НУЛЕВОЙ РАДИОМЕТР
ZERO RADIOMETER

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения характеристик электромагнитного поля и может быть использовано, например, в дистанционном зондировании Земли, медицине, поиске радиотепловых аномалий, гиперспектральных исследованиях природных сред.
Известен двухканальный нулевой радиометр [RU 2393502 С1, МПК G01S 13/95 (2006.01), G01R 29/26 (2006.01), опубл. 27.06.2010], содержащий согласованную нагрузку и первый генератор шума, выход которого соединен с входом аттенюатора. К первому входу высокочастотного модулятора последовательно подключены антенна и первый направленный ответвитель. К первому выходу высокочастотного модулятора подключены последовательно соединенные первый приемник, первый предварительный усилитель низкой частоты, первый синхронный фильтр, первый усилитель низкой частоты, первый фильтр высокой частоты, выход которого соединен с первым входом низкочастотного модулятора. К второму выходу высокочастотного модулятора подключены последовательно соединенные второй приемник, второй предварительный усилитель низкой частоты, второй синхронный фильтр, второй усилитель низкой частоты, второй фильтр высокой частоты, выход которого соединен с вторым входом низкочастотного модулятора. Выход низкочастотного модулятора подключен к первому входу компаратора, второй вход которого соединен с общей шиной радиометра. Выход компаратора подключен к входу блока управления. Первый выход блока управления соединен с объединенными вместе управляющими входами высокочастотного и низкочастотного модуляторов. Второй и третий выходы блока управления соединены с управляющими входами первого и второго синхронных фильтров соответственно, а четвертый выход соединен с входом интегратора динамического типа. Выход блока управления является выходной цифровой шиной радиометра. Согласованная нагрузка, первый направленный ответвитель, высокочастотный модулятор, аттенюатор, первый генератор шума, второй направленный ответвитель, второй генератор шума, первый и второй источники тока, установлены на термостатированной плате и находятся с ней в тепловом контакте. Выходы первого и второго источников тока соединены с входами первого и второго генераторов шума соответственно. Управляющий вход аттенюатора подключен к пятому выходу блока управления. Выходы аттенюатора и второго генератора шума соединены с вторыми входами первого и второго направленных ответвителей соответственно. Выход второго направленного ответвителя подключен к второму входу высокочастотного модулятора, первый вход которого подключен к выходу согласованной нагрузки.
Наличие твердотельных генераторов шума, реализация которых осуществляется на основе активных полупроводниковых элементов и узлов, например, малошумящих усилителей, диодов с барьером Шоттки, лавинно-пролетных диодов требует дополнительных источников питания, систем контроля изменения или поддержания их стабильности. Использование активных генераторов шума приводит к усложнению конструкции за счет введения дополнительных элементов по управлению генераторами шума. Использование направленных ответвителей увеличивает потери на входе радиометра, что приводит к ухудшению флуктуационной чувствительности.
Известен нулевой радиометр [RU 2642475 С2, МПК G01R 29/08 (2006.01), опубл. 25.01.2018], выбранный в качестве прототипа, содержащий антенну, согласованную нагрузку, подключенную к первому входу модулятора, радиометрический приемник, последовательно соединенные импульсный усилитель, фильтр высоких частот, синхронный фильтр низких частот, компаратор и блок управления. Первый и второй выходы блока управления соединены соответственно с управляющими входами модулятора и синхронного фильтра низких частот, а третий выход является выходной шиной радиометра. Общая шина радиометра соединена со вторым входом компаратора. Согласованная нагрузка и модулятор установлены на термостатированной плате и находятся с ней в тепловом контакте. Вход первого переключателя соединен с выходом радиометрического приемника. Первый и второй выходы радиометрического приемника соединены соответственно с одноименными входами второго переключателя, причем первый выход непосредственно, а второй - через делитель напряжения. Выход второго переключателя подключен к входу импульсного усилителя. Управляющие входы первого, второго переключателей и высокочастотного ключа объединены вместе и подключены к четвертому выходу блока управления. Антенна соединена со вторым входом модулятора, выход которого через высокочастотный ключ подключен к входу радиометрического приемника.
При работе этого радиометра осуществляются два вида синхронно выполняемых импульсных модуляций: амплитудная и широтная. Амплитудно-импульсная модуляция выполняется в модуляторе. Период модуляции состоит из двух полупериодов равной длительности. Широтно-импульсная модуляция осуществляется в высокочастотном ключе. Радиометр функционирует на принципе уравнивания энергий входного сигнала антенны и опорных источников шума, что реализуется изменением длительности сигнала широтно-импульсной модуляции. Первый опорный сигнал формируются из шумов согласованной нагрузки, второй связан с шумовой температурой приемника, интерференцией собственных шумов и коэффициентом отражения высокочастотного ключа. Компенсация интерференционной составляющий и коэффициента отражения высокочастотного ключа реализуется при калибровке радиометра в делителе напряжения.
Принцип работы этого радиометра заключается в изменении длительности широтно-импульсного сигнала. Это изменение осуществляется до тех пор, пока компаратор, работающий в режиме сравнения с потенциалом общей шины, не определит равенство вольт-секундных площадей. Полученные результаты измерений не зависят от дрейфа коэффициента передачи радиометрического приемника и его собственных шумов и их изменений.
В радиометре-прототипе осуществляется симметричная амплитудно-импульсная модуляция входного сигнала. При этом первый полупериод модуляции отводится для измерения сигнала антенны, за второй полупериод модуляции измеряются сигналы согласованной нагрузки и сигнала, пропорционального уровню собственных шумов радиометрического приемника. Таким образом, сигнал антенны измеряется не постоянно, что приводит к ухудшению флуктуационной чувствительности нулевого радиометра.
Высокочастотный ключ, установленный на выходе радиометрического приемника, ослабляет входной сигнал антенны за счет собственных потерь. Это приводит к ухудшению флуктуационной чувствительности нулевого радиометра.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении флуктуационной чувствительности нулевого радиометра.
Нулевой радиометр, так же как в прототипе, содержит антенну, соединенную с первым входом модулятора, высокочастотный ключ, согласованную нагрузку, установленную на термостатированной плате, первый радиометрический приемник, соединенный с первым переключателем, последовательно соединенные первый импульсный усилитель, первый фильтр высоких частот и первый синхронный фильтр, выход которого соединен с первым входом компаратора, второй вход которого подключен к общей шине, а выход компаратора соединен с входом блока управления, первый выход которого соединен с выходной шиной, первый выход первого переключателя соединен с первым входом второго переключателя, второй выход первого переключателя через делитель напряжения подключен к второму входу второго переключателя, первый выход которого соединен с первым импульсным усилителем, при этом второй выход блока управления соединен с управляющим входом модулятора, а управляющий вход высокочастотного ключа связан с третьим выходом блока управления, четвертый выход которого соединен с управляющим входом первого синхронного фильтра.
Согласно изобретению, высокочастотный ключ установлен на термостатированной плате и соединен с согласованной нагрузкой. Выход высокочастотного ключа соединен с вторым входом модулятора, ко второму выходу которого подключен второй радиометрический приемник, выход которого связан с вторым входом первого переключателя, третий выход которого соединен с третьим входом второго переключателя, к второму выходу которого последовательно подключены второй импульсный усилитель, второй фильтр высоких частот, второй синхронный фильтр, выход которого соединен третьим входом компаратора. Первый выход модулятора соединен с первым радиометрическим приемником. Управляющий вход компаратора соединен с вторым выходом блока управления, четвертый выход которого соединен с управляющими входами первого и второго переключателей и второго синхронного фильтра.
По сравнению с прототипом предложенный нулевой радиометр позволяет увеличить время измерения сигнала антенны в два раза. Это приводит к увеличению накопленной энергии измеряемого сигнала антенны на заданном периоде измерения, что обуславливает повышение флуктуационной чувствительности. Установка высокочастотного переключателя на выходе согласованной нагрузки уменьшает ослабление сигнала антенны, что приводит к уменьшению собственных шумов и повышает флуктуационную чувствительность нулевого радиометра.
На фиг. 1 показана структурная схема предлагаемого нулевого радиометра.
На фиг. 2 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип работы предлагаемого нулевого радиометра.
В таблице 1 показаны режимы работы высокочастотного ключа 11 (КЛ), модулятора 2 (М), первого 4 (П1) и второго 5 (П2) переключателей и компаратора 9 (К).
Нулевой радиометр (фиг. 1) содержит антенну 1 (А), которая подключена к первому входу модулятора 2 (М). Первый выход модулятора 2 (М) соединен с входом первого радиометрического приемника 3 (РП1), выход которого соединен с первым входом первого переключателя 4 (П1). Первый выход первого переключателя 4 (П1) соединен с первым входом второго переключателя 5 (П2), к первому выходу которого последовательно подключены первый импульсный усилитель 6 (ИУ1), первый фильтр высоких частот 7 (ФВЧ1), первый синхронный фильтр 8 (СФ1). Выход первого синхронного фильтра 8 (СФ1) соединен с первым входом компаратора 9 (К). Выход согласованной нагрузки 10 (СН) соединен со вторым входом модулятора 2 (М) через высокочастотный ключ 11 (КЛ). Второй выход модулятора 2 (М) соединен с вторым радиометрическим приемником 12 (РП2), который подключен к второму входу первого переключателя 4 (П1), второй выход которого через делитель напряжения 13 (ДН) соединен с вторым входом второго переключателя 5 (П2). К второму выходу второго переключателя 5 (П2) последовательно подключены второй импульсный усилитель 14 (ИУ2), второй фильтр высоких частот 15 (ФВЧ2), второй синхронный фильтр 16 (СФ2), который соединен с третьим входом компаратора 9 (К). Согласованная нагрузка 10 (СН) и высокочастотный ключ 11 (КЛ) расположены на термостатированной плате 17 (ТСП). Первый выход блока управления 18 (БУ) соединен с управляющими входами модулятора 3 (М) и компаратора 9 (К). Второй выход блока управления 18 (БУ) соединен с управляющими входами первого переключателя 4 (П1), второго переключателя 5 (П2), первого синхронного фильтра 8 (СФ 1) и второго синхронного фильтра 16 (СФ2). Третий выход блока управления 18 (БУ) соединен с выходной шиной 19 (ВШ). Четвертый выход блока управления 18 (БУ) соединен с управляющим входом высокочастотного ключа 11 (КЛ). Третий выход первого переключателя 4 (П1) соединен с третьим входом второго переключателя 5 (П2). Второй вход компаратора 9 (К) соединен с общей шиной 20 (ОШ). Выход компаратора 9 (К) соединен с входом блока управления 18 (БУ).
Может быть использована или рупорная, или параболическая, или диэлектрическая антенна 1 (A). Модулятор 2 (М) и высокочастотный ключ 11 (КЛ) могут быть реализованы в виде гибридных интегральных схем на транзисторах или pin-диодах [Гвоздев В.И., Нефедов Е.И., Объемные интегральные схемы СВЧ. - М.: Наука. - 1985. - 256 с.]. Первый 3 (РП1) и второй 12 (РП2) радиометрические приемники могут быть реализованы по схеме прямого усиления или с переносом частоты с применением выпускаемых промышленностью малошумящих усилителей, полосовых фильтров, диодов [Соколов М.А. Проектирование радиолокационных приемных устройств. - М.: Высшая школа. - 1984. - 256 с.]. Первый 4 (П1) и второй 5 (П2) переключатели могут быть реализованы на основе выпускаемых промышленностью микросхем аналоговых мультиплексоров, например, ADG1204. Делитель напряжения 13 (ДН) реализован на прецизионных резисторах, например, МР3040. Первый 6 (ИУ1) и второй 14 (ИУ2) импульсные усилители могут быть реализованы на операционных усилителях [Мамий А.Р., Тлячев В.Б. Операционные усилители. - Майкоп: АТУ, 2005. - 192 с.]. Первый 7 (ФВЧ1) и второй 15 (ФВЧ2) фильтры высоких частот могут быть реализованы в виде однозвенных RC-цепей на основе выпускаемых промышленностью резисторах и конденсаторах. Первый 8 (СФ1) и второй 16 (СФ2) синхронные фильтры состоят из трех звеньев, которые могут быть реализованы на переключаемых RC-цепях [Фрейтер. Синхронный интегратор и демодулятор // Приборы для научных исследований. - 1965. - Т. 36, №5. - С. 53]. Компаратор 9 (К) может быть реализован, например, на основе выпускаемой промышленностью микросхемы LM311. Блок управления 18 (БУ) может быть выполнен на базе дискретных логических элементов, хотя для этого также могут быть использованы программируемые логические матрицы и микроконтроллеры. Термостатированная плата 17 (ТСП) выполнена из диэлектрического материала и содержит нагревающий элемент [Горбач П., Лоу Д. Термостаты и охладители в технологических процессах. Конструкции, выбор, применение. - СПб.: ЦОП "Профессия", 2012. - 352 с.]. Согласованная нагрузка 10 (СН) может быть реализована на основе выпускаемых промышленностью высокочастотных резисторов, например, Р1-81.
Принцип работы нулевого радиометра поясняется временными диаграммами на фиг. 2 и заключается в следующем. Блок управления 18 (БУ) формирует сигналы широтно-импульсной и амплитудно-импульсной модуляции. На четвертом выходе блока управления 18 (БУ) формируются сигналы широтно-импульсной модуляции. На первом выходе блока управления 18 (БУ) формируется сигнал амплитудно-импульсной модуляции, а на втором выходе - формируются сигналы широтно-импульсной и амплитудно-импульсной модуляции.
AИM
АИМ
ШИМ1
AИM
ШИМ2
Сигнал амплитудно-импульсной модуляции t представляет собой периодическую последовательность прямоугольных импульсов со скважностью следования, равной двум. Один период амплитудной модуляции состоит из двух равных полупериодов с равными длительностями (фиг. 2). Сигнал широтно-импульсной модуляции представляет собой периодическую последовательность прямоугольных импульсов с переменной длительностью. При высоком уровне t, блок управления 18 (БУ) формирует сигнал широтно-импульсной модуляции t, при низком уровне t, блок управления 18 (БУ) формирует сигнал широтно-импульсной модуляции t.
АИМ
ШИМ1
ШИМ2
AИM
ШИM1
ШИМ2
Под действием сигналов t, t и t происходит управление высокочастотным ключом 11 (КЛ), модулятором 2 (М), первым переключателем 4 (П1), вторым переключателем 5 (П2) и компаратором 9 (К). В соответствии с временными диаграммами, представленными на фиг. 2, блок управления формирует четыре комбинации сигналов t, t и t. Режимы работы высокочастотного ключа 11 (КЛ), модулятора 2 (М), первого 4 (П1) и второго 5 (П2) переключателей и компаратора 9 (К) в зависимости от уровня управляющих сигналов представлены в таблице 1.
АИМ
Если блок управления 18 (БУ) формирует управляющий сигнал t=LOW, то в соответствии с таблицей 1, сигнал антенны 1 (А) поступает через модулятор 2 (М) на первый радиометрический приемник 3 (РП1), от которого на первый вход первого переключателя 4 (П1). С первого входа первого переключателя 4 (П1) сигнал антенны поступает через первый вход и выход второго переключателя 5 (П2), первый импульсный усилитель 6 (ИУ1), первый фильтр высоких частот 7 (ФВЧ1), первый синхронный фильтр 8 (СФ1) на первый вход компаратора 9 (К). При этом на первом входе компаратора 9 (К) формируется сигнал:
А
где Т - шумовая температура антенны;
df - рабочая полоса частот первого радиометрического приемника 3 (РП1);
Ш
Т - уровень собственных шумов первого радиометрического приемника 3 (РП1);
G - коэффициент передачи первого радиометрического приемника 3 (РП1);
k - постоянная Больцмана.
АИМ
ШИМ1
Далее в соответствии с временными диаграммами, изображенными на фиг. 2, блок управления 18 (БУ) формирует комбинацию управляющих сигналов t=HI, t=HI. В этом случае в соответствии с таблицей 1 на первом входе компаратора 9 (К) формируется сигнал:
где α - коэффициент, учитывающий отражение и интерференцию собственных шумов первого радиометрического приемника 3 (РП1) в высокочастотном ключе 11 (КЛ) при его открытом состоянии.
АИМ
ШИМ1
После этого блок управления 18 (БУ) формирует комбинацию управляющих сигналов t=HI, t=LOW и в соответствии с таблицей 1 на первом входе компаратора 9 (К) формируется сигнал:
СН
где Т - шумовая температура согласованной нагрузки.
АИМ
ШИМ1
ШИМ1
ШИМ1
В зависимости от состояния сигнала на выходе компаратора 9 (К) в блоке управления 18 (БУ), при t=LOW, происходит регулирование длительности сигнала широтно-импульсной модуляции t. Если выход компаратора 9 (К) в состоянии HI, то длительность сигнала широтно-импульсной модуляции t уменьшается. Если выход компаратора 9 (К) в состоянии LOW, то длительность сигнала широтно-импульсной модуляции t увеличивается. Регулирование осуществляется до тех пор, пока не выполнится равенство вольт-секундных площадей положительного и отрицательного импульсов на первом входе компаратора 9 (К). При этом среднее значение сигнала во втором полупериоде модуляции равно нулю, что фиксируется компаратором 9 (К) в последующем первом полупериоде модуляции, при его сравнении с потенциалом общей шины 20. В этом случае выполняется равенство:
Подставляя (1), (2) и (3) в (4) получим:
В процессе калибровки, которая описана ниже, осуществляется регулирование ослабления делителя напряжения 13 (ДН) до выполнения равенства
ШИМ1
Подставляя (6) в (5) и решая относительно t получим:
ШИМ1
А
Ш
Из последней формулы (7) следует линейная зависимость длительности t от входного сигнала антенны 1 (А) Т для первого радиометрического приемника 3 (РП1). Следовательно, через эту длительность определяется сигнал антенны 1 (А). Так же из формулы (7) следует, что на длительность широтно-импульсного сигнала не влияют изменения уровня собственных шумов Т и коэффициента передачи G первого радиометрического приемника 3 (РП1). Устранение влияния этих двух основных дестабилизирующих факторов указывает на то, что радиометр работает по принципу нулевых измерений.
Сигнал антенны 1 (А), сигнал, пропорциональный уровню шумов второго радиометрического приемника 12 (РП2) и сигнал согласованной нагрузки 10 (СН) последовательно поступают на третий вход компаратора 9 (К), где формируется импульсно-модулированный сигнал, аналогичный поступающему на первый вход компаратора 9 (К), но сдвинутый на один полупериод модуляции (фиг. 2). Передаточная характеристика нулевого радиометра при работе второго радиометрического приемника 12 (РП2), при проведении вычислений аналогичных приведенным выше, принимает вид:
ШИМ1
ШИМ2
А
После каждого периода модуляции в блоке управления 18 (БУ) происходит вычисление среднего значения между t и t. После накопления требуемого количества значений сигнала широтно-импульсной модуляции блок управления 18 (БУ) формирует на выходной шине 19 цифровой код, соответствующий сигналу Т антенны 1 (А).
ЭТ1
ЭТ1
Калибровка нулевого радиометра выполняется следующим образом. К входу нулевого радиометра вместо антенны 1 (А) подключают эталон с шумовой температурой Т определяющей верхнюю границу диапазона измерений (величина Т близка по значению к 300 К). Длительность сигнала широтно-импульсной модуляции на этом этапе устанавливается равной нулю, то есть:
ШИМ1
ШИМ2
t=t=0.
СН
Изменением температуры нагревающего элемента термостатированной платы 17 (ТСП) и, следовательно, согласованной нагрузки 10 (СН) и высокочастотного ключа 11 (КЛ), происходит настройка сигнала Т до момента выполнения равенства
СН
Ш
ЭТ1
Ш
Т+Т=Т+Т,
СН
что фиксирует компаратор 9 (К). При выполнении равенства, напряжение на входах компаратора 9 (К) в полупериоде модуляции, соответствующем подключению антенны 1 (А) на вход соответствующего радиометрического приемника, становится равным нулю. В результате этого шумовой сигнал согласованной нагрузки 10 (СН) Т становится равным сигналу подключаемого эталона.
СН
Далее на вход нулевого радиометра подключают второй шумовой эталон, шумовая температура которого известна и значение которой меньше в несколько раз величины Т, полученного после калибровки.
ЭТ2
Если шумовая температура второго эталона равна Т, то используя выражения (5), (6) и (7) проводится настройка делителя напряжения 13 (ДН) до тех пор, пока не выполнится равенство:
Этот процесс приводит к тому, что в измерениях учитывается коэффициент α из формулы (2) и (6). Компенсация влияния коэффициента α осуществляется в делителе напряжения 13 (ДН), коэффициент ослабления которого при этом становится равным α.
Таким образом, параллельная работа двух радиометрических приемников 3 (РП1) и 12 (РП2) позволяет за один период модуляции накапливать в блоке управления 18 (БУ) два результата измерения сигнала антенны 1 (А) (два цифровых кода, эквивалентных длительности сигналов широтно-импульсной модуляции). При этом сигнал антенны 1 (А) измеряется непрерывно. По сравнению с прототипом, длительность измерения сигнала антенны 1 (А) в предлагаемом нулевом радиометре возрастает в два раза. Увеличение числа измерений в два раза на заданном временном интервале приводит к увеличению флуктуационной чувствительности в корень квадратный из двух [Краус Д.Д. Радиоастрономия. - М.: Сов радио, 1973. - 456 с.].
По сравнению с прототипом, в предлагаемом нулевом радиометре, сигнал антенны 1 (А) поступает с выхода модулятора 2 (М) сразу на вход радиометрического приемника, минуя высокочастотный ключ 11 (КЛ). Это обуславливает отсутствие ослабления сигнала антенны в высокочастотном ключе 11 (КЛ). Уменьшение потерь на входе радиоприемной системы снижает уровень ее собственных шумов [Соколов М.А. Проектирование радиолокационных приемных устройств. - М.: Высшая школа. - 1984. - 256 с.]. Как известно из теории приема шумовых сигналов [Есепкина Е.А., Корольков Д.В., Парийский Ю.Н. "Радиотелескопы и радиометры". - М.: Наука. - 1973. - 416 с.], порог минимально обнаружимого изменения сигнала на входе радиометра пропорционален уровню его собственных шумов. Поэтому в предлагаемом нулевом радиометре флуктуационная чувствительность повышена, по сравнению с прототипом.