кации в основном совпадают с областями применения радиолокации и ИК-техники.

К главным областям применения РТЛ относятся: обнаружение и определение координат наземных, надводных, подводных, воздушных и космических объектов; решение задач морской и воздушно-космической навигации; физические исследования веществ и материалов.

Специфические особенности радиотепло-локации позволяет решать, например, такие задачи, которые принципиально неразрешимы средствами радиолокации и ЙК-техники: всепогодная астронавигация; всепогодное обнаружение источников тепловой энергии; неконтактное измерение распределения температур объектов и исследование их внутренней структуры. Использование методов радиотеплолокации может оказаться- плодотворным в системах скрытой связи и в системах сигнализации охраняемых территорий

В ряде других случаев в принципе допускающих использование радиолокаци-. онных и ИК-средств, из-за преимуществ радиотеплолокации ее применение оказывается предпочтительным. Так, для некоторых военных применений весьма ценно сочетание абсолютной скрытности со всепогодно-стью, а для народнохозяйственных применений важны относительная дешевизна и надежность радиотеплолокационной аппаратуры.

Из средств радиотеплолокации наиболее широкое применение получили радиоастронавигационные приборы - радиосекстанты. Kpojjie радиосекстантов про мышленностью ряда зарубежных стран выпускаются самолетные радиотеплолокаторы обзора земной поверхности.

25-11. РАДИОТЕПЛОВЫЕ СИГНАЛЫ

Физическая сущность теплового излучения заключается в преобразовании внутренней тепловой -энергии излучающего тела в энергию электромагнитного поля, распространяющегося за пределы излучающего тела. Это преобразование выполняется множеством элементарных осцилляторов, возбуждаемых тепловым движением микроскопических частиц вещества. (Такими осцилляторами могут быть атомы, заряженные частицы - электроны и ионы, а также молекулы, обладающие свойством электрической или магнитной полярности.)

В естественных условиях подобные излучения возникают в атмосфере и покровах Земли и планет; мощными источниками из лучений являются Солнце, и космические образования, ионизированные облака и т. д.

Основные законы и понятия, связавные с излучением, для радиодиапазона и инфракрасного диапазона волн совпадают (см. § 28-2 Справочника). Поэтому ниже приводятся только некоторые из них, обладающие специфическими особенностями в радиодиапазоне.

Формула Релея-Джинса и кажущаяся температура тела

Важнейшим законом теплового радиоизлучения является закон, выражающий связь спектральной плотности излучения абсолютно черного тела (АЧТ) с температурой и длиной волны, выражаемый формулой Планка [Л. 13]. Для большинства энер гетических расчетов в радиотеплолокации используют приближенную формулу Релея-Джинса

2зхр

ачт(7.Г) =--fcT = 2nkT

= , [вт mz -гц], (25-172) А,2

где РдцТ (f, Т) - плотность излучения абсолютно черного тела на частоте f при заданной температуре; f - частота гц; с=3 -108 м сек - скорость распространения электромагнитных волн; А= 1,38 - 10~23 дж/град - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура, °К; Я,- длина вол ны, м.

Излучение реальных тел в большинстве случаев значительно отличается от излучения АЧТ как интенсивностью; так и пространственным распределением и спектральной плотностью. Спектральная плотность радиоизлучения, как известно, зависит от длины волны. Однако в пределах полосы пропускания измерительного устройства ее можно считать практически постоянной. Это дает возможность пользоваться представлениями теории теплового излучения и характеризовать интенсивность радиои лучения температурой.

Для характеристики интенсивности излучения реальных тел применяется понятие яркостной температуры, определяемой как температура АЧТ, имеющего на данной частоте в данном направлении такую же яркость, как и рассматриваемый источник.

Формула Релея-Джинса и приведенное выше определение излучательной способности объектов позволяют характеризовать мощность, излучаемую объектом, с помощью температуры эквивалентного по излучению АЧТ. Эта условная температура объекта называется эквивалентной температурой Тэи определяется произведением его абсолютной температуры Т на излучательную способность е, т. е.

Тэ = еТ.

Полное излучение реальных объектов определяется не только их собственным излучением, но и наличием подсветки , создаваемой рядом подсвеч. чающих излучате-лер.Дли радиотеплолокацы наиболее харак- терен случай, когда под( ветка создается одновременно сплошной средой (атмосферой, космическим фоном) и рядом источников с малыми угловыми размерами (Солнце, Луна и пр.).

Таким образом, результирующее полное излучение реальных объектов обусловлива-

ется собственным излучением объекта и отражением этим объектом энергии, падающей на него из внешней среды. Эту суммарную излучаемую энергию можно также приравнять к энергии излучения АЧТ, имеющего меньшую кажущуюся температуру , равную

Г аж = 7Л + Г .срХ, (25-173)

э.ср-эквивалентная температура внешней среды; X-отражательная способность объекта.

Аналитическое выражение для кажущейся температуры достаточно сложно [Л. 13] и зависит как от яркостной температуры, так и от целого ряда других факторов (характер поверхности излучателя - гладкая или шероховатая, степень поглощения среды, угол визирования н т. п.), строгий учет которых весьма затруднителен. Достаточно полные характеристики кажущихся температур различных объектов получены экспериментальным путем в ряде работ.

Например, кажущиеся температуры земных покровов и некоторых наземных объектов на волне 8,6 мм определяются следующими значениями [Л. 13]:

Здания........ 230-250° К

Металлические конструкции 50° К

Реки, озера...... 170-200° К

Почвы и растительность . . 260-275° К Лесные массивы..... 270-285° К

Возможность обнаружения объектов определяется наличием между ними температурного контраста, под которым понимается разность кажущихся температур объектов. При наличии температурного контраста объекты различаются по интенсивности поступающих от них излучений.

Радиотепловые сигналы

Тепловое радиоизлучение является результатом возбуждения очень большого числа элементарных осцилляторов, причем момент и интенсивность возбуждения каждого осциллятора зависят от многих случайных факторов. Вследствие этого радиотепловое излучение является случайным процессом.

Радиотепловые сигналы являются реализациями этого случайного процесса. Наиболее характерные особенности их состоят в отсутствии регулярных составляющих и очень низкой спектральной плотности (по сравнению, например, с радиотепловым излучением в ИК-диапазоне), как правило, равномерной в пределах полосы пропускания приемного устройства. Такие сигналы могут быть записаны в виде

н(0 = (/(f)sin[<Dof+ 4>(0]. (25-174)

где U(t)-огибающая сигнале; Ф(г) - фаза сигнала; 2я/:0=Шо - угловая частота, соответствующая центру полосы частот tsf, в которой наблюдается радиотепловой сигнал.

Соотношение (25-174) справедливо в предположении, что полоса частот, занимаемая сигналом, Д/<Сшо/2я.

Так же как и спектральную плотность излучения, спектральную плотность радиотепловых сигналов удобно выражать в условных температурных единицах. Если частотная характеристика ан-тенно-фидерного тракта в пределах полосы пропускания приемника равномерна, спектральная плотность сигнала на выходе антенного фидера может быть записана в виде

Gc(ca) = kTa, (25-175)

где Gc (со) - спектральная плотность сигнала на выходе антенного фидера; k - постоянная Больцмана; Та - температура антенны, зависящая от кажущейся температуры и размеров излучателя, эффективности антенного устройства н взаимного расположения излучателя и антенны.

Мощность радиотеплового сигнала в полосе частот Af равна:

Ро - Gc(co)Af = kTa Af. (25-176)

Важными характеристиками радиогепловых сигналов являются их длительность и форма. Для обзорных радиотеплоло-каторов характерна форма сигнала, повторяющая форму диаграммы направленности антенны РТЛ. В этом случае длительность сигнала определяется выражением

ta -- , (25-177)

е Qc + Йц

где Дб - угловой размер диаграммы направленности антенны РТЛ в направлении сканирования; Оц - угловая скорость относительного движения цели в направлении сканирования; йс - угловая скорость сканирования антенны при обзоре.

Более общим является понятие эффективной длительности сигнала, под которой понимается длительность сигнала прямоугольной формы, с энергией, равной энергии сигнального импульса рассматриваемого вида, прн условии равенства нх пиковых мощностей

Здесь

M(t) =

tc= j M{t)dt, (25-178)

Ta(t)

M (t)<\

- функция, отображающая изменение спектральной плотности сигнала во времени, именуемая в дальнейшем сигнальной функцией.

Основные виды сигнальных функций 1. Прямоугольная сигнальная функция (1 0 < г < ге; M (Hor<0;, <*179>

Прямоугольная сигнальная функция - идеализированная функция, применяемая при теоретических исследованиях, связанных с обнаружением радиотепловых сигналов на фоне шумов, и анализе чувствитель ности радиометрических приемных устройств

2. Гауссова сигнальная функция

Мт (f) = exp j-я г)а] (25-18°)

Этой функцией удобно аппроксимировать форму сигналов обзорных РТЛ, работающих по малоразмерным целям.

3. Квазигармоническая сигнальная функция

Afc(f)=exp- я(т-)2]х

1 + sin (сосг -f- фс)

(25-181)

Сигналы такого вида получаются при использовании двухканальных (интерферо-метрических) РТЛ; сигнальная функция этого вида отличается от всех прочих наличием двухинформативных параметров - частоты и фазы заполнения.

4. Случайные сигнальные функции. Подобными функциями описываются, например, сигналы следящих РТЛ, характер изменения мощности которых зависит от параметров системы автоматического сопровождения РТЛ и от того, каким образом движется цель относительно РТЛ.

Сигнальные функции такого вида могут быть охарактеризованы только статистически - посредством их функции автокорреляции или энергетических спектров.

Важная характеристика радиотепловых сигналов - их энергия. С учетом приведенного ранее определения эффективной дли тельности сигнала выражение для энергии может быть записано в виде

со со

Е = j Рс (f) dt = J TaAfM (t) dt =

-CO --CO

= TaAftc. (25-182)

Здесь А/ - полоса пропускания приемного устройства, в которой оценивается энергия сигнала

25-12. ПРИЕМ РАДИОТЕПЛОВЫХ СИГНАЛОВ

Широкополосность радиотенловых сигналов и случайный характер изменения амплитуды, частоты и фазы во времени обусловливают специфичность методов обнаружения и обработки таких сигналов. Выделение слабого радиотеплового сигнала на фоне шумов приемного устройства затруд ияется тем, что тепловое радиоизлучение по своей структуре и статистическим свойствам аналогично собственным шумам приемника.

Приемник обычной РЛС при обнаружении заранее известного сигнала будет реализовывать оптимальный прием в том случае, если он производит над принятым сигналом операцию по определению меры взаимной корреляции q(x) между переданным сигналом uc(t) и принятым при наличии шума um(t) сигналом x{t)=uc(t-т) + + m(f), т. е.

q(%) =i J х (г) ыс (г - X)dt. (25-183) Т

Поскольку приемник в этом случае располагает копией uc(t), то операция получения q(%) производится с помощью оптимального фильтра. Располагая функцией q(x), можно определить дальность до цели при т=0.

В случае приема теплового радиоизлучения сигнал с (г) неизвестен, т е приемник не располагает копией uc(t). В теории обнаружения шумового сигнала на фоне случайных шумов показывается, что для реализации оптимальнойобработки таких сигналов могут применяться либо корреляционный приемник с двумя независимыми каналами приема, либо одноканальный приемник, осуществляющий квадратичное детектирование с последующей компенсацией постоянной составляющей мешающих шумов на выходе. У такого приемника напряжение на выходе пропорционально интегралу квадрата мгновенных величин огибающей входного сигнала за время его наблюдения

VBUX = kV*(t)dt. (25-184)

Радиоприемные устройства, применяемые в радиотеплолокации и предназначенные для регистрации радиотепловых сигналов, называют обычно радиометрами.

Основным требованием, предъявляемым к радиометрам, является получение минимальных флуктуации на выходе, обусловленных собственными шумами входных каскадов и нестабильностью коэффициента усиления (при этом коэффициент усиления, а также постоянная времени выходного устройства радиометра полагаются заданными).

Стабильность работы радиометра определяется степенью постоянства коэффициенташума, полосы пропускания приемника, а также его коэффициента усиления. Первые два параметра изменяются медленно, и их влияние может быть учтено при обработке результатов измерения. Изменение же коэффициента усиления простым способом учесть не удается. С учетом изменений коэффициента усиления выражение для чувствительности радиометрического приемника [см. формулу (25-192)] принимает вад: