Модуляционный радиометр

 

Модуляционный радиометр может быть использован в пассивной радиолокации для измерения слабых шумовых сигналов. Сущность изобретения заключается в том, что модуляционный радиометр, содержащий антенну, последовательно соединенные модулятор, приемник, импульсный усилитель, синхронный фильтр, фильтр верхних частот, компаратор, второй вход которого соединен с общей шиной, а выход подключен к входу блока управления, первый выход которого является выходом радиометра, а второй и третий выходы соединены с управляющими входами модулятора и синхронного фильтра, соответственно, и также содержащий последовательно соединенные источник тока, генератор шума, делитель мощности пополам, первый выход которого соединен с последовательно соединенными первым аттенюатором и первым вентилем, а второй выход подключен к последовательно соединенным второму аттенюатору и второму вентилю, причем источник тока, генератор шума, делитель мощности пополам и оба аттенюатора установлены на термостатированной плате, согласованную нагрузку первый и второй направленные ответвители, первый и второй СВЧ-ключи, входы которых соединены с выходами первого и второго вентилей соответственно, а управляющие входы первого и второго СВЧ-ключей подключены соответственно к четвертому и пятому выходам блока управления, первые входы первого и второго направленных ответвителей соединены с антенной и согласованной нагрузкой соответственно, а вторые входы первого и второго направленных ответвителей подключены к соответствующим выходам первого и второго СВЧ-ключей, причем согласованная нагрузка установлена на термостатированной плате. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к пассивной радиолокации и может использоваться для измерения мощности слабых шумовых сигналов в широком диапазоне высоких частот.

Известен сверхвысокочастотный нулевой радиометр (Филатов А.В., Бордонский Г. С. // Нулевой радиометр. Патент РФ 1704107, G 01 R 29/08, G 01 S 13/95), структурная схема которого изображена на фиг.1, содержащий последовательно соединенные антенну 13, направленный ответвитель 1, модулятор 5, приемник 6, импульсный низкочастотный усилитель 7, синхронный фильтр 8, фильтр высокой частоты 9, компаратор (нуль-орган) 10, блок управления 11, на выходной шине 15 которого формируется цифровой код измеряемого сигнала. Цепь автоматического ввода опорного шумового сигнала в тракт антенны через направленный ответвитель 1 состоит из генератора шума 3, аттенюатора 2. Управление временем поступления опорного сигнала осуществляется с первого выхода блока управления 11. Широтно-импульсный сигнал с этого выхода включает источник постоянного тока 4. Управляемый источник тока 4 питает генератор шума 3. Шумовой сигнал, вырабатываемый генератором, является первым опорным сигналом, поступающим вместе с антенным сигналом на первый вход модулятора 5. Второй опорный шумовой сигнал вырабатывается согласованной нагрузкой 12, находящейся при температуре термостатированной платы 14. Для повышения стабильности показаний радиометра на этой же плате установлены модулятор, направленный ответвитель, аттенюатор, генератор шума, управляемый источник тока.

Преимущества данного радиометра состоят в том, что обработка огибающей сигналов модуляции на выходе приемника (по низкой частоте) заключается только в исключении постоянной составляющей напряжения фильтром высокой частоты 9. После этой операции происходит анализ знака напряжения на входе компаратора в тот момент времени, когда к входу приемника подключена согласованная нагрузка. Так как в низкочастотной части радиометра нет преобразований модулированных сигналов (преобразования формы сигналов) с целью выделения информативных уровней напряжения в разные половины периода модуляции для дальнейшего их сравнения, то и погрешности, связанные с этими преобразованиями, отсутствуют. В этом радиометре реализуется модифицированный метод нулевых измерений, в результате применения которого прибор становится нечувствительным к изменениям коэффициента передачи всего измерительного тракта радиометра.

Описанный радиометр, выбранный в качестве аналога, измеряет сигналы, шумовая температура которых ниже температуры опорной согласованной нагрузки 12. Как правило, в радиометрах температуры термостатирования выбираются в пределах 310-320 К (37-47^oC), что не на много больше температуры рабочей среды прибора. Следовательно, в радиометре сложно перестроить диапазон измерений. То есть, изменить верхнюю границу измерений сигналов, так как верхняя граница определена температурой термостатированной платы. Это является недостатком радиометра - аналога.

Известен радиометр (Филатов А.В. Нулевой радиометр. Патент РФ 2124213, G 01 R 29/08, БИ 36, 1998 г.), выбранный в качестве прототипа, содержащий во входном узле источник тока 10, питающий генератор шума 11, которые установлены в термостате 17. Выходной сигнал генератора поступает на делитель 12 мощности пополам. Его выходы через две аналогичные ветви, содержащие регулируемые аттенюаторы 13, 15 и вентили 14, 16, подключены к первому и второму входам первого модулятора 18. Сигналы с выхода этого модулятора поступают на второй вход другого, аналогичного первому, модулятора 2. На первый вход модулятора 2 подключена антенна 1. Выход этого модулятора, являющий выходом входного узла радиометра, подключается к радиометрическому приемнику 3, где сигналы усиливаются по высокой частоте и детектируются по квадратичному закону. Далее следуют последовательно включенные импульсный усилитель 4, синхронный фильтр 5, фильтр верхних частот 6, компаратор 7, определяющий полярность сигнала, так как его второй вход соединен с общей точкой схемы. Логический выходной сигнал компаратора, несущий информацию о полярности сигнала на его первом входе, поступает на вход цифрового блока управления 8, который его анализирует и управляет обоими модуляторами во входном узле и синхронным фильтром, а также вырабатывает поступающий на выход 9 радиометра цифровой сигнал, эквивалент сигнала антенны.

В радиометре применен генератор шума с высокой эффективной шумовой температурой. Как правило, в качестве активного элемента этих генераторов используют полупроводниковые лавинно-пролетные диоды, которые обладают рядом преимуществ. Диапазон измеряемых сигналов данным радиометром находится в границах опорных сигналов, поступающих на вход модулятора 18. Эти сигналы равны T_оп1 = α₁T_гш/2+T_o(1-α₁) и T_оп2 = α₂T_гш/2+T_o(1-α₂), где α₁ и α₂ - - коэффициенты ослабления сигналов в аттенюаторах 13 и 15 соответственно.

Как следует из этих формул, опорные сигналы нельзя принципиально уменьшить ниже внутренней температуры Т_о входного узла радиометра, при которой находятся аттенюаторы. Поэтому, данным радиометром можно измерять сигналы, имеющие только высокую эффективную температуру, как, например, при наблюдениях за радиояркостной температурой Солнца или в металлургической промышленности при измерении температуры расплавленного металла в помещениях повышенной задымленности. Однако во многих случаях приходится измерять сигналы, которые имеют низкую эффективную шумовую температуру. Это касается исследований дистанционными методами таких природных объектов, как льды, грунты.

Целью данного предлагаемого изобретения является создание радиометра, измеряющего сигналы с низкой эффективной температурой, причем верхняя граница диапазона измерений изменяется достаточно простыми средствами в "холодную" сторону и для этого не требуется применение опорного генератора с низкой эффективной температурой, например согласованной нагрузки, помещенной в охлаждаемый объем с применением в качестве охладителя сжиженного газа, или активного "холодного" генератора шума, в качестве которого применяют дорогостоящий малошумящий усилитель высоких частот.

Разработка предлагаемого изобретения позволяет устранить недостатки прототипа и дает возможность измерять сигналы с низкими эффективными температурами, а также сдвигать диапазон измерений в сторону абсолютного нуля применяя при этом опорные шумовые сигналы с высокой эффективной температурой.

Для этого в радиометр, содержащий антенну, последовательно соединенные модулятор, приемник, импульсный усилитель, синхронный фильтр, фильтр верхних частот, компаратор, второй вход которого соединен с общей шиной, а выход подключен к входу блока управления, первый выход которого является выходом радиометра, а второй и третий выходы соединены с управляющими входами модулятора и синхронного фильтра соответственно, и также содержащий последовательно соединенные источник тока, генератор шума, делитель мощности пополам, первый выход которого соединен с последовательно соединенными первым аттенюатором и первым вентилем, а второй выход подключен к последовательно соединенным второму аттенюатору и второму вентилю, причем источник тока, генератор шума, делитель мощности пополам и оба аттенюатора установлены на термостатированной плате, для достижения намеченного технического результата введены согласованная нагрузка, первый и второй направленные ответвители, первый и второй СВЧ-ключи, входы которых соединены с выходами первого и второго вентилей соответственно, а управляющие входы первого и второго СВЧ-ключей подключены соответственно к четвертому и пятому выходам блока управления, первые входы первого и второго направленных ответвителей соединены с антенной и согласованной нагрузкой соответственно, вторые входы первого и второго направленных ответвителей подключены к соответствующим выходам первого и второго СВЧ-ключей, а выходы первого и второго направленных ответвителей соединены с первым и вторым входами модулятора соответственно, причем согласованная нагрузка установлена на термостатированной плате.

Блок управления содержит реверсивный двоичный счетчик, двоичный счетчик прямого счета, двоичный счетчик с выходным дешифратором, первую и вторую схемы поразрядного сравнения кодов, первый и второй RS-триггеры, первый и второй логические элементы ИЛИ, логический элемент И, дешифратор управления синхронным фильтром, задатчик диапазона измерений, состоящий тумблеров, с помощью которых оператором задается в двоичном коде диапазон измерений, генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с входом счета С двоичного счетчика прямого счета, первый и второй выходы которого подключены к вторым входам второй и первой схем поразрядного сравнения кодов соответственно, третий выход двоичного счетчика прямого счета соединен с первым входом логического элемента И, выход которого подключен к входу счета С реверсивного двоичного счетчика, а выход переполнения р двоичного счетчика прямого счета соединен с входом счета С двоичного счетчика с выходным дешифратором, первый выход которого подключен к соединенным вместе первым входам дешифратора управления синхронным фильтром, второго логического элемента ИЛИ и объединен с вторым выходом блока управления, второй выход двоичного счетчика с выходным дешифратором соединен с первым входом первого логического элемента ИЛИ, третий выход двоичного счетчика с выходным дешифратором подключен к соединенным вместе вторым входам обоих логических элементов ИЛИ и логического элемента И, а четвертый выход двоичного счетчика с выходным дешифратором соединен с входом сброса R этого же счетчика.

Причем выходы первого и второго логических элементов ИЛИ соединены с входами сброса R первого и второго триггеров соответственно, входы установки S которых подключены соответственно к выходам первой и второй схем поразрядного сравнения кодов, а выходы первого и второго триггеров подключены соответственно к второму и третьему входам дешифратора управления синхронным фильтром и объединены соответственно с четвертым и пятым выходами блока управления, выход дешифратора управления синхронным фильтром является третьим выходом блока управления, а первый выход блока управления, который также является выходом радиометра, соединен с выходами реверсивного двоичного счетчика и задатчика диапазона измерений, которые в свою очередь объединены с первыми входами первой и второй схем поразрядного сравнения кодов соответственно, причем выход реверсивного счетчика является младшими разрядами выходного цифрового кода радиометра, а выход задатчика диапазона измерений является старшими разрядами выходного цифрового кода радиометра, а вход U/D направления счета в реверсивном счетчике является входом блока управления.

На фиг.1 представлена структурная схема радиометра - аналога.

На фиг.2 представлена структурная схема радиометра, выбранная в качестве прототипа.

На фиг. 3 представлена структурная схема предлагаемого модуляционного радиометра, использующего модификацию метода нулевого приема.

На фиг. 4 показаны временные диаграммы, поясняющие принцип работы радиометра (а) и работу его блока управления (б).

На фиг.5 представлена функциональная схема блока управления радиометром.

На фиг.6 показан пример формирования диапазонов измерений радиометром.

В состав радиометра входят (фиг.3) антенна 1, модулятор 2, приемник 3, импульсный усилитель 4, управляемый синхронный фильтр 5, фильтр верхних частот 6, аналоговый компаратор 7, блок управления 8. Выходной сигнал в цифровой форме поступает на шину 9 блока управления 8. Во входном узле радиометра на термостатированной плате 17 установлены источник неизменного тока 10, питающий генератор шума 11, делитель мощности пополам 12, регулируемые аттенюаторы 13 и 15. Также в состав входного узла входят идентичные вентили 14 и 16. Новыми элементами радиометра являются одинаковые СВЧ-ключи 21 и 22, направленные ответвители 19 и 20, установленная на термостатированной плате согласованная нагрузка 18.

В радиометре используется генератор шума 11, выполненный с использованием полупроводниковых диодов, лавинно-пролетных или диодов Ганна. Генерируемый им сигнал, при пропускании через его активную зону тока от источника 10, имеет большую величину и может составлять миллионы градусов Кельвина в эквивалентной шумовой температуре. Делителем мощности 12 этот сигнал разделяется на два выхода и в дальнейшем из этих двух сигналов формируются опорные сигналы, поступающие в направленные ответвители 19 и 20. Мощности этих сигналов настраиваются регулировкой коэффициентов ослабления в аттенюаторах 13 и 15. Перед поступлением в направленные ответвители эти сигналы подвергаются широтно-импульсной модуляции.

Широтно-импульсная модуляция каждого сигнала происходит в СВЧ-ключах 21 и 22 под управлением блока 8. Вентили 14 и 16 необходимы в том случае, когда соответствующий ключ разомкнут и отраженный от него сигнал генератора шума 11 не будет снова возвращаться на его вход и соответственно не будет вносить искажения в его работу. В направленных ответвителях происходит суммирование сигналов по мощности. В ответвителе 19 перед поступлением на первый вход модулятора 2 смешиваются сигнал антенны и первый опорный сигнал, эффективные температуры которых равны Т_а и T_оп1.

В другом ответвителе 20 сигналы согласованной нагрузки Т_сн и второй опорный Т_оп2 также суммируются и этот суммарный сигнал поступает на второй вход модулятора 2. В модуляторе 2 импульсными сигналами t_мод со второго выхода блока управления 8 выполняется прямоугольная модуляция широтно-модулированных опорных сигналов и сигналов, постоянно действующих, от антенны 1 и согласованной нагрузки 18, эквивалента антенны.

После линейного усиления этой модулированной и периодической последовательности сигналов по высокой частоте в приемнике 3, после операции квадратичного детектирования и усиления полученной огибающей в импульсном усилителе 4, для которого важна скорость нарастания сигнала на выходе, эта последовательность сигналов поступает на синхронный фильтр 5. Назначение фильтра то же, что и в прототипе. В результате его действия уменьшается флуктуационная высокочастотная (выше частоты модуляции в радиометре) составляющая в сигналах, что повышает точность работы последующих звеньев измерительного тракта радиометра.

В фильтре 6 исключается постоянная составляющая напряжения в импульсной последовательности сигналов без желательного нарушения формы сигналов, что достигается соответствующим выбором частоты среза фильтра. То есть, по сути после фильтра происходит сдвиг периодической последовательности сигналов относительно оси времени вверх или вниз так, чтобы для одного периода выполнялось равенство вольт- секундных площадей для импульсов, находящихся в положительной и отрицательной уровнях напряжений. Следующий за фильтром компаратор 7 производит сравнение сигнала с нулевым потенциалом, то есть определяет его полярность. Выходной логический сигнал компаратора поступает на вход цифрового блока управления. Блок управления 8, анализируя сигнал компаратора выполняет широтно-импульсную и прямоугольную модуляцию сигналов на входе радиометра, а также формирует выходной сигнал в цифровом виде, поступающий на выходную шину радиометра.

Принцип работы радиометра заключается в следующем. В радиометр вводится дополнительный такт модуляции. Это дает возможность измерять сигналы антенны в низкотемпературной области, применяя для этого наиболее доступные генераторы с высокой выходной шумовой температурой. В дополнительном такте модуляции к входу модулятора 2 подключается согласованная нагрузка 18, а через направленный ответвитель 20 поступает опорный сигнал Т_оп2, от длительности которого зависит величина сдвига диапазона измерений в сторону более "холодных" температур (ниже температуры согласованной нагрузки радиометра).

Таким образом, полный период модуляции в радиометре (см. фиг.4) состоит из трех одинаковых по длительности интервалов, равных t_мод. В первом временном интервале коммутируется антенна на вход приемника с выходным сигналом Т_а и в этом же интервале на время t_шис подключается через СВЧ-ключ 21 цепь из аттенюатора 13 и вентиля 14, формирующая первый опорный сигнал T_оп1 из сигнала Т_гш генератора 11. Второй интервал, частично описанный как дополнительный, включает коммутацию на вход приемника согласованной нагрузки, эффективная шумовая температура Т_сн которой равна термодинамической температуре термостатированной платы 17. Во втором интервале модуляции в направленном ответвителе 20 происходит суммирование сигналов согласованной нагрузки и второго опорного сигнала _оп2, имеющего длительность t_сдв, заданную временем замкнутого состояния СВЧ-ключа 22. Второй интервал модуляции в радиометре определяет сдвиг диапазона измерений в сторону нуля градусов Кельвина.

Амплитуды этих опорных сигналов равны T_оп1 = L₁[α₁T_гш/2+(1-α₁)T_o]; T_оп2 = L₂[α₂T_гш/2+(1-α₂)T_o], где L₁ и L₂ - коэффициенты передачи сигналов в направленных ответвителях 19 и 20 соответственно, α₁ и α₂ - коэффициенты ослабления сигналов в аттенюаторах 13 и 15 соответственно.

Третий интервал модуляции, интервал с подключенной согласованной нагрузкой, предназначен для анализа блоком управления выходного сигнала компаратора 7. В зависимости от полярности напряжения на входе компаратора 7 в этом интервале блок управления регулирует длительность широтно-импульсного сигнала t_шис в следующем периоде модуляции. Эта длительность, преобразованная в цифровой код, определяет состояние младших разрядов выходного цифрового кода радиометра.

Как и в радиометре-прототипе, в данном радиометре реализована модификация метода нулевого приема. Нулевой баланс в радиометре считается достигнутым, когда напряжение на входе компаратора 7 в третьем интервале модуляции равно нулю. Поэтому существует и баланс вольт-секундных площадей положительных и отрицательных импульсов для одного периода модулированных сигналов. То есть, для сигналов, изображенных на фиг.4а, будет действительно следующее равенство Q(Т_оп1+Т_а-Т_сн)t_шис+Q(Т_оп2+Т_а-Т_сн)t_сдв= = Q(T_сн-Т_а)(t_мод-t_шис), (1) где Q - коэффициент пропорциональности между входными сигналами Т_сн, Т_а, T_оп1 и Т_оп2 и напряжениями на входе компаратора, равный произведению GβK_ukδf. В этом произведении G - коэффициент усиления сигналов по мощности в приемнике, β - коэффициент передачи квадратичного детектора, К_u - коэффициент усиления напряжения низкочастотной частью радиометра, k - постоянная Больцмана, δf - полоса принимаемых радиометром частот.

В равенство (1) не входит собственная шумовая температура приемника Т_ш, так как это постоянно действующий сигнал (неизменный сигнал в пределах одного полного периода модуляции) и как любая постоянная составляющая он отфильтровывается перед поступлением на компаратор фильтром верхних частот 6. Следовательно, собственная температура приемника не влияет на показания радиометра.

Из выражения (1) можно найти длительность широтно-импульсного сигнала t_шис, которая косвенно указывает на величину измеряемого сигнала антенны Т_а
t_шис=(Т_сн-Т_а)t_мод/Т_оп1-Т_оп2t_сдв/Т_оп1. (2)
Зависимость имеет линейный характер. Также из (2) следует, что на точность измерений не влияют изменения суммарного коэффициента передачи тракта Q при условии, что усиление происходит в линейной области передаточной характеристики радиометра и частота этих изменений ниже частоты модуляции в радиометре. Отсутствие влияния на точность измерений коэффициентов усиления говорит о том, что радиометр работает по методу нулевых измерений.

Для выяснения границ диапазона измерений равенство (2) решаем относительно сигнала антенны Т_а. Тогда получим
Т_а=(Т_сн-Т_оп2t_сдв/t_мод)-Т_оп1t_шис/t_мод. (3)
Выражение в скобках в уравнении (3) указывает на принципиальную возможность сдвига диапазона измерений относительно сигнала согласованной нагрузки Т_сн (температура термостатированной платы) в сторону абсолютного нуля при наличии ненулевой длительности t_сдв.

Границы диапазона измерений следуют из подстановки в (3) двух крайних значений длительности t_шис. Это ноль и длительность интервала модуляции t_мод. Тогда получим соответственно максимальный и минимальный сигналы антенны, ограничивающие заданный диапазон
Т_а.макс=(Т_сн-Т_оп2t_сдв/t_мод), при t_шис=0 (4)
Т_а.мин=(Т_сн-Т_оп2t_сдв/t_мод)- Т_оп1, при t_шис=t_мод.

Как следует из (4) границы диапазона измерений непосредственно зависят от значений длительности t_сдв и амплитуды второго опорного сигнала Т_оп2.

Если длительности представить эквивалентными цифровыми кодами так, что t_шис пропорционально коду N_шис с количеством разрядов n, t_сдв~N_сдв с количеством разрядов и максимальная длительность t_мод соответствует максимально возможному цифровому коду N_макс с n разрядами, установленными в единицу (N_макс≥N_шис и N_сдв), тогда соотношение (2) можно записать в следующем виде
N_шис=(Т_сн-Т_а)N_макс/Т_оп1-Т_оп2N_сдв/Т_оп1. (5)
Если Т_оп2=T_оп1, и количество разрядов в кодах N_сдв, N_шис, N_макс и равны. Тогда результирующий выходной код радиометра равен сумме отдельных кодов
N_сдв+N_шис=(Т_сн-Т_а)N_макс/Т_оп1.

В данном радиометре реализован более приемлемый принцип формирования выходного кода радиометра, при котором код N_шис определяет его младшие разряды, а от кода N_сдв зависит количество поддиапазонов измерений, и тем самым этот код является старшими разрядами полного выходного цифрового кода радиометра. Это достигается настройкой отношения Т_оп2/Т_оп1, чтобы оно было равным 2^m, где m - количество разрядов кода N_сдв, осуществляющего сдвиг диапазона измерений. Тогда соотношение (5) примет вид
N_полн=2^mN_сдв+N_шис=(Т_сн-Т_а)N_макс/Т_оп1, (6)
где N_полн - полный результирующий цифровой код, поступающий на выходную шину радиометра.

Так как Т_оп2= 2^mT_оп1, формула для определения сигнала антенны (3) принимает вид
Т_а=(Т_сн-2^mТ_оп1t_сдв/t_мод)-Т_оп1t_шис/t_мод. (7)
Отсюда, границы диапазона измерений (4) равны
Т_а.макс=(Т_сн-2^mТ_оп1t_сдв/t_мод),(t_шис=0) (8)
Т_а.мин=(Т_сн-2^mТ_оп1t_сдв/t_мод)-Т_оп1, (t_шис=t_мод). (8)
Настройка отношения опорных сигналов выполняется в аттенюаторах 13 и 15 радиометра.

Работа цифрового блока управления заключается в непрерывном поддержании на входе компаратора 7, последней схемы измерительного тракта, нулевого напряжения. Это условие достигается в процессе работы блока управления, который регулирует длительность широтно-импульсного сигнала _шис включения СВЧ-ключа 21 во входном узле радиометра. Функциональная схема блока управления представлена на фиг.5. В его состав входят генератор тактовых импульсов 23, три двоичных счетчика, один из которых реверсивный 24, другой счетчик 25 прямого счета, и третий малоразрядный двоичный счетчик 26 прямого счета имеет встроенный дешифратор на четыре выхода, две схемы поразрядного сравнения 27 и 28 входных цифровых кодов, два RS-триггера 29 и 30, каждый из которых управляет одним из СВЧ-ключей во входном тракте радиометра, две логические схемы ИЛИ 31 и 32, одна логическая схема И 33, дешифратор 34 - формирователь управляющих сигналов для работы синхронного фильтра, а также задатчик диапазона измерений 35.

В процессе работы блок управления формирует три одинаковых, следующих друг за другом интервала. Двоичный счетчик 25 производит счет импульсов генератора 23, которые поступают на его вход С. Полное изменение его состояния от нуля до максимального кода соответствует длительности одного интервала. При переполнении, когда его все разряды из единичного состояния переходят в нулевое, на выходе переполнения р появляется импульс. Так как этот выход подключен к входу счета С счетчика 26, следовательно, этот счетчик считает интервалы модуляции. Для счетчика 26 с встроенным дешифратором действительно следующее: если на его первом выходе логическая единица (лог.1), то формируется интервал подключения модулятором антенны на вход приемника, если на других его выходах 2 или 3 лог.1, следовательно к входу приемника подключается согласованная нагрузка.

Работу блока управления рассмотрим для каждого интервала модуляции отдельно. При этом будем пользоваться временными диаграммами на фиг.4. На первом интервале первый выход счетчика 26 находится в логической единице. Этот сигнал через выход 2 блока управления поступает на модулятор входного узла радиометра, который включает на вход приемника антенну. Через первый вход элемента ИЛИ 32 потенциал логической единицы удерживает триггер 30 в сброшенном состоянии. На его входе сброса R высокий потенциал, и поэтому независимо от сигнала с выхода схемы совпадения 28, поступающего на вход установки S этого триггера, он будет оставаться в состоянии сброса, так как вход R имеет более высокий приоритет, чем вход S. С другой стороны, на входе сброса R триггера 29 сигнал отсутствует, так как на выходе элемента ИЛИ 31 нулевой потенциал (выходы 2 и 3 счетчика 26 в состоянии логического нуля). Следовательно, в этом интервале модуляции разрешается установка триггера 29 в единицу.

Разрядности счетчиков реверсивного 24 и двоичного 25 равны. Выходы этих счетчиков поступают на схему поразрядного сравнения 27 (выход реверсивного счетчика 24 и выход 2 двоичного счетчика 25, включающий все его разряды). В начале интервала модуляции счетчик 25 начинает развертку на увеличение двоичного кода на выходе 2. В момент сравнения кодов обоих счетчиков схема 27 вырабатывает импульс, устанавливающий триггер 29 в единицу, и сигнал с его прямого выхода поступает на выход 4 блока управления. Это означает, что во входном узле радиометра замыкается СВЧ-ключ 21 и первый опорный шумовой сигнал начинает поступать в тракт антенны. Надо отметить, что в реверсивном счетчике находится цифровой код, эквивалентный длительности _шис.

Изменение в счетчике 25 кода "все единицы" на нулевой код приведет к появлению импульса на выходе р и в счетчике 26 потенциал лог.1 переместится с первого на второй выход. Таким образом начинает формироваться второй интервал модуляции. Сразу же снимается сигнал с второго выхода блока управления и это приводит к коммутации согласованной нагрузки на вход приемника. Одновременно с этим сбрасывается триггер 29 выходным сигналом элемента ИЛИ 31 и отключается поступление в направленный ответвитель 19 первого опорного сигнала. В то же время снимается сигнал сброса триггера 30, так как на выходе элемента 32 устанавливается потенциал лог.0.

На первый вход схемы сравнения 28 поступает двоичный код с задатчика диапазона 35, а на второй вход этой же схемы - старшие разряды счетчика 25 (выход 1), количество которых определяет количество диапазонов измерений. В задатчик 35 входит набор тумблеров, с помощью которых оператором производится набор в двоичном коде нужного диапазона измерений. Так же, как и в первом интервале модуляции, при совпадении кодов схема 28 вырабатывает импульс, устанавливающий триггер 30 в единицу. Тем самым во входном узле радиометра замыкается СВЧ-ключ 22 и уже второй опорный сигнал поступает в направленный ответвитель 20, в котором суммируется с сигналом согласованной нагрузки. Окончание второго интервала модуляции сопровождается переполнением счетчика 25 и переключением счетчика 26, когда третий его выход становится активным.

На третьем интервале модуляции триггеры 29 и 30 поддерживаются в сброшенном состоянии, так как на выходах логических схем 31 и 32 потенциалы единицы. Следовательно, на этом интервале модуляции опорные сигналы генератора шума выключены. На вход приемника продолжается подключение согласованной нагрузки. На этом интервале разрешенным оказывается элемент И 33 по входу 2. Вход 1 этого элемента подключен к выходу 3 счетчика 25, который является старшим разрядом счетчика. Так как старший разряд счетчика изменяет свое состояние один раз за интервал модуляции, и это происходит в середине интервала, значит счет в реверсивном счетчике 24 происходит в середине третьего интервала импульсом с выхода логического элемента 33, поступающего на вход счета С этого счетчика. Его состояние увеличивается или уменьшается на один младший разряд в зависимости от сигнала на входе направления счета U/D. Этот вход реверсивного счетчика является входом блока управления и на него поступает сигнал с компаратора радиометра.

Блок управления поддерживает на входе компаратора нулевое напряжение в третьем интервале модуляции за счет работы петли обратной связи. Он изменяет длительность t_шис поступления сигнала первого опорного источника в тракт антенны. С другой стороны, эта длительность определяется содержимым реверсивного счетчика. Фазировка входов компаратора выполнена так, что при уменьшении сигнала антенны (в сторону "холодных" температур) состояние реверсивного счетчика уменьшается и, наоборот, увеличение сигнала антенны сопровождается увеличением содержимого реверсивного счетчика. Так, в каждом периоде модуляции выполняется слежение за измеряемым сигналом антенны посредством слежения за полярностью сигнала на входе компаратора 7 в третьем интервале модуляции.

При третьем переполнении счетчика 25 на четвертом выходе счетчика 26 устанавливается единичный потенциал, который поступает на вход его сброса.

Счетчик 26 сбрасывается, и на его первом выходе появляется потенциал логической единицы. Работа блока управления повторяется.

На выходе 1 блока управления вырабатывается выходной сигнал радиометра, который формируется из двух цифровых кодов. Младшие его разряды - это код реверсивного счетчика, старшие - код задатчика, определяющий диапазон, в котором находится измеряемый сигнал Т_а.

Дешифратор 34 через третий выход блока 8 управляет электронными ключами в синхронном фильтре 5. Синхронный фильтр низкой частоты 5 имеет в составе четыре конденсатора, одни обкладки которых соединены вместе, являются выходом синхронного фильтра, и через общий резистор подключены к входу фильтра. Другие обкладки конденсаторов через управляемые ключи (для каждого конденсатора свой ключ) подключены к общей точке схемы. Количество конденсаторов и ключей равно количеству уровней напряжения в одном периоде модулируемых сигналов: Т_а, Т_а+T_оп1, Т_сн, Т_сн+Т_оп2.

Таблица истинности работы дешифратора следующая: если сигналы t_мод=1 и t_шис= 0, тогда фильтр выполняет интегрирования сигнала Т_а, если t_мод=1 и t_шис= 1, следовательно, следующий конденсатор фильтра осуществляет интегрирование суммы сигналов Т_а+T_оп1, если t_мод=0 и t_сдв=0, интегрируется сигнал Т_сн и при t_мод=0 и t_сдв=1 осуществляется низкочастотная фильтрация уровня Т_сн+Т_оп2. Как было отмечено выше, синхронный фильтр предназначен для уменьшения в сигналах флуктуации высокочастотного характера и тем самым увеличивает точность работы последующих узлов измерительного тракта радиометра. Постоянная времени фильтра выбирается близкой к частоте модуляции.

Рассмотрим пример работы радиометра, если количество разрядов m кода сдвига N_сдв равно двум (m=2). На фиг.6 приведены поясняющие диаграммы для этого случая. На втором интервале модуляции, равном по длительности t_мод, в процессе формирования прямой развертки кода N_сдв (старшие разряды счетчика 25, выход 1), последовательно меняются двоичные его комбинации 00, 01, 10, 11. В соответствии с одной из этих комбинаций вырабатывается одна из возможных четырех длительность t_сдв поступления сигнала Т_оп2 в тракт согласованной нагрузки (определяется кодом задатчика 35, задающим диапазон измерений). Если во втором интервале модуляции на выходе 1 счетчика 25 устанавливается код N_сдв=11 и он совпадает с кодом, введенным в задатчик 35 оператором, тогда формируемая блоком управления длительность t_сдв равна четвертой части временного интервала t_мод(t_сдв=t_мод/4).

Тем же образом, для N_сдв=10 длительность t_сдв=t_мод/2, для N_сдв=01⇒t_сдв= 3t_мод/4 и для N_сдв=00⇒t_сдв=t_мод. Как следует из соотношений (8), сдвиг диапазона для кода N_сдв=11 будет равен Т_сн-4T_оп1t_мод/4t_мод=Т_сн-T_оп1, для кода N_сдв=10 сдвиг составит Т_сн-4T_оп1t_мод/2t_мод=Т_сн-2T_оп1, для кода N_сдв=01 сдвиг будет равен Т_сн-4T_оп13t_мод/4t_мод=Т_сн-3T_оп1 и для кода N_сдв=00 сдвиг составит Т_сн-4T_оп1t_мод /t_мод=Т_сн-4Т_оп1.

Для этого примера графическое изображение диапазонов измерений сигнала антенны Т_а приведено на фиг.6б. Как следует из этого примера, увеличением количества разрядов в коде сдвига можно получить большее количество диапазонов измерений и увеличить разрядность полного выходного кода радиометра, а это приводит к повышению точности. Важным является то, что измерение сигналов с низкой шумовой температурой вблизи абсолютного нуля достигается без применения "холодных" опорных сигналов.

При построение радиометра во входном блоке использовались стандартные СВЧ-полосковые узлы. Приемник прямого усиления имел длину волны 18 см с полосой приема 150 МГц. В блоке управления применены выпускаемые промышленностью цифровые микросхемы серии К1561. Синхронный фильтр низкой частоты имеет стандартную, описанную в литературе, схему.

Таким образом, к достоинствам описанного радиометра относится возможность измерять сигналы с низкой эффективной температурой и при этом использовать в качестве опорных нагрузок генераторы с высокой эффективной температурой, как более дешевые и доступные, чем генераторы, вырабатывающие сигналы с низкими эффективными шумовыми температурами. Использование генераторов шума с высокой эффективной температурой становится единственно возможным, когда радиометр должен быть портативным и использоваться для полевых исследований. Использование в малогабаритных радиометрах так называемых активных генераторов шума, малошумящих усилителей, имеет свои ограничения на диапазон измеряемых сигналов в области температур, близких к абсолютному нулю. Другим несомненным достоинством предлагаемого радиометра является возможность сдвига диапазона измерений в "холодную" сторону, применяя при этом те же генераторы с высокой мощностью шумового сигнала. Весь диапазон измерений в низкотемпературной области вплоть до нуля градусов Кельвина разбивается на ряд диапазонов. Оператором выбирается тот диапазон, в котором измеряется сигнал антенны.

Формула изобретения

1. Модуляционный радиометр, содержащий антенну, последовательно соединенные модулятор, приемник, импульсный усилитель, синхронный фильтр, фильтр верхних частот, компаратор, второй вход которого соединен с общей шиной, а выход подключен к входу блока управления, первый выход которого является выходом радиометра, а второй и третий выходы соединены с управляющими входами модулятора и синхронного фильтра соответственно, и также содержащий последовательно соединенные источник тока, генератор шума; делитель мощности пополам, первый выход которого соединен с последовательно соединенными первым аттенюатором и первым вентилем, а второй выход подключен к последовательно соединенным второму аттенюатору и второму вентилю, причем источник тока, генератор шума, делитель мощности пополам и оба аттенюатора установлены на термостатированной плате, отличающийся тем, что введены согласованная нагрузка, первый и второй направленные ответвители, первый и второй СВЧ-ключи, входы которых соединены с выходами первого и второго вентилей соответственно, а управляющие входы первого и второго СВЧ-ключей подключены соответственно к четвертому и пятому выходам блока управления, первые входы первого и второго направленных ответвителей соединены с антенной и согласованной нагрузкой соответственно, вторые входы первого и второго направленных ответвителей подключены к соответствующим выходам первого и второго СВЧ-ключей, а выходы первого и второго направленных ответвителей соединены с первым и вторым входами модулятора соответственно, причем согласованная нагрузка установлена на термостатированной плате.

2. Модуляционный радиометр по п.1, отличающийся тем, что блок управления содержит реверсивный двоичный счетчик, двоичный счетчик прямого счета, двоичный счетчик с выходным дешифратором, первую и вторую схемы поразрядного сравнения кодов, первый и второй RS-триггеры, первый и второй логические элементы ИЛИ, логический элемент И, дешифратор управления синхронным фильтром, задатчик диапазона измерений, состоящий из набора тумблеров, с помощью которых оператором задается в двоичном коде диапазон измерений, генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с входом счета С двоичного счетчика прямого счета, первый и второй выходы которого подключены к вторым входам второй и первой схем поразрядного сравнения кодов cooтветственно, третий выход двоичного счетчика прямого счета соединен с первым входом логического элемента И, выход которого подключен к входу счета С реверсивного двоичного счетчика, а выход переполнения р двоичного счетчика прямого счета соединен с входом счета С двоичного счетчика с выходным дешифратором, первый выход которого подключен к соединенным вместе первым входам дешифратора управления синхронным фильтром, второго логического элемента ИЛИ и объединен с вторым выходом блока управления, второй выход двоичного счетчика с выходным дешифратором соединен с первым входом первого логического элемента ИЛИ, третий выход двоичного счетчика с выходным дешифратором подключен к соединенным вместе вторым входам обоих логических элементов ИЛИ и логического элемента И, а четвертый выход двоичного счетчика с выходным дешифратором соединен с входом сброса R этого же счетчика, причем выходы первого и второго логических элементов ИЛИ соединены с входами сброса R первого и второго триггеров соответственно, входы установки S которых подключены соответственно к выходам первой и второй схем поразрядного сравнения кодов, а выходы первого и второго RS-триггеров подключены соответственно к второму и третьему входам дешифратора управления синхронным фильтром и объединены соответственно с четвертым и пятым выходами блока управления, выход дешифратора управления синхронным фильтром является третьим выходом блока управления, а первый выход блока управления, который также является выходом радиометра, соединен с выходами реверсивного двоичного счетчика и задатчика диапазона измерений, которые, в свою очередь, объединены с первыми входами первой и второй схем поразрядного сравнения кодов соответственно, причем выход реверсивного двоичного счетчика является младшими разрядами выходного цифрового кода радиометра, а выход задатчика диапазона измерений является старшими разрядами выходного цифрового кода радиометра, а вход U/D направления счета в реверсивном двоичном счетчике является входом блока управления.

РИСУНКИ

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