Радиометр Советский патент 1991 года по МПК G01R29/08 

(/ С

Изобретение относится к технике СВЧ. Цель изобретения - повышение точности измерения радиационной температуры объектов Радиометр содержит антенну 1, модулятор 2, направленный ответвитель 3, усилитель 4 ВЧ, квадратичный детектор 5, усилитель 6 НЧ, перемножители 7 и 14, фильтры 8 и 15 нижних частот весовой сумматор 9, делитель 10 напряжений, блок 11 регистрации, г р 12 шума, фазовращатель 13, задающий г-р 16 и делитель 17 частоты. Цель достигается путем формирования на выходе блока 11 регистрации постоянного напряжения которое пропорционально радиационной температуре объекта и не зависит от коэффициента передачи радиометра и коэффициента отражения на границе раздела антенна - объект. 1 ил.

1

Н

о

Ю

о

Ю

о ел

Изобретение относится к технике СВЧ, а именно к модуляционным радиометрам СВЧ диапазона, применяемым для приема и измерения электромагнитного излучения объектов, расположенных в непосредственной близости к антенне, например для исследования собственного электромагнитного излучения биологических объектов, почвы, водных растворов и т.п.

Цель изобретения - повышение точности измерения радиационной температуры объектов,

На чертеже представлена структурная электрическая схема радиометра.

Радиометр состоит из антенны 1, моду лятора 2, направленного ответвителя 3, усилителя 4 высокой частоты, квадратичного детектора 5, усилителя 6 низкой частоты, первого перемножителя 7, первого фильтра 8 нижних частот, весового сумматора 9, делителя 10 напряжений, блока 11 регистрации, генератора 12 шума, фазовращателя 13, второго перемножителя 14, второго фильтра 15 нижних частот, задающего генератора 16 и делителя 17 частоты.

Радиометр работает сл-едующим образом.

Измерения мощности теплового излучения исследуемого объекта ведут при двух различных заданных значениях мощности шумового сигнала, например, ТШ2 ТШ1. вырабатываемого генератором 12 шума. Это необходимо для учета коэффициента отражения на границе раздела антенна - объект и флучтуаций коэффициента усиления радиометра.

Мощность теплового СВЧ-излучения исследуемого объекта, пропорциональная радиационной температуре Т объекта, поступает на границу раздела антенна - объект. Часть мощности, пропорциональная TR, отражается от границы раздела и затухает п среде объекта (R - коэффициент отражения на границе раздела антенна - объект).

Оставшаяся часть мощности, пропорциональная

Т(1-Р) ТЯ,(1)

принимается антенной 1 и пос тупает на вход модулятора 2.

Задающий генератор 16 формирует управляющее напряжение меандр частотой FI, а делитель 17 частоты формирует управляющее напряжение меандр частотой Рг. причем

Fi 2F2.(2)

Управляющее напряжение меандр с частотой Ft поступает на управляющий вход модулятора 2, который с частотой Fi обеспечивает поочередное подключение и отключение выхода антенны 1 с входом направленного ответвителя 3. Управляющее напряжение меандр с частотой F2 осуществляет модуляцию мощности генератора 12 шума поочередно до шумовых температур ТШ1 и ТШ2. Поскольку фазы колебаний управляющих напряжений синхронизированы, а частоты связаны соотношением (2), имеет место четыре повторяющихся интервала

времени, обусловленные различными состояниями модулятора 2 и генератора 12 шума.

Мгновенные значения напряжения Ui, L)2, Уз и LM, возникающие на выходе усилителя 6 низкой частоты для каждого интервала времени, определяются следующим образом.

Вход направленного ответвителя 3 отключен от выхода антенны 1 От генератора

12 шума поступает на выход модулятора 2 через направленный ответвитель 3 мощ ность шума с температурой Tu,i. Далее этот шумовой сигнал полностью отражается от закрытого модулятора 2 и проходит через

направленный ответвитель 3

Ui КТШ1 + С,(3)

где К - размерный коэффициент передачи радиометра от входа модулятора 2 до выхода усилителя 6 низкой частоты;

С - постоянная составляющая напряжения, одинаковая для всех четырех интервалов времени.

Вход направленного ответвителя 3 отключен от выхода антенны 1. От генератора

12 шума поступает на выход модулятора 2 через направленный ответвитель 3 мощность шума с температурой ТШ2. далее аналогично первому интервалу времени имеют

Ua КТ„,2 + С.(4)

Вход направленного ответвителя 3 под- кпючен к выходу антенны 1 Мощность теплового СВЧ-иолучения, принятая антенной согласно выражению (1), поступает через

модулятор 2, направленный ответвитель 3 на выход УВЧЧ, через квадратичный детектор 5 на выход усилителя частоты.

От генератора 12 шума поступает на выход модулятора 2 через направленный от0 ветвитель 3 мощность шума с температурой Тш1 далее этот шумовой сигнал проходит через открытый модулятор 2 в антенну 1 частично отражается от границы раздела антенна - объект с коэффициентом отраже5 ния R. проходит через открытый модулятор 2. направленный ответвитель 3 на выход усилителя 6 низкой частоты.

При этом мгновенное значение напряжения, возникающее на выходе усилителя 6 низкой частоты для третьего интервала времени пропорционально сумме мощностей следующих сигналов

Уз КТ(1 -R) + КТш1К + С(5)

Вход направленного ответвителя 3 подключен к выходу антенны 1. Мощность теплового СВЧ-излучения исследуемого объекта проходит до выхода усилителя 6 низкой частоты. От генератора 12 шума поступает на выход модулятора 2 через направленный ответвитель 3 мощность шума с температурой ТШ2, далее этот шумовой сигнал проходит на выход усилителя 6 низ- ой частоты аналогично третьему интервалу времени

При этом на его выходе возникает мгновенное значение напряжения

1М КТ (1 - R) + KTutfR + С(6;

Выходное напряжение усилителя 6 низкой частоты поступает на первого 7 и второго 14 перемножителей На в-орой вход первого перемножителя 7 подается меандр с частотой F2 При этом его выходе после сглаживания в первом фильтре 8 нижних частот с заданной постоянной

времени г т-- получают постоянное напряжение

Uci 1 з + U4 - Ui - 1/2 -

-2КТ(1 -Р)-К(ТШ1 + - R) (7)

На второй вход второго перемножителя 14 поступает меандр с частотой Г2 задержанный во времени с помощью фазовращателя 13 на одну четверть периода (со сдвигом по фазе на 90 градусов) При этом на его выходе после сглаживания во втором фильтре 15 нижних частоте заданной постоянной времени получают постоянное напряжение

Uc2 U2-Ui + U4- L 3

К(ТШ2 ТШ00-R).(8)

которое поступает в качестве делителя в делитель 10 напряжений и на первый вход весового сумматора 9 для компенсации постоянной составляющей напряжения Uci. обусловленной наличием в выражении (7) члена К (Тш1 + Тш2Х R) Причем коэффициенты передачи входов сумматора 9 выбираются таким образом, чтобы выполнялось рэвенство

а(ТШ1+ Тш2) Ь(ТШ2 Тцм).(9)

где a. b - коэффициенты передачи второго и первого входов сумматора соответственно

0

5

UT

0

Таким образом на второй вход делителя 10 напряжений в качестве делимого поступает напряжение

UT 2KaT{1-R),(10)

а после проведения операции деления в нем на вход блока 11 регистрации поступает напряжение

Ц| 2KaT(1-R) Uc2 К(Тшг-Тш1)(1 -R)

(11) 2а

ТШ2 - ТШ1

которое пропорционально радиационной температуре объекта, не зависит от коэффициента передачи радиометра и коэффициента отражения на границе раздела антенна - объект

Постоянные коэффициенты а и b определяются в процессе калибровки прибора.

Формула изобретения

Радиометр, содержащий последовательно соединенные антенну, модулятор,

направленный ответвитель, усилитель высокой частоты, квадратичный детектор, усилитель низкой частоты, первый перемножитель и первый фильтр нижних частот, задающий генератор, генератор шума, выход

которого соединен с вторым входом направленного ответвителя, и блок регистрации, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения радиационной температуры, введены последовательно соединенные делитель частоты, фазовращатель, второй перемножитель, второй фильтр нижних частот и делитель напряжения, а также весовой сумматор, при этом выход задающего генератора соединен с входами генератора шума и делителя частоты, выход которого соединен с управляющим входом модулятора и вторым входом первого перемножителя, второй вход второго перемножителя соединен с выходом усилителя низкой частоты, выход второго фильтра нижних частот соединен с первым входом весового сумматора, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот,

а выход - с вторым входом делителя напряжений, выход которого соединен с входом блока регистрации.