Под естественным излучением будем понимать тепловое хаотическое излучение объектов, а также участков местности и пространства.
Эффект неравномерного теплового излучения радиоволн участками местности может быть использован для снятия ее радиационной карты (панорамы) самолетным, наземным или надводным пассивным радиолокатором сантиметрового или миллиметрового диапазона без использования разнесенного приема. Обзор осуществляется игольчатым лучом в секторе. Сигналы после обработки подаются на растровый индикатор, развертка которого синхронизирована с движением луча антенны. Тепловой рельеф местности отображается на экране индикатора (рис. 14.9). В миллиметровом диапазоне и при большом времени наблюдения изображение напоминает оптическое (рис. 14.10). Возможно обнаружение кильватерной струи корабля, температура которой на несколько градусов выше температуры окружающей воды.
| Рис. 14.9. Радиолокационное изображение участка Земли (а), вид участка на карте (б) |
| Рис. 1410. Радиолокационное изображение участка местности (а), фотография участка. |
(14.14)
где vpaзл – коэффициент различимости для случая теплорадиолокации;
– полоса частот;
Т – длительность интегрирования.
Пусть поверхность излучателя Sn создает изотропное излучение с кажущейся температурой Т0пов. Кажущаяся температура – это температура абсолютно черного тела, которое дает такое же излучение, что и данное тело. Кажущаяся температура учитывает отличие излучения от излучения абсолютно черного тела и эффект переизлучения энергии из внешнего пространства. Например, для воды при 300 К кажущаяся температура 135 К без учета и 160 К с учетом переизлучения. Используя закон Рэлея, спектральную плотность мощности излучения с поверхности в единичном телесном угле представим в виде: [Вт/Гц-стер], а принимаемую мощность
Вт,
где k – постоянная Больцмана, а телесный угол связан с площадью приемной антенны и дальностью до цели соотношением:
, (14.15)
в свою очередь,
,
где Ш – коэффициент шума приемника;
Та – расчетная температура, при которой он измеряется (обычно 3000 К).
Из соотношений (14.14, 14.15) дальность действия теплорадиолокатора:
.
Остановимся на реализации обработки, сочетающей квадратичное детектирование и интегрирование после детектора. Чтобы уменьшить влияние нестабильности коэффициента усиления приемного устройства за время интегрирования, используют коммутацию (модуляцию) входного сигнала в волноводе приемника. Период модуляции выбирается так, чтобы коэффициент усиления практически не менялся за это время. При этом за счет потери половины энергии сигнала, удается сравнивать среднюю мощность колебаний при открытом и закрытом входе приемника.
Оптимальная обработка сигнала в этом случае сводится к квадратичному детектированию и некогерентному накоплению в течение времени, когда приемник открыт. Для определения порога может проводиться такая же oпeрация, но с накоплением в течение времени, когда приемник закрыт. Результаты интегрирования при открытом и закрытом входе приемника сравниваются за каждый период модуляции. Для этого достаточно сопоставить значения интеграла за каждые два смежных полупериода модуляции. Соответствующую разность можно далее накопить в течение всего времени интегрирования.
Проведение подобной операции упрощается, если выходное напряжение квадратичного детектора промодулировать последовательностью положительных и отрицательных видеоимпульсов типа «меандр». Тогда постоянная составляющая будет пропорциональна указанной выше разности напряжений. Подавая полученное напряжение на видеоусилитель с полосой пропускания, обратной времени интегрирования, выделяют видеоимпульс напряжения, соответствующий наличию излучения.
| Модулятор |
| Усилитель |
| Квадратичный детектор |
| Умножитель |
| Видео- усилитель |
| Модуляционное устройство |
| Рис. 14.11. Структурная схема приемного устройства теплового радиолокатора |
Представляет интерес использование радиоизлучения ионизированных участков пространства при старте баллистической ракеты и при ядерном взрыве. Спектр излучения занимает широкий диапазон частот. При этом коротковолновое излучение затухает быстрее, чем длинноволновое, для которого образуется волновод в пространстве между поверхностью Земли и ионосферой. Особенно малое затухание наблюдается в диапазоне сверхнизких частот (3 – 30 кГц). Для определения координат точки запуска ракеты или взрыва ядерного заряда может использоваться разностно-дальномерный метод пассивной локации.
Важное значение имеет использование инфракрасного диапазона волн, в котором можно получить значительно более высокую разрешающую способность по угловым координатам, чем в радиодиапазоне. Лучшая прозрачность атмосферы для инфракрасных волн, чем для видимых, позволяет увеличить дальность действия приборов инфракрасной техники по сравнению с оптическими.
Основными источниками инфракрасного излучения являются нагретые участки объектов на местности, детали аэродинамических летательных аппаратов и ракет, а также факелы газов двигателей.
Для преобразования энергии инфракрасного излучения в электрический сигнал используются следующие физические явления, возникающие под действием лучистого потока:
–возникновение электродвижущей силы (фотогальванический эффект);
–изменение электрического сопротивления (внутренний фотоэффект);
–эмиссия электронов (внешний фотоэффект).
Роль антенны выполняет оптическая система, фокусирующая инфракрасные лучи на преобразователь энергии (детектор).
Обнаружение целей инфракрасными системами осуществляется на фоне различных помех, имеющих такую же структуру, что и полезные сигналы. Источниками мешающих излучений могут быть все тела, расположенные в зоне обнаружения инфракрасного локатора: Солнце, атмосферные образования, горные вершины и т. д. Помехи создаются не только за счёт собственного излучения тел, но и за счет рассеяния лучистой энергии других объектов, например, Солнца. Спектральная плотность помех на входе приемного устройства отличается от спектральной плотности вблизи излучателя вследствие неодинакового ослабления лучистого потока по спектру; могут наблюдаться полосы поглощения и полосы прозрачности, обычно называемые «окнами».
Для выделения сигналов на фоне помех используют спектральную и пространственную избирательность. Спектральная избирательность обеспечивается за счет применения оптических фильтров, диапазон пропускаемых частот которых выбирается из условия получения наивысшего отношения сигнал-помеха.
Пространственная избирательность обеспечивается путем применения игольчатой диаграммы направленности и специальных элементов схемы приема с целью выделения точечных излучателей на фоне распределенных, но менее ярких (облаков, атмосферной пыли и т. д.). В качестве такого специального элемента используют, например, модулирующий диск (или шторку) с прозрачными и непрозрачными полосами (рис. 14.12). При вращении диска на детектор попадает прерывистый поток от точечного объекта и практически непрерывный для распределенного фона, что облегчает выделение сигнала.
Обзор пространства по угловым координатам может быть механическим и электрическим.
| Рис. 14.12. Модулирующий диск |
| γ |
| βr |
| βb |
| y |
| x |
| Приемник |
| Преоб. |
| Генератор развертки |
| Индикатор |
| Рис. 14.13. Структурная схема обзорного инфракрасного обнаружителя |
Электрический обзор применяется в локаторах с мозаичным фотодетектором или с инфракрасным электронно-лучевым преобразователем (видиконом). Используя мозаичный преобразователь, можно формировать парциальные диаграммы направленности. Каждый элемент мозаики имеет свой интегрирующий фильтр, накапливающий энергию сигнала, принятого с одного углового направления. Фильтры поочередно подключаются коммутатором на вход индикатора, на экране которого воспроизводится тепловой рельеф.
Инфракрасный видикон представляет собой электронно-лучевую трубку, входное окно которой закрыто полупроводниковой (например, кремниевой) пластинкой, на которую с внешней стороны фокусируется лучистый поток, а с внутренней – электронный луч (рис. 14.14). При развертывании электронного луча трубки по поверхности пластинки поочередно увеличивается прозрачность ее отдельных элементов, что обеспечивает поочередное считывание изображения, которое перефокусируется зеркальным объективом на фотодетектор.
Таким образом, на фотодетектор в каждый момент времени попадает излучение только той цели, сфокусированное изображение которой совпадает с положением электронного пятна трубки. Напряжение с выхода детектора после усиления подается на индикатор, на экране которого изображается тепловой рельеф.
| Рис. 14.14. Инфракрасный видикон: 1 – объектив; 2 – электронно-лучевая трубка; 3 – зеркальный объектив; 4 –детектор; 5 – электронная пушка; 6 – фокусирующая и отклоняющая системы; 7 – входное окно; 8 – выходное окно |