БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ НУЛЕВОЙ РАДИОМЕТР
FAST ZERO RADIOMETER

Изобретение относится к области радиотеплолокации и может использоваться для измерения мощности шумовых сигналов быстропротекающих процессов, например, в космических системах дистанционного зондирования при движении спутника, сканирующего поверхность Земли и Мирового океана с целью построения глобальных радиотепловых карт и получения данных для прогноза климата, определения степени антропогенного воздействия на окружающую среду, а также в других областях, где требуется построение радиотепловых портретов быстроменяющихся сцен.
Известен нулевой радиометр [Филатов А.В., Бордонский Г.С. // Нулевой радиометр. А.с. СССР N 1704107, G01R 29/08, G01S 13/95], структурная схема которого изображена на фиг. 1, содержащий последовательно соединенные антенну 1, направленный ответвитель 2, высокочастотный амплитудный модулятор 3, радиометрический приемник 9, низкочастотный усилитель 10, фильтр высокой частоты 11, синхронный фильтр 12, компаратор 13 (нуль-орган), блок управления 14, на четвертом выходе которого формируется цифровой код измеряемого сигнала антенны, поступающий на шину 15. Автоматический ввод опорного сигнала генератора шума 5 в направленный ответвитель 2 осуществляется через аттенюатор 6 по управляющему сигналу с первого выхода блока управления 14, по которому источник постоянного тока 4 включается и вырабатывает ток, питающий генератор шума. Шумовой сигнал, вырабатываемый генератором 5, является первым опорным сигналом. Второй опорный шумовой сигнал вырабатывается согласованной нагрузкой 7, находящейся при температуре термостатированной платы 8. Для повышения стабильности работы радиометра на этой же плате установлены модулятор 3, направленный ответвитель 2, аттенюатор 6, генератор шума 5, управляемый источник тока 4.
В радиометре опорный сигнал генератора шума подвергается широтно-импульсной модуляции, а сигнал антенны и согласованной нагрузки - амплитудно-импульсной модуляции.
Особенностью работы данного радиометра является то, что обработка огибающей промодулированных антенного и опорных сигналов на выходе приемника (по низкой частоте) включает операцию исключения постоянной составляющей фильтром высокой частоты 11, что не требует применения синхронного детектирования. После исключения постоянной составляющей происходит анализ полярности напряжения на входе компаратора в промежуток времени, когда к входу приемника подключена согласованная нагрузка. Так как в низкочастотной части радиометра нет преобразований формы сигналов с целью выделения информативных уровней напряжения, то и погрешности, связанные с этими преобразованиями, отсутствуют. В радиометре выполняется принцип нулевых измерений, и в результате радиометр становится нечувствительным к изменениям коэффициента передачи измерительного тракта.
Описанный радиометр, выбранный в качестве аналога, является однопри-емниковым и поэтому его чувствительность и быстродействие хуже, чем у двухприемниковых схем.
Известен двухканальный нулевой радиометр [Патент РФ №2393502, G01R 29/26, G01S 13/95. Двухканальный нулевой радиометр / А.В. Филатов, О.А. Сербинов, А.В. Убайчин - Заявка №2008148402/09. - Приоритет от 08.12.2008. - БИ №18, 2010], в состав которого входят (фиг. 2) антенна 1, входной блок, два идентичных измерительных канальных приемника, узел обработки сигналов. Входной блок включает установленные на термостатированной плате 19 высокочастотный модулятор 3, первый 17 и второй 22 генераторы шума, управляемый аттенюатор 20, первый 2 и второй 21 направленные ответвители, первый 18 и второй 23 источники тока, согласованную нагрузку 4. Каждый измерительный канал состоит из радиометрических приемников 5 и 10, предварительных низкочастотных усилителей 6 и 11, синхронных фильтров 7 и 12, низкочастотных усилителей 8 и 13, фильтров высокой частоты 9 и 14. В состав узла обработки входят низкочастотный модулятор 15, компаратор 16, блок управления 24, интегратор динамического типа 25, с выхода которого сигнал поступает на выходную шину 26.
Первый 17 и второй 22 генераторы шума выполнены с использованием полупроводниковых лавинно-пролетных диодов, через активную зону которых протекают токи, вырабатываемые соответствующими первым 18 и вторым 23 источниками тока. Изменением токов происходит настройка выходной шумовой мощности генераторов и, следовательно, опорных сигналов.
А
сн
АИМ
ШИМ
гш1
Во входном блоке радиометра происходит модуляция сигналов. Амплитудной импульсной модуляции подвергаются сигналы антенны Т и согласованной нагрузки Т. Модуляция происходит в высокочастотном модуляторе 3 по симметричному закону и включает два равных полупериода с длительностью t. Входной сигнал антенны поступает на первый вход модулятора 3 через направленный ответвитель 2, в котором к сигналу антенны добавляется сигнал первого генератора шума 17, предварительно модулированного по широтно-импульсному закону дискретным изменением коэффициента поглощения аттенюатора 20 по управляющему сигналу t, поступающему с пятого выхода блока управления. Два уровня α и α+Δα ослабления сигнала генератора шума T аттенюатором настраиваются в ходе калибровки. Первый уровень ослабления сигнала генератора шума α определяет верхнюю границу диапазона измерения, второй - α+Δα - размах диапазона.
ШИМ
Нулевой баланс для каждого измерительного канала регулируется соответствующим изменением длительности широтно-импульсного сигнала t, и считается установленным, если в полупериод амплитудно-импульсной модуляции с подключенной согласованной нагрузкой к входу приемника, выходное напряжение канала равно нулю, и этот случай фиксируется компаратором 16, работающим в режиме нуль-органа. Для этого выходы измерительных приемников попеременно, с частотой амплитудно-импульсной модуляции, через низкочастотный модулятор 15 с конфигурацией 2×1 поступают на вход компаратора.
ШИМ
А
ШИМ
При работе радиометра и установленном в каждом приемном канале нулевом балансе между длительностью t и сигналом антенны Т имеет место линейная зависимость и через эту длительность косвенно определяется сигнал антенны. На длительность широтно-импульсного сигнала t не влияют изменения коэффициента передачи измерительного тракта и собственные шумы приемника. Устранение влияния этих двух основных дестабилизирующих факторов указывает на то, что радиометр работает по принципу нулевых измерений.
гш2
оп1
оп2
доп
В радиометре реализована возможность его настройки на произвольный диапазон измерений. Для этого в радиометр введены дополнительные второй генератор шума 22, вырабатывающий сигнал T, и направленный ответвитель 21, а также реализовано дискретное (двухуровневое) изменение поглощения сигнала первого генератора шума 17. Изменением сигналов T и T (см. фиг. 2) можно регулировать верхнюю границу диапазона измерения, изменением сигнала Т - нижнюю границу, т.е. произвольно задавать диапазон измерений.
Управление работой радиометра осуществляет блок управления 24, который вырабатывает необходимые управляющие сигналы для амплитудно-импульсной и широтно-импульсной модуляций. Анализируя выходной сигнал компаратора блок управления изменяет соответственно широтный сигнал для поддержания измерительных трактов в состоянии нулевого баланса. С выхода блока управления цифровой код поступает на динамический интегратор 25, в котором происходит накопление цифровых кодов измеряемого сигнала антенны за определенный интервал времени и их усреднение.
1/2
В радиометре флуктуационная чувствительность превышает чувствительность одного приемного канала в 2 - раз.
Рассмотренный радиометр, выбранный в качестве прототипа, имеет ограничения по быстродействию измерений. В нем быстродействие можно увеличить только пропорциональным увеличением частоты амплитудно-импульсной модуляции. Но это можно осуществить в небольших пределах, максимально в 1,5 - раза. Это связано с тем, что при большом увеличении частоты модуляции нарушается работоспособность следящей цепи поддержания нулевого баланса. Чтобы этого не произошло, необходимо уменьшить в блоке управления разрядность цифрового кода длительности широтно-импульсного сигнала, но это приведет к уменьшению разрешающей способности измерений.
Предлагаемым изобретением решается задача повышения быстродействия радиометра без снижения его флуктуационной чувствительности и расширение динамического диапазона измерения сигнала антенны.
Для достижения этого технического результата в радиометр, содержащий антенну, первую согласованную нагрузку, последовательно соединенные первые источник тока и генератор шума, первый направленный ответвитель, выход которого подключен к первому входу первого высокочастотного модулятора, первый выход которого соединен с последовательно соединенными первыми радиометрическим приемником, предварительным низкочастотным усилителем, синхронным фильтром, низкочастотным усилителем, фильтром высоких частот, а второй выход подключен к последовательно соединенным вторым радиометрическому приемнику, предварительному низкочастотному усилителю, синхронному фильтру, низкочастотному усилителю, фильтру высоких частот, выходы первого и второго фильтров высоких частот соответственно соединены с первым и вторым входами первого низкочастотного модулятора, выход которого подключен к первому входу первого компаратора, второй вход которого соединен с общей шиной радиометра, причем первые согласованная нагрузка, направленный ответвитель, высокочастотный модулятор, 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 делитель мощности пополам, первый и второй высокочастотные ключи, вторые направленный ответвитель, согласованная нагрузка, генератор шума, источник тока, высокочастотный модулятор, первый выход которого соединен с последовательно соединенными третьими радиометрическим приемником, предварительным низкочастотным усилителем, синхронным фильтром, низкочастотным усилителем, фильтром высоких частот, а второй выход подключен к последовательно соединенным четвертым радиометрическому приемнику, предварительному низкочастотному усилителю, синхронному фильтру, низкочастотному усилителю, фильтру высоких частот, выходы третьего и четвертого фильтров высоких частот соответственно соединены с первым и вторым входами второго низкочастотного модулятора, выход второго подключен к первому входу второго компаратора, второй вход которого соединен с общей шиной радиометра, к входу делителя мощности пополам подключена антенна, а его первый и второй выходы соединены с первыми входами первого и второго направленных ответвителей, второй вход второго направленного ответвителя соединен с последовательно соединенными вторыми источником тока, генератором шума и высокочастотным ключом, а его выход соединен с первым входом второго высокочастотного модулятора, на второй вход которого подключена вторая согласованная нагрузка, выходы первого и второго компараторов соответственно соединены с первым и вторым входами микроконтроллера, первый выход которого подключен к объединенным вместе управляющим входам первых и вторых высокочастотных и низкочастотных модуляторов, второй выход соединен с объединенными вместе управляющими входами первого и второго высокочастотных ключей, третий и четвертый выходы соответственно соединены с объединенными вместе управляющими входами первого, третьего и второго, четвертого синхронных фильтров, а пятый выход микроконтроллера является выходной шиной радиометра, первая согласованная нагрузка соединена со вторым входом первого высокочастотного модулятора и первый высокочастотный ключ входом подключен к выходу первого генератора шума, а выходом соединен со вторым входом первого направленного ответвителя.
На фиг. 1 представлена структурная схема радиометра - аналога.
На фиг. 2 представлена структурная схема двухканального нулевого радиометра - прототипа.
На фиг. 3 приведена структурная схема предлагаемого быстродействующего нулевого радиометра.
На фиг. 4 показаны временные диаграммы, поясняющие принцип работы быстродействующего нулевого радиометра.
АИМ
ШИМ
n
4
В состав радиометра входят (фиг. 3) антенна 1, установленный на термостатированной плате 19 входной блок, четыре измерительных канала, микроконтроллер 40. Входной блок включает делитель мощности пополам 21, первый и второй направленные ответвители 2 и 22, первый и второй высокочастотные модуляторы 3 и 23, первую и вторую согласованные нагрузки 4 и 24, первый и второй высокочастотные ключи 20 и 37, первый и второй генераторы шума 17 и 38, первый и второй источники тока 18 и 39. Каждый из четырех измерительных каналов состоит из радиометрических приемников 5, 10, 25, 30, предварительных низкочастотных усилителей 6, 11, 26, 31, синхронных фильтров 7, 12, 27, 32, низкочастотных усилителей 8, 13, 28, 33, фильтров высокой частоты 9, 14, 29, 34. Выходные сигналы фильтров для первого и второго измерительного канала поступают на первый низкочастотный модулятор 15, для других двух каналов - на второй низкочастотный модулятор 35. С выходов модуляторов сигналы сравниваются в компараторах 16 и 36 с нулевым потенциалом. Микроконтроллер 40 управляет работой радиометра. Для этого он вырабатывает сигнал длительностью t со скважностью 2 для управления амплитудно-импульсной модуляцией. Анализирует выходные сигналы компараторов и вырабатывает широтный сигнал длительностью t для управления широтно-импульсной модуляцией во входном блоке. Управляет синхронными фильтрами в измерительных каналах. Выполняет функцию динамического интегратора цифрового типа. Для этого в цифровом виде накапливает сигнал (выполняет операцию сложения кодов) и в конце одного интервала измерения производит операцию усреднения с получением одного результата. Количество накопленных кодов должно быть равно 2, где n - целое число. Тогда усреднение будет заключаться в правом сдвиге суммы на n разрядов. Например, для 16-ти накопленных кодов (2) операция усреднения будет заключаться в сдвиге полученной суммы вправо на 4 разряда с получением результирующего усредненного цифрового кода сигнала. С выхода 5 микроконтроллера сигнал антенны в цифровом виде поступает на выходную шину 41.
А
сн1
сн2
АИМ
гш1
гш2
ШИМ
Принцип работы радиометра заключается в следующем. Во входном блоке радиометра выполняются импульсные модуляции сигналов. Поделенный на два в делителе мощности 21 сигнал антенны Т и сигналы Т и Т согласованных нагрузок 4 и 24 подвергаются в высокочастотных модуляторах 3 и 23 амплитудно-импульсной модуляции по управляющему сигналу длительностью t. В высокочастотных ключах 20 и 37 выполняется широтно-импульсная модуляция сигналов T и T генераторов шума 17 и 38 по сигналу длительностью t. Сигналы согласованных нагрузок и генераторов шума в радиометре являются опорными, от которых зависит передаточная характеристика радиометра. Данные сигналы настраиваются в ходе операции калибровки (описана ниже).
На фиг. 4 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип работы радиометра. В первый полупериод амплитудно-импульсной модуляции на вход первого радиометрического приемника поступает сигнал антенны, уменьшенный в делителе в два раза, а на вход второго приемника поступает сигнал согласованной нагрузки. В другой полупериод амплитудно-импульсной модуляции сигналы меняются местами. К сигналу антенны добавляется через направленный ответвитель сигнал генератора шума на время действия управляющего сигнала широтно-импульсной модуляцией. Аналогичные операции имеют место и для других двух измерительных каналов.
Состояние нулевого баланса для каждого приемного канала устанавливается изменением длительности широтного сигнала, которое осуществляется микроконтроллером после анализа им сигнала компаратора. Так как в фильтре высоких частот исключается постоянная составляющая, на его выходе изменение длительности приводит к сдвигу периодической последовательности сигналов относительно нулевой оси времени вверх (при уменьшении длительности) или вниз (при увеличении длительности). В результате синхронной работы обоих низкочастотных модуляторов на входы компараторов поочередно проходят только сигналы согласованных нагрузок. Состояние нулевого баланса фиксирует компаратор - при подключенной на вход приемника согласованной нагрузки напряжение на входе компаратора должно быть равно нулю. Если напряжение больше нуля, микроконтроллер уменьшает длительность широтно-импульсного сигнала, что приводит к сдвигу сигналов на выходе фильтра высоких частот вниз относительно нулевой оси времени, если напряжение меньше нуля - длительность увеличивается микроконтроллером.
Из состояния нулевого баланса следует равенство вольт-секундных площадей положительного и отрицательного импульсов на выходах фильтров высоких частот (см. фиг. 4) всех четырех приемных каналов. Для одного канала балансное соотношение имеет вид:
А
но
но
гш
гш
гш1
гш2
сн
сн
сн1
сн2
ш
где G - коэффициент передачи приемного канала радиометра, включающий усиление по высокой и низкой частотам, коэффициент передачи квадратичного детектора, k - постоянная Больцмана, Δƒ - полоса принимаемых радиометром частот, Т/2 - шумовая эффективная температура поделенного пополам в делителе сигнала антенны, Т - шумовая температура генератора шума, поступающая в тракт прохождения сигнала антенны через направленный ответвитель, равная Т = βT, Р - коэффициент передачи связанных линий в направленном ответвителе, T = T = T, Т - шумовая температура согласованной нагрузки Т = Т = Т, Т - собственная шумовая температура приемного канала.
После сокращений и преобразований в (1) получим:
Решая (2) относительно длительности широтно-импульсного сигнала, окончательно получим:
ШИМ
А
ш
сн
но
Таким образом, при установленном нулевом балансе в измерительном канале радиометра длительность t сигнала управления широтно-импульсной модуляцией связана с сигналом антенны Т линейным соотношением. В формулу (3) не входят параметры измерительного тракта (коэффициент G) и собственные шумы с эффективной температурой Т. Следовательно, эти величины не влияют на точность измерений. В формуле (3) сигналы Т и Т являются опорными и настраиваются в ходе калибровки (описана ниже).
Для других трех измерительных каналов после аналогичных вычислений получим аналогичную формулу (3).
Из (3) выразим сигнал антенны:
ШИМ
АИМ
Подстановкой в (4) двух крайних значений длительностей t, равных нулю и длительности t, получим минимальную и максимальную границы диапазона измерений:
С учетом (5) размах диапазона измерений равен:
сн
но
А,мин
В случае, если настроить опорные сигналы так, что Т = Т, тогда нижняя граница диапазона будет начинаться от нуля градусов Кельвина, Т=0.
но
Таким образом, как следует из (6) размах диапазона измерений будет определяться удвоенным значением сигнала генератора шума (сигнала подшумливания), добавляемого к сигналу антенны через направленный ответвитель. По сравнению с прототипом диапазон измерений для предлагаемой структуры радиометра расширяется в два раза. В прототипе значение размаха диапазона равно величине сигнала Т.
Флуктуационная чувствительность одного приемного канала оценивается по формуле (обобщенная формула для нулевых радиометров с импульсным подшумливанием получена в [Филатов А.В. Нулевой метод в радиометрических измерениях. Изд-во: Томский гос. ун-т сист. упр. и радиоэлектроники, 2010. - 206 с.]):
A
изм
АИМ
изм
где dT - диапазон измеряемых сигналов антенны, определяемый из формулы (6), R - количество накопленных в динамическом интеграторе микроконтроллера цифровых кодов длительности широтно-импульсного сигнала за одно измерение, равное R = t/2t, t - временной интервал одного измерения, , Δƒ - полоса частот принимаемых сигналов радиометром, τ - постоянная времени синхронного фильтра.
После подстановки в (7) формулы (6) получим:
Значение чувствительности одного приемного канала, полученное из (8), хуже чувствительности такого же приемного канала прототипа в 2 раза. Это связано с тем, что сигнал антенны уменьшается в два раза в делителе мощности перед поступлением на измерительный канал.
В рассматриваемом радиометре при одновременной работе четырех каналов, за один период амплитудно-импульсной модуляции происходит накопление сразу четырех кодов длительности широтно-импульсного сигнала, через которую определяется сигнал антенны. Следовательно, быстродействие радиометра по отработке быстроменяющихся сигналов антенны возрастает в четыре раза. Если в формулу (8) для вычисления чувствительности вместо числа накоплений R кодов сигнала в динамическом интеграторе подставить 4R, получим, что чувствительность быстродействующего радиометра будет равна чувствительности прототипа.
ШИМ
эт,макс
сн
Калибровка радиометра включает два этапа и производиться по двухточечному методу. На первом этапе длительность широтного импульса устанавливается равной нулю (t = 0) и на время этого этапа высокочастотные ключи во входном блоке радиометра разомкнуты. На вход подключается первый эталонный источник шума со значением шумовой мощности, определяющей верхнюю границу диапазона измерений, то есть равной Т = 2Т. Регулировкой температуры термостатированной платы и, следовательно, изменением шумовых сигналов согласованных нагрузок, на входе компараторов в оба полупериода амплитудно-импульсной модуляции устанавливаются нулевые напряжения. При подключении к выходу компаратора логического тестера, последний будет фиксировать случайные переходы между состояниями логического нуля и единицы.
ШИМ
АИМ
На втором этапе к входу радиометра подключается эталон с шумовой температурой, определяющей нижнюю границу шкалы измерений. В радиометре длительность широтно-импульсного сигнала устанавливается равной длительности полупериода амплитудно-импульсной модуляции, t = t, что приводит к постоянно замкнутому состоянию высокочастотных ключей на протяжении этого этапа калибровки. Выполняется регулировка выходной мощности генераторов шума путем изменения токов, питающих генераторы источников тока. Момент окончания регулировки фиксируется аналогичным образом, как и в первом этапе калибровки.
Микроконтроллер в реальном масштабе времени, отслеживая сигналы компараторов, по выше описанным алгоритмам регулирует длительность широтно-импульсного сигнала с целью поддержания измерительных каналов в состоянии нулевого баланса. Также в микроконтроллере выполняются функции динамического интегратора цифрового типа по накоплению кодов длительности широтно-импульсного сигнала за заданный интервал одного измерения и их последующее усреднение с получением одного результата. Микроконтроллер выполнен на распространенной микросхеме STM8L001 с низким энергопотреблением.
В литературе достаточно полно описаны конструкции высокочастотных узлов на микрополосковых волноведущих структурах: модуляторов, направленных ответвителей, ключевых элементов [Богданов A.M., Давидович М.В., Кац Б.М. и др. Под ред. А.П. Креницкого и В.П. Мещанова. Сверхширокополосные микроволновые устройства. М.: Радио и связь, 2001.]. Прецизионные регулируемые источники тока выполнены по распространенным схемам с применением интегральной аналоговой схемотехники. В приемниках измерительных каналов применены транзисторные усилители. Синхронные фильтры описаны в [Фрейтер. Синхронный интегратор и демодулятор // Приборы для научных исследований. 1965. Т. 36, №5. С. 53]. Низкочастотные модуляторы и аналоговые компараторы применены в интегральном исполнении.
1/2
Таким образом, в радиометре при одновременной работе четырех каналов происходит в четыре раза быстрее накопление цифровых кодов длительности широтно-импульсного сигнала, по которому косвенно определяется сигнал антенны. Соответственно увеличивается в такое же количество раз быстродействие по отработке быстрых изменений сигнала антенны. При этом чувствительность растет пропорционально корню квадратному из числа накоплений. То есть, для четырех приемных каналов быстродействие увеличится в 4 раза, а чувствительность вырастет в 4 - раз (то есть, в два раза). Использование в радиометре на входе делителя мощности пополам позволяет расширить диапазон измерений в два раза.