РАДИОМЕТР Российский патент 2003 года по МПК G01R29/08 G01S13/95 

Изобретение относится к пассивной радиолокации и может использоваться для приема электромагнитных сигналов шумового характера в широком диапазоне частот.

Известен радиометр (а.с. 1337832, кл. G 01 R 29/08 - аналог), блок-схема которого приведена на фиг.1. Радиометр состоит из антенны 1, трех полосовых фильтров 2, 5, 6, приемника 3, делителя мощности пополам 4, аттенюатора 7, двух квадратичных детекторов 8 и 9, блока компенсации 10, усилителя низкой частоты 11 и регистратора 12. Два полосовых фильтра: входной фильтр 2 и подключенный к первому выходу делителя мощности фильтр 5 одинаковы, имеют полосу пропускания частот δf₁. Третий полосовой фильтр 6, подключенный к второму выходу делителя мощности, имеет полосу δf₂. Эти полосы частот взаимно не перекрываются. Амплитудно-частотная характеристика усилителей, входящих в приемник 3, равномерна и одинакова в обеих полосах δf₁ и δf₂. Изменение коэффициента усиления и шумов приемника происходит идентично в этих полосах. Таким образом, на вход первого квадратичного детектора 8 поступает суммарный сигнал, состоящий из входного сигнала антенны и собственных шумов приемника, полная мощность которого равна (G/2)k(T_a+T_δf1)δf₁, где G - коэффициент усиления по мощности сигналов в приемнике, 1/2 - коэффициент деления делителя 4, k - постоянная Больцмана, Т_a - эффективная шумовая температура сопротивления излучения антенны, T_δf1 - эффективная шумовая температура, обусловленная собственными шумами приемника в полосе δf₁, приведенная к входу приемника.

На вход второго квадратичного детектора 9 поступают только собственные шумы приемника, мощность которых определяется из выражения (G/2)kT_δf2δf₂η, где T_δf2 - эффективная температура шумов приемника в полосе δf₂, η - коэффициент передачи аттенюатора 7. Настройкой аттенюатора на коэффициент передачи η₁ обеспечивается равенство шумовых мощностей на входах квадратичных детекторов при отсутствии сигнала, то есть (G/2)k(T_a1+T_δf1)δf₁ = (G/2)kT_δf2δf₂η₁, где T_a1 - шумовая температура антенны, когда сигнал не находится в пределах ее диаграммы направленности. При появлении сигнала на входе антенны, благодаря селективным свойствам фильтров он будет проходить только к входу первого квадратичного детектора 8 и тем самым нарушит равновесие нулевого баланса на выходе радиометра. Для восстановления нулевого баланса изменяют величину сигнала на входе детектора 9, изменяя коэффициент передачи аттенюатора. Баланс будет достигнут уже при другом значении коэффициента поглощения аттенюатора η₂. Так что (G/2)k(T_a2+T_δf1)δf₁ = (G/2)kT_δf2δf₂η₂, где Т_а2 - эффективная шумовая температура антенны, на вход которой поступает измеряемый сигнал. Тогда
dη = η₂-η₁ = [(T_a2-T_a1)/T_δf2](δf₁/δf₂).
Шкала аттенюатора, проградуированная в градусах Кельвина, является измерительной шкалой. Таким образом, регулировкой величины опорного сигнала, сформированного из собственных шумов радиометра, достигается состояние нулевого приема, когда коэффициент усиления приемника не влияет на точность измерений.

К недостаткам этого радиометра можно отнести невысокую точность измерений, которая будет зависеть от стабильности собственных шумов радиометра, из которых формируется опорный сигнал. Наличие двух квадратичных детекторов будет вносить также погрешность в результаты измерения, вызванные изменением их коэффициентов передачи от температуры внешней среды. Для регулировки опорного сигнала используется аттенюатор. Следовательно, жесткие требования должны предъявляться к линейности его передаточной характеристики. Прецизионные аттенюаторы являются дорогостоящими.

Известен радиометр (патент РФ 2093845, кл. G 01 R 29/08, G 01 S 13/95, 1997 г. ), выбранный в качестве прототипа, состоящий из (фиг.2) антенны 1, двух одинаковых модуляторов 2 и 3, двух идентичных согласованных нагрузок 4 и 5, выполняющих роль шумовых генераторов, двух полосовых фильтров 6 и 7, термостатированной платы 8, тракта усиления сигналов, состоящего из приемника 9, широкополосного усилителя 10, фильтра верхних частот 11, синхронного фильтра 12, компаратора 13 (нуль-органа), а также блока управления 14 и выходной цифровой шины 15. Особенностью радиометра является построение его входной части.

В данном радиометре модуляции на входе подвергаются три шумовых сигнала: измеряемый сигнал антенны Т_а и два опорных сигнала. Опорные сигналы формируются от одинаковых согласованных нагрузок 4 и 5, находящихся на термостатированной плате 8 при одинаковой физической температуре То. Нагрузки подключены к входам первого модулятора 2. Первая нагрузка 4 подключена непосредственно, а вторая нагрузка 5 через фильтр 6 с полосой пропускания δf₁. Второй полосовой фильтр 7 установлен на выходе второго модулятора 3 непосредственно перед приемником 9 и имеет полосу пропускания частот δf₂. Полосовые фильтры удовлетворяют двум условиям. Во-первых, полоса второго фильтра 7 шире полосы первого фильтра 6 и выполняется равенство
δf₂ = nδf₁, (1)
где n - положительное число, большее единицы. Во-вторых, рабочая полоса δf₁ находится внутри полосы δf₂. Приемно-усилительный тракт радиометра имеет равномерную амплитудно-частотную характеристику в полосе δf₂ и при изменении внешних условий изменение коэффициента усиления приемника происходит на одинаковую величину в этой полосе.

Таким образом, если выполняется соотношение (1), мощности шумовых сигналов антенны, первой и второй согласованных нагрузок на входе приемника 9 соответственно равны
W_a = kT_aδf₂ = kT_anδf₁; (2)
W_сн,1 = kT₀δf₂ = kT₀nδf₁; (3)
W_сн,2 = kT₀δf₁. (4)
Для сигналов должно выполняться неравенство W_сн,2<W_a<W_сн,1 во всем диапазоне изменения сигнала антенны.

Сигналы согласованных нагрузок в модуляторе 2 подвергаются широтно-импульсной модуляции. В модуляторе 3 сигнал антенны и выходной сигнал первого модулятора 2 подключаются к входу приемника на равные промежутки времени. Закон модуляции для второго модулятора 3 - симметричные импульсы со скважностью 2. Управление обоими модуляторами происходит с выходов 1 и 2 блока управления.

Принцип работы радиометра- прототипа заключается в следующем. Условием нулевого баланса в радиометре является равенство нулю напряжения на входе компаратора 13 в половину периода модуляции, когда к входу приемника 9 подключена антенна. Для осуществления принципа в измерительный тракт радиометра введен фильтр верхних частот 11, частота среза которого ниже частоты модуляции модулятора 3. Основное назначение фильтра - исключение постоянной составляющей в сигнале. Если напряжение на входе компаратора 13 равно нулю в полупериоде модуляции при подключенной антенне, следовательно и равны вольт-секундные площади положительного (от действия сигнала первой согласованной нагрузки 4) и отрицательного (сигнал второй согласованной нагрузки 5, прошедший фильтр 6) импульсов в другом полупериоде при подключенном выходе модулятора 2 к приемнику 9. Тогда сигнал антенны определяется из соотношения
Т_а=(T₀/n)+[(n-1)Т₀/n](t_шис/t_мод), (5)
где t_шис - длительность широтно-импульсного сигнала, поступающего на управляющий вход модулятора 2, t_мод - длительность симметричного сигнала на входе управления модулятором 3.

Регулировка равенства вольт-секундных площадей импульсов осуществляется блоком управления путем изменения длительности широтно-импульсного сигнала t_шис без изменения основного периода модуляции, заданного длительностью t_мод.

Как следует из выражения (5), сигнал антенны непосредственно определяется через длительность t_шис, с которой связан по линейному закону. В формулу не входит коэффициент усиления измерительного тракта, а также собственные шумы приемника, так как постоянная составляющая сигнала отфильтровывается фильтром верхних частот 11.

Данным радиометром, как следует из (5), можно измерять сигналы от Т₀/n(t_шис= 0) до Т₀(t_шис=t_мод). Так как температуру термостатированной платы То можно изменять лишь в небольших пределах, поэтому верхняя граница измеряемых сигналов может быть изменена путем нагрева платы 8, но в небольших пределах. Невозможность изменения верхней границы измеряемых сигналов в больших пределах является недостатком радиометра-прототипа. Нижняя граница, как следует из равенства (5), может варьироваться в широких пределах изменением параметра n, который определяется соотношением полос полосовых фильтров 6 и 7.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей и построение схемы радиометра, способного измерять большие сигналы антенны, что может иметь место, например, при измерении радиояркостной температуры Солнца или в металлургической промышленности при дистанционном определении температуры расплавленного металла в задымленных помещениях. Также, в предлагаемом радиометре по сравнению с прототипом происходит повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в модуляционный радиометр, содержащий антенну, приемник, фильтр верхних частот, синхронный фильтр, компаратор, блок управления, который имеет один вход и первый, второй, третий, четвертый выходы, причем четвертый выход является выходной цифровой шиной радиометра, первый и второй полосовые фильтры, термостатированную плату, на которой установлены и находятся с ней в тепловом контакте первая и вторая одинаковые согласованные нагрузки, первый и второй одинаковые модуляторы, причем первая согласованная нагрузка подключена к первому входу первого модулятора, третий выход блока управления соединен с управляющим входом синхронного фильтра, второй вход компаратора соединен с нулевой шиной радиометра, а его выход подключен к входу блока управления, введены предварительный усилитель и усилитель, причем вход предварительного усилителя подключен к выходу приемника, а выход - к последовательно соединенным синхронному фильтру, усилителю, фильтру верхних частот, первому входу компаратора, антенна соединена с вторым входом первого модулятора, выход которого через первый полосовой фильтр подключен к первому входу второго модулятора, к второму входу которого через второй полосовой фильтр подключена вторая согласованная нагрузка, а выход второго модулятора соединен с входом приемника, причем управляющие входы первого и второго модуляторов подключены соответственно к второму и первому выходам блока управления.

На фиг. 1 представлена структурная схема радиометра с частотным формированием опорного сигнала из собственных шумов приемника (аналог); на фиг.2 представлена структурная схема радиометра с широтно-импульсной модуляцией опорных сигналов; на фиг.3 представлена структурная схема предлагаемого радиометра; на фиг.4 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип работы радиометра.

Согласно структурной схемы на фиг.3 радиометр включает в себя следующие блоки и узлы: антенну 1, одинаковые модуляторы 2, 3 и согласованные нагрузки 4, 5, два полосовых фильтра 6 и 7, термостатированную плату 8, приемник 9, предварительный низкочастотный усилитель 10, синхронный фильтр 11, низкочастотный усилитель 12, фильтр верхних частот 13, компаратор 14, блок управления 15 и выходную цифровую шину 16.

По сравнению с прототипом изменена конфигурация входной части радиометра до приемника 9, в которой происходит модуляция сигналов. Также в измерительном низкочастотном тракте (после приемника) произведены изменения, которые приводят к повышению точности работы радиометра. Вместо одного усилителя, как в прототипе, в низкочастотный тракт введены два: первый усилитель 10 осуществляет предварительное усиление сигналов модуляции, второй усилитель 12 производит усиление промодулированных сигналов, когда в них значительно подавлены выбросы шумовой составляющей сигнала в интегрирующих звеньях низкочастотного синхронного фильтра 11. Это предотвращает перегрузку усилителя 12. Фильтр верхних частот 13 непосредственно установлен перед компаратором и тем самым способствует повышению точности работы измерительной схемы, так как в этом случае данный фильтр кроме своей основной функции - исключение постоянной составляющей в сигнале - удаляет также напряжение смещения схемы синхронного фильтра 11, который в прототипе стоит после названного фильтра, и возможный его дрейф не будет влиять на точность показаний радиометра. Блок управления аналогичен блоку управления в прототипе и выработкой соответствующих управляющих импульсных сигналов на выходах 1, 2, 3 реализует принцип работы радиометра, который заключается в следующем.

В первом модуляторе 2 осуществляется симметричная импульсная модуляция сигналов антенны 1 и первой согласованной нагрузки 4, соответственно равных Т_а и Т₀. Согласованная нагрузка выполняет роль шумового генератора, и так как она находится на термостатированной плате 8 при температуре То и согласована с первым входом модулятора 2, следовательно, ее эффективная шумовая температура равна термодинамической температуре платы. Первый модулятор 2 переключается поступающими на вход управления импульсами t_мод с выхода 2 блока управления 15, скважность которых равна двум (фиг.4а). С выхода первого модулятора сигналы антенны и согласованной нагрузки 4 проходят через полосовой фильтр 6, который формирует их частотную полосу, как равную δf₁.
Управляющий сигнал для второго модулятора 3 также имеет импульсный характер, но изменяется по широтно-импульсному закону. Данный сигнал t_шис поступает с выхода 1 блока управления 15 (фиг.4б). Широтно-импульсной модуляции во втором модуляторе 3 подвергается сигнал второй согласованной нагрузки 5, полностью аналогичной первой нагрузке и также находящейся на термостатированной плате 8, но этот сигнал перед поступлением на вход модулятора 3 формируется по частоте вторым фильтром 7, полоса пропускания которого равна δf₂.
Таким образом, на вход приемника 9 в разные моменты времени будут поступать три сигнала: от антенны 1 и первой 4 и второй 5 согласованных нагрузок. Мощности этих сигналов будут соответственно равны
W_a = kT_aδf₁; (6)
W_сн,1 = kT₀δf₁; (7)
W_сн,2 = kT₀δf₂. (8)
Таким образом сформированная в модуляторах 2 и 3 периодическая последовательность сигналов далее усиливается по мощности в приемнике 9 и на его выходе детектируется по квадратичному закону. В усилителе 10 огибающая сигналов предварительно усиливается по низкой частоте. Далее следует низкочастотная фильтрация в синхронном фильтре 11, уменьшающая всплески шумовой составляющей напряжения, дополнительное усиление в усилителе 12 и исключение в сигнале постоянной составляющей после прохода фильтра верхних частот 13, имеющего частоту среза много меньшую, чем частота модулирующего сигнала на выходе 2 блока управления. Последним звеном измерительного тракта является компаратор 14, сравнивающий сигнал с выхода фильтра верхних частот с нулевым потенциалом общей шины (второй вход компаратора соединен с общим проводом схемы). Его выходной сигнал, имеющий два дискретных уровня логического нуля и единицы, поступает на вход блока управления 15.

Блок управления работает как цифровая система со следящей обратной связью. В его основную задачу входит поддержание на первом входе компаратора нулевого напряжения в ту половину периода модуляции, когда по тракту проходит сигнал антенны, поступающий на вход приемника через модулятор 2, фильтр 6, модулятор 3. Эту функцию он выполняет регулировкой длительности t_шис поступления сигнала второй согласованной нагрузки 5 на вход приемника 9, но уже в другом полупериоде модуляции модулятора 2. На фиг.4в показаны временные диаграммы сигналов на входе и выходе фильтра верхних частот 13. Как следует из этих диаграмм, изменением длительности широтно-импульсного сигнала (при неизменном сигнале антенны) можно смещать периодическую последовательность сигналов вверх или вниз на выходе фильтра верхних частот относительно нулевой оси времени. На фиг.4г приведена временная диаграмма, наблюдаемая на входе 1 компаратора 14, когда описанной регулировкой достигнуто равенство нулю напряжения в полупериод коммутации антенны.

Таким образом, если будет достигнуто нулевое напряжение на входе компаратора 14 во второй полупериод модуляции при подключенной антенне, тогда, как следует из фиг.4г, для первого полупериода будет выполняться равенство вольт-секундных площадей положительного и отрицательного импульсов, то есть
(U_cн,2-U_a)t_шис=(U_a-U_сн,1)(t_мод-t_шис), (9)
где t_шис - длительность широтно-импульсного сигнала, поступающего с первого выхода блока управления на управляющий вход модулятора 3; t_мод - длительность симметричного модулирующего импульса с выхода 2 блока управления поступает на управляющий вход модулятора 2; U_a, U_сн,1, U_сн,2 - напряжения (см. фиг.4в), соответственно равные
U_a = GβK_ukT_aδf₁; (10)
U_сн,1 = GβK_ukT₀δf₁; (11)
U_сн,2 = GβK_ukT₀δf₂, (12)
где G - коэффициент усиления сигналов по мощности в приемнике 9; β - коэффициент передачи квадратичного детектора приемника; К_u - коэффициент усиления напряжения низкочастотной частью радиометра. В выражения (10-12) не входит составляющая от действия собственных шумов радиометра и, в первую очередь, первых каскадов усиления в приемнике. Дело в том, что фильтром верхних частот 13 исключается постоянная составляющая сигнала. Также и собственные шумы, не подвергавшиеся модуляции, будут постоянными на всем протяжении периода модуляции (если скорость дрейфа меньше частоты модуляции в радиометре) и поэтому постоянная составляющая напряжения от их действия не будет проникать на вход компаратора 14.

После подстановки выражений (10-12) в (9) получим

После выполнения сокращений и решая (13) относительно t_шис, получим
t_шис = [(T_a-T₀)/T₀][δf₁/(δf₂-δf₁)]t_мод. (14)
Из последнего равенства видно, что длительность широтно-импульсного сигнала линейно и прямо пропорционально связана с сигналом антенны и, следовательно, через эту длительность можно косвенным образом определить сигнал антенны. Используя известные способы преобразования длительности сигнала, можно получить простыми методами цифровой выходной код измеряемого сигнала антенны без использования стандартного аналого-цифрового преобразователя. Как следует из (14), на измерения не влияет полный коэффициент передачи измерительного тракта GβK_u. Следовательно, радиометр работает по нулевому методу. Также собственные шумы радиометра, действующие постоянно, и как постоянная составляющая отфильтровываются фильтром 13 и не входят в (14).

Выражая из (14) сигнал антенны, получим

Диапазон измерения для крайних значений длительности t_шис=0 и t_шис=t_мод будет определяться соответствующими значениями

Следовательно, нижняя граница Т_а,мин будет определяться фактически термодинамической температурой внутренней термостатированной платы радиометра, верхняя Т_а,макс - будет зависеть от соотношения полос пропускания полосовых фильтров, то есть от отношения (δf₂-δf₁)/δf₁. Для этого отношения должно соблюдаться условие δf₂>δf₁. Полосы пропускания фильтров должны лежать в полосе усиления сигналов приемником и могут не перекрываться.

Если принять δf₂ = nδf₁, где n - положительное и большее единицы, тогда соотношения (14) и (15) примут вид
t_шис=[(Т_а-T₀)/T₀(n-1)]t_мод; (17)
Т_а=Т₀+Т₀(n-1)(t_шис/t_мод). (18)
Из (18) границы диапазона измеряемых сигналов для t_шис=0 и t_шис=t_мод определяются как
Т_а,мин=Т₀, (19)
Т_а,макс=nТ₀. (20)
Таким образом, как следует из (20), заменой пассивных фильтров или изменением их полос пропускания электронными методами можно достаточно просто менять диапазон измерений, его верхнюю границу.

Следовательно, данным радиометром по сравнению с прототипом можно измерять большие сигналы антенны (выше внутренней температуры прибора) и устанавливать верхнюю границу диапазона простой заменой полосового фильтра. На измерения не влияют дрейф и медленные флуктуации (ниже частоты модуляции в радиометре) всего коэффициента передачи измерительного тракта, а также собственные шумы радиометра и их медленное изменение.

Другим преимуществом является возможность с помощью данного радиометра достаточно просто организовывать спектральные измерения. Так как, по определению, полосу первого фильтра δf₁ можно выбрать достаточно узкой, а именно через этот фильтр происходит передача сигнала антенны в радиометре, следовательно, перестраивая центральную частоту этого фильтра при неизменной ширине полосы, можно провести спектральные исследования. Естественно, что приемник при этом должен будет иметь такую полосу усиливаемых частот, в которой будут происходить изменения центральной частоты первого полосового фильтра.

Изобретение относится к пассивной радиолокации и может быть использовано для измерения слабых шумовых сигналов. Сущность изобретения: радиометр содержит антенну, приемник, фильтр верхних частот, синхронный фильтр, компаратор, блок управления, имеющий один вход и первый - четвертый выходы, причем четвертый выход является выходной цифровой шиной радиометра, первый и второй полосовые фильтры, термостатированную плату, на которой установлены и находятся с ней в тепловом контакте первая и вторая одинаковые согласованные нагрузки, первый и второй одинаковые модуляторы, и первая согласованная нагрузка подключена к первому входу первого модулятора, третий выход блока управления соединен с управляющим входом синхронного фильтра, второй вход компаратора соединен с нулевой шиной радиометра, а его выход подключен к входу блока управления, предварительный усилитель и усилитель, причем вход предварительного усилителя подключен к выходу приемника, а выход - к последовательно соединенным синхронному фильтру, усилителю, фильтру верхних частот, первому входу компаратора, антенна соединена с вторым входом первого модулятора, выход которого через первый полосовой фильтр подключен к первому входу второго модулятора, к второму входу которого через второй полосовой фильтр подключена вторая согласованная нагрузка, а выход второго модулятора соединен с входом приемника, причем управляющие входы первого и второго модуляторов подключены соответственно к второму и первому выходам блока управления. Достигаемым техническим результатом является расширение функциональных возможностей. 4 ил.

Радиометр, содержащий антенну, приемник, фильтр верхних частот, синхронный фильтр, компаратор, блок управления, имеющий один вход и первый-четвертый выходы, причем четвертый выход является выходной цифровой шиной радиометра, первый и второй полосовые фильтры, термостатированную плату, на которой установлены и находятся с ней в тепловом контакте первая и вторая одинаковые согласованные нагрузки, первый и второй одинаковые модуляторы, и первая согласованная нагрузка подключена к первому входу первого модулятора, третий выход блока управления соединен с управляющим входом синхронного фильтра, второй вход компаратора соединен с нулевой шиной радиометра, а его выход подключен к входу блока управления, отличающийся тем, что в радиометр введены предварительный усилитель и усилитель, причем вход предварительного усилителя подключен к выходу приемника, а выход - к последовательно соединенным синхронному фильтру, усилителю, фильтру верхних частот, первому входу компаратора, антенна соединена с вторым входом первого модулятора, выход которого через первый полосовой фильтр подключен к первому входу второго модулятора, к второму входу которого через второй полосовой фильтр подключена вторая согласованная нагрузка, а выход второго модулятора соединен с входом приемника, причем управляющие входы первого и второго модуляторов подключены соответственно к второму и первому выходам блока управления.