Физическая сущность теплового излучения и его законы

 

2.1 Радиотепловые сигналы

Если поместить в поле радиотеплового излучения антенну, то на ее клеммах появится шумообразное напряжение. Это напряжение было бы не совсем правильно называть радиотепловым сигналом, так как его частотный спектр гораздо шире, чем полосы пропускания современных приемных устройств.

Приемник, подключенный в данном случае к антенне, будет воспринимать лишь сравнительно небольшую область спектра входного напряжения; соответствующую этой области часть входного напряжения мы и будем называть радиотепловым сигналом.

Из такого определения видно, что в отличие от радиолокационных сигналов характеристики радиотеплового сигнала зависят от характеристик приемника.

Так, мощность радиотеплового сигнала прямо пропорциональна ширине полосы пропускания приемника по высокой (или промежуточной) частоте. Именно поэтому в радиотеплолокации стремятся применять приемники с очень широкими полосами пропускания, достигающими сотен, тысяч и даже десятков тысяч мегагерц. При этом мощность радиотепловых сигналов увеличивается и в некоторых случаях может достигать величины 10-10вт. Сигнал такой мощности характерен, например, для радиотеплолокаторов обзора земной поверхности. Для сравнения напомним, что в зарубежных РЛС дальнего обнаружения воздушно-космических объектов мощность принимаемых сигналов зачастую не превышает 10-20 вт. В настоящее время для радиотеплолокационных станций разработаны специальные высокочувствительные приемники, которые могут надежно обнаруживать очень слабые сигналы.

При расчетах часто оказывается удобным выражать интенсивность сигнала не в единицах мощности, а в единицах спектральной плотности. Такая оценка более объективна, так как в отличие от мощности спектральная плотность не зависит от полосы пропускания приемника. Так же, как и при вычислениях спектральной плотности излучения, спектральную плотность радиотепловых сигналов выражают в температурных единицах.

Спектральная плотность и мощность сигнала связаны следующим отношением:

Величина kTc представляет собой спектральную плотность мощности сигнала; величину Тс называют температурой сигнала; она численно равна физической температуре активного сопротивления, создающего шумовое напряжение со спектральной плотностью, равной спектральной плотности мощности данного сигнала. Часто используется также термин «антенная температура›› здесь имеется в виду температура сигнала непосредственно на выходе антенны. Необходимо подчеркнуть однако, что в отличие от шумов активных сопротивлений спектральная плотность некоторых радиотепловых сигналов зависит от частоты. Например, температура сигналов от малоразмерных объектов повышается с увеличением частоты. Это явление может быть использована для селекции сигналов и распознавания их источников. Ширина полосы частот, занимаемая сигналом, является очень важной его характеристикой; от нее зависит не только мощность сигнала, но и точность измерения времени прихода сигналов в многоканальных радиотёплолокационных системах.

 

2.2 Особенности приема  радиотепловых сигналов. Принцип действия радиометра.

Как известно, основная трудность при приеме слабых сигналов связана с необходимостью их выделения на фоне собственных шумов, создаваемых первыми каскадами приемников. В связных и радиолокационных приемниках влияние собственных шумов уменьшают путем применения частотной селекции и временного стробирования; при этом уже на выходе высокочастотной части приемника может быть достигнуто достаточное превышение мощности сигнала над мощностью шума. При приеме радио- тепловых сигналов частотную селекцию и временное стробирование применять нельзя, так как сигналы сами имеют шумоподобный характер. Поэтому приемники радиотепловых сигналов выполняют в виде точных измерителей уровня шума. Такие приемники принято называть радиометрами.

Простейший радиометр (рис. 2) состоит из усилителя высокой частоты (УВЧ), детектора и сглаживающего фильтра нижних частот (ФНЧ),   т. е. представляет собой обычный приемник прямого усиления. Усилитель высокой частоты необходим для ослабления влияния шумов детектора и последующих каскадов, поэтому его собственные шумы должны быть малыми. Для увеличения мощности радиотеплового сигнала полосу пропускания УВЧ стремятся делать возможно более широкой. С выхода УВЧ усиленный радиотепловой сигнал поступает на квадратичный детектор. Выходное напряжение детектора, кроме постоянной составляющей, содержит интенсивную шумовую составляющую, «маскирующую›› выделенный полезный сигнал. Для подавления этой шумовой составляющей и служит ФНЧ, который в простейшем случае представляет собой интегрирующую RC-цепочку.

Основной особенностью простейшего радиометра является его способность надежно принимать сигналы мощность которых много меньше мощности собственных шумов. Эта способность обуславливается сочетанием широкой полосы пропускания по высокой частоте и узкой полосы пропускания последетекторного ФНЧ; такое сочетание характерно для большинства современных радиометров.

 

 

Рис. 2. Функциональная схема простейшего радиометра

Рассмотрим прохождение сигнала и шума через каскады простейшего радиометра. На входе радиометра мощность сигнала и шума равны:

                      где   Тш = (Ш - 1) Тс - шумовая температура УВЧ;

Тс = 300°К - стандартная температура;

Ш - коэффициент шума.

Отношение мощности сигнала к мощности шума на входе радиометра qвх равно

         (11) Отношение мощности сигнала к мощности шума ( далее сигнал/шум) не изменится после усиления по высокой частоте:

 

Физический смысл здесь заключается в том, что УВЧ одинаково усиливает и собственные шумы и шумоподобный сигнал. Даже в случае применения малошумящих УВЧ температура их шумов, как правило, значительно превышает температуру сигнала; следовательно, отношение сигнал /шум на входе детектора меньше единицы. При этом в детекторе происходит подавление сигнала шумом и отношение мощности продетектированного сигнала (постоянной составляющей) к мощности шумов на выходе детектора будет равно

                     (12)

Основной технической характеристикой любого радиометра является чувствительность, которая характеризует способность радиометра принимать слабые радиотепловые сигналы. Чувствительность радиометра численно равна температуре сигнала, при подаче которого на вход радиометра выходное отношение сигнал/шум равно 1. Формула чувствительности простейшего радиометра:

                              (13) Чем меньше величина чувствительности δТ, тем чувствительнее радиометр. В приведенном выше примере чувствительность радиометра составляет 0,01°.

Такое определение чувствительности дано с целью облегчить ее практическое измерение: величина чувствительности равна среднеквадратическому значению случайных колебаний стрелки выходного прибора (или самописца), выраженному в температурных единицах; поэтому при известном навыке чувствительность можно приближенно определять даже «на глазок». Для удобства сравнивания различных радиометров чувствительность часто пересчитывают на длительность сигнала, равную 1 сек. Чувствительность, полученную при таком пересчете, называют нормированной.

В технике радиотеплолокации часто возникает необходимость сравнивания двух или нескольких радиотепловых сигналов. При этом из сигналов может быть получена дополнительная информация, например может быть установлен факт движения цели и определены ее угловые координаты, что невозможно при использовании простейшего радиометра. Радиометры, предназначенные для совместного приема двух радиотепловых сигналов, называются корреляционными (рис. 3). Как видно из рисунка, основным отличием корреляционного радиометра от простейшего является наличие двух УВЧ и схемы перемножения сигналов вместо квадратичного детектора. Если на входы УВЧ поступает один и тот же радиотепловой сигнал, то корреляционный радиометр работает так же, как и простейший, так как перемножение двух одинаковых сигналов совершенно эквивалентно квадратичному детектированию любого из этих сигналов. Однако если один из входных сигналов запаздывает относительно другого, то выходное напряжение будет уменьшаться и станет равным нулю при относительной задержке сигналов t3 равной четверти периода средней частоты сигнала. С дальнейшим увеличением задержки выходное напряжение меняет знак и растет вплоть до момента, когда t3 равно полупериоду средней частоты; затем снова убывает, переходит через нуль, принимает положительное значение и т.д. Другими словами, при непрерывном изменении t3 выходное напряжение периодически принимает положительные и отрицательные значения. Такой характер изменения напряжения объясняется тем, что схема перемножения по существу является фазовым детектором, а разность фаз сигналов пропорциональна их временной задержки.

 

 

 

 

 

                 Рис. 3. Корреляционный радиометр

Для измерения времени относительного запаздывания сигналов, поступающих на 1-й и 2-й входы радиометра, используется линия задержки с переменным временем задержки (рис. 4). Время задержки сигнала в линии изменяют до тех пор, пока выходное напряжение радиометра не станет максимальным; время задержки сигнала в линии при этом оказывается равным времени относительного запаздывания сигналов.

 

 

 

 

 

      

     Рис. 4. Измерение времени относительно запаздывания сигналов

С помощью корреляционного радиометра можно измерять также сдвиг частоты сигналов. Такая необходимость возникает, например, при приеме радиотепловых сигналов движущихся целей на разнесенные в пространстве антенны. Сигналы на выходах антенн при этом имеют различный доплеровский сдвиг, и эта разность сдвигов, характеризующая скорость цели и расстояние до нее, может быть измерена корреляционным радиометром. В этом случае вместо ФНЧ к выходу радиометра подключаются полосовые фильтры низкой частоты, полосы пропускания которых перекрывают возможный диапазон изменений разностного доплеровского сдвига.

Для вычисления отношения сигнал/шум и чувствительности корреляционного радиометра с некоторым приближением могут быть использованы те же формулы, что и для простейшего радиометра. Необходимо, однако, учитывать, что мощность шумов в корреляционном радиометре вдвое больше, чем в простейшем. Поэтому при использовании корреляционного радиометра в одноканальном режиме выходное отношение сигнал/шум меньше в четыре раза, а чувствительность — в два раза сравнению с простейшим радиометром.

2.3 Функциональные схемы  современных радиометров

Простейший радиометр имеет два крупных недостатка. Первый из этих недостатков — это существование на выходе радиометра при отсутствии сигнала напряжения, пропорционального температуре собственных шумов. А так как эта температура может быть во много раз больше температуры сигнала, обнаружение и особенно измерение температуры сигнала сильно затрудняется.

Второй, более серьезный, недостаток заключается том, что вследствие медленных случайных изменений (дрейфа) коэффициента усиления высокочастотных каскадов постоянная составляющая продетектированного напряжения собственных шумов оказывается промодулированной этими изменениями. Возникающая дополнительная случайная помеха имеет спектр, сосредоточенный в области очень низких частот, и поэтому беспрепятственно проходит через фильтр НЧ. Невозможно уменьшить эту помеху и путем расширения полосы пропускания по ВЧ. Первый недостаток можно устранить с помощью ввода в выходную цепь радиометра постоянного напряжения смещения, равного по величине и противоположного по знаку напряжению, обусловленному выпрямленными собственными шумами. Эти напряжения компенсируют друг друга, и в отсутствие сигнала выходном индикатор показывает нуль. Простейший радиометр, усовершенствованный таким образом, называется компенсационным.

Из-за своей простоты компенсационный радиометр находит некоторое применение, однако так же, как и простейший радиометр, он подвержен влиянию дрейфа коэффициента усиления. Устранить это влияние очень трудно, так как даже самые малые флюктуации коэффициента усиления резко ухудшают чувствительность. Так, при шумовой температуре 1000° К колебания коэффициента усиления в пределах всего лишь 0,1% вызовут такое же отклонение стрелки выходного индикатора, как и сигнал в 1°, таким образом, чувствительность радиометра недопустимо снизится.

Разработка приемников со сверхстабильным коэффициентом усиления серьезная техническая задача. Кроме того, такие приемники получаются сложными и дорогими. Особенно трудно обеспечить высокую стабильность коэффициента усиления при работе радиометров на борту самолетов и ракет, где на коэффициент усиления, во - первых, влияют механические вибрации и, во-вторых, случайные колебания напряжения бортовых источников питания. Поэтому было бы гораздо целесообразнее видоизменить схему радиометра таким образом, чтобы не допустить «перепутывания» сигнала с выбросами, возникающими при колебаниях коэффициента усиления. Этого можно добиться двумя способами: «окраской» сигнала, поступающего на вход приемника, или применением многоканальных приемников. Рассмотрим первый из этих способов.

Случайные изменения коэффициента усиления имеют одно весьма характерное свойство: они, как правило, очень медленные. Поэтому, если до подачи на вход приемника сигнал промодулировать достаточно высокой частотой, на выходе приемника можно будет выделить сигнал, почти не засоренный флюктуациями коэффициента усиления. В этом и заключается принцип действия модуляционного радиометра — одного из наиболее распространенных в настоящее время (рис. 5).

Как видно из рисунка, на выходе детектора приемника включен узкополосный УНЧ, настроенный на частоту модуляции; УНЧ усиливает промодулированный сигнал и интенсивно подавляет помеху, вызванную колебаниями коэффициента усиления, так как ее спектр не совпадает с полосой пропускания УНЧ. Селектирующим по отношению к сигналу действием обладает и синхронный детектор в сочетании с фильтром низкой частоты,  который устраняет из сигнала модуляцию.

Таким образом, при достаточно высокой частоте модуляции модуляционный радиометр в отличие от простейшего и компенсационного не подвержен вредному влиянию флюктуаций коэффициента усиления приемника.

Однако модуляционный радиометр имеет и некоторые недостатки. Чувствительность его хуже, чем чувствительность простейшего и компенсационного радиометра, так как часть энергии сигнала теряется при модуляции.