СКАНИРУЮЩИЙ РАДИОМЕТР Российский патент 2013 года по МПК G01R29/08 

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к сканирующим радиометрам в технике дистанционного зондирования земной поверхности и мирового океана.

В частности к СВЧ радиометрии.

Изобретение может быть использовано для построения карт радиотеплового излучения подстилающей поверхности, которые применяются в народном хозяйстве.

Известны схемы картографирующих радиометров, в которых применяется циклоидальный способ обзора. [Ю.А. Мельник и др. Радиолокационные методы исследования земли. М. «Советское радио». 1980 г., стр.42, рис.2.4 (б)]

Из известных устройств наиболее близким можно считать сканирующий радиометр [Сканирующий радиометр. М.В. Бухаров и др. А.С. №1257598 кл. G01W 1/100 от 29.12.84], содержащий подвижную антенну, генератор опорного сигнала с двумя выходами, смеситель с усилителем промежуточной частоты, гетеродин, усилитель низкой частоты с прямым и инверсным выходами, N синхронных детекторов и квадратичный детектор, вход которого подключен к выходу смесителя с усилителем промежуточной частоты, подсоединенного одним входом к выходу гетеродина, два источника опорного излучения, вычитатель, управляемый делитель, N интеграторов, N-1 сумматоров и N-1 умножителей, синхронные детекторы, выполненные двухканальными компенсирующего типа с двумя информационными и двумя управляющими входами, подключенные информационными входами к соответствующим выходам усилителя низкой частоты и управляющими входами - к соответствующим выходам генератора опорного сигнала, выход подвижной антенны подключен к другому входу смесителя с усилителем промежуточной частоты, выход квадратичного детектора соединен со входом усилителя низкой частоты, N-1 умножителей подключены одними входами через соответствующие интеграторы к выходам соответствующих синхронных детекторов, другими входами - к выходу управляемого делителя и выходами - к одним входам соответствующих сумматоров, управляемый делитель подключен управляющим входом к выходу N-го синхронного детектора через N-й интегратор и информационным входом к выходу вычитателя, один вход которого подсоединен к выходу одного источника опорного излучения и с другим входом (N-1)-го сумматора, другой вход каждого последующего сумматора подключен к выходу предыдущего сумматора.

Устройство, описанное в прототипе, работает следующим образом: генератор опорного сигнала периодически воздействует на шаговый двигатель, который поворачивает зеркало. Вращающееся зеркало переотражает радиотепловое излучение на облучатель, тем самым осуществляется процесс сканирования лучом антенны по конической поверхности. Сигнал с выхода облучателя подается на вход радиометра. Выходной низкочастотный сигнал радиометра синхронно детектируется, интегрируется, калибруется по отношения к двум источникам опорного излучения. В результате на выходе устройства возникают значения антенных температур, соответствующих положениям вращающегося зеркала.

Недостатком описанного сканирующего радиометра является то, что процесс сканирования не согласован с параметрами движения носителя, на котором расположен радиометр, что приводит к пропуску полезной информации при недостаточной скорости вращения подвижного зеркала, или получению избыточной информации при превышении требуемой скорости сканирования. Кроме того, в данной схеме никак не учитывается паразитное излучение, принятое по боковым лепесткам диаграммы направленности антенны, что приводит к потере точности при измерении радиояркостной температуры.

Таким образом, целью изобретения является улучшение детальности обзора и повышение точности измерения радиояркостной температуры.

Поставленная цель достигается тем, что в сканирующий радиометр по А.С. №1257598 (прототип) дополнительно введены датчик скорости носителя, датчик высоты носителя, второй управляемый делитель, первый вход которого соединен с выходом датчика высоты, второй - с выходом датчика скорости, а выход соединен с управляющим входом задающего генератора, усилитель, вход которого соединен с выходом второго управляемого делителя, а выход с управляющим входом интеграторов, N-1 аналоговых ключей, выходы, которых соединены с выходам N-1 сумматоров, а управляющие входы соединены с выходами дешифратора, аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с выходами N-1 аналоговых ключей, блок вторичной обработки, вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, вход прерывания которого соединен с выходом задающего генератора, а его выход является выходом устройства.

Датчик скорости носителя и датчик высоты носителя могут, в частности, быть частью навигационного датчика, например, приемника спутниковой навигационной системы.

Предлагаемый радиометр удовлетворяет критерию новизны, 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 приложенных к нему чертежей.

На фиг.1 изображена схема сканирования в положении обзора, где буквами обозначены:

V - скорость носителя;

H - высота носителя;

θ₀ - угол между осью вращения зеркала и осью диаграммы направленности антенны;

φ₀ - угол поворота зеркала, отсчитанный от направления движения носителя;

δ - ширина главного лепестка диаграммы направленности антенной системы;

φ_m - предельное значение φ₀.

На фиг.2 представлена структурная схема сканирующего радиометра.

Сканирующий радиометр, содержащит подвижную антенну 1, в составе облучателя 17, вращающегося зеркала 18, укрепленного на валу шагового двигателя 19, генератор опорного сигнала (ГОС) 11 с двумя выходами, состоящий из задающего генератора 22, счетчика 23 и дешифратора 24, радиометрический приемник 2, состоящий из смесителя 3, гетеродина 4 усилителя промежуточной частоты (УПЧ) 5, квадратичного детектор (КД) 6, усилителя низкой частоты УНЧ) 7 с прямым и инверсным выходами,, N синхронных детекторов 8, N интеграторов 9, N-1 сумматоров 10, N-1 умножителей 12, два источника опорного излучения 15, 16 с датчиками контрольного сигнала 20, 21, управляемый делитель 14 с первым, вторым входами и одним выходом, датчик скорости носителя 25, датчик высоты носителя 26, второй управляемый делитель 27, усилитель 28, N-1 аналоговых ключей 29, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 30, блок вторичной обработки (БВО) 31. Выход подвижной антенны 1 подключен одному входу смесителя 3, являющемуся входом радиометрического приемника 2, другой вход смесителя 3 соединен с выходом гетеродина 4, а его выход подключен через последовательно соединенные УПЧ 5 и КД 6 к выходу УНЧ 7, прямой и инверсионный выходы которого являются выходами радиометрического приемника 2. Синхронные детекторы 8 присоединены информационными входами к соответствующим выходам УНЧ 7, а управляющими входами - к соответствующим выходам ГОС 11. N-1 умножителей 12 соединены одними входами через соответствующие интеграторы 9 с входам соответствующим N-1 синхронным детектором 8, другими входами - с выходом управляемого делителя 14, а выходами - с входом соответствующих N-1 сумматоров 10. Управляемый делитель 14 подключен управляющим входом через соответствующий интегратор 9 к выходу N-го синхронного детекторов 8 через N-й интегратор, а информационным входом соединен выходом вычислителя 13, один вход которого соединен с источник опорного излучения 20, другой вход соединен с выходом другого источника опорного излучения 21 и входом последовательно соединенных N-1 сумматоров 10. Входы N-1 аналоговых ключей 29 соединены с выходами N-1 сумматоров 10, управляющие входы соединены с выходами дешифратора 24 а выходы соединены с входом АЦП 30. Первый вход второго управляемого усилителя 27 соединен с выходом датчика высоты 26, второй - с выходом датчика скорости 25, а выход соединен с управляющим входом задающего генератора 22 и входом усилителя 28, выход которого соединен с управляющими входами интеграторов 9. Один вход БВО 31, соединен с выходом АЦП 30, другой вход прерывания соединен с выходом задающего генератора 22, выход БВО 31 является выходом устройства.

На фиг.3 изображена структурная схема БВО, который содержит тактовый генератор 32, центральный процессорный элемент (ЦПЭ) 33, тактовый вход которого соединен с выходом задающего генератора 22, а на выходе формируется шина адреса (ША), системный контроллер 34, подключенный к ЦПЭ 33, на выходе которого шина данных (ШД) и шина управления (ШУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 36 и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 35 подключенные к ША, ШД и ШУ, регистр параллельного ввода-вывода 37, подключенный к ША, ШД, ШУ, к линиям ввода которого подсоединен выход АЦП, а линии вывода являются выходными устройствами.

Предлагаемый сканирующий радиометр работает следующим образом.

Устройство размещается на подвижном носителе так, чтобы ось вращения зеркала была вертикальна. При движении носителя и одновременном вращении зеркала главный лепесток диаграммы направленности антенны будет описывать на земле часть циклоиды (см. фиг.1). Таким образом за счет вращения зеркала осуществляется развертка по одной координате, а за счет движения носителя по другой. При этом размеры разрешаемого элемента определяются по формулам:

$${\Delta }_{\max }=H\delta /{\cos }^2{\theta }_0,(1)$$

$${\Delta }_{\min }=H\delta /\cos {\theta }_0.(2)$$

Так как длинна строки определяется выражением

$$L_C={\varphi }_{m}Htg{\theta }_0,(3)$$

то число независимых элементов на строке

$$N_{ЭЛ}=[L_C/{\Delta }_{\min }]=[{\varphi }_m\sin {\theta }_0\cos {\theta }_0/\delta ],(4)$$

где знак [] означает взятие целой части.

Для того чтобы на просматриваемой поверхности не возникало пропусков или перекрытий строк необходимо, чтобы за один оборот вращающегося зеркала носитель продвигался на расстояние равное Δ_max. Следовательно, период одного оборота зеркала:

$$T={\Delta }_{\max }/V=\frac{H}{V}\cdot \frac{\delta }{{\cos }^2{\theta }_0}.(5)$$

Поэтому время визирования одной строки

$$T_C=\frac{{\varphi }_m}{\pi }\cdot T=\frac{H}{V}\cdot \frac{{\varphi }_m}{V}\cdot \frac{\delta }{{\cos }^2{\theta }_0}.(6)$$

А время визирования одного элемента

$$T_{Э}=T_{С}/N_{ЭЛ}=\frac{H}{V}\cdot \frac{{\delta }^2}{\pi }\cdot \frac{1}{{\cos }^3{\theta }_0\sin {\theta }_0}.(7)$$

При этом, чтобы не допустить временной корреляции между соседними элементами, постоянную времени интегратора т необходимо выбрать из условия:

$$\tau =T_{Э}/2=\frac{H}{V}\cdot \frac{{\delta }^2}{2\pi }\cdot \frac{1}{{\cos }^3{\theta }_0\sin {\theta }_0}.(8)$$

При движении подвижного носителя датчик скорости носителя 25 и датчик высоты 26 выдают свои выходные сигналы на управляемый делитель 27, на выходе которого возникает сигнал, пропорциональный отношению H/V. Задающий генератор 22 формирует на выходе импульсы с периодом повторения, пропорциональным выходному сигналу управляемого делителя с коэффициентом пропорциональности, определяемым выражением (7).

Радиотепловое излучение, принятое подвижной антенной 1, преобразуется радиометрическим приемником 2 в сигнал с напряжением U(t), пропорциональным мощности радиотеплового излучения. Выходной сигнал радиометра для каждого j-го элемента разрешения синхронно детектируется отдельным синхронным детектором 8^j. В случае сканирующего радиометра за один шаг шагового двигателя 19 вращающееся зеркало 18 должно поворачиваться на угол равный δ, при этом число элементов разрешения на строке не произвольно, а определяется выражением (4). Сигнал с выхода синхронного детектора 8^j интегрируется соответствующим интегратором 9^j, постоянная интегрирования, определяемая выражением (8), управляется усилителем 28, которой задает требуемый коэффициент пропорциональности.

Калибровка сигналов с выходов интеграторов 9j осуществляется по известной схеме сканирующего радиометра. В результате на выходе сумматоров 10^j возникают сигналы равные антенной температуре $$T_A^j$$ соответствующего элемента разрешения. Эти аналоговые сигналы последовательно, синхронно с импульсами задающего генератора, переключаются аналоговыми ключами 29_j на вход аналого-цифрового преобразователя 30. На выходе аналого-цифрового преобразователя последовательно в цифровом виде возникают значения антенных температур соответствующих элементов разрешения.

Однако полученные значения температур не являются точными, так как являются суммой двух компонент

$$T_A({\theta }_0,{\varphi }_0)={\displaystyle \underset{{\Omega }_{Г}}{\int }{T}_{Я}(\theta ,\varphi )\Psi (\theta -{\theta }_0,\varphi -{\varphi }_0)d\Omega +}{\displaystyle \underset{{\Omega }_{Б}}{\int }{T}_{Я}(\theta ,\varphi )\Psi (\theta -{\theta }_0,\varphi -{\varphi }_0)d\Omega },(9)$$

где Ψ(θ,φ) - нормированная по мощности диаграмма направленности антенны;

(θ_Я,φ_Я) - угловые координаты оси наблюдения;

(θ₀,φ₀) - угловые координаты оси диаграммы направленности;

Ω_Г - телесный угол, занимаемый главным лепестком;

Ω_Б - телесный угол, занимаемый боковыми лепестками.

Первое слагаемое описывает мощность радиоизлучения, принятого по главному лепестку диаграммы направленности, второе - по боковым лепесткам. Второе слагаемое тем больше, чем больше коэффициент рассеяния антенны β, определяемый как:

$$\beta ={\displaystyle \underset{{\Omega }_{Б}}{\int }\Psi (\theta ,\varphi )в\Omega }.(10)$$

Точность измерения радиояркостной температуры тем меньше, чем больше коэффициент рассеяния антенны. В [1] показано, что ошибка, обусловленная боковыми лепестками антенны, может достигать 20 К. В [2] показано, что радиояркостную температуру подстилающей поверхности в данном направлении можно рассматривать как линейную комбинацию антенных температур, измеренных для ряда других направлений в интервале сканирования. Радиояркостная температура элемента разрешения является функцией антенных температур нескольких соседних элементов разрешения. Нахождение обратной функции позволило бы по известному распределению антенных температур вычислить соответствующее распределение радиояркостных температур. При этом за счет излучения, принятого по боковым лепесткам, на 5-30 процентов повышается точность измерения радиояркостной температуры. Тот же результат можно получить без вычисления обратной функции за счет построения итерационной процедуры.

Считая Т_Я(θ,φ)=const в пределах Ω_Г и усредняя Т_Я(θ,φ) по главному лепестку диаграммы направленности, из формулы (9) получаем

$$T_{ЯГ}({\theta }_0,{\varphi }_0)=(T_A({\theta }_0,{\varphi }_0)-{\displaystyle \underset{{\Omega }_{Б}}{\int }{T}_{Я}(\theta ,\varphi )\Psi (\theta -{\theta }_0,\varphi -{\varphi }_0)d\Omega })/(1-\beta ).(11)$$

Итерационная процедура строится по правилу

$$T_{ЯГ}^{(И)}({\theta }_0,{\varphi }_0)=(T_A({\theta }_0,{\varphi }_0)-{\displaystyle \underset{{\Omega }_{Б}}{\int }{T}_{ЯГ}^{(n-1)}(\theta ,\varphi )\Psi (\theta -{\theta }_0,\varphi -{\varphi }_0)d\Omega })/(1-\beta ),(12)$$

где в качестве начального приближения берется распределение температур с выхода сканирующего радиометра

$$T_{ЯГ}^{(0)}({\theta }_0,{\varphi }_0)=T_A({\theta }_0,{\varphi }_0),(13)$$

Из формулы (12) следует, что ошибка n-го приближения выражается через ошибку (n-1)-го приближения следующим образом:

$$\delta T_{ЯГ}^{(n)}({\theta }_0,{\varphi }_0)=\frac{\beta }{1-\beta }\delta T_{ЯГ}^{(n-1)}({\theta }_0,{\varphi }_0),(14)$$

То есть она в $${\left(\frac{\beta }{1-\beta }\right)}^n$$ раз меньше ошибки, возникающей при аппроксимации Тяг соответствующим значением антенной температуры.

Итерационный процесс сходится при условии β<0,5, что выполняется для подавляющего большинства антенн.

Итерационный процесс удобнее реализовывать в цифровом виде, при этом формулы (12)-(13) приобретают вид:

$${Я}_{ij}^{(0)}=A_{ij},(15)$$

$${Я}_{ij}^{(n)}=(A_{ij}-{\displaystyle \sum _k^{кроме}{\displaystyle \sum _1^{(k\mathrm{,1})=(i,j)}{Я}_{k1}^{(n-1)}{D}_{k-i\mathrm{,1}-j}}})/(1-\beta ),(16)$$

где $$A_{ij}=T_A\left({\theta }_{0i},{\varphi }_{0j}\right)$$ ; $${Я}_{ij}^{(n)}=T_{ЯГ}^{(n)}\left({\theta }_{0i},{\varphi }_{0j}\right)$$ ;

$$D_{k-i,l-j}={\displaystyle \underset{{\theta }_k}{\overset{{\theta }_{k+1}}{\int }}{\displaystyle \underset{{\varphi }_l}{\overset{{\varphi }_{l+1}}{\int }}\Psi \left(\theta -{\theta }_{0i},\varphi -{\varphi }_{0j}\right)d\Omega }}$$

i - номер элемента разрешения в строке;

j - номер строки.

Итерационная процедура (15)-(16) реализуется блоком вторичной обработки 31, на вход которого последовательно поступают с аналого-цифрового преобразователя значения антенных температур A_ij. На выходе блока 31 последовательно формируются значения скорректированных радиояркостных температур Я_ij.

В остальном сканирующий радиометр работает по известной схеме.

Блок вторичной обработки 31 может быть реализован, в частности, на МПКБИС серии К580, или на любой аналогичной. Блок 31 имеет два основных режима работы - режим прерывания и режим системного контроллера. Режим прерывания инициализируется импульсом с выхода задающего генератора 22. В этом режиме центральный процессорный элемент 33 через регистр параллельного ввода-вывода 37 принимает с выхода аналого-цифрового преобразователя значения антенной температуры и размещает его в оперативном запоминающем устройстве 36 для дальнейшей обработки. Далее, из оперативного запоминающего устройства 36 извлекается значение соответствующей скорректированной яркостной температуры и выводится через линии вывода порта 37 параллельного ввода-вывода.

В режиме системного контроллера центральный процессорный элемент 33 под управлением программы, размещенной в постоянном запоминающем устройстве 35, производит пересчет антенных температур в яркостные в соответствие с формулами (15)-(16), после окончания текущих расчетов центральный процессорный элемент 33 переходит в режим ожидания прерывания. Схемы включения и диаграммы функционирования всех элементов блока 31 известны и описаны, например, в [3].

Использование изобретения позволит улучшить детальность обзора и повысить точность измерения радиояркостной температуры на величину от 5 до 30%.

Литература

1. Beck F.B. Antenna Pattern Corrections to Microwave Radiometer Temperature Calculations. - Radio Science, 1975, v.10, N10, p.839.

2. Stogrym A. Estimates of Brightness Temperatures from Scanning Radiometer Data. - IEEE Trans. Antennas and Propagat, 1978, v.AP-26, N5, p.720.

3. Коффрон Дж. Технические средства микропроцессорных систем. - М. «Мир», 1983 г., стр.90.

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к сканирующим радиометрам для зондирования земной поверхности и мирового океана. Радиометр содержит подвижную антенну, генератор опорного сигнала, смеситель, гетеродин, УНЧ с прямым и инверсным выходами, N синхронных детекторов и квадратичный детектор, вход которого подключен к выходу смесителя с усилителем промежуточной частоты, подсоединенного одним входом к выходу гетеродина, два источника опорного излучения, вычитатель, управляемый делитель, N интеграторов, N-1 сумматоров и N-1 умножителей, синхронные детекторы. При этом выход квадратичного детектора соединен со входом УНЧ, N-1 умножителей подключены одними входами через соответствующие интеграторы к выходам соответствующих синхронных детекторов, другими входами - к выходу управляемого делителя и выходами к одним входам соответствующих сумматоров, управляемый делитель подключен управляющим входом к выходу N-го синхронного детектора через N-й интегратор и информационным входом к выходу вычитателя. Кроме того, дополнительно введены датчик скорости носителя, датчик высоты носителя, второй управляемый делитель, усилитель, вход которого соединен с выходом второго управляемого делителя, а выход с управляющим входом интеграторов, N-1 аналоговых ключей, выходы которых соединены с выходами N-1 сумматоров, а управляющие входы соединены с выходами дешифратора, АЦП, блок вторичной обработки, вход которого соединен с выходом АЦП, вход прерывания которого соединен с выходом задающего генератора, а его выход является выходом устройства. Технический результат заключается в улучшении детальности обзора и повышения точности измерения радиояркостной температуры. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Сканирующий радиометр, содержащий подвижную антенну в составе облучателя вращающегося зеркала, укрепленного на валу шагового двигателя, генератор опорного сигнала с двумя выходами, состоящий из соединенных последовательно задающего генератора, счетчика и дешифратора, радиометрический приемник, состоящий из смесителя с усилителем промежуточной частоты, гетеродина, усилителя низкой частоты с прямым и инверсным выходами, квадратичный детектор, N синхронных детекторов, выполненных двухканальными компенсирующего типа с двумя информационными и двумя управляющими входами, N интеграторов, N-1 умножителей, N-1 сумматоров, два источника опорного излучения с датчиками контрольного сигнала, управляемый делитель с первым, вторым входами и одним выходом, причем выход подвижной антенны подключен к одному входу смесителя, являющемуся входом радиометрического приемника, другой вход смесителя соединен с выходом гетеродина, а выход смесителя подключен через последовательно соединенные усилитель промежуточной частоты (УПЧ) и квадратичный детектор (КД) к входу усилителя низкой частоты (УНЧ), прямой и инверсионный выходы которого, являющиеся выходами радиометрического приемника, подключены к соответствующим выходам синхронных детекторов, управляющие входы которых подключены к соответствующим выходам генератора опорного сигнала; N-1 умножителей подключены одними входами через соответствующие интеграторы к выходам соответствующих синхронных детекторов, другими входами - к выходу управляемого делителя, а выходами - к входам соответствующих N-1 сумматоров, управляемый делитель подключен управляющим входом к выходу N-го синхронного детектора через N-й интегратор, а информационным входом - к выходу вычислителя, один вход которого соединен с источник опорного излучения, другой вход соединен с выходом другого источника опорного излучения и входом последовательно соединенных N-1 сумматоров, отличающийся тем, что в него дополнительно введены датчик скорости носителя, датчик высоты носителя, второй управляемый делитель, усилитель, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), N-1 аналоговых ключей, блок вторичной обработки (БВО), причем первый вход второго управляемого делителя соединен с датчиком высоты, второй вход - с датчиком скорости, выход соединен с управляющим входом задающего генератора и входом усилителя, выход которого соединен с управляющими входами интеграторов; входы N-1 аналоговых ключей соединены с выходами N-1 сумматоров, а управляющие входы соединены с выходами дешифратора, выходы аналоговых ключей соединены с входом АЦП, выход которого соединен с входом БПО, у которого другой вход прерывания соединен с выходом задающего генератора, а выход является выходом устройства.

2. Сканирующий радиометр по п.1, в котором блок вторичной обработки содержит тактовый генератор, центральный процессорный элемент, тактовый вход которого соединен с выходом тактового генератора, вход прерывания соединен с выходом задающего генератора, а на выходе формируется шина адреса, системный контроллер, подключенный к центральному процессорному элементу, на выходе которого формируются шина данных и шина управления, оперативное запоминающее устройство и постоянное запоминающее устройство, подключенное к шине адреса, шине данных и шине управления, регистр параллельного ввода-вывода, подключенный к шине адреса, шине данных и шине управления, линии ввода которого соединены с выходом аналого-цифрового преобразователя, а линии вывода являются выходом устройства.