регистрации этого положения. Могут быть применены счетно-решающие устройства для определения координат по полученным показаниям. То же относится и к так называемым пассивным радиолокационным системам, применяемым на судах для обнаружения и распознавания морских объектов.

§ 4.2. РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ НА МОРЕ

Основными параметрами пассивных радиолокационных систем, определяющими выходное отношение сигнал/шум, являются флюктуационная чувствительность радиометра и угловая разрешающая способность антенной системы.

В настоящее время, благодаря использованию в радиометрах ламп с «бегущей волной», параметрических и молекулярных усили­ телей, удалось повысить флюктуационную чувствительность радио­ метра до нескольких тысячных долей Кельвина [103]. Применение таких радиометров позволяет существенно снизить размеры антенны. Однако практически указанную чувствительность полностью реали­ зовать не удается, так как приходится сталкиваться с ограничениями, накладываемыми антенной системой. В подобных случаях радиоиз­ лучение окружающей среды (моря, атмосферы и т. д.), воспринимае­ мое антенной с определенной диаграммой направленности, стано­ вится главным фактором, от которого в основном зависит чувстви­ тельность системы к слабым сигналам. Рассмотрим этот вопрос несколько подробней.

Если пространство, окружающее антенну, характеризуется рас­ пределением яркостной температуры Тя (0, ф), где 0, ф — угловые координаты некоторого элемента пространства, то спектральная интенсивность сигнала, выделенного на согласованной нагрузке антенны без потерь, может быть представлена антенной температу­ рой [59]

F (0, ф) dQ.

4 я

90

.Здесь LF (Q, ф) — функция, описывающая диаграмму направлен­ ности антенны. Величина (0, ф), как следует из (4.7), зависит

не только от распределения яркостной температуры в окружающем пространстве, но и от диаграммы направленности антенны, и является средневзвешенной по диаграмме направленности величиной.

Выражение (4.7) справедливо, вообще говоря, для источников

антенны). Для ближней зоны, где полю излучения антенны свой­ ственны пространственные осцилляции, Т°а (0, ф) зарисит от того,

находится ли цель в дифракционном максимуме или минимуме. Однако в случае протяженных, однородных и изотропных источни­ ков, какими можно считать в пределах волнового пучка антенны море и атмосферу, формула (4.7) справедлива и для ближней зоны

(R С D 2IX).

Доля энергии, принимаемая боковыми лепестками, характери­

4я

исоставляет величину порядка 0,1—0,4 от общего количества энергии изотропного излучения. Разбивая в соответствии с этим область на главный лепесток и боковые лепестки (занимаемые ими телесные

йбок

определяют усредненные по главному и боковым лепесткам яркост­ ные температуры, а множители р и 1 — Р определяют соответственно долю энергии изотропного излучения, принимаемую по боковому и главному лепесткам.

Реальные антенно-фидерные системы обладают потерями, вели­ чина которых характеризуется коэффициентом полезного действия антенны г), зависящим от поглощения энергии самой антенной и or ее собственных шумов. Согласно [30] величина собственных шумов антенны может быть выражена через термодинамическую темпера­ туру антенны Т 0 в виде произведения Т 0 (1 — г)). Тогда, учитывая равенство (4.9), представим спектральную интенсивность сигнала»

9к

выделенного на согласованной нагрузке антенны с потерями, в сле­ дующем виде:

Та = Т1ц + Г 0 (1 — г,).

Здесь первый член характеризует антенную температуру прини­ маемого излучения, которое ослаблено вследствие потерь в антенно­ фидерном тракте, второй — собственное излучение антенны, обусло­ вленное ее термодинамической температурой и потерями. Для случая т) = 1 выражение существенно упрощается, если излучение окружающего пространства изотропно (Тя = const). Вынося из-под

знаков интегралов в (4.9) Тя, получим Т°а = Тя, т. е. антенная температура принимаемого излучателя равна его яркостной темпе­ ратуре. Выражение оказывается справедливым и для случая про­ тяженных целей (£2Ц> Пгл), яркостная температура которых мало изменяется в пределах Огл. При этом, однако, предполагается,что излучением, попадающим вне Пгл, можно пренебречь. В случае сильно излучающих целей малых угловых размеров, когда спра­ ведливо неравенство Оц Пгл, функцию F (0, <р) можно считать постоянной в пределах Пц. Вынося F из-под знака интеграла, полу­ чим следующее выражение для антенной температуры:

В общем случае, когда цель, расположенная на радиоизлучающем фоне, наблюдается через поглощающую среду, модель реальной «радиотепловойх обстановки можно представить в виде сферы. Распределение яркостной температуры по внутренней излучающей поверхности этой сферы для наблюдателя, находящегося в центре, имеет вид

Тя.«(в, (р) = Тц (в, ф) <.-**<»■ *> +

R

где kr (0, ф) = [ х dl — коэффициент, характеризующий поглощение

б

в направлении 0, ср; R — радиус сферы; Тс (0, ср) — термодинами­ ческая температура среды; Тф (0, ср) и Тя (0, ср) — соответственно яркостные температуры фона и цели. Первый и третий члены в выра­ жении (4.10) характеризуют соответственно яркостные температуры цели и фона, уменьшенные в результате прохождения излучения через среду, второй член — собственное радиоизлучение среды.

Подставляя выражение (4.10) в формулу (4.9), получим следующее выражение для антенной температуры идеальной нешумящей пассив­ ной радиолокационной системы, у которой отсутствуют собственные

92

шумы антенны и приемника:

а бок________________ ________________________I f __________________________ ___

| F (0, ф) dQ

(4.11)

Первое слагаемое в (4.11) выражает сигнальную составляющую антенной температуры по главному лепестку диаграммы направлен­ ности антенны (£2ГЛ), обусловленную радиоконтрастностью цели относительно фона. Второе слагаемое выражает составляющую, обусловленную радиоизлучением фона и среды, попадающим в глав­ ный и боковые лепестки диаграммы. Это слагаемое характеризует помеху.

Полагая для простоты боковое рассеяние антенны однородным и изотропным, а излучение цели однородным, найдем из (4.11) отно­ шение сигнал/помеха N для наиболее часто встречающегося в прак­ тике случая цели малых размеров (£2Ц« Йгл):

усредненные по главному и боковым лепесткам диаграммы напра­ вленности антенны температуры фона и среды.

Как следует из формул (4.11) и (4.12), внешняя среда оказывает влияние на отношение сигнал/помеха как вследствие уменьшения радиоконтрастности цели, так и вследствие образования на входе

Земли.

Земная атмосфера обладает собственным температурным излу­ чением, создающим фон, яркость которого уступает лишь яркости Солнца. В ряде случаев это дает дополнительную подсветку морских объектов, ухудшающую условия приема радиоизлучения, и маски­ рует объекты. Прием излучения космических объектов становится затруднительным на волнах короче 6 мм из-за сильного возрастания излучения атмосферы с уменьшением длины волны.

Согласно закону Кирхгофа характер рассматриваемого излучения определяется поглощательной способностью атмосферы, обусловлен­ ной в основном молекулярным поглощением двух атмосферных

93

газов — кислорода и водяного пара. Поглощение в земной атмосфере ослабляет поток радиоизлучения, увеличивая ошибку угломер­ ных наблюдений.

Излучение объектов на микрорадиоволнах сильно ослабляется также при прохождении через зоны осадков, туманов и облаков, что связано с рассеянием радиоволн на водяных каплях и с джоулевыми потерями, свойственными воде как неидеальному диэлектрику.

В миллиметровой области атмосфера обладает так называемыми окнами прозрачности, в промежутках между которыми на миллиме­ тровых и субмиллиметровых волнах имеются области избирательного поглощения для разных газов. Например, существует область прозрачности в диапазоне от 80 до 100 ГГц.

Линии поглощения кислорода с максимумом на частоте 60 ГГц или водяных паров в области частот от 20 до 60 ГГц могут быть подвергнуты исследованию с помощью радиоастрономических мето­ дов. В последнем случае измерения дают распределение водяного пара в атмосфере. Точно так же определяется распределение концен­ трации озона по высоте. Эти задачи связаны с вопросами радио­ спектроскопии (см. § 4.3).

Обратимся к радиоизлучению атмосферы в сантиметровом диапа­ зоне волн, причем будем учитывать только зависимость этого излуче­

и, поскольку нас интересует излучение атмосферы, в дальнейшем будет рассматриваться только первый член. Введем величину у (9) =

со

—\ у dl

= ке 0 . Интегрируя, имеем

Последнее равенство приближенное, справедливое ввиду относитель­ ной малости интегрального поглощения в атмосфере сантиметровых

94

дает то же самое излучение, что и атмосфера с реальным распределе­ нием температуры по высоте:

Яркость равновесного излучения атмосферы под углом 0 можно выразить, с одной стороны, через яркостную температуру излучения:

г 2лck гр

С другой стороны, решение уравнения переноса (4.4) дает

00

удобно характеризовать температурой антенны Та\ при достаточно

коэффициента поглощения радиоизлучения кислородом хъ водяным

Н г = 5,3 км и Н 2 = 2,1 км — характеристические высоты кислорода и водяного пара соответственно; а = ---- удельный коэффициент

поглощения паров воды в дБ/км на г/м3; р0 — абсолютная влажность

95

в г/м3. Средняя температура атмосферы Тср в кельвинах определяется выражением

Теоретическая зависимость поглощения от длины волны в кисло­ роде воздуха (кривая 1) и в водяных парах (кривая 2), полученная Ван-Флеком 1114], приведена на рис. 4.4.

Таким образом, поглощение и излучение в условиях ясной погоды может быть оценено с помощью формулы (4.14) по известным коэф­

уменьшении угла визирования для разных длин волн носит одина­ ковый характер. Такое возрастание связано с увеличением толщи атмосферы от зенита к горизонту и находится в соответствии с зави­ симостью, представленной формулой (4.14).

При появлении быстро меняющихся слоев морского тумана, облаков, при изменении интенсивности дождя и т. п., монотонность зависимости величины излучения от угла 0 нарушается. Особенно значительны эти нарушения при наличии облаков типа СЬ и Си, собственное излучение которых может достигать 50— 100 К.

Свойства атмосферы изменяются не только с высотой, но и от точки к точке даже на одной и той же высоте. Турбулентное движение атмосферы приводит к флюктуациям параметров атмосферы; те в свою очередь вызывают соответствующие вариации принимаемого сигнала.

Другим обстоятельством, определяющим влияние атмосферы, является рефракция радиоволн, связанная с изменением плотности и показателя преломления атмосферы с высотой. Вследствие рефрак­

96

ции измеряемое угловое положение объекта не соответствует истин­ ному. Кроме того, происходит рефракционное ослабление радио­ излучения объекта и изменение его «видимых» размеров.

Обратимся теперь к радиоизлучению моря. При рассмотрении

полупрозрачна для микрорадиоволн, вторая — непрозрачна, так как микрорадиоволны при проникновении в воду быстро затухают.

Оценка толщины скин-слоя по формуле

Tq,К

ашрл(х \ —V2

б = (

где а и р , — соответственно проводимость и относительная магнитная проницаемость мор­ ской воды, показывает, что б составляет нес­ колько сантиметров; отсюда следует, что излучение моря определяется его поверхно­ стным слоем.

Яркостная температура излучения по­ верхности моря Тя м (0) определяется вели-

Для качественной иллюстрации общего характера радиоизлуче­ ния моря проведем рассмотрение, предполагая поверхность моря плоской зеркальной, когда высота морских волн hm ^ .0 ,lX m.

Рассмотрим полупространство, ограниченное снизу морской по­

атмосферы и дискретного источника И (излучение отражается от морской поверхности в направлении к наблюдателю А).

Значение АТя м (0) определяется через термодинамическую тем­

Здесь первое слагаемое определяет подсветку за счет собственного

поверхности моря также зависит от величины Я. На рис. 4.8 представ­

вленная собственным радиоизлучением ровной поверхности моря, есть функция от угла наблюдения, вида поляризации и длины волны принимаемого излучения. При вертикальной поляризации вели­ чина АТя м, следуя изменениям коэффициента отражения при уменьшении угла наблюдения, сначала возрастает, достигая макси­ мального значения при псевдобрюстеровском угле 4—8°, а затем уменьшается до нуля при малых углах 0. При горизонтальной поля­ ризации АТя м меньше, чем при вертикальной поляризации (при одинаковых углах 0), и монотонно убывает с уменьшением угла 0. Что же касается подсветки, то в случае протяженного источника,

98

каким является атмосфера, будет наблюдаться обратная зависимость от угла 0. Максимальной подсветка будет при малых углах наблю­ дения 0, когда собственное излучение атмосферы и коэффициент отражения поверхности моря максимальны. Подсветка дискретным источником при ровной поверхности моря будет иметь место лишь для угла наблюдения 0, равного углу 9' (см. рис. 4.6).

Радиоизлучение морской поверхности в значительной степени зависит от ее состояния. Волнение моря вызывает вариации яркост­ ной температуры относительно ее среднего значения, причем величина вариаций, а также величина самого среднего значения зависят от силы волнения. С ростом волнения моря коэффициенты отражения перестают соответствовать зависимости, показанной на рис. 4.8.

л Т я Г/,(К

При большом волнении на результатах измерений существенно сказывается стохастическое распределение морских волн на поверх­ ности, их форма, размеры и т. п. Аналитическое определение ярко­ стной температуры моря при различной степени волнения предста­ вляет собой сложную дифракционную задачу, связанную с необхо­ димостью учета многократных переотражений, затемнения одних участков поверхности волн другими и многих других факторов. В подобных случаях сталкиваются с необходимостью прямых изме­ рений фоновых излучений (собственного радиоизлучения моря, атмосферы и т. п.). Эти измерения имеют конструктивный аспект, так как они связаны с приемом излучения, обладающего сложной пространственно-временной структурой. Вообще говоря, вопросы фоновых радиоизлучений и вопросы обнаружения и распознавания морских объектов по их собственному радиоизлучению относятся к области конструктивных измерений и связаны с теорией распозна­ вания структур. При этом желателен способ обзора с применением нескольких пассивных радиолокационных систем (ПРЛС), что дает возможность получить информацию в виде карты «радиояркостной» обстановки, позволяющей выделить участки помех и ложных сигна­ лов. В ряде случаев при обзоре морской поверхности или воздушного