Модуляционный радиометр

 

Изобретение относится к пассивной радиолокации и может быть использован для измерения мощности радиотеплового излучения в широком диапазоне высоких частот. Достигаемый технический результат - независимость данных измерения от суммарного коэффициента передачи измерительного тракта, широкий диапазон измерений, возможность перестройки радиометра после проведения операции калибровки без изменения мощности эталонного генератора шума радиометра. Модуляционный радиометр содержит антенну, эталонный генератор шума, модулятор, приемник, квадратичный детектор, усилитель низкой частоты, синхронный фильтр, три делителя напряжения, три аналоговых управляемых ключа, фильтр верхних частот, аналоговый компаратор, блок управления, цифровую шину, при этом эталонный генератор шума, модулятор и приемник установлены на термостатированную плату. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к пассивной радиолокации и может быть использовано для измерения мощности радиотеплового излучения в широком диапазоне высоких частот.

Известен модуляционный радиометр (С. А. Долганов, В.В. Мусатов, Г.Е. Оганесян. Модуляционный радиометр // А. С. 1354950 СССР, G 01 R 29/08, 29/26), структурная схема которого приведена на фиг.1. Радиометр содержит антенну 1 и эталонный генератор шума 2, подключенные к первому и второму входу модулятора 3. С выхода модулятора сигналы поступают на последовательно соединенные узлы радиометра: приемник 4, квадратичный детектор 5, усилитель низкой частоты 6. С выхода усилителя тракт передачи сигнала разделяется на два канала с помощью двух аналоговых ключей 7 и 8. Первый канал содержит последовательно включенные первый интегратор (накопитель сигнала) 9 и цифроаналоговый преобразователь 11, а второй канал содержит только второй интегратор 10. Выходные сигналы обоих каналов поступают на первый и второй входы аналогового компаратора 12, который вырабатывает управляющий сигнал для направления счета в реверсивном счетчике 13 тактовых импульсов генератора 14. Выходной код реверсивного счетчика поступает на информационные входы цифроаналогового преобразователя и одновременно является выходным цифровым кодом радиометра, который снимается с выходной шины 16. Синхронную работу модулятора и аналоговых ключей осуществляет генератор опорного сигнала 15.

В модуляторе радиометра происходит симметричная, прямоугольная, импульсная модуляция сигналов антенны и эталона. Мощности шумовых сигналов антенны 1 и эталонного генератора шума 2 на входе квадратичного детектора 5 соответственно равны: kdf(T_a+T_ш)G - в полупериод модуляции при подключенной к входу приемника антенне, и kdf(T_эгш+T_ш)G - в полупериод подключения модулятором эталонного генератора шума, где k - постоянная Больцмана, df - полоса принимаемых радиометром частот, Т-_эгш - эффективная шумовая температура эталонного генератора шума, Та - эффективная шумовая температура сопротивления излучения антенны, Т_ш - эффективная температура собственных шумов радиометра, которая включает приведенные к входу шумы приемника, шумы, создаваемые модулятором и соединительными цепями во входной части радиометра и т. д., G - коэффициент усиления высокочастотных сигналов по мощности до квадратичного детектора.

После квадратичного детектирования и выделения огибающей происходит усиление сигналов в низкочастотном усилителе 6 с коэффициентом усиления К и затем сигналы разделяются на два канала с помощью первого 7 и второго 8 аналоговых ключей, работающих противофазно. В результате, на выходе первого интегратора 9 выделяется напряжение, пропорциональное сумме сигналов эталона и собственных шумов радиометра и равное kdf(T_эгш+T_ш)GβK, где β - коэффициент передачи квадратичного детектора 5, К - коэффициент усиления сигналов низкочастотным усилителем 6, а на выходе второго интегратора 10 напряжение пропорционально сумме сигналов антенны и собственных шумов радиометра и равно kdf(T_a+T_ш)GβK.

В дальнейшем осуществляется балансировка каналов, которая заключается во введении ослабления в опорный канал с использованием цифроаналогового преобразователя 11 (управляемого делителя напряжения), преобразователя умножающего типа, коэффициент передачи которого регулируется от 0 до 1 в зависимости от поступающего на его информационные входы цифрового кода. На опорный вход цифроаналогового преобразователя поступает напряжение сигнала с первого интегратора 9.

Цифроаналоговый преобразователь является основным узлом регулировки баланса каналов. Регулировка баланса заключается в изменении состояния реверсивного счетчика 13, выходы которого подключены к цифровым входам цифроаналогового преобразователя 11, а состояние реверсивного счетчика в свою очередь уменьшается или увеличивается в зависимости от потенциального сигнала с выхода компаратора 12, через который замыкается цепь обратной связи. Компаратор сравнивает выходные сигналы обоих каналов, и канала антенны, и канала эталона, и регулирует коэффициент передачи цифроаналогового преобразователя так, чтобы эти сигналы были равны.

Каналы являются сбалансированными, если сигналы на входах компаратора в разные полупериоды модуляции равны, то есть выполняется равенство kdf(T_a+T_ш)GβK = kdf(T_эгш+T_ш)GβKα, где α - коэффициент передачи цифроаналогового преобразователя, α<1. После сокращений (Т_а+Т_ш)=(Т_эгш+Т_ш)α и α=(Т_а+Т_ш)/(Т_эгш+Т_ш) (1) Так как цифроаналоговый преобразователь является линейным устройством, тогда его коэффициент передачи от аналогового входа (на этот вход в обычном режиме работы цифроаналогового преобразователя подают опорный сигнал) до аналогового выхода прямо пропорционален коду на его цифровых входах и поэтому формулу (1) можно записать как N_pcч~α=(Т_а+Т_ш)/(Т_эгш+Т_ш) - (2), где N_pcч - выходной код реверсивного счетчика, являющийся входным кодом цифроаналогового преобразователя и выходным цифровым кодом радиометра.

Достоинства радиометра следуют из соотношения (1), в которое не входят коэффициенты передачи G, β, К, а следовательно, дрейф и медленные флуктуации измерительного тракта не влияют на точность работы радиометра. Выходной сигнал радиометра представлен в цифровой, удобной при эксплуатации прибора форме без использования стандартного аналого-цифрового преобразователя, что является другим несомненным достоинством.

Недостатком радиометра, выбранного в качестве прототипа, является то, что он имеет фиксированный диапазон измерений и данным радиометром нельзя измерять сигналы, эффективные температуры которых превышают Т_эгш , то есть всегда выполняется неравенство T_a<T. Так как радиометр имеет фиксированные значения границ диапазона, минимальную и максимальную, то невозможно оперативно его изменять с целью увеличения ширины диапазона или его уменьшения, а также невозможно сдвигать диапазон измерений фиксированной ширины.

Так как коэффициент ослабления сигнала эталона цифроаналоговым преобразователем изменяется от 0 до 1, следовательно, максимальное значение антенного сигнала Т_а,макс, которое может измерить радиометр, находится из формулы (1) путем подстановки α_макс = 1 (отсутствие поглощения сигнала в канале эталона). Это значение равно Т_эгш. Очевидно, что минимальный измеряемый сигнал антенны будет равен нулю Кельвина (Т_а,мин= ОК), откуда можно определить α_мин = T_ш/(T_эгш+T_ш). Таким образом, изменяя коэффициент поглощения в канале прохождения эталонного сигнала генератора от от α_мин до α_макс, можно измерять сигналы в диапазоне от ОК до эффективной температуры Т_эгш, вырабатываемой эталонным генератором шума. Перестройка диапазона измерений возможна только заменой эталонного генератора шума во входной части радиометра, либо регулировкой его выходной мощности (например, изменение тока через лавинно-пролетный диод). В этом случае изменяется только верхняя граница диапазона измерений, оставляя постоянной нижнюю (всегда ОК). Изменение верхней границы диапазона в сторону увеличения для измерения сигналов с высокими эффективными температурами приводит к тому, что разрешающая способность радиометра падает, количество двоичных разрядов кода реверсивного счетчика на градус Кельвина уменьшается.

Если в схеме радиометра с целью изменения диапазона измерений выполнить простой перенос цифроаналогового преобразователя из канала эталона в канал прохождения сигнала антенны и осуществлять уменьшение сигнала антенны до установления равенства сигналов на входе компаратора, тогда будет справедливо равенство α(Т_а+Т_ш)=(Т_эгш+Т_ш). Откуда Т_а=(Т_эгш+Т_ш)/α-Т_ш. Из последнего соотношения следует, что сигнал антенны не линейным образом связан с коэффициентом ослабления α, что является недостатком.

К другому недостатку можно отнести наличие в каналах двух интеграторов для накопления постоянной составляющей сигналов, характеристики которых должны быть идентичны, так как от них будет зависеть точность работы радиометра.

Известен радиометр (А.М. Асланян, А.Г. Гулян, В.Р. Карапетян и др. Калибровка модуляционного радиометра // Известия вузов. Радиофизика. Т.33, 7, 1990 г., с. 782-787), выбранный в качестве прототипа, структурная схема которого приведена на фиг. 2. Радиометр является модуляционным и до квадратичного детектора 5 содержит традиционные узлы: антенну 1, эталонный генератор шума 2, модулятор 3, приемник 4. Низкочастотная часть радиометра состоит из усилителя низкой частоты 6, работающих противофазно аналоговых ключей 7 и 8, делителя напряжения 9, имеющего регулируемые потенциометры R₁ - R_n, синхронного детектора 11, интегратора 12. Сигнал с выхода интегратора поступает на выходную шину радиометра 14. Работой аналоговых ключей и синхронным детектором управляет генератор опорного напряжения 13.

Синхронная работа радиометра построена таким образом, что антенный сигнал после низкочастотного усилителя 6 поступает на синхронный детектор 11 через аналоговый ключ 7, а сигнал эталонного генератора шума 2 в другой полупериод модуляции поступает на тот же синхронный детектор через аналоговый ключ 8 и дополнительные схемы - делитель напряжения 9 и переключатель 10. Принцип работы этого радиометра аналогичен принципу работы радиометра - аналога (фиг. 1). Конструктивные отличия радиометров состоят в том, что в низкочастотной части для калибровки радиометра - прототипа используется набор резистивных делителей напряжения 9, выбираемых с помощью переключателя 10.

Радиометр готов к работе после того, как проведена его калибровка. Калибровка заключается в подаче на вход вместо антенны эталонных сигналов от образцовых генераторов шума с известными величинами T_эт1,Т_эт2,...,Т_этn. Для каждого эталонного сигнала переключателем 10 выбирается свой регулировочный резистор в блоке делителя напряжений 9. Настройка выбранного потенциометра R_n выполняется до момента исчезновения частоты модуляции на выходе синхронного детектора радиометра. Тогда на его выходе напряжение равно нулю. То есть, достигается выполнение равенства kdf(T_этn+T_ш)GβK = kdf(T_эгш+T_ш)GβKα_n, где α_n - коэффициент передачи резистивного делителя R_n в блоке 9 (α<1). Т_этп - эффективная температура образцового эталона, подключаемого на вход антенны. После сокращений получаем (T_этn+T_ш) = (T_эгш+T_ш)α_n. Впоследствии, при подключенной к входу антенне выходной сигнал радиометра будет пропорционален разности напряжений в обоих полупериодах модуляции, то есть
U_вых = kdfGβK[(T_a+T_ш)-(T_эгш+T_ш)α_n].
Или
U_вых = kdfGβK[T_a-α_nT_эгш-T_ш(1-α_n)] (3)
При проведении измерений с помощью переключателя 10 выбирается тот резистивный делитель в блоке 9, в котором уменьшенный сигнал эталона наиболее близок к измеряемому сигналу антенны (или диапазону измеряемых сигналов антенны). Тогда изменения произведения коэффициентов G, β и К вносят меньшую погрешность в измерения.

Таким образом, в данном радиометре осуществляется квазинулевой метод измерений и это является его недостатком. Влияния изменений коэффициентов передачи измерительного тракта G, β и К будет тем выше, чем больше сигнал эталонного генератора шума, уменьшенный в делителе 9, будет отличаться от антенного сигнала. Поэтому, при смене диапазона измерений необходимы ручные переключения резистивных делителей в схеме 9.

Так как в схеме используется резистивный делитель сигнала эталонного генератора шума, то для данного радиометра всегда должно выполняться неравенство Т_а<Т. Поэтому, в данном радиометре-прототипе нет возможности получить диапазон измерений, включающий измерение сигналов как выше Т_эгш, так и ниже Т_эгш в пределах одного диапазона, а также нет возможности получить диапазон измерений, не включающий величину Т_эгш, как выше этого значения, так и ниже ее.

В предлагаемом радиометре, данные измерений не зависят от суммарного коэффициента передачи измерительного тракта и это означает, что радиометр находится в режиме нулевого приема (нулевых измерений - влияние изменений коэффициентов передачи всего измерительного тракта на точность измерений сведено к нулю). Вместе с тем, в предлагаемом радиометре есть возможность легко выбирать любой диапазон измерений, а также перестраивать его после проведения операции калибровки радиометра, предварительно задавшись перед этим границами диапазона, то есть минимальной и максимальной эффективными температурами антенны (Т_а,мин и Т_а,макс), не изменяя величину мощности эталонного генератора шума радиометра, которая в общем случае может быть любой.

Для этого в модуляционный радиометр, содержащий антенну, эталонный генератор шума, первый и второй аналоговые ключи, последовательно соединенные модулятор, приемник, квадратичный детектор, усилитель низкой частоты, причем первый вход модулятора подключен к антенне, а второй вход - к эталонному генератору шума, для достижения намеченного технического результата введены синхронный фильтр, вход которого подключен к выходу усилителя низкой частоты, последовательно соединенные третий аналоговый ключ, фильтр верхних частот, компаратор, блок управления, второй вход компаратора соединен с общей шиной, а также первый, второй и третий делители напряжения, входы которых соединены вместе и подключены к выходу синхронного фильтра, а их выходы подключены соответственно к входам первого, второго и третьего аналоговых ключей, причем выходы первого и второго аналоговых ключей объединены вместе и подключены к фильтру верхних частот, первые управляющие входы модулятора и синхронного фильтра соединены вместе, объединены с управляющим входом второго аналогового ключа и подключены к первому выходу блока управления, а вторые управляющие входы модулятора и синхронного фильтра также соединены вместе и подключены к второму выходу блока управления, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с управляющими входами третьего и первого аналоговых ключей, а пятый выход блока управления является выходом радиометра, причем эталонный генератор шума, модулятор и приемник находятся на термостатированной плате в непосредственном с ней тепловом контакте.

В свою очередь блок управления содержит двоичный счетчик прямого счета, двоичный реверсивный счетчик, которые имеют равное количество разрядов, схему сравнения кодов двоичного и двоичного реверсивного счетчиков, триггеры модуляции, формирования широтно-импульсного сигнала и калибровки, первый, второй и третий логические элементы 2И, первый и второй инверторы, первый и второй ключи для проведения калибровки, первый, второй и третий резисторы, светодиод, генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с объединенными вместе входом счета двоичного счетчика и входом первого инвертора, выход которого соединен с входом синхронизации триггера формирования широтно-импульсного сигнала, прямой и инвертирующий выходы которого соединены с первыми входами первого и второго элементов 2И соответственно, вторые входы которых соединены вместе и подключены к инверсному выходу триггера модуляции, который является также вторым выходом блока управления, а прямой выход триггера модуляции соединен с объединенными вместе вторым входом третьего элемента 2И и входом сброса триггера формирования широтно-импульсного сигнала и одновременно является первым выходом блока управления, выход третьего элемента 2И соединен с входом счета реверсивного счетчика и объединен с входом синхронизации триггера калибровки, цифровые выходы двоичного счетчика подключены к первому входу схемы сравнения кодов, причем выход старшего разряда _n двоичного счетчика также соединен с первым входом третьего логического элемента 2И и подключен через второй инвертор к входу счета триггера модуляции, а цифровые выходы двоичного реверсивного счетчика объединены с выходной цифровой шиной блока управления и подключены к второму входу схемы сравнения кодов, выход которой соединен с информационным входом триггера формирования щиротно-импульсного сигнала, выходы первого и второго логических элементов 2И являются соответственно четвертым и третьим выходами блока управления, а вход блока управления подключен к соединенным вместе входу направления счета двоичного реверсивного счетчика и информационному входу триггера калибровки, инвертирующий выход которого подключен к последовательно соединенным первому резистору и светодиоду, второй вывод которого подключен к источнику питания, входы сброса и предварительной установки двоичного реверсивного счетчика через соответствующие первый и второй ключи включения режима калибровки подключаются к напряжению логической единицы, которое также подается на информационные входы параллельного занесения информации в реверсивный счетчик, а через второй и третий резисторы эти входы подключены к общей шине,
На фиг.1 представлена структурная схема радиометра-аналога с разделением сигналов модуляции по двум каналам после квадратичного детектора.

На фиг. 2 представлена структурная схема радиометра-прототипа с разделением сигналов модуляции после квадратичного детектора по двум каналам и после детекторной модуляцией коэффициента передачи в канале эталона.

На фиг. 3 представлена структурная схема предлагаемого радиометра с дополнительной последетекторной широтно-импульсной модуляцией эталонного сигнала (в радиометре осуществляется нулевой метод измерений).

На фиг.4 приведена принципиальная схема синхронного фильтра.

На фиг.5 показаны временные диаграммы, поясняющие принцип работы предлагаемого радиометра.

На фиг.6 представлена структурная схема цифрового блока управления предлагаемым радиометром.

На фиг. 7 показаны временные диаграммы, поясняющие работу блока управления.

Согласно приведенной на фиг. 3 схеме радиометр состоит из следующих функциональных узлов: антенны 1, эталонного генератора шума 2, традиционных высокочастотных узлов - модулятора 3, приемника 4, квадратичного детектора 5. Для уменьшения погрешности измерений эталонный генератор шума, модулятор и приемник установлены на термостатированную плату 17. В низкочастотной части радиометра установлены: усилитель низкой частоты 6, синхронный фильтр 7, три делителя напряжения, первый 8, второй 9, третий 10, три аналоговых управляемых ключа, первый 11, второй 12, третий 13, фильтр верхних частот 14, аналоговый компаратор 15. Радиометром управляет блок управления 16, с выхода которого цифровой код измеренного сигнала антенны поступает на цифровую шину 18.

Принцип работы радиометра.

Принцип работы радиометра заключается в следующем. С выходов 1 и 2 блока управления прямоугольные импульсы (типа меандр) со скважностью, равной двум, и следующие в противофазе поступают на управляющие входы 1 и 2 модулятора 3. Поэтому, в модуляторе по высокой частоте выполняется симметричная по прямоугольному закону модуляция сигналов - попеременные подключения к входу приемника антенны 1 и эталонного генератора шума 2 на равные промежутки времени t_м. На выходе квадратичного детектора 5 выделяются сигналы модуляции и уровни напряжений в разные полупериоды модуляции будут пропорциональны (при линейной передаточной характеристике приемника 4) эффективным температурам сигналов на входе модулятора 3.

Усиленные модулированные сигналы с выхода усилителя низкой частоты 6 поступают на линейные делители напряжения 8, 9 и 10 через синхронный фильтр 7. Синхронный фильтр нижних частот (Фрейтер. Синхронный интегратор и демодулятор // Приборы для научных исследований. 1965, т.36, 5, с.53-57; Ипатов А. В., Берлин А.Б., Низкочастотное выходное устройство радиоастрономического приемника с синхронным интегратором // Известия вузов. Радиофизика. 1973, т. 16, 5, с.712-715) состоит (фиг.4) из резистора R и двух накопительных конденсаторов C₁ и С₂. Конденсаторы через электронные ключи Кл₁ и Кл₂ подсоединяются к общей точке схемы. Синхронную работу модулятора 3 и синхронного фильтра 7 обеспечивает блок управления 16. По сигналу с его выхода 1 модулятор подключает на вход приемника 4 антенну 1 и одновременно в синхронном фильтре происходит коммутация ключа Kл₁, подключая нижний по схеме вывод конденсатора C₁ к общей шине. Следовательно, цепь RC₁ интегрирует антенный сигнал.

Когда к входу приемника модулятор подключает эталонный генератор шума 2 при активном уровне сигнала на выходе 2 блока управления, одновременно в синхронном фильтре происходят переключения ключей. Кл₁ размыкается и Кл₂ замыкается и тем самым подключается конденсатор C₂ к общей точке схемы. Таким образом, цепь RC₂ интегрирует сигнал, создаваемый эталонным генератором шума. В целом, синхронный фильтр подавляет флуктуационную составляющую в сигналах антенны и эталона.

Напряжение эталонного сигнала генератора шума на выходе синхронного фильтра будет равно
U_эгш=kdf(T_эгш+T_ш)GβK (4),
напряжение сигнала антенны
U_a=kdf(T_a+T_ш)GβK (5),
где k - постоянная Больцмана, df - полоса принимаемых радиометром частот, Т_а - эффективная температура сигнала антенны, Т_эгш - эффективная температура, вырабатываемая эталонным генератором шума, Т_ш - эффективная температура собственных шумов радиометра, G - коэффициент усиления мощности сигналов антенны и эталона, β - коэффициент преобразования сигналов квадратичным детектором, К - коэффициент усиления линейного низкочастотного усилителя. На фиг.5а показан полный период модуляции, регистрируемый на выходе синхронного фильтра 7 (на временной диаграмме приведен вариант, когда сигнал антенны меньше сигнала эталонного генератора).

С выхода фильтра сигналы поступают на резистивные делители напряжения 8, 9,10. Выход каждого делителя подключен к одному из входов управляемых аналоговых ключей 11, 12 и 13. Аналоговые ключи работают так, что в любой момент времени оказывается включенным только один из них. Когда на время t_м модулятором подключена к входу приемника антенна (второй полупериод модуляции на фиг.5), на выходе 1 блока управления 16 активный уровень сигнала и замыкается ключ 12. Поэтому на вход фильтра верхних частот 14 поступает напряжение U_a, образованное антенным сигналом и собственными шумами радиометра, и уменьшенное в линейном делителе 9 с коэффициентом α₂(α₂<1). В другую половину периода модуляции (первый полупериод на фиг.5) при скоммутированном генераторе 2 эталонного шумового сигнала к входу приемника в аналоговых ключах 11 и 13 осуществляется дополнительная широтно-импульсная модуляция сигнала эталонного генератора, которая объясняется различными коэффициентами ослабления этого сигнала в делителях 8 и 10. Порядок выполнения широтно-импульсной модуляции сигнала эталона следующий.

Сразу после того, как модулятором произведена коммутация на вход приемника эталонного генератора шума, блок управления устанавливает на выходе 3 сигнал и тем самым замыкает ключ 13. На фильтр верхних частот 14 поступает сигнал U_эгш, уменьшенный с коэффициентом передачи α₃ делителем 10. При появлении на выходе 4 вырабатываемого блоком управления широтно-импульсного сигнала с длительностью t_mиc замыкается ключ 11 и одновременно размыкается ключ 13 (сигнал на выходе 3 блока управления снимается). Во время действия широтно-импульсного сигнала напряжение U_эгш с выхода синхронного фильтра проходит на вход фильтра верхних частот через делитель 8 с коэффициентом ослабления сигнала α₁ и включенный аналоговый ключ 11. Таким образом, на входе фильтра верхних частот 14 в результате симметричной модуляции сигналов по высокой частоте и дополнительной широтно-импульсной модуляции сигнала эталона по низкой частоте будет наблюдаться модуляционная последовательность, временная диаграмма которой показана на фиг.5б (длительность широтно-импульсного сигнала на выходе 4 блока управления выбрана произвольно). Эта диаграмма имеет такой вид в предположении, что уровень напряжения α₂U_a находится в промежутке между двумя уровнями α₁U_эгш и α₃U_эгш. В правильно работающем радиометре (после проведения его калибровки) условие α₁U_эгш≥α₂U_a≥α₃U_эгш выполняется всегда, и это следует из дальнейшего описания работы радиометром (в данный момент предлагается экспертизе принять на веру это условие правильным).

Главное назначение фильтра верхних частот 14 - исключение постоянной составляющей напряжения в передаваемой через него периодической последовательности модулированных сигналов. Поэтому в практическом варианте своего исполнения он может состоять из простейшей разделительной CR -цепи. Фильтр (подаваемые на него сигналы имеют периодическую форму) производит смещение временной последовательности сигналов относительно нулевой оси так, что будет выполняться для одного периода сигналов равенство вольт-секундных площадей импульсов, лежащих в отрицательной и положительной областях напряжений. На фиг.5в показан один период сигналов, который получен в результате передачи сигналов на фиг.5б через фильтр верхних частот. Для рисунка на фиг.5в будет выполняться равенство S₁+S₃=S₂.

Наличие какого-либо напряжения во втором полупериоде модуляции (при подключенной на вход приемника антенне) несет информацию о том, что радиометр не сбалансирован. Условием баланса описываемого радиометра является отсутствие вольт-секундной площади S₃. Для достижения баланса блок управления радиометром изменяет длительность широтно-импульсного сигнала и тем самым вызывает управляемое смещение на входе компаратора 15 модулированной последовательности сигналов относительно нулевой оси времени. Изменение длительности t_шис широтно-импульсного сигнала осуществляется по простому алгоритму:
если напряжение α₂U_a на входе компаратора отрицательно, тогда длительность t_шиc необходимо уменьшать и тогда произойдет смещение периодической последовательности сигналов модуляции относительно нулевой оси времени вверх,
если напряжение α₂U_a на входе компаратора положительно, то длительность 1_шис блоком управления увеличивается, что смещает данные сигналы модуляции вниз относительно оси времени.

Радиометр считается сбалансированным, если S₃=0 и это фиксирует компаратор 14, так как второй его вход подключен к общей точке схемы. Условие баланса для сигналов на временной диаграмме фиг.5в достигнуто при новой длительности t'_шиc и показано на фиг.5г. В этом случае выполняется равенство вольт-секундных площадей S'₁ и S'₂, то есть S'₁=S'₂. Или

Подставляя в последнее равенство выражения (4) и (5), получим

После сокращений и, решая равенство относительно сигнала антенны, получим окончательное выражение для нахождения Т_а

Как следует из формулы (6), сигнал антенны можно определить через длительность широтно-импульсного сигнала, причем между сигналом антенны и длительностью t'_шиc существует прямо пропорциональная, линейная зависимость.

В формулу (6) для нахождения Т_а не входят коэффициент усиления сигналов по высокой частоте G, коэффициент передачи квадратичного детектора β, коэффициент усиления сигналов по низкой частоте К. Следовательно, радиометр работает в режиме нулевого приема, как и нулевой радиометр.

Сигнал антенны определяется через длительность широтно-импульсного сигнала. Следовательно, все остальные величины, входящие в формулу (6), должны быть стабильными и неизменными во времени: собственные шумы радиометра, определяемые параметром Т_ш, эталонный сигнал генератора шума Т_эгш, коэффициенты передачи резистивных делителей напряжения α₁, α₂, α₃. Основная погрешность будет вноситься нестабильностью собственных шумов и шумовой температурой эталонного генератора. Поэтому, с целью минимизации погрешности измерений входная часть радиометра - эталонный генератор шума, модулятор, приемник - помещены на термостатируемую плату, так как необходимо термостатировать генератор и первые каскады усилителя высоких частот, ответственных за шумовую температуру приемника.

Определение границ диапазона измерений.

Границы диапазона измерений, как следует из формулы (6), очевидно могут быть найдены при двух длительностях широтно-импульсного сигнала
t'_шис=0 и t'_шис=t_м.

Если t'_шис= 0, тогда радиометром измеряется минимальный антенный сигнал Т_а,мин. Подставив значения t'_шис=0 и Т_а,мин в формулу (6), получим
T_a,мин = [α₃T_эгш-T_ш(α₂-α₃)]/α₂,
откуда находим
α₃/α₂ = (T_a,мин+T_ш)/(T_эгш+T_ш) (7)
Если t'_шис=t_м, тогда от антенны поступает максимальный сигнал Т_а.макс.

Подставив эти значения в формулу (6), получим, что

Откуда
α₁/α₂ = (T_a,макс+T_ш)/(T_эгш+T_ш) (8)
Таким образом, границы диапазона измерений определяются соотношениями коэффициентов α₃/α₂ и α₁/α₂ ослабления сигналов в настраиваемых делителях напряжения.

Настройка радиометра на заданный диапазон измерений (калибровка) будет рассмотрена ниже.

Блок управления радиометром.

Структурная схема блока управления радиометром показана на фиг.6. В своем составе он содержит только цифровые элементы: генератор тактовых импульсов 1, двоичный счетчик 2, осуществляющий прямую развертку двоичного кода на своих выходах, двоичный реверсивный счетчик 3, схему сравнения 4 цифровых кодов двоичного и двоичного реверсивного счетчиков, триггеры модуляции 5, формирования широтно-импульсного сигнала 6 и калибровки 7, логические элементы, выполняющие логическую функцию 2И, 8, 9, 10, инверторы, выполняющие логическую функцию НЕ, 11,12. Для осуществления в радиометре режима калибровки в схему блока управления также введены два ключа 13 и 14, три резистора R₁, R₂ и R₃, светодиод D. В рабочем режиме (в режиме измерений) эти ключи разомкнуты. Следовательно, на входе сброса R реверсивного счетчика и на его синхронизирующем входе РЕ, обеспечивающем параллельное занесение информации с входов D_i в этот счетчик, через резисторы R₃ и R₂ поступают потенциалы логического нуля с общей шины. Поэтому, на входах R и РЕ сигналы при разомкнутых ключах не активные.

В блоке управления двоичный счетчик 2 осуществляет счет импульсов генератора 1, производит прямую развертку двоичного кода на своих выходах. При изменении состояния старшего разряда Q_n с логической единицы на логический ноль, этот перепад напряжения через инвертор 12 поступает на С-вход триггера модуляции 5 и изменяет его состояние на обратное, то есть триггер работает в режиме счета. С прямого выхода триггера 5 сигнал поступает на первый выход блока управления, а с обратного - на второй выход этого блока. Эти парафазные сигналы производят симметричную, прямоугольную модуляцию антенного и эталонного сигналов и одновременно синхронизируют работу синхронного фильтра в измерительном тракте радиометра. Если триггер 5 установлен в единицу, тогда к входу приемника радиометра подключается антенна. И наоборот, если этот триггер сброшен в ноль, к входу приемника модулятором подключается эталонный генератор шума.

Цикл работы блока управления состоит из двух полуциклов. Эти полуциклы совпадают с полупериодами модуляции в радиометре. Когда к входу радиометра подключена антенна, блок управления анализирует выходной сигнал установленного в измерительном тракте компаратора, двухуровневый выходной сигнал которого (лог. 1 или лог.0) поступает на вход блока управления, и в соответствии с этим сигналом в блоке управления корректируется содержимое реверсивного счетчика, изменяется его состояние на единицу младшего разряда кода. Когда к входу радиометра подключается эталонный генератор шума, блок управления осуществляет формирование широтно-импульсного сигнала.

Таким образом, блок управления выполняет постоянное слежение за выходным сигналом компаратора и в зависимости от этого сигнала изменяет длительность широтно-импульсного сигнала в следующем полупериоде модуляции.

Первый полуцикл работы блока управления - съем сигнала компаратора и изменение в соответствии с этим сигналом состояния реверсивного счетчика - выполняется следующим образом. В этом полуцикле триггер 5 установлен в единицу и антенный сигнал в измерительном тракте радиометра через модулятор 3 и аналоговый ключ 12 поступает на вход компаратора. В блоке управления на втором входе элемента 8 появляется разрешающий потенциал. Этот же потенциал (лог.1) присутствует на входе сброса триггера 6 формирования широтно-импульсного сигнала и поддерживает его в сброшенном состоянии независимо от сигнала с выхода схемы 4 сравнения кодов.

Выходной сигнал компаратора постоянно поступает на вход направления счета U/D реверсивного счетчика, но счет в этом счетчике осуществляется один раз за период модуляции, а именно в середине этого полуцикла работы блока управления (фиг.7). Положительный перепад напряжения на выходе Q_n двоичного счетчика 2 поступает через разрешенный элемент 8 на вход счета С реверсивного счетчика 3 и производит изменение его состояния на один младший разряд. При этом, изменение состояния реверсивного счетчика будет происходить в сторону увеличения или уменьшения в зависимости от выходного сигнала компаратора (входного сигнала блока управления).

Второй полуцикл характеризуется сброшенным состоянием триггера 5. Напряжение логической единицы с его инверсного выхода поступает через второй выход блока управления на вторые входы модулятора и синхронного фильтра в измерительном тракте радиометра, производит в модуляторе подключение эталонного генератора к входу приемника, а внутри блока управления этот сигнал поступает на вторые входы элементов 2И 9 и 10, разрешая их работу. На прямом выходе триггера модуляции в этом полуцикле устанавливается потенциал логического нуля и поэтому снимается действующий в первом полуцикле сигнал сброса триггера 6 широтно-импульсного сигнала.

Двоичный счетчик 2 так же, как и в первом полуцикле работы блока управления, начинает прямую развертку двоичного кода от нулевого состояния. До момента сравнения кодов двоичного и двоичного реверсивного счетчиков триггер 6 находится в сброшенном состоянии, следовательно, на выходе элемента 10 логическая единица и этот сигнал, являющийся третьим выходом блока управления, замыкает аналоговый ключ 13 в измерительном тракте радиометра (фиг.7). В момент сравнения кодов двоичного 2 и двоичного реверсивного 3 счетчиков на выходе схемы 4 появляется потенциал лог. 1, который подается на информационный D- вход триггера 6. Задним фронтом импульса, поступающего с генератора импульсов 1 через инвертор 11 на вход С синхронизации триггера, последний устанавливается в единицу. Непосредственная установка триггера 6 широтно-импульсного сигнала с выхода схемы 4 может вызвать его ложные срабатывания, так как схема 4 является комбинационной и в результате переходных процессов на ее выходе могут возникать короткие выбросы в результате переключении в двоичном счетчике 2. Эти выбросы ("иголки") могут привести к срабатыванию триггера.

После установки триггера 6 разрешенным становится логический элемент 9 вместо элемента 10, и появление сигнала на выходе 4 блока управления вызовет коммутацию аналогового ключа 11 в измерительном тракте радиометра. После переполнения двоичного счетчика триггер модуляции 5 переключится и снова на его прямом выходе возникнет напряжение логической единицы. Триггер 6 сбросится по входу R и работа блока управления повторится.

Таким образом, блок управления непрерывно определяет полярность напряжения на входе компаратора (другой его вход соединен с общей шиной) во втором полупериоде модуляции (подключена антенна) и все время корректирует состояние реверсивного счетчика, от содержимого которого зависит длительность широтно-импульсного сигнала. Фазировка входов компаратора выбрана так, чтобы в результате изменения кода в реверсивном счетчике и, следовательно, изменения длительности широтно-импульсного сигнала, модуляционная последовательность сигналов на входе компаратора смещалась вверх или вниз так, чтобы на его входе напряжение было равно нулю во втором полупериоде модуляции.

Учитывая построение и принцип работы блока управления можно установить, что длительность t_шиc широтно-импульсного сигнала прямо пропорциональна коду реверсивного счетчика, а длительность t_м половины периода модуляции соответствует максимально возможному, единичному коду двоичного счетчика. Так как разрядности двоичного и реверсивного счетчиков равны, формулу (6) можно записать

где N_Рcч - цифровой код реверсивного счетчика, N_макс - максимальный код, соответствующий единичному состоянию всех его разрядов.

Тогда сигнал антенны можно определить через цифровой код реверсивного счетчика по формуле

Калибровка радиометра.

Калибровка радиометра включает два выполняемых последовательно этапа. Перед калибровкой движки потенциометров трех делителей напряжения 8, 9 и 10 в радиометре устанавливаются в верхнее положение и сигналы, проходящие через них, не ослабляются. То есть их коэффициенты передачи устанавливаются равными единице (α₁ = α₂ = α₃ = 1).
При выполнении первого этапа калибровки на вход радиометра вместо антенны подключается образцовый генератор шума с известной эффективной температурой. Сигнал, который он генерирует, должен определять максимальную границу диапазона измерений, на которую настраивается радиометр, то есть T_{эт,макс}=Т_а,макс.

Ключ 14 в блоке управления устанавливается во включенное состояние (ключ 13 разомкнут). На входе сброса R реверсивного счетчика 3 устанавливается потенциал логической единицы. Так как этот вход имеет максимальный приоритет, то независимо от состояний других входов С, U/D, РЕ этот счетчик будет находиться в сброшенном состоянии и на его цифровых выходах Q₁... Q_n будут логические нули. Поэтому, когда триггер модуляции 5 после переполнения двоичного счетчика 2 устанавливается в ноль и тем самым инициирует начало полупериода модуляции с подключенным на вход приемника генератором эталонного сигнала, на выходе схемы 4 сравнения кодов возникает потенциал, разрешающий установку триггера 6 формирования широтно-импульсного сигнала в единицу (реверсивный счетчик 3 поддерживается в сброшенном состоянии, а двоичный счетчик 2 после переполнения имеет нулевой код). Следовательно, триггер 6 устанавливается в самом начале первого полупериода и сигнал эталонного генератора шума радиометра на протяжении всего этого полупериода проходит в измерительном тракте через делитель напряжения 8 и включенный аналоговый ключ 11.

Получается так, что длительность широтно-импульсного сигнала t_шис равна длительности полупериода модуляции t_м (t_шиc=t_м) и на этом этапе калибровки сигнал эталонного генератора проходит через делитель напряжения 8 радиометра, а сигнал образцового генератора, подключенного на вход антенны, через делитель 9.

На этом этапе производится настройка отношения (см. формулу (8)) коэффициентов α₁/α₂ = (T_a,макс+T_ш)/(T_эгш+T_ш) по следующему алгоритму:
Если на входе компаратора в измерительном тракте радиометра напряжение отрицательно в полупериод подключения на вход приемника через антенный вход образцового эталона с _{эт,макс} = Т_а,макс (как на фиг.5а), тогда на его выходе возникает потенциал логического нуля, который в середине полупериода записывается в триггер 7 блока управления. Следовательно, на его инверсном выходе сигнал логической единицы и светодиод D не светится. Так как вначале коэффициенты α₁ и α₂ делителей 8 и 9 устанавливаются равными единице, следовательно, сигнал, действующий на входе антенны, меньше сигнала эталонного генератора, то есть Т_{эт,макс}=Т_а,макс<T, и поэтому в ходе первого этапа калибровки производится регулировка только резистивного делителя 8. Она заключается в перемещении движка потенциометра делителя 8 из верхнего положения вниз (по схеме на фиг.3) и это вызывает уменьшение коэффициента передачи делителя α₁. Регулировка заканчивается, когда будет выполнено равенство: (T_a,макс+T_ш) = α₁(T_эгш+T_ш). В результате триггер 7 переключится в единичное состояние и светодиод D засветится, и в то же время на входе компаратора измерительного тракта не будет сигнала с частотой модуляции (что можно наблюдать осциллографом).

Если на входе компаратора напряжение в полупериод коммутации антенного входа положительное, тогда сигнал, подаваемый на вход антенны больше сигнала эталонного генератора в радиометре. В этом случае выходным сигналом компаратора является логическая единица и триггер 7 в блоке управления также устанавливается в единицу. На его инверсном выходе лог.0 и через ограничительный резистор R₁ и светодиод D протекает ток, вызывая свечение последнего. Регулировка напряжения большего из сигналов выполняется потенциометром делителя 9 (изменения α₂) до достижения равенства α₂(T_a,макс+T_ш) = (T_эгш+T_ш), при выполнении которого светодиод погаснет.

Второй этап калибровки начинается с подключения на вход антенны другого, второго образцового генератора, сигнал которого определяет минимальную границу настраиваемого диапазона измерений, то есть Т_эт,мин = Т_а,мин. Ключ 14 размыкается, а ключ 13 замыкается и на вход синхронизации РЕ параллельного занесения информации в реверсивный счетчик 3 блока управления поступает сигнал лог. 1. Поэтому, в реверсивный счетчик заносится через информационные входы D₁ D₂...D_n единичный код. Если на входе РЕ постоянно действует потенциал лог.1, то независимо от состояний входов С и U/D на выходы счетчика будут транслироваться сигналы с его информационных входов параллельной загрузки. В этом случае, в результате прямой развертки двоичного кода на выходах двоичного счетчика 2 сигнал с выхода схемы 4 будет вырабатываться только в конце первого полупериода модуляции (полупериод эталонного генератора шума) и триггер 6 будет устанавливаться на короткое время, равное половине периода тактовых импульсов генератора 1 блока управления. Можно считать, что длительность широтно-импульсного сигнала, которую формирует триггер 6, равна нулю (t_шис= 0), и сигнал эталонного генератора радиометра в первом полупериоде модуляции проходит через делитель 10 и аналоговый ключ 13, а сигнал образцового генератора с антенного входа во втором полупериоде модуляции проходит через делитель 9 и аналоговый ключ 12.

На этом этапе калибровки настраивается отношение (см. формулу (7)) α₃/α₂ = (T_a,мин+T_ш)/(T_эгш+T_ш). Так как коэффициент ослабления α₂ отрегулирован на первом этапе калибровки (он либо равен 1, либо меньше 1 в зависимости от отношения сигналов Т_эгш и Т_а.макс), значит на этом этапе регулируется потенциометр в делителе напряжения 10 так, чтобы в результате изменения α₃ установилось равенство α₂(T_a,мин+T_ш) = α₃(T_эгш+T_ш).
Так как в начале калибровки α₃ был установлен в единицу, то при подключенном образцовом генераторе на вход антенны с сигналом Т_эт.мин = Т_а,мин напряжение в первом полупериоде будет больше, чем во втором и, следовательно, светодиод D в блоке управления будет выключен. Регулировка делителя и внесение ослабления в сигнал Т_эгш с коэффициентом α₃ завершится тогда, когда на выходе компаратора радиометра исчезнут сигналы с частотой модуляции (контроль осциллографом), а светодиод будет на грани включения (беспорядочные, случайные включения - выключения).

На этом калибровка (настройка коэффициентов α₁, α₂, α₃) будет завершена.

Примеры калибровки радиометра.

При расчетах применяются соотношения (7) и (8).

Пусть T_ш=200K, Т_эгш=300К (согласованная нагрузка, находящаяся при внутренней температуре прибора).

Пример 1. Пусть требуется настроить радиометр на диапазон Т_а,мин=400К, Т_а.макс=900К (Т_а,мин и Т_а,макс>Т_эгш).

Так как Т_а,макс>Т_эгш, поэтому принимаем α₁ = 1 и на первом этапе калибровки устанавливаем

На втором этапе определяется

Пример 2. Т_а.мин=150К, Т_а,макс=450К (Т_а,мин<Т<Т).

Так как Т_а,макс>Т_эгш, поэтому α₁ = 1 и α₂ = (300+200)/(450+200) = 0,769. α₃ = 0,769(150+200)/(300+200) = 0,538.
Пример 3. Т_а,мин=50К, Ta_,мaкc=200K (Т_а,мин и Т_а,макс<Т).

Так как Т_а,макс<Т тогда α₂ = 1 и

α₃ = 0,8(50+200)/(300+200) = 0,4.
Из описанного принципа работы радиометра следует, что этот радиометр в отличии от прототипа (в котором осуществляется квазинулевой прием) функционирует по нулевому методу так, что изменения коэффициентов усиления высокочастотных и низкочастотных усилителей не вносит погрешности в измерения, если они работают в линейной области передаточной характеристики. Данный радиометр в отличии от прототипа может измерять сигналы в любом, интересующем исследователя диапазоне сигналов антенны, выполнив перед этим калибровку радиометра с использованием двух образцовых эталонов. Устанавливаемый диапазон измерений не зависит от применяемого в радиометре эталонного генератора шума. Поэтому в его качестве возможен выбор стабильного генератора, каким является согласованная нагрузка при внутренней температуре прибора. Этот генератор является пассивным и обладает лучшими свойствами, чем, например, активные генераторы на полупроводниках (диоды Ганна или лавинно-пролетные диоды и т. д.). На выходе радиометра (блоке управления) сигнал представлен в цифровой форме - эквиваленте антенного сигнала - без использования стандартного аналого-цифрового преобразователя.

Формула изобретения

1. Модуляционный радиометр, содержащий антенну, эталонный генератор шума, первый и второй аналоговые ключи, последовательно соединенные модулятор, приемник, квадратичный детектор, усилитель низкой частоты, причем первый вход модулятора подключен к антенне, а второй вход - к эталонному генератору шума, отличающийся тем, что эталонный генератор шума, модулятор и приемник находятся на термостатированной плате, и в радиометр введены синхронный фильтр, вход которого подключен к выходу усилителя низкой частоты, последовательно соединенные третий аналоговый ключ, фильтр верхних частот, компаратор, блок управления, второй вход компаратора соединен с общей шиной, а также первый, второй и третий делители напряжения, входы которых соединены вместе и подключены к выходу синхронного фильтра, а их выходы подключены соответственно к входам первого, второго и третьего аналоговых ключей, причем выходы первого и второго аналоговых ключей объединены вместе и подключены к фильтру верхних частот, первые управляющие входы модулятора и синхронного фильтра соединены вместе, объединены с управляющим входом второго аналогового ключа и подключены к первому выходу блока управления, а вторые управляющие входы модулятора и синхронного фильтра также соединены вместе и подключены к второму выходу блока управления, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с управляющими входами третьего и первого аналоговых ключей, а пятый выход блока управления является выходом радиометра.

2. Радиометр по п. 1, отличающийся тем, что блок управления содержит двоичный счетчик прямого счета, двоичный реверсивный счетчик, которые имеют равное количество разрядов, схему сравнения кодов двоичного и двоичного реверсивного счетчиков, триггеры модуляции, формирования широтно-импульсного сигнала и калибровки, первый, второй и третий логические элементы 2И, первый и второй инверторы, первый и второй ключи для проведения калибровки, первый, второй и третий резисторы, светодиод, генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с объединенными вместе входом счета двоичного счетчика и входом первого инвертора, выход которого соединен с входом синхронизации триггера формирования широтно-импульсного сигнала, прямой и инвертирующий выходы которого соединены с первыми входами первого и второго элементов 2И соответственно, вторые входы которых соединены вместе и подключены к инверсному выходу триггера модуляции, который является также вторым выходом блока управления, а прямой выход триггера модуляции соединен с объединенными вместе вторым входом третьего элемента 2И и входом сброса триггера формирования широтно-импульсного сигнала и одновременно является первым выходом блока управления, выход третьего элемента 2И соединен с входом счета реверсивного счетчика и объединен с входом синхронизации триггера калибровки, цифровые выходы двоичного счетчика подключены к первому входу схемы сравнения кодов, причем выход старшего разряда _n двоичного счетчика также соединен с первым входом третьего логического элемента 2И и подключен через второй инвертор к входу счета триггера модуляции, а цифровые выходы двоичного реверсивного счетчика объединены с выходной цифровой шиной блока управления и подключены к второму входу схемы сравнения кодов, выход которой соединен с информационным входом триггера формирования широтно-импульсного сигнала, выходы первого и второго логических элементов 2И являются соответственно четвертым и третьим выходами блока управления, а вход блока управления подключен к соединенным вместе входу направления счета двоичного реверсивного счетчика и информационному входу триггера калибровки, инвертирующий выход которого подключен к последовательно соединенным первому резистору и светодиоду, второй вывод которого подключен к источнику питания, входы сброса и предварительной установки двоичного реверсивного счетчика через соответствующие первый и второй ключи включения режима калибровки подключаются к напряжению логической единицы, которое также подается на информационные входы параллельного занесения информации в реверсивный счетчик, а через второй и третий резисторы эти входы подключены к общей шине.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7