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

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