Пассивные микроволновые системы. Теория антенн

ПАССИВНЫЕ  МИКРОВОЛНОВЫЕ СИСТЕМЫ

В предыдущих главах рассматривались пассивные удаленные системы зондирования, дифракционное разрешение которых ограничивается соотношением ______________, что является существенным фактором, но не критическим. В этой главе будут представлены системы последнего класса пассивных удаленных систем зондирования — пассивные микроволновые радиометры. Это устройства, которые производят измерения в микроволновом диапазоне (5—100 ГГц). Как упоминалось в гл. 2.6, в соответствии с формулой Планка на относительно низких частотах величина излучения, поддающаяся измерению, четна в этом диапазоне частот.

Микроволновое излучение лежит вне видимого и теплового инфракрасного диапазона (выше), поэтому ограничения по разрешению увеличиваются. Решению этой проблемы посвящены работы Робинсона (1994 г.) и Улаби (1981, 1982, 1986 гг.). Многие технологии и терминология пассивных микроволновых радиометров разработаны были в сфере радиоастрономии.

Теория антенн

Угловое разрешение и пространственное разрешение

Как упоминалось ранее, электромагнитное излучение определяется воздействием на электроны, которые возбуждаются до состояния повышенной энергии при попадании на них фотонов. Энергия микроволновых фотонов составляет несколько микроэлектронвольт, что достаточно мало, чтобы возбужденные электроны преодолели запрещенную атомную или молекулярную энергетическую зону. Поэтому для определения микроволнового излучения используются электрические проводники (металлы). Падающее электромагнитное излучение вызывает флуктуирующий ток в проводнике, который можно усилить и измерить. Антенной называется структура, превращающая распространяемые в свободном пространстве волны в флуктуацию напряжения в схеме, к которой она подсоединена.

Широко распространенная форма микроволновой антенны — параболическая тарелка, хотя применяются и другие конструкции. На рис. 7.1 представлена схема простого микроволнового радиометра с такой антенной. Выбор такой конструкции антенны обусловлен следующими требованиями:

необходимость высокой чувствительности в определенном направлении;

необходимость высокого углового разрешения.

Параболическая антенна удовлетворяет этим требованиям в большей степени. Рассмотрим принцип действия идеальной антенны, на которой нет потерь мощности. Она характеризуется сопротивлением излучению_________, сущность которого легче понять при изучении передающей антенны. В этом случае переменный ток I с заданной частотой подается на антенну, которая излучает мощность_________. Сопротивление излучению ____________ — это сопротивление антенны как части схемы, на котором происходит рассеивание мощности.

Если принимающая антенна расположена на большом расстоянии от источника микроволнового излучения (мощности), напряжение появится на ее выходе. Если механизм излучения тепловой, то принимаемый сигнал будет аналогичен термальному шуму на сопротивлении ___________ и будет характеризоваться температурой Т_А. Причиной термального шума является броуновское движение электронов. Часто термальный шум называется шумом Джонсона или шумом Найквиста. Как известно, мощность шума Джонсона в частотном интервале  определяется как

(7.1)

где к — постоянная Больцмана. Следует отметить, что уравнение (7.1) применимо, если мощность на единицу частотного интервала является постоянной. Эквивалентом температуре Т_А в термальном шуме для сопротивления излучению является температура антенны. Если расстояние до источника излучения достаточно велико и излучающее идеальное черное тело характеризуется физической (абсолютной) температурой Т, то температура антенны будет равна Т.

Отсюда функционирование пассивного микроволнового радиометра можно описать следующим образом: антенна направлена на некоторую «цель», которая генерирует сигнал, аналогичный напряжению шума. По формуле (7.1) можно рассчитать температуру антенны Т_А, которая является разновидностью средневзвешенной яркостной температуры. Следующая задача состоит в том, чтобы определить природу этой средневзвешенной температуры.

Идеальная антенна принимает излучение в очень маленьком диапазоне телесного угла. Для реальных антенн применяется концепция диаграммы направленности ______________.Диаграмма направленности — это фиксированная мощность, которую антенна может зафиксировать и которая находится на определенном расстоянии в определенном направлении __________ относительно оси антенны. При этом расстояние на диаграмме направленности больше расстояния Френеля (см. п. 2.7). Диаграмма направленности формируется таким образом, что не зависит от мощности антенны и расстояния до нее: