МОДЕЛЬ КОРПУСКУЛЯРНОЙ СИСТЕМЫ ПРИЕМА-ПЕРЕДАЧИ РАДИОИЗЛУЧЕНИЙ

Введение

Отсутствие ясных и простых моделей, описывающих влияние деформаций элементов конструкции зеркальных систем больших радиотелескопов (РТ) на временные и частотные характеристики принимаемых радиосигналов, послужили причиной для разработки новых моделей радиоизлучений (РИ) и систем радиосвязи, основанных на иных физических принципах, чем применяемые ранее. Прежде всего, это касается физической природы РИ. В результате внутриатомных процессов, проходящих в каком-либо теле или от внешних воздействий, его энергия может быть преобразована в РИ, возникающие от изменения энергетических состояний большого числа атомов и ионов, входящих в состав излучающего тела.

Наблюдаемые в природе РИ лежат в широком диапазоне частот (рисунок 1).

Рисунок 1. Диапазон частот РИ

Споры о физической природе РИ касались главным образом диапазона видимого света, по причине доступности наблюдательных средств на основе длинного ряда наблюдений над особенностями световых явлений. При этом научные представления о природе света менялись по мере того, как накапливались новые сведения и данные наблюдений.

Корпускулярная теория

На основе корпускулярной теории было трудно объяснить, почему световые пучки, пересекаясь в пространстве, никак не действуют друг на друга. Ведь световые частицы должны сталкиваться и рассеиваться. Тогда еще не знали линейных размеров корпускул и плотности их в потоке, и не могли определить вероятность столкновения корпускул, которая при современных воззрениях имеет столь низкое значение, что допускает одно столкновение более чем за 1000 лет. Поэтому два луча света и даже лазерных луча, направленных навстречу друг другу не приводят к столкновению корпускул в обозримое время.

Волновая же теория это легко объясняла. Волны, например, на поверхности воды, свободно проходят друг сквозь друга, не оказывая взаимного влияния.

Однако прямолинейное распространение света, приводящее к образованию за предметами резких теней, трудно объяснить, исходя из волновой теории. При корпускулярной же теории прямолинейное распространение света является просто следствием закона инерции.

Одновременное наличие у объектов волновых и корпускулярных свойств получило название корпускулярно-волнового дуализма [1].

Опыт Юнга с позиции корпускулярной теории приема-передачи радиоизлучения

На рисунке 2 приведена схема классического опыта Юнга, поставленного им в 1801 году [2].

Рисунок 2. Опыт Юнга по обоснованию волновой природы света

Опыт Юнга до сих пор остается одним из главных доказательств волновой природы света. Фронт потока радиочастиц излучения от источника I попадает на экран А. Часть частиц проходит через отверстие S₀ беспрепятственно, а часть попадает на кромку этого отверстия и конусообразно рассеивается, подобно тому как распыляются сыпучие материалы на насадках и отверстиях. При истечении из отверстия S₀, образуется новый фронт потока частиц, который достигает экрана В и, проходя через отверстия S₁ и S₂ образует из них еще два фронта, которые достигая экрана С, создают на его поверхности интерференционную картину из светлых и темных полос Френеля. Следует заметить, что никаких взаимодействий частиц друг с другом не происходит, а интерференционная картина на экране С наблюдается в результате вторичного эмиссионного излучения от взаимодействия радиочастиц с веществом, из которого сделан экран. Это излучение попадает нам на сетчатку глаза, вызывая иллюзию, будто бы мы наблюдаем взаимодействие электромагнитных волн в пространстве [2].

Ответ на вопрос о физической природе РИ, являются ли РИ электромагнитной волной или потоком радиочастиц (корпускул), не может быть убедительным без рассмотрения взаимодействия РИ с веществом (пробным телом) [3].

«Пробное тело — одна из основных концепций классической теории поля, тело, обладающее настолько малым зарядом в случае применительно к электромагнитному полю или настолько малой массой при изучении гравитационного поля, что оно пренебрежимо мало возмущает внешнее поле. Дополнительно предполагается, что размеры пробного тела пренебрежимо малы по сравнению с характерными для конкретной задачи расстояниями, то есть принимаются точечными. При теоретическом рассмотрении полей является абстракцией» [3].

Для физической интерпретации эффектов, свидетельствующих о волновой природе света, была создана теория преобразования РИ на границе двух сред в процессы другой физической природы внутри вещества чувствительных элементов.

Наибольшую простоту и ясный физический смысл РИ принимают при представлении их в форме потока частиц (флюенс) [4].

Флюенс — физическая величина, интеграл по времени от плотности потока частиц или энергии. Иногда используется синонимичный термин «перенос». Флюенсом частиц в случае пучка частиц называют отношение числа частиц dN, пересёкших перпендикулярную пучку элементарную площадку dS за данный промежуток времени, к площади этой площадки. В случае диффузного поля частиц, флюенс в точке определяется как отношение числа частиц, проникших в элементарную сферу с центром в этой точке, к площади поперечного сечения этой сферы [4].

По нашему мнению волновые свойства РИ проявляются только в веществе, с которым оно взаимодействует, как в среде более плотной, чем поток РЧ. Полагается, что РЧ нейтральны, не имеют заряда, обладают постоянной массой. Ввиду малых размеров РЧ, вероятность их столкновений очень мала, поэтому считается, что РЧ между собой не взаимодействуют. Поток РЧ, взаимодействуя с веществом, вызывает в нем колебательные процессы, подобные серийному ударному воздействию множества твердых тел малой массы на тело большой массы.

Теоретическую основу взаимодействия РЧ с веществом составляет формула

E = h ν,                                                                     (1)

связывающая кинетическую энергию E, n РЧ с суммарной массой m=m₀ n, c энергией h ν, передаваемой элементу (пикселю) вещества, пропорционально частоте облучения этого пикселя ν=n/τ,

где: m₀ – масса одной РЧ, h- коэффициент пропорциональности (постоянная Планка), τ – время, за которое на пиксель падает n РЧ.

Для механической системы, состоящей из одной РЧ, кинетическая энергия равна E₀ = m₀ c² / 2, тогда m₀ =2h/ c², где с- скорость света.

Считая, что скорость РЧ относительно источника РИ постоянна и равна скорости света, можно заключить, что масса РЧ постоянна. Однако скорость РЧ относительно приемника может отличаться от скорости света, если относительная скорость источника и приемника отличается от нуля. Это означает, что энергия, передаваемая РЧ пикселю, может быть больше или меньше E_0.

Простейшей математической интерпретацией процесса взаимодействия РИ с веществом является модель осциллятора (колебательного звена), на который воздействует сигнал в виде последовательности импульсов, аналогичный сигналу временной импульсной модуляции (ВИМ), когда в соответствии с распределением РЧ вдоль направления распространения РИ происходит смещение импульсов по временной оси [3].

Воздействию отдельной РЧ на вещество, на временной оси соответствует импульс. Ширина импульса соответствует времени ударного взаимодействия РЧ с веществом. Амплитуда – соответствует мощности взаимодействия, а площадь импульса – кинетической энергии РЧ. Период Т определяется расстоянием λ между соседними РЧ, т.е. Т = λ / с. На выходе осциллятора, в зависимости от физических свойств веществ, образуется сигнал в виде напряжения, тока или иных физических процессов, которые можно измерить и получить оценки параметров принимаемого РИ.

Структура потока РИ точечного источника в заданном направлении представляется в виде последовательности РЧ (луча), движущихся друг за другом со скоростью света на расстоянии шага λ = с / ν. По терминологии, принятой в волновой теории РИ, λ –совпадает с длиной волны.

Поляризация

Важной характеристикой РИ является его поляризация. В нашей теории поляризация самой радиочастицы отсутствует из-за ее малых линейных размеров. Она характеризует не частицы, а структуру потока в поперечном сечении и определяет степень его симметрии (или асимметрии) в пространстве. Нами принято, что РИ называется поляризованным, если расположение РЧ в поперечном сечении потока неравномерно и имеется некоторое преимущественное направление, в котором плотность частиц в этом сечении, приходящихся на единицу площади больше, чем в других направлениях. Такое направление называется направлением поляризации. Очевидно, поляризованные РИ обладают свойством, позволяющим определять спектральную плотность распределения частиц поперек потока в разных направлениях. Это осуществляется в результате взаимодействия РИ с определенным веществом, наделенным таким качеством или техническим устройством. специально предназначенным для определения структуры поперечного сечения РИ.

Основная задача системы приема радиоизлучений (РИ)

Основной задачей системы приема радиоизлучений (РИ) является определение оценок их характеристик и параметров. Получение таких оценок зависит от выбранных моделей, методов и средств процесса наблюдения РИ. Главными элементами, участвующими в наблюдении, и для которых требуется физическое и математическое описание в явном виде являются: принимаемый поток РИ (ППР), зеркальная система (ЗС) антенного устройства (радиотелескопа) РТ, система наведения ЗС РТ, чувствительный твердотельный многопиксельный элемент (ЧЭ) приемного устройства, преобразующий ППР в сигнал, по которому определяются требуемые оценки посредством  радиоприемника (РП).

На рисунке 2 приведена математическая модель системы приема-передачи РИ по каналу связи, представляющему условно один луч.

Рисунок 2. Корпускулярная модель приема-передачи радиоизлучений по одному лучу

Принятие корпускулярной модели, основой которой являются РЧ, не взаимодействующие между собой, означает отказ от полевой теории света и интерпретации физических эффектов, связанных с ней, без взаимодействия РИ с веществом. В действительности, все известные эффекты волновых свойств света могут быть объяснены только посредством мишени, пробного тела, эмиссии и др. То есть эксперимент со светом без вещества невозможен. Поэтому правомерна точка зрения, и соответственно модель, в которой волновые свойства проявляет не РИ, а вещество при взаимодействии с ним. [1]

Вывод:

Изложенная интерпретация процессов приема-передачи радиоизлучений не нарушает законов сохранения энергии при взаимодействии РЧ с веществом, но упрощает расчеты частотных и временных характеристик радиосигналов. Существенно упрощаются расчеты оценок влияния отклонений (или деформаций) элементов конструкций зеркальных систем антенн на указанные характеристики полезных сигналов, в том числе на диаграммы направленности, спектры, КИП и др.

Список литературы:

1. Гальцов Д. В. Корпускулярно-волновой дуализм // Физический энциклопедический словарь. — под ред. А. М. Прохорова — М., Большая Российская энциклопедия, 2003. — ISBN 5-85270-306-0. — Тираж 10000 экз. — с. 312
2. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: учеб. пособие.: для вузов. в 10 Т. Т. 1. Механика. – 5-е Изд., Стереот. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. – 224 с.
3. Фейнман Ричард. Richard Feynman. КЭД — странная теория света и вещества. Пер. с английского О.Л. Тиходеевой, С.Г. Тиходеева. (выпуск 66 серии "библиотечка квант")М., Наука, 1988 — 144 с.
4. Словари и энциклопедии на Академике: Флюенс [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1167669 (дата обращения: 10.01.18)