Радиометр для измерения влажности в верхних слоях атмосферы Советский патент 1990 года по МПК G01R29/08 

Изобретение относится к технике дистанционного зондирования метеорологических параметров атмосферы и может быть использовано.для измерения содержания водяного пара в стратосфере.

Цель изобретения - повышение точности измерения влажности в верхних слоях атмосферы.

На фиг.1 представлена функциональная блок-схема радиометра для измерения влажности в верхних слоях атмосферы; на фиг.2 - зависимость коэффициента пропускания солнечной радиации от частоты.

Ридиометр содержит последовательно соединенные антенну 1, коммутатор 2, смеситель 3, усилитель 4 промежуточной частоты (УПЧ), амплитудный детектор 5 (АД), усилитель 6 нижних частот (УНЧ), первьй синхронный де тектор 7, второй синхронный детектор 8, а также последовательную цепь из третьего синхронного детектора -9, подключенного к УНЧ 6, интегратора 10, и аттенюатора 11, выход которого подключен к второму входу коммутатора 2.

Кроме того, радиометр включает первый генератор 12 опорной частоты, выход которого подключен к синхронному детектору 7 и ко входу гетеродина 13, выход которого связан со вторым входом смесителя 3, и второй гег нератор 14 опорной частоты, выходы которого соединены со вторым входом синхронного детектора & и со вторым входом синхронного детектора 9, а также генератор 15 шума, выход котоСД

сл

со со to

4ь

рого подключен к сигнальному входу аттенюатора 11.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 14 опорной частоты формирует низкочастотный периодический сигнал, которым управляется коммутатор 2. При этом вход смесителя 3 периодически подключается или к выходу антенны 1, или к выходу аттенюатора 11. Длительность интервала времени, в течение которого на вход смесителя 3 поступает сигнал с выхода антенны 1, равна длительности интервала времени, в течение которого сигнал поступает с выхода аттенюатора 11. Солнечная радиация, равномерно распределенная в широком диапазоне частот, проходя через толщу атмосферы, частично поглощается парами воды в окрестностях частоты fo 22,235 ГГу образуя линию поглощения.

Зависимость коэффициента пропуска

25

30

ния Та от частоты f вблизи линии поглощения показана на фиг.2.

В интервале времени, в течение которого антенна 1 связана со смесителем 3, узкополосный УПЧ 4 из входного сигнала выделяет сигнал в полосе частот uf (фиг,2) с помощью генератора 12 опорной частоты частота гетеродина 13 периодически с частотой F изменяется на величину fw. За счет изменения частоты гетеродина 13 изменяется и частота принимаемого теплового 35 излучения. На выходе амплитудного детектора 5 формируется сигнал, постоянная составляющая которого пропорциональна мощности входного излучения солнечной радиации, а переменная сое-40 тавляющая представляет собой гармоническую функцию с частотой F, амплитуда которой определяется разностью коэффициентов пропускания в центре линии поглощения и на ее крыле. Этот .сигнал усиливается в УНЧ 6 и подается на вход синхронного детектора 7, на второй вход которого поступает сигнал с выхода генератора 12. В результате на выходе синхронного детек- 50 тора 7 формируется сигнал, характе- ризующий разность коэффициентов пропускания атмосферы в центре линии поглощения на ее крыле:

л(55

/f««

45

д

о 1

U,

Сигналы, формируемые благодаря приему солнечной радиации и подключе нию ко входу смесителя источника шума, с выхода УНЧ 6 поступают на синхронный детектор 9, на второй вход которого подается сигнал от генератора 14. Тем самым на выходе синхрон ного детектора 9 формируется сигнал, пропорциональный разности уровней постоянных: составляющих мощностей солнечной радиации и шума. Разностны сигнал интегрируется интегратором 10 и поступает на управляющий вход аттенюатора 11. При этом изменение коэффициента подавления сигнала в атте нюаторе 11 происходит до тех пор, по ка мощность солнечной радиации и мощ ность шума не станут равны между собой. Переменная составляющая, формируемая на выходе УНЧ 6 в интервале времени, когда вход смесителя 3 подключен к выходу аттенюатора 11, поз«- воляет получить на выходе синхронного детектора 7 сигнал Uh. Таким образом, когда коммутатор 2 подключен на выход антенны 1, на выходе синхронного детектора 7 формируется сиг- + Uh, а когда коммутатор

нал U0 U.,

Л-| «- « w оv h ix w ,u,a. vwrruTij i a. i w±y

i t TgCCJdl J Te(f)dfjj, 2 переключен на аттенюатор 11 - фор- at f.-T

t 0 M

мируется сигнал 11 г II n. Эти сигналы

0

0

5

0

35 40 50

55

45

где ) - спектральная плотность мощности входного сигнала.

Однако, в реальном устройстве на величину сигнала, формируемого детектором 7 оказывает влияние частот - ная зависимость коэффициента пропускания любого элемента волноводно- го тракта и смесителя (см. фиг.2), что приводит к появлению ошибочного сигнала U j Ut + Uh. Для устранения этой ошибки коммутатором 2 к входу смесителя 3 периодически с частотой F подключается выход аттенюатора 11, вход которого соединен с выходом генератора 15 шума, формирующего сигнал, спектр частот которого равномерен в диапазоне частот f0 f f0 + fM

В интервале времени, в котором к входу смесителя 3 коммутатором 2 подключен аттенюатор 11, на выходе амплитудного детектора 5 формируется сигнал, постоянная составляющая которого пропорциональна мощности шума, а переменная составляющая зависит от частотной неравномерности волноводно- го тракта. Этот сигнал также поступает на вход УНЧ 6.

Сигналы, формируемые благодаря приему солнечной радиации и подключению ко входу смесителя источника шума, с выхода УНЧ 6 поступают на синхронный детектор 9, на второй вход которого подается сигнал от генератора 14. Тем самым на выходе синхронного детектора 9 формируется сигнал, пропорциональный разности уровней постоянных: составляющих мощностей солнечной радиации и шума. Разностный сигнал интегрируется интегратором 10 и поступает на управляющий вход аттенюатора 11. При этом изменение коэффициента подавления сигнала в аттенюаторе 11 происходит до тех пор, пока мощность солнечной радиации и мощность шума не станут равны между собой. Переменная составляющая, формируемая на выходе УНЧ 6 в интервале времени, когда вход смесителя 3 подключен к выходу аттенюатора 11, поз«- воляет получить на выходе синхронного детектора 7 сигнал Uh. Таким образом, когда коммутатор 2 подключен на выход антенны 1, на выходе синхронного детектора 7 формируется сиг- + Uh, а когда коммутатор

нал U0 U.,

w оv h ix w ,u,a. vwrruTij i a. i w±y

2 переключен на аттенюатор 11 - формируется сигнал 11 г II n. Эти сигналы

5

поступают на вход синхронного детек тора 8, на выходе которого формируе ся сигнал Uj (U, + Un) - и„ U,, , который не зависит от частотной неравномерности волноводного тракта.

Формула изобретени

Радиометр для измерения влажност в верхних слоях, атмосферы, содержащий последовательно соединенные антенну, коммутатор, смеситель, усилитель промежуточной частоты, амплитудный детектор, усилитель низких частот, первый и второй синхронные детекторы, первый генератор опорной частоты, выход, которого подключен-к второму входу первого синхронного детектора, второй генератор опорной частоты, выход которого подключен к второму входу второго синхронного

и гетеродин, выход которого к второму входу смесителя, а ю щ и и с я тем, что, с

детектора подключен о т л и ч

целью повышения точности измерения влажности в верхних слоях атмосферы, введены третий синхронный детектор, интегратор, генератор шума и аттенюатор, причем аттенюатор включен между выходом генератора шума и вторым входом коммутатора, управляющий вход которого соединен с выходом второго генератора опорной частоты, третий синхронный детектор и интегратор включены последовательно между выходом усилителя низких частот и управляющим входом аттенюатора, выход первого генератора опорной частоты подключен к управляющему входу гетеродина, а выход второго генератора опорной частоты подключен к второму входу третьего синхронного детектора.

Изобретение относится к технике дистанционного зондирования метеорологических параметров атмосферы, может быть использовано для измерения содержания водяного пара в атмосфере и позволяет повысить точность измерения влажности в верхних слоях атмосферы. Радиометр содержит последовательно соединенные антенну, коммутатор, смеситель, усилитель промежуточной частоты, амплитудный детектор, усилитель низкой частоты, первый и второй синхронные детекторы, а также первый и второй генераторы опорных частот, генератор шума, через аттенюатор подключенный к второму входу коммутатора, и третий синхронный детектор, через интегратор соединенный с управляющим входом аттенюатора. 2 ил.

Фиг.1

Тв (/)

/

Фиг. 2