РАДИОМЕТР С ТРЕХОПОРНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ Российский патент 2014 года по МПК G01R29/08 

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к СВЧ-радиометрическим приемникам для техники дистанционного зондирования земной поверхности и мирового океана, в частности к СВЧ-радиометрии.

Изобретение может быть использовано для измерения и регистрации радиояркостных температур собственного радиотеплового излучения подстилающей поверхности и может применяться в народном хозяйстве.

Известны схемы модуляционных радиометров, в которых применяется модуляция и непрерывная внутренняя калибровка по двум опорным источникам с различными температурами. [Е.Д.Бирюков, В.А.Плющев, И.А.Сидоров. Радиометр. АС №1734468, приоритет от 19.10.1989 г. МКИ: G01R 29/08]

Из известных устройств наиболее близким [1] можно считать радиометр с двухопорной модуляцией [Авторы: О.Б.Белоусов, В.А.Плющев, И.А.Сидоров, С.И.Галаган. Обработка информации тепловой пассивной РЛС средствами программируемой логики. Сборник трудов 57 Научно-технической конференции Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования. Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (Технический университет), Часть третья, Технические науки, Москва, 2008 г., стр.19-24], содержащий последовательно соединенные, приемную антенну, являющуюся входом устройства, трехвходовый СВЧ-переключатель, усилитель высокой частоты, квадратичный детектор, усилитель низкой частоты, синхронный фильтр, синхронный детектор, блок вычисления множительно-делительной операции и регистратор, на управляющие входы СВЧ-переключателя, синхронного фильтра и синхронного детектора подаются сигналы управления модуляцией от прибора управления модуляцией, а также «горячую» и «холодную» эталонные согласованные нагрузки, выходы которых соединены со входами СВЧ-переключателя, и конструктивно связанные с ними термодатчики «горячей» и «холодной» эталонных согласованных нагрузок, выходы которых соединены со входами блока вычисления множительно-делительной операции, и нагревательный элемент, конструктивно связанный с «горячей» эталонной согласованной нагрузкой и нагревающий ее до температуры выше температуры «холодной» эталонной согласованной нагрузки.

Основным признаком технического решения является то, что благодаря наличию двух эталонных согласованных нагрузок с различными температурами, процесс модуляции совмещен с процессом непрерывной внутренней калибровки так, что на выходе радиометра непрерывно регистрируются значения антенных температур, вычисленные по формуле (1):

$$T_A=\frac{U_A-U_X}{U_{Г}-U_X}\left(T_{Г}-{Т}_{Х}\right)+{Т}_{Х}\left(1\right)$$ ,

где Т_Г и Т_Х - значения температур «горячей» и «холодной» эталонных согласованных нагрузок, измеренных термодатчиками, U_A-U_X и U_Г-U_Х - выходные сигналы синхронного детектора, пропорциональные соответственно разности антенной температуры и температуры «холодного» эталона и разности температур «горячего» и «холодного» эталонов.

Однако недостатком описанного радиометра с двухопорной модуляцией является то, что точность измерения антенной температуры зависит от величины измеряемой температуры.

Антенная температура является функцией пяти переменных:

$${\text{T}}_{\text{A}}={\text{f(U}}_{\text{A}}{\text{,U}}_{\text{Г}}{\text{,U}}_{\text{Х}}{\text{,T}}_{\text{Г}}{\text{,Т}}_{\text{Х}}\text{)}\text{ (2)}$$

Каждая из пяти переменных в правой части формулы изменяется с определенной абсолютной погрешностью ΔU_A, ΔU_Г, ΔU_Х, ΔТ_Г, ΔТ_Х. В соответствии с [2] абсолютная погрешность измерения антенной температуры определяется формулой:

$$\Delta T_A=\left|\frac{\partial f}{\partial U_A}\right|\cdot \Delta U_A+\left|\frac{\partial f}{\partial U_{Г}}\right|\cdot \Delta U_{Г}+\left|\frac{\partial f}{\partial U_{Х}}\right|\cdot \Delta U_{Х}+\left|\frac{\partial f}{\partial {Т}_{Г}}\right|\cdot \Delta {Т}_{Г}+\left|\frac{\partial f}{\partial {Т}_{Х}}\right|\cdot \Delta {Т}_{Х}\left(3\right)$$

Учтено, что температура горячего внутреннего эталона всегда выше температуры холодного внутреннего эталона. Так как измерения температуры термодатчиками существенно точнее, чем измерения, сделанные при помощи радиометра, то двумя последними членами в формуле (3) в первом приближении можно пренебречь. Таким образом, получим:

$$\Delta {Т}_{А}=\frac{{Т}_{Г}-{Т}_{Х}}{U_{Г}-U_{Х}}\left(\Delta U_A+\frac{\left|U_A-U_{Х}\right|}{U_{Г}-U_{Х}}+\Delta U_{Г}+\frac{\left|U_A-U_{Г}\right|}{U_{Г}-U_{Х}}\Delta U_X\right)\left(4\right)$$

Абсолютная погрешность измерения напряжения на выходе синхронного детектора определяется чувствительностью СВЧ-радиометра [3]:

$$\Delta U_A=2\sqrt{2}\frac{T_{ш}}{\sqrt{\Delta f\tau }}\left(5\right)$$ ,

где Т_Ш - температура шума приемника, Δf - ширина полосы СВЧ-усилителя, τ - полное время накопления сигнала.

Так как время накопления сигнала U_A в два раза больше, чем U_Г и U_Х, то абсолютная погрешность измерения U_A:

$$\Delta U_A=\frac{\sqrt{2}}{2}\Delta U_{Г}=\frac{\sqrt{2}}{2}\Delta U_X\left(6\right)$$ .

Используя формулу (1), выразим значения напряжений через соответствующие им радиояркостные температуры, тогда формула (4) примет вид:

$$\Delta {Т}_{А}=K_U\cdot \Delta U_A\cdot \left(1+\frac{\sqrt{2}}{2}\frac{\left|T_A-T_{Х}\right|}{T_{Г}-T_{Х}}+\frac{\sqrt{2}}{2}\frac{\left|T_A-T_{Г}\right|}{T_{Г}-T_{Х}}\right)\left(7\right)$$ ,

где K_U - величина, обратная крутизне вольт-градусной характеристики радиометра.

Из формулы (7) видно, что абсолютная погрешность измерений остается постоянной, когда антенная температура находится в интервале между температурами внутренних эталонов и линейно возрастает по мере удаления антенной температуры от температур эталонов за пределами этого интервала. График зависимости абсолютной погрешности измерений от значения антенной температуры, рассчитанный по формуле (7) для реальных значений температур эталонов, представлен на Фиг.1.

Таким образом, для уменьшения абсолютной погрешности измерения радиояркостных температур, например радиояркостных температур открытых водоемов, необходимо использовать «холодный» внутренний эталон с радиояркостной температурой, близкой к температуре открытых водоемов. В качестве такого эталона возможно использование реликтового излучения небесной сферы, но такой «эталон» не является «внутренним» и поэтому не рассматривается, или излучения согласованной нагрузки, охлажденной до температуры жидкого азота или жидкого гелия, но применение криогенной техники существенно ухудшает потребительские свойства радиометра.

Наиболее привлекательными источниками низкотемпературного шума являются твердотельные полупроводниковые генераторы (см. [4]), однако их применение в качестве эталонной нагрузки ограничено из-за непредсказуемости значения температуры генерируемого ими шума. Этот недостаток может быть устранен путем специальной процедуры калибровки шума твердотельного полупроводникового генератора по известным стабильным эталонам. Для реализации этого метода необходимо изменить схему радиометрического приемника.

Технический результат, который может быть получен с помощью этого изобретения, заключается в повышении точности измерения радиояркостных температур в интервале измеряемых температур от абсолютного нуля до температуры окружающей среды, путем применения нестабильного твердотельного источника низкотемпературного шума с калибровкой его по известным стабильным источникам шума.

Заявленный технический результат достигается тем, что в известный радиометр с двухопорной модуляцией, содержащий последовательно соединенные приемную антенну, являющуюся входом устройства, трехвходовый СВЧ-переключатель, усилитель высокой частоты, квадратичный детектор, усилитель низкой частоты, синхронный фильтр, синхронный детектор, блок вычисления множительно-делительной операции и регистратор, на управляющие входы СВЧ-переключателя, синхронного фильтра и синхронного детектора подаются сигналы управления модуляцией от прибора управления модуляцией. Радиометр также включает «горячую» эталонную согласованную нагрузку, выход которой соединен со входом СВЧ-переключателя, и «холодную» эталонную согласованную нагрузку и конструктивно связанные с ними термодатчики «горячей» и «холодной» эталонных согласованных нагрузок, выходы которых соединены со входами блока вычисления множительно-делительной операции, и нагревательный элемент, конструктивно связанный с «горячей» эталонной согласованной нагрузкой и нагревающий ее до температуры выше температуры «холодной» эталонной согласованной нагрузки. Дополнительно введены твердотельный источник «холодного» шума, выход которого подключен к входу СВЧ-переключателя вместо «холодной» согласованной нагрузки, термодатчик твердотельного источника «холодного» шума, конструктивно связанный с твердотельным источником «холодного» шума, выход которого подключен ко входу прибора управления модуляцией, СВЧ-циркулятор, первый вход которого подключен к выходу СВЧ-переключателя, ко второму входу СВЧ-циркулятора подключена «холодная» эталонная согласованная нагрузка, выход СВЧ-циркулятора подключен ко входу усилителя высокой частоты, направление циркуляции СВЧ-циркулятора выбрано от второго входа к первому входу и от первого входа к выходу.

Предлагаемый радиометр удовлетворяет критериям новизна и изобретательского уровня, 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 фигуре 2 изображена схема радиометра с трехопорной модуляцией.

Предлагаемый радиометр содержит приемную антенну 1, трехвходовый СВЧ-переключатель 2, СВЧ-циркулятор 3, усилитель высокой частоты 4, квадратичный детектор 5, усилитель низкой частоты 6, синхронный фильтр 7, синхронный детектор 8, блок вычисления множительно-делительной операции 9, регистратор 10, прибор управления модуляцией 16, «горячую» эталонную согласованную нагрузку 11, «холодную» эталонную согласованную нагрузку 14, термодатчик «горячей» эталонной согласованной нагрузки 12, термодатчик «холодной» эталонной согласованной нагрузки 15, нагревательный элемент «горячей» эталонной согласованной нагрузки 13, твердотельный источник «холодного» шума 17, термодатчик твердотельный источника «холодного» шума 18.

Предлагаемый радиометр с трехопорной модуляцией работает следующим образом. Как и в радиометре с двухопорной модуляцией, прием сигнала производится периодически, с периодом модуляции, например, один килогерц. За время одного периода модуляции половина периода модуляции принимается и накапливается сигнал от антенны, для чего СВЧ-переключатель по управляющему сигналу от прибора управления модуляцией переключает сигнал с выхода антенны на первый вход СВЧ-циркулятора и далее с выхода СВЧ-циркулятора - на вход усилителя высокой частоты. Аналогично, на время, равное одной четверти периода модуляции, СВЧ-переключатель переключает на вход СВЧ-циркулятора сигнал от «горячей» эталонной согласованной нагрузки и на время, равное одной четверти периода модуляции, СВЧ-переключатель переключает на вход СВЧ-циркулятора сигнал от твердотельного источника «холодного» шума. При этом, за время накопления сигналов τ на выходе синхронного детектора формируются два сигнала: U_A-U_XШ и U_ХШ-U_Г, первый пропорционален разности антенной температуры и шумовой температуры источника «холодного» шума и второй пропорционален разности температуры «горячей» эталонной согласованной нагрузки и шумовой температуры источника «холодного» шума. Аналогично радиометру с двухопорной модуляцией в блоке множительно-делительной операции производится вычисление антенной температуры по формуле (8):

$${Т}_{А}=\frac{U_A-U_{XШ}}{U_{Г}-U_{ХШ}}\left({Т}_{Г}-{Т}_{ХШ}\right)-{Т}_{ХШ}\left(8\right)$$

В отличие от известной схемы радиометра с двухопорной модуляцией, где значение шумовой температуры «холодной» эталонной согласованной нагрузки известно в любой момент времени, так как непрерывно измеряется при помощи соответствующего термодатчика, в радиометре с трехопорной модуляцией значение шумовой температуры твердотельного источника «холодного» шума Т_ХШ априорно не известно. Поэтому в радиометре с трехопорной модуляцией для измерения значения шумовой температуры твердотельного источника «холодного» шума Т_ХШ периодически, с периодом, существенно большим периода модуляции, применяется процедура калибровки твердотельного источника «холодного» шума, в ходе которой измеряется и запоминается значение Т_ХШ - шумовой температуры твердотельного источника «холодного» шума. В промежутках между калибровками твердотельного источника «холодного» шума шумовая температура Т_ХШ считается постоянной и ее значение используется для вычисления антенной температуры по формуле (8).

Экспериментально установлено, что наибольшее влияние на величину шумовой температуры твердотельного источника «холодного» шума оказывает его термодинамическая температура. Поэтому калибровка твердотельного источника «холодного» шума производится при первом включении радиометра и всякий раз, когда термодинамическая температура твердотельного источника «холодного» шума, измеренная соответствующим термодатчиком, изменяется на заданную величину, для чего выход термодатчика твердотельного источника «холодного» шума подключен к входу прибора управления модуляцией.

Процедура калибровки твердотельного источника «холодного» шума осуществляется следующим образом: на время одного периода модуляции половина периода модуляции принимается и накапливается сигнал от источника «холодного» шума, для чего СВЧ-переключатель по управляющему сигналу от прибора управления модуляцией переключает сигнал с выхода источника «холодного» шума на первый вход СВЧ-циркулятора и далее с выхода СВЧ-циркулятора - на вход усилителя высокой частоты. Аналогично, на время, равное одной четверти периода модуляции, СВЧ-переключатель переключает на вход СВЧ-циркулятора сигнал от «горячей» эталонной согласованной нагрузки и на время, равное одной четверти периода модуляции, СВЧ-переключатель переводится в состояние «выключено», блокируя прохождение сигналов на выход переключателя от любого из трех входов. При этом сигнал от «холодной» эталонной согласованной нагрузки, подключенной ко второму входу СВЧ-циркулятора, проходит от второго входа СВЧ-циркулятора в направлении циркуляции до первого ввода СВЧ-циркулятора, отражается от него и в направлении циркуляции проходит на выход СВЧ-циркулятора и далее - на вход усилителя высокой частоты.

За время накопления сигналов на выходе синхронного детектора формируются два сигнала: U_ХШ-U_Х и U_Г-U_Х, первый пропорционален разности шумовой температуры твердотельного источника «холодного» шума и шумовой температуры источника «холодного» шума и второй пропорционален разности температуры «горячей» эталонной согласованной нагрузки и шумовой температуры «холодной» эталонной согласованной нагрузки. Точность измерения шумовой температуры согласно формуле (5) зависит от времени накопления сигналов. Чем больше время накопления, тем точнее измеряется значение шумовой температуры. При калибровке твердотельного источника «холодного» шума время накопления выбирается значительно больше времени накопления антенного сигнала τ, так чтобы точность измерения шумовой температуры была бы не хуже наперед заданной величины. Значение шумовой температуры твердотельного источника «холодного» шума вычисляется и запоминается в блоке множительно-делительной операции по формуле (9):

$${Т}_{ХШ}=\frac{U_{ХШ}-U_X}{U_{Г}-U_{Х}}\left({Т}_{Г}-{Т}_{Х}\right)-{Т}_{Х}\left(9\right)$$ ,

где Т_Г и Т_Х - значения термодинамических температур эталонных согласованных нагрузок, измеренные соответствующими термодатчиками. Вычисленное и запомненное значение шумовой температуры твердотельного источника «холодного» шума Т_ХШ используется для вычисления антенной температуры Т_А по формуле (8).

На фигуре 3 показан график зависимости погрешности измерения антенной температуры ΔТ_А от значений Т_А, полученный в процессе моделирования, с использованием формулы 8 для вычисления данных.

В остальном радиометр с трехопорной модуляцией работает по известной схеме.

Использование изобретения позволит повысить точность измерения радиояркостной температуры подстилающей поверхности.

Литература

1. О.Б.Белоусов, В.А.Плющев, И.А.Сидоров, С.И.Галаган. Обработка информации тепловой пассивной РЛС средствами программируемой логики. Сборник трудов 57 Научно-технической конференции Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования. Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (Технический университет). Часть третья. Технические науки, Москва, 2008 г., стр.19-24

2. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. М.: Наука, 1972. - 256 с.

3. Есепкина Н.А., Корольков Д.В., Парийский Ю.Н. Радиотелескопы и радиометры. М.: Наука, 1973. - 416 с.

4. Prater R.M., Williams D.R. An active "cold" noise source. //IЕЕЕ transactions on microwave theory and techniques. - 1981, vol.29, is.4.

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к СВЧ-радиометрическим приемникам. Радиометр с трехопорной модуляцией содержит последовательно соединенные приемную антенну, трехвходовый СВЧ-переключатель, усилитель высокой частоты, квадратичный детектор, усилитель низкой частоты, синхронный фильтр, синхронный детектор, блок вычисления множительно-делительной операции и регистратор, у которого на управляющие входы СВЧ-переключателя, синхронного фильтра и синхронного детектора подаются сигналы управления модуляцией от прибора управления модуляцией. Также устройство содержит «горячую» и «холодную» эталонные согласованные нагрузки и конструктивно связанные с ними термодатчики «горячей» и «холодной» эталонных согласованных нагрузок, выходы которых соединены с входами блока вычисления множительно-делительной операции, и нагревательный элемент. В устройство введены твердотельный источник «холодного» шума, выход которого подключен к входу СВЧ-переключателя, термодатчик твердотельного источника «холодного» шума, конструктивно связанный с твердотельным источником «холодного» шума, выход которого подключен к входу прибора управления модуляцией, СВЧ-циркулятор, первый вход которого подключен к выходу СВЧ-переключателя, ко второму входу СВЧ-циркулятора подключена «холодная» эталонная согласованная нагрузка, выход СВЧ-циркулятора подключен к входу усилителя высокой частоты. Направление циркуляции СВЧ-циркулятора выбрано от второго входа к первому входу и от первого входа к выходу. Технический результат - повышение точности измерений. 3 ил.

Радиометр с трехопорной модуляцией, содержащий последовательно соединенные приемную антенну, трехвходовый СВЧ-переключатель, усилитель высокой частоты, квадратичный детектор, усилитель низкой частоты, синхронный фильтр, синхронный детектор, блок вычисления множительно-делительной операции и регистратор, у которого на управляющие входы СВЧ-переключателя, синхронного фильтра и синхронного детектора подаются сигналы управления модуляцией от прибора управления модуляцией, также включающий «горячую» эталонную согласованную нагрузку, выход которой соединен со входом СВЧ-переключателя, и «холодную» эталонную согласованную нагрузку, конструктивно связанные с ними термодатчики «горячей» и «холодной» эталонных согласованных нагрузок, выходы которых соединены с входами блока вычисления множительно-делительной операции, и нагревательный элемент, конструктивно связанный с «горячей» эталонной согласованной нагрузкой и нагревающий ее до температуры выше температуры «холодной» эталонной согласованной нагрузки, отличающийся тем, что дополнительно введены твердотельный источник «холодного» шума, выход которого подключен к входу СВЧ-переключателя, термодатчик твердотельного источника «холодного» шума, конструктивно связанный с твердотельным источником «холодного» шума, выход которого подключен к входу прибора управления модуляцией, СВЧ-циркулятор, первый вход которого подключен к выходу СВЧ-переключателя, ко второму входу СВЧ-циркулятора подключена «холодная» эталонная согласованная нагрузка, выход СВЧ-циркулятора подключен к входу усилителя высокой частоты, направление циркуляции СВЧ-циркулятора выбрано от второго входа к первому входу и от первого входа к выходу.