МНОГОПРИЕМНИКОВЫЙ НУЛЕВОЙ РАДИОМЕТР
MULTI-RECEIVER ZERO RADIOMETER

Изобретение относится к пассивной радиотеплолокации и может использоваться для измерения мощности шумовых сигналов в системах дистанционного зондирования различных природных сред, промышленности, медицинских технологиях.
7
Известен двухканальный нулевой радиометр-аналог [патент №2393502 РФ. Двухканальный нулевой радиометр. МПК G01R 29/26; G01S 13/95 / Филатов А.В., Сербинов О.А., Убайчин А.В. - Заявка №2008148402/09. - Приоритет от 08.12.2008. - БИ №18, 2010], в состав которого входят (фиг.1) антенна 1, расположенный на термостатированной плате 8 входной блок, два идентичных измерительных канала, низкочастотный модулятор 19, компаратор 20, блок управления 21, интегратор динамического типа 22, с выхода которого сигнал поступает на выходную цифровую шину 23. Входной блок включает направленный ответвитель 2, высокочастотный модулятор 3, согласованную нагрузку 7, генератор шума 6, аттенюатор 5, высокочастотный ключ 4. Первый и второй измерительные каналы состоят из приемников 9 и 14, предварительных усилителей низкой частоты 10 и 15, синхронных фильтров 11 и 16, усилителей низкой частоты 12 и 17, фильтров высокой частоты 13 и 18.
шим
Во входном блоке радиометра выполняется два вида импульсной модуляции сигналов: амплитудная и широтная. В направленном ответвителе 2 к сигналу антенны добавляется опорный сигнал, который вырабатывается генератором шума 6, ослабляется в аттенюаторе 5 до необходимой величины (настройка происходит при калибровке радиометра) и через высокочастотный ключ 4 поступает в направленный ответвитель. Замкнутое состояние высокочастотного ключа определяется управляющим широтно-импульсным сигналом t, поступающим с пятого выхода блока управления 21. Второй опорный сигнал вырабатывается согласованной нагрузкой 7, находящейся при температуре термостатированной платы 8 входного узла радиометра.
аим
Антенный тракт прохождения измеряемого сигнала и тракт согласованной нагрузки подключены соответственно к первому и второму входам высокочастотного модулятора 3, который осуществляет их подключение к входам двух измерительных каналов радиометра в зависимости от импульсного сигнала t на входе управления модулятором, поступающего с первого выхода блока управления.
В каждом измерительном канале установлен радиометрический приемник с линейной передаточной характеристикой и полосой принимаемых частот df. Синхронные фильтры низких частот накапливают постоянную составляющую шумовых сигналов и состоят из трех однозвенных интегрирующих RC-цепей, в которых резистор является общим, а постоянные составляющие трех модулируемых входных сигналов (антенны, антенны + генератора шума, согласованной нагрузки) накапливаются на трех конденсаторах синхронным их подключением к общей точке схемы через управляемый электронный ключ. Ключи управляются сигналами с выходов 2 и 3 блока управления.
ср
аим
Фильтр высоких частот собран по схеме однозвенного СК-фильтра первого порядка с частотой среза f<<1/t, предназначен для устранения в сигналах постоянной составляющей с минимальными искажениями формы импульсов.
аим
Выходы измерительных каналов попеременно, с частотой амплитудной модуляции по сигналам t, через низкочастотный модулятор 19 подключаются к первому входу компаратора 20, определяющего полярность напряжения, так как второй его вход соединен с общей точкой схемы.
шим
Выходной в логических уровнях сигнал компаратора поступает на вход цифрового блока управления 21. Нулевой баланс в радиометре достигается дополнительной широтно-импульсной модуляцией генератора шума по сигналу t. С четвертого выхода блока управления цифровой код сигнала антенны поступает на вход динамического интегратора 22, в котором происходит накопление цифровых кодов измеряемого сигнала антенны за определенный интервал времени и их усреднение.
Рассмотренный двухканальный радиометр, выбранный в качестве аналога, имеет ограничения по флуктуационной чувствительности.
Известен многоканальный нулевой радиометр-прототип [патент №2460081 РФ, МПК G01R 29/08. Многоканальный нулевой радиометр / Филатов А.В., Убайчин А.В. Розина Е.И.; заявка №2010147776/28, заявл. 23.11.2010; опубл. 27.08.2012, Бюл. №24], в состав которого входят (фиг.2): антенна 1, установленный на термостатированной плате 7 входной блок, n идентичных измерительных каналов, микроконтроллер 32. Входной блок включает направленный ответвитель 2, на первый вход которого поступает сигнал антенны, а на второй - сигнал из канала подшумливания, состоящего из генератора шума 6, аттенюатора 5 и высокочастотного ключа 4. Также в состав входного блока входит высокочастотный селектор 3, с n выходов которого сигналы поступают на первые входы n циркуляторов 8, 16…24, вторые входы которых соединены с n согласованными нагрузками 9, 17…25. Выходы n циркуляторов подключены к входам n измерительных каналов.
Идентичные измерительные каналы состоят из приемников 10, 18…26, предварительных усилителей низкой частоты 11, 19…27, синхронных фильтров 12, 20…28, усилителей низкой частоты 13, 21…29, фильтров высокой частоты 14, 22…30, компараторов 15, 23…31. Компараторы определяют полярность напряжения, и с их выходов логические сигналы поступают на n входов микроконтроллера 32. По сигналам с выходов 1 и 2 микроконтроллера во входном блоке выполняются два вида импульсных модуляций: амплитудная и широтная; выход 3 микроконтроллера является выходной шиной радиометра. Выходы m микроконтроллера предназначены для управления синхронными фильтрами.
шим
аим
Во входном блоке радиометра по управляющему сигналу t выполняется широтно-импульсная модуляция с использованием высокочастотного ключа 4. При помощи данной модуляции устанавливается нулевой баланс в приемных каналах радиометра, когда не оказывают влияния на точность измерений изменения (флуктуации и дрейф) коэффициента передачи измерительных трактов приемников и через длительность управляющего широтного сигнала определяется антенный сигнал. Подключение к антенне каждого из приемников выполняется согласно принципу временного разделения с использованием высокочастотного селектора 3 и управляющего сигнала t. Накопление сигнала согласованной нагрузки для каждого приемника возрастает в n раз. Постоянная времени синхронного фильтра, накапливающего сигнал согласованной нагрузки, увеличивается в n-1 раз соответствующим увеличением емкости конденсатора фильтра. Тогда флуктуационная чувствительность всей совокупной многоприемниковой системы возрастает в количество раз, равное корню квадратному из числа приемных каналов.
К недостатку рассмотренного радиометра-прототипа можно отнести жесткую привязку к заданному диапазону измерения, невозможность его изменения в широких пределах. Верхняя граница диапазона измерения определяется шумовой температурой согласованной нагрузки. В результате возникают повышенные требования к идентичности этих нагрузок, хорошему согласованию при их подключении. Изменение верхней границы измерения можно осуществить в узких пределах, так как это требует изменения физической температуры термостатированной платы. Нижняя граница определяется сигналом канала подшумливания. Так как данный канал является общим для всех приемных каналов радиометра, возникает потребность одинаковых потерь при передаче этого сигнала через селектор до первых усилителей приемников во всей полосе приема.
Предлагаемым изобретением решается задача повышения функциональных возможностей радиометра по оперативной перестройке диапазонов измерения. Снижаются требования к точности выполнения СВЧ элементов входного узла, подгонки этих элементов с целью обеспечения одинаковых потерь и точности согласования, устранение влияния данных ошибок.
Для достижения этого технического результата в радиометр, содержащий микроконтроллер, антенну, направленный ответвитель, генератор шума, высокочастотный селектор, n выходов которого соединены с первыми входами n циркуляторов, вторые входы которых подключены к n согласованным нагрузкам, n последовательно соединенных приемников, предварительных усилителей низкой частоты, синхронных фильтров, усилителей низкой частоты, фильтров высоких частот, компараторов, вторые входы которых соединены с общей шиной радиометра, а выходы n компараторов соединены с n входами микроконтроллера, первый выход которого подключен к управляющему входу высокочастотного селектора, m выходов соединены с управляющими входами n синхронных фильтров, а второй выход микроконтроллера является выходом радиометра, причем направленный ответвитель, генератор шума, высокочастотный селектор, n циркуляторов и n согласованных нагрузок установлены на термостатированной плате и находятся с ней в тепловом контакте, введены установленные на термостатированной плате и находящиеся с ней в тепловом контакте n-1 генераторов шума, n-1 направленных ответвителей, n управляемых источников тока, выходы которых подключены к последовательно соединенным n генераторам шума и n направленным ответвителям, вторые входы n направленных ответвителей подключены к выходам n циркуляторов, а выходы n направленных ответвителей соединены с входами n приемников, первые входы управляемых источников тока объединены вместе и соединены с третьим выходом микроконтроллера, а их вторые входы подключены к k выходам микроконтроллера, антенна соединена с входом высокочастотного селектора.
На фиг.1 представлена структурная схема радиометра-аналога.
На фиг.2 приведена структурная схема радиометра-прототипа.
На фиг.3 представлена структурная схема предлагаемого многоприемникового нулевого радиометра.
На фиг.4 показаны временные диаграммы, поясняющие принцип работы многоприемникового радиометра.
На фиг.5 приведены диапазоны измерения сигналов антенны.
В состав радиометра входят (фиг.3): антенна 1, установленный на термостатированной плате 37 входной блок, n радиометрических приемников, микроконтроллер 36. Входной блок включает высокочастотный селектор 2, с n выходов которого сигналы поступают на первые входы n циркуляторов 3, 8…13, вторые входы которых соединены с n согласованными нагрузками 4, 9…14. С выходов циркуляторов сигналы поступают на первые входы направленных ответвителей 5, 10…15, на вторые входы которых поступают сигналы из каналов подшумливания, состоящих из последовательно соединенных управляемых источников тока 7, 12…17 и генераторов шума 6, 11…16. Выходная мощность шумов генераторов регулируется изменением силы тока, протекающего через активную зону полупроводникового шумового диода.
Измерительные тракты, как и в прототипе, состоят из приемников 18, 24…30, предварительных усилителей низкой частоты 19, 25…31, синхронных фильтров 20, 26…32, усилителей низкой частоты 21, 27…33, фильтров высокой частоты 22, 28…34, компараторов 23, 29…35. Компараторы определяют полярность напряжения, вторые входы соединены с общей точкой схемы. С выходов компараторов логические сигналы поступают на n входов микроконтроллера 36.
Во входном блоке радиометра выполняются два вида импульсной модуляции: амплитудная и широтная. Амплитудная модуляция происходит в высокочастотном селекторе 2 по управляющим сигналам, следующим по шине с выхода 1 микроконтроллера. Широтно-импульсная модуляция выполняется с использованием каналов подшумливания: к сигналу антенны в направленных ответвителях добавляются сигналы генераторов шума. Также этими же каналами формируются шумовые сигналы, необходимые для настройки радиометра на заданный диапазон измерения оперативными методами. Генерирование сигналов каналами подшумливания происходит по сигналам микроконтроллера. С шины выхода 3 микроконтроллера на первые входы источников тока 7, 12…17 поступают данные. Занесение этих данных в выбранный источник тока происходит по сигналам разрешения записи с k выходов микроконтроллера, поступающим на вторые входы источников. Выходы m микроконтроллера предназначены для управления синхронными фильтрами 20, 26…32. Выход 2 микроконтроллера является выходной шиной радиометра.
аим
аим
сн
аим
Принцип работы радиометра иллюстрируется временными диаграммами на фиг.4 и заключается в следующем. Подключение к антенне приемников выполняется согласно принципу временного разделения. Для этого сигналы, управляющие амплитудной модуляцией в радиометре, поступают на высокочастотный селектор 2 по шине с выхода 1 микроконтроллера 36. В селекторе антенна последовательно подключается на входы приемников на одинаковое время t (в любой момент времени подключенным оказывается только один приемник). Таким образом, период повторения сигнала управления амплитудной модуляцией для одного канала составляет t. В остальное время, когда приемник не подключен к антенне, сигнал Т согласованной нагрузки 4 (9…14) отражается от закрытого входа селектора 2 и через циркулятор 3 (8…13) поступает на вход приемника 18 (24…30). Таким образом, время накопления сигнала согласованной нагрузки в каждом приемнике возрастает и становится равным (n-1)t.
а
доп
шим
доп
доп
доп
Дополнительная модуляция сигнала антенны по широтно-импульсному закону осуществляется в радиометре с использованием каналов подшумливания, когда к сигналу антенны T добавляется сигнал Т на время t. Для формирования сигнала Т увеличивается ток через активную зону полупроводникового генератора шума, и в результате увеличивается мощность его шумового сигнала. Для этого микроконтроллер на шине 3 устанавливает цифровой код N, который затем заносится в управляемый источник тока по стробирующему сигналу с разрешающего k-того выхода микроконтроллера. Код N формируется для каждого приемника радиометра в процессе его калибровки.
Аналогично работе радиометра-прототипа, широтно-импульсной модуляцией устанавливается нулевой баланс в приемных каналах радиометра, когда не оказывают влияния на точность измерений изменения коэффициента передачи измерительных трактов и через длительность управляющего широтного сигнала определяется антенный сигнал.
оп1
оп2
оп1
оп2
оп1
оп1
оп1
оп2
доп
Кроме этого микроконтроллер управляет формированием сигналов T и T. Данные шумовые сигналы также вырабатываются каналами подшумливания при поступлении на вход управляемых источников тока соответствующих цифровых кодов N и N с шины 3 микроконтроллера и разрешающих сигналов занесения на k-выходах микроконтроллера. Первый шумовой сигнал T добавляется к сигналу антенны, когда она подключена на вход приемника, второй T - к сигналу согласованной нагрузки. Коды N и N, как и код N, формируются в процессе калибровки.
a
доп
оп1
сн
оп2
шим
сн
оп2
a
оп1
аим
шим
a
сн
оп2
оп1
доп
шим
аим
Прежде чем рассмотреть калибровочный процесс, получим в общем виде соотношение, связывающее антенный измеряемый сигнал и длительность широтно-импульсного сигнала. Нулевой баланс для данного метода измерений считается достигнутым, если вольт-секундные площади положительного и отрицательного импульсов (фиг.4) на входе компаратора равны. Тогда компаратор фиксирует нулевое напряжение при подключенной на вход приемника согласованной нагрузке. Если G - полный коэффициент передачи измерительного тракта, включая усиление по высокой и низкой частотам и передачу квадратичного детектора, тогда уравнение баланса имеет вид G(T+T+T-T-T)t=G(T+T-T-T)(t-t). Откуда T=T+T-T-Tt/t.
шим
аим
a,макс
сн
оп2
оп1
a,мин
сн
оп2
оп1
доп
сн
a,мин
a,макс
a,мин
а,макс
сн
a,мин
сн
а,макс
a,мин
а,макс
сн
оп1
оп2
оп2
оп1
доп
а
сн
оп1
доп
шим
аим
a
сн
оп2
доп
шим
аим
Изменение длительности t от нуля до t соответствует изменению сигнала антенны от максимального значения T=T+T-T до минимального T=T+T-T-T. На фиг.5 приведены три возможных варианта диапазонов измерения сигнала антенны. В зависимости от сигнала T диапазоны измерений, ограниченные нижней T и верхней T границами, соответствуют следующим трем случаям: T и T<T (фиг.5а); T<T<T (фиг.5б); T и T>T (фиг.5в). Для диапазона, изображенного на фиг.5а, вырабатывается только сигнал T, T выключен. Для диапазонов на фиг.5б, в, наоборот, вырабатывается только сигнал T, T выключен. Сигнал T вырабатывается всегда и добавляется к сигналу антенны. Он необходим для установления нулевого баланса в радиометрических приемных каналах. Таким образом, для диапазона на фиг.5а формула для определения сигнала антенны имеет вид: T=T-T-Tt/t; для двух других диапазонов, изображенных на фиг.5б, в, T=T+T-Tt/t.
Ниже рассмотрен алгоритм калибровки радиометра, его настройка на выбранный диапазон измерений. Рассмотрим калибровочный процесс только для одного приемного канала. Настройка остальных измерительных каналов осуществляется аналогичным образом.
эт,макс
а,макс
шим
доп
эт,макс
сн
оп1
оп2
эт,макс
сн
оп2
оп1
оп1
оп2
аим
Калибровка представляет собой безытерационный процесс и начинается после подключения на вход радиометра эталона радиотеплового (шумового) излучения со значением сигнала T, определяющим верхнюю границу диапазона, то есть T. Сигнал t устанавливается равным нулю, то есть сигнал T на этом этапе калибровки не вырабатывается. Микроконтроллер производит анализ полярности сигнала на входе компаратора в фазу подключения согласованной нагрузки к входу приемника. Если полярность положительная, значит T<T и необходимо настроить сигнал T (T выключен) (фиг.5а), если отрицательная, тогда T>T и регулируется T (T выключен) (фиг.5б, в). Увеличение сигналов Т или T происходит до момента установления нулевого напряжения на входе компаратора на интервале времени nt (фиг.4) при подключенной согласованной нагрузке к входу калибруемого приемного канала. При этом на выходе компаратора (нуль-органа) наблюдаются беспорядочные переходы между логическим нулем и единицей.
эт,мин
а,мин
шим
аим
доп
доп
доп
доп
оп1
доп
оп2
После завершения настройки на верхнюю границу диапазона измерений, на вход радиометра подключается следующий шумовой эталон с эффективной температурой T, определяющий нижнюю границу диапазона T. Длительность сигнала t устанавливается равной t, то есть дополнительный шумовой сигнал T поступает на вход приемника на протяжении всего времени подключения антенны. Для всех трех рассматриваемых разновидностей измерительных диапазонов на этом этапе калибровки регулируется только сигнал T. Этот сигнал и соответствующий ему цифровой код N увеличивается (уменьшается) до достижения нулевого потенциала на входе компаратора измерительного тракта приемного канала при подключенной на вход согласованной нагрузки (аналогично первому этапу калибровки). В случае измерительного диапазона на фиг.5а код N складывается в микроконтроллере с уже полученным в ходе первого этапа калибровки цифровым кодом N и передается в управляемый источник тока. Для диапазонов, изображенных на фиг.5б, в, коды N и N подаются на управляемый источник тока раздельно во времени (как это следует из принципа работы радиометра). И на этом калибровка заканчивается.
Как следует из алгоритма настроечного процесса, калибровка радиометра состоит из простых процедур и алгоритмов, может выполняться одновременно по всем приемникам в полуавтоматическом режиме под управлением микроконтроллера (требуется ручное подключение эталонов на вход радиометра вместо антенны).
Новым узлом в радиометре (которого нет в прототипе) является управляемый источник тока. Он включает в себя опорный источник напряжения, цифровой потенциометр и схему на операционном усилителе, выполняющую операцию по преобразованию напряжения с выхода потенциометра в ток. Цифровой код на потенциометр поступает по интерфейсу SPI. Схемы управляемых источников тока описаны, например, в [Алексенко А.Г., Колобет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых микросхем. - М.: Радио и связь, 1985. - 256 с.].
Таким образом, в отличие от прототипа в данном радиометре расширены функции по оперативной настройке на различные диапазоны измерений с учетом неидеальностей входящих во входной блок СВЧ элементов.