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

Изобретение относится к пассивной радиолокации и может использоваться для приема слабых шумовых сигналов в широком диапазоне частот.

Известен радиометр (А.М. Асланян, А.Г. Карапетян и др. Изв. вузов. Радиофизика, 1990 г. т.33, N 7, с.783 аналог) модуляционного типа, содержащий (см. фиг. 1) антенну 1, модулятор 2, эталонную нагрузку 3, приемник 4, два ключа 5 и 6, настраиваемый делитель 7, переключатель 8, усилитель низкой частоты 9, синхронный детектор 10, интегратор 11, выходной индикатор 12, генератор опорного напряжения 13. В радиометре используется последетекторная модуляция коэффициента усиления. После детектора происходит разделение шумовых сигналов от антенны и эквивалента на два канала с помощью противофазной работы ключей 5 и 6. В результате в первом канале выделяется напряжение, пропорциональное сумме шумовых температур антенны и собственных шумов приемника T_а+T_ш, а во втором канале выделяется напряжение, пропорциональное сумме шумовых температур эквивалента и собственных шумов приемника T_э+T_ш. В дальнейшем осуществляется балансировка каналов, которая заключается во введении ослабления в канал эквивалента с помощью управляемого делителя напряжения (настраиваемого делителя 7), так как T_а<T_э. При этом достигается выполнение равенства T_а+T_ш K(T_э+T_ш), где K коэффициент деления напряжения резистивными делителями. Коэффициент ослабления K устанавливается один раз при калибровке радиометра. Для проведения этой процедуры на вход прибора вместо антенны подключается эталонный источник шума и устанавливается при достижении выше упомянутого баланса коэффициент передачи K₁ управляемого делителя напряжения, который запоминается на переменном резисторе R₁. При подключении на вход радиометра других эталонный источников шума определяются для них коэффициенты передачи K_п, которые тоже фиксируются на переменных резисторах R_n и используются в качестве калибровочных величин. Таким образом, создается прямая преобразования радиометра.

В дальнейшем при работе радиометра абсолютные эталоны уже не используются, а в качестве эталонов используются коэффициенты передачи делителя в канале эквивалента. При подаче на вход измеряемого сигнала от антенны T величины сигналов в каналах уравновешиваются путем регулировки рабочего делителя напряжения R₀, коэффициент передачи K₀ которого проградуирован в единицах эквивалентной шумовой температуры и может быть определен из выражения:

где T_а1, T_а2 и K₁, K₂ подключаемые на вход радиометра эталонные источники шума и соответствующие им коэффициенты ослабления управляемого делителя напряжения.

Таким образом, в данном радиометре коэффициент передачи измерительного тракта не входит в выражение для определения K₀ и его медленные изменения не вносят дополнительной погрешности в результаты измерения как при калибровке, так и в процессе эксплуатации.

К недостаткам этого радиометра можно отнести невысокую точность измерений. Результаты измерений при неизменном сигнале от антенны T_а зависят от стабильности шумовых температур эквивалента T_э и собственной шумовой температуры приемника T_ш. Очевидна необходимость постоянства шумовых температур T_э и T_ш. Эти шумовые температуры должны оставаться неизменными в процессе эксплуатации прибора и равными тем температурам, когда выполнялась калибровка прибора. Их изменения влияют как на наклон калибровочной характеристики, так и на смещение ее относительно нулевого уровня. Низкую точность измерений можно также объяснить следующим образом. В канале эквивалента ослаблению подвергается не только сигнал эквивалента, но и собственные шумы приемника. Вследствие этого собственные шумы приемника не одинаково проходят по каналам эквивалента и антенны. Таким образом, шумовой сигнал антенны отличается от ослабленного с коэффициентом K₀ сигнала эквивалента и будет меньше на величину T_ш(1-K₀), то есть T_а K₀T_э T_ш(1-K₀). Из этого следует, что изменение собственной шумовой температуры приемника на dT_ш при неизменных величинах T_а, K₀, T_э будет эквивалентно появлению сигнала на входе dT_а, численно равного dT_ш(1-K₀). Следовательно, для достижения точной работы прибора необходимо тщательно термостатировать эквивалент и приемно-усилительный тракт радиометра (хотя бы температуру первых каскадов УВЧ). В данном радиометре для разделения сигнала на два канала используются ключевые элементы. Они должны обладать малыми потерями, сохранять стабильность во времени и при изменении условий эксплуатации прибора.

Известен компенсационный радиометр (авт. св. N 1337832, кл. G 01 R 29/08 аналог), блок-схема которого приведена на фиг. 2. Этот радиометр включает в себя антенну 1, три полосовых фильтра 2, 5, 6, приемник 3, делитель мощности 4, аттенюатор 7, два квадратичных детектора 8 и 9, блок компенсации 10, УНЧ 11, регистратор 12. Два полосовых фильтра 2 и 5 (входной и подключенный к первому выходу делителя мощности) одинаковы и имеют полосу пропускания частот df₁. Третий полосовой фильтр 6, подключенный к второму выходу делителя мощности, имеет полосу df₂. Эти полосы частот взаимно не перекрываются. Амплитудно-частотная характеристика усилителей высокой частота (УВЧ) приемника равномерна и одинакова в обеих полосах df₂ и df₂, и изменение коэффициента усиления и шумов УВЧ в этих полосах происходит идентично и синхронно. Таким образом, на входе первого квадратичного детектора 8 присутствует аддитивная смесь шумового сигнала и входных собственных шумов, суммарная мощность которых равна где G коэффициент усиления по мощности УВЧ, k постоянная Больцмана, T_а эффективная шумовая температура сопротивления излучения антенны, эффективная температура, обусловленная собственными шумами преемника в полосе df₁. На вход второго квадратичного детектора 9 поступают только собственные шумы УВЧ, мощность которых определяется из выражения , где эффективная температура шумов УВЧ в полосе df₂ и η - коэффициент передачи аттенюатора 7. Путем настройки аттенюатора при коэффициенте передачи η₁ обеспечивается равенство шумовых мощностей на входах квадратичных детекторов при отсутствии сигнала, т. е. . При появлении антенного сигнала благодаря селективным свойствам полосовых фильтров этот сигнал проходит только к первому квадратичному детектору 8, нарушая равновесие нулевого баланса на выходе радиометра. Для компенсации сигнала антенны изменяют с помощью аттенюатора величину шумового сигнала на входе второго квадратичного детектора 9, шумы на входе которого являются собственными шумами приемника. Нулевой уровень напряжения на выходе радиометра достигается уже при другом значении аттенюации η₂. Так, что тогда:

Шкала аттенюатора, проградуированая в градусах Кельвина, является измерительной шкалой. Таким образом, регулировкой величины опорного сигнала на входе второго квадратичного детектора, который формируется из собственных шумов приемника, достигается состояние нулевого приема. В этом случае коэффициент усиления приемника не влияет на точность представления результатов измерения. Сохранение показаний dη при неизменном сигнале от антенны T_а во времени и от изменений условий рабочей среды зависит от стабильности отношения df₁/df₂, что не является сложной технической задачей (фильтры на встречных стержнях, выполненные из инвара, титана).

К недостаткам этого радиометра можно отнести невысокую точность измерений, которая будет в первую очередь зависеть от стабильности шумовой температуры приемника. Следовательно, для достижения неизменности собственных шумов приемника необходимо термостатировать усилительно-измерительный тракт радиометра. Наличие двух квадратичных детекторов будет вносить также погрешность в результаты измерения, которые вызваны несинхронностью изменения их коэффициентов передачи от температуры внешней среды. Измеряемый сигнал от антенны, разделяясь, проходит на два выхода делителя мощности и на входы блока компенсации поступает только его половина. Для регулировки опорного сигнала используется аттенюатор. Поэтому предъявляются жесткие требования к его линейности. Изготовление прецизионных аттенюаторов является дорогостоящей работой.

Известен нулевой радиометр (авт. св. N 17O41O7, кл. G 01 R 29/08, 1989 г. ), выбранный в качестве прототипа, состоящий из (см. фиг. З) антенны 13, входного устройства, расположенного на термостатированной плате 14 и включающего модулятор 5, на второй вход которого поступает сигнал от согласованной опорной нагрузки 12, а на первый вход сумма сигналов от антенны 13 и последовательно соединенных управляемого генератора тока 4, генератора шума 3, аттенюатора 2, через направленный ответвитель 1. Радиометр также содержит после модулятора приемник 6, импульсный усилитель 7, фильтр верхних частот 8, синхронный фильтр 9, компаратор 10 (сравнение входного напряжения с нулевым потенциалом), блок управления 11, выходную цифровую шину 14.

В радиометре ввод дополнительного шума компенсации от генератора 3 через направленный ответвитель 1 в тракт антенны осуществляется импульсами переменной длительности. Условием поддержания радиометра в нулевом балансе является равенство нулю напряжения на первом входе компаратора 10 в той половине периода модуляции, когда на вход приемника 6 произведена коммутация согласованной нагрузки. Для этого в измерительный тракт радиометра введен фильтр верхних частот 8, основным назначением которого является исключение постоянной составляющей напряжения в передаваемой через него импульсной периодической последовательности сигналов. Равенство нулю напряжения на входе компаратора в полупериод подключения на вход согласованной нагрузки достигается путем выравнивания вольт-секундных площадей импульсных сигналов в другой полупериод модуляции, когда на вход приемника выполнена коммутация антенны, без сигнала от генератора шума и с включенным генератором шума. Это выравнивание осуществляется изменением длительности ввода сигнала от генератора шума, которая в этом случае будет являться информативной и линейно связана с сигналом антенны. Такой широтно-импульсный сигнал вырабатывается блоком управления на своем четвертом выходе. Одновременно с первого выхода блок управления управляет синхронным фильтром и со второго выхода производит переключения в модуляторе.

К недостаткам этого радиометра можно отнести недостаточную точность измерений, непосредственно зависящую от временной стабильности генератора шума, от точности поддержания тока, вырабатываемого управляемым по включению-выключению генератором тока, от его быстродействия. Ввод в плечо антенны дополнительного шумового сигнала от генератора приводит к увеличению флуктуаций на выходе прибора и к снижению его чувствительности. В реальном направленном ответвителе часть шумовой мощности генератора шума поступает в антенну, облучая объект наблюдения, что приводит к дополнительным искажениям представляемых результатов измерения.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в нулевой радиометр, содержащий антенну, модулятор, согласованную нагрузку, термостатированную плату и последовательно соединенные приемник, импульсный усилитель, фильтр верхних частот, синхронный фильтр, компаратор, блок управления, причем модулятор и согласованная нагрузка установлены на термостатированной плате и находятся с ней в тепловом контакте, первый выход блока управления подключен к управляющему входу синхронного фильтра, второй вход компаратора подключен к общему проводу, второй выход блока управления соединен с управляющим входом модулятора, а третий является выходом нулевого радиометра, введены вторая согласованная нагрузка, второй модулятор и первый и второй полосовые фильтры, причем вторая согласованная нагрузка и второй модулятор установлены на термостатированной плате и находятся с ней в тепловом контакте, первый вход второго модулятора соединен с согласованной нагрузкой, второй вход через первый полосовой фильтр соединен с второй согласованной нагрузкой, управляющий вход подключен к четвертому выходу блока управления, а выход второго модулятора соединен с вторым входом первого модулятора, первый вход которого соединен с антенной, а выход соединен с входом приемника через второй полосовой фильтр.

При анализе других технических решений в данной области не удалось обнаружить устройств, обладающих идентичными свойствами и признаками.

На фиг. 1 представлена структурная схема нулевого радиометра с балансировкой каналов после квадратичного детектора (аналог); на фиг. 2 - структурная схема компенсационного радиометра с частотным формированием опорного сигнала из собственных шумов приемника (аналог); на фиг. 3 - структурная схема радиометра с широтно-импульсной модуляцией опорного сигнала генератора шума (прототип); на фиг. 4 структурная схема предлагаемого нулевого радиометра; на фиг. 5 временные диаграммы одного периода модуляции, поясняющие принцип работы радиометра.

Согласно структурной схемы на фиг. 4, радиометр включает в себя следующие блоки и узлы: антенну 1, два идентичных модулятора 2 и 12, две идентичные согласованные нагрузки 10 и 13, первый 14 и второй 15 полосовые фильтры, термостатированную плату 11, приемник 3, импульсный усилитель 4, фильтр верхних частот 5, синхронный фильтр 6, компаратор 7, блок управления 8, выходную цифровую шину 9.

Принцип работы радиометра заключается в следующем. В данном радиометре модуляции подвергаются три шумовых сигнала: измеряемый сигнал от антенны T_а и два опорных. Два опорных сигнала формируются от одинаковых согласованных нагрузок 10 и 13, находящихся на термостатированной плате 11 при одинаковой физической температуре T₀. Нагрузки подключены к входам второго модулятора 12. Причем первая согласованная нагрузка 10 подключена к первому входу второго модулятора 12 непосредственно, а вторая согласованная нагрузка 13 подключена к второму входу второго модулятора через первый полосовой фильтр 14, имеющий полосу пропускания df₁. Второй полосовой фильтр 15, введенный в измерительный тракт радиометра и подключенный к входу приемник 3, имеет полосу рабочих частот df₂. Полосовые фильтры должны удовлетворять следующим двум условиям. Во первых, полоса второго полосового фильтра 15 должна быть шире полосы первого полосового фильтра 14, т. е. df₂ ndf₁, где n целое. Во вторых, рабочая полоса df₁ должна находиться внутри полосы df₂. В этом случае приемно-измерительный тракт радиометра должен иметь равномерную амплитудно-частотную характеристику в полосе df₂ и при изменении внешних условий (температура, напряжение источников питания и т. д.) эта характеристика должна изменяться на одинаковую величину во всей полосе df₂. Отсюда следует, что шумовые мощности опорных сигналов, поступающие от согласованных нагрузок на вход приемника, будут соответственно равны:
Для первой согласованной нагрузки 10
W_0,1 kT₀ df₂ (1)
Для второй согласованной нагрузки 13
W_0,2 kT₀ df₁ (2)
где k постоянная Больцмана.

Шумовая мощность сигнала антенны соответственно равна
W_а kT_а df₂ (3).

Таким образом, на вход приемника 3 будут поступать в соответствии с сигналами блока управления 8 и соответствующими переключениями в первом 2 и втором 12 модуляторах три шумовых сигнала, мощности которых равны W_0,1, W_0,2, W_а. Для выполнения правильных измерений величина антенного сигнала должна находиться в пределах W_0,2 <W_а <W_0,1. Переключения в первом модуляторе 2 осуществляются по управляющему импульсному сигналу типа меандра, поэтому на вход приемника на равные интервалы времени t_м подключаются либо выход второго модулятора 12 (первая половина периода модуляции), либо сигнал антенны (второй полупериод). В первом полупериоде модуляции второй модулятор 12 осуществляет широтно-импульсную модуляцию опорных сигналов, обладающих различной шумовой мощностью. Сигнал от первой согласованной нагрузки 10 поступает на вход приемника 3 на время t_шис. Импульс длительностью t_шис вырабатывается на четвертом выходе блока управления. Затем по истечении времени t_шис (в промежутке t_м-t_шис) на вход приемника подключается вторая согласованная нагрузка 13 через первый полосовой фильтр 14.

После прохождения такой промодулированной последовательностью сигналов линейного приемно-измерительного тракта после квадратичного детектирования и усиления в импульсном усилителе 4 на выходе фильтра верхних частот 5 будет регистрироваться периодический сигнал, один период которого показан на фиг. 5а (при произвольной длительности t_шис). Контур автоматического регулирования длительности t_шис замыкается через блок управления 8. Так как в измерительном тракте радиометра имеется фильтр верхних частот (исключается постоянная составляющая напряжения в импульсной периодической последовательности сигналов), то изменение времени t_шис подключения первой согласованной нагрузки на вход приемника и вызванное этим соответствующее изменение длительности подключения к входу приемника второй согласованной нагрузки (при неизменной длительности полупериода модуляции) приводит к смещению периодической последовательности сигналов модуляции на входе компаратора относительно нулевой линии. Поэтому изменением t_шис можно получить на входе компаратора напряжение, равное нулю, именно в ту половину периода модуляции, когда на вход приемника подключена антенна. Временная диаграмма для такого случая показана на фиг. 5б. Условие нулевого баланса работы радиометра вытекает из равенства вольт-секундных площадей импульсов S₁ и S₂ в первом полупериоде модуляции. Т. е. S₁ S₂ или
K(W_0,1-W_а)t_шис K(W_а-W_0,2)(t_м-t_шис), (4)
где К полный коэффициент передачи всего измерительного тракта от входа приемника 3 до первого входа компаратора 7.

Подставляя в формулу (4) соотношения (1), (2), (3) и решая относительно t_шис, получим:

Искомый сигнал от антенны будет равен:

Из формулы (5) следует, что выходной сигнал, представленный длительностью t_шис, не зависит от коэффициента передачи тракта K (его дрейфа и медленных флуктуаций) и изменяется по линейному закону от 0 до t_м при изменении Т_а от T₀x(df₁/df₂) до Т₀. Изменяя соотношение полос df₁ и df₂, легко изготовить радиометр с переменной границей измеряемых сигналов. Для этого только необходимо выполнить полосовой фильтр 14 с другой полосой пропускания. Усилению в измерительном тракте подвергаются также собственные шумы приемника и входного узла, которые аддитивны по отношению к сигналу, имеют постоянный уровень. Привнесенная этим собственным шумом постоянная составляющая напряжения будет отфильтровываться в фильтре верхних частот и на вход компаратора для анализа поступать не будет.

В блоке управления 8 (как и в прототипе) осуществляется переход от длительностей t_шис и t_м к их цифровым эквивалентам и на выходной цифровой шине будет формироваться код:

где N_макс максимально возможный цифровой код, когда во всех разрядах цифровой шины единицы.

В радиометре новыми узлами являются вторая согласованная нагрузка 13, второй модулятор 12 и два полосовых фильтра 14 и 15. Согласованная нагрузка и модулятор полностью подобны первой согласованной нагрузке 10 и первому модулятору 2, конструктивно расположены рядом с ними и крепятся на термостатированной плате так, чтобы находиться с ней в тепловом контакте. Полосно-пропускающие фильтры в зависимости от длины волны регистрируемых сигналов могут быть выполнены на встречных стержнях, на параллельно-связанных полуволновых резонаторах и т.д. и рассчитаны, например, по справочному пособию ( Справочник по элементам полосковой техники./ Под ред. А. Л. Фильдштейна. М. Связь, 1979).

Использование предлагаемых технических решений позволяет повысить точность нулевого метода измерений. В прототипе в качестве опорной шумовой нагрузки используется генератор шума, обладающий недостаточной временной стабильностью с нелинейной зависимостью между выходной мощностью и величиной протекаемого через него тока. В предлагаемом радиометре роль опорных нагрузок выполняют согласованные с линией передачи сопротивления, находящиеся при физической температуре прибора, и полосовые фильтры пассивные устройства, параметры которых можно выполнить с высокой точностью и они могут обладать достаточно стабильными характеристиками. В прототипе ввод дополнительного сигнала подшумливания осуществляется через направленный ответвитель. Так как реальный направленный ответвитель обладает конечным коэффициентом направленности, часть мощности сигнала генератора шума будет поступать в антенну, искажать показания. В предлагаемом радиометре отсутствует направленный ответвитель. Что может являться особенно важным, в расчетную формулу для нахождения T_а входит только физическая температура прибора.

Изобретение относится к пассивной радиолокации и может использоваться для приема слабых шумовых сигналов в широком диапазоне частот. Нулевой радиометр содержит антенну 1, два идентичных модулятора 2 и 12, приемник 3, импульсный усилитель 4, фильтр верхних частот 5. синхронный фильтр 6, компаратор 7, блок управления 6, выходную цифровую шину 9, две согласованные идентичные нагрузки 10, 13, термостатированную плату 11, первый и второй полосовые фильтры 14 и 15, причем модуляторы и согласованные нагрузки установлены на термостатированной плате и находятся с ней в тепловом контакте, второй выход компаратора 7 подключен к общему проводу. 5 ил.

Нулевой радиометр, содержащий антенну, модулятор, согласованную нагрузку, термостатированную плату и последовательно соединенные приемник, импульсный усилитель, фильтр верхних частот, синхронный фильтр, компаратор, блок управления, причем модулятор и согласованная нагрузка установлены на термостатированной плате и находятся с ней в тепловом контакте, первый выход блока управления подключен к управляющему входу синхронного фильтра, второй вход компаратора подключен к общему проводу, второй выход блока управления соединен с управляющим входом модулятора, а третий является выходом нулевого радиометра, отличающийся тем, что введены вторая согласованная нагрузка, второй модулятор, первый и второй полосовые фильтры, причем вторая согласованная нагрузка и второй модулятор установлены на термостатированной плате и находятся с ней в тепловом контакте, первый вход второго модулятора соединен с согласованной нагрузкой, второй вход через первый полосовой фильтр соединен с второй согласованной нагрузкой, управляющий вход подключен к четвертому выходу блока управления, а выход второго модулятора соединен с вторым входом первого модулятора, первый выход которого соединен с антенной, а выход соединен с входом приемника через второй полосовой фильтр.