Глава 2. Поляризация радиоизлучения

 

Внеземное радиоизлучение состоит, вообще говоря, из двух частей - поляризованной и неполяризованной. Обе компоненты имеют сплошной частотный спектр. Однако в поляризованной волне колебания составляющих электрического поля Е _x(t ) и Е _y (t) по двум взаимно перпендикулярным осям, лежащим в плоскости фронта волны, когерентны в том смысле, что . Здесь звездочкой отмечена величина, комплексно-сопряженная с Е_y, а черта означает усреднение по времени за период . В неполяризованной волне (называемой также естественно или хаотически поляризованной) эти составляющие некогерентны, т. е. среднее по времени от их произведения равно нулю.

В общем случае электрический вектор поляризованной волны Е(t) описывает эллипс, размеры которого флуктуируют так, что остаются постоянными ориентация эллипса и отношение его осей. Таким образом, в поляризованном излучении, принимаемом в интервале частот Dw<<w_o, компоненты поля E_x, Е_у имеют вид:

, ,

где амплитуды Е_ох, Е _oу и фазы y_x, y_y изменяются во времени (характерное время этого изменения — порядка 1/Dw; при достаточно малой полосе Dw<< w_o амплитуды и фазы медленно меняются по сравнению с периодом колебаний 2p¤w_o), хотя отношение Е_ох,/ Е _oу и разность фаз y_xy = y_x - y_y, определяющие ориентацию эллипса c и отношение его осей р (рис.2.1), остаются постоянными.

 

  

Рис 2.1. Эллипс поляризации для излучения с волновым вектором , направленным перпендикулярно плоскости чертежа.

 

Из сказанного следует, что поляризованная часть радиоизлучения характеризуется тремя параметрами: ее интенсивностью, ориентацией и отношением осей эллипса поляризации (I_pol , c , p ); направление вращения вектора (t ) при этом учитывается знаком р (положительные значения р соответствуют вращению вектора (t ) по правому кругу, если смотреть вдоль направления распространения волны; отрицательные — вращению по левому кругу). В неполяризованной волне хаотически меняется как направление, так и величина вектора (t ). Поэтому неполяризованная часть радиоизлучения характеризуется лишь ее интенсивностью I _ест . В целом радиоизлучение, приходящее из точки небосвода, лежащей в направлении W и принимаемое в полосе частот Dw, определяется четырьмя параметрами: общей интенсивностью I = I_пол+I_ест, степенью поляризации r =I _пол / I, отношением осей р и ориентацией эллипса поляризации c. Если r =0, излучение не поляризовано; когда r=1, излучение полностью поляризовано; в остальных случаях оно частично поляризовано.

В качестве величин, характеризующих состояние поляризации радиоизлучения, можно также выбрать параметры Стокса I, Q, U , V.

Рассмотрим общий случай эллиптической поляризации. Пусть   и  - полуоси эллипса, описываемого электрическим вектором. Введем обозначения:

Отсюда  и .

Ориентацию эллипса поляризации часто относят к той или иной выделенной поверхности, характеризующей, скажем, направление магнитного поля. Пусть полуось   составляет с этой плоскостью угол . Тогда вторая полуось наклонена к этой плоскости под углом . Спроектируем полуоси   и   на выделенную плоскость (ось ) и на перпендикулярное к ней направление (ось ):

Параметры Стокса определим теперь следующими равенствами (учитывая, что  и ):

 

   (2.1)

Преимущество параметров Стокса в том, что, во-первых, все эти параметры имеют одинаковую размерность интенсивности, а, во-вторых, они обладают свойством аддитивности – каждый параметр Cтокса для излучения, состоящего из двух некогерентных пучков равен сумме соответствующих значений этих параметров для каждого пучка.

В случае линейной поляризации ( , ) остается только три параметра Стокса:

, .

Для круговой поляризации ( ) имеем:

.

Для естественно поляризованного света, получим, усредняя (2.1) по всем углам   ( ):

, .

Ценность параметров Стокса состоит еще и в том, что они весьма просто выражаются через непосредственно измеряемые в процессе поляризационных наблюдений величины. В самом деле, радиоастрономические наблюдения, как правило, проводятся на антеннах, принимающих линейно-поляризованную или циркулярно-поляризованную составляющую радиоизлучения.

Для смеси поляризованного (один штрих) и неполяризованного излучений (два штриха) в силу аддитивности параметров Стокса имеем:

, , , .

Степень поляризации:

.

Для антенн, принимающих составляющие радиоизлучения, поляризованные по правому и по левому кругу, интенсивности последних будут соответственно равны:

, .

Здесь E_0r , E_0l обозначают амплитуды поля соответственно право- и лево-поляризованной компоненты поляризованной части радиоизлучения. При исследованиях солнечного радиоизлучения типичным является измерение интенсивностей двух круговых компонент I_r , I_l , в результате чего сообщается о степени круговой поляризации:

 .

Поляризационные наблюдения не дают полной информации о состоянии поляризации внеземного радиоизлучения, если при этом определяются не все параметры Стокса.