Модуляционный радиометр Советский патент 1991 года по МПК G01R29/26 

О

ю

Os

к

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

Радиометр содержит антенну 1, модулятор 2, направленный ответвитель 3. приемно-усилительный блок 4, первый синхронный детектор 5, первый сумматор 6, первый делитель 7 напряжений, первый блок 8 регистрации, первый задающий генератор 9, генератор 10 шума, второй задающий генератор 11, фазовращатель 12, второй 13 и третий 14 синхронные детекторы, блок 15 вычитания, второй сумматор 16, второй делитель 17 напряжений и второй блок 18 регистрации.

Приемно-усилительный блок в простейшем случае может состоять из последовательно соединенных усилителя высокой частоты, квадратичного детектора и фильтра 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 возможных 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

то -и)-тя ,(1)

принимается антенной 1 и поступает на вход модулятора 2.

Первый 9 и второй 11 задающие генераторы формируют управляющие напряжения

UFI и Up2 формы меандра частотой FI и Fa соответственно, фазы которых синхронизированы, а частоты связаны соотношением

F2 2Fi .(2)

На фиг.2 показан пример диаграмм выходных напряжений первогоЭ и второго 11 задающих генераторов, выходного напряжения приемно-усилительного блока 4 и изменения мощности генератора 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 поочередное подключение и отключение выхода

антенны 1 к входу направленного ответ- вителя 3. Управляющее напряжение типа меандра с частотой F2 осуществляет модуляцию мощности генератора 10 шума поочередно до температур ТШ1 и ТШ2. Поскольку

фазы колебаний управляющих напряжений синхронизированы, а частоты связаны соотношением (2), имеют место четыре повторяющихся интервала времени, обусловленных различными состояниями модулятора 2 и

генератора 10 шума (фиг.2).

Мгновенные значения напряжения Ui, U2, Уз, 1М, возникающие на выходе приемно-усилительного блока 4 для каждого интервала времени, определяются

следующим образом.

Вход направленного ответвителя 3 отключен ет выхода антенны 1. От генератора 10 шума поступает на выход модулятора 2 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 приемно-усилительного блока 4.

1)1 КТШ1 + С ,(3)

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

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

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

5 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, согласно (2) поступает через модулятор 2 и направленный ответвитель 3 на выход при- емно-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 - обьект с коэффициентом отражения R, проходит через открытый модулятор 2 и 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

U3 KT(1 -R)+KTuii R + C .(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

U4 КТ (1 - R) + КТШ2 R - С.(6)

Выходное напряжение приемно-усилительного блока 4, представляющее собой периодически повторяющуюся последовательность напряжений Ui, U2, из. U4, поступает на входы первого, второго и третьего синхронных детекторов 5, 13 и 14. На опорный вход первого синхронного детектора 5 подается напряжение типа меандра с частотой FI. При этом на его выходе после интегрирования с заданной постоянной времени т 1/Р1получается постоянное напряжение

Uci U3 + LU- Ui - U2

2KT(1 -R)- К(ТШ1 Тш2)(1 R). (7)

На опорный вход третьего синхронного детектора 14 поступает меандр частоты FI, сдвинутый во времени на четверть периода (сдвиг по фазе 90 град) фэзовращг.-телем 12. Постоянное напряжение Uc2 образуется на выходе третьего синхронного детектора 14 после интегрирования (сглаживания) с заданной постоянной времени

UC2 U2 -Ui + U4-U3

KfTu,2-Tuji)(1-R).(8)

которое поступает в качестве делителя в первый делитель 7 напряжений и в первый сумматор 6 для компенсации постоянной составляющей напряжения Uci, обусловленной наличием в (7) члена К(ТШ1 + ТШ2)х х (1 - R). Причем коэффициенты передачи входов первого сумматора 6 выбираются

0 так, чтобы выполнялось равенство

а(ТШ1 + Тш2)Ь(Тш2-ТШ1).(9)

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

5Таким образом, на вход делимого первого делителя 7 напряжений поступает напряжение

UT 2КаЛ1 -R).(Ю)

а после проведения операции деления в нем

0 на вход первого блока 8 регистрации поступает постоянное напряжение

ит

UT UC2 )

2КдТ (1 - R)

Т2э

Тш2 Тш1

(11)

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

На опорный вход второго синхронного детектора 13 поступает управляющее напряжение типа меандра частотой F2. При этом на его выходе после интегрирования (сглаживания) получается постоянное напряжениеUc3 U2 - Ui + Ui - U3 - К(Тш2 - ТшОО + R). (12)

При прохождении сигналов (8) и (12) через блок 15 вычитания и второй сумматор 16 получаются напряжения

UC2 UC3 - UC2 2KR (Тш2 - ТШ1) (13)

и

UC3 UC3 + UC2 2К (Тш2 - ТшО. (14)

которые поступают на входы второго делителя 17 напряжений. На его выходе после проведения операции деления появляется напряжение

R

(15)

которое подается на вход второго блока 18 регистрации. Это напряжение пропорционально коэффициенту отражения на границе раздела антенна - объект и не зависит от коэффициента передачи радиометра и точности поддержания температур генератора 10 шума.

Формула изобретения Модуляционный радиометр, содержащий последовательно соединенные антенну, 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 ответвите- ля, выход второго синхронного детектора соединен с входом вычитаемого блока вычитания, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, введены последовательно соединенные фазовращатель, третий синхронный детектор, первый

сумматор и первый делитель напряжений, выход которого соединен с входом первого блока регистрации, последовательно соединенные второй сумматор и второй делитель

напряжений, выход которого соединен с входом второго блока регистрации, выход второго задающего генератора соединен с входом синхронизации первого задающего генератора, выход которого соединен с входом фазовращателя, выход приемно-уси.ж- тельного блока соединен с сигнальными входами второго и третьего синхронных детекторов, выход блока вычитания соединен с входом делимого второго делителя напряжений, выход второго синхронного детектора соединен с первым входом второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом третьего синхронного детектора, с входом уменьшаемого блока вычитания и

с входом делителя первого делителя напряжений, второй вход первого сумматора соединен с выходом первого синхронного детектора.

Изобретение относится к технике СВЧ. Цель изобретения - повышение точности измерений. Радиометр содержит антенну 1, модулятоо 2, направленный ответвитель 3, приемно-усилител ,ный блок 4, синхронные детекторы 5, 13 и 14, сумматоры 6 и 16, делители 7 и 17 напряжения, блоки 8 и 18 регистрации (БР), задающие г-ры 9 и 11. г-р 10 шума, фазовращатель 12 и блок 15 вычитания. В радиометре прием мощности теплового излучения исследуемого объекта 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 18 - 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. ё

ч с

Г