НУЛЕВОЙ РАДИОМЕТР
ZERO RADIOMETER

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к микроволновым радиометрам, и может использоваться в дистанционном зондировании Земли, медицине, поиске радиотепловых аномалий и т.д.
Известен аналог - радиометр с трехопорной модуляцией [Пат. №2510513 РФ, МПК G01R 29/08. Радиометр с трехопорной модуляцией / Верба В.С., Плющев В.А., Сидоров И.А.; Заявитель и патентообладатель Министерство промышленности и торговли Российской Федерации. - 2012120150/28; заявл. 16.05.2012; опубл. 27.03.2014, Бюл. №9], содержащий (см. фиг. 1) приемную антенну 1, трехвходовый СВЧ-переключатель 2, СВЧ-циркулятор 3, усилитель высокой частоты 4, квадратичный детектор 5, усилитель низкой частоты 6, синхронный фильтр 7, синхронный детектор 8, блок вычисления множительно-делительной операции 9, регистратор 10, блок управления модуляцией 16, «горячую» эталонную согласованную нагрузку 11, «холодную» эталонную согласованную нагрузку 14, термодатчик «горячей», эталонной согласованной нагрузки 12, термодатчик «холодной» эталонной согласованной нагрузки 15, нагревательный элемент «горячей» эталонной согласованной нагрузки 13, твердотельный источник «холодного» шума 17, термодатчик твердотельный источника «холодного» шума 18.
В представленном техническом решении недостатком является наличие твердотельного генератора низкотемпературного шума, реализация которого осуществляется на основе активных полупроводниковых элементов и узлов, например малошумящих усилителей, диодов с барьером Шоттки, требующих дополнительного источника питания, системы контроля изменения или поддержания стабильности в виде термостата и т.д. Сложность конструкции обусловлена наличием трех источников опорного шумового сигнала, что является существенным недостатком для радиометрических систем.
Известен нулевой радиометр, выбранный в качестве прототипа [Пат. №2439594 РФ, МПК G01R 29/08. Нулевой радиометр / Филатов А.В., Убайчин А.В., Жуков Н.О.; Заявитель и патентообладатель Томск, гос. ун-тет систем упр. и радиоэлектроники. - №2010122360/28; заявл. 01.06.2010; опубл. 10.01.2012, Бюл. №1], содержащий (см. фиг. 2) последовательно соединенные антенну 1, направленный ответвитель 2, модулятор 3, приемник 7, импульсный усилитель 8, фильтр высоких частот 9, синхронный фильтр низких частот 10, компаратор 11, блок управления 12. Второй вход компаратора соединен с общей шиной радиометра. Первый и второй выходы блока управления подключены к соответствующим управляющим входам синхронного фильтра низких частот и модулятора, а третий является выходной шиной радиометра 14. Выход источника тока 6 соединен с входом генератора шума 5. Выходной сигнал генератора поступает на входы модулятора через переключатель 16. Изменение мощности выходного сигнала генератора шума 5 осуществляется при помощи первого 4 и второго 15 аттенюаторов.
В радиометре осуществляются два вида синхронно выполняемых импульсных модуляций: амплитудная и широтная. Амплитудно-импульсная модуляция выполняется в модуляторе 3. Период модуляции состоит из двух полупериодов равной длительности. Широтно-импульсная модуляция сигнала генератора шума осуществляется в переключателе 16. Радиометр функционирует на принципе уравнивания энергий входного сигнала антенны и опорных источников шума, что реализуется изменением длительности сигнала широтно-импульсной модуляции. Оба опорных сигнала формируются от одного генератора шума. Первый из этих сигналов поступает в тракт антенны через аттенюатор 4 и направленный ответвитель 2, второй - через аттенюатор 15. Регулировка аттенюаторов осуществляется в процессе калибровки радиометра.
Принцип работы радиометра заключается в изменении длительности широтно-импульсного сигнала. Это изменение осуществляется до тех пор, пока компаратор, работающий в режиме сравнения с потенциалом общей шины, не определит равенство вольт-секундных площадей. В приведенном микроволновом радиометре результаты измерений не зависят от дрейфа коэффициента передачи приемника и его собственных шумов и их изменений.
К недостатку радиометра-прототипа можно отнести использование активного генератора шума, как эталона, обеспечивающего реализацию нулевого метода измерений. Активные генераторы шума создаются на основе лавинно-пролетных диодов или диодов Ганна. Характерной особенностью генератора шума на основе данных диодов является использование активного элемента в режиме пробоя на обратном участке вольт-амперной характеристики, что обуславливает необходимость использования источника тока с достаточно высоким напряжением питания по сравнению с номинальным напряжением питания основных блоков и узлов радиометра. Поэтому применяются дополнительные преобразователи напряжения, что сказывается на массе и габаритах радиометра в целом.
Передаточная функция радиометра настраивается в процессе калибровки и имеет два репера, в основе которых положен сигнал генератора шума. Эта особенность накладывает жесткие требования на долговременную и температурную стабильность генератора шума, что достигается путем глубокого термостатирования его активной зоны, применением питающих источников тока с высокой стабильностью, использованием схем, позволяющих учитывать старение элементов, медленные дрейфы и т.д.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в упрощении входной измерительной части нулевого радиометра при сохранении преимуществ нулевого метода измерений. В предлагаемом радиометре не используются активные генераторы шума, что упрощает конструкцию, снижает стоимость и массогабаритные параметры, увеличивает надежность.
Для достижения этого технического результата в нулевой радиометр, содержащий антенну, первый и второй высокочастотные переключатели, последовательно соединенные импульсный усилитель, фильтр высоких частот, синхронный фильтр низких частот, компаратор, блок управления, первый, второй и третий выходы которого подключены соответственно к управляющим входам синхронного фильтра низких частот, первого и второго высокочастотных переключателей, а четвертый выход является выходной шиной радиометра, общая шина которого соединена со вторым входом компаратора, термостатированную плату, на которой установлен и находится с ней в тепловом контакте первый высокочастотный переключатель, дополнительно введены установленная на термостатированной плате и находящаяся с ней в непосредственном тепловом контакте согласованная нагрузка, соединенная с первым входом первого высокочастотного переключателя, второй и третий входы которого подключены соответственно к высокочастотному короткозамыкателю и антенне, а выход через первый высокочастотный усилитель соединен с входом второго высокочастотного переключателя, первый и второй выходы которого через первый и второй полосно-пропускающие фильтры соответственно соединены с первым и вторым входами третьего высокочастотного переключателя, выход которого через последовательно соединенные второй высокочастотный усилитель и квадратичный детектор подключен к входу импульсного усилителя, причем управляющие входы второго и третьего высокочастотных переключателей объединены вместе.
На фиг. 1 приведена структурная схема радиометра-аналога.
На фиг. 2 представлена структурная схема радиометра-прототипа.
На фиг. 3 показана структурная схема предлагаемого нулевого радиометра.
На фиг. 4 проиллюстрированы временные диаграммы, поясняющие принцип работы предлагаемого нулевого радиометра.
Нулевой радиометр (см. фиг. 3) состоит из антенны 1, первого высокочастотного переключателя 3, высокочастотного короткозамыкателя 6, согласованной нагрузки 15, термостатированной платы 13, блока управления 12, первого высокочастотного усилителя 7, второго высокочастотного переключателя 16, первого 4 и второго 5 полосно-пропускающих фильтров, третьего высокочастотного переключателя 2, второго высокочастотного усилителя 17, квадратичного детектора 18, импульсного усилителя 8, фильтра высоких частот 9, синхронного фильтра низких частот 10, компаратора 11, выходной шины радиометра 14.
шим
аим
аим
шим
аим
Нулевой радиометр функционирует следующим образом (фиг. 4). Блок управления формирует два синхронно следующих управляющих импульсных сигнала t и t. Управляющий импульсный сигнал t представляет собой сигнал амплитудно-импульсной модуляции со скважностью два (меандр). Управляющий импульсный сигнал t представляет собой сигнал широтно-импульсной модуляции с возможностью изменения длительности от нуля до t.
шим
шим
аим
Оба управляющих сигнала со второго выхода блока управления 12 поступают по шине на управляющий вход первого высокочастотного переключателя 3. Под действием этих управляющих сигналов на вход первого высокочастотного усилителя 7 происходит последовательное подключение высокочастотного короткозамыкателя 6, согласованной нагрузки 15 и антенны 1. В первом полупериоде модуляции (см. фиг. 4) во время высокого уровня управляющего сигнала t на вход первого высокочастотного усилителя 7 подключен высокочастотный короткозамыкатель 6. На интервале времени низкого уровня управляющего сигнала t на вход первого усилителя 7 подключается согласованная нагрузка 15. Антенна 1 подключается на вход первого высокочастотного усилителя 7 во время высокого уровня управляющего сигнала t (второй полупериод модуляции).
аим
Первый 7 и второй 17 высокочастотные усилители предназначены для увеличения мощности измеряемых сигналов. Квадратичный детектор 17 выполняет операцию выделения огибающей входного сигнала по квадратичному закону (преобразование мощности в напряжение). Импульсный усилитель 8 увеличивает амплитуду продетектированного сигнала. Фильтр высоких частот 9 предназначен для устранения постоянной составляющей продетектированного сигнала, частота среза фильтра выбирается много больше частоты амплитудно-импульсной модуляции (1/t) для уменьшения искажений вольт-секундных площадей импульсов продетектированного сигнала.
Синхронный фильтр 10 уменьшает флуктуации шумовой составляющей продетектированного сигнала и обеспечивает защиту компаратора 11 от перегрузки. Синхронный фильтр 10 включает в себя три интегратора, поочередное подключение которых происходит синхронно с подключением на вход высокочастотного усилителя 7 высокочастотного короткозамыкателя 6, согласованной нагрузки 15 и антенны 1. Синхронный фильтр 10 выделяет постоянные составляющие перечисленных выше трех источников шумовых сигналов, обозначенных на фиг. 4 как уровни А, В, С. Управление работой синхронного фильтра 10 осуществляется по шине, соединяющей его управляющий вход с первым выходом блока управления 12.
Первый высокочастотный переключатель 3 работает в режиме мультиплексора с тремя входами и одним выходом. Второй высокочастотный переключатель 16 работает в режиме селектора, имеющего один вход и два выхода. Третий высокочастотный переключатель 2 работает в режиме мультиплексора и имеет два входа и один выход.
Центральные частоты первого 4 и второго 5 полосно-пропускающих фильтров равны между собой, а их рабочие полосы  и  соотносятся согласно следующему равенству:
шим
шим
шим
шим
шим
шим
При этом рабочая полоса частот радиометра определяется рабочей полосой первого 4 или второго 5 полосно-пропускающих фильтров, установленных между соответствующими выходами и входами второго 16 и третьего 2 высокочастотных переключателей (см. фиг. 3). Второй 16 и третий 2 высокочастотные переключатели работают синхронно под управлением сигнала t. При этом в моменты времени высокого уровня сигнала t вход первого высокочастотного переключателя 16 коммутируется на его первый выход, а первый вход третьего высокочастотного переключателя 2 соединяется с его выходом. В моменты времени низкого уровня сигнала t вход второго высокочастотного переключателя 16 соединен с его вторым выходом, а второй вход третьего высокочастотного переключателя 2 коммутируется на его выход. Таким образом, происходит синхронное с управляющим сигналом t изменение рабочей полосы частот радиометра - высокий уровень сигнала t соответствует рабочей полосе частот , определяемой первым полосно-пропускающим фильтром 4, низкий уровень сигнала t соответствует рабочей полосе частот , обусловленной вторым полосно-пропускающим фильтром 5.
Нулевой радиометр находится в состоянии нулевого баланса при условии равенства вольт-секундных площадей отрицательного и положительного импульсов модулированной последовательности (отмечены штриховкой на фиг. 4), аналогично нулевому радиометру, выбранному в качестве прототипа.
шим
При подключении на вход первого высокочастотного усилителя 7 высокочастотного короткозамыкателя 6 (высокий уровень t) на его выходе формируется сигнал, пропорциональный сумме собственных шумов радиометра, приведенных к входу первого высокочастотного усилителя 7 и этих же шумов, переотраженных в высокочастотном короткозамыкателе 6. Таким образом, на выходе первого высокочастотного усилителя 7 формируется сигнал, пропорциональный удвоенной эффективной температуре собственных шумов радиометра, при отсутствии интерференции на его входе. В работе [Троицкий B.C. К теории контактных радиометрических измерений внутренней температуры тел // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. - 1981. - №9. - С. 1954-1961] приведено условие отсутствия интерференции: электрическая длина высокочастотного короткозамыкателя 6 должна выбираться таким образом, чтобы в ней укладывалось несколько интерференционных максимумов. Это условие достаточно легко реализуется с учетом диэлектрической проницаемости подложки, где расположены высокочастотные узлы и ширины рабочей полосы частот радиометра.
шим
Особенностью функционирования предлагаемого нулевого радиометра является компенсация удвоенной мощности собственных шумов, возникающей при подключении на вход первого высокочастотного усилителя 7 высокочастотного короткозамыкателя 6. Компенсация достигается путем синхронного (по высокому уровню управляющего сигнала t), с подключением высокочастотного короткозамыкателя 6, уменьшения рабочей полосы частот радиометра в два раза за счет использования первого полосно-пропускающего фильтра 4, для которого выполняется соотношение (1).
шим
Синхронное с управляющим сигналом t изменение рабочей полосы частот радиометра в соответствии с условием (1) позволяет сохранить постоянным уровень сигнала, обусловленного собственными шумами радиометра, на входе квадратичного детектора 18 на протяжении всего периода модуляции.
На фиг. 4 средние значения амплитуд на выходе синхронного фильтра 10 - для отрицательного импульса продетектированного сигнала обозначено за уровень А (соответствует коммутации высокочастотного короткозамыкателя 6 на вход первого высокочастотного усилителя 7), положительного - за уровень В (соответствует подключению согласованной нагрузки 15). Уровень, соответствующий второму полупериоду модуляции, при котором на вход квадратичного детектора 18 поступает сигнал антенны 1 (соответствует коммутации антенны 1 на вход первого высокочастотного усилителя 7), обозначен через С.
Тогда средние значения амплитуд соответствующих уровней продетектированного сигнала на выходе синхронного фильтра 10 равны:
уровень А
уровень В
уровень С
ш
сн
a
где G - полный коэффициент передачи высокочастотных 7, 17 и импульсного 8 усилителей, β - коэффициент передачи квадратичного детектора, k - постоянная Больцмана,  и  - рабочие полосы первого и второго полосно-пропускающих фильтров, Т - эффективная температура собственных шумов, приведенных к входу первого высокочастотного усилителя, Т - шумовая температура согласованной нагрузки 15, T - шумовая температура антенны 1.
Выражение, согласно которому выполняется условие нулевого баланса (равенство вольт-секундных площадей отрицательного и положительного импульсов), записывается следующим образом:
Левая часть выражения (5) определяет вольт-секундную площадь положительного импульса, правая - вольт-секундную площадь отрицательного импульса.
Подставляя выражения для уровней сигналов (2), (3), (4) в (5), после преобразований и сокращений и решая относительно длительности широтно-импульсного сигнала, получим:
Учитывая равенство (1), после подстановки в (6) вместо  значения  окончательно получим:
Выражение (8) устанавливает линейную связь шумовой температуры антенны с длительностью сигнала широтно-импульсной модуляции. Следовательно, через эту длительность можно косвенно определить сигнал антенны. Результаты измерений шумовой температуры антенны не зависят от коэффициента передачи усилителей и собственных шумов радиометра.
Из (7) измеряемый сигнал антенны равен:
шим
аим
сн
Подстановкой в выражение (8) длительности сигнала t равной t и нулю определим динамический диапазон измерений шумовой температуры антенны, который составит от 0 Кельвина до шумовой температуры согласованной нагрузки T, равной ее термодинамической температуре.
аим
шим
Блок управления 12 в радиометре вырабатывает все необходимые для функционирования сигналы. В нулевом радиометре осуществляется следящий режим работы и автоматическое поддержание нулевого баланса. Как следует из вышеприведенного описания принципа работы, необходимым условием нулевого приема является поддержание на входе компаратора 11 нулевого напряжения в фазу высокого уровня управляющего сигнала t (второй полупериод модуляции - уровень С). После анализа выходного сигнала компаратора блок управления корректирует цифровой код длительности широтно-импульсного сигнала t, что приводит к ее изменению в следующем полупериоде модуляции. Цифровой код длительности широтно-импульсного сигнала является цифровым эквивалентом измеряемого сигнала антенны и поступает на выходную шину 14 блока управления 12.
В нулевом радиометре блок управления выполнен на базе дискретных логических элементов, хотя для этого также могут быть использованы программируемые логические схемы, микроконтроллеры. В литературе с достаточной полнотой описаны конструкции и методы расчетов высокочастотных переключателей и усилителей, например [Гвоздев В.И., Нефедов Е.И, Объемные интегральные схемы СВЧ. - М.: Наука. - 1985 - 256 с.; Соколов М.А. Проектирование радиолокационных приемных устройств. - М.: Высшая школа. - 1984 - 256 с.]. Полосно-пропускающие фильтры выполнены на четвертьволновых резонаторах с торцевой связью [Маттей Д.Л., Янг Л., Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи, Т. 2. - М.: Связь. - 1972. 313 с.]. Синхронные фильтры низкой частоты описаны в [Фрейтер. Синхронный интегратор и демодулятор // Приборы для научных исследований. - 1965. - Т. 36, №5. - С. 53].
Таким образом, предложенная схема радиометра и реализованный в нем принцип нулевого приема позволили отказаться от использования полупроводникового генератора шума, что в результате упростило входную часть радиометра при сохранении преимуществ нулевого метода измерений, таких как устранение влияния на точность измерений двух основных дестабилизирующих факторов - дрейфа и флуктуаций коэффициента усиления и собственных шумов.