НУЛЕВОЙ РАДИОМЕТР Российский патент 1997 года по МПК G01R29/08 G01S13/95 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в медицине, радиоастрономии и других областях народного хозяйства для измерения мощности радиоизлучения шумового характера.

Известны нулевые радиометры, предназначенные для измерения мощности радиоизлучения шумового характера, в которых нестабильность их коэффициента передачи не вызывает появления погрешности измерения. Например, нулевой радиометр (Николаев А.Г. Перцев С.В. Радиотеплолокация, М, Сов.радио, 1964, с. 111-115) состоит из антенны, модулятора, радиометрического приемника, синхронного детектора, фильтра низкой частоты, усилителя постоянного тока, регулируемого генератора шума, содержащего собственно генератор шума и управляемый аттенюатор, и генератора модулирующего сигнала.

В известных нулевых радиометрах измеряемый сигнал сравнивается с регулируемым сигналом эталонного генератора шума, например активного (лампового или полупроводникового) или пассивного ("абсолютно черное тело"), в сочетании с электронными аттенюаторами (Техника средств связи. Сер. "Радиоизмерительная техника", вып.6, 1982).

Недостатком известных нулевых радиометров является большая абсолютная погрешность измерения мощности радиоизлучения шумового характера, обусловленная следующими причинами:
смещение оценки мощности радиоизлучения, вызванной радиотепловым излучением антенны и модулятора, которая изменяется с изменением температуры окружающей среды;
зависимостью показания радиометра от коэффициента отражения от объекта.

Наиболее близким из известных нулевых радиометров является радиометр (Троицкий В.С. Рахлин В.Л. Нулевой медицинский радиометр на волну 30 см. Радиофизика1987, т.30, N 11), состоящий (фиг. 1) из антенны, СВЧ выключателя, циркулятора, радиометрического приемника, управляемого генератора шума и генератора модулирующего сигнала, причем антенна, СВЧ -выключатель, циркулятор, радиометрический приемник и управляемый генератор шума соединены последовательно, а выход генератора модулирующего сигнала соединен со вторыми входами СВЧ-выключателя и радиометрического приемника.

Такой нулевой радиометр уменьшает погрешности, обусловленные изменчивостью коэффициента отражения объекта, но не устраняет погрешности, обусловленные изменением шумового излучения антенны, циркулятора и соединяющего их кабеля при вариациях температуры окружающей среды.

Сущность изобретения заключается в том, что решается задача уменьшения абсолютной погрешности измерения шумовой температуры квазистационарного теплового радиоизлучения. Для этого в нулевой радиометр, содержащий последовательно соединенные антенну, кабель, СВЧ-выключатель, циркулятор, радиометрический приемник и управляемый генератор шума, выход которого соединен со вторым выходом циркулятора, а также генератор модулирующего сигнала, выход которого соединен со вторым выходом СВЧ-выключателя и радиометрического приемника, введены дополнительно попарно последовательно соединенные включатель и нагреватель, первые запоминающие устройство и умножитель, вторые запоминающее устройство и умножитель, третьи запоминающее устройство и умножитель, четвертые запоминающее устройство и умножитель, а также первый, второй и третий датчики температуры, выходы которых соединены со вторыми выходами второго, третьего и четвертого умножителей, сумматор, первый, второй, третий и четвертый входы которого соединены с выходами первого, второго, третьего и четвертого умножителей соответственно, а выход является выходом нулевого радиометра, причем второй выход генератора шума, линейно связанный с его шумовой температурой, соединен со входом первого умножителя, первый датчик температуры и нагреватель находятся в тепловом контакте с циркулятором, второй датчик температуры находится в тепловом контакте с антенной, а третий датчик температуры находится в тепловом контакте со средой, в которой расположен кабель.

Введение изменения позволяет с необходимой точностью определить коэффициент затухания антенны, кабеля и циркулятора с учетом реальных потерь монтажа, т.е. в готовом приборе, и с учетом показаний датчиков температуры компенсировать погрешности изменения, обусловленные шумовым излучением антенны, кабеля и циркулятора.

Действительно, уравнение авторегулирования прототипа с учетом потерь в кабеле имеет вид

где Т_т радиотепловая температура объекта (тела),
T_А,к,ц термодинамические температуры антенны, кабеля и циркулятора собственно,
Т термодинамическая температура согласованной нагрузки,
η_А,к,ц коэффициенты передачи антенны, кабеля и циркулятора соответственно.

Следовательно, в выражение, определяющее температуру объекта (тела)

входят коэффициенты передачи (затухания) антенны, кабеля и циркулятора.

Так как современные средства измерения не позволяют определить коэффициенты затухания СВЧ-элементов с погрешностью менее δη 0,1 дБ, то нескомпенсированное изменение ошибки смещения, при T_ц T_к T_А T_o

может достигать в диапазоне рабочих температур окружающей среды ΔT_o= 10^°C

Предлагаемое построение нулевого радиометра позволяет получить три уравнения для определения коэффициентов затухания циркулятора, кабеля и антенны с заранее заданной точностью. Для этого используют калибровочный режим работы на эквивалент тела (эталон), с изменяемой температурой, при выключенном и включенном нагревателе, который изменяет температуру циркулятора.

Из условия работы нулевого радиометра на эквивалент тела с изменяемой температурой от T_т1 до Т_т2 и включенном нагревателе следуют два уравнения

и

Для включенного нагревателя имеем третье уравнение

Система уравнений (4), (5) и (6) имеет решение, определяющее коэффициенты передачи антенны, кабеля и циркулятора




Необходимая точность вычисления η_ц,η_A,η_к достигается выбором времени усреднения Т₁, T₂ и T*2

.

Как показывает опыт работы коэффициенты передачи пассивных СВЧ-элементов не изменяются в течение длительного времени, до полугода и более. Следовательно, для обеспечения работоспособности нулевого радиометра достаточно процедуру измерения коэффициентов передач η_ц,η_A,η_к (калибровку) проводить с такой же периодичностью. После определения они заносятся в запоминающее устройство, после чего нулевой радиометр используется для измерений. Таким образом, новая совокупность существенных признаков позволяет определить на стадии калибровки коэффициенты передачи антенны, кабеля и циркулятора и использовать эти значения на стадии измерения шумовой температуры радиоизлучения для компенсации погрешности, обусловленной шумовым излучением антенны, кабеля и циркулятора.

На чертеже изображена блок-схема заявляемого нулевого радиометра.

Заявляемый радиометр содержит последовательно соединенные антенну 1, СВЧ-выключатель 2, циркулятор 3, радиометрический приемник 4, регулируемый генератор шума 5, выход которого соединен со вторым входом циркулятора 3, генератор модулирующего сигнала 6, выход которого соединен со вторым входом СВЧ-выключателя 2 и вторым входом радиометрического приемника 4, последовательно соединенные выключатель 7 и нагреватель 8, попарно последовательно соединенные первые запоминающее устройство 9 и умножитель 10, вторые запоминающее устройство 11 и умножитель 12, третьи запоминающее устройство 13 и умножитель 14, четвертые запоминающее устройство 15 и умножитель 16, а также первый датчик температуры 17, выход которого соединен со входом первого умножителя 10, второй датчик температуры 18, выход которого соединен со входом третьего умножителя 14, третий датчик температуры 19, выход которого соединен со входом четвертого умножителя 16, сумматор 21, первый, второй, третий и четвертый входы которого соединены с выходами первого, второго, третьего и четвертого умножителей 10, 12, 14, 16 соответственно, а выход является выходом нулевого радиометра, причем второй выход управляемого генератора шума 5, линейно связанный с его шумовой температурой, соединен со входом первого умножителя 10, первый датчик температуры 17 и нагреватель 8 находятся в тепловом контакте с циркулятором 3, второй датчик температуры 18 находятся в тепловом контакте с антенной 1, а третий датчик находится в тепловом контакте со средой.

Нулевой радиометр работает следующим образом. При воздействии шумового радиоизлучения на вход антенны 1, например, от эталона с температурой Т_т, при открытом СВЧ-выключателе 2 (первый такт модуляции), на вход радиометрического приемника 4 поступает суммарный СВЧ сигнал от тела, антенны 1 и кабеля с мощностью
To1

= T_т•η_A•η_к+T_A(1-η_A)η_к+T_к(1-η_к)
При закрытом СВЧ выключателе 2 (второй такт модуляции) на вход радиометрического приемника 4 поступает СВЧ сигнал с генератора шума 6 с мощностью
To2 = T•η_ц+T_ц(1-η_ц)
Таким образом, на вход радиометрического приемника 4 поступает промодулированный СВЧ-сигнал. В радиометрическом приемнике 4 СВЧ-сигнал гетеродинируется, усиливается, детектируется, а также происходит его синхронное детектирование и интегрирование сигнала синхронного детектора.

Сигнал с выхода радиометрического приемника 4 поступает на управляющий вход генератора шума 5, увеличивая или уменьшая его шумовую температуру до тех пор, пока не установится равновесие, определяемое условием To1

= To2.

Предварительно, на стадии калибровки, последовательно измеряют шумовое радиоизлучение эталона с температурами T_т1 и T_т2 при выключенном нагревателе 8, затем при одном из значений T*т(1,2)

для включенного нагревателя. В результате из уравнений (4), (5), (6) определяют коэффициенты a, b, c и d, которые заносят в первое 10, второе 12, третье 14 и четвертое 16 запоминающее устройства.

Во время измерений радиотеплового излучения объектов нулевым радиометром значения сигналов генератора шума 5, первого 17, второго 18 и третьего 19 датчиков температуры умножаются в умножителях 10, 12, 14 и 16 соответственно на коэффициенты a, b, c и d, которые хранятся в запоминающих устройствах 9, 11, 13 и 15 и затем суммируются в сумматоре 20, в результате чего на его выходе образуется оценка мощности шумового радиоизлучения тела.

Предлагаемый нулевой радиометр имеет на порядок меньшую погрешность измерения температуры объекта, чем разработанный и изготовленный на УПКБ "Деталь" по заказу ПТО "Медтехника" г.Екатеринбурга радиотермометр РТМ-3, у которого в интервале температур окружающей среды от 20^o до 30^oC изменение смещения оценки температуры достигает 1^oC.

Использование: в медицине, радиоастрономии для измерения мощности радиоизлучения шумового характера. Сущность изобретения: устройство содержит последовательно соединенные антенну, СВЧ-выключатель, циркулятор, радиометрический приемник, управляемый генератор шума, включатель, нагреватель, три датчика температуры, четыре запоминающих устройства и умножителя, сумматор. Первый датчик температуры и нагреватель находятся в тепловом контакте с циркулятором. Второй датчик температуры находится в тепловом контакте с антенной. Третий датчик температуры находится в тепловом контакте со средой. 1 ил.

Нулевой радиометр, содержащий последовательно соединенные антенну, СВЧ выключатель, циркулятор, радиометрический приемник и управляемый генератор шума, первый выход которого соединен с вторым входом циркулятора, а также генератор модулирующего сигнала, выход которого соединен с вторыми входами СВЧ выключателя и радиометрического приемника, отличающийся тем, что в него дополнительно введены попарно последовательно соединенные выключатель и нагреватель, первое запоминающее устройство и первый умножитель, второе запоминающее устройство и второй умножитель, третье запоминающее устройство и третий умножитель, четвер- тое запоминающее устройство и четвертый умножитель, а также первый, второй и третий датчики температуры, выходы которых соединены с вторыми входами соответственно второго, третьего и четвертого умножителей, подключенных выходами к соответствующим входам введенного сумматора, выход которого является выходом нулевого радиометра, причем второй выход управляемого генератора шума соединен с входом первого умножителя, выход которого подключен к первому входу сумматора, первый датчик температуры и нагреватель находятся в тепловом контакте с циркулятором, второй датчик температуры находится в тепловом контакте с антенной, а третий датчик температуры находится в тепловом контакте со средой.