Физическая сущность теплового излучения и его законы

Рис. 5. Функциональная схема модуляционного радиометра

Так же, как и простейший радиометр, модуляционный радиометр не дает нулевого показания при отсутствии сигнала. Это объясняется особенностями работы модулятора. Дело в том, что, когда модулятор находится в запертом состоянии, т. е. полностью поглощает сигнал, он одновременно генерирует шум с температурой, равной своей физической температуре. Таким образом, индикатор на выходе радиометра будет показывать не температуру сигнала, а физическую температура модулятора. Чтобы избавиться от этого недостатка, модулятор заменяют переключателем, попеременно соединяющим вход приемника с выходом антенны и нешумящей («холодной») нагрузкой. В качестве нагрузки в этом случае используют сопротивление, охлажденное до низкой температуры, или небольшую рупорную антенну, которую направляют на слабо излучающий фон.

 

 

 

 

 

 

Рис. 6. Функциональная схема двухтактного модуляционного радиометра

 

Еще более совершенным является двухтактный модуляционный радиометр (рис. 6). Как видно из рисунка, входной коммутатор непрерывно подключает антенну ко входам двух приемных каналов; при этом входной сигнал преобразовывается в две последовательности прямоугольных ВЧ импульсов, каждая из которых усиливается и детектируется в одном из приемных каналов. Сложение продетектированных и усиленных импульсов производится в двухтактном синхронном детекторе, на выходе которого образуется напряжение, пропорциональное температуре сигнала.

Чувствительность двухтактного модуляционного радиометра выше чувствительности однотактного, так как энергия входного сигнала используется полностью. Однако, так как мощность собственного шума тоже увеличена (за счет шумов дополнительного приемного канала) чувствительность все же ниже чувствительности простейшего радиометра и равна

                          (14)

 Дополнительное преимущество двухтактного модуляционного радиометра — повышенная надежность работы, так как при выходе из строя любого из приемных каналов возможна работа в режиме обычного модуляционного радиометра. Укажем еще на одну особенность, присущую всем разновидностям модуляционных радиометров, а именно на необходимость очень тщательного согласования всего высокочастотного тракта. При плохом согласовании напряжение внутренних шумов приемника, просачивающееся в антенну, будет частично отражаться от нее и через модулятор или коммутатор вновь попадать на вход приемника. Таким образом, часть напряжения собственных шумов окажется промодулированной и будет выделяться на выходе вместе с полезным сигналом. Ясно, что преимущества модуляционного принципа приема при этом частично теряются. Требование тщательного согласования приводит к усложнении и удорожанию радиометра. Поэтому иногда модуляционные радиометры выполняют по упрощенной схеме с модуляцией продетектированного сигнала (рис. 7). В таком радиометре эффективно устраняются флюктуации коэффициента усиления УНЧ, что тоже очень важно, так как УНЧ радиометров в отличие от УНЧ приемников всех других типов имеют очень большие коэффициенты усиления, величину которых стабилизировать трудно.

 

 

 

Рис. 7. Радиометр с последетекторной модуляцией

 

В целом модуляционный радиометр можно охарактеризовать, как сравнительно простой и надежный прибор, который можно применять для приема радиотепловых сигналов во всех случаях, когда не требуется очень точно измерять температуру принимаемых сигналов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ  ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛОВОГО РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ

Назначение любой локационной системы сводится к получению определенных видов информации о целях. Переносчиками этой информации являются сигналы, в параметрах которых «закодированы» координаты и характеристики целей. Так, информация о дальности до целей кодируется во временную задержку сигналов, скорость целей определяет доплеровский сдвиг частоты сигнала, интенсивность сигнала в некоторых случаях характеризует размеры цели и т. п. Естественно, что лучшими являются те локационные системы, которые позволяют получать о целях большее количество информации.

Количество информации, которое может переносить сигнал, существенно зависит от свойств сигнала. Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что это количество пропорционально произведению полосы частот сигнала на его длительность, а для получения наибольшей информации о нескольких целях необходимо, чтобы сигналы от этих целей, были взаимно независимы.

Нетрудно видеть, что радиотепловые сигналы удовлетворяют этим требованиям в большей степени, чем радиолокационные сигналы. Радиолокационные сигналы значительно уступают радиотепловым в отношении широкополосности, а требованию взаимной независимости не удовлетворяют принципиально, так как они имеют общий источник — генератор подсвечивающего цели излучения. Таким образом, с помощью радиотепловых сигналов можно получить больше информации о целях, чем с помощью радиолокационных сигналов. Однако здесь надо сделать одну существенную оговорку. Дело в том, что для эффективного извлечения информации из принимаемых сигналов их надо сравнивать с опорными сигналами. Например, в радиолокации таким путем определяется дальность до целей и скорость целей. В радиотеплолокации же использование опорных сигналов невозможно, так как источниками сигналов являются сами цели. Поэтому в радиотеплолокации приходится либо использовать более сложные методы обработки сигналов, основанные на взаимном сравнивании сигналов, принимаемых на разнесенные в пространстве антенны, либо примириться с потерей части информации.

В настоящее время наибольшее распространение получили простейшие одноканальные радиотеплолокаторы, измеряющие лишь среднюю мощность сигналов и угловые координаты целей. Такие радиотеплолокаторы не могут определять дальность и скорость цели, однако они способны весьма точно измерять интенсивность излучения целей, что недоступно для радиолокаторов. Таким образом, в данном случае «информационная избыточность» радиотеплового сигнала затрачивается на повышение точности измерения мощности сигналов. Еще сильнее преимущество радиотеплового сигнала сказывается в двухканальных радиотеплолокаторах, которые уже могут определять дальность до целей и их скорость.

Из вышеизложенного следует, что методы получения информации, в частности методы определения дальности и скорости, принятые в радиотеплолокации, отличаются от радиолокационных методов. Некоторое исключение составляют лишь методы определения угловых координат, которые так же, как и радиолокационные методы, основанные на использование остронаправленных антенн.

Для измерения угловых координат в радиолокации и радионавигации используется радиопеленгование, т. е. определение направления на источник принимаемого радиосигнала.

При приеме сигнала на две или несколько разнесенных в пространстве антенн фазовый сдвиг сигналов, возбуждаемых в антеннах, зависит от направления прихода радиоволн. Метод определения направления измерением фазовых сдвигов сигналов в антеннах называют фазовым. Применяются также комбинированные амплитудно-фазовые методы пеленгования.

Фазовые методы основаны на измерении разности фаз колебаний, принимаемых двумя антеннами, разнесенными в пространстве (радиопеленгатор). Прием может осуществляться и на одну антенну, но тогда сигнал должен излучаться разнесенными антеннами (фазовый радиомаяк). При фазовом методе измеряется разность фаз φ колебаний, возбуждаемых в антеннах.

При пеленговании с помощью двух разнесенных ненаправленных антенн могут быть использованы не только фазовые, но и амплитудные соотношения. Суммарный сигнал

(15) дает возможность определить направление по максимуму его амплитуды (метод максимума)

Из выражения (15) очевидны следующие недостатки метода максимума: низкая пеленгационная чувствительность, поскольку пеленгование ведется в области максимума косинусоидальной функции, где ее крутизна минимальна; трудность выявления стороны уклонения оси антенной системы от направления на объект; зависимость амплитуды суммарного сигнала не только от угла отклонения, но и от неизвестной амплитуды принимаемых сигналов.

В РЛС, работающих в сантиметровом диапазоне волн, можно создать остронаправленные антенны, что при использовании амплитудных методов пеленгования обеспечивает большую точность в сочетании с высокой разрешающей способностью и однозначностью отсчета при измерении угловых координат.

Метод максимума применяется преимущественно в обзорных РЛС.

По сравнению с РЛС, работающими в активном режиме, с помощью однопозиционного радиотеплолокатора (РТЛ), антенная система которого расположена в одном пункте, можно определить лишь угловое положение излучающего объекта. Для нахождения дальности необходимо произвести прием излучения в нескольких разнесенных пунктах и их совместную обработку.

Определение с помощью РТЛ направления на источник теплового излучения называют радиотеплопеленгацией. Для ее реализации используют направленные свойства антенн поверхностного (рупорные или зеркальные) или дискретного (антенные решетки) типа.

При применении апертурных антенн основными являются два метода пеленгации: метод максимума для РТЛ кругового обзора и метод сравнения амплитуд для РТЛ со слежением за источником излучения. Типичным примером РТЛ следящего типа является радиосекстант — прибор, позволяющий измерить угловые координаты внеземных источников излучения.

На рис. 8 приведена структурная схема оптимального пеленгатора источника теплового излучения, основанного на методе сравнения амплитуд. Антенное устройство (АУ) в такой системе имеет два выхода. Сигналы с выхода АУ имеют одинаковые фазы, а их амплитуды зависят от положения источника. Эти сигналы подаются на два идентичных приемника П1 и П2, осуществляющих фильтрацию сигналов в полосе ∆f. Каждый из приемников, входящих в состав пеленгатора, имеет два выхода. С одного сигнал подается на квадратичный детектор, а с другого — на амплитудно-фазовый детектор (АФД). В амплитудно-фазовом детекторе формируется разность результатов квадратичного детектирования суммы и разности выходных сигналов приемников П1 и П2. Усреднение за время наблюдения выходного сигнала АФД дает оценку мощности пеленгуемого сигнала. Ненормированная (зависящая от мощности сигнала) оценка пеленга получается в результате образования разности выходных сигналов квадратичных детекторов каналов и ее усреднения. Нормировка заключается в делении ненормированной оценки на оценку мощности сигнала (усредненный выход АФД) и крутизну нормированной пеленгационной характеристики с, определяемую параметрами АУ.

Рис. 8.

Как известно, дисперсия оценки пеленга в условиях высокоточных измерений

                      (16) где - отношение сигнал/шум по мощности на выходе прием-

ного устройства;

Т - время наблюдения;

Для улучшения разрешающей способности и повышения точности измерения координат применяют интерферометры, антенны которых содержат малое число сильно разнесенных между собой элементов. Если наблюдаемые источники излучения двигаются относительно интерферометра на расстояниях, соизмеримых с его базой (расстоянием между элементами АУ), то можно наряду с углами измерить и дальность до цели.

Интерферометры находят широкое применение в радиоастрономии, позволяя с высокой точностью измерять угловые положения небесных тел.

 

 

 

 

 

 

4. ПРИМЕНЕНИЕ РАДИОТЕПЛОЛОКАЦИИ

 

За сравнительно небольшой срок была создана не только теория ра- диотеплолокационных средств, но и были разработаны образцы радиотеплолокационной аппаратуры самого различного назначения. За рубежом к главным областям применения радиотеплолокации относят:

- обнаружение и определение координат наземных, надводных, подводных, воздушных и космических объектов и целей;

- картографирование и разведку местности;

- решение задач морской и воздушно-космической навигации;

- самонаведение различных средств поражения;

- физические исследования веществ и материалов.

Кроме того, специфические особенности радиотеплолокации позволяют решать некоторые задачи, принципиально неразрешимые средствами радиолокации и инфракрасной техники.

К таким задачам прежде всего относятся:

- всепогодная астронавигация;

- всепогодное обнаружение источников тепловой энергии;

- неконтактное измерение распределения температур объектов и исследование их внутренней структуры.

В ряде других случаев, в принципе допускающих использование радиолокационных и инфракрасных средств, из-за преимуществ радиотеплолокации ее применение оказывается более целесообразным. Так, для некоторых военных применений весьма ценно сочетание абсолютной скрытности со всепогодностью, свойственное только радиотеплолокации, а для народного хозяйства важны относительная дешевизна и надежность радиотеплолокационной аппаратуры.

За рубежом созданы самолетные РТЛС обзора земной поверхности, а также навигационная аппаратура для самолетов, кораблей, подводных лодок, космических летательных аппаратов. В стадии опытного строительства находятся радиотеплолокационные средства наведения управляемых снарядов и некоторые другие виды военной радиотеплолокационной аппаратуры.

Кроме того, методы радиотеплолокации начинают. применять в практике эксплуатации радиолокационных станций. Так, например, оказалось очень удобным калибровать и юстировать антенны наземных РЛС по радиотепловому излучению естественных источников.

Радиотеплолокации применяется не только в военной технике, но и при решении ряда народнохозяйственных- задач, а также в научных исследованиях. Широко применяются методы радиотеплолокации в экспериментальной физике, особенно при исследованиях плазмы.

Появление радиотеплолокации относится к концу 40-х годов; ее быстрый прогресс в немалой степени связан с трудами советских ученых и инженеров.