Файл: Мясников, Л. Л. Новые методы измерений в подводной акустике и радиотехнике.pdf

Распределение «радиояркости» на поверхности космического источника изображается матрицей ||%.||, которую можно считать квадратной, так как недостающие элементы матрицы можно заменить нулями. Матричный элемент aik в случае полной контрастности может получать значения 0 или 1, и тогда из единиц строится фигура. Элементы aik могут иметь и ряд градаций.

Обозначим эту матрицу как ¥-функцию:

Здесь знак равенства надо понимать как знак ^ («служит для обо­ значения»), Применение оператора Р означает изменение состояния:

При этом каждый элемент aik переходит в bik, что дает смену картины. Это изменение может иметь пространственный характер — тогда происходит перемещение фигуры по полю матрицы — или временной характер — тогда происходит смена кадров. Уравнение (4.5) можно изобразить с помощью схематической записи алгоритмов в виде

умножается на ¥ слева, и наоборот. В более общем случае эле­ менты a;h являются элементами ¥-функции (¥,-,,) некоторой задачи. Тогда имеем ¥ = ||¥ rt||.

Если оператор Р не изменяет матрицу (а вводит общий числовой множитель Р'), ¥ есть собственная функция, принадлежащая соб­ ственному значению Р '. Тогда выражение (4.6) перепишется в виде

Р ¥ = I aik1+ 1—» P'aik I

или

Я ¥ = />'¥.

Аналогичные соотношения имеют место для объемных структур 1К*/1!| и для рядов {а,}.

Используя ¥-функцию, можно получить уравнения, описываю­ щие процессы любой конструкции. Эти уравнения должны быть того же типа, что и уравнения движения [80].

Обратимся теперь к устройству радиотелескопа (рис. 4.3), ко­ торый служит для исследования структуры электромагнитного поля, излучаемого космическими источниками.

Основными элементами радиотелескопа являются антенна и радиометр. Электромагнитный сигнал СВЧ принимается на рупорную или зеркальную антенну А ; для повышения чувствительности ра­ диотелескопа целесообразно увеличить входное отверстие концен­ тратора, которым служит рупор или зеркало. Радиоволны, падающие на зеркало плоскими волнами —■плоскими ввиду того, что источник весьма отдален, — концентрируются в фокусе F, где располагается

58

или рупор малого сечения, или конец волновода; рупор или волновод идут к радиометру.

Для того чтобы радиоизлучение небесного светила, например Солнца, могло быть непосредственно измерено на фоне собственных шумов аппаратуры, зеркало должно иметь гигантские размеры. Такие зеркала диаметром до 100 м и больше существуют в некоторых радиоастрономических обсерваториях. Зеркала на судах должны обладать небольшими габаритами, так что входное отверстие кон­ центратора не может быть большим (его диаметр порядка 1 м). По­ этому прямое усиление радиоастрономического сигнала в прием­ нике невозможно и обычно применяется модуляционный метод. Сущность метода состоит в том, что входной поток радиоизлучения, поступающий на концентратор и собираемый в фокусе, подвергается амплитудной модуляции с низкой звуковой частотой, например

Рис. 4.3. Структурная схема радиотелескопа.

30 Гц. Далее сигнал, пройдя входной волновод, поступает на детектор, а после детектирования усиливается и подается на синхронный де­ тектор, управляемый тем же генератором звуковой частоты, кото­ рый дает модуляцию. Синхронное детектирование (синхронное по отношению к модуляции) позволяет выделить входной сигнал на фоне значительно превосходящих его по уровню собственных шумов. При этом сохраняется только информация, относящаяся к среднему уровню (к средней амплитуде) сигнала СВЧ, а все спектральные данные выпадают. Частота, однако, остается известной. Она равна частоте настройки входного волновода, которая сравнительно точно может быть определена с помощью волномера.

Существует несколько способов модуляции, из которых следует указать два. При первом из них модуляцию осуществляют путем периодического изменения поглощения в волноводном тракте. Для этого во входной волновод помещают вращающийся аттенюатор. За один период вращения диска с нанесенным по соответствующему профилю поглотителем затухание испытывает один цикл изменения. Вращением диска обеспечивается периодическое изменение ампли­ туды сигнала и его выделение с помощью синхронного детектора, управляемого с тем же периодом. При втором способе модуляции производятся периодические повороты рупора, находящегося в фо­ кусе зеркала, что периодически изменяет интенсивность поступаю­

8 »

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