Радиометр

 

Изобретение относится к пассивной радиолокации , а именно к технике измерения радиояркостных температур теплового излучений , и может быть использовано в радиофизике, радиоастрономии и радиометеорологии. Цель изобретения состоит в повышении точности измерения при высоких радиояркостных температурах наблюдаемого объекта. Новым в радиометре является то, что имеются две цепи модуляции с разнесенными частотами, не создающими биений. Кроме того, радиометр содержит два синхронных детектора и вычитающий блок, в котором вычитаются сигналы, снимаемые с выходов синхронных детекторов. На выходе радиометра регистрируется сигнал, пропорциональный разности шумовых температур сигналов антенны и опорного источника. При этом компенсируются сигналы, пропорциональные шумовым температурам приемника для трактов антенного и опорного сигналов, а также низкочастотные флуктуации коэффициента передачи. 4 ил. Ј

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАР СТВ Е ННЫЙ КОМИ ТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

34M;9!, 3

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4669352/09 (22) 28,03.89 (46) 23.10.91. Бюл. М39 (71) Муромский филиал Владимирского политехнического института (72) В.В.Фалин, С.П.Гинеотис, B,À.Hèêoëàев и Н.Ф.Киселев (53) 621.396,96:621.371 (088.8) (56) Грачев В.Г., Рыжков Н.Ф. Чувствительность радиометра и метод импульсной компенсации. — Астрофизические исследования (Изв.САО), 19, 1980 — c,68 — 76.

Авторское свидетельство СССР

bh 1041960. кл. G 01 R 29/08, 15.09.83, (54) РАДИОМЕТР (57) Изобретение относится к пассивной радиолокации, а именно к технике измерения радиояркостных температур теплового излучений, и может быть использовано в радиофизике, Изобретение относится к пассивной радиолокации, а именно к технике измерения радиояркостных температур теплового излучения, и может быть использовано в радиофизике, радиоастрономии и радиометеорологии.

Цель изобретения состоит в повышении точности измерения при высоких радиояркостных температурах наблюдаемого объекта, На фиг.1 представлена структурная электрическая схема радиометра; на фиг.2— структурная электрическая схема переключателя; на фиг.3 — структурная электрическая схема усилителя промежуточной частоты; на фиг.4 — структурная электриче. Ж 1686389 А1 (я)з G 01 R 29/08, G 01 S 13/95 радиоастрономии и радиометеорологии.

Цель изобретения состоит в повышении точности измерения при высоких радиояркостных темпеоатурах наблюдаемого объекта.

Новым в радиометре является то. что имеются две цепи модуляции с разнесенными частотами, не создающими биений, Кроме того, радиометр содержит два синхронных детектора и вычитающий блок, в котором вычитаются сигналы, снимаемые с выходов синхронных детекторов, На выходе радиометра регистрируется сигнал, пропорциональный разности шумовых температур сигналов антенны и опорного источника, При этом компенсируются сигналы, пропорциональные шумовым температурам приемника для трактов антенного и опорного сигналов, а также низкочастотные флуктуации коэффициента передачи, 4 ил. ская схема генератора опорных напряжений.

Радиометр содержит антенну 1, генератор шума 2, направленный ответвитель 3, аттенюатор 4, первый смеситель 5, переключатель 6, гетеродин 7, усилитель промежуточной частоты 8, второй смеситель 9, первый 10 и второй 11 генераторы опорного напряжения, квадратичный детектор 12, источник опорного излучения 13, регистратор 14, усилитель низкой частоты 15, первый

16 и второй 17 синхронные детекторы и вычитающий блок 18.

Переключатель(см.фиг.2) содержит первый управляемый аттенюатор 19, первый вентиль 20, делитель мощности 21, второй вентиль 22 и второй управ",яемый аттенюатор 23.

Усилитель промежуточной частотbl 8 (см.фиг,3) содержит первый 24 и второй 25 полосовые фильтры, а также широкополосный усилитель 26.

Генератор опорных напряжений (см.фиг.4) содержит релаксационный генератор 27, первый 28 и второй 29 согласующие блоки.

Радиометр работает следующим образом, Полезный радиошумовой сигнал, принимаемый антенной 1 (либо поступающий через ответвитель 3 и аттенюатор 4 от генератора 2 при калибровке приемника) и имеющий шумовую те ч пе ратуру Т>, поступает на вход первого смесителя 5. Сигнал от опорного источника 13 с шумовой температурой Топ поступает на вход второго смесителя 9. Преобразованные по частоте сигналы Та и Топ поступают сООтветственнО на первый и второй входы усилителя 8 только в том случае, если сигнал гетеродина 7 через соответствук щие выходнь1е плечи переключателя 6, управляемого первым 10 и вторым 11 генераторами, будет подан на гетеродинные входы первого 5 и второго 9 смесителей. Если сигнал гетеродина 7 не поступает на смесители 5 и 9, то на первом и втором входах усилителя 8 действуют тепловые шумы смесителей: эквивалентной шумовой температурой Твкв при условии, что параметры смесителей идентичны. После усиления в усилителе 8 детектирования, в детекторе 12 и ус,иления в усилителе 15 смесь сигналов подается на выходы первого

16 и второго 17 детекторов. На выходы перcoro 16 и второго 17 детекторов проходят лишь те сигналы, которые по форме и по фазе совпадают с управляющими сигналами от первого 10 и второгс 11 генераторов, подаваемыми на соответствующие опорные входы детекторов 16 и 1I7.

Первый генератор 10 вырабатывает опорный сигнал прямоугольной формы со скважностью импульсов больше двух и периодом tM1, Такой сигнал с первого выхода генератора 10 подается на первый управляющий вход переключателя 6, так что сигнал гетеродина 7 поступает ьа гетеродинный вход первого смесителя 5 за период ъ. на время b = Оту, где 0,5 < О <, 1. В течение t полезный сигнал Тсч5 после преобразования в смесителе 5 поступает на первый вход усилителя 8. За время (t>1 — 1в) = (1 — ф.t< ь когда гетеродинный сигнал в смесителе 5 отсутствует, на первый вход усилиТеля 8 действует шумовоР сигнал Твкв. После г ро5

55 хождения такого сигнала через приемноусилительный тракт на выходе первого детектора 16 образуется напряжение постоянного тока, равное Би =- А((Тэ + TEAMS) — Т,кв), где А- коэффициен пропорциональности, Второй генератор 11 вырабатывает опорный сигнал прямоугольной формы со скважностью импульсов, равной скважности импульсов генератора 10, и периодом

tgg, некратным т„1, Сигнал гетеродина 7 поступает на гетеродинный вход второго смесителя 9 в течение периода эа время ton =

= 8t@lg, за которое сигнал от Опорного источника 13 вместе с собственным шумом смесителя 9 Тсу9 = Тсмь при идентичных параметрах смесителей после преобразования в смесителе 9 поступает на второй вход усилителя 8, За время (tv — тол) = (1

8) (м2 на вход усилителя 8 действует шумовой сигнал Тэке, На выходе второго детектора 17 образуется напряжение, равное

017 = А ((Топ + Тсм9) 1 экв).

Напряжение на выходе вычитающего блока 18, регистрируемое регистратором

14, pBBHG 01з = А (Тв — Топ), При идентичных параметрах смесителей в блоке 18 компенсируются с".ставляющие выходных сигналов детекторов 16 и 17, обусловленные низкочастотными флуктуациями коэффициента усиления усилителя 8, которые, как правило, внасят основной вклад в нестабильность коэффициента передачи радиометра и ограничивают чувствительность при несимметричной модуляции.

Переключатель работает следующим образом, мощность гетеродина, подаваемая на вход переключателя. делится пополам и поступает на его первый и второй выходы через вентили 20 и 22 и управляемые аттенюаторы 19 и 23 при условии, что на первый и второй управляющий входы поданы отпирающие сигналы, При подаче запи-, раю|щего сигнала на любой из управляющих входов соответствующий управляемый аттенюатор отражает поступающую на его вход мощность, которая затем поглощается в соответствующем вентиле, не попадая на выход смежного плеча переключателя.

Усилитель промежуточной частоты работает следующим образом, Поступгюгций на первый вход усилителя широкополосный сигнал проходит через первый полосовой фильтр 24, который пропускает в полосе частот A f1, и проходит на вход усилителя 26. Поступающий на второй

Вход усилителя промежуточной частоты ши1686389

20

30

55 зка эка

Тша Ga а»а а рокополосный шумовой сигнал проходитчерез второй паласовой фильтр 25, который пропускает в полосе частот Л fz, несовпадающей с Л f<, и также проходит на вход широкополосного усилителя 26. При этом и тот и другой сигналы в силу того, что Л f> и Л f2 не совпадают друг с другом, проходят на вход усилителя 26 без ответвления в цепь смежного полосового фильтра, отражаясь от его выхода. Усилитель 26 усиливает смесь шумовых сигналов в полосе Л f< + Л f2.

Генератор опорных напряжений работает следующим образом.

Релаксационный генератор 27 с регулируемой скважностью генерирует импульсный сигнал прямоугольной формы с. периодом и скважностью, определяемыми требуемым законом несимметричной модуляции в радиометре. С выхода генератора этот сигнал подается на первый 28 и второй

29 согласующие блоки, на выходах которых формируются уровни сигналов, требуемые для нормальной работы управляемых устройств, в данном случае переключателя 6 и синхронных детекторов 16 и 17.

Чувствительность предлагаемого радиометра дт в силу того, что шумы в трактах антенного и опорного сигналов независимы, можно определить по формуле где д Та,д Топ — среднеквадратические значения флуктуаций напряжений на выходах первого и второго синхронных детекторов, приведенные к входу приемника соответственно для трактов антенного и опорного сигналов и выраженные в единицах шумовой температуры.

При условии Та =Топ, ха =топ, где га, Гоп — постоянные интегрирования соответственно первого и второго синхронных детекторов, можно считать, что д Та, д Топ зависят лишь от шумовых температур вход- 45 ных устройств приемника и не зависят от низкочастотных флуктуаций коэффициента передачи, так как в вычитающем блоке они компенсируются. Кроме того, при идентичных параметрах смесителей дТа =д Топ, поэтому дТ= У2 д Т,.

Значение дТа можно определить иэ формул где д Т» — предельная чувствительность, равная чувствительности компенсационного радиометра;

p — коэффициент ухудшения чувствительности;

M — коэффициент модуляции выходного напряжения квадратичного детектора;

Tyny — шумовая температура усилителя промежуточной частоты;

Тша, Така шумовые температуры приемника соответственно при подключенном и выключенном гетеродинных сигналах;

Оа, Оэка — коэффициенты передачи приемника до квадратичного детектора соответственно для Тша и Така, L — потери преобразования смесителей, типовые значения которых равны L - 5 — 8 дБ, С учетом того, что чувствительность прототипа д Тп вдвое хуже, чем у компенсационного. можно принять дТ» = дТп/2д, 2

К

Тогда коэффициент повышения чувствительности предлагаемого радиометра равен а =1 — =1 — —,и. дТ 2 дТ 2

Значения Тша, Така и Тупч определяются по формулам

Тша = Та + Така.см + Тупч -, 1 эка = To +

+ Тупч, Тупч = (Fyns 1)То 1 э»а.см = (Ен — 1)То, где Еупч — коэффициент шума усилителя промежуточной частоты, для типовых устройств

Fyns = 2 — 3 дБ/5;

FH — нормированный коэффициент шума смесителей согласно FH = 5 — 7 дБ;

Така.см — эквивалентная шумовая температура смесителей;

То = 290 К.

Анализ приведенных соотношений показывает, что заметного улучшения чувствительности можно достичь при высоких значениях Та и Топ по сравнению с шумовыми температурами приемника, например, при измерении радиотеплового излучения

Солнца, так как его радиояркостная температура в сантиметровом диапазоне волн составляет 10000 К.

Формула изобретения

1. Радиометр, содержащий последовательно соединенные антенну, направленный ответвитель, первый смеситель, усилитель промежуточной частоты, квадратичный детектор, усилитель низкой частоты и первый синхронный детектор, последова1686389 тельно соединенные генератор шума и аттенюатор, последовательно соединенные гетеродии, переключатель и второй смеситель, а также источник опорного сигнала, выход которого подключен к второму входу второго смесителя, первый генератор опорного напряжения, первый и второй выходы которого подключены к вторым входам соответственно переключателя и первого синхронного детектора, и регистратор, причем выход аттенюатора соединен с вторым Входом направленного ответвителя, второй выход переключателя соединен с вторым

Входом первого смесителя, а ВыхОд ВторОгО смесителя соединен с вторым входом усилителя промежуточной частоты, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения точности измерения при высоких радиояркостных температурах наблюдаемого обьекта, в него введены второй синхронный детектор, первый выход которого соединен с выходом усилителя низкой частоты, вычитающий блок, первый и второй входы которого подключены к выходам соответственно первого и второго синхронных детекторов, а выход соединен с входом регистратора, и второй генератор опорного напряжения, первый и второй выходы которого подключены соответственно к третьему входу переключателя и второму входу второго синхронного детектора, причем частоты f1 и

f2 колебаний cooTBBTcòâeííî первого и втсрого генераторов опорной частоты устанавливают такими, чтобы

Al fl < Af2 где m u n — произвольные целевые числа, удовлетворяющие неравенствам

N < Лтунч/f t П < Лтунч/ 2, где Ь|унч -- полоса пропускания усилителя низкой частоты, 2. Радиометр по п.1, от л и ч а ю щи й5 с я тем, что переключатель содержит последовательно соединенные делитель мощности, первый вентиль и первый управляемый аттенюатор, последовательно соединенные . второй вентиль и второй управляемый атте1О нюатор, причем вход второго вентиля подключен к второму выходу делителя мощности, вход которого является первым входом, переключателя, вторые входы первого и второго управляемых аттенюаторов

15 являются соответственно вторым и третьим входами переключателя, а выходы — соответственно первым и вторым выходами переключателя, 3. Радиометр по п,1, о т л и ч а ю щ и й20 с я тем, что усилитель промежуточной частоты содержит первый и второй полосовые фильтры, входы которых являются первым и вторым входами усилителя промежуточной частоты, и широкополосный усилитель, вход

25 которого подключен к соединенным вместе выходам первого и второго полосовых фильтров, а выход является выходом усилителя промежуточной частоты.

4. Рад .,ыметр по п.1, о т л и ч а ю щ и й3О с я тем, что генератор опорных напряжений содержит релаксационный генератор с регулируемой скважностью, первый и второй согласующие блоки, входы которых подключены к выходу релаксационного генератора, 35 а выходи являются соответственно первым и вторым выходами генератора опорных напряжений.

1686389

Фиг.2

Составитель С.Кочеров

Техред М.Моргентал

Редактор Т.Иванова

Корректор M.Øàðîøè

Заказ 3596 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Рауюская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", т. Ужгород, ул.Гагарина, 101