www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Основы радиолокации

Шумы в радиолокации

Рисунок 1. Шумовой фон на индикаторе кругового обзора


© 2008 Christian Wolff

Рисунок 1. Шумовой фон на индикаторе кругового обзора

Шумы в радиолокации

Шум — это случайный, как правило, нежелательный, сигнал. Он имеет место в различных приложениях:

Влияние шума наиболее заметно там, где полезные сигналы имеют низкий уровень, например, при слабом эхо-сигнале в приемнике радиолокатора. Шум характеризуется своими статистическими свойствами. Шум, обладающий равномерным спектром на всех частотах, называют «белым» шумом. Таким образом, «белый» шум имеет одинаковую мощность в фиксированной полосе пропускания на любой центральной частоте. «Белый» шум получил свое название по аналогии с белым светом, в котором, как известно, спектральная плотность мощности распределена по всему видимому диапазону. Другим типом электронного шума является так называемый «розовый» шум, спектральная плотность мощности которого имеет зависимость от частоты вида 1/f. Шум возникает почти во всех электронных устройствах и является результатом множества факторов.

Источники шума возникают как внутри, так и вне рассматриваемой цепи. Наряду с мощностью полезного сигнала антенна радиолокатора принимает мощность шума (мощность помех). Интенсивность принимаемого шума зависит от рабочей частоты f и ширины полосы пропускания приемника B. Часто для оценки шума указывается эквивалентная шумовая температура антенны, при этом отмечается, что она зависит от угла места. Она связана с мощностью помех, поступающих от внеземных источников излучения (галактический или космический шум), находящихся преимущественно в Млечном Пути, а также, являющихся результатом поглощения электромагнитного излучения в атмосфере и шумовой температуры Земли. Поскольку такие шумы невозможно отделить от полезных сигналов (в случае радиолокации — эхо-сигналов целей), то принятый шум будет усилен во всех каскадах приемника радиолокатора, как и полезные сигналы.

Источники шума, находящиеся внутри цепи, создают мощность внутреннего шума. Наиболее частыми причинами являются: шум полупроводниковых приборов, тепловой шум омических сопротивлений или проводимостей, а также шумовые токи носителей заряда. Тепловой шум возникает вследствие неравномерного движения носителей заряда в резистивном материале при протекании тока. Усредненное во времени значение этого тока равно нулю, а среднеквадратическое значение не равно нулю.

Рисунок 2. Шум на открытом измерительном кабеле осциллографа

Шум на открытом измерительном кабеле осциллографа
(click to enlarge: 640·480px = 300 kByte)

Рисунок 2. Шум на открытом измерительном кабеле осциллографа

Источники шума, находящиеся внутри цепи, создают мощность внутреннего шума. Наиболее частыми причинами являются: шум полупроводниковых приборов, тепловой шум омических сопротивлений или проводимостей, а также шумовые токи носителей заряда. Тепловой шум возникает вследствие неравномерного движения носителей заряда в резистивном материале при протекании тока. Усредненное во времени значение этого тока равно нулю, а среднеквадратическое значение не равно нулю.

Шумы системы или цепи оцениваются при помощи трех разных, но взаимосвязанных между собой, параметров:

Фактор шума

Фактор шума (Fn) устройства определяет, какое количество шума будет вноситься этим устройством (каскадом), дополнительно к поступающему на него шуму. Фактор шума для заданной входной частоты определяется в виде отношения:

Fn = мощность шума на выходе

(1)

выходная мощность шума, вызванного внешним источником

Как можно видеть, фактор шума представляет собой безразмерное соотношение.

Наряду с приведенным выражением используется также выражение, в котором отношение сигнал/шум на входе устройства делится на отношение сигнал/шум на его выходе.

Коэффициент шума

Коэффициент шума (Кш, NF) — это фактор шума, выраженный в децибелах (дБ). Он представляет собой степень ухудшения отношения сигнал/шум, вызванного устройством (трактом) для заданной полосы пропускания. Увеличение мощности шума от входа к выходу устройства больше, чем увеличение мощности полезного сигнала. Таким образом, коэффициент шума показывает уменьшение отношения сигнал/шум. Значение коэффициента шума указывается в спецификациях и для современных приемников составляет от 8 до 10 дБ.

Шумовая температура

Шум в системе может быть также выражен в виде эквивалентной шумовой температуры Tэ. Данный параметр не имеет отношения к физической температуре устройства (например, антенны). Шумовая температура устройства равна температуре резистора, который имел бы такую же мощность теплового шума в заданной полосе частот. Обратите внимание: шумовая температура простого резистора равна действительной его температуре. А вот шумовая температура диода может быть во много раз больше действительной температуры этого диода.

Шум в приемной системе может иметь тепловое происхождение (тепловой шум) или может быть вызван другими процессами, генерирующими шум. Большинство этих других процессов генерируют шум, спектр и распределение вероятностей которого аналогичны тепловому шуму. Из-за этого сходства вклад всех источников шума можно объединить и рассматривать как тепловой шум. Минимальный уровень сигнала, который может быть обнаружен, ограничен тепловым шумом, улавливаемым антеннами, обращенными к черному телу (которое находится при комнатной температуре 290°K = 17°C = 62°F), и шумом, генерируемым в подсистемах приемника.

шумовая
температура
мощность
шума
частота
атмосферный
шум
космический
шум

Рисунок 3. Частотная зависимость отношения шумовая температура — мощность шума (ε — угол места луча)

шумовая
температура
мощность
шума
частота
атмосферный
шум
космический
шум

Рисунок 3. Частотная зависимость отношения шумовая температура — мощность шума (ε — угол места луча)

шумовая
температура
мощность
шума
частота
атмосферный
шум
космический
шум

Рисунок 3. Частотная зависимость отношения шумовая температура — мощность шума (ε — угол места луча)

Тепловой шум характеризуется плотностью мощности N, которая определяется соотношением

N = kTB
 
где:  k — постоянная Больцмана (1.38·10-23 Дж/К)
B — ширина полосы пропускания в герцах
T — температура в Кельвинах
(2)

Минимальная входная мощность шума соответствует абсолютному нулю температуры Т=0°K. При нормальной рабочей температуре (Т=290°K) произведение kT равно около 4·10-21 Вт/Гц.

С учетом всех этих причин, величина kTВ считается минимальной мощностью входного шума только для некоторого идеального приемника. На практике шум в приемнике всегда выше на некоторый коэффициент, выраженный в децибелах, известный как коэффициент шума.