ГЛАВА 20. РАДИОТЕПЛОЛОКАЦИЯ

§ 20.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПАССИВНОЙ РАДИОЛОКАЦИИ

В пассивной радиолокации объектами обработки являются случайные волновые поля, создаваемые тепловым излучением тел. Поэтому пассивную радиолокацию называют радиотеплолокацией или радиометрией. Радиометры работают в инфракрасной, миллиметровой и сантиметровой областях электромагнитного спектра.

Достоинством пассивных РЛС является скрытность их работы, связанная с отсутствием излучения. По этой же причине энергетические характеристики, габариты и масса пассивных РЛС выгодно отличают их от РЛС, работающих в активном режиме. К недостаткам радиометрических методов следует отнести малый уровень и случайный характер принимаемых сигналов и требуемое вследствие этого большое время накопления, что делает системы теплолокации очень инерционными и затрудняет их работу при больших скоростях взаимного перемещения станции и объекта. В табл. 20.1 приведены характеристики сигналов, используемых в оптической и активной локации, а также в радиометрии*. Сравнение сигналов производится на основе спектральной яркости источника , определяемой как спектральная плотность потока излучения в единице телесного угла :

где - спектральная плотность потока, характеризующая распределение энергетической освещенности по спектру: [].

Таблица 20.1

Идеальным тепловым источником излучения является абсолютно черное тело (АЧТ), которое полностью поглощает падающее на него излучение во всем частотном диапазоне. АЧТ в природе не существует, но в сантиметровом и миллиметровом диапазонах по своим свойствам к АЧТ приближаются противорадиолокацион-ные покрытия, лес и некоторые другие объекты.

Спектпальная плотность потока теплового излучения АЧТ в диапазоне частот и температур, используемых в радиотеплолокации, определяется законом Рэлея-Джинса

в который переходит закон Планка

В этом выражении —постоянная Больцмана; -частота, Гц; Т — абсолютная температура АЧТ, К; с — скорость света, .

Подставив в правую часть неравенства (20.2) , что соответствует комнатной температуре, убеждаемся, что законом Рэлея — Джинса можно пользоваться вплоть до нижней границы инфракрасного диапазона ().

Свойства реального излучателя, который в отличие от АЧТ не полностью поглощает падающее на него излучение, можно характеризовать яркостной температурой

где — коэффициент поглощения. Для непрозрачных тел в соответствии с законом сохранения энергии а связан с коэффициентом отражения соотношением

Из соотношения (20.4) следует, что чем лучше тело отражает электромагнитную энергию , тем хуже оно ее излучает .

Рис. 20.1

Тепловое излучение характеризуется ДН, форма которой зависит от свойств поверхности излучающего тела (гладкая, шероховатая). Направленность радиотеплового излучения зеркальных поверхностей находят по формуле . Для шероховатой поверхности излунательная способность постоянна в пределах всей полусферы (рис. 20.1, а, б).

От свойств поверхности и угла визирования зависит и поляризация излучения. Например, при угле визирования 35° от горизонтали вертикально поляризованная составляющая теплового излучения водной поверхности не зависит от волнения, что используется для измерений в любую погоду со спутника температурных характеристик морей и океанов. Наоборот, горизонтально поляризованная составляющая зависит от амплитуды волн, она позволяет оценить скорость ветра вблизи водной поверхности.

Полное излучение реальных тел складывается из двух составляющих: собственного теплового излучения, зависящего от яркостной температуры , где Т — термодинамическая температура тела и отраженных электромагнитных колебаний, падающих на тело из окружающего пространства. Эта составляющая характеризуется яркостной температурой , где — температура внешнего излучения.

Таким образом, эффективная яркостная температура дает возможность с помощью (20.1) найти спектральную плотность полного излучения.

Эффективность различения двух тел по их тепловому излучению характеризуется контрастом их эффективных яркостных температур . Для одинаково нагретых тел контраст при отсутствии внешнего излучения пропорционален разности коэффициентов поглощения.

Обычно в радиотеплолокации для характеристики интенсивности сигнала вместо принимаемой в полосе 1 Гц мощности Р используют температуру антенны , задавая ее как температуру согласованного резистора, У которого выходная мощность шума в полосе 1 Гц равна Р.

При наблюдении объекта, размеры которого превышают сечение антенного луча, без учета приема по боковым лепесткам и потерь в антенно-фидерном тракте

Для малоразмерных источников

где — телесный угол, определяемый размером источника; — телесный угол, соответствующий главному лепестку

Соотношения (20.5) и (20.6) позволяют найти температурный контраст различных источников излучения.