НУЛЕВОЙ РАДИОМЕТР
ZERO RADIOMETER

Изобретение относится к микроволновой радиометрии и может использоваться для измерения электромагнитных сигналов собственного теплового излучения материальных сред в системах дистанционного зондирования Земли, различных природных объектов, промышленности.
Известен радиометр [W.N.Hardy, K.W.Gray and A.W.Love // IEEE MTT-22, N4, 1974, p.p.382-391], состоящий из (фиг.1) модулятора 3, осуществляющего в зависимости от управляющего сигнала опорного генератора 10 попеременную коммутацию на вход приемника 7 согласованной нагрузки 14 и антенны 1, подключенной к модулятору через направленный ответвитель 2. На другой вход этого ответвителя через аттенюатор 4 и свч-ключ 5, управляемый формирователем импульсов 11, поступает сигнал генератора шума 6. В низкочастотной части радиометр содержит последовательно соединенные синхронный детектор 8, интегратор 9, преобразователь "напряжение - частота" 10. Входное устройство радиометра (модулятор 3, направленный ответвитель 2, аттенюатор 4, управляемый свч-ключ 5, генератор шума 6, согласованная нагрузка 14) находятся в термостате 12. Выходной сигнал интегратора 9 поступает на выход радиометра (шина 13).
В радиометре ввод сигнала генератора шума в антенный тракт осуществляется импульсами длительностью 40 мкс, частота повторения которых зависит от выходного сигнала преобразователя "напряжение - частота". В синхронном детекторе происходит выделение постоянного уровня напряжения из огибающей модулированных во входном устройстве радиометра сигналов согласованной нагрузки и смеси сигналов антенны и генератора шума. При работе данного радиометра выполняется условие нулевого приема - выходной сигнал не зависит от коэффициента усиления приемника и, следовательно, его изменения и медленные флуктуации (меньше частоты модуляции в радиометре) не влияют на точность измерений.
Так как модулированная последовательность сигналов представляет собой изменяемую во времени импульсную последовательность (на сигнал антенны накладываются короткие импульсы сигнала генератора шума), то применение для ее преобразования таких классических операций, как синхронное детектирование и интегрирование, приводит к погрешностям. Это относится к недостатку описанного радиометра, который выбран в качестве аналога.
Известен сверхвысокочастотный нулевой радиометр [Филатов А.В., Бордонский Г.С. // Нулевой радиометр. А.с. СССР №1704107, G01R 29/08, G01S 13/95 - прототип], структурная схема которого изображена на фиг.2, содержащий последовательно соединенные антенну 1, направленный ответвитель 2, модулятор 3, приемник 7, низкочастотный усилитель 8, фильтр верхних частот 9, синхронный фильтр низких частот 10, компаратор (нуль-орган) 11, блок управления 12, на выходе которого формируется цифровой код измеряемого сигнала антенны, поступающий на шину 14. В радиометре обеспечивается автоматический ввод опорного сигнала генератора шума 5 в направленный ответвитель 2 через аттенюатор 4, регулировка которого происходит в процессе калибровки. Импульсный сигнал с выхода 4 блока управления 12 включает источник постоянного тока 6. Управляемый источник 6 питает генератор шума 5. Шумовой сигнал, вырабатываемый генератором, является первым опорным сигналом. Второй опорный шумовой сигнал вырабатывается согласованной нагрузкой 15, находящейся при температуре термостатированной платы 13. Для повышения стабильности работы радиометра на этой же плате установлены модулятор 3, направленный ответвитель 2, аттенюатор 4, генератор шума 5, управляемый источник тока 6.
Особенность работы данного радиометра заключается в следующем. Обработка огибающей сигналов на выходе приемника (по низкой частоте) включает следующие операции: исключение постоянной составляющей напряжения фильтром высокой частоты и анализ полярности напряжения на входе компаратора на промежутке времени, когда к входу приемника подключена согласованная нагрузка. Так как в низкочастотной части радиометра нет преобразований модулированных сигналов (преобразований формы сигналов) с целью выделения информативных уровней напряжения, то и погрешности, связанные с этими преобразованиями, отсутствуют. В этом радиометре, как и в радиометре-аналоге, выполняется принцип нулевых измерений, в результате выполнения которого радиометр становится нечувствительным к изменениям коэффициента передачи измерительного тракта.
Рассмотренный радиометр, выбранный в качестве прототипа, имеет ограничения по диапазону измеряемых сигналов. Верхняя граница диапазона измерения фиксированная и определяется эквивалентной температурой согласованной нагрузки.
Предлагаемым изобретением решается задача расширения функциональных возможностей радиометра по диапазону измеряемых сигналов антенны и повышения точности измерений при сохранении возможности работы радиометра в режиме нулевых измерений. В радиометре для формирования двух опорных сигналов используется один шумовой генератор. Это позволяет минимизировать влияние изменений выходной мощности генератора на точность измерений.
Для достижения этого технического результата в радиометр, содержащий последовательно соединенные антенну, направленный ответвитель, первый модулятор, приемник, импульсный усилитель, фильтр высоких частот, синхронный фильтр низких частот, компаратор, блок управления, второй вход компаратора соединен с общей шиной радиометра, первый и второй выходы блока управления подключены к соответствующим управляющим входам синхронного фильтра низких частот и первого модулятора, а третий является выходной шиной радиометра, выход источника тока соединен с входом генератора шума, выход первого аттенюатора подключен к второму входу направленного ответвителя, причем направленный ответвитель, первый модулятор, первый аттенюатор, генератор шума, источник тока установлены на термостатированной плате и находятся с ней в тепловом контакте, введены установленные на термостатированной плате и находящиеся с ней в тепловом контакте второй аттенюатор и второй модулятор, первый и второй выходы которого соединены соответственно с входом первого аттенюатора и вторым входом первого модулятора через второй аттенюатор, а вход второго модулятора и его управляющий вход подключены к выходу генератора шума и четвертому выходу блока управления, соответственно.
На фиг.1 представлена структурная схема радиометра-аналога.
На фиг.2 показана структурная схема радиометра-прототипа.
На фиг.3 представлена структурная схема предлагаемого нулевого радиометра.
На фиг.4 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип работы нулевого радиометра.
В состав радиометра входит (фиг.3) антенна 1. Входной блок включает установленные на термостатированной плате 13 первый и второй модуляторы 3 и 16, генератор шума 5, источник постоянного тока 6, первый и второй аттенюаторы 4 и 15, направленный ответвитель 2. Измерительный канал состоит из приемника 7, импульсного усилителя 8, фильтра высоких частот 9, синхронного фильтра низких частот 10, компаратора 11, блока управления 12, с третьего выхода которого сигнал поступает на выходную шину 14.
гш1
Во входном блоке радиометра происходит модуляция сигналов. На первый вход первого модулятора 3 поступает входной сигнал антенны 1 через направленный ответвитель 2, в котором к сигналу антенны добавляется первый опорный сигнал Т. Этот опорный сигнал вырабатывается полупроводниковым генератором шума 5 с применением лавинно-пролетного диода, через активную зону которого протекает ток источника 6. Через второй модулятор 16 сигнал генератора шума поступает на вход аттенюатора 4, где ослабляется до необходимой величины (регулировка аттенюатора осуществляется в процессе калибровки, которая описана ниже), равной:
гш
1
0
шис
где Т - шумовая температура выходного сигнала генератора 5; α - коэффициент пропускания аттенюатора 4, равный единице, если сигнал проходит через него без ослабления, и нулю в случае полного поглощения сигнала; Т - термодинамическая температура термостатированной платы 13; β - коэффициент передачи направленного ответвителя. Модулятор 16 управляется широтно-импульсным сигналом t, поступающим с четвертого выхода блока управления 12.
Второй опорный сигнал в радиометре формируется из того же сигнала генератора шума 5 и поступает на второй вход модулятора 3 через второй модулятор 16 и второй аттенюатор 15, в котором ослабляется до величины:
2
мод
где α - коэффициент пропускания аттенюатора 15. Первый модулятор 3 управляется симметричным импульсным сигналом t типа меандр.
С целью минимизации погрешностей входной узел радиометра, а именно генератор шума 5, аттенюаторы 4 и 15, модуляторы 3 и 16, направленный ответвитель 2 расположены на термостатированной плате 13 и находятся с ней в тепловом контакте.
cp
мод
Измерительный канал представляет собой радиометрический приемник с линейной передаточной характеристикой и полосой принимаемых частот df. Приемник 7 включает высокочастотные усилители, полосовой фильтр, квадратичный детектор, выделяющий огибающую сигналов модуляции. Фильтр высоких частот 9 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. Синхронный фильтр низких частот 10 производит предварительную фильтрацию сигнала, уменьшает флуктуационную компоненту в продетектированных сигналах и тем самым исключает перегрузку следующего за ним компаратора 11. Фильтр состоит из трех однозвенных интегрирующих RC-цепей, в которых резистор является общим для всех цепей, а постоянные составляющие трех модулируемых входных сигналов (антенны, антенны и первого опорного сигнала, второго опорного сигнала) накапливаются на трех конденсаторах синхронным их подключением к общей шине радиометра через управляемые электронные ключи. Ключи имеют входы управления, на которые поступает сигнал с блока управления по трехпроводной шине.
мод
мод
гш2
мод
шис
Принцип работы радиометра поясняется временными диаграммами на фиг.4 и заключается в следующем. Сигналы модуляции, поступающие на управляющий вход первого модулятора 3 со второго выхода блока управления 12, представляют собой периодическую последовательность прямоугольных импульсов со скважностью, равной двум. Один период модуляции состоит из двух равных полупериодов с равными длительностями t (фиг.4). В первом полупериоде модуляции, когда на выходе 2 блока управления сигнал t имеет низкий уровень, на вход приемника 7 поступает опорный сигнал Т через второй вход модулятора 3. Во втором полупериоде, при высоком уровне сигнала t, через первый вход модулятора 3 на вход приемника поступает сигнал антенны 1. В этом полупериоде модуляции на четвертом выходе блока управления вырабатывается широтно-импульсный сигнал с длительностью t.
гш2
шис
На фиг.4 приведены временные диаграммы для случая установленного нулевого баланса в радиометре. Нулевой баланс считается установленным, если в первый полупериод модуляции, когда поступает сигнал Т на вход приемника, выходное напряжение измерительного тракта равно нулю и это равенство фиксирует компаратор 11. Нулевой баланс при включении питания радиометра устанавливается и затем при изменении сигнала антенны регулируется соответствующим изменением длительности широтно-импульсного сигнала t. Так как сигнал на входе компаратора 11 в результате модуляции имеет периодический характер и в этих сигналах исключена постоянная составляющая фильтром высоких частот 9, тогда для одного периода выполняется равенство вольт-секундных площадей положительного и отрицательного импульсов. Так как в первый полупериод модуляции напряжение на входе компаратора равно нулю, поэтому равенство вольт-секундных площадей положительного и отрицательного импульсов выполняется в другой, второй полупериод модуляции при подключении на вход приемника антенны:
+
-
+
a
гш1
ш
гш2
ш
a
гш1
гш2
-
гш2
ш
a
ш
гш2
a
a
гш1
гш2
ш
+
-
a
гш1
гш2
шис
гш2
a
мод
шис
где U и U - амплитуды положительного и отрицательного импульсов, равные: U=Gkdf[(T+Т+Т)-(Т-Т)]=Gkdf(T+Т+Т); U=Gkdf[(Т+Т)-(T+Т)]=Gkdf(Т-T), где G - коэффициент пропорциональности между входными сигналами T, Т, Т и напряжениями на выходе фильтра верхних частот, в который входят коэффициенты усиления по высокой и низкой частотам, коэффициент передачи квадратичного детектора; k - постоянная Больцмана, df - полоса принимаемых частот, Т - эффективная температура собственных шумов радиометра, приведенная к входу приемника. Подставляя U и U в равенство (3), получим: Gkdf[(T+Т-Т)t=Gkdf(Т-T)(t-t). Откуда:
шис
a
шис
ш
Из последней формулы следует линейная зависимость длительности t и входного сигнала антенны T. Следовательно, через эту длительность можно косвенным образом определить сигнал антенны. Также из формулы (4) следует, что на длительность широтно-импульсного сигнала t не влияют изменения собственных шумов Т и коэффициента передачи измерительного тракта радиометра (коэффициент G). Устранение влияния этих двух основных дестабилизирующих факторов указывает на то, что радиометр работает по принципу нулевых измерений.
Диапазон измерений, значения максимального и минимального сигналов антенны могут быть найдены из (4):
шис
мод
а,макс
гш2
а,мин
гш2
гш1
Подстановкой в (5) длительностей t, равных нулю, и длительности t получаем: Т=Т; Т=Т-Т.
эт,макс
гш1
шис
гш2
э,макс
а,макс
гш2
Границы измерений настраиваются изменением поглощения сигналов в аттенюаторах 4 и 15 в процессе калибровки. Калибровка осуществляется в два этапа. На первом этапе к входу радиометра вместо антенны подключается эталон с шумовой температурой Т, определяющий верхнюю границу диапазона измерений. Сигнал Т не вырабатывается, t=0. Регулируется сигнал Т изменением коэффициента пропускания аттенюатора 15. Этап калибровки завершается, когда напряжение на входе компаратора в первом полупериоде модуляции становится равным нулю. При выполнении этого условия Т=Т=Т.
э,мин
шис
мод
гш1
э,мин
а,мин
гш2
гш1
Второй этап калибровки начинается с подключения на вход радиометра эталона с низкой шумовой температурой Т, определяющего по аналогии нижнюю границу диапазона измерений. Для этого случая t=t. Осуществляется регулировка сигнала Т с помощью аттенюатора 4. Как и на первом этапе, настройка радиометра на нижнюю границу происходит до момента установления напряжения на входе компаратора в первом полупериоде модуляции равным нулю. В этом случае Т=Т=Т-Т.
гш,мин
гш1
На минимальную величину сигнала генератора шума накладывается ограничение Т≥Т/β.
В радиометре два опорных сигнала вырабатываются одним шумовым источником. Выражение (4) для длительности широтно-импульсного сигнала с учетом (1) и (2) имеет вид:
гш
0
шис
Основную погрешность в измерения вносят изменения выходного сигнала генератора шума Т и вариации температуры T платы 13, на которой установлены входные узлы радиометра. Учитывая эти обстоятельства, выражение для вычисления погрешности длительности t будет иметь вид:
гш
0
где δТ и δT - абсолютные отклонения сигналов генератора шума и термостатированной платы от номинальных значений, соответственно.
После подстановки (6) в (7) и решения равенства получим:
шис
2
1
0
1
a
гш
1
2
гш
1
a
мод
0
1
гш
0
2
δt={[(α-α)T+αT]δТ+[(α-α)Т+(1-α)T]t}/β[T+α(Т-T)].
гш
0
В ходе проведения численных экспериментов были получены следующие результаты. Погрешность измерения при изменении сигнала антенны носит линейный характер. Для минимальных сигналов антенны значение погрешности минимально. Далее наблюдается рост погрешности в сторону увеличения сигналов антенны. Например, при изменении сигналов Т и T на 1% на диапазоне измерения 0-400 К погрешность составила от нуля для минимального сигнала антенны до 1% для максимального сигнала. Таким образом, если в модуляционных радиометрах дифференциальных измерений при увеличении разности температур антенны и опорного источника погрешность соответственно растет (за счет мультипликативной составляющей), то в данном радиометре она наоборот снижается.
гш2
шис
Блок управления 12 радиометром полностью аналогичен прототипу, вырабатывает все необходимые сигналы для функционирования радиометра. В радиометре осуществляется следящий режим работы и автоматическое поддержание нулевого баланса. Как следует из вышеприведенного описания принципа работы радиометра, необходимым условием нулевого приема является поддержание на входе компаратора 11 нулевого напряжения в фазу прохождения по измерительному тракту сигнала генератора шума Т. После анализа выходного сигнала компаратора блок управления корректирует цифровой код длительности широтно-импульсного сигнала t, что приводит к ее изменению в следующем полупериоде модуляции. Цифровой код длительности широтно-импульсного сигнала является цифровым эквивалентом измеряемого сигнала антенны и поступает на выходную шину 14 блока управления.
В радиометре блок управления выполнен на цифровых интегральных схемах логики КМОП. В литературе достаточно полно описаны конструкции СВЧ-устройств, такие как модулятор, аттенюатор, направленный ответвитель, и методы их расчетов [например, Бахарев С.И., Вольман В.И., Либ Ю.Н. и др. Под ред. Вольмана В.И. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств. - М.: Радио и связь, 1982. - 328 с.]. В данном радиометре эти узлы выполнены на микрополосковых волноведущих структурах. В приемнике применены транзисторные усилители. Полосовые фильтры выполнены на встречных стержнях [Мазепова О.И., Мещанов В.П., Прохорова Н.Н. и др. Под ред. Фельдштейна А.А. Справочник по элементам полосковой техники. - М.: Связь, 1979. - 336 с.]. Синхронные фильтры низкой частоты описаны в [Фрейтер. Синхронный интегратор и демодулятор // Приборы для научных исследований. - 1965. - Т.36, №5. - С.53].
В отличие от прототипа предлагаемый радиометр после проведения необходимой операции калибровки может быть настроен на произвольный диапазон измерений сигнала антенны. Это осуществляется регулировкой опорных сигналов в аттенюаторах, формируемых одним генератором шума. Формирование опорных сигналов с применением одного источника шума повысило точность измерений. Минимальная погрешность измерений достигается при измерении сигналов вблизи нижней границы диапазона измерений.