Двухчастотный модуляционный радиометр Советский патент 1992 года по МПК G01R29/26 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиоастрономии при спектральных исследованиях, теплолокации и измерительной технике.

Известно устройство, содержащее антенну (А), направленный ответвитель (НО), к первому входу которого подключена А, генератор шума (ГШ), выход которого подключен к второму входу НО, последовательно соединенные первый фильтр (Oi), первый амплитудный модулятор (AMi) и второй фильтр (Фа), последовательно соединенные усилитель промежуточной частоты (УПЧ), квадратичный детектор (КД) и усилитель низкой частоты (УНЧ), смеситель (СМ), выход которого соединен со входом УПЧ, первый циркулятор (Ui), второй плечо которого подключено к первому входу СМ, а к третьему плечу подключена согласованная нагрузка (СН), второй циркулятор (Ца), третье плечо которого подключено к первому плечу Ць а первое плечо к выходу Ф2, второй амплитудный модулятор (АМ2) выход которого подключен к второму плечу Ц2, третий циркулятор (Цз), первое плечо которого подключено к выходу НО, второе плечо подключено к входу Ф1, а третье плечо подключено к выходу АМ2, гетеродин (Г), выход котороп. соединен со вторым входом СМ, последовательно соединенные первый синхронный детектор (СД1), первый интегратор (Hi) и первый регистрирующий блок (P5i), последовательно соединенные второй синхронный детектор (СД2), второй интегратор (И2) и второй регистрирующий блок (РБа). генератор опорного напряжения (ГОН), первый выход которого соединен с управляющими входами АМ2 и СДт, а второй выход соединен с управляющими входами AMi и

СД2.

Данное устройство работает в двух режимах. Первый - это режим двухчастотного независимого приема сигналов основного и зеркального каналов преобразователя частоты (СМ и Г) и второй - это режим измерения разности сигналов в этих двух каналах.

Недостатком данного радиометра является его низкая чувствительность, связанная с больщими потерями входного тракта (до-СМ), содержащего три циркулятора, два фильтра и два амплитудных модулятора, а также с возникновением несимметричности модуляции сигналов обоих каналов во время первого режима приема, когда амплитуд ные модуляторы работают с разными (некратными) частотами модуляции, в то время, когда в обоих синхронных детекторах осуществляется симметричная демодуляция.

Известно устройство, содержащее А, НО, к первому входу которого подключена А, ГШ, выход которого соединен со вторым входом НО, AMi, выход которого соединей с выходом НО, Ць первое плечо которого подключено к выходу AMi, а i, третьему плечу подключена первая согла сованная нагрузка (CHi), синфазно-противофазный ответвитель (СПО), синфазный

0 вход которого подключен ко второму плечу Ui, а к противофазному входу подключен короткозамыкатель (КЗ), первый и второй смесители (CMi и СМа), первые входы когорых соединены с первым и вторы; вь;ХОДа

5 ми СПО соответственно, кзадрагурньиответвитель (КО), третье и четвертое плечи которого подключены ко вторым входам CMi и СМ2 соответственно. Ц2 Цз, вторые плечи которых подключены к первому и вто

0 рому плечам 1(0 соответственно, второй ; трети.; согласованные нагрузки (СН2 ь. СНз), г.ыходы которых подключены к третьим плечам Ц и Цз соответственно, АМявыход которого подключен к первому плечу Цз. четвертый циркулятор (Ц4), к втирому плечу которого подключен вход АМ2, г третье плечо под сл 0чено к первому плечу Ц2, Г, выход itOToporo подключен к перво.,,плечу Ц4, nocJieдoвaтeльнo соединбН11Ь с

0 УПЧ, КД 1л УНЧ, квадратурный суммато., промежуточной частоты (КС), первое и второе плечи которого соединены с выходами CMi и СМ2 соответственно, третье плечо соединено со входом УПЧ, а к четвертому

5 плечу подключена четвертая согласованная нагрузка (СН), последовательно соед женные СДт, Hi и PBi, посг-адоватвльн. соединенные СД2, 2 и РБ2, первый двухпозиционный переключатель СЦП1), вход которого соединен с выходом УНЧ, а первый выход соединен со входом СДт, аналоговый ключ (АК), вход которого соединен со вторым выходом ДПь а первый и второй выходы соединены со входами СДт и СД2

5 соответственно, ГОН, первый выход которого соединен с управляющими входами СДт и СД2, а второй выход соединен с управляющим входом АК, второй двухпозиционный переключатель (ДП2), вход которого соединен с первым выходом ГОН, а первый выход соединен с управляющим входом AMi, третий двухпозиционный переключатель (ДПз), первый вход которого соединен со вторым выходом ГОН, второй вход соединен со вторым выходом ДП2, а выход соединен с управляющим входом АМ2.

В известном радиометре разделение сигналов основного и зеркального каналов приема осуществляется при помощи фазовой модуляции в тоакте гетеродин тем самым отпадает необходимость использования фильтров и других развязывающих устройств во входной части радиометра. Это приводит к повышению чувствительности двухчастотного радиометра, что достигается также сохранением симметричности модуляции и демодуляции в режиме независимого приема сигналов основного и зеркального каналов.

Недостатком данного устройства является то, что часть сигнала как основного, так и зеркального каналов, в зависимости от фазы модуляции теряется, поглощаясь в СН на четвертом плече КС.

Известно, что чувствительность радиометра определяется следующей формулой:

Т,.

(5Т а

0)

VAf-t

где а- постоянный коэффициент;

TIU - внутренние щумы радиометра;

Af-полоса принимаемых частот;

г Гп - время наблюдения или постоянная времени выходного интегратор ;.

В известном радиометре АК работает синхронно с АМ2 и тем самым осуществляет симметричное BpejvieHHoe разделение сигналов основного и зеркального каналов, Однако в течение того полупериода модуляции Ам2, когда на вход СДт поступает промодулированный сигнал основного или зеркального канала, на вход СД2 поступает нулевой сигнал и наоборот, в течение другого полупериода, когда на вход СД2 поступает промодулированный сигнал зеркального или основного канала, на вход СДт поступает нулевой сигнал, в результате чего на выходах СД1 и СД2 сигналы периодически прерываются, что равносильно уменьшению времени наблюдения га каждом канале в2

раза. Подставляя в (1) у-. для чувствительности известного радиометра получаем:

Т„

а

(2) VAf

Гп

Целью изобретения - увеличение чувствительности двухчастотного модуляционного радиометра как в режиме независимого приема сигналов основного и зеркального каналов, так и в режиме регистрации их разности.

Для этого в двухчастотный модуляционный радиометр, содержащий П, НО, к первому входу которого подключена А, ГШ, выход которого соединен со вторым входом НО, AMi, вход которого соединен с выходом

НО, Ц1, первое плечо которого подключено к выходу AMi, а к третьему плечу подключена CHi, СПО, синфазный вход которого подключен ко второму плечу Ць а к противофазному входу подключен КЗ, CMi и СМ2. первые входы которых соединены с первым и вторым выходами СПО соответственно, КО, третье и четвертое плечи которого подключены ко вторым входам CMi и СМ2 соответственно, Ц2 и Цз, вторые плечи которых подключены к первому и второму плечам КО соответственно, СН2 и СНз, выходы которых подключены к третьим плечам Ц2 и Цз соответственно, АМ2, выход которого подключен

5 к первому плечу Цз, Щ, ко второму плечу которого подключен вход АМа, а третье плечо подключено к первому плечу Ц2, Г, выход которого подключен к первому плечу Ц/j, последовательно соединенные первый усили0 таль промежуточной частоты (УПЧ1), первый квадратичный детектор (КД1) и первый усилитель низкой частоты (УПЧ1), КС, первое и второе плечи которого соединены с выходами СМт и СМ2 соответственно, а третье пле5 40 соединено со входом УПЧт, ДПп вход которого соединен с первым выходом ДП1, СДт, вход которого соединен с первым выходом AKi и со вторым выходом ДПт, СД2, вход которого соединен со вторым выходом AKi, последовательно соединенные Hi и PBi, последовательно соединенные И2 и РБ2, ГОН, первый выход которого соединен с управляющими входами СД1 и СД2, а второй выход соединен с управляющим входом

5 AKi, ДП2, вход которого соединен с первым выходом ГОН, а первый выход соединен с управляющим входом AMi, ДПз, первый вход которого соединен с вторым выходом ГОН, второй вход соединен с вторым выходом ДП2. а выход соединен с управляющим входом АМ2, дополнительно введены последовательно соединенные второй усилитель промежуточной частоты (УПЧ2), второй квадратичный детектор (КД2), второй усилитель низкой частоты (УНЧ2) четвертый двухпозиционный переключатель (ДП) и второй аналоговый ключ {АК2), а также пятый двухпозиционный переключатель (ДПз) и последовательно соединенные шестой

0 двухпозиционный переключатель (ДПб), инвертор (И), сумматор (С) и седьмой двухпозиционный переключатель (ДП), выход которого подключен к входу Mi, а первый вход - к первому выходу ДПб, второй выход

5 которого подключен к второму входу С, а вход - к выходу СДь вход которого подключен к первому выходу АК2, вход которого подключен ко второму выходу ДП/j. первый выход которого соединен ко входу СД2, выход которого подключен к входуДПе, второй

выход которого подключен к входу Иа, при этом вход УПЧ2 подключен к четвертому плечу КС, второй выход АК2 подключен к входу СД2, управляющий вход АКа соединен с вторым входом ДП.

Поставленная цель достигается тем, что в обоих режимах приема принимаются и обрабатываются также сигналы, постоянно присутствующие на четвертом плече КС. При этом в режиме независимого приема сигналов основного и зеркального каналов восполняются паузы сигналов на выходах СДт и СД2, время наблюдения г принимает значение т Гп и, следовательно, чувствительность каждого канала определяется формулой (1), что дает выигрыш в чувствительности в раз по сравнению с прототипом, чувствительность которого определяется формулой (2).

Во время второго режима приема, когда измеряется разность сигналов основного и зеркального каналов, выходные сигналы СДт иСД2 складываются с помощью сумматора С, на выходе которого выделяется сиг нал

ивых {Kl + K2)U2+KlU 1+K2Uia2, (3)

где KI и К2 - коэффициенты передачи по напряжению первого и второго каналов соответственно;

Uc I Uoc-Uaep I - разность сигналов основного и зеркального каналов;

иш1 и Uiu2 - шумовые напряжения, приведенные ко входу первого и второго каналов соответственно.

Известно, что для оценки чувствительности необходимо сравнить среднеквадратичные отклонения сигнала и шума на выходе приемника;

Для тростоты будем считать, что Ki и Umi Um2 -Ош . Учитывая также, что , из (4) и (5) получаем;

Увыхс - М

(6) (7)

-,, Уд

ивыхш - Ч К иш

За чувствительностью одноканального радиометра (известное устройство является именно таким) принято считать ту минимальную входную температуру сигнала, при которой отношение сигнал/шум на выходе приемника равно единице, т.е.

В нашем случае для отношения сиг нал/шум с учетом (6) и (7) получаем

УВЫХ )|ин

ивыхшVo i72TT2

1ч УШ

/гГ А

2 - --jf- 1;

иш (UC)MHH 1

иш v7

д т (UC)MHH т.е. предлагаемое устройство может регистрироветь входной сигнал в v раз меньший, чем известное устройство, т.е. обладает большей чувствительностью.

5На чертеже приведена структурнй.р cxdы 8 предлагаемого двухчастотного модуляционного радиометра.

Двухчастотный модуляционный радиометр содержит антенну 1 (А1). напраелег,0 ный ответвите/ ь 2 (Н021, к первому входу которого подключена А1, генератор шума 3 (ГШЗ), выход которого соединен со вторым входом Н02. первый амплитудный модулятор 4 (AMi4), вход которого соединен с выходом Н02, первый циркулятор 5 (Ui5). первое плечо которого подключено к выходу AMl4, а к третьему плечу подключена первая согласованная нагрузка 6(CHi6), синфазнопротивофазнв1й ответвитэль 7 (СП07), синфазный вход которого подключен ко второму плечу Цтб, а к противофазному входу подключен короткозамыкатель 8 (К38}, первый 9 и второй 10 смесители (CMi9 и СМ210), первые входы которых соединены

5 с первым и вторым выходами СП07 соответственно, квадратурный ответвитель 11 (KOII), третье и четвертое плечи которого подключены ко вторым входам CMiQ и СМ210 соответственно, второй 12 и третий

0 13 циркуляторы {Ц212 и Цз13), вторые плечи которых подключены к первому и второму плечам К011 соответственно, второй 14 и третий 15 согласованные нагрузки (СН214 и СН.з15), выходы которых подключены к

5 третьим плечам Ц212 и Цз13 соответственно, второй амплитудный модулятор 16 (АМ216), выход которого подключен к первому плечу Цз13, четвертый циркулятор 17 (U,4l7), ко второму плечу которого подключен вход АМ216, 3 третье плечхО подключено

к первому плечу Ц212, гетеродин 18 (Г18), выход которого подключен к первому плечу Ц417, последовательно соединенные первый усилитель промежуточной частоты 20 (УПЧ120), первый квадратичный детектор 22 (КД122) и первый усилитель низкой частоты 24{yH4i24), квадратурный сумматор промежуточной частоты 19 (КС 19), первое и второе плечи которого соединены с выходами СМ i9 и СМ210 соответственно, а третье плечо соединено со входом УПЧтЮ, первый двухпозиционный переключатель 26 (ДП126), вход которого соединен с выходом УНЧ124, первый { налоговый ключ 28 (AKi28), вход которо а соаду1нен с первым выходом ДП126, синхронный детектор 30 (СДтЗО), вход которого соединен с первым выходом AKi28 и с вторым выходом ДП126, второй синхронный детектор 31 (СД231), вход которого соединен с вторым выходом AKi28, последовательно соединенные первый интегратор 40 (l/li40) и первый регистрирующий блок 42 (РБ42), последовательно соединенные второй интегратор 41 (И241) и второй регистрирующий блок 43 (), генератор опорного напряжения 32 {ГОН32). первый выход которого соединен с управляющими BXOAa.Avi СДтЗО и СД231, а второй выход соединен с управляющим входом AKuS, ыорой двухпозиционный переключатель 33 (ДП233), вход которого соединен с первым выходом ГОН32, а первый выход соединен с управляющим входом AMi4, третий двухпозиционный переключатель 34 (ДПз34), первый вход которого соединен с Епорым выходом ГОН 32, второй вход соединен с вторым выходом ДГ1233, а выход соединен с управляющим входом АМ216, последовательно соединенные второй усилитель промежуточной частоты 21 (УПЧ221), второй квадратичный детектор 23 (КД223), второй усилитель низкой частоты 25 (УНЧ225), четвертый двухпозиционный переключатель 27 (ДП427) и второй аналоговый ключ29 (АК229), а также пятый двухпозиционный переключатель 35 (ДПбЗБ) и последовательно соединенные шестой двухпозиционный переключатель 36 (ДПбЗб), инвертор 38 (И38), сумматор 39 (С39) и седьмой двухпозиционный переключатель 37 (ДП737), выход которого подключен к входу l/Ii40, а первый вход - к первому выходу ДП535, второй выход которого подключен к второму входу С39, а вход - к выходу СДтЗО. вход которого подключен к первому выходу АК229, вход которого подключен к второму выходу ДП427, первый выход которого подключен к входу СД231, выход которого подключен к входу ДПеЗб, второй выход которого подключен ко входу

И241, при этом вход УПЧ221 подключен к четвертому плечу КС19, второй выход АК229 подключен к входу СД231, управляющий вход АК229 соединен с вторым выходом 5 ГОН32, а выход С39 соединен с вторым входом ДП737,

Двухчастотный модуляционный радиометр работает следующим образом.

В режиме независимого приема сигналов основного и зеркального каналов управляющий сигнал с первого выхода ГОН 32 2, проходя через ДП233, поступает на управляющий вход AMi4. При низком уровне этого сигнала AMi4 открывается и пропускает сигнал антенны. При высоком уровне управляющего сигнала AMi4 закрывается и отражает сигнал антенного эквивалента, роль которого выполняет CHi6. Одновременно управляющий сигнал с второго выхода ГОН 32, частота которого в п раз ниже, чем частота сигнала первого выхода ГОН 2, проходя через ДПз34, поступает на управляющий вход AM2i6. При низком уровне этого сигнала АМ216 открывается, и сигнал

5 Г18, проходя через циркуляторы Ц417и Цз13 поступает на второе плечо К011. При этом на третьем плече КС19 появляется сигнал основного канала, а на четвертом плече КС19 сигнал зеркального канала. При высоком уровне управляющего сигнала АМ216 закрывается, сигнал Г18, проходя через циркуляторы им Ц212 поступает на первое плечо К011, на третьем плече КС19 появляется сигнал зеркального канала, а на

5 четвертом плече - сигнал основного канала, Промодулированные таким образом сигнала с третьего и четве{этого плеч КС/9 поступают соответственно на входы УПЧ120 и УПЧ221, усиливаются в них, детектируются

0 с помощью КД122 и КД223, дополнительно усиливаются в yH4i2 и УНЧ225, после чего поступают на соответствующие входы ДП126 и ДП427. С первых выходов ДП126 и ДП427 сигналы поступают на соответ-ствую5 щие входы AKi28 и АК229, которые работают синхронно с АМ216. Поэтому сигнал основного канала с первого выхода AKi28 и с второго выхода АК229 поступает на вход СД130, в то время как, сигнал зеркального

0 канала со второго выхода AKi28 и с первого выхода АК229 поступает на вход СД231. Так как сигнал основного, канала поступает на первый выход AKi28 и на второй выход АК229 в разные полупериоды модуляции

5 АМ216, а СД130 работает синхронно с AMi4, то на выходе СД130 образуется непрерывный сигнал соответствующий разности сигнала аналогичного эквивалента и сигнала основного канала. Аналогичным образом на выходе СД231 образуется непрерывный сигнал, соответствующий разности сигналов антенного эквивалента и зеркального канала приема, В дальнейшем выходной сигнал СДтЗО, проходя через ДПвЗб и ДПуЗ накапливается в Hi40 и записывается в РУ142, а выходной сигнал СД231, проходя через ДПеЗб, накапливается в 1/1241 и записывается в РУ243.

В режиме измерения разности сигналов основного 11 зеркального каналов модуляция с АМИ прекращается, сигнал с первого выхода ГОН32, проходя через ДПаЗЗ и ДПз34, поступает на управляющий вход АМ216, в результате чего на третьем и четвертом плечах КС 19 образуются противофазные взаимнопромодулированные л игиалы основного и зеркального каналов приема. Проходя соответственно через УПЧ120, .КД122, УНЧ124 и через УПЧ223, УНЧ225, эти сигналы с вторых выходов ДП126 и Д,П427 поступают на соответстЕ ующие входы СДтЗО и СД231, которые уже ряботают синхронно с АМ216. Поэтому на их выходах появляются сигналы противоположной полярности, каждый из которых соответствует разности сигналов основного и зеркального каналов. Проходя соответстBiBMHO через ДПбЗб и через ДПеЗб, 1/138, этк сигналы поступают на входы С39. На выходном плече С39 выделяется сумг-,«зрный раЗностмый сигнал, который накапливаясь в MiW, записывается в РУ142.

Преимущество заявляемого устройства заключается в том, что в обоих режимах приема чувствительность двухчастотного .юду шционного радиометра повышается в vp раза. В одном случае это достигается восстановлением непрерывности сигнала на выходах синхроиных детекторов, а в другом случае тем, что двухчастотный модуляционный радиометр работает в режиме двухчастотного двухкаиального модуляцио ного радиометра с общей входной частью.

Ф о J м у л а изобретения

Деухчэстотный модуляционный радиометр, содержащий антенну, направленный от1зетвитель, к первому входу которого подключена антенна, генератор шума, выход которого соединен с вторым входом направлеклого ответвителя, первый амплитудный модулятор, вход которого соединен с выходам направленного ответвителя, переый циркулятор, первое плечо которого подключено к выходу первого амплитудного модулг4тора, а к третьему плечу подключена первая согласованная нагрузка, сиг фазно-противофазный ответвитель. синфазный вход которого подключен к второму плечу первого циркулятора, а к противофазному входу подключен короткозамыкатель, первый и второй смесители, первые входы которых соединены с первым и вторым входами синфазно-противофазного

ответвителя соответственно, квадратурный ответвитель, третье и четвертое ллеч--которого подключен к вторым входам первого и второго смесителей соответственно, второй и третий циркуляторы, вторые плечи

которых подключены к первому и второму плечам квадратурного ответвиталя соответственно, вторая и третья согласо занные нагрузки, выходы которых подключены третьим плечам второго и третьегс циркуля

торов соответственно, второй 1.лп.П1;-удный

модулятор, выход которого ПОДКЛ ; ен к

первому плечу третьего циркулятора, четвертый циркулятор, к второму плачу которого подключен вод второго амплитудного

модулятора, а третье плечо подключено перво iy плечу второго циркулятора. гетеро дин, выход которого подключен к первому плечу четвертого циркулятора, последова тельно соединенные первый усилмтел- промежуточной частоты, пеовый ква/ф - -4нь й детектор и первый усилитель низкой частоты, квадратурный сумматор промежуточнок частоты, первое и второе плечи которого соединены с выходами первого и втооого

смесителей соответственно, а третье плече. с входом первого усилителя промежуточной частоты, первый двухпозиционный переключатель, вход которого соединен с выходом первого усилителя низкой частоты,

первый зналоговый ключ, вход которого соединен с первым выходом первого двухпозиционного переключателя, первый синхронный детектор, вход которого соединен с вторым-выходом первого двухпозиционного переключателя и с первым выходом первого аналогового ключа, второй синхронный детектор, вход которого соединен с вторым выходом первого аналогового ключа, последовательно соединенные первый

интегратор и первое регистрирующее устройство, последовательно соединенные второй интегратор и второе регистрирующее устройство, генератор опорного напряжения, первый выход которого соединен с

управляющими входами первого и второго синхронных детекторов, а второй выход - с управляющим входом первого аналогового ключа, второй двухпозиционный переключатель, вход которого соединен с первым

выходом генератора опорного напряжения, а первый выход - с управляющим входом первого амплитудного модулятора, третий двухпозиционный переключатель, первый вход которого соединен с вторым выходом генератора опорного напряжения, зторой

вход - с вторым выходом второго двухпозиционного переключателя, а выход - с управляющим входом второго амплитудного модулятора, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности, в него введены последовательно соединенные второй усилитель промежуточной частоты, второй квадратичный детектор, второй усилитель низкой частоты, четвертый двухпозиционный переключатель и второй аналоговый ключ, а также пятый двухпозиционный переключатель и последовательно соединенные щестой двухпозиционный переключатель, инвертор, сумматор и седьмой друхпозиционный переключатель, выход которого подключен к входу первого интегратора, а первый вход - к первому выходу пятого двухпозиционного переключателя, второй выход которого подключен к второму входу сумматора, а вход - к выходу первого

синхронного детектора, вход которого подключен к первому выходу второго аналогового ключа, вход которого подключен к второму выходу четвертого двухпозиционного переключателя, первый выход которого соединен с входом второго синхронного детектора, выход которого подключен к входу шестого двухпозиционного переключателя, второй выход которого подключен к входу второго интегратора, при этом вход второго усилителя промежуточной частоты подключен к четвертому плечу квадратурного сумматора промежуточной частоты, второй выход второго аналогового ключа - к входу второго синхронного детектора, а управляющий вход - к второму выходу генератора опорного напряжения, и выход сумматора соединен с вторым входом седьмого двухпозиционного переключателя.

Использование: в радиоастрономии при спектральных исследованиях, в теплолока- ции и измерительной технике. Сущность изобретения: вводится еще один канал приема и обработки сигнала, содержащий второй усилитель 21 промежуточной частоты, второй квадратичный детектор 23, второй усилитель 25 низкой частоты, четвертый двухпозиционный переключатель 27, второй аналоговый ключ 29, пятый 35, шестой 36 и седьмой 37 двухпозиционные переключатели, инвертор 38 и сумматор 39. В результате одноканальный двухчастотный модуляционный радиометр работает в режиме двухканального, что увеличивает чувствительность радиометра в "^ раза. Чувствительность увеличивается в V2 раз также в режиме независимого приема сигналов основного и зеркального каналов за счет восстановления непрерывности наблюдения за сигналами основного и зеркального каналов. 1 ил.(Лс•ч! 00 О Оел о