РАДИОМЕТР ВЛАГОМЕР
RADIOMETER MOISTURE METER

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к СВЧ-радиометрическим приемникам для техники дистанционного зондирования земной поверхности и экологии.
В частности к СВЧ радиометрии.
Изобретение может быть использовано для измерения и регистрации влагосодержания почвогрунтов, радиояркостных температур собственного радиотеплового излучения подстилающей поверхности на двух поляризациях при визировании под углом к вертикали, а также при визировании в надир, по нормали к поверхности и может применяться в промышленности и сельском хозяйстве.
Известны схемы модуляционных радиометров, в которых применяется модуляция и непрерывная внутренняя калибровка по двум опорным источникам с различными температурами и антенной, способной принимать электромагнитные волны на одной поляризации. Например, радиометр с двухопорной модуляцией [1, 2].
Из известных устройств наиболее близким можно считать радиометр с трехопорной модуляцией [3], содержащий последовательно соединенные приемную антенну, являющуюся входом устройства, трех-входовый СВЧ-переключатель, усилитель высокой частоты, квадратичный детектор, усилитель низкой частоты, синхронный фильтр, синхронный детектор, блок вычисления множительно-делительной операции и регистратор, на управляющие входы СВЧ-переключателя, синхронного фильтра и синхронного детектора подаются сигналы управления модуляцией от прибора управления модуляцией, а также «горячую» и «холодную» эталонные согласованные нагрузки, выходы которых соединены со входами СВЧ-переключателя, и конструктивно связанные с ними термодатчики «горячей» и «холодной» эталонных согласованных нагрузок, выходы которых соединены со входами блока вычисления множительно-делительной операции, и нагревательный элемент, конструктивно связанный с «горячей» эталонной согласованной нагрузкой и нагревающий ее до температуры выше температуры «холодной» эталонной согласованной нагрузки.
Основным признаком технического решения является то, что благодаря наличию трех эталонных согласованных нагрузок с различными температурами, процесс модуляции совмещен с процессом непрерывной внутренней калибровки, так, что на выходе радиометра непрерывно регистрируются значения антенных температур.
Однако, недостатком описанных радиометров является то, что они не способны измерять влажность почвы за одно измерение яркостной температуры подстилающей поверхности. Поскольку известные методики измерения влажности почвы при помощи радиометра [4, 5] основаны на том, что СВЧ-радиометром измеряются яркостные температуры исследуемого плоского участка поверхности земли при визировании под некоторым углом на вертикальной и горизонтальной поляризациях электромагнитной волны и при визировании в надир (по нормали к плоскости поверхности), требуется провести три последовательных измерения при помощи одного радиометра, либо использовать результаты измерения трех различных радиометров, работающих одновременно по общему исследуемому участку поверхности земли. Оба варианта измерения влажности почвы имеют существенные недостатки. Так, при измерении влажности почвы одним радиометром в стационарном положении трудно обеспечить автоматическое последовательное переключение поляризаций, за счет поворота антенного устройства на 90 градусов и изменение угла визирования для измерения в надир. Кроме того, при использовании радиометра на подвижном носителе технически трудно обеспечить троекратное перемещение носителя с радиометром по одной и той же траектории, а при большой длине траектории возникают большие перерывы во времени между визированиями одного участка местности, что приводит к дополнительным ошибкам измерений влажности почвы. При использовании трех радиометров, работающих одновременно, система получается слишком громоздкой, тяжелой и требующей утроенного количества энергии для питания. Кроме того, технически невозможно обеспечить идентичность измерений различных радиометров из-за технологических разбросов параметров приемных антенн и приемников и трудностей с взаимной калибровкой, что также приводит к дополнительным ошибкам измерений влажности почвы.
Таким образом, для уменьшения абсолютной погрешности измерения влагосодержания почвогрунтов, необходимо одновременно измерять общим приемником яркостные температуры исследуемого участка местности по двум поляризациям - горизонтальной и вертикальной под углом от 30 до 60 градусов к плоскости поверхности, и при визировании в надир, то есть под углом 90 градусов к плоскости поверхности. Поставленную цель можно достичь путем применения специальной антенной решетки. На первых двух выходах антенной решетки формируются сигналы, принятые по вертикальной и горизонтальной поляризациям. Диаграммы направленности антенны формируются так, чтобы ось главного лепестка была бы направлена вдоль нормали к плоскости раскрыва антенны. Диаграммы направленности по обеим поляризациям должны быть максимально идентичными. Также на одном из выходов антенны должен формироваться сигнал, принятый в режиме отклонения луча от направления нормали на некоторый угол, например, на 30 градусов. Радиометр влагомер размещается над исследуемым участком поверхности земли на подвижном носителе, в частности, на борту беспилотного летательного аппарата, например, квадрокоптера, как показано на фиг. 1.
Таким образом, целью изобретения является повышение точности измерения влагосодержания почвы путем применения специальной антенной решетки, способной принимать собственное радиотепловое излучение почвы в заданном диапазоне СВЧ одновременно на двух поляризациях с направления нормали к плоскости раскрыва антенны и с направления под углом к нормали. Также радиометр влагомер должен быть способен оперативно пересчитывать измеренные значения яркостных температур в значения влагосодержания почвы при помощи специализированного вычислителя. Поскольку яркостная температура влажной почвы существенно выше яркостной температуры открытой воды [6], без существенной потери точности может использоваться режим двухопорной модуляции вместо режима трехопорной модуляции.
Поставленная цель достигается тем, что в известный радиометр с трехопорной модуляцией содержащий последовательно соединенные, приемную антенну, являющуюся входом устройства, трех-входовый СВЧ-переключатель, СВЧ-циркулятор, первый вход которого подключен к выходу СВЧ-переключателя, ко второму входу СВЧ-циркулятора подключена «холодная» эталонная согласованная нагрузка, выход СВЧ-циркулятора подключен ко входу усилителя высокой частоты, направление циркуляции СВЧ-циркулятора выбрано от второго входа к первому входу и от первого входа к выходу, усилитель высокой частоты, квадратичный детектор, усилитель низкой частоты, синхронный фильтр и синхронный детектор, блок вычисления множительно-делительной операции и регистратор, на управляющие входы СВЧ-переключателя, синхронного фильтра и - синхронного детектора подаются сигналы управления модуляцией от прибора управления модуляцией, а также «горячую» эталонную согласованную нагрузку, выход которой соединен с первым входом СВЧ-переключателя, «холодную» эталонную согласованную нагрузку, выход которой соединен со вторым входом СВЧ-циркулятора, термодатчики «горячей» и «холодной» эталонных согласованных нагрузок конструктивно связанные с ними, выходы которых соединены с входами блока вычисления множительно-делительной операции, и нагревательный элемент, конструктивно связанный с «горячей» эталонной согласованной нагрузкой и нагревающий ее до температуры выше температуры «холодной» эталонной согласованной нагрузки дополнительно введены спецвычислитель, на вход которого подается сигнал с выхода блока вычисления множительно-делительной операции, а выход соединен со входом регистратора, антенная решетка, состоящая из конструктивно связанных четырех пар элементарных антенных вибраторов, один вибратор для приема вертикально поляризованной электро-магнитной волны и другой для приема горизонтально поляризованной электро-магнитной волны, расположенные в одной плоскости, так что их центры образуют квадрат, выходы всех четырех вибраторов вертикальной поляризации соединены со входами второго СВЧ-сумматора, выход которого соединен с третьим входом СВЧ-переключателя, выходы двух смежных вибраторов горизонтальной поляризации соединены с двумя входами первого СВЧ-сумматора, а выходы других двух вибраторов соединены со входами двух управляемых фазовращателей, управляющие входы которых соединены с выходом прибора управления модуляцией, а выходы соединены с другими двумя входами первого СВЧ-сумматора, выход первого СВЧ-сумматора соединен со вторым входом СВЧ-переключателя.
Предлагаемый радиометр влагомер удовлетворяет критерию «существенные отличия», так как присущие ему существенные признаки не содержатся в известных устройствах и в них не реализуется заявленный положительный эффект.
Изобретение будет понятно из следующего описания и приложенных к нему чертежей.
На фиг. 2 изображена схема радиометра влагомера.
Предлагаемый радиометр влагомер содержит первый элементарный вибратор приема горизонтально поляризованной электро-магнитной волны 1, первый элементарный вибратор приема вертикально поляризованной электро-магнитной волны 2, второй элементарный вибратор приема горизонтально поляризованной электро-магнитной волны 3, второй элементарный вибратор приема вертикально поляризованной электромагнитной волны 4, третий элементарный вибратор приема горизонтально поляризованной электро-магнитной волны 5, третий элементарный вибратор приема вертикально поляризованной электро-магнитной волны 6, четвертый элементарный вибратор приема горизонтально поляризованной электромагнитной волны 7, четвертый элементарный вибратор приема вертикально поляризованной электро-магнитной волны 8, первый управляемый фазовращатель 9, второй управляемый фазовращатель 10, первый СВЧ-сумматор 11, второй СВЧ-сумматор 12, трех-входовый СВЧ-переключатель 13, СВЧ-циркулятор 14, усилитель высокой частоты 15, квадратичный детектор 16, усилитель низкой частоты 17, синхронный фильтр 18 и синхронный детектор 28, блок вычисления множительно-делительной операции 19, спецвычислитель 20, регистратор 21, прибор управления модуляцией 22, «холодную» эталонную согласованную нагрузку 23, термодатчик «холодной» эталонной согласованной нагрузки 24, «горячую» эталонную согласованную нагрузку 25, термодатчик «горячей» эталонной согласованной нагрузки 26, нагревательный элемент «горячей» эталонной согласованной нагрузки 27.
Предлагаемый радиометр влагомер работает следующим образом. Как и в радиометре с двухопорной модуляцией, прием сигнала производится периодически, с частотой модуляции, например, один килогерц. За время одного периода модуляции половину периода модуляции принимается и накапливается сигнал от одного из входов антенной решетки, для чего СВЧ-переключатель по управляющему сигналу от прибора управления модуляцией периодически во время первого периода модуляции переключает сигнал с выхода первого сумматора приема «горизонтальной» поляризации электро-магнитной волны, на вход СВЧ-циркулятора и далее с выхода СВЧ-циркулятора на вход усилителя высокой частоты. Аналогично, на время равное одной четверти периода модуляции СВЧ-переключатель переключает на вход СВЧ-циркулятора сигнал от «горячей» эталонной согласованной нагрузки и на время равное одной четверти периода модуляции СВЧ-переключатель переводится в высокоимпедансное состояние, при этом на вход усилителя высокой частоты передается сигнал от «холодной» эталонной согласованной нагрузки. За время одного периода модуляции на выходе синхронного детектора формируются два сигнала: Ua-Ux и Uг-Ux, первый пропорционален разности антенной температуры и шумовой температуры источника «холодного» шума и второй пропорционален разности температуры «горячей» и «холодной» эталонных согласованных нагрузок. Аналогично радиометру с двухопорной модуляцией в блоке множительно-делительной операции производится вычисление антенной температуры по формуле:
А
где U - напряжение, пропорциональное температуре антенны;
Х
U - напряжение, пропорциональное температуре «холодной» эталонной согласованной нагрузки;
Г
U - напряжение, пропорциональное температуре «горячей» эталонной согласованной нагрузки;
Г
Х
Т и Т - температуры, измеренные термодатчиками «холодной» и «горячей» эталонных согласованных нагрузок.
А
h
При подключенном ко входу модулятора в первом цикле модуляции сигнала с выхода сумматора приема «горизонтальной» поляризации электро-магнитной волны величина Т будет равна величине радиояркостной температуры T, принятой по «горизонтальной» поляризации наклонного луча (см. фиг. 1).
А
v
В следующем (втором) периоде модуляции СВЧ-модулятор, по управляющему сигналу с выхода прибора управления модуляцией, подключает с выхода второго СВЧ-сумматора приема «вертикальной» поляризации электро-магнитной волны сигнал на вход СВЧ-циркулятора. При подключенном ко входу модулятора во втором цикле модуляции сигнала с выхода сумматора приема «вертикальной» поляризации электро-магнитной волны величина Т будет равна величине радиояркостной температуры T, принятой по «вертикальной» поляризации наклонного луча (см. фиг. 1).
А
n
В следующем (третьем) периоде модуляции, по управляющему сигналу с выхода прибора управления модуляцией первый и второй управляемые фазовращатели переводятся в режим поворота фазы сигнала на некоторый угол, так чтобы сформировать отклоненный от нормали к плоскости раскрыва антенны на некоторый заданный угол (например на 30 градусов) луч, а также СВЧ-модулятор, подключает с выхода первого СВЧ-сумматора приема «горизонтальной» поляризации электро-магнитной волны сигнал на вход СВЧ-циркулятора. При подключенном ко входу модулятора в третьем цикле модуляции сигнала с выхода сумматора приема «горизонтальной» поляризации электро-магнитной волны величина Т будет равна величине радиояркостной температуры T, принятой по «горизонтальной» поляризации вертикального луча, соответствующего визированию в надир (см. фиг. 1). Следует отметить, что при визировании в надир радиояркостные температуры по каналу «горизонтальной» поляризации и по каналу «вертикальной» поляризации равны.
h
v
n
h
v
n
Таким образом за три последовательных периода модуляции с выхода блока вычисления множительно-делительной операции в спецвычислитель поступят три значения температур T, T и T. Процесс продолжается периодически в течение времени периода накопления сигналов τ, например равного одной секунде. Все это время полученные величины T, T и T суммируются спецвычислителем и после последнего цикла накопления вычисляются их средние значения за весь период накопления. Эти величины и являются исходными данными для вычисления спецвычислителем значения влажности почвы с последующей передачей значения влажности почвы в регистратор для запоминания полученного значения. По истечении периода накопления τ процесс повторяется периодически в течение всего требуемого времени измерения.
Алгоритм вычисления влажности почвы основан на том, что для разных типов почвы величина влажности почвы связана с величиной действительной части диэлектрической проницаемости почвы известными функциональными зависимостями (см. [4, 5]), которые могут быть заложены для каждого типа почвы в постоянную память спецвычислителя. В свою очередь, от диэлектрической проницаемости почвы зависит ее отражательная способность, которая определяется известными формулами Френеля.
Для расчетов соответствующих коэффициентов могут быть использованы формулы угловой зависимости коэффициентов отражения Френеля (по методу профессора Шутко A.M. (см. [4, 6]), имеющие следующий вид:
где ε - комплексная диэлектрическая проницаемость почвы равная ε'+iε'';
ε' - действительная часть диэлектрической проницаемости почвы;
i - мнимая единица;
ε'' - мнимая часть диэлектрической проницаемости почвы;
v
h
r, r - коэффициенты отражения на «вертикальной» и «горизонтальной» поляризациях;
v
h
T, T - соответствующие яркостные температуры по каналу «вертикальной» и «горизонтальной» поляризаций;
0
Т - термодинамическая температура;
s
T - радиояркостная температура неба 2.72 К,
θ - угол наблюдения к нормали, например равный 30°.
0
v
h
v
h
Графики зависимостей при ε=10 и T=300 К коэффициентов отражения на «вертикальной» и «горизонтальной» поляризациях r, r от угла визирования θ представлены на фиг. 3. а соответствующие графики яркостных температур T, T по каналу «вертикальной» и «горизонтальной» поляризаций представлены на фиг. 4.
n
При визировании в надир, когда θ=0, обе формулы (2) для коэффициентов отражения на «вертикальной» и «горизонтальной» поляризациях дают одно и тоже значение коэффициента отражения r:
h
v
n
0
Формулы (2) и (3) образуют систему уравнений с тремя известными величинами T, T и T, полученными в результате измерения, и тремя неизвестными величинами Т, ε' и ε''. Спецвычислитель решает эту систему уравнений численным методом, и по найденной величине ε' определяет значение влажности почвы [7].
Спецвычислитель может быть реализован, в частности, на микросхеме микроконтроллера ATMEGA128, имеющей собственный аналого-цифровой преобразователь и достаточное количество портов ввода-вывода и интерфейсов для реализации внутри него функций описанных блоков управления модуляцией, синхронного фильтра и синхронного детектора, множительно-делительной операции и регистратора или интерфейса регистратора, при использовании в качестве носителя информации, например, карт памяти типа SD Card.
В остальном радиометр влагомер работает по известной схеме.
Использование изобретения позволит повысить точность измерения влагосодержания почвогрунтов.
Список использованных источников
1. О.Б. Белоусов, В.А. Плющев, И.А. Сидоров, С.И. Галаган. «Обработка информации тепловой пассивной РЛС средствами программируемой логики», Сборник трудов 57 Научно-технической конференции Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (Технический университет), Часть третья, Технические науки, Москва, 2008 г. стр. 19-24
2. В.А. Плющев, И.А. Сидоров, «Сканирующий радиометр» Патент РФ №2495443 приоритет от 12.05.2012. МКИ: G01R 29/08.
3. В.С. Верба, В.А. Плющев, И.А. Сидоров, «Радиометр с трехопорной модуляцией» Патент РФ №2510513, приоритет от 16.05.2012 г. МКИ: G01R 29/08
4. Шутко A.M. СВЧ-радиометрия водной поверхности и почвогрунтов // М., «Наука». 1986 г. 286 с.
5. В.С. Верба, Б.Г. Татарский, В.А. Плющев, И.А. Сидоров и др. «Радиолокационные системы авиационно-космического мониторинга земной поверхности и космического пространства» // М. «Радиотехника». 2014 г. 570 с.
6. Р.П. Быстров, Г.К. Загорин, А.В. Соколов, Л.В. Федорова, «Пассивная радиолокация: методы обнаружения объектов» // М., «Радиотехника», 2008 г. 320 с.
7. А.Е. Башаринов, А.С. Гурвич, СМ.Т. Егоров, «Радиоизлучение земли как планеты» // М., «Наука», 1974 г. 188 с.