Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
НКПОО_07_Излучения.doc
Скачиваний:
0
Добавлен:
07.09.2019
Размер:
316.93 Кб
Скачать

Количественные характеристики радиотеплового излучения

Спектральная плотность излучения реальных тел зависит от двух физических характеристик: коэффициента поглощения  и абсолютной температуры Т. Оперировать с двумя разнородными характеристиками не всегда удобно, особенно когда приходится сравнивать между собой различные излучающие тела (цели). Поэтому в радиотеплолокации принято использовать одну величину, равную произведению коэффициента поглощения на абсолютную температуру:

Величину ТЯ называют радиояркостной температурой данного излучателя; она равна абсолютной температуре идеального излучателя, создающего излучение такой же спектральной плотности, как и данный излучатель. Хотя в отличие от спектральной плотности излучения в выражение для радиояркостной температуры не входит длина волны, практически радиояркостные температуры некоторых тел и объектов могут зависеть от длины волны за счет влияния длины волны на величину коэффициента поглощения.

Раньше уже упоминалось о том, что хорошо отражающие объекты не создают сильного собственного излучения.

Так, радиояркостная температура металлических объектов и покрытий не превышает 10 – 20о К. Тем не менее металлические объекты могут интенсивно переизлучать (отражать) падающее на них радиотепловое излучение протяженных (фоновых) источников (земной поверхности, облаков). Суммарную спектральную плотность собственного и отраженного излучений можно записать в виде

Аналогично определению радиояркостной температуры кажущаяся температура равна абсолютной температуре идеального излучателя, создающего собственное излучение, равное суммарному излучению данного реального излучателя.

В отличие от радиояркостной температуры кажущаяся температура может быть больше, чем абсолютная температура излучателя. Значениями радиояркостных и кажущихся температур удобно пользоваться при сравнении различных реальных излучателей.

Большой интерес представляет вычисление величины мощности, излучаемой тем или иным объектом. Мощность радиотеллового излучения зависит не только от

кажущейся температуры и площади объекта, но и от его формы, степени гладкости поверхности объекта и ряда других трудноучитываемых факторов. Однако для объектов простой конфигурации этими факторами можно пренебречь. Тогда выражение для мощности излучения может быть записано в следующем виде:

Все вышеизложенное касалось энергетических характеристик излучения - яркостной температуры, кажущейся температуры, мощности. Однако знания одних этих характеристик недостаточно для того, чтобы оценивать возможности обнаружения радиотепловых излучателей. Для этого еще надо знать, каковы «диаграммы направленности» радиотепловых излучателей и какая поляризация антенн требуется для его приема.

В отличие от диаграмм направленности радиолокационного переизлучения, которые для большинства объектов имеют изрезанную лепестковую структуру, диаграммы направленности радиотеплового излучения обладают гораздо большей равномерностью. Это вполне понятно: ведь излучение объекта складывается из совершенно не зависимых друг от друга излучений отдельных участков. Поэтому в диаграммах собственного радиотеплового излучения принципиально не может быть нулевых провалов и в первом приближении можно считать, что радиояркостная температура объектов несложной формы, выполненных из однородного материала, не зависит от направления. Совершенно таким же образом обстоит дело для площадных («фоновых») излучателей с мелкими по сравнению с длиной волны неровностями поверхности («шероховатые» излучатели). Если поверхность излучателя совершенно гладкая или высота неровностей намного больше длины волны, то коэффициент излучения, а вместе с ним величина радиояркостной и кажущейся температур будут зависеть от направления, под которым этот отражатель «рассматривается» радиотеплолокатором (см. формулы (6).

Радиотепловое излучение естественных и искусственных объектов. Реальные радиотепловые излучатели (искусственные и естественные) часто имеют свойства, сильно отличающиеся от свойств идеального излучателя - АЧТ. Поэтому кажущаяся температура реальных излучателей может изменяться при изменении длины волны и вида поляризации.

Кроме того, кажущаяся температура объектов может зависеть и от направления, с которого эти объекты наблюдаются. Наконец, на величину кажущейся температуры будут влиять время суток, года и метеорологические условия, особенно степень влажности поверхности объекта.

Металлические объекты излучают очень слабо, поэтому их кажущаяся температура в основном определяется яркостной температурой подсвечивающего фона. На рис. 5 приведен график зависимости кажущейся температуры металлического листа от угла, под которым этот лист наблюдается. График построен по результатам экспериментального исследования, проводившегося в 4-мм диапазоне волн. Как видно из графика, радиояркостная температура металлического листа во всем диапазоне углов наблюдения не превышает 10 – 18о К, при чем полированная поверхность излучает слабее, чем неполированная. Кажущаяся температура не увеличивается и при нанесении на металл тонкого слоя краски. По виду кривых рис. 5 можно сделать вывод, что металлический лист является своеобразным «зеркалом», в котором отражается более «горячее» небо. По экспериментальным данным, приведенным в зарубежной литературе, на волне 8 мм кажущаяся температура металлических объектов, расположенных на земной поверхности, гораздо ниже, чем в 4-мм диапазоне, и не превышает 50оК.

Это объясняется меньшей радиояркостной температурой неба в 8-мм диапазоне. По этой же причине в сантиметровом диапазоне волн кажущаяся температура наземных металлических объектов будет еще ниже. Заметим, что кажущаяся температура металлических объектов почти не зависит от их физической температуры; поэтому с помощью радиотеплолокаторов не удается отличать нагретые металлические объекты от холодных, что возможно, например, с помощью ИК аппаратуры.

Значительно выше (230250оК) кажущаяся температура зданий и различных искусственных сооружений, выполненных из неметаллических строительных материалов. Большинство этих материалов представляет собой диэлектрики с большими потерями, поэтому их коэффициент излучения сравнительно велик. За рубежом исследуют также излучение асфальтовых и бетонных покрытий, наличие которых является характерным признаком многих военных, промышленных и транспортных объектов (дороги, взлетно-посадочные полосы, ракетные позиции и т. п.). Так как эти покрытия представляют собой плоские и относительно гладкие поверхности, их кажущаяся температура сильно зависит от угла наблюдения. На рис. 6, а приведены графики зависимости кажущейся температуры асфальта от угла наблюдения  на различных длинах волн. Как видно из графиков, кажущаяся температура асфальта может принимать значения от 100 до 300оК. Кажущаяся температура бетона может колебаться в пределах 260 – 290оК.

Важным условием, необходимым для обнаружения объекта по его радиотепловому излучению, является отличие кажущейся температуры объекта от кажущейся температуры поверхности, на фоне которой он расположен. Поэтому проводились и проводятся исследования радиотеплового излучения типовых фонов земной и водной поверхностей, атмосферы, облаков и различных метеорологических осадков. При этом было установлено, что кажущиеся температуры различных участков земной поверхности довольно слабо зависят от длины волны и вида поляризации. Графики зависимости кажущейся температуры травяного покрова, леса, сельскохозяйственных культур от длины волны и угла наблюдения приведены на рис. 6, в. Как видно из этих графиков, кажущиеся температуры участков земной поверхности, поросших лесом, сельскохозяйственными культурами, травой, не очень сильно отличаются. Таким образом, в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн лес и травяной покров излучают почти так же, как идеальный излучатель - абсолютно черное тело.

Излучение поверхностных излучателей довольно сильно зависит от степени влажности их поверхности. Так, в дождливую погоду кажущаяся температура асфальтированных и бетонированных покрытий возрастает на 3 – 7о. Так как физическая температура поверхности земли меняется при смене времен года и в течение суток, соответственно изменяются и кажущиеся температуры земной поверхности. Например, в 10-см диапазоне максимальная кажущаяся температура зимнего леса в течение суток изменяется от 227о (7 ч) до 243о (16 ч). Кажущаяся температура водных поверхностей (рек, озер, морей) сильно зависит от угла наблюдения, вида поляризации, степени волнения. Графики зависимости кажущейся температуры озерной (пресной) воды от угла наблюдения и вида поляризации приведены на рис. 6, б.

Волны на поверхности воды способствуют увеличению ее кажущейся температуры, так как пенистые верхушки гребней имеют более высокий коэффициент излучения, чем сама вода. Интересно, что кажущаяся температура льда на несколько десятков градусов выше температуры воды. Это объясняется высоким коэффициентом излучения льда.

Как известно, для радиолокационной маскировки металлических объектов могут применяться поглощающие покрытия. Совершенно очевидно, что радиотепловую маскировку такие покрытия не будут обеспечивать, так как они являются хорошими радиотепловыми излучателями.

Мощными источниками радиотеплового излучения являются факелы ракетных двигателей. При работе ракетного двигателя вследствие высокой температуры образующихся газов их молекулы интенсивно ионизируются; образовавшиеся при ионизации свободные электроны резко повышают электрическую проводимость газов; факел при этом можно рассматривать как проводящее тело с большими электрическими потерями. Вследствие этого коэффициент поглощения в факеле в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн довольно велик (0,5 - 0,7); температура же факела достигает значений 3000 – 4000оК. Отсюда видно, что радиояркостная температура факела имеет значения 1 500 – 2800оК, т. е., грубо говоря, в 10 раз выше, чем для наземных объектов [4].

При уменьшении давления окружающего воздуха плотность электронов быстро падает, коэффициент поглощения, следовательно, уменьшается. Понижается коэффициент поглощения и с укорочением длины волны. Пропорционально коэффициенту поглощения изменяется и радиояркостная температура факела.

Зависимость коэффициента поглощения от высоты полста и длины волны изображена графически на рис. 7. Значительный вклад в исследования радиотеплового излучения, возникающего при горении различных топлив, сделали советские ученые А.Е. Башаринов и В.М. Поляков. Они показали, что при горении топлива излучение пламени происходит не только вследствие ионизации газов - продуктов сгорания, но и вследствие того, что в пламени находится много частиц несгоревшего топлива; каждая такая частица является радиотепловым излучателем.

Размеры излучающих частиц могут быть разными - от тысячных до десятых долей миллиметра; на волнах примерно такой же длины излучение будет наиболее интенсивным - частицы как бы настраиваются в резонанс. Таким образом, в этом случае кажущаяся температура будет возрастать с укорочением длины волны.

Графики зависимости коэффициента излучения пламени горящего твердого топлива от длины волны, экспериментально полученные А.Е. Башариновым и В.М. Поляковым, приведены на рис. 8, б. Как видно из этих графиков, наиболее интенсивное излучение пламени имеет место в миллиметровом диапазоне волн.

Интенсивное радиотепловое излучение создает плазма, образующаяся при полете различных объектов в атмосфере со скоростями, в несколько раз превышающими скорость звука. При этом поверхность тела и прилегающий к ней слой воздуха нагреваются до температуры в несколько тысяч градусов и воздух в слое, содержащем частицы испаряющейся обшивки тела, почти полностью ионизируется. А как мы уже знаем, нагретый и сильно ионизированный газ является хорошим радиотепловым излучателем.

Радиояркостная температура плазмы может достигать нескольких десятков тысяч градусов; ее величина сложным образом зависит от температуры, давления, химического состава обшивки, плотности окружающего воздуха и ряда других факторов. На рис. 8, а изображен график зависимости радиояркостной температуры слоя плазмы толщиной 4 см, имеющего физическую температуру 5000о К, от частоты [4].

По мнению американских специалистов, примерно такой плазменный слой образуется вокруг головных частей ракет, входящих с больших высот в плотные слои атмосферы. Обращает на себя внимание своеобразный вид графика: начиная с некоторой частоты fк, радиояркостная температура резко падает. Такое явление объясняется сильной зависимостью проводимости и диэлектрической проницаемости плазмы от частоты. На частотах ниже, fк проводимость плазмы очень высока, с повышением частоты проводимость уменьшается. Волнистый характер кривой объясняется многократным отражением излучения внутри плазменного слоя. Критическая частота fк в основном зависит от объемной плотности электронов (числа электронов в 1 см3 плазмы) в соответствии с формулой

В свою очередь плотность электронов в плазме зависит от скорости и высоты полета и особенно от химического состава обшивки тела.

Когда на плазму воздействует магнитное поле, к ее тепловому излучению добавляется еще так называемое бетатронное излучение. Физическая сущность этого излучения связана с искривлением траекторий электронов в магнитном поле. Искривление траектории вызывает появление бокового (центростремительного) ускорения, а при ускорении и торможении заряженных частиц излучается электромагнитная энергия.

Бетатронное излучение происходит на одной частоте, которая зависит только от напряженности магнитного поля:

где Н - напряженнисгь магнитного поля, э,

При напряженности магнитного поля в тысячи эрстед бетатронное излучение будет происходить в сантиметровом диапазоне волн, при напряженности в десятки тысяч эрстед - в миллиметровом диапазоне волн. Строго говоря, бетатронное излучение не является радиотепловым, так как оно не связано с тепловыми шумовыми токами и может возникать при подмагничивании электронных потоков, создаваемых любым способом. Однако бетатронное излучение плазмы происходит за счет ее тепловой энергии, что характерно и для обычного радиотеплового излучения.

Радиоизлучения атмосферы, Солнца и Луны. Основную часть радиотеплового излучения атмосферы Земли создают всегда имеющийся в ней водяной пар и кислород; источниками довольно интенсивного радиотеплового излучения в миллиметровом диапазоне являются облака и осадки. Радиояркостная температура неба зависит от угла наблюдения: чем ближе к горизонту наклоняется линия визирования, тем большую толщу атмосферы эта линия пронизывает. Ясно, что наименьшая радиояркостная температура будет наблюдаться в зените, наибольшая - непосредственно вблизи горизонта. Зависимость радиояркостной температуры атмосферы от угла наблюдения и частоты графически изображена на рис. 9. Как видно из графиков, максимум радиояркостной температуры приходится на частоту 2,4 Ггц, соответствующую резонансному поглощению в парах воды. Так как коэффициент поглощения атмосферы тем больше, чем больше ее плотность, с подъемом на высоту радиояркостная температура неба уменьшается.

Из метеорологических осадков наибольшим радиотепловым излучением обладает дождь: чем больше интенсивность дождя, тем выше его радиояркостная температура. На рис. 10 приведены графики зависимости радиояркостной температуры дождевой области от длины волны и интенсивности дождя. Из графиков видно, что радиояркостная температура дождевой области на миллиметровых волнах гораздо выше, чем на сантиметровых. Более подробные сведения о радиоизлучении атмосферы и осадков можно найти в книге Л. Т. Тучкова «Естественные шумовые радиоизлучения в радиоканалах».

Излучение неба включает не только излучение атмосферы, но и космические радиоизлучения. Исследованием космических излучений занимается радиоастрономия; однако излучения, создаваемые Солнцем, Луной, некоторыми планетами и звездами, представляют интерес и с точки зрения радиотеплолокации.

Радиоизлучению Солнца и Луны посвящено много специальной литературы, поэтому приведем лишь графики зависимости кажущихся температур Солнца и планет от частоты (рис. 11). Как видно из этого рисунка, наиболее мощным источником радиоизлучения является Солнце, радиояркостная температура которого в миллиметровом диапазоне достигает 7000 – 8000о К, в сантиметровом - 30000 – 60000о К. Верхняя кривая на графике солнечного радиоизлучения соответствует годам максимума солнечной деятельности, нижняя - «спокойному» Солнцу.

Радиоизлучение создает и дальний космос, однако в сантиметровом и миллиметровом диапазонах это излучение настолько мало, что с ним можно не считаться.

В заключение этого раздела заметим, что радиотепловое излучение - это далеко не единственный вид естественного электромагнитного излучения, пригодного для целей пассивной локации.

Мы уже рассматривали, например, бетатронное излучение плазмы, которое нельзя отнести к «чисто»» радиотепловому; не являются радиотепловыми и другие виды естественных электромагнитных излучений, в том числе излучения, возникающие при статических разрядах атмосферного электричества и искрообразовании на токонесущих контактах.

Вполне возможно, что будут открыты и другие виды естественных электромагнитных излучений, пригодных для использования в пассивной радиолокации.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.