Оценки чувствительности и уровней вредных помех

Уравнения (4.4) или (4.6) можно использовать для оценки чувствительности и уровней помех для радиоастрономических наблюдений. Результаты в предположении времени t наблюдения (или интеграции) в 2000 с, как описано в п. 4.2.3, приведены в Таблицах 4.1 и 4.2. Чувствительность, выраженная в единицах температуры или спектральной плотности мощности, представляет собой уровень на входе приемника, требуемый для увеличения выходного сигнала на величину, равную среднеквадратичным флуктуациям шума. В Таблице 4.1 (наблюдения непрерывного спектра) для частот ниже 71 ГГц значение D f принято равным ширине распределенной радиоастрономической полосы. Выше этой частоты использовано значение 8 ГГц, которое характерно для ширины полосы, обычно используемой для наблюдений непрерывного спектра в этом диапазоне. В Таблице 4.2 (наблюдения спектральных линий) D f представляет собой характерную для спектральной линии ширину полосы канала. Использованные для D f значения соответствуют скорости около 3 км/с, которая является промежуточной между значениями, обычными для спектральных линий источников в нашей Галактике и во внешних галактиках. Следует отметить, что пять последних строк в Таблицах 4.1 и 4.2 относятся к частотам в диапазоне выше 275 ГГц, в котором не выделено никаких полос в момент написания этой редакции Справочника. Эти частоты выбраны произвольным образом, и соответствующие пороги вредных помех предназначены только для предварительных оценок.

Уровни вредных помех, приведенные в Таблицах 4.1 и 4.2, выражены как уровни помех, которые вводят в D P (или D T) составляющую, равную 10% от среднеквадратичных флуктуаций за счет шума системы, т. е.

                                                              D P_H = 0,1 D P D f.                                                       (4.8)

В общем соответствующие столбцы в Таблицах 4.1 и 4.2 можно рассчитать следующими методами:

–   D T с помощью уравнений (4.6) и (4.7);

–   D P с помощью уравнения (4.5);

–   D P_H с помощью уравнения (4.8).

Помехи можно также выразить в единицах падающей на антенну плотности потока мощности (п.п.м.) для всей ширины полосы или в виде спектральной п.п.м. S_H в расчете на 1 Гц ширины полосы10. Как описано в п. 4.2.2, эти значения приведены для антенны с усилением в направлении прихода помех, равным усилению изотропной антенны (которая имеет эффективную площадь c ²/4p f ², где c – скорость света, а f – частота). Значения S_H D f (дБ(Вт/м²)) получены из D P_H (дБВт) путем добавления

                                                    20 log f – 158,5 дБ,                                             (4.9)

где f выражена в герцах. Значение S_H затем получают путем вычитания 10 log D f для учета ширины полосы. Можно также представить S_H одной следующей формулой:

                                                                                                    (4.10)

На Рисунке 4.1 графически представлены уровни вредных помех для службы РАС, полученные из Таблиц 4.1 и 4.2, где величина S_H (дБ(Вт/(м²·Гц))) отложена на графике в зависимости от частоты. Кривая непрерывного спектра не получается сглаженной, поскольку разные полосы частот имеют различную распределенную для них ширину.

Чувствительность радиоастрономической приемной системы для широкополосного (непрерывного) излучения повышается с увеличением ширины полосы (уравнения (4.4) и (4.6)). Это обусловлено тем, что мощность шума растет при увеличении ширины полосы, но поскольку сигнал также является широкополосным шумом, то же самое происходит и с сигналом. Отношение мощности S / N в РЧ- или ПЧ-каскадах до детектора остается постоянным вне зависимости от ширины полосы. Однако с увеличением ширины полосы улучшается точность определения уровня мощности как корня квадратного из ширины полосы, и поэтому соответствующим образом повышается чувствительность.

В уравнениях (4.4) и (4.6) предполагается, что можно добиться любой желаемой чувствительности при достаточно больших значениях ширины полосы и/или времени наблюдения. Однако на практике иные факторы, кроме рассмотренных выше статистических факторов, накладывают ограничения на чувствительность радиоастрономических наблюдений. В качестве примера таких иных воздействий можно привести стабильность приемника и флуктуации затухания и фазовой траектории в атмосфере Земли. Для уровней чувствительности, приведенных в Таблицах 4.1 и 4.2, использованы значения ширины полосы и времени интеграции, для которых указанные другие факторы обычно несущественны. Однако следует подчеркнуть, что эти уровни чувствительности не являются теоретическим пределом и они обычно превышаются в тех случаях, когда данные можно интегрировать в течение многих часов.

РИСУНОК 4.1

Рассчитанные в Таблицах 4.1 и 4.2 пороговые уровни помех в зависимости от частоты

На Рисунке 4.1 показаны пороговые значения спектральной плотности потока мощности для непрерывного спектра (крестики) и спектральной линии (кружки) из Таблиц 4.1 и 4.2, нанесенные на график в зависимости от частоты.

В Отчете МСЭ-R RA.2131 "Дополнительная информация о пороговых уровнях вредных помех, создаваемых радиоастрономическим наблюдениям, в Рекомендации МСЭ-R RA.769" приведены эквивалентные значения напряженности электрического поля, соответствующие записям в Таблицах с 4.1 по 4.3.