УСТРОЙСТВО ДЛЯ КАЛИБРОВКИ МИКРОВОЛНОВОГО РАДИОМЕТРА

Полезная модель относится к средствам калибровки измерительных приборов и может быть использована для калибровки радиометров микроволнового диапазона.
Для реализации предельной флуктуационной чувствительности радиометрических приемников, ограниченной только белым шумом, необходимо применять меры, исключающие влияние медленных вариаций коэффициента передачи и уровня собственных шумов (фликер-шума) и имеющих спектр вида 1/f. Низкочастотные составляющие шума радиометров связаны с такими техническими причинами, как вариации напряжения питания усилителей, изменения температуры активных и пассивных элементов, медленные флуктуации параметров электронных компонентов, дробовой шум квадратичного детектора и т.п. Для подавления низкочастотного шума, интенсивность которого обычно намного превышает интенсивность белого шума, кроме термостатирования и использования стабильных источников питания применяются различные схемные решения: модуляционные, корреляционные и др. радиометрические схемы. В широко используемой модуляционной схеме производится быстрое периодическое переключение входа приемника между антенной и опорной нагрузкой со стабильной температурой. Причем эффективная шумовая температура опорной нагрузки должна быть близка к антенной температуре исследуемого источника. Переключение входного сигнала осуществляется с помощью модулятора или переключателя того или иного типа. Выходным сигналом радиометра в этом случае является усредненная по времени разность напряжений квадратичного детектора в двух положениях (фазах) модулятора.
Для интерпретации радиометрических измерений также требуется установление взаимно-однозначного соответствия между выходными показаниями радиометрической системы и антенной температурой, т.е. калибровка. Для калибровки коэффициента передачи радиометра необходимо иметь источник (или источники) эталонного сигнала с двумя уровнями интенсивности (для линейной характеристики передачи по мощности). На время регистрации эталонных калибровочных сигналов измерение исследуемого сигнала прерывается; таким образом, уменьшается время его накопления и соответственно уменьшается итоговая чувствительность (при фиксированном суммарном времени измерения). Уровни калибровочных сигналов выбираются близкими к уровню измеряемого сигнала. Кроме того, в этих условиях для минимизации ошибки измерения суммарное время, затрачиваемое на калибровку, должно быть приблизительно равно времени накопления измеряемого сигнала. Для получения высокой точности измерений необходимы и большие времена накопления сигналов. И для того чтобы исключить влияние дрейфа коэффициента передачи на точность измерений калибровка должна производиться тоже достаточно часто. В этом случае оптимальным решением является включение калибровки в каждый цикл модуляции. Современная цифровая обработка позволяет производить регистрацию и усреднение измеряемого сигнала и калибровочных сигналов в каждой фазе модуляции-калибровки отдельно. Затем после достаточно длительного усреднения в течение многих циклов пересчитывать выходные уровни сигналов в антенные температуры.
Известны схемы, совмещающие модуляцию и калибровку в одном цикле. Для этого к входу приемника последовательно подключаются антенна, источник калибровочного сигнала низкого уровня (холодный), источник калибровочного сигнала высокого уровня (горячий). Для реализации этого принципа, как правило, используют два различных источника шума и несколько переключателей.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому устройству является взятая за прототип система внутренней калибровки, описанная в The Ground-Based Scanning Radiometer: A Powerful Tool for Study of the Arctic Atmosphere / Domenico Cimini, Ed R. Westwater, Albin J. Gasiewski, Marian Klein, Vladimir Ye. Leuski, and Sally G. Dowlatshahi // IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING, VOL. 45, NO. 9, SEPTEMBER 2007, P. 2759. Данная система состоит из встроенных в измерительную схему радиометра аттенюатора (холодной нагрузки), p-i-n диода (горячей нагрузки) и переключателя для смены входных нагрузок (горячей, холодной и сигнала от объекта измерения).
Недостатками устройства-прототипа являются, во-первых, использование разных устройств в качестве холодной и горячей нагрузок и ключа для их смены, что увеличивает потери времени и, соответственно, ухудшает точность измерений, во-вторых, отсутствие возможности управлять временами и уровнями сигнала калибровки, что также снижает точность измерения.
Задачей, на которую направлено изобретение, является создание устройства, позволяющего производить калибровку микроволновых радиометров с легко перестраиваемыми во время самого измерения параметрами временной последовательности и уровней сигнала калибровки и таким образом минимизировать погрешность калибровки, существенно повышая точность измерений.
Технический эффект достигается тем, что устройство для калибровки микроволнового радиометра встроено в измерительную схему радиометра и совмещает модуляцию и калибровку в одном цикле.
Новым является то, что предлагаемое устройство включает в себя помещенный в термостатированный корпус электрически управляемый модулятор-калибратор, встраиваемый в волноводный тракт микроволнового радиометра между антенной системой и приемником, дополненный системой управления временной последовательностью калибровки и эффективными температурами калибровочных нагрузок, представляющей собой перестраиваемый стабилизированный источник питания, управляемый с персонального компьютера, и регулирующим процесс термостатирования корпуса модулятора-калибратора модулем управления, контролируемым программно с помощью персонального компьютера.
Полезная модель поясняется Фиг. 1, на которой иллюстрируется встраивание устройства для калибровки в схему осуществления радиометрических измерений: 1 - модулятор-калибратор, 2 - волноводный тракт радиометра, 3 - персональный компьютер, 4 - перестраиваемый стабилизированный источник питания, 5 - модуль управления.
Предлагаемое устройство состоит из термостатированного электрически управляемого модулятора-калибратора 1, встраиваемого в волноводный тракт 2 микроволнового радиометра между антенной системой и приемником, дополненного системой управления временной последовательностью калибровки и эффективными температурами калибровочных нагрузок, представляющей собой перестраиваемый стабилизированный источник питания 4, управляемый с персонального компьютера 3, а также размещенным после аналого-цифрового преобразователя в радиометре и регулирующим процесс термостатирования корпуса модулятора-калибратора цифровым модулем управления 5, контролируемым программно с помощью персонального компьютера 3.
Основным элементом системы калибровки и сбора данных является помещенный в термостатированный корпус с датчиком температуры и нагревателем модулятор-калибратор 1, включенный в волноводный тракт 2 между антенной радиометра и приемником.
0
0
0
Электрически управляемый модулятор-калибратор 1 представляет собой волноводную вставку длиной 10 мм, которая содержит монолитно-интегральную схему (МИС), смонтированную в Е-плоскости волновода. МИС, которая вмонтирована в отрезок волноводно-щелевой линии, состоит из ряда параллельных цепочек, последовательно соединенных GaAs-диодов с барьером Шоттки. Использование распределенной цепочки диодов в МИС приводит уменьшению добротности волноводно-щелевой линии и улучшает согласование. Внешнее управление током МИС от перестраиваемого стабилизированного источника питания 4 приводит к контролируемому изменению коэффициента передачи модулятора-калибратора 1 и получению высокостабильных калибровочных значений эффективной температуры в интервале от ≈0,6 Т до (2÷3)Т, где Т - физическая температура диодов. Прямые потери в модуляторе-калибраторе 1 составляют 0,5-0,7 дБ.
Для осуществления быстрой периодической калибровки радиометра модулятор-калибратор 1 последовательно переключается между тремя состояниями. При нулевом управляющем токе модулятор-калибратор 1 открыт, и сигнал от антенны поступает на вход приемника. При подаче тока смещения антенный вход запирается, а на вход приемника поступает калибровочный сигнал, излучаемый самим калибратором-модулятором 1. При низком значении управляющего тока (около 2 мА) на вход приемника поступает калибровочный сигнал с эффективной температурой ~160-180 K (так называемая холодная калибровочная нагрузка). При управляющем токе 30-50 мА антенный вход также закрыт, а эффективная температура его шума составляет около 300 К (так называемая горячая калибровочная нагрузка).
Система управления временной последовательностью калибровки и уровнями калибровочных сигналов представляет из себя связку персонального компьютера 3 и перестраиваемого стабилизированного источника питания 4. Значения управляющих токов задаются персональным компьютером 3 с помощью перестраиваемого стабилизированного источника питания 4. На персональном компьютере 3 программно реализован алгоритм, задающий оптимальные исходя из критерия минимизации погрешности калибровки и максимизации времени измерения полезного сигнала объекта времена калибровки и эффективные температуры калибровочных сигналов. Система путем минимизации погрешности калибровки, выражаемой соотношением (1), автоматически рассчитывает и подает на модулятор-калибратор 1 токи, определяющие эффективные температуры калибровочных сигналов (холодной и горячей калибровочных нагрузок), а также соотношение времен, в течение которых на модулятор-калибратор 1 подаются токи, соответствующие этим калибровочным сигналам. Это позволяет получить наименьшую погрешность измерений, связанную с калибровкой, и повысить точность измерений.
s
1
2
1
2
а
Здесь T - шумовая температура измерительной системы, Δν - ширина спектрального канала АЦП, t - общее время измерения, τ, τ - времена калибровки по холодной и горячей калибровочным нагрузкам соответственно, T, Т - эффективные температуры калибровочных нагрузок, Т - яркостная температура излучения объекта.
Выходные сигналы приемника радиометра оцифровываются с помощью аналого-цифрового преобразователя и усредняются в модуле управления 5 по каждой фазе модуляции-калибровки отдельно. После чего усредненные значения эффективных температур калибровочных нагрузок и яркостной температуры излучения объекта передаются в персональный компьютер 3, где происходит их статистическая обработка за нужный интервал времени.
С целью поддержания постоянных значений эффективных температур калибровочных сигналов корпус модулятора-калибратора 1 термостатирован с точностью 0,2 К. Для этого на корпусе установлены датчик температуры и нагреватель. Задание величины температуры корпуса модулятора-калибратора 1 и управление процессом термостатирования осуществляется программно с помощью персонального компьютера 3 через модуль управления 5.
Описанная система калибровки реализована для микроволновых радиометров и спектрорадиометров, работающих в диапазонах длин волн от 8 мм до 2 мм.
Таким образом, предлагаемое устройство для калибровки дает возможность повысить точность производимых радиометром измерений, во-первых, за счет использования модулятора-калибратора, который, в отличие от прототипа, объединяет в себе холодную и горячую калибровочные нагрузки и функцию ключа и управляется электрически, следовательно, позволяет сэкономить время на переключение входа радиометра между нагрузками и использовать освободившееся время непосредственно на измерения, что повышает точность измерений, во-вторых, за счет использования системы управления временной последовательностью калибровки и эффективными температурами калибровочных нагрузок, которая автоматически рассчитывает и устанавливает времена измерения сигнала от измеряемого объекта и калибровочных нагрузок исходя из критерия наилучшей точности измерений (минимизации погрешности калибровки и максимизации времени измерения сигнала от объекта) и, в третьих, за счет использования блока управления, который стабилизирует температуру модулятора-калибратора, и, следовательно минимизирует изменения значений эффективных температур калибровочных нагрузок, что также минимизирует погрешность калибровки и повышает точность измерений.