Физическая сущность теплового излучения и его законы

Кроме того, величина отражения зависит от угла падения излучаемых волн и вида поляризации. Математически эти зависимости описываются формулами Френеля:

(6)

 где   ρг (θ) - коэффициент отражения составляющей излучения с горизонтальной поляризацией;

ρв (θ) - то же, для составляющей с вертикальной поляризацией;

ε - диэлектрическая постоянная вещества излучателя;

θ - угол падения излучения;

Вследствие зависимости величины отражения от угла падения и вида поляризации интенсивность радиотеплового излучения, вышедшего за пределы, становится различной в разных направлениях и зависит от вида поляризации. Таким образом, у излучателя образуются своеобразные диаграммы направленности, различные для составляющих излучения с вертикальной и горизонтальной поляризацией.

Из формулы (6) видно, что при определенном значении угла падения θ коэффициент отражения ρв(θ) становится равным нулю. Поэтому вертикально поляризованная часть излучения в этом направлении выходит из излучателя полностью. Угол θв, при котором ρв(θ) = 0, называется углом Брюстера; его значение определяется по формуле

                                                         (7) 

Оба коэффициента — ρг(θ) и ρв(θ) — увеличиваются при уменьшении угла падения; при угле падения, равному нулю, коэффициенты становятся равными единице. Следовательно, в направлении, параллельном поверхности излучателя, излучение будет нулевым — происходит полное внутреннее отражение.

Описанные зависимости интенсивности излучения от направления справедливы для идеально плоских излучателей; у излучателей, имеющих неровную поверхность, зависимость уровня излучения от направления сглаживается.

Формулы (6) справедливы только для плохо проводящих излучателей, обладающих диэлектрическими свойствами. Хорошо проводящие излучатели, например, металлические, имеют коэффициент отражения близкий к единице, и поэтому интенсивность их собственного радиотеплового излучения очень мала.

 

1.3 Количественные характеристики радиотеплового излучения

Спектральная плотность излучения реальных тел зависит от двух физических характеристик: коэффициента поглощения α 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:

                                 (8)  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—20°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

                    (9)

                               где     ρ - коэффициент отражения тела;

  Тп - радиояркостная температура подсвечивающегося излучения;

  Тк - так называемая кажущаяся температура излучателя.

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 радиотеплового 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:

    (10) где   Sц - площадь объекта;

∆f - полоса частот, в которой оценивается излучаемая мощность.

Все вышеизложенное касалось энергетических характеристик излучения — яркостной температуры; кажущийся 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 совершенно не зависимых друг от друга излучений отделенных 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).

1.4 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. 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 50°К. 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 - 250° К) 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.

Важным условием, необходимым для обнаружения объекта по его радиотепловому излучению, является отличие кажущейся температуры объекта от кажущем 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. Излучение поверхностных излучателей сильно зависит от степени влажности их поверхности. Так, в дождливую погоду кажущаяся температура асфальтированных и бетонированных покрытий возрастает на 3—7°. 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 227° (7 ч) до 243° (16 ч). Кажущаяся температура водных поверхностей (рек, озер, морей) сильно зависит от угла наблюдения, вида поляризации, степени волнения.

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 излучений 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. В последствие этого коэффициент поглощения в факеле в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн довольно велик (0,5—0,7); температура же факела достигает значений 3000 — 4 000° К. Отсюда видно, что радиояркостная температура факела имеет значения 1 500 — 2 800° К, т. е., грубо говоря, в 10 раз выше, чем для наземных объектов.

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.

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.

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. 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.

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.

Наиболее мощным источником радиоизлучения является Солнце, радиояркостная температура которого в миллиметровом диапазоне достигает 7000 - 8000° К, в сантиметровом — 30 000 - 60 000°.

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. МЕТОДЫ ОБНАРУЖЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ТЕПЛОВОГО РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ. РАДИОМЕТРЫ И ИХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ