В ТУСУРе ведётся работа над созданием принципиально нового метода пассивных микроволновых исследований

Исследование теплового электромагнитного излучения, порождённого материальными объектами, имеет множество научно-прикладных направлений. Существующие системы пассивных микроволновых исследований (микроволновые радиометры) обладают сравнительно низким быстродействием – одно измерение выполняется в течение одной или нескольких секунд, передовые системы обладают быстродействием порядка нескольких сотен миллисекунд. Существующего уровня быстродействия микроволновых радиометров недостаточно, для того что бы решать новые и перспективные задачи в области дистанционного зондирования Земли, пассивного радиовидения, создания объёмных радиотепловых изображений человеческого организма для решения задач ранней медицинской диагностики, всепогодной навигации летательных аппаратов и т. д.

«Необходимость развития этого направления исследований стала ясно прослеживаться при завершении работы по моей кандидатской диссертации, посвящённой смежным вопросам по повышению чувствительности микроволновых радиометрических систем. Решение задач, поставленных в диссертационном исследовании под руководством профессора Александра Филатова, позволило систематизировать проблемную область и предложить принципиально новый методический подход к проведению пассивных микроволновых исследований быстропротекающих радиотепловых процессов природного и антропогенного характера, который посвящён решению комплексной проблемы увеличения динамических свойств радиометрических систем», – рассказывает доцент кафедры РСС Антон Убайчин.

Молодой учёный предлагает принципиально новый подход к проведению пассивных микроволновых исследований. Этот подход подразумевает использование принципов спектрально-временного разделения при исследовании быстропротекающих радиотепловых процессов. Временной интервал измерений при этом разбивается на элементарные маленькие интервалы, каждый из которых обрабатывается отдельным приёмником. Применение новых алгоритмов со ступенчатой следящей обратной связью и предложенных способов оперативного регулирования её глубины в зависимости от априорной информации об огибающей интенсивности теплового излучения кратно повышает динамические свойства измерительной системы.

«Конечно, кроме временного разделения, есть и более глубокие, фундаментальные, принципы реализующего метода. В целом этим принципы основаны на использовании двух высокостабильных опорных генераторов шумов в каждом приёмнике, относительно которых происходит сравнение с последующим уравниванием энергии сигнала, который поступает в антенну, – рассказывает об особенностях нового метода Антон Убайчин. – Научно-техническая изюминка, предложенная при выполнении этого проекта, заключается в способе уравнивания входной энергии антенны. Оригинальный способ уравнивания приводит к тому, что в области малых времён, соизмеримых с длительностью быстрых радиотепловых процессов, влияние аномальных флуктуаций собственных шумов приёмника (которые обладают одинаковой природой с измеряемыми шумами) нивелируются. Также нивелируются аномальные флуктуации коэффициентов передачи приёмников, а они в области малых времён так же оказывают значимое влияние на результат измерений. Казалось бы, ничего сложного, но осуществление таких измерений существующими методами невозможно».

По словам доцента Убайчина, фактически фундаментальный уровень динамических свойств функционирования существующего уровня специализированной измерительной аппаратуры на основе классических измерительных методов ограничен временным быстродействием в сотни миллисекунд при требуемом уровне чувствительности.

Среди проектов, которые подтолкнули Антона Убайчина к работе над новым методом измерений, – изготовление микроволнового радиометра, предназначенного для исследования солнечной активности в Крымской астрофизической обсерватории (разработанный микроволновый радиометр работает там и сегодня).

«Наибольший интерес с научной точки зрения представляют вспышки, происходящие на поверхности Солнца. Изменение излучения при этом происходит с постоянными времени порядка нескольких миллисекунд. При этом их последствия для нашей планеты отложены во времени. Солнечный свет и солнечная радиация достигают нашей планеты за время порядка 9 минут после вспышки, а ионный ветер, который ею порождён, долетает до Земли через 2,5 – 3 дня. По форме всплесков в солнечной короне можно сказать, в каком направлении и с какой интенсивностью он будет распространяться. Это крайне важно, поскольку колебания, которые вызывает в атмосфере Земли ионный ветер, оказывают порой существенное влияние как на самочувствие людей, так и на работу радиооборудования, – рассказывает Антон Убайчин. – Как только мы установили наш радиометр, произошла вспышка, и мы увидели красивый, размазанный во временной области всплеск. И я, как технический специалист, разработавший этот прибор, понял, что для того, чтобы исследовать это явление с повышенной разрешающей способностью по времени, нужны новые методы и средства».

Ещё одна прикладная задача, которую применение нового метода исследований может решать на новом уровне, – формирование «радиотепловых портретов» земной поверхности с помощью спутникового зондирования. Спутники дистанционного зондирования, как правило, расположены не на геостационарных орбитах, а находятся в постоянном движении вокруг земной поверхности со скоростью порядка 5 – 10 километров в секунду. Существующие приборы, используемые для зондирования поверхности пассивными методами, осуществляют от единиц до десятков измерений в секунду. Учитывая, какое расстояние спутник преодолевает за это время, можно говорить о сравнительно низком обеспечиваемом пространственном разрешении.

Другой интересной задачей является пассивное радиовидение и измерение распределения тепла в теле человека. Главная проблема, которую предстоит решить, – достигнуть приемлемой скорости получения изображений.

«Если в инфракрасном тепловизоре изображение формируется практически в режиме реального времени, то для того, чтобы построить такое же изображение в радиодиапазоне, необходимы десятки часов, – рассказывает доцент кафедры РСС ТУСУРа. – Те исследования, которые мы провели на данный момент, дают положительные прогнозы повышения динамики в сотни и, возможно, в тысячи раз, – это ещё предстоит выяснить в рамках выполнения предстоящих исследований. В области пассивного радиовидения это позволит сократить время формирования высокодетального изображения до нескольких секунд».