КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ РАДИОМЕТР С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ

Полезная модель относится к технике приема и оценивания параметров собственного теплового радиоизлучения объектов и может быть использовано в радиотеплолокации.
Известны корреляционные радиометры, описанные в следующей монографии: Башаринов А.Е., Тучков Л.Т., Поляков В.М., Ананов Н.И. Измерение радиотепловых и плазменных излучений. - М.: Советское радио, 1968. Однако им присущ недостаток, заключающийся в низкой чувствительности, что не позволяет их использовать в радиотеплолокаторах.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является корреляционный радиометр, структурная схема которого представлена ниже (Справочник по радиоэлектронным системам в 2 томах / Под ред. Кривицкого Б.Х. - М.: Энергия, 1979, с.198, т.2, рис.7-167.
Структурная схема устройства-прототипа приведена на фиг.1, где приведены следующие обозначения:
1 - разветвитель;
2, 7 - высокочастотные широкополосные полосовые фильтры;
3, 8 - смесители;
6 - гетеродин;
4, 9 - усилители промежуточной частоты;
5, 10 - амплитудные детекторы;
11 - умножитель;
12 - фильтр нижних частот.
Устройство-прототип имеет следующие функциональные связи:
входом устройства является вход разветвителя 1, первый и второй выходы разветвителя 1 соединены соответственно с входами высокочастотных широкополосных полосовых фильтров 2 и 7, выходы
которых соединены с первыми входами смесителей 3 и 8, вторые входы смесителей 3 и 8 соединены с выходом гетеродина 6, выходы смесителей 3 и 8 через усилители 4, 9 промежуточной частоты соединены с входами амплитудных детекторов 5 и 10, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами умножителя 11, а выход умножителя 11 соединен с входом фильтра 12 нижних частот, выход которого является выходом устройства.
Работает устройство-прототип следующим образом.
Принятый сигнал поступает на вход разветвителя 1. Этот разветвитель 1 служит для передачи принятого сигнала на входы двух каналов, каждый из которых содержит высокочастотный широкополосный полосовой фильтр 2 и 7, смеситель 3 и 8, усилитель 4, 9 промежуточной частоты, амплитудный детектор 5, 10 и общий для двух каналов гетеродин 6. С выхода разветвителя 1 сигнал поступает на два высокочастотных широкополосных полосовых фильтра 2 и 7, осуществляющих частотную селекцию принимаемого радиотеплового сигнала; с выходов фильтров 2 и 7 сигнал поступает на первые входы смесителей 3 и 8, на вторые входы которых подается напряжение с выхода гетеродина 6. Смесители 3 и 8 совместно с гетеродином 6 образуют преобразователи частоты, которые переносят спектр принимаемого радиотеплового сигнала в частотную область, где он может быть обработан с наибольшей эффективностью (центральная частота этой области называется промежуточной);
напряжение с выходов смесителей 3 и 8 поступает на входы усилителей 4 и 9 промежуточной частоты, где производится основное усиление принимаемого радиотеплового сигнала до необходимой величины;
напряжения с выходов усилителей 4, 9 промежуточной частоты подаются на входы амплитудных детекторов 5, 10, которые выделяют амплитуду входного сигнала. Напряжения с входов амплитудных детекторов 5 и 10 подаются соответственно на первый и второй входы умножителя 11. С выхода умножителя 11 сигнал поступает на вход фильтра 12 нижних
частот. Умножитель 11 совместно с фильтром 12 нижних частот образуют вычислитель взаимнокорреляционной функции сигналов поступающих с выходов первого и второго каналов линейного тракта приемника. Выход фильтра 12 нижних частот является выходом устройства. Однако радиометр-прототип обладает недостаточно высокой чувствительностью.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, состоит в повышении чувствительности радиометра.
Для достижения указанного технического результата в корреляционном радиометре с использованием прямого преобразования частоты, содержащем имеющий два выхода и один вход разветвитель, при этом вход разветвителя является входом устройства, и два канала, каждый из которых содержит последовательно соединенные высокочастотный широкополосный полосовый фильтр, имеющий один вход, к которому подсоединен одним из двух выходов разветвителъ, и один выход, смеситель, имеющий два входа и один выход, к первому входу смесителя подсоединен своим выходом высокочастотный широкополосный полосный фильтр, и усилитель частоты, имеющий один вход и один выход причем к входу усилителя частоты подсоединен своим выходом смеситель, гетеродин, имеющий один выход, который подсоединен к каждому второму входу смесителя обоих каналов, умножитель, имеющий два входа и один выход, и фильтр нижних частот частот, имеющий один вход и один выход, выход фильтра нижних частот является выходом устройства, дополнительно введены еще два аналогичных канала, фазовращатель, имеющий один вход и один выход, еще один умножитель, имеющий два входа, и один выход, сумматор, имеющий два входа и один выход, кроме того разветвитель имеет дополнительно еще два выхода, которые подсоединены к каждому входу высокочастотных широкополосных полосовых фильтров дополнительных
каналов, гетеродин своим выходом дополнительно подсоединен к входу фазовращателя, последний своим выходом подсоединен к вторым входам смесителей дополнительных каналов, к каждому из двух входов первого умножителя порознь подсоединены своими выходами усилители частоты первых двух каналов, а к каждому из двух входов дополнительного умножителя порознь подсоединены своими выходами усилители частоты дополнительных каналов, оба умножителя своими выходами подсоединены порознь к двум входам сумматора, последний своим выходом подсоединен к фильтру нижних частот, причем в качестве смесителей использованы смесители с прямым преобразованием частоты, а в качестве усилителей частоты использованы усилители нижних частот. Благодаря подобному выполнению радиометра существенно улучшена (повышена) его чувствительность.
Предлагаемый корреляционный радиометр с использованием прямого преобразования частоты иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-4.
На фиг.1 представлена структурная схема прототипа, на фиг.2 - структурная схема предлагаемого радиометра, на фиг.3 - выходные сигналы традиционного корреляционного радиометра, на фиг.4 - выходные сигналы заявляемого радиометра.
Структурная схема предлагаемого устройства приведена на фиг.2, где обозначено:
1 - разветвитель;
2, 6, 10, 14 - высокочастотные широкополосные полосовые фильтры (ВШПФ);
3, 7, 11, 15 - смесители с прямым преобразованием частоты (СППЧ);
5 - гетеродин;
4, 8, 12, 16 - усилители нижних частот (УНЧ);
13 - фазовращатель;
9, 17 - умножители;
18 - сумматор;
19 - фильтр нижних частот (ФНЧ).
Предлагаемый радиометр содержит разветвитель 1, вход которого является входом устройства, и четыре канала. Каждый канал содержит последовательно соединенные высокочастотный широкополосный полосовой фильтр (первый канал - ВШПФ 2, второй - ВШПФ 6, третий - ВШПФ 10. четвертый - ВШПФ 14), смеситель с прямым преобразованием частоты (первый канал - СППЧ 3, второй - СППЧ 7, третий - СППЧ 11, четвертый - СППЧ 15), усилитель нижних частот (первый канал - УНЧ 4, второй - УНЧ 8, третий - УНЧ 12, четвертый - УНЧ 16). Разветвитель 1 имеет четыре выхода, которые соединены с входами высокочастотных широкополосных полосовых фильтров 2, 6, 10 и 14. Выходы высокочастотных широкополосных полосовых фильтров 2, 6, 10 и 14 соединены с первыми входами смесителей 3, 7, 11 и 15 с прямым преобразованием частоты, вторые входы смесителей 3, 7 с прямым преобразованием частоты соединены с выходом гетеродина 5, вторые входы смесителей 11, 15 с прямым преобразованием частоты соединены с выходом фазовращателя 13. Выходы смесителей 3, 7 через усилители 4, 8 нижних частот соединены с первым и вторым входами умножителя 9, а выходы смесителей 11 и 15 через усилители 12 и 16 нижних частот соединены с первым и вторым входами умножителя 17. Выходы умножителей 9 и 17 соединены соответственно с первым и вторым входами сумматора 18, выход которого соединен с входом фильтра 19 нижних частот, выход фильтра 19 является выходом устройства.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Принятый сигнал поступает на вход разветвителя 1. Этот разветвитель 1 служит для передачи принятого сигнала на входы четырех каналов, каждый из которых содержит высокочастотный широкополосный полосовой фильтр (2, 6, 10 и 14), смеситель с прямым преобразованием частоты (3, 7, 11 и 15), усилитель нижних частот (4, 8, 12 и 16); первый и
второй каналы в качестве сигнала гетеродина используют напряжение гетеродина 5, а третий и четвертый каналы в качестве сигнала гетеродина используют напряжение с выхода фазовращателя 13, которое сдвинуто по фазе на 90° по отношению к напряжению гетеродина 5. С первого, второго, третьего и четвертого выхода разветвителя 1 сигнал поступает соответственно на входы четырех высокочастотных широкополосных полосовых фильтра (2, 6, 10 и 14), осуществляющих частотную селекцию принимаемого радиотеплового сигнала, на выходе фильтров 2, 6, 10 и 14 сигнал может быть представлен в следующей форме:
Ш
Ш
0
где X(t) и Y(t) - медленно меняющиеся по сравнению с sinωt
независимые нормальные процессы с нулевыми средними значениями и одинаковыми корреляционными функциями;
0
ω- циклическая частота настройки фильтров 2, 6, 10 и 14.
Сигналы с выходов ВШП фильтров 2 и 6 поступают на первые входы смесителей 3, 7 с прямым преобразованием частоты, на вторые входы смесителей 3, 7 подается напряжение с выхода гетеродина 5; гетеродин 5 на своем выходе формирует напряжение следующего вида:
0
где U - амплитуда напряжения гетеродина.
0
Напряжение гетеродина 5 имеет такую же циклическую частоту ω, что и напряжение на выходе ВШП фильтров 2 и 6, благодаря чему производится операция прямого преобразования частоты выходных сигналов ВШП фильтров 2 и 6 (т.е спектры данных сигналов переносятся в область нулевых частот). Однако в результате такого преобразования частоты напряжения на выходе смесителей 3 и 7
Ш
пропорциональны только одной составляющей Х(t) сигнала на входе, которая синфазна с напряжением гетеродина 5.
С выходов ВШП фильтров 10 и 14 сигналы поступают на первые входы смесителей 11, 15 с прямым преобразованием частоты, на вторые входы смесителей 11, 15 подается напряжение с выхода фазовращателя 13.
Фазовращатель 13 сдвигает фазу сигнала на 90°, поэтому напряжение на выходе фазовращателя 13 может быть записано в виде
0
Ш
Это напряжение имеет такую же циклическую частоту (ω), что и напряжение на выходе ВШП фильтров 10 и 14, благодаря чему производится операция прямого преобразования частоты выходных сигналов ВШП фильтров 10 и 14 (т.е их спектры переносятся в область нулевых частот). Однако в результате такого преобразования частоты напряжения на выходе смесителей 11 и 15 пропорциональны только одной составляющей Y(t) сигнала на входе, которая синфазна с выходным напряжением фазовращателя 13.
Таким образом, при четырехканальной конструкции корреляционного радиометра с прямым преобразованием частоты используется полная мощность входного сигнала радиометра.
Напряжения с выходов смесителей 3, 7 с прямым преобразованием частоты поступают соответственно на входы усилителей 4, 7, а напряжения с выходов смесителей 11 и 15 с прямым преобразованием частоты поступают соответственно на входы усилителей 12, 16 нижних частот, где производится основное усиление принимаемого радиотеплового сигнала до необходимой величины; напряжения с выходов усилителей 4, 8 нижних частот подаются на первый и второй входы умножителя 9, а напряжения с выходов усилителей 12, 16 нижних частот подаются на первый и второй входы умножителя 17. С выходов
Ш
Ш
умножителей 9 и 17 сигналы поступают на первый и второй входы сумматора 18, где происходит их сложение. С выхода сумматора 18 сигнал поступает на вход фильтра 19 нижних частот. Устройства умножения 9 и 17 совместно с фильтром 19 нижних частот образуют вычислитель взаимнокорреляционной функции соответственно сигналов X(t) и Y(t). Выход фильтра 19 нижних частот является выходом устройства.
Проведенное методом имитационного моделирования исследование предлагаемого устройства и устройства-прототипа показало следующие результаты.
В
A
Из сравнения графиков, приведенных на фиг.3 и фиг.4 следует, что чувствительность предлагаемого в качестве полезной модели корреляционного радиометра с прямым преобразованием частоты в два раза лучше чувствительности традиционных корреляционных радиометров. На фиг.3 и фиг.4 представлены выходные сигналы традиционного корреляционного радиометра и корреляционного радиометра с прямым преобразованием частоты соответственно. Кривая 1 на фиг.3 отображает выходной сигнал традиционного корреляционного радиометра при отсутствии радиотеплового сигнала на его входе. Выходной сигнал того же радиометра при наличии на его входе радиотеплового сигнала мощностью, составляющей 1% от мощности его внутренних шумов, представлен на кривой 2 (фиг.3). При этом минимум кривой 2 (точка Т) меньше максимума кривой 1 (точка Т) приблизительно в 2 раза, т.е в данных условиях невозможно принять решение о наличии радиотеплового сигнала на входе прибора, т.к прирост постоянной составляющей выходного сигнала прибора, обусловленный появлением на его входе радиотеплового сигнала, меньше флуктуационного порога радиометра, определяемого его внутренними шумами. Кривая 1 (фиг.4) отображает выходной сигнал предлагаемого корреляционного радиометра с прямым преобразованием частоты при
В
А
отсутствии радиотеплового сигнала на его входе. Выходной сигнал того же радиометра при наличии на его входе радиотеплового сигнала мощностью, составляющей 1% от мощности его внутренних шумов, представлен на кривой 2 (фиг.4). При этом минимум кривой 2 (точка Т) немного больше максимума кривой 1 (точка Т), е в данных условиях прирост постоянной составляющей выходного сигнала прибора, обусловленный появлением на его входе радиотеплового сигнала, превышает флуктуационный порог радиометра, определяемый его внутренними шумами, что позволяет принять решение о наличии радиотеплового сигнала на входе прибора.
Предложенное техническое решение позволяет улучшить чувствительность корреляционного радиометра приблизительно в два раза по сравнению с ныне известными аналогами корреляционного радиометра, избавиться от побочных каналов приема, реализовать возможность перемножения радиотепловых сигналов в цифровой форме и дальнейшую цифровую обработку сигнала в последующих трактах приемника.
Нет принципиальных ограничений возможности использования предложенного радиометра в различных диапазонах частот. Практически его можно реализовать, начиная от дециметрового диапазона вплоть до диапазона миллиметровых волн.
Используя предложенное техническое решение, можно существенно повысить чувствительность радиометров и расширить область методов, основанных на использовании собственного радиотеплового излучения объектов. Предлагаемый радиометр может использоваться в радиотехнических системах морской навигации в условиях тумана (сложной ледовой обстановки), обеспечивая высокую степень безопасности судоходства.