РАДИОМЕТРИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ
RADIOMETRIC REFLECTION COEFFICIENT METER

Изобретение относится к микроволновой радиометрии и может использоваться в промышленности, медицине для оценки структуры исследуемого объекта, динамики ее изменения во времени по результатам измерения коэффициента отражения по мощности в микроволновом диапазоне посредством измерения отражательной способности электромагнитных сигналов шумового характера.
3
Известен радиометр, выбранный в качестве аналога [А.С. СССР 1105832, МКИ G01R 29/08. Модуляционный радиометр СВЧ-диапазона / B.C.Аблязов, К.Т.Мурзабулатов. - Опубл. в Б.И. №28, 1984], состоящий из (фиг.1) антенны 1, направленного ответвителя 2, модулятора 3, генератора шума 4, приемника 5, первого 6 и второго 7 синхронных детекторов, устройства вычитания 8, первого 9 и второго 10 задающих генераторов опорных частот, первого 11 и второго 12 регистраторов.
0
гш
2
В радиометре направленный ответвитель 2 включен так, что мощность сигнала шумового генератора 4 направляется в сторону антенны и попадает на вход радиометра только после отражения от объекта исследования. Сигналы управления работой модулятора 3 и генератора шума 4 имеют форму меандра и вырабатываются опорными импульсными генераторами 9 и 10. Частота следования сигнала управления генератором шума выбирается меньше частоты сигнала по управлению модулятором. В результате на выходе приемника имеют место две периодические последовательности модулированных сигналов:  и  где G - коэффициент передачи приемника; Т - термодинамическая температура изучаемого объекта; R - коэффициент отражения по мощности на границе "антенна-объект"; Т - термодинамическая температура модулятора; Т - сигнал генератора шума, поступающий в тракт антенны через направленный ответвитель. В синхронных детекторах происходит выделение постоянных уровней напряжения из огибающих модулированных во входном устройстве радиометра сигналов. Выходной сигнал генератора шума 4 модулируется сигналом меандра с одинаковой частотой работы второго синхронного детектора 7. На выходе второго синхронного детектора напряжение равно:  Напряжение U пропорционально коэффициенту отражения R и поступает на второй регистратор 12. Градуировка шкалы данного регистратора выполнена в единицах коэффициента отражения: . Таким образом, второй регистратор отображает показания коэффициента отражения на границе антенны и объекта.
Недостатком данной схемы радиометра-аналога является зависимость показаний от коэффициента передачи G измерительного тракта. Дрейф и флуктуации коэффициента передачи уменьшают точность измерений.
5
Известен радиометр для измерения электромагнитного излучения объектов, близко расположенных к антенне, выбранный в качестве прототипа [А.С. СССР 1626210, МКИ G01R 29/26. Модуляционный радиометр / B.C.Гаевский, С.В.Маречек, Ю.В.Мешков, Ю.Н.Муськин, В.М.Поляков. - Опубл. в Б.И. №5, 1991], содержащий антенну 1, модулятор 2, работающий по принципу отражения сигнала, направленный ответвитель 3, опорный генератор шума 4, источник тока 5, питающий генератор шума, приемник 6, коммутатор 7 с конфигурацией 1×2, первый 8, второй 9 и третий 10 синхронные детекторы, первый 11, второй 12 и третий 13 фильтры низких частот, сумматор 14, блок вычитания 15, первый 16 и второй 17 делители аналоговых сигналов, регистраторы 18 и 19, первый 20 и второй 21 задающие генераторы опорных частот модуляции.
1
2
1
гш1
гш2
гш2
гш1
В радиометре прием мощности теплового излучения исследуемого объекта производится при двух различных заданных уровнях шумового сигнала, вырабатываемого опорным генератором. Задающий генератор 20 вырабатывает импульсы, следующие с частотой f и скважностью 2. Работа задающего генератора 21 синхронизирована импульсами генератора 20, и на выходе генератора 21 вырабатывается прямоугольная импульсная последовательность, имеющая также скважность, равную двум, но следующая с частотой, в два раза меньшей, f=f/2. Генератор шума 4 вырабатывает два различных опорных сигнала Т и Т, причем Т/Т. Модуляция генератора шума ГШ выполняется импульсами задающего генератора 20. Направленный ответвитель включен в измерительный тракт так, что сигнал генератора шума направлен в сторону выхода модулятора.
гш1
ш
гш2
гш1
Задающие генераторы управляют модуляцией сигналов в приемном тракте. Поскольку фазы колебаний генераторов строго синхронизированы, то имеют место четыре повторяющихся интервала времени, обусловленные различными состояниями модулятора 2 и генератора шума 4. Таким образом, полный период модуляции состоит из четырех временных интервалов равной длительности. В ходе первого интервала модуляции модулятор 2 выключен. Сигнал генератора шума, равный на этом такте Т, полностью отражаясь от выхода разомкнутого модулятора, поступает на вход приемника, и мощность сигнала на его входе равна: , где k - постоянная Больцмана, df - полоса усиливаемых частот, Т - эффективная температура собственных шумов приемника, приведенная к его входу. В следующем временном промежутке модулятор также закрыт, но генератор 4 вырабатывает сигнал величиной Т>Т. Поэтому мощность сигнала на входе приемника возрастает и становится равной: .
гш1
В два следующих интервала времени модулятор открыт. Мощность теплового излучения объекта поступает на границу раздела "антенна-объект". Часть мощности, пропорциональная TR, где R - коэффициент отражения по мощности на границе "антенна-объект", отражается от границы раздела и затухает в среде объекта. Оставшаяся часть мощности, пропорциональная T(1-R), принимается антенной и через открытый модулятор поступает на вход приемника. Сигнал генератора шума, равный в этот момент Т, проходит через открытый модулятор, частично отражается от границы раздела "антенна-объект" с коэффициентом R и также поступает на вход приемника. Таким образом, полная мощность сигналов на входе приемника равна:  (считается, что антенна имеет высокий коэффициент полезного действия и ее собственное излучение пренебрежимо мало).
Аналогично, для четвертого, последнего интервала модуляции мощность на входе приемника равна: .
1
2
3
4
1
2
3
4
Выходное напряжение приемника представляет собой повторяющуюся последовательность напряжений U, U, U, U, пропорциональных мощностям входных сигналов W, W, W, W с коэффициентом пропорциональности G. Выходные напряжения второго 12 и третьего 13 фильтров, постоянные времени которых значительно больше периода модуляции, после синхронного детектирования в детекторах 9 и 10 соответственно равны: ; .
ф2
ф3
Для исследования структуры объекта радиометром измеряется коэффициент отражения на границе "антенна-объект". На схему деления 17 в качестве делимого поступает сигнал U с фильтра 12, а делителем является выходное напряжение U фильтра 13. Таким образом, напряжение на входе второго регистратора 19 равно: . Откуда . Коэффициент отражения на границе раздела "антенна-объект" не зависит от коэффициента передачи радиометра.
В данном радиометре с целью выделения информативных уровней напряжения из сложно модулированной последовательности сигналов используется большое количество типов преобразования сигналов различными функциональными аналоговыми блоками (синхронных детекторов, фильтров низких частот, делителей). Многочисленные процедуры последовательного аналогового преобразования сигналов (как формы, так и амплитуды) приводят к дополнительным погрешностям измерений. Генератор шума вырабатывает два уровня выходного сигнала, переключение между которыми происходит импульсно и которые необходимо точно настраивать и калибровать.
Предлагаемым изобретением решается задача упрощения устройства по измерению коэффициента отражения и алгоритма обработки сигналов без преобразования их формы и повышения точности измерений.
Для достижения этого технического результата в радиометрический измеритель, содержащий приемник, антенну, первый направленный ответвитель, последовательно соединенные источник тока и генератор шума, введены включенный между выходом первого направленного ответвителя и входом приемника второй направленный ответвитель, СВЧ-переключатель, вход которого подключен к выходу генератора шума, первый и второй выходы соединены соответственно со вторыми входами первого и второго направленных ответвителей, а третий выход подключен к согласованной нагрузке, также введены подключенные к выходу приемника последовательно соединенные синхронный фильтр низких частот, фильтр высоких частот, компаратор, блок управления, причем второй вход компаратора соединен с общей шиной радиометра, первый выход блока управления подключен к управляющему входу синхронного фильтра низких частот и объединен с управляющим входом СВЧ-переключателя, а его второй выход является выходной шиной радиометра.
На фиг.1 представлена структурная схема аналога.
На фиг.2 показана структурная схема прототипа.
На фиг.3 представлена структурная схема предлагаемого измерителя коэффициента отражения радиометрического типа.
На фиг.4 приведена схема синхронного фильтра низких частот.
На фиг.5 показана структурная схема блока управления.
На фиг.6 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип работы радиометрического измерителя.
В состав радиометрического измерителя коэффициента отражения входят (фиг.3) антенна 1, первый 2 и второй 4 направленные ответвители, СВЧ-переключатель 5, генератор шума 6, источник тока 7. Измерительный канал состоит из приемника 8, синхронного фильтра низких частот 9, фильтра высоких частот 10, компаратора 11, блока управления 12, со второго выхода которого сигнал поступает на выходную шину 13.
Опорный сигнал генератора шума 6 через СВЧ-переключатель 5 проходит на вторые входы идентичных направленных ответвителей. Включение в схему входной части первого 2 и второго 4 направленных ответвителей выполнено так, что для первого ответвителя сигнал генератора шума поступает на выход антенны 1, для второго - на вход приемника 8. Опорный сигнал вырабатывается полупроводниковым генератором шума с применением лавинно-пролетного диода, через активную зону которого протекает ток источника 7. СВЧ-переключатель 5 состоит из трех высокочастотных ключей, одни выводы которых соединены вместе и подключены к генератору шума 6 (являются входом переключателя), а другие выводы ключей подключены к трем выходам переключателя. Переключатель работает в режиме селектора. В зависимости от управляющих сигналов коммутируется только один ключ, и тем самым сигнал генератора шума поступает только на один из выбранных выходов.
cp
мод
Измерительный канал представляет собой радиометрический приемник с линейной передаточной характеристикой и полосой принимаемых частот df. Приемник 8 включает высокочастотные усилители, полосовой фильтр, квадратичный детектор, выделяющий огибающую сигналов модуляции, линейные импульсные усилители низких частот. Синхронный фильтр низких частот 9 производит предварительную фильтрацию сигнала, уменьшает флуктуационную компоненту в продетектированных сигналах и тем самым исключает перегрузку компаратора 11. Схема фильтра известна [например, Патент РФ №2093845, МПК G01R 29/08, G01S 13/95. Нулевой радиометр / Филатов А.В. - №5057798/09; заявл. 05.08.92; опубл. 20.10.97. Бюл. №29. - 7 с.] и приведена на фиг.4. Он состоит из трех однозвенных интегрирующих RC-цепей, в которых резистор является общим для всех цепей, а постоянные составляющие трех уровней модулируемых входных сигналов накапливаются на трех конденсаторах синхронным их подключением к общей шине радиометра через управляемые электронные ключи. Ключи имеют входы управления, на которые поступают сигналы с блока управления по трехпроводной шине. Фильтр высоких частот 10 собран по схеме однозвенного фильтра первого порядка (представляет собой разделительную CR-цепь) с частотой среза, много меньшей частоты модуляции в радиометре (f<<1/2t), и предназначен для устранения в сигналах постоянной составляющей. В результате на выходе фильтра выделяется переменная составляющая сигнала с минимальными искажениями формы импульсов.
шис
мод
шис
мод
Блок управления 12 полностью аналогичен описанному в [А.с. СССР №1704107, МПК G01R 29/08, G01S 13/95. Нулевой радиометр / Филатов А.В., Бордонский Г.С. - №4708980/09; заявл. 22.06.89; опубл. 07.01.92. Бюл. №1. - 5 с], вырабатывает все необходимые сигналы для функционирования устройства. Структурная схема данного блока приведена на фиг.5 и включает два цифровых счетчика (реверсивный 14 и счетчик прямого счета 15), цифровой компаратор 16, триггеры 17 и 18 формирования широтно-импульсного сигнала t и сигнала симметричного меандра t соответственно, генератор тактовых импульсов 19, дешифратор сигналов триггеров 20. В зависимости от уровней логических сигналов t и t на входе дешифратора, на его выходе активизируется одна из трех линий (кодовые комбинации сигналов описаны ниже при рассмотрении принципа работы). По этим линиям происходит управление переключателем 5 во входном устройстве (фиг.3) и синхронным фильтром 9 в низкочастотной части измерительного тракта.
мод
шис
мод
шис
мод
шис
Принцип работы радиометрического измерителя коэффициента отражения поясняется временными диаграммами на фиг.6 и заключается в следующем. В измерителе синхронно выполняются два вида импульсной модуляции: амплитудная и широтная. Для этого в цифровом блоке управления 12 формируются два управляющих логических сигнала t и t. Сигнал t имеет симметричную импульсную форму типа "меандр", сигнал t изменяется по длительности. Данные сигналы с выхода дешифратора 20 блока управления по трехпроводной шине поступают на управляющие входы как синхронного фильтра 9, так и СВЧ-переключателя 5. В зависимости от логических уровней сигналов t и t на вход приемника 8 поступают следующие три периодически повторяющихся шумовых сигнала.
мод
шис
Если t=1 и t=0, выход генератора шума 6 через СВЧ-переключатель 5 подключен к согласованной нагрузке 3 и в измерительный тракт его сигнал не поступает (подшумливание отсутствует). В этом случае на входе приемника 8 действует сигнал антенны, равный T(1-R), где Т - термодинамическая температура объекта, R - коэффициент отражения по мощности на границе "антенна-объект".
мод
шис
гш
Во втором случае, когда t=1 и t=1, сигнал генератора шума 6 через переключатель 5 поступает во второй направленный ответвитель 4. Сигнал антенны суммируется с сигналом генератора шума: Т(1-R)+T.
мод
шис
гш
гш
В третьем случае, если t=0 и t=0, в первый направленный ответвитель 2 через переключатель 5 поступает сигнал генератора шума 6. Таким образом, на входе приемника будет присутствовать сумма сигналов T(1-R)+TR. Один из данных сигналов, равный T(1-R), является сигналом антенны; второй, TR, является сигналом генератора шума, который поступает в тракт антенны через направленный ответвитель 2, проходит в сторону антенны и отражается от границы "антенна-объект" с коэффициентом R.
мод
шис
шис
На фиг.6 приведены временные диаграммы для случая установленного нулевого баланса. Нулевой баланс считается установленным, если в полупериод модуляции, когда на вход приемника поступают сигнал антенны и отраженный от объекта сигнал генератора шума (t=0 и t=0), выходное напряжение измерительного тракта равно нулю, и это равенство фиксирует компаратор 11. При включении питания нулевой баланс автоматически устанавливается и затем при изменении сигнала антенны регулируется соответствующим изменением длительности широтно-импульсного сигнала t в блоке управления 12. Так как сигнал на входе компаратора 11 имеет периодический характер и в этих сигналах исключена постоянная составляющая фильтром высоких частот 10, тогда для одного периода выполняется равенство вольт-секундных площадей положительного и отрицательного импульсов. Так как в один полупериод модуляции напряжение на входе компаратора равно нулю, поэтому равенство вольт-секундных площадей положительного и отрицательного импульсов выполняется в другой полупериод модуляции:
+
-
где U и U - амплитуды положительного и отрицательного импульсов, равные:
ш
где G - коэффициент передачи измерительного тракта, равный произведению коэффициентов усиления сигналов по высокой и низкой частотам и коэффициента передачи квадратичного детектора; k - постоянная Больцмана, df - полоса частот приемника, Т - эффективная температура собственных шумов радиометрического измертеля, приведенная к входу приемника. Подставляя (2) и (3) в равенство (1), получим: . Откуда:
шис.
ш
гш
Из последней формулы (4) следует линейная зависимость исследуемого коэффициента отражения от длительности t Следовательно, через эту длительность можно косвенным образом определить коэффициент отражения на границе "антенна-объект". Из формулы (4) следует, что на измерения не влияют изменения коэффициента передачи G и собственных шумов Т измерительного тракта, уровень сигнала Т генератора шума. Из последнего следует, что значительно снижено влияние дрейфа и низкочастотных флуктуаций выходного сигнала генератора шума 6 на точность измерений. Он должен сохранять стабильность на периоде измерения.
шис
мод
шис
Согласно (4) при полном отражении t=t и R=1. Если исследуемый объект является абсолютно черным телом t=0, и соответственно R=0.
В радиометрическом измерителе высокочастотные пассивные устройства выполнены на микрополосковых волноведущих структурах. СВЧ-переключатель создан с использованием выпускаемых фирмой NEC ключей на три направления (SP3T), таких как UPG2227T5F. В литературе достаточно полно описаны конструкции СВЧ-узлов, направленные ответвители, переключатели, полосовые фильтры и методы их расчетов [например, Мазепова О.И., Мещанов В.П., Прохорова Н.Н. и др. Под ред. Фельдштейна А.А. Справочник по элементам полосоковой техники. - М.: Связь, 1979. - 336 с]. В приемнике применены транзисторные усилители.
В отличие от прототипа схема предлагаемого радиометрического измерителя коэффициента отражения имеет более простую структуру, упрощена конструкция. Предложенный алгоритм обработки позволяет без преобразования формы модулированной последовательности сигналов измерять коэффициент отражения от исследуемого объекта способом его выражения через длительность широтного импульса и отображать в цифровой форме без использования стандартных аналого-цифровых преобразователей. На точность измерений не влияют изменения коэффициента передачи измерительного тракта и собственные шумы. В значительной степени уменьшено влияние дрейфа и флуктуаций сигнала опорного генератора шума на точность измерений.