РАДИОМЕТР С СИСТЕМОЙ КАЛИБРОВКИ
RADIOMETER WITH CALIBRATION SYSTEM

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к СВЧ-радиометрическим приемникам для техники дистанционного зондирования земной поверхности и мирового океана.
В частности к СВЧ радиометрии.
Изобретение может быть использовано для измерения и регистрации радиояркостных температур собственного радиотеплового излучения подстилающей поверхности и может применяться в народном хозяйстве.
Известны схемы модуляционных радиометров, в которых применяется модуляция и непрерывная внутренняя калибровка по двум опорным источникам с различными температурами [1] и с тремя опорными источниками с различными температурами. [2].
Из известных устройств наиболее близким можно считать радиометр с трехопорной модуляцией [2]. На фиг. 2 [2] изображена схема радиометра с трехопорной модуляцией, содержащего последовательно соединенные приемную антенну, являющуюся входом устройства, СВЧ-переключатель три в один, циркулятор, усилитель высокой частоты, квадратичный детектор, усилитель низкой частоты, синхронный фильтр, синхронный детектор, блок вычисления множительно-делительной операции, регистратор прибор управления модуляцией. В радиометр входят «горячая» и «холодная» эталонные согласованные нагрузки, и конструктивно связанные с ними термодатчики «горячей» и «холодной» эталонных согласованных нагрузок, выходы которых соединены со входами регистратора, и нагревательный элемент, конструктивно связанный с «горячей» эталонной согласованной нагрузкой и нагревающий ее до температуры выше температуры «холодной» эталонной согласованной нагрузки. К СВЧ-переключателю подключен источник «холодного» или низкотемпературного шума с конструктивно связанным термодатчиком, выход которого соединен со входом регистратора. «Горячая» эталонная согласованная нагрузка вводится в приемный СВЧ тракт через СВЧ-переключатель, в то время как «холодная» эталонная согласованная нагрузка вводится в тракт через циркулятор.
Наиболее привлекательными источниками низкотемпературного шума являются твердотельные полупроводниковые генераторы (см. [4]), однако их применение в качестве эталонной нагрузки ограничено из-за непредсказуемости значения температуры генерируемого ими шума. Этот недостаток может быть устранен путем специальной процедуры калибровки шума твердотельного полупроводникового генератора по известным стабильным эталонам.
Основным признаком технического решения является то что, благодаря наличию двух эталонов с различными температурами, процесс модуляции совмещен с процессом непрерывной внутренней калибровки, так, что на выходе радиометра непрерывно регистрируются значения антенных температур Та, вычисленные по формуле (1) [3]:
где Тг - значение температуры «горячей» эталонной согласованной нагрузки, измеренное термодатчиком;
Тх - значение температуры источника «холодного» шума, полученное при предварительной внутренней калибровки;
Ua - значение сигнала, соответствующее антенной температуре;
Ux - значение сигнала, соответствующее температуре источника «холодного» шума;
Uг - значение сигнала, соответствующее температуре «горячей» эталонной согласованной нагрузки.
С учетом того, что температура горячего внутреннего эталона всегда выше температуры «холодного» внутреннего эталона и, учитывая, что измеренные температуры термодатчиками существенно точнее, чем измерения, сделанные при помощи радиометра, то абсолютная погрешность измерения антенной температуры может быть описана формулой (2) [3]:
где ΔUa, ΔUг, ΔUx - абсолютные погрешности измерения соответствующих величин.
Используя формулу (1), можно выразить значения напряжений через соответствующие им радиояркостные температуры, тогда формула (2) примет вид [3]:
где KU - величина, обратная вольт - градусной характеристики термодатчиков.
График зависимости абсолютной погрешности измерений от значения антенной температуры, рассчитанный по формуле (3) для реальных значений температур эталонов представлен на фиг. 3 [2]. За счет применения «холодного» шума вместо «холодного» согласованного эталона удается расширить интервал, на котором абсолютная погрешность сохраняет свое постоянное значение, что позволяет повысить точность измерений.
Экспериментально установлено, что наибольшее влияние на величину шумовой температуры твердотельного источника «холодного» шума оказывает его термодинамическая температура. Поэтому, калибровка твердотельного источника «холодного» шума производится при первом включении СВЧ-радиомера и всякий раз когда термодинамическая температура твердотельного источника «холодного» шума, измеренная соответствующим термодатчиком, изменяется на определенную величину, для чего выход термодатчика твердотельного источника «холодного» шума подключен к регистратору.
Для калибровки «холодного» шума используется «холодный» согласованный эталон, что позволяет определить его значение и учитывать при измерениях антенной температуры, выполненных по формуле (1).
Обеспечение заданной чувствительности СВЧ-радиометра принимаемого шумового сигнала на фоне собственных шумов обеспечивается за счет так называемого радиометрического выигрыша [5]:
где Тш - шумовая температура всего радиометра;
Δf - полоса принимаемых частот;
ΔF - полоса пропускания выходного фильтра, в случае однозвенного RC-фильтра ΔF=1/4τ, τ=RC; также т по сути определяет время наблюдения за шумовым сигналом;
α - коэффициент порядка единицы, зависит главным образом от схемы радиометра.
Таким образом, применение схемы с трехопорной модуляцией и использование в ней источника «холодного» шума, позволяет повысить точность измерения радиояркостной температуры и при этом обеспечить компенсацию влияния окружающей среды.
Однако, недостатком описанного радиометра с трехопорной модуляцией является невысокая точность калибровки источника «холодного» шума по значению температуры внутреннего «холодного» согласованного эталона, необходимость использовать переключатель три в один и обеспечивать дополнительные энергетические затраты на функционирование источника «холодного» шума, что не позволяет в полной мере воспользоваться заявленным преимуществом.
В качестве возможного решения указанного выше недостатка предлагается использовать шумы малошумящего усилителя, отраженные от переключателя два в один и подведенные обратно к малошумящему усилителю уже как полезный эталонный источник «холодного» шума. Для калибровки данного источника предлагается использовать внешние низкотемпературные эталоны с известными термодинамическими температурами, подключенные к антенне СВЧ-радиометра. Использование термодатчика, расположенного в непосредственной близости от малошумящего усилителя, для корректировки значения «холодного» эталона в зависимости от изменений температуры окружающей среды сможет обеспечить стабильность значения эталона на протяжения заданного времени. Для реализации этого метода необходимо изменить схему радиометрического приемника.
Таким образом, целью изобретения является повышение точности измерения радиояркостных температур в интервале измеряемых температур, путем применения шума малошумящего усилителя, отраженного от переключателя два в один и подведенного обратно к малошумящему усилителю как источник «холодного» шума с калибровкой его по известным стабильным внешним и внутренним эталонам.
Поставленная цель достигается тем, что в известном радиометре с трехопорной модуляцией содержащим последовательно соединенные приемную антенну, являющуюся входом устройства, СВЧ-переключатель три в один, 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, термодатчик «холодной» эталонной согласованной нагрузки, выход которого соединен со входом блока вычисления множительно-делительной операции, усилитель высокой частоты, квадратичный детектор, усилитель низкой частоты, синхронный фильтр, синхронный детектор, блок вычисления множительно-делительной операции, регистратор, твердотельный источник «холодного» шума выход которого подключен ко входу СВЧ-переключателя, термодатчик твердотельного источника «холодного» шума, конструктивно связанный с твердотельным источником «холодного» шума, выход которого подключен ко входу блока вычисления множительно-делительной операции, «горячая» эталонная согласованная нагрузка, подключенная к СВЧ-переключателю и конструктивно связанный с ней термодатчик «горячей» эталонной согласованной нагрузки, выход которого соединен со входом 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, на управляющие входы СВЧ-переключателя, синхронного фильтра и синхронного детектора подаются сигналы управления модуляцией от прибора управления модуляцией, заменен СВЧ-переключатель три в один на два в один, вместо СВЧ-циркулятора, «холодного» согласованного эталона с конструктивно связанным термодатчиком, твердотельного источника «холодного» шума с конструктивно связанным термодатчиком, дополнительно введен термодатчик, конструктивно связанный с усилителем высокой частоты, термодатчик для измерения термодинамической температуры внешнего низкотемпературного эталона и СВЧ фильтр для повышения частотной избирательности.
Предлагаемый радиометр 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 приложенного к нему чертежа.
На фиг. 1 изображена схема радиометра с двухопорной модуляцией и источником «холодного» шума, источником которого является шум усилителя высокой частоты, отраженный от переключателя два в один и подведенный на вход усилителя высокой частоты как эталонный сигнал.
Предлагаемый СВЧ радиометр содержит приемную антенну 1, СВЧ-переключатель два в один 2, усилитель высокой частоты 3, СВЧ фильтр 4, квадратичный детектор 5, усилитель низкой частоты 6, синхронный фильтр 7, синхронный детектор 8, блок вычисления множительно-делительной операции 9, регистратор 10, прибор управления модуляцией 15, «горячую» эталонную согласованную нагрузку И, термодатчик «горячей» эталонной согласованной нагрузки 12, нагревательный элемент «горячей» эталонной согласованной нагрузки 13, термодатчик «холодного» шума 14, термодатчик внешнего низкотемпературного эталона 16.
Предлагаемый радиометр с системой калибровки работает следующим образом. Как и в радиометре с трехопорной модуляцией, прием сигнала производится периодически, с периодом модуляции, например один килогерц. За время одного периода модуляции половину периода модуляции принимается и накапливается сигнал от антенны, для чего СВЧ-переключатель по управляющему сигналу от прибора управления модуляцией переключает сигнал с выхода антенны на вход усилителя высокой частоты. Аналогично, на время равное одной четверти периода модуляции СВЧ-переключатель переключает на вход усилителя высокой частоты сигнал от «горячей» эталонной согласованной нагрузки и на время равное одной четверти периода модуляции СВЧ-переключатель полностью закрывается таким образом, чтобы шумы усилителя высокой частоты отразились от него и пришли обратно на вход усилителя высокой частоты как источник «холодного» шума. При этом, за время накопления сигналов τна выходе синхронного детектора формируются два сигнала: Ua-Ux и Ux-Uг, первый пропорционален разности антенной температуры и шумовой температуры источника «холодного» шума и второй пропорционален разности температуры «горячей» эталонной согласованной нагрузки и шумовой температуры источника «холодного» шума. Аналогично радиометру с трехопорной модуляцией в блоке множительно-делительной операции производится вычисление антенной температуры по формуле (1):
В отличие от известной схемы радиометра с трехопорной модуляцией, где значение шумовой температуры твердотельного источника «холодного» шума известно в любой момент времени, так как непрерывно измеряется при помощи «холодной» эталонной согласованной нагрузки, в радиометре с двухопорной модуляцией и источником «холодного» шума, источником которого является шум усилителя высокой частоты, значение шумовой температуры источника «холодного» шума Тх априорно не известно. Поэтому в радиометре с двухопорной модуляцией для измерения значения шумовой температуры источника «холодного» шума Тх периодически - например каждый раз до проведения измерений СВЧ-радиометром, с периодом существенно большим периода модуляции применяется процедура калибровки источника «холодного» шума по внешнему низкотемпературному эталону, в ходе которой, измеряется и запоминается значение Тх - шумовой температуры источника «холодного» шума. В промежутках между калибровками источника «холодного» шума шумовая температура Тх считается постоянной и ее значение используют для вычисления антенной температуры по формуле (1).
Для процедуры калибровки источника «холодного» шума необходимо к предлагаемому радиометру подключить через антенну внешний низкотемпературный эталон и поместить как можно ближе к этому эталону термодатчик внешнего низкотемпературного эталона 16. Показания с термодатчика вводятся в СВЧ-радиометр через блок вычисления множительно-делительной операции.
Процедура калибровки проводится следующим образом: на время одного периода модуляции половину периода модуляции принимается и накапливается сигнал от источника «холодного» шума, для чего СВЧ-переключатель по управляющему сигналу от прибора управления модуляцией закрывается, чтобы шумовой сигнал от усилителя высокой частоты смог от него отразиться и вернуться на вход усилителя высокой частоты и стать уже источником «холодного» шума. На время равное одной четверти периода модуляции СВЧ-переключатель переключает на вход усилителя высокой частоты сигнал от «горячей» эталонной согласованной нагрузки и на время равное одной четверти периода модуляции СВЧ-переключатель подключает сигнал от антенны, где расположен внешний низкотемпературный эталон. За время накопления сигналов на выходе синхронного детектора формируются два сигнала: Ux-Uxэ и Ur-Uxэ, первый пропорционален разности шумовой температуры «холодного» шума от усилителя высокой частоты и шумовой температуры внешнего низкотемпературного эталона и второй пропорционален разности температуры «горячей» эталонной согласованной нагрузки и шумовой температуры внешнего низкотемпературного эталона. Чувствительность СВЧ-радиометра принимаемого шумового сигнала, согласно формуле (4), зависит от времени накопления сигналов. Чем больше время накопления, тем, в том числе, точнее измеряется значение шумовой температуры. При калибровке «холодного» шума от усилителя высокой частоты время накопления выбирается значительно больше времени накопления антенного сигнала τ, так чтобы точность измерения шумовой температуры была бы не хуже наперед заданной величины. Значение шумовой температуры «холодного» шума от усилителя высокой частоты вычисляется по формуле (5) и запоминается в блоке множительно-делительной операции:
Где Тг и Тхэ - значения термодинамических температур «горячей» эталонной согласованной нагрузки и внешнего низкотемпературного эталона, измеренные соответствующими термодатчиками. Вычисленное и запомненное значение шумовой температуры «холодного» шума от усилителя высокой частоты Тх используется для вычисления антенной температуры Та по формуле (1).
В остальном радиометр с системой калибровки, использующий шумы первого каскада усиления в качестве низкотемпературного эталона, работает по известной схеме.
Использование изобретения позволит повысить точность измерения радиояркостной температуры подстилающей поверхности.