Модуляционный радиометр Советский патент 1991 года по МПК G01R29/26 

1

(21)4008123/09 (22)03.07.86 (46)07.02 91. Бюл. (72) В С.Гэевский, С.В Маречек Ю В Мешков. Ю.Н Муськин и В.М Поляков (53)621.317(0888)

(56)Есепкина Н.А и др. Радиотелескопы и радиометры М.: Наука, 1973

Авторское свидетельство СССР № 1105832, кл G 01 R 29/08,1984

(54) МОДУЛЯЦИОННЫЙ РАДИОМЕТР

(57)Изобретение относится к технике СВЧ. Цель изобретения - повышение точности измерений. Модуляционный радиометр содержит антенну 1, модулятор 2, направленный ответвитель 3, приемно-усилительный блок 4, синхронные детекторы 5, 13 и 14, сумматор 6, делители 7 и 16 напряжений,

блоки 8 и 17 регистрации (БР), задающие г-ры 9 и 11, г-р 10 шума, коммутатор 12 и блок 15 вычитания. В радиометре прием мощности теплового излучения исследуемого обьекта производится при двух различных заданных значениях мощности шумового сигнала, вырабатываемого г-ром 10. Цель достигается путем формирования на выходе БР 8 постоянного напряжения, которое пропорционально радиационной температуре объекта и не зависит от коэффициента передачи радиометра и коэффициента отражения на границе раздела антенна-объект, а на выходе БР 17-напряжения, которое пропорционально коэффициенту отражения на границе раздела антенна - объект и не зависит от коэффициента передачи радиометра и точности поддержания температур г-ра 10. 2 ил.

(Л

С

о

Ю

о

Ю

о

Изобретение относится к технике СВЧ, а именно к модуляционным радиометрическим приемникам СВЧ-диапазона, применяемым для приема и измерения электромагнитного излучения объектов, прилегающих непосредственно к антенне, например, для определения глубинной радиационной температуры тканей биологических объектов, почвогрунтов. водных растворов и других полупроводящих сред, а также для измерения излучательных характеристик этих сред на границе антенна - объект.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

На фиг.1 приведена структурная электрическая схема модуляционного радиометра; на фиг.2 - эпюры, поясняющие его работу.

Модуляционный радиометр содержит антенну 1, модулятор 2, направленный от- ветвитель 3, приемно-усилительный блок 4, первый синхронный детектор 5, сумматор 6, первый делитель 7 напряжений, первый блок 8 регистрации, первый задающий генератор 9, генератор 10 шума, второй задающий генератор 11, коммутатор 12, второй 13 и третий 14 синхронные детекторы, блок 15 вычитания, второй делитель 16 напряжений, второй блок 17 регистрации.

Приемно-усилительный блок в простейшем случае содержит последовательно сое- диненные усилитель высокой частоты, квадратичный детектор и фильтр нижних частот.

В радиометре прием мощности теплового излучения исследуемого объекта производится при двух различных заданных значениях мощности шумового сигнала, например, ТШ2 Тш1, вырабатываемого генератором 10 шума. Это необходимо для измерения коэффициента отражения на границе раздела антенна - объект и точного определения радиационной температуры в условиях флуктуации коэффициента отражения, а также для учета флуктуации коэффициента передачи тракта радиометра.

Модуляционный радиометр работает следующим образом.

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

Оставшаяся часть мощности, пропорциональная

Т(1-Р)-ТЯ.(1)

принимается антенной 1 и поступает на вход модулятора 2.

Первый 9 и второй 11 задающий генераторы формируют управляющие напряжения

Dpi и UF2 формы меандра частотой FI и F2 соответственно, фазы которых синхронизированы, а частоты связаны соотношением

F2 -2nFi.(2)

где п - целое число 1, 2, 3

0На фиг.2 показан пример диаграмм выходных напряжений первого 9 и второго 11 задающих генераторов, выходного напряжения приемно-усилительного блока 4 и изменения мощности генератора

5 10 шума для соотношения частот модуляции F2 2Fi и Т ТШ1 ТШ2.

Управляющее напряжение типа меандра с частотой FI поступает на управляющий вход модулятора 2 и обеспечивает пооче0 редные подключение и отключение выхода антенны 1 к входу направленного ответви- теля 3. Управляющее напряжение типа меандра с частотой F2 осуществляет модуляцию мощности генератора 10 шума

5 поочередно до температуры ТШ1 и ТШ2. Поскольку фазы колебаний управляющих напряжений синхронизированы, а частоты связаны соотношением (2), имеют место четыре повторяющихся интервала времени,

0 обусловленные различными состояниями модулятора 2 и генератора 10 шума (фиг.2). Мгновенные значения напряжения Ui, Ua, Уз, 1М, возникающие на выходе приемно-усилительного блока 4 для каждого

5 интервала времени, определяются следующим образом.

Вход направленного ответвителя 3 отключен от выхода антенны 1. От генератора 10 шума поступает на выход модулятора 2

0 через направленный ответвитель 3 мощность шума с температурой ТШ1. Далее этот шумовой сигнал полностью отражается от закрытого модулятора 2 и проходит через направленный ответвитель 3 на выход при5 емно-усилительного блока 4

и1 КТШ1 + С, (3)

где К - размерный коэффициент передачи радиометра от входа модулятора 2 до выхода приемно-усилительного блока 4;

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

Вход направленного ответвителя 3 отключен от выхода антенны 1.

5От генератора 10 шума поступает на

выход модулятора 2 через направленный ответвитель 3 мощность шума с температурой ТШ2, далее аналогично первому интервалу времени имеют

U2 КТШ2 + С.(4)

Вход направленного ответвителя 3 подключен к выходу антенны 1. Мощность теплового СВЧ-излучения, принятая антенной 1, согласно (1) поступает через модулятор 2 и направленный ответвитель 3 на выход приемно-усилительного блока 4. От генератора 10 шума поступает на выход модулятора 2 через направленный ответвитель 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 отражения R, проходит через открытый модулятор 2, направленный ответвитель 3 на выход приемно-усилительного блока 4. При этом мгновенное значение напряжения, возникающее на выходе приемно-усилительного блока 4, для третьего интервала времени пропорционально сумме мощностей сигналов

Кз КТ(1 -R)+ KTuii R С. (5)

Вход направленного ответвителя 3 подключен к выходу антенны 1. Мощность теплового СВЧ-излучения исследуемого объекта проходит до выхода приемно-усилительного блока 4, как и в случае третьего интервала времени.

От генератора 10 шума поступает на выход модулятора 2 через направленный ответвитель 3 мощность шума с температурой ТШ2, далее этот шумовой сигнал проходит на выход приемно-усилительного блока 4 аналогично третьему интервалу времени.

При этом на его выходе возникает мгновенное значение напряжения

U КТ (1 - R) + КТш2 R + С.(6)

Выходное напряжение приемно-усилительного блока 4, представляющее собой периодически повторяющуюся последовательность напряжений lh, U2, Ua. CM, поступает на входы первого синхронного детектора 5 и коммутатора 12. На о юрный вход первого синхронного детектора 5 подается напряжение типа меандра с частотой FI, При этом на его выходе после интегрирования (сглаживания) с заданной постоянной времени т 1/Fi получают постоянное напряжение

Uci Кз + lU- Ui - U2

-2кто -я)-к(Гш1 + тШ2Х1 -R). (7)

Коммутатор 12, на управляющий вход которого поступает напряжение типа меандра с частотой FI, поочередно подключает входы второго 13 и третьего 14 синхронных детекторов соответственно к выходу приемно-усилительного блока 4. При этом на

выходах этих детекторов после интегрирования (сглаживание) с заданной постоянной времени соответственно получают постоянные напряжения 5Uc2 U4 - U3 К (Тш2 - Tu,i)R(8)

и /

UC3 U2 - Ui К - ТШ1).(9)

которые подаются в блок 15 вычитания.

Выходное напряжение блока 15 вычита- 10 ния ,

UC2 UC3 - Uc2 К (Tu,2 - ТыХ1 - R) (Ю) поступает на вход первого делителя 7 напряжений и сумматор 6 для компенсации постоянной составляющей напряжения 5 UCL обусловленной наличием в (7) члена Кч (ТШ1 + ТШ2Х1 R)- Причем коэффициенты передачи входов сумматора 6 выбираются так, чтобы выполнялось равенство

а() о (ТШ2-ТшО,(11)

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

Таким образом, на вход делимого первого делителя напряжений 7 в качестве де- 5 лимого поступает напряжение

UT 2KaT(1 - R),(12)

а после проведения операции деления в нем на вход первого блока 8 регистрации поступает постоянное напряжение 0 ут2 КаТ(1 -R), .

Т Кс2 гЦТшУ-ТиГМТ ТГ) ( которое пропорционально радиационной температуре объекта, не зависит от коэффициента передачи радиометра и коэффици- 5 ента отражения на границе раздела антенна - объект.

Постоянные коэффициенты а и b определяются в процессе калибровки прибора. Для измерения коэффициента отрэже- 0 ния на границе раздела антенна - объект на выходе второго делителя 16 появляется напряжение

Uc2 К(Тц,г -ТщрР. .

LJ К - i| - 7f-rт - v

исз К (ТШ2 - ТШ1)v

5 которое подается на вход второго блока 17 регистрации. Это напряжение пропорционально коэффициенту отражения на границе раздела антенна - объект и не зависит от коэффициента передачи радиометра и точ0

ности поддержания температур генератора

10 шума.

Формула изобретения Модуляционный радиометр, содержащий последовательно соединенные антен- ну, модулятор, направленный ответвитель, приемно-усилительный блок и первый синхронный детектор, второй синхронный детектор, блок вычитания, первый и второй задающие генераторы, генератор

шума, первый и второй блоки регистрации, выход первого задающего генератора соединен с управляющим входом модулятора и с опорным входом первого синхронного детектора, выход второго задающего генератора соединен с опорным входом второго синхронного детектора и с управляющим входом генератора шума, выход которого соединен с вторым входом направленного ответвителя, выход второго синхронного детектора соединен с входом вычитаемого блока вычитания, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, введены коммутатор, сумматор, третий синхронный детектор и первый и второй делители напряжений, выход второго задающего генератора соединен с входом синхронизации первого задающего генератора и с опорным входом третьего синхронного детектора, выход которого соединен с вхои „

Ufi Тьл

и

к.

и,

U:

дом уменьшаемого блока вычитания и с входом делителя второго делителя напряжений, сигнальный вход коммутатора соединен с выходом приемно-усилительного блока, вход управления - с выходом первого задающего генератора, первый и второй выходы - с сигнальными входами второго и третьего синхронных детекторов соответственно, выход второго синхронного детектора соединен с входом делителя второго делителя напряжений, выход которого соединен с входом второго блока регистрации, первый вход сумматора соединен с выходом первого синхронного детектора, второй вход - с выходом блока вычитания, а выход - с входом делимого первого делителя напряжения, вход делителя которого соединен с выходом блока вычитания, а выход - с входом первого

блока регистрации.

Г

/л

а,