Модуляционный радиометр Советский патент 1989 года по МПК H04B1/10 G01R29/08 G01R29/26 

: Изобретение относится к радаотехнике, предназначено для измерения cnkбых шумовых сигналов на фоне внутренних шумов приемника и быть испсхльзовано для радиоастрономических наблюдений, радиоизмерений, в технической и медицинской диагностике ит.д.

Целью изобретений является повьш1ение точности измерений.

На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема модуляционного радиометра; на фиг. 2 и 3 - варианты peaЛИЗ ации коммут ацио нно-де тектирующего блока. Модуляционный радиометр состоит из усилителя 1 высокой частоты, делителя 2 мощности, первого лолосового фильтра 3, аттенюатора 4, второго полосового фильтра 5, генератора 6 опор ного напряжения, комь1утационно-детек-тирующего блока 7, усилителя 8 низкой частоты, синхронногодетектора 9, бло ка 10 регистрации. КоммутационнО детектйрутрщий блок 7 состоит из СВЧ-коммутатора 11 и квадратичного детектора 12 (см. фиг, 2), либо из первого 13 и второго 14 квадратичных детекторов и низкочастотного коммутатора 15. На входе усилителя 1 высокой частоты может быть включен входной 16 полосовой фильтр,. Вместо усилителя I высокой частоты в радиометре могут применяться последовательно соединенные смеситель с гетеродином и усилитель промежуточной частоты. Модуляционный радиометр (см, фиг, Д в котором блок 1 вьтолнен в виде щирокополосного усилителя или пбследовательно соединенных смесителя с гетеродином и усилителя промежуточной частоты, блок 7 выполнен, как пока-/ зано на фиг, 2, а полосы пропускания Afj; & f первого и второго полосовых фильтров равны между собой, обеспечивает измерение спектральных особенностей шумовых сигналов и работает следующим образом. Измеряемый шумовой сигнал поступает на вход усилителя 1 высокой частоты, который осуществляет усиление с . одинаковым коэффициентом Gf шумов в полосе .частотif|. На его выходе в полосе частот Д f, присутствует усилен ная аддитивная смесь измеряемого шумо вого сигнала и собственньпс шумов усидителя 1, Делитель 2 мощности осуще- ствляет разделение шума по мощности на две равные части, Первьй и второй полосовые фильтры выделяют из каждой части шум в полосах частот, соотзветст ffeHHo Afj и fif , которые являются tieперекрывающимися частями полосы чйс- тот А f| и удовлетворяют соотношению Аддитивная смесь измеряемого шумового сигнала и собственных шумов усилителя 1 в полосе частот ufj с выхода первого полосового фильтра -через аттенюатор 4 поступает на первый вход СРЧ-коммутатора , включенного на входе коммутационно-детектирующего блок:а 7. Аттенюатор 4 обеспечивает равенство шумовых мощностей на входах СВЧ-коммутатора I1, Аддитивная смесь измеряемого шумового сигнала ;и coбcтвeнньIx шумов; усилителя I в полосе частот А f4 с выхода второго 5 полосового- фильтра поступает на второй вход; СВЧ-коммутатора I1, На управляющий вход СВЧ-коммутатора 11 поступает напряжение в виде последовательности прямс)угольных импульсов с генератора 6 опорного напряжения, В первую половину последовательности Р на .выходе СВЧ-коммутатора II присутствует шум в полосе частот Л f , а во вторую пОловину пе:риода - шум в полосе uf. Квадратичный детектор J2 осуществляет преобразование шума с выхода СВЧг-коммутатора 11 в напряжение низкой частоты, пропорциональное мощности шума на его входе. После усилителя 8 низких частот напряжение поступает в синхронный детектор 9, На управляющий вход синхронного детектора 9 поступает на- пряжение в виде последовательности Р прямоугольных импульсов с генератора 6, Синхронный детектор 9 формирует напряжение, прбпорциональное разности уровней напряжений, постуггагадих на его вход в различные полупериоды напряжения с генератора 6, При этом осуществляется взаимокомпеисация. флуктуации коэффициента усиления и собственных шумов усилителя 1 в полосах частот Af ид 4, что и обеспечивает повышение стабильности радиометра. Блок 10 регистрации осуществляет регистрацию 11аклона спектра, т.еч разно.сти напряжений, пропорциональных мощностям измеряемого шумового сигнала в полосах частот Л f5 . Вьтолнение одного из полосовых фильтров 3, 5 перестраиваемым позвопя- , ет измерять спектральные особенности измеряемо1го шумового сигнала во всей полосе усилителя 1 высокой частоты. Модуляционный радиометр (см, фиг, 1) в котором на входе усилителя высокой Частоты включен входной 16 полосовой 4янпьтр, блок 7 вьтолнен, как показано, на фиг, 2, а полосы пропускания Af2 и Afjr первого и второго полосовых фильтров соответственно удовлетворягот со отношению Д f с. 4f $(uf - Af), где д f j 2 u f., a fl fj. полоса частот , формируемая входным полосовым фильтром 16 на входе усилителя 1, ра ботает следующим образом. : Измеряемый шумовой сигнал поступа ;ет на входной полосовой фильтр, осущ ствляющий формирование рабочей полосы частот Д радиометра. Последующие элементы усилителя 1 высокой частоты осуществляют усиление шумов в полосе частот Д f 2 Afj. При этом коэффициент усиления G усилителя 1 одинаков в частотных полосдх Af. и (Af fAf2.) На .выходе усилителя 1 .в noJicJce df присутствует усиленная аддитивна смесь измеряемого шумового и входных собственйых шумов усилител я а в полосе (dfj - Afj) - только усиленные собственные шумь усилителя I. Делитель мощности 2 осуществл:яет разделение шума по мощности на две части Из .одной части первый полосовой фильтр вьщеляет шум в полосе частот ftf, где Af. .(df| - afi), а , из другой второй полосовой фильтр выделяет шум в полосе частот д Шум в полосе частот 4 f., лредставдяющий собой аддитивную смесь измеряемого шумового сигнала и собственных шумов усилителя t высокой частоты с выхода второго полосового фильтра поступает на.вХод СВЧ-коммутатора 11.. Мопщость этого .шума W GjK (Tj + Т)Л., где GI - коэффициент усндения усвпятеля 1 высокой частсты; К - постоянная Больцмана; Tj - эффективная температура соб ственных шумов усилители t в полосе частот л f.; ; Т - эффективная температура изм ряемого шумового сигнала, в полосе частот uff, представ ляющий собой собственные шумы усипя теля 1, с выхода первого 3 полЬсоного фильтра через аттенюатор 4 поступает надругой вход СБЧ-коммутатора И включенного на входе коммутационнодетектируюп}его блока 7. Мощность VI этого шума W,, ,,/, где G f - коэффициент усиления усили-f теля 1; К - постоянная Больцмана; Т, .- эффективная температура собственных шумов усилителя 1 в полосе частот 4 - коэффициент передачи аттенюатора 4. Аттенюатор 4 обеспечивает равенство шумовых мощностей на входах СБЧкоммутатора 11. На управляющий вход СВЧ-коммзп атора 11 поступает напряжение в виде последовательности Р прямоyroliBHbix импульсов с генератора 6 опорного напряжения. В первую половину периода последовательности Р на выходе СВЧ-коммутатора 11 присутствует шум в полосе частот 4 f;j, а во вторую половину периода - шум в полосе частот . Квадратичный детектор 13 осуществляет преобразрванне шума с выхода . . СВЧ-коммутатора 1I в напряжение низкой частоты, пропорциональное мощности шума на его входе. После усилНтеля 8 низкой частоты напряжение поступает в Синхронный детектор 9. На управляющий вход синхронного детектора 9 поступает напряжение в виде последовательности прямоугольных импульсов с генератора 6. Синхронный детектор 9 формирует напряжение U, пропорциональное разности уровней напряжений, поступающих на его вход в разные полупериоды опорного напряжения с генератора 6 и- G, KCTgflf, + -TTs-afj.), В реальных устройствах эффективная температура собственного Т в полосе частот Л f равна эффективной температуре собственного шума Т в полосе частот и f j- (Т, ь Т) . Так как df -i d 5-, то при отсутствии измеряв емого шумового сигнала на входе радиометра (Т О) аттенюатор 4 за счет изменения коэффициента передачи tf обе спечивает нулевое значение напряжения и. При этом осуществляется компенсация напряжения, пропорционального собственным шумам усилителя I в полосе частот f , напряжением, пропорциональным собствен|п.1м шумам усилителя 1 в полосе Af.у. Флуктуации коэффициента усиления и собственньк шумов усилителя 1 в полосах частот uf и взаимозависимы. Кроме того, напряжение на выходе сннхронного детектора 9 пропорционально разности шумовых сигналов, поступающих

на входы комьгутаЦионно-детектирующего блока 7. Поэтому в приемнике осуществляется компенсация флуктуации собственных шумов и коэффициента усиления высокочастотного тракта в полосе сигнала Л fJ флуктуациями собственных шумов и коэффициента усиления высокочас тотного тракта в полосе/j f, что и обеспечивает повышение стабильности радиометра. Блок 10 регистрэдии осуществляет контроль за нулевым уровнем напряжения..При наличии измеряемого шумового сигналя на входе радиометра нул еврй уровень напряжения U обеспечивается при другом значении коэффициента передачи аттенюатора 4. Шкала значений коэффициента передачи / аттенюатора 4 проградуирована в градусах Кельвина и является измерительной шкалой радиометра. Модуляционный радиометр (см, фиг. l) в котором на входе включен входной 16 полосовой фильтр, блок 7 выполнен, как показано ца фиг. 3, полосы пропус кания uf, и4 первого и второго полосовых фильтров соответственно удовлетворяют соотношению Л f,t & fg (uf - Л fa.), где u 2 д, а Af - полоса частот, формируемая входным полосовым. фильтром на входе усилителя 1, работает .следующим образом. Измеряемый шумовой сигнал поступает на вход.входного полосового фильт-ра, осуществляющего формирование рабо чей полосы частот дf радиометра. Усилитель 1 высокой частоты производи усиление шумов в полосе частот 4 f 2дf , При этом коэффициент усиления G усилителя 1 одинаков в частотных полосах df4. и (iff ) Йа выходе усилителя 1 в полосе Л f при сутствует усиленная аддитивная смесь измеряемого шумового сигнала и входных собственных шумов усилителя 1, а в полосе ( - д) - только усиленные собственные шумы усилителя 1, Целитель 2 мощности осуществляет разделение шума по мощности на две части, Из одной части первый полосовой фильтр вьщеляет шум в полосе частот , где4 i4f.r (af - uft ), а из другой - второй полосовой фильтр выделяет шум в полосе частот л fju. Шум в полосе частот л f г. представляющий собой аддитивную смесь измеряемого

шумового сигнала и собственных шумов усилителя I высокой частоты, с выхода второго полосового фильтра 5 постзша- ет на вход квадратичного детектора

13.Шум в полосе частот д, представляющий собой собственные шумы усилителя 1, с выхода первого полосового фильтра 3 через аттенюатор 4 поступает на вход квадратичного детектора

14.Аттенюатор 4 обеспечивает равенство шумовых мощностей на входах квадратичных детекторов 13, 14, которые ОСУ ществляют идентичные преобразования шума в напряжения низкой часто ты,; пропорциональные мощностям шума в полосах частот соответственно Afj, и f.. Напряжения с выходов квадратичньк детекторов 13, 14 поступают на соответствующие входы коммутатора 15. На управляющий вход коммутатора 15 поступает напряжение в виде последовательности Р прямоугольньк импул 1сов с генератора 6 опорного напряжения. В первую половину периода последовательностк Р на выходе коммутатора 15 присутствует. напряжение с квадратичного детектора 13, а во вторую половину периода - напряжение с квадратичного детектора 14, После усилителя 8 .низкой частоты напряжение подается на синхронньй .детектор 9, На управляющий вход сцнхронного детектора 9 поступает напряжение в виде последовательности Р прямоугольных импульсов с генератора 6. Синхронный детектор 9 формирует напряжение, пропорциональное разности уровней напряженийj поступающих на его вход в различные полупериоды опрриого напряжения с генератора 6. как f uf то при отсутствии измеряемого шумового сигнала на входе радиометра аттенюатор 4 за счет изменения кoэффициeнta передачи ij обеспечивает нулевое значение напряжения на выходе синхронного детектора 9. При этом- осуществляется компенсация напряжения, пропорционального собственным шумам усилителя 1 в полосе частот д f яапряженнем, пропорциональным собственным шумам усилителя 1 в полосе Af,f. Поскольку флуктуации коэффициента усиления и шумов усилителя 1 в полосах dfa и ifj. взаимозависимы, то компенсация флуктуации собственных: шумовTi коэффициента усиления усилителя 1 высокой, частоты в полосе сигнала . флуктуациями собственных шумов и коэффициента усиления усилителя 1 в полосе

обеспечивает повышение стабильности радиометра. Блок 10 регистрации осуществляет контроль за нулевым уровнем напряжения с синхронного детектора9. При наличии измеряемого шумового сигнала на входе радиометра нулевой уровень напряжения на выходе синхронного детектора 9 обеспечивается при другом зйачещга коэффициента передачи ю аттенюатора 4. Шкала значений коэффициента передачи аттенюатора А проградуирована в градусах Кельвина и является измерительной шкалой радиометра.

Преимуществом описываемо го модуля ционного радиометра является простота реализации и эксплуатации, В кем отсутствует эталонная нагрузка нулевой, метод измерения шумовых сигналов осуществлен без включения дополнительных регулируемых шумов{;1х источников и контроль коэффициента усиления не требутет присутствия калибровочного генератора щума.

1 . ШДУЛЯЦИОНШЙ РДЩЮМЕТРу содержащий усилитель высокой частоты и последовательно соединенные усилитель низкой частоты, синхронный дет«стор и блок регистрации, при этом к управляющему входу синхронного детек тора подключен генератор опорного Hk- пряжения, о тли чаю щ и и с я . , тем, что, с целью повьшения,точности измерений, введены между вькодом усклйтеля -высокой частоты и входом усилителя низкой частоты последовательно, соединенные делитель мощности, полосовой фильтр, аттенюатор и коммутационно-детектирующий блок, а также второй полосовой фильтр, включеннь между вторым выходом делителя мощности и вторым входом коммутационно-детектирующего блока, управляющий вход которого соединен с выходом генератора опорного напряжения. 2. Радиометр по тг. I, о т л и -. чающийся тем, что введен входной полосовой фильтр, выход которого соединен с входом усилителя высокой частоты. 3. Радиометр по п. 1 тщ 2, отличающийся тем, что комму.тационно-детектирующий блок вьшолнен в виде последовательно соединенных СВЧ-коммутатора и квадратичного детектора, при этом управляющий и два сигнальных входа СВЧ-коммутатора являются управляюпцт и сигнальными входами коммутационно-детектирующего блока, а СЛ выход квадратичного детектора - выходом блока. 4. Радиометр . 2, о т л и ч а ю щи и с я тем, что коммутациОннодетектирующий бЛок содержит два квадратичных детектора, входы которых являются сигнальными входа1 и блока, а выходы соединены с первым и вторым :о сигнальными входами низкочастотного коммутатора, управляющий вход которого является управляющим входом, а выход выходом коммутационно-детектиру СП ющего блока.

ftf5.2

Ш

Ш1

Г

ftf€3