МОДУЛЯЦИОННЫЙ РАДИОМЕТР ДВУХКАНАЛЬНОЙ РАДИОМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ С ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫМ МОДУЛЕМ

Полезная модель относится к технике радиоизмерений и обеспечивает повышение точности измерений радиояркостных температур радиотеплового излучения, улучшение условий обеспечения требуемых фазовых соотношений при работе модуляционного радиометра в радиометрической системе с двухканальной антенной и возможность программного выполнения относительно-разностных процедур обработки входных сигналов системы в реальном масштабе времени.
Модуляционный принцип приема в радиометрических системах позволяет скомпенсировать немодулированную часть входного сигнала - собственные шумы приемника путем выполнения синхронного детектирования промодулированного сигнала с выхода антенны [1]. Результат синхронного детектирования сильно зависит от фазовых соотношений управляющих сигналов, поступающих с генератора опорного напряжения на модуляторы и параллельно на синхронные детекторы.
При осуществлении одноканального приема влияние несинфазности указанных напряжений достаточно просто корректируется путем осуществления предварительной настройки системы и проведения периодической калибровки системы.
В радиометрической системе с двухканальной антенной [2], в которой на выходе дополнительного антенного канала формируется сигнал компенсации помеховой составляющей основного измерительного сигнала - выходного сигнала основного антенного канала при условии реализации режима прохождения эталонного пилот-сигнала через всю систему, включая антенну, более сложная функция синхронизации режимов передачи и приема двух каналов системы. При подключении дополнительного антенного канала на вход радиометра эталонный пилот-сигнал излучается по основному антенному каналу в направлении зеркала в режиме передачи. Алгоритм компенсации влияния фоновых помех и недетерминированного изменения коэффициента передачи антенны предполагает выполнение двух процедур нахождения разности, соответственно, в аналоговом варианте двух операций синхронного детектирования при возможности их раздельного проведения с использованием управляющих напряжений с некратными частотами и последующим нахождением отношения разностных сигналов.
Наличие двух синхронных детекторов в низкочастотной части радиометра с требованиями жесткой синхронизации управляющих напряжений при условии существенного усложнения схемы и процедуры корректировки выходного сигнала при выполнении калибровки системы с учетом оценки влияния несинфазности управляющих колебаний привело к необходимости решения следующих задач при разработке модуляционного радиометра двухканальной радиометрической системы:
- упрощения практической реализации выполнения относительно-разностной обработки сигналов при условии обеспечения режима реального времени для исключения соответствующих погрешностей измерения;
- обеспечения возможности формирования и оперативной корректировки фазы управляющих колебаний;
- выполнения архивизации и визуализации данных измерений.
В известных вариантах построения модуляционных радиометров с возможностью оцифровки результатов измерений [3] на выходе синхронного детектора включается АЦП, что обеспечивает только сопряжение радиометра с компьютером и расширяет функции архивации и визуализации результатов измерений.
Целью предлагаемого технического решения является повышение точности измерений уровня радиошумового излучения двухканальной радиометрической системой с дополнительным каналом формирования сигнала компенсации влияния шумовых помех путем исключения необходимости обеспечения требуемых фазовых соотношений при работе модуляционного радиометра с двумя модуляторами и программного выполнения относительно-разностных процедур обработки входных сигналов системы в реальном масштабе времени.
Поставленная цель достигается тем, что на выходе квадратичного детектора устанавливается программно-аппаратный модуль на основе микроконтроллера, осуществляющего функции оцифровки выходного сигнала квадратичного детектора, накопления путем дискретного суммирования за время полу периодов управляющих последовательностей модуляторов M1 и М2 с запоминанием промежуточных данных в интегрированной памяти с последующей реализацией нахождения двух разностных сигналов: первого, эквивалентного разности сигналов при приеме с основного и дополнительного антенного канала, и второго, формируемого при приеме двухуровневого пилот-сигнала дополнительным антенным каналом.
По второму варианту управляющие последовательности прямоугольных импульсов для модуляторов M1 и М2, различающиеся по частоте, вырабатываются в программно-аппаратном модуле.
По третьему варианту программно-аппаратный модуль через интегрированный интерфейс соединен с персональным компьютером, на котором для завершения процедуры относительно-разностного приема в двухканальной радиометрической системе в реальном режиме времени находится отношение двух разностных сигналов, сформированных в программно-аппаратном модуле за один период последовательности импульсов управления работой модулятора M1.
На фиг.1 показана структурная схема модуляционного радиометра двухканальной радиометрической системы с программно-аппаратным модулем (ПАМ); на фиг.2 - временные диаграммы работы радиометра.
Модуляционный радиометр двухканальной радиометрической системы имеет два входа, на один из которых А1 поступает выходной сигнал основного антенного канала, а на другой А2 - выходной сигнал дополнительного антенного канала, содержащий принятый отраженный от зеркала антенны пилот-сигнал, излученный в сторону зеркала через облучатель основного антенного канала, и сигнал, обусловленный приемом антенной фонового шума за счет специальной формы диаграммы направленности дополнительного антенного канала. Вход радиометра А1 через направленный ответвитель (НО) соединен с первым модулятором (M1). К плечу вторичной линии НО через двухплечный второй модулятор (М2) подключен источник высокостабильного шумового сигнала (ГШ), который является источником пилот-сигнала и предназначен для облучения зеркала антенны. Ко второму плечу модулятора M1 подключен выход дополнительного антенного канала А2. Выход модулятора M1 соединен последовательно с усилительно-преобразовательным блоком (УПБ) и квадратичным детектором (КД). Выход квадратичного детектора подключен к программно-аппаратному модулю. Различные по частоте управляющие последовательности прямоугольных импульсов для модулятора M1 и модулятора М2 формируются программно-аппаратным модулем.
Различие частот управляющих последовательностей позволяет выполнить раздельное накопление модулированных модуляторами M1 и М2 шумовых сигналов, прошедших общий приемно-усилительный блок. Выход программно-аппаратного модуля подключен к персональному компьютеру, в котором программно реализуется процедура нахождения отношения двух разностных сигналов и окончательная архивация и визуализация результатов измерений.
Принцип работы модуляционного радиометра двухканальной радиометрической системы с программно-аппаратным модулем поясняется временными диаграммами работы, приведенными на фиг.2.
0
3
3
4
На отрезке времени (t-t) под действием управляющей последовательности прямоугольных импульсов (фиг.2a) модулятор M1 подключает основной антенный канал ко входу усилительно-преобразовательного блока УПБ радиометра, а на отрезке времени (t-t) - дополнительный антенный канал.
3
4
Одновременно на отрезке времени (t-t) модулятор М2, под действием управляющей последовательности прямоугольных импульсов (фиг.2в), пропускает двухуровневый эталонный пилот-сигнал с выхода генератора шума ГШ в тракт основного антенного канала, откуда он излучается в сторону отражателя антенны и принимается дополнительным антенным каналом.
0
1
э1
фон
1
2
э2
фон
На выходе модулятора М2 присутствует двухуровневый эталонный пилот-сигнал, поэтому на отрезке времени (t-t) мощность эталонного шумового сигнала характеризуется величиной шумовой температуры T+T, а на отрезке времени (t-t) - величиной T+T (рис.2.д).
0
3
3
4
э2
э1
За отрезок времени (t-t) в программно-аппаратном модуле выполняется накопление путем суммирования оцифрованных значений дискретных выборок сигнала основного антенного канала U1, а за отрезок времени (t-t) - накопление сигналов дополнительного антенного канала U2, эквивалентного приему пилот-сигнала с уровнем T, и U3, эквивалентного приему пилот-сигнала с уровнем T.
p1
p2
Далее в момент t4 в программно-аппаратном модуле реализуется процедура нахождения двух разностных сигналов U и U, равных
p1
U-U1-(U2-U3)/2,
p2
U=U2-U3.
Разностные сигналы через встроенный интерфейс программно-аппаратного модуля подаются на персональный компьютер, где организуется нахождение отношения двух разностных сигналов
вых
p1
p2
U=U/U,
далее выполняется визуализация результатов измерения с последующей архивацией данных.
ЛИТЕРАТУРА
1. Есепкина Н.А., Корольков Д.В., Парийский Ю.Н. Радиотелескопы и радиометры. - М.: Наука, 1973. - 416 с.
2. Патент на полезную модель №98820 оп. в бюл. №30 от 27.10.2010. Радиометрическая система с компенсацией внешних помех и нестабильности коэффициента передачи системы. Федосеева Е.В., Ростокин И.Н., Ечин П.А.
3. Ворсин Н.Н., Милицкий Ю.А., Шаинский В.М., Эткин B.C. Измерительные СВЧ - радиометры с цифровым выходом. // Приборы и техника эксперимента. - №2. - 1988. - С.103