16.4.2. Форма шумового сигнала

Радиометр состоит из специального приемника [342], который обнаруживает и измеряет тепловое излучение, поступающее на его вход. Чувствительность такой системы определяется [32] флюктуациями, имеющимися на выходе при отсутствии сигнала. Эти флюктуации на выходе приписываются двум источникам: статистическим флюктуациям в форме шума и паразитным флюктуациям усиления. Поскольку шум приемника и сигнал имеют одинаковый спектральный состав, то нет выгоды сужать или формировать полосу пропускания до детектора. Флюктуации на выходе, обусловленные шумом, можно, в принципе, уменьшить до любой желаемой степени, уменьшая полосу пропускания после детектирования. В фильтре нижних частот, состоящем из С-цепочки, полоса по уровню половинной мощности связана с постоянной времени следующим образом: Однако Габор [80] показал, что существует принципиальный предел для точности измерения теплового излучения. Полосу частот и время можно разбить на элементарные отрезки таких величин, когда так что каждый из них заключает в себе тепловую энергию Если тепловой шум усредняется по полосе частот и времени то он эквивалентен шуму, усредненному по элементарньм отрезкам. Таким образом, среднеквадратичная флюктуация при измерении тепловой энергии равняется и если считать, что она вызывается кажущейся флюктуацией температуры источника, то

Этот предел точности, как видно из уравнения (16.58), можно повысить, увеличивая полосу частот или время наблюдения. Если сек, то температуру источника шума нельзя измерить с лучшей точностью, чем приблизительно

Простейшим типом радиометра является показанный на рис. 16.22, а приемник прямого усиления, в котором детектируется непосредственно сигнал высокой частоты. Если используется полупроводниковый диод, то при малых уровнях на входе детектирование следует квадратичному закону уравнения (16.26) и флюктуация выходного тока определяется формулой

Минимальный обнаруживаемый сигнал удобно принять равным среднеквадратичной флюктуации, так что получаем

Если в это уравнение подставить значение и ввести величину М из уравнения (16.34), то получим

Так как изменение температуры на вызывает изменение мощности, поглощаемой в диоде на величину то наименьшее изменение будет

В типичном приборе для частоты , так что . Лучшую чувствительность можно получить при использовании малошумящего усилителя высокой частоты.

Более распространенным радиометром является супергетеродинный приемник, показанный на рис. 16.22, б и подробно изученный Страмом [262].

Рис. 16. 22. Основные типы радиометра сверхвысоких частот. а - приемник прямого усиления; б - супергетеродинный приемник. (См. [181].)

Тепловое излучение принимается по двум частотным каналам, разнесенным на удвоенную промежуточную частоту и преобразуемым в смесителе в шумы на промежуточной частоте. К преобразованным шумам приемник добавляет собственные шумы, так что среднеквадратичная флюктуация, отнесенная ко входу приемника, становится равной

где К — постоянная, представляющая ряд коэффициентов наблюдения. Например, если сек и если уровень шума на входе равен шуму сопротивления при 290° К, то сигнал представляет одну девятую часть средней мощности, подведенной ко второму детектору. Флюктуация показаний выходного измерительного прибора пропорциональна которая в данном случае представляет часть показаний, а по температуре соответствует приблизительно .