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 [Hardy W.N., Gray K.W., Love A.W. An S-band Radiometer Design with High Absolute Precision // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 1974. - MTT-22, №4. - P. 382-391], выбранный в качестве аналога и 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 высокочастотный ключ 5, управляемый формирователем импульсов 12, поступает сигнал генератора шума 6. В низкочастотной части радиометр содержит последовательно соединенные синхронный детектор 8, интегратор 9, преобразователь "напряжение - частота" 11. Входное устройство радиометра (модулятор 3, направленный ответвитель 2, аттенюатор 4, управляемый высокочастотный ключ 5, генератор шума 6, согласованная нагрузка 14) установлено на термостатированной плате 15. 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 суммы сигналов антенны и генератора шума. При работе данного радиометра выполняется условие нулевого приема - выходной сигнал инвариантен к изменениям коэффициента усиления приемника и, следовательно, его дрейф и медленные флуктуации, основная частота которых меньше частоты модуляции в радиометре, не влияют на точность измерений.
Так как в радиометре выполняются два вида импульсной модуляции (амплитудная и частотная), поэтому модулированная последовательность сигналов представляет собой сложную по форме и изменяемую во времени импульсную последовательность (на сигнал антенны накладываются короткие импульсы сигнала генератора шума). Применение в радиометре для преобразования данной формы модулированных сигналов в выходной сигнал таких классических операций, как синхронное детектирование и интегрирование, приводит к погрешностям. Это относится к недостатку описанного радиометра - аналога.
3
Известен микроволновый нулевой радиометр [А.с. №1704107 СССР. МКИ G01R 29/08. Нулевой радиометр / А.В. Филатов, Г.С. Бордонский (СССР) - 4708980/09; заявл. 22.06.1989; опубл. 07.01.1992. - Бюл. №1. - С. 182], который выбран в качестве прототипа. Его структурная схема изображена на фиг. 2 и содержит последовательно соединенные антенну 1, направленный ответвитель 2, модулятор 3, приемник 7, импульсный усилитель 16, фильтр высоких частот 17, синхронный фильтр низких частот 18, компаратор 19, работающий в режиме нуль-органа, блок управления 20, на выходе которого формируется цифровой код измеряемого сигнала антенны, поступающий на шину 13. В радиометре обеспечивается автоматический ввод опорного сигнала генератора шума 6 в направленный ответвитель 2 через аттенюатор 4, настройка которого на соответствующий коэффициент ослабления сигнала генератора шума происходит в процессе калибровки. Импульсный сигнал с выхода 4 блока управления 20 включает источник постоянного тока 21. Управляемый источник 21 питает генератор шума 6. Шумовой сигнал, вырабатываемый генератором, является первым опорным сигналом. Второй опорный шумовой сигнал вырабатывается согласованной нагрузкой 14, находящейся при температуре термостатированной платы 15. Для повышения стабильности работы радиометра на этой же плате установлены модулятор 3, направленный ответвитель 2, аттенюатор 4, генератор шума 6, управляемый источник постоянного тока 21.
Принцип работы данного радиометра заключается в следующем. В радиометре осуществляются два вида модуляции: амплитудно-импульсная сигналов антенны и согласованной нагрузки и широтно-импульсная сигнала генератора шума. Обработка огибающей промодулированных на входе шумовых сигналов (антенны и двух опорных) в низкочастотной части измерительного тракта включает такие две операции, как исключение постоянной составляющей в результате передачи сигналов через фильтр высоких частот и анализ полярности напряжения на входе компаратора на промежутке времени, когда к входу приемника подключена согласованная нагрузка. По результату анализа выдается управляющее воздействие на источник тока. Если полярность положительная, то длительность широтно-импульсного сигнала уменьшается, если отрицательная - увеличивается. Увеличение или уменьшение длительности выполняется блоком управления в каждом периоде амплитудно-импульсной модуляции на величину, соответствующую минимальному дискрету и пропорциональную младшему разряду выходного цифрового кода радиометра. Так осуществляется следящий режим работы радиометра. Изменением длительности широтно-импульсного сигнала радиометр поддерживается в состоянии нулевого баланса и по этой длительности косвенно определяется сигнал антенны. Так как в низкочастотной части радиометра нет преобразований модулированных сигналов (преобразований формы сигналов) с целью выделения информативных уровней напряжения для регулирования нулевого баланса, то и погрешности, связанные с этими преобразованиями, отсутствуют. Индикатором нулевого баланса в данном радиометре является равное нулю напряжение при подключении на вход приемника согласованной нагрузки, что фиксирует компаратор. В этом радиометре, как и в радиометре-аналоге, выполняется принцип нулевых измерений, в результате применения которого радиометр становится нечувствительным к изменениям коэффициента передачи измерительного тракта.
Рассмотренный радиометр, выбранный в качестве прототипа, имеет установленные на входе два опорных шумовых источника: согласованную нагрузку и генератор шума. Для питания генератор шума используется источник тока, а для ввода данного сигнала в тракт антенны установлены аттенюатор и направленный ответвитель. Чтобы сигнал антенны с минимальными потерями поступал на вход модулятора, для уменьшения его ответвления в тракт прохождения сигнала генератора шума направленный ответвитель выбирается с низким коэффициентом связи. Следовательно, генератор шума должен обладать достаточно высокой избыточной мощностью. Для этого в прототипе в качестве генератора шума используются полупроводниковые лавинно-пролетные диоды, обладающие рядом преимуществ, к которым в первую очередь относятся малые габариты, низкие значения тока питания диода. К недостатку можно отнести невысокую стабильность генерации шумового сигнала, что, впрочем, имеет место для всех полупроводниковых структур. Это приводит к необходимости тщательного термостатирования активной зоны диода и высокой стабильности работы питающего его источника тока.
Предлагаемым изобретением решается задача упрощения схемы радиометра и повышение точности измерений, когда во входном узле радиометра используется только один опорный шумовой генератор - согласованная нагрузка, стабильность которой намного больше стабильности работы полупроводниковых структур. Отсутствие полупроводникового генератора шума значительно упрощает входную высокочастотную часть радиометра. Она становится такой же, как и у модуляционных радиометров, которые чаще других применяются на практике вследствие своей простоты. Но в предлагаемом радиометре в отличие от модуляционного осуществляется режим нулевых измерений, основным достоинством которого является отсутствие влияния на точность измерений изменений коэффициента передачи всего измерительного тракта. Это позволяет минимизировать погрешность измерений.
Для достижения этого технического результата в нулевой радиометр, содержащий антенну, согласованную нагрузку, подключенную к первому входу модулятора, радиометрический приемник, последовательно соединенные импульсный усилитель, фильтр высоких частот, синхронный фильтр низких частот, компаратор, блок управления, первый и второй выходы которого соединены соответственно с управляющими входами модулятора и синхронного фильтра низких частот, а третий выход является выходной шиной радиометра, общая шина которого соединена со вторым входом компаратора, причем согласованная нагрузка и модулятор установлены на термостатированной плате и находятся с ней в тепловом контакте, введены высокочастотный ключ, первый переключатель, входом соединенный с выходом радиометрического приемника, а первый и второй его выходы соединены соответственно с одноименными входами второго переключателя, причем первый выход непосредственно, а второй - через делитель напряжения, выход второго переключателя подключен к входу импульсного усилителя, а 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.
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 предлагаемого нулевого радиометра.
В состав радиометра (фиг. 3) входит антенна 1. Входной блок включает установленные на термостатированной плате 15 модулятор 3 и согласованную нагрузку 14. Сигнал с выхода модулятора через высокочастотный ключ 5 поступает на радиометрический приемник 7, на выходе которого выделяется огибающая сигналов модуляции. Измерительный низкочастотный канал состоит из импульсного усилителя 16, фильтра высоких частот 17, синхронного фильтра низких частот 18, компаратора 19. Для осуществления в радиометре нулевого метода работы, между выходом приемника и входом импульсного усилителя установлены переключатели 22, 23 и делитель напряжения 24. Радиометр функционирует под управлением блока 20, с третьего выхода которого сигнал поступает на выходную шину 13.
А
CH
Во входном блоке радиометра происходит амплитудно-импульсная модуляция сигналов антенны и согласованной нагрузки с эффективными шумовыми температурами Т и T соответственно. Согласованная нагрузка установлена на термостатированной плате и выполняет в радиометре роль опорного шумового генератора.
ш
Измерительный канал представляет собой радиометрический приемник 7 с линейной передаточной характеристикой и полосой принимаемых частот dƒ. Приемник выполнен по схеме прямого усиления и включает в себя высокочастотные усилители, полосовой фильтр, квадратичный детектор, выделяющий огибающую сигналов модуляции. Полный коэффициент передачи приемника включает усиление сигналов по высокой частоте и преобразование сигналов в квадратичном детекторе с коэффициентами G и β соответственно. Приведенная к входу приемника собственная шумовая температура равна Т. Фильтр высоких частот 17 собран по схеме однозвенного фильтра первого порядка (представляет собой разделительную CR-цепь) с граничной частотой, много меньшей частоты модуляции в радиометре, и предназначен для устранения в сигналах постоянной составляющей. В результате на выходе фильтра выделяется переменная составляющая сигналов с минимальными искажениями формы импульсов. Синхронный фильтр низких частот 18 производит предварительную фильтрацию сигналов, уменьшает флуктуационную компоненту в продетектированных сигналах и тем самым исключает перегрузку следующего за ним компаратора 19. Фильтр состоит из трех однозвенных интегрирующих RC-цепей, в которых резистор является общим для всех цепей, а постоянные составляющие сигналов накапливаются на трех конденсаторах синхронным их подключением к общей шине радиометра через электронные ключи. Ключи имеют входы управления, на которые поступают сигналы с выхода 2 блока управления по трехпроводной шине.
АИМ
А
CH
Принцип работы радиометра поясняется временными диаграммами на фиг. 4 и заключается в следующем. Импульсные сигналы для амплитудной модуляции, поступающие на управляющий вход модулятора 3 с первого выхода блока управления 20, представляют собой периодическую последовательность прямоугольных импульсов со скважностью следования, равной двум. Один период данной модуляции состоит из двух равных полупериодов с равными длительностями t (фиг. 4). В первом полупериоде, когда управляющий сигнал имеет высокий уровень (наличие импульса на выходе 1 блока управления), на вход приемника 7 поступает сигнал антенны Т. Во втором полупериоде, при низком уровне управляющего сигнала (отсутствие импульса), через модулятор на вход приемника коммутируется согласованная нагрузка с шумовой температурой T. Таким образом в радиометре осуществляется амплитудно-импульсная модуляция.
Для осуществления широтно-импульсной модуляции в радиометре установлен на входе приемника высокочастотный ключ 5, а на его выходе - два переключателя 22, 23 и делитель напряжения 24. Первый переключатель 22 работает в режиме селектора, в зависимости от сигнала на управляющем входе коммутирует входной сигнал либо на первый, либо на второй выходы. Второй переключатель 23, наоборот, работает в режиме мультиплексора. Один из его двух входов по сигналу управления подключается к выходу.
АИМ
ШИМ
_
Высокочастотный ключ по управляющему сигналу с четвертого выхода блока управления размыкается. Ключ размыкается на интервале времени второго полупериода амплитудно-импульсной модуляции, когда широтно-импульсный сигнал не действует, то есть на время tt (см. фиг. 4). Одновременно с этим выходы и входы переключателей 22 и 23 из положения 1 переходят в положение 2. Это значит, что на выделенном выше интервале времени сигнал проходит через делитель напряжения 24 с коэффициентом деления α.
ш
ш, ин
Этот сигнал состоит из суммы трех сигналов. Первый из них характеризует собственные шумы радиометрического приемника с эффективной температурой Т. Второй - этот же сигнал, но отраженный от разомкнутого ключа 5 с коэффициентом отражения по мощности R. Третий сигнал T возникает в результате интерференции собственных шумов и этих же шумов, отраженных от ключа. Таким образом, полный сигнал будет равен:
где коэффициент R для разомкнутого ключа близок к единице.
ш, ин
0
0
мин
0
Интерференционный член T возникает за счет когерентности сигналов собственных шумов на входе и этих же шумов, отраженных от высокочастотного ключа. Если расстояние s между выходом ключа и входом приемника увеличивать, эффективный интервал времени автокорреляции этих сигналов уменьшается и при выполнении условия (2s√ε/C)≥(1/dƒ), где ε - диэлектрическая проницаемость подложки, на которой размещаются высокочастотные элементы входного узла, С - скорость света в вакууме, dƒ - полоса частот принимаемых радиометром сигналов, две составляющие шумов будут некоррелированными. Отсюда, для исключения интерференционных наложений длина отрезка s должна быть не менее s=C/2√ε dƒ.
АИМ
ШИМ
Если интерференционным членом можно пренебречь при выполнении рассмотренных выше условий, тогда сигнал на интервале времени модуляции t-А будет равен .
Таким образом, на первом входе компаратора 19 в разные интервалы времени будут иметь место три уровня периодически повторяемых сигналов, равных:
u
где G - коэффициент усиления сигналов по мощности в приемнике, β - коэффициент преобразования мощности в напряжение в квадратичном детекторе приемника, K - коэффициент усиления напряжения в импульсном усилителе, dƒ - полоса принимаемых приемником частот, k - постоянная Больцмана.
ШИМ
На фиг. 4 приведены временные диаграммы для случая установленного нулевого баланса в радиометре. Нулевой баланс считается установленным, если в первый полупериод амплитудно-импульсной модуляции, когда на вход приемника поступает сигнал антенны, выходное напряжение измерительного тракта равно нулю и это равенство фиксирует компаратор 19, работающий в режиме нуль-органа. 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 19 в результате модуляции имеет периодический характер и в этих сигналах исключена постоянная составляющая фильтром высоких частот 17, тогда для одного периода выполняется равенство вольт-секундных площадей положительного и отрицательного импульсов:
+
-
где U и U - амплитуды положительного и отрицательного импульсов, равные:
Подставляя (4) и (5) в равенство (3) получим:
В процессе калибровки, которая описана ниже, регулируется коэффициент передачи α делителя напряжения 24 (фиг. 3) до выполнения равенства:
где  согласно (1) равна .
Подставляя (7) в (6) окончательно будем иметь:
Откуда, решая равенство (8) относительно времени широтно-импульсного сигнала, получим:
ШИМ
A
ш
u
Из последней формулы (9) следует линейная зависимость длительности t и входного сигнала антенны T. Следовательно, через эту длительность косвенным образом определяется сигнал антенны. Так же из формулы (9) следует, что на длительность широтно-импульсного сигнала не влияют изменения собственных шумов Т и коэффициента передачи измерительного тракта радиометра (коэффициенты G, β, K). Устранение влияния этих двух основных дестабилизирующих факторов указывает на то, что радиометр работает по принципу нулевых измерений. В формулу (9) входит только один опорный сигнал - шумовая температура согласованной нагрузки. Следовательно, удовлетворены заявляемые требования предлагаемого изобретения по использованию во входном высокочастотном блоке одного опорного шумового сигнала вместо используемых в прототипе двух.
Измеряемый сигнал антенны определяется из (9):
ШИМ
АИМ
Границы диапазона изменений находим из (10) подстановкой длительностей t, равных нулю, и длительности t. Получаем:
CH
Таким образом, размах диапазона изменений шумового сигнала антенны составляет от 0 градусов Кельвина до эффективной температуры шумов согласованной нагрузки T, равной ее термодинамической температуре.
эт,макс
А,макс
ШИМ
АИМ
CH
CH
ш
эт
макс
ш
CH
Диапазон измерений настраивается в процессе калибровки радиометра. Калибровка осуществляется в два этапа. На первом этапе к входу радиометра вместо антенны подключается эталон с шумовой температурой Т, определяющий верхнюю границу диапазона измерений T. Длительность сигнала широтно-импульсной модуляции на этом этапе устанавливается равной длительности полупериода амплитудно-импульсной модуляции, то есть t=t Изменением температуры термостатированной платы и, следовательно, согласованной нагрузки происходит настройка сигнала T до момента выполнения равенства T+T=T,+T, что также фиксирует компаратор. При выполнении равенства напряжение на входе компаратора в первом полупериоде модуляции становится равным нулю. На этом первый этап калибровки, в результате которого шумовой сигнал согласованной нагрузки T становится равным сигналу подключаемого эталона, считается завершенным.
ШИМ
АИМ
эт
CH
CH
Второй этап калибровки начинается с подключения на вход радиометра шумового эталона, определяющего нижнюю границу диапазона измерений. Так как, согласно (11), нижней границе диапазона соответствует сигнал с нулевой шумовой температурой, которую на практике создать невозможно, поэтому данный этап (в отличие от прототипа) осуществляется в модифицированном виде и заключается в следующем. Длительность широтно-импульсного сигнала устанавливается не равной нулю, как это требуется по условию (11), а равной половине полупериода амплитудно-импульсной модуляции, то есть t=t/2. При этом на вход радиометра подключается эталон, выходной шумовой сигнал которого T равен середине диапазона измерений, то есть значению T/2. Например, для диапазона 0-300 К (который, как правило, используется в радиометрах при дистанционном зондировании Земли), сигнал T определяет верхнюю границу и равен 300 К. Тогда сигнал данного эталона должен быть равным 150 К.
Далее, изменением значения коэффициента ослабления α делителя напряжения, по выходному сигналу компаратора настраивается равенство вольт-секундных площадей отрицательного и положительного импульсов, как в (6):
эт
CH
ШИМ
АИМ
где T=T/2 и t'=t/2. После подстановки последних равенств в (12) и сокращений получим выражение (7). Таким образом, коэффициент деления а делителя напряжения является второй опорной величиной, определяющей крутизну передаточной характеристики радиометра, ее наклон. Так как делитель напряжения можно выполнить с применением прецизионных резисторов, то и, соответственно, можно получить стабильный коэффициент ослабления. Следовательно, данный коэффициент, как опорный параметр, будет обладать более стабильными характеристиками, чем используемый для этих целей второй генератор шума, применяемый в прототипе.
Необходимо отметить, что второй этап калибровки можно проводить и с эталоном, генерирующим произвольный сигнал, не обязательно равный середине диапазона измерений. Для этого после подключения эталона длительность широтно-импульсного сигнала устанавливается эквивалентной в цифровом представлении шумовому сигналу, генерируемому эталоном. В остальном проведение этого этапа калибровки аналогично описанному.
Цифровой блок управления вырабатывает все необходимые сигналы для функционирования радиометра (фиг. 4), может быть выполнен на цифровых интегральных микросхемах логики КМОП (жесткая логика), микроконтроллере малой и средней производительности, программируемой матрице. Цифровой код длительности широтно-импульсного сигнала является цифровым эквивалентом измеряемого сигнала антенны. В литературе с достаточной полнотой описаны конструкции СВЧ-устройств, такие как модуляторы, полосовые фильтры и методы их расчетов [Бахарев С.И., Вольман В.И., Либ Ю.Н., и др. Под ред. Вольмана В.И. Справочник по расчету и конструирования СВЧ полосковых устройств.- М.: Радио и связь, 1982. - 328 с.]. В данном радиометре эти узлы выполнены на микрополосковых волноведущих структурах. В приемнике применены транзисторные высокочастотные усилители. Синхронные фильтры низкой частоты описаны в [Фрейтер. Синхронный интегратор и демодулятор // Приборы для научных исследований. - 1965. - Т. 36, №5. - С. 53]. Используемые в радиометре переключатели конфигурации 2×1 и схемы делителей напряжения также хорошо освещены в литературе [152. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: Энергоатомиздат, Ленинград, отделение, 1988. - 278 с.].
В отличие от прототипа, в предлагаемом радиометре используется один опорный источник шума, и это значительно упрощает входной высокочастотный тракт. Он становится аналогичным входному тракту классического модуляционного радиометра, где в основе функционирования используется метод дифференциальных измерений. Модуляционный радиометр благодаря простой конструкции входного узла часто используется при построении различного назначения систем. В таком радиометре сведено к нулю влияние постоянной составляющей собственных шумов на интервале измерения. Но другой дестабилизирующий фактор, дрейф и флуктуации коэффициента усиления, в значительной степени влияют на точность измерений, так как от этого параметра в модуляционном радиометре зависит крутизна передаточной характеристики. В предлагаемом радиометре реализован нулевой метод, влияние описанного дестабилизирующего фактора сведено к нулю, и крутизну характеристики преобразования определяет собранный на прецизионных резисторах делитель напряжения. Таким образом, достигнут результат упрощения устройства при одновременном повышении точности.