ГЛАВА 26. ТЕХНИКА РАДИО- И РАДИОЛОКАЦИОННОЙ АСТРОНОМИИ

26.1. ПРАКТИЧЕСКИЕ СТОРОНЫ ВОПРОСА

26.1.1. Общие принципы

В настоящее время радиоастрономия связана главным образом с высокочастотным электромагнитным излучением, падающим на Землю, тогда как радиолокационная астрономия изучает отражение небесными телами падающего излучения. Основным содержанием наблюдений является измерение радиочастотной мощности, получаемой на выходе антенной системы с заранее известной направленностью. Диапазон используемых частот ограничен снизу отражением от ионосферы, а сверху поглощением в атмосфере и лежит в пределах от до

Радиоизлучение внеземного происхождения впервые наблюдалось Янским [140, 141] в виде шумов случайного характера на частоте это излучение казалось приходящим из центра местной галактики. Позднее радиоизлучение Солнца наблюдали на частотах: 44—85 Мгц - Хэй [131 ], 3 и 10 Ггц - Саусворт [250], 160 и 480 Мгц - Ребер [220, 221, 222, 223]. Совершенствование аппаратуры привело к открытию большого числа новых источников радиоизлучения; к 1956 г. число, источников, открытых в обоих полушариях, составляло 2000 [175]. Эти успехи радиоастрономии и ее общие принципы описаны в ряде обзорных работ [50, 70, 115, 125, 133, 156, 204, 207, 229, 255, 287, 347, 359, 369].

Так как сигналы, наблюдаемые с помощью радиоастрономических устройств, обычно обладают характеристиками случайного шума, то принимаемая мощность пропорциональна полосе пропускания измерительной аппаратуры. Излучение может приниматься от

диффузного источника, занимающего телесный угол, значительно превышающий телесный угол антенного луча, или от источника, противолежащего малому телесному углу известной или неизвестной величины. Сила излучения обычно выражается в единицах плотности потока излучения или облучения Н, определяемой как поток мощности через единицу площади фронта волны в точке приема. Эта величина пригодна для измерений излучения от дискретных источников. Излучение от диффузного источника принято характеризовать яркостью или лучистостью которая определяется как поток мощности, проходящий через единицу площади, отнесенный к единичному телесному углу.

Рис. 26.1. Условия при оценке шумовой температуры антенны. Указанные условия соответствуют случаям, когда антенна направлена на: а — распределенный источник; б - малый источник; в — источник через поглощающую среду.

Индексом обозначают спектральные величины, при вычислении которых берется поток мощности на единицу полосы. Так как антенны, используемые на практике, восприимчивы к волнам только с одной поляризацией, мощность сигнала, поступающего к приемнику, не превышает половины мощности излучения, приходящего к антенне.

Предположим, что антенна со средней действующей шириной луча направлена к диффузному источнику излучения, как показано на рис. 26.1, а. При этом может быть получена мощность, равная

С другой стороны, источник может быть охарактеризован шумовой температурой , определяемой как температура абсолютного черного тела, противолежащего тому же телесному углу и доставляющего такой же поток мбщности теплового излучения, что и рассматриваемый реальный источник.

Тогда на основании формулы Найквиста и приближения Релея — Джинса для радиочастот [см. (16.4.1)] получим

Так как то шумовая температура, исходя из выражений (26.1) и (26.2), определяется так:

Для дискретных источников, представленных на рис. 26.1, б и занимающих телесный угол малый по сравнению с спектральное излучение становится равным

Принимаемая при этом мощность шума равна просто которая с учетом выражений (26.3) и (26.4) после подстановки в (26.2) может рассматриваться как величина мощности, излучаемой абсолютно черным телом, имеющим температуру , равную

Температуры Ты для диффузных и Для дискретных источников представляют собой эквивалентные температуры антенны в условиях равновесия системы. Если дискретный источник с эффективной температурой расположен над диффузным источником фона с эффективной температурой то отношение мощностей шумов, принимаемых антенной (или эвивалентных температур), будет равно

На антенную температуру влияет поглощающая среда, через которую проходит излучение, как представлено на рис. 26.1, в. Если толщина среды с термодинамической температурой равна то мощность шума, обусловленная источником и воспринимаемая антенной, равна

Если общая принимаемая мощность становится равной Следовательно, вводя понятие относительного ослабления, определяемого как

можно выразить часть мощности излучения среды, воспринимаемую антенной, в виде

Следовательно, суммарная принимаемая мощность будет равна

где величина в скобках представляет собой новое значение эквивалентной температуры антенны. Результирующее выражение (26.9) является совершенно общим и его можно применить как к поглощению, так и к излучению, причем поглощающая среда может находиться вблизи источника или антенны, или же представлять по существу часть фидерной системы. Из этого равенства следует, в частности, что при отсутствии источника эквивалентная температура антенны равна