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

Изобретение относится к радиотехнике 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. Перцов С.В. Радиотеплолокация. М. Советское 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. Серия Радиоизмерительная техника, вып. 6, 1982).

Недостатком известных нулевых радиометров является большая абсолютная погрешность измерения мощности радиоизлучения шумового характера, обесловленная следующими причинами:
нестабильностью и нелинейностью регулируемого генератора шума, которая может достигать величин 10-20% в частности, за счет нестабильности и нелинейности электронных аттенюаторов (Техника средств связи. Серия Радиоизмерительная техника, вып. 6, 1982);
дрейфом постоянной составляющей и коэффициента усиления активных аналоговых элементов, входящих в состав синхронного детектора, усилителя постоянного тока и фильтра низкой частоты;
смещением оценки мощности радиоизлучения, вызванной радиотепловым излучением антенны и модулятора, которая изменяется с изменением температуры окружающей среды;
зависимостью показаний радиометра от коэффициента отражения на границе среда антенна.

Наиболее близким из известных является радиометр (патент США N 3628151, кл. H О4 B 1/06, 1971), который содержит антенну, первый и второй СВЧ-выключатель, направленный ответвитель, радиометрический приемник, генератор тактовой частоты, первую согласованную нагрузку, вторую согласованную нагрузку, первый синхронный детектор и второй синхронный детектор.

Такой нулевой радиометр уменьшает погрешности, обусловленные нестабильностью генератора шума и дрейфом постоянной составляющей и коэффициента усиления синхронного детектора, реализуемого аналоговыми элементами. Вместе с тем, такое построение нулевого радиометра не устраняет погрешностей, обусловленных измерениями, при вариациях температуры окружающей среды, шумового излучения антенны и циркулятора, а также реально включенной между ними кабельной системы. Не устраняется и зависимость показаний радиометра от величины коэффициента отражения на границе среда антенна в диапазоне его значений, наблюдаемых на практике.

Сущность изобретения заключается в том, что решается задача уменьшения абсолютной погрешности измерения шумовой температуры квазистационарного теплового излучения.

Для этого в нулевой радиометр, содержащий последовательно соединенные антенну, СВЧ-выключатель, направленный ответвитель, радиометрический приемник, генератор тактовой частоты и две согласованных нагрузки, одна из которых подключена к входу второго СВЧ-выключателя, введены дополнительно компаратор, последовательно соединенные первый цифро-аналоговый преобразователь и первый термоэлектрохолодильник, установленный в тепловом контакте с другой согласованной нагрузкой, которая подключена к первому входу СВЧ-ответвителя, выполненного в виде циркулятора, к второму входу которого через введенные первый и второй четвертьволновые отрезки линии подключены выходы соответственно первого и второго СВЧ-выключателей, а к третьему входу подключены последовательно соединенные радиометрический приемник, компаратор и реверсивный счетчик, к выходу которого подключены последовательно соединенные первый регистр и второй цифро-аналоговый преобразователь, выход которого соединен с вторым входом компаратора, второй регистр, выход которого соединен с входом первого цифро-аналогового преобразователя, последовательно соединенные третий регистр, третий цифро-аналоговый преобразователь и второй термоэлектрохолодильник, мультиплексор, выход которого соединен с вторым входом реверсивного счетчика, а первый, второй и третий входы с выходами соответствующих регистров, при этом выход генератора тактовой частоты соединен с третьим входом реверсивного счетчика и с последовательно соединенными делителем частоты на "2", делителем частоты на "3" и сдвиговым регистром, причем выход делителя частоты на "2" соединен также с вторым входом сдвигового регистра и четвертым входом реверсивного счетчика, выход делителя частоты на "3" соединен также с вторым входом первого регистра, первый выход сдвигового регистра соединен также с вторыми входами первого СВЧ-выключателя и второго регистра, второй выход сдвигового регистра соединен с вторыми входами второго СВЧ-выключателя и третьего регистра, первый, второй и третий управляющие входы мультиплексора соединены, соответственно, с первым и вторым выходами сдвигового регистра и выходом делителя частоты на "3", а второй термоэлектрохолодильник и вторая согласованная нагрузка находятся в тепловом контакте между собой и введенным датчиком температуры, выход которого является выходом радиометра.

Введенные изменения позволяют реализовать в нулевом радиометре два процесса авторегулирования.

Первое уравнение авторегулирования реализуется при подстройке температуры первой согласованной нагрузки таким образом, чтобы выполнялось условие
T_T(1-r) + (T_Σ+ dT)(r-1)=0, (1)
где
Т термодинамическая температура первой согласованной нагрузки
или
T_т= T_Σ + T·α (2),
Второе уравнение авторегулирования реализуется путем подстройки температуры второй согласованной нагрузки к величине суммарного шумового СВЧ-излучения кабельной системы, циркулятора и первой согласованной нагрузки, т. е.

T₁= T_Σ + T·α (3)
Следовательно, в процессе измерения определяется суммарное СВЧ-излучение элементов тракта и исключается его влияние и коэффициента отражения на показания нулевого радиометра. При этом из (2) и (3) следует, что термодинамическая температура второй согласованной нагрузки равняется радиотепловой температуре объекта, т.е.

T₁ T_т.

Таким образом, новая совокупность существенных признаков позволяет получить на выходе радиометра несмещенные оценки радиотепловой температуры объекта в диапазоне температур окружающей среды и наблюдаемых на практике изменениях коэффициента отражения.

На фиг.1 изображена блок-схема; на фиг.2 эпюры сигналов заявляемого нулевого радиометра.

Нулевой радиометр содержит последовательно соединенные антенну 1, первый СВЧ-выключатель 2, первую четвертьволновую линию 3, циркулятор 4, радиометрический приемник 5, компаратор 6, реверсивный счетчик 7, первый регистр 8 и второй цифро-аналоговый преобразователь 9, выход которого соединен с вторым входом компаратора 6, последовательно соединенные вторую согласованную нагрузку 10, второй СВЧ-выключатель 11 и вторую четвертьволновую линию 12, выход которой также, как и первой четвертьволновой линии 3 соединен с входом циркулятора 4, последовательно соединенные второй регистр 13, первый цифро-аналоговый преобразователь 14 и первый термоэлектрохолодильник 15, последовательно соединенные третий регистр 16, третий цифро-аналоговый преобразователь 17, второй термоэлектрохолодильник 18, последовательно соединенные генератор тактовой частоты 19, делитель частоты на "2" 20, делитель частоты на "3" 21 и сдвиговый регистр 22, первый и второй выходы которого соединены соответственно с вторыми входами второго 13 и третьего 16 регистров, первую согласованную нагрузку 23, выход которой соединен с вторым входом циркулятора 4, мультиплексор 24, выход которого соединен с третьим входом реверсивного счетчика 7, а первый, второй и третий входы соединены соответственно с выходами первого 8, второго 13 и третьего 16 регистров, и датчик температуры 25, выход которого является выходом нулевого радиометра, причем выход генератора тактовой частоты 19 соединен также со счетным входом реверсивного счетчика 7, выход делителя частоты на "2" 20 соединен с вторым входом сдвигового регистра 22 и четвертым входом реверсивного счетчика 7, выход делителя частоты на "3" 21 соединен также с вторым входом первого регистра 8, первый выход сдвигового регистра 22 соединен также с вторыми входами СВЧ-выключателя 11 и второго регистра 13, второй выход регистра сдвигового 22 соединен с вторыми входами второго СВЧ-выключателя 11 и третьего регистра 16, первый, второй и третий управляющие входа мультиплексора 24 соединены соответственно с первым и вторым выходами сдвигового регистра 22 и выходом делителя частоты на "3" 21, первые согласованная нагрузка 23 и термоэлектрохолодильник 15 находятся в тепловом контакте, а также в тепловом контакте находятся второй термоэлектрохолодильник 18, вторая согласованная нагрузка 10 и датчик температуры 25.

Нулевой радиометр работает следующим образом.

При закрытых первом СВЧ-выключателе 2 и втором СВЧ-выключателе 11 в соответствии с модуляцией, осуществляемой сигналами, поступающими с первого выхода U_M1 (фиг. 2г) и второго выхода U_M2 (фиг.2д) сдвигового регистра 22, шумовое радиоизлучение с выхода первой согласованной нагрузки 23 проходит в прямом и обратном направлениях циркулятор 4, отражаясь при этом от замкнутых на конце первой 3 и второй 12 четвертьволновых линий, преобразуется в радиометрическом приемнике 5 и поступает на вход компаратора 6 (фиг.2ж, позиция Т). В начале рассматриваемого такта модуляции в соответствии с управляющими сигналами U_M и U_M3 из первого регистра 8 через мультиплексор 24 в реверсивный счетчик 7 происходит запись содержимого реверсивного счетчика 7 на предыдущем такте модуляции U_M3, сохраняющегося в первом регистре 8. На выходе компаратора 6, при превышении порога шумовым видеосигналом U_прM (фиг. 2ж), образуется уровень логической "1", в противном случае уровень логического "0". Значение порога, формируемого вторым цифро-аналоговым преобразователем, определяется содержимым реверсивного счетчика 7 на предыдущем такте модуляции U_M3. Запись в реверсивный счетчик 7 производится с частотой сигнала генератора тактовой частоты 20 U_г (фиг.2а).

Таким образом, содержимое реверсивного счетчика 7 от такта к такту модуляции U_M1 меняется до тех пор, пока значение порога компаратора 6 не будет соответствовать среднему значению уровня сигнала U_прM (фиг.2ж) на такте Т, при этом число "1" и "0", поступающих в реверсивный счетчик 7, в среднем будет одинаково и содержимое счетчика 7 не будет изменяться.

Аналогично, при открытом первом СВЧ-выключателе 2 и закрытом втором СВЧ-выключателе 11 на вход компаратора 6 поступает видеосигнал, формируемый радиометрическим приемником 5 из СВЧ- сигнала, принимаемого антенной 1. По окончанию такта модуляции U_M3 и началом модуляции U_M1 в соответствии с сигналом U_M происходит запись содержимого реверсивного счетчика 7 в первый регистр 8, а в реверсивный счетчик 7 записывается содержимое второго регистра 13. Значение кода, хранящегося во втором регистре 13, преобразуется в первом цифро-аналоговом преобразователе 14 в аналоговый сигнал, управляющий температурой первого термоэлектрохолодильника 15 и находящейся в тепловом контакте с ним первой согласованной нагрузки 23. Температура первой согласованной нагрузки 23 увеличивается (уменьшается) до тех пор, пока среднее значение содержимого реверсивного счетчика 7 на такте U_M1 не станет равным среднему значению содержимого реверсивного счетчика 7 на такте U_M3, т.е. выполнится условие

Также при закрытом первом СВЧ-выключателе 2 и открытом втором СВЧ-выключателе 11 на вход компаратора 6 поступает видеосигнал, формируемый радиометрическим приемником 5 из СВЧ-сигнала, излучаемого второй согласованной нагрузкой 10. По окончанию такта модуляции U_M1 и началом такта модуляции U_M2 в соответствии с сигналом U_M происходит запись содержимого реверсивного счетчика 7 во второй регистр 8, а в реверсивный счетчик 7 записывается содержимое третьего регистра 16. Значение кода, хранящееся в третьем регистре 16, преобразуется в третьем цифро-аналоговом преобразователе 17 в сигнал, управляющий температурой второго термоэлектрохолодильника 18 и находящейся в тепловом контакте с ним второй согласованной нагрузки 10. Температура второй согласованной нагрузки 10 увеличивается (уменьшается) до тех пор, когда среднее значение содержимого реверсивного счетчика 7 на такте U_M2 не станет равным среднему значению содержимого счетчика реверсивного 7 на такте U_M3, т.е. выполнится условие
T₁= T_Σ + η_цη_кT (5)
и, с учетом (4)
T₁ T_x,
т. е. термодинамическая температура второй согласованной нагрузки 10, измеряемая датчиком температуры 25, равняется радиотепловой температуре на входе антенны 1.

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 до 30^oC изменение смещения оценки температуры достигает 1^oC.

Использование: для измерения мощности радиоизлучения шумового характера. Сущность изобретения: устройство содержит антенну, подключенную к первому СВЧ-выключателю, циркулятор, радиометрический приемник, генератор тактовой частоты и две согласованные нагрузки, одна из которых подключена к входу второго СВЧ-выключателя. Введены два четвертьволновых отрезка линии передачи, компаратор, реверсивный счетчик, три регистра, три цифро-аналоговых преобразователя, два термоэлектрохолодильника, мультиплексор, делитель частоты на "2", делитель частоты на "3" и сдвиговый регистр. 2 ил.

Нулевой радиометр, содержащий антенну, подключенную к первому СВЧ-выключателю, СВЧ-ответвитель, радиометрический приемник, генератор тактовой частоты и две согласованные нагрузки, одна из которых подключена к входу второго СВЧ-выключателя, отличающийся тем, что введены компаратор и последовательно соединенные первый цифроаналоговый преобразователь и первый термоэлектрохолодильник, установленный в тепловом контакте с другой согласованной нагрузкой, которая подключена к первому входу СВЧ-ответвителя, выполненного в виде циркулятора, к второму входу которого через введенные первый и второй четвертьволновые отрезки линии подключены выходы соответственно первого и второго СВЧ-выключателей, а к выходу подключены последовательно соединенные радиометрический приемник, компаратор и реверсивный счетчик, к выходу которого подключены последовательно соединенные первый регистр и второй цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с вторым входом компаратора, второй регистр, выход которого соединен с входом первого цифроаналогового преобразователя, последовательно соединенные третий регистр, третий цифроаналоговый преобразователь и второй термоэлектрохолодильник, мультиплексор, выход которого соединен с вторым входом реверсивного счетчика, а первый, второй и третий входы с выходами соответствующих регистров, при этом выход генератора тактовой частоты соединен с третьим входом реверсивного счетчика и с последовательно соединенными делителем частоты на 2, делителем частоты на 3 и сдвиговым регистром, причем выход делителя частоты на 2 соединен также с вторым входом сдвигового регистра и четвертым входом реверсивного счетчика, выход делителя частоты на 3 соединен с вторым входом первого регистра, первый выход сдвигового регистра соединен с вторыми входами первого СВЧ-выключателя и второго регистра, второй выход сдвигового регистра соединен с вторыми входами второго CВЧ-выключателя и третьего регистра, первый, второй и третий управляющие входы мультиплексора соединены соответственно с первым и вторым выходами сдвигового регистра и выходом делителя частоты на 3, а второй термоэлектрохолодильник и вторая согласованная нагрузка находятся в тепловом контакте между собой и введенным датчиком температуры, выход которого является выходом радиометра.