Модуляционный радиометр
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
C ) Þ3 СОВЕ Тг КИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РеспуБлик
ГОС УДАР С1 ВЕ ННЫИ КОМИ1 г Т ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ ПРИ Г НТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4062380/09 (22) 26.03.85 (46) 07.02.91. Бюл. N 5 (72) В.С.Гаевский, С.В.Маречек, Ю.B Мешков, Ю.Н.Муськин и В.M.Г)оляков (53) 621.317 (088.8) (56) Есепкина Н.А. v. др, Радиотелескопы и радиометры. M.: Наука, 1973. Авторское свидетельство СССР М. 1105832, кл. G 01 R 29/08, (984. (54) МОДУЛЯЦИОННЫ Л РАДИОМЕТР (57) Изобретение относится к технике СВЧ. Цель изобретения — повышение точности измерений. Радиоме rp содержит антенну 1, модулятор 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 „„Я „„1626211 А1 регистрации (БР), задающие г-ры 9 и 11, r-p 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 радиоме тра 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. 1626211 Uz = КТщ2 + С. (4) 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 Тшг ) T >. вырабатываемого генератором 10 шума. Это необходимо для измерения коэффициента отражения на границе раздела антенна — объект и точного определения радиационной температуры в условиях возможных флуктуаций 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 — R) =- Tq, (1) 5 55 принимается антенной 1 и поступает на вход модулятора 2. Первый 9 и второй 11 задающие генераторы формируют управляющие напряжения UF1 и UF2 формы меандра частотой F1 и F2 соответственно, фазы которых синхронизированы. а частоты связаны соотношением Г = 2F> (2) На фиг,2 показан пример диаграмм выходных напряжений первого 9 и второго 11 задающих генераторов, выходного напряжения приемно-усилительного блока 4 и изменения мощности генератора 10 шума для соотношения частот модуляции F2 = 2F> и Т < ТШ1(ТШ2. Управляющее напряжение типа меандра с частотой F1 поступает на управляющий вход модулятора 2 и обеспечивает поочередное подключение и отключение выхода антенны 1 к входу направленного ответвителя 3. Управляющее напряжение типа меандра с частотой Fz осуществляет модуляцию мощности генератора 10 шума поочередно до температур Тщ1 и Т 2. 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 U>, Uz, Оз, 04, 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 Т<>. Далее этот шумовой сигнал полностью отражается от закрытого модулятора 2 и проходит через направленный ответвитель 3 на выход приемно-усилительного блока 4. Ul = КТШ1+ С (3) где К вЂ” размерный коэффициент передачи радиометра от входа модулятора 2 до выхода приемно-усилительного блока 4; С вЂ” постоянная составляющая напряжения, одинаковая для всех четырех интервалов времени, В од направленного ответвителя 3 отключен от выхода антенны 1, От генератора 10 шума поступает на вход модулятора 2 через направленный ответвитель 3 мощность шума с температурой T z, далее аналогично первому интервалу времени имеют 1626211 Вход направленного ответвителя 3 под- UC2 = 02 01+ 04 03 = ключен к выходу антенны 1. Мощность теп- (Тш2 Тш1) (1 — R), (8) лового СВЧ-излучения, принятая антенной, которое поступает в качестве делителя в согласно (2) поступает через модулятор 2 и первый делитель 7 напряжений и в первый направленный ответвитель 3 на выход при- 5 сумматор 6 для компенсации постоянной емно-усилительного блока 4. составляющей напряжения Uc1, обусловОт генеРатоРа 10 шУма постУпает на ленной наличием в(7) члена К(Тш1+ Тш2)х выход модулятора 2 через направленный х (1 — R). Причем коэффициенты передачи ответвитель 3 мощность шума с температу- входов первого сумматора 6 выбираются Рой Тш1, Далее этот шУмовой сигнал пРохо- 10 так, чтобы выполнЯлось Равенство дит через открытый модулятор 2 в антенну а (Т 1 + Тш2) "- Ь (Тшг — Тш1). (9) 1, частично отражается от границы раздела где а, Ь вЂ” коэффициенты передачи соответантенна — обьект с коэффициентом страже- ственно второго и первого входов сумматония R, проходит через открытый модулятор ра. 2 и направленный ответвитель 3 на выход 15 Таким образом, на вход делимого перприемно-усилительного блока 4. При этом вого делителя 7 напряжений поступает намгновенное значение напряжения, возни- пряжение кающее на выходе приемно-усилительного 0 т = 2 Ка Г(1 — R), (10) блока 4, для третьего интервала времени апосле проведенияоперацииделениявнем пропорционально сумме мощностей сигна- 20 на вход первого блока 8 регистрации поступает постоянное напряжение 03 = KT(1 — R)+ К Тш1 R+ С (5) Вход направленного ответвителя 3 под- ет 2кяТ (1 — R) 23 ключен к выходу антенны 1. Мощность ит — . — Т )С2 Я1„,2 Т,\1т1 — й) Т 2 — T1 теплового СВЧ-излучения исследуемого 25 (11) объекта проходит до выхода приемно-уси- которое пропорционально радиационной лительного блока 4, как и в случае третьего температуре обьекта, не зависит от коэфинтервала времени. фициента передачи радиометра и коэффиОт генератора 10 шума поступает на циента отражения на границе раздела выход модулятора 2 через направленный 30 антенна — обьект. Постоянные коэффициенответвитель 3 мощногть шума с температу- ты а и Ь определяются в процессе калиброврой Тш2. далее этот шумовой сигнал прохо- ки прибора. дит на выход приемно-усилительного блока На опорный вход второго синхронного 4аналогично третьему интервалу времени. детектора 13 поступает управляющее наПри этом на его выходе возникает мгно- 35 пряжение типа меандра частотой F2. При венное значение напряжения этом на его выходе после интегрирования 04 = КТ (1 — R) + КТш2 R + C, (6) (сглаживания) получается постоянное наВыходное напряжение приемно-усили- пряжение тельного блока 4, пРедставлЯющее собои 0сз=02-U1+04 — 0з= К(Тш2 — Т„1)(1+R),(12) периодически повторяющуюся последова- 40 тельность напряжений 01, U2, 0з, 04, посту- При прохождении сигналов (8) и (12) чепает на входы первого, второго и третьего рез блок 15 вычитания и второй сумматор 16 синхронных детекторов 5, 13 и 14. На опор- получаются напряжения I ный вход первого синхронного детг; ктора 5 Uc2 = 0сз Uc2 = 2KR (Тш2 Тш1) (13) подается напряжение типа меандра с часто- 45 той F1. При этом на его выходе после интег- UC3 = 0СЗ + UC2 = 2K (Тш2 — Тш1), (14) рирования с заданной постоянной времени / т >> 1гЕ1получается постоянное напряже- которые поступают на входы второго делиние теля 17 напряжений. На его выходе после 0с! = 03 + 04 — 01 — 02 = 50 проведения операции деления появляется = 2КТ (1 — R) — K(T,„1 Т 2) (1 — R), (7) напРЯжение На опорный вход третьего синхронного UR=, =R, UC2 детектора 14 поступает меандр частоты F1, 0сз (5) сдвинутый во времени на четверть периода которое подается на вход второго блока 18 (сдвиг по фазе 90 град) фазонращ;:телем 12. 55 регистрации. Это напряжение пропорциоПостоянное напряжение Uc2 образуется на нально коэффициенту отражения на гранивыходе третьего синхронного детектора 14 це раздела антенна — обьект и не зависит от после интегрирования (сглаживания) с за- коэффициента передачи радиометра и точданной постоянной времени ности поддержания температур генератора 10 шума. 1626211 й. c „ ?ы2 и Составитель В. Раков Техред М.Моргентал Корректор Н. Ревская Редактор А. Козориз Заказ 277 Тираж 413 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Пэтент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 cDормула изобретения Модуляционный радиометр, содержащий последовательно соединенные антенну, модулятор, направленный ответвитель, приемно-усилительный блок и первый синх- 5 ронный детектор, второй синхронный детектор, блок вычитания, первый и второй задающие генераторы, генератор шума, первый и второй блоки регистрации, выход первого задающего генератора соединен с 10 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 15 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 20 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-усилительного 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.
