Многоканальный нулевой радиометр
Владельцы патента RU 2460081:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) (RU)
Изобретение относится к микроволновой технике. В радиометр, содержащий согласованную нагрузку, последовательно соединенные антенну и направленный ответвитель, последовательно соединенные генератор шума, последовательно соединенные приемник, предварительный усилитель низкой частоты, синхронный фильтр, усилитель низкой частоты и фильтр высокой частоты, компаратор, второй вход которого соединен с общей шиной радиометра, введены микроконтроллер, высокочастотный селектор, n-1 последовательно соединенных приемников, предварительных усилителей низкой частоты, синхронных фильтров, усилителей низкой частоты, фильтров высоких частот, компараторов, вторые входы которых соединены с общей шиной радиометра, n-1 согласованных нагрузок, n циркуляторов, первые входы которых подключены к n выходам высокочастотного селектора, вторые входы соединены с n согласованными нагрузками, а выходы подключены к входам n приемников, выход направленного ответвителя подключен к входу высокочастотного селектора, первый вход компаратора соединен с выходом фильтра высоких частот, выходы n компараторов соединены с n входами микроконтроллера, первый и второй выходы которого подключены соответственно к управляющим входам высокочастотного селектора и высокочастотного ключа, m выходов подсоединены к управляющим входами n синхронных фильтров, а третий выход микроконтроллера является выходом радиометра. Технический результат заключается в повышении флуктуационной чувствительности измерений. 4 ил.
Изобретение относится к пассивной радиолокации и может использоваться для измерения мощности шумовых сигналов в системах дистанционного зондирования Земли, различных природных сред, в промышленности.
Известен нулевой радиометр [Филатов А.В., Бордонский Г.С. // Нулевой радиометр. А.с. СССР N1704107, G01R 29/08, G01S 13/95], структурная схема которого изображена на фиг.1, содержащий последовательно соединенные антенну 1.2, направленный ответвитель 1.3, модулятор 1.12, приемник 1.7, низкочастотный усилитель 1.8, фильтр высокой частоты 1.9, синхронный фильтр 1.10, компаратор (нуль-орган) 1.11, блок управления 1.14, на четвертом выходе которого формируется цифровой код измеряемого сигнала антенны, поступающий на шину 1.15. Цепь автоматического ввода опорного сигнала генератора шума 1.5 в направленный ответвитель 1.3 начинается с первого выхода блока управления 1.14. Импульсный сигнал включает источник постоянного тока 1.4. Управляемый источник 1.4 питает генератор шума, выходной сигнал которого через аттенюатор 1.6 поступает в направленный ответвитель 1.3. Шумовой сигнал, вырабатываемый генератором 1.5, является первым опорным сигналом. Второй опорный шумовой сигнал вырабатывается согласованной нагрузкой 1.1, находящейся при температуре термостатированной платы 1.13. Для повышения стабильности работы радиометра на этой же плате установлены модулятор 1.12, направленный ответвитель 1.3, аттенюатор 1.6, генератор шума 1.5, управляемый источник тока 1.4.
Особенность работы данного радиометра заключается в применении операций исключения постоянной составляющей фильтром высокой частоты и анализа полярности напряжения на входе компаратора во время подключения согласованной нагрузки к входу приемника. В результате, в низкочастотной части радиометра нет преобразований формы сигналов с целью выделения информативных уровней напряжения. Следовательно, погрешности, связанные с этими преобразованиями, отсутствуют. В радиометре выполняется принцип нулевых измерений, и изменения коэффициента передачи измерительного тракта не влияют на точность измерений.
Описанный радиометр, выбранный в качестве аналога, является одноканальным (одноприемниковым), и поэтому его чувствительность меньше, чем у многоканальных (многоприемниковых) схем.
Известен двухканальный нулевой радиометр [публикация RU 2003115658 от 20.11.2004], в состав которого входят (фиг.2) антенна 2.2, расположенный на термостатированной плате 2.13 входной блок, два идентичных измерительных канала, низкочастотный узел обработки сигналов. Входной блок включает направленный ответвитель 2.3, высокочастотный модулятор 2.19, согласованную нагрузку 2.1, генератор шума 2.4, аттенюатор 2.5, высокочастотный ключ 2.6. Первый и второй измерительные каналы состоят из приемников 2.7 и 2.14, предварительных усилителей низкой частоты 2.8 и 2.15, синхронных фильтров 2.9 и 2.16, усилителей низкой частоты 2.10 и 2.17, фильтров высокой частоты 2.11 и 2.18. В состав низкочастотной части входят низкочастотный модулятор 2.20, компаратор 2.12, блок управления 2.21, интегратор динамического типа 2.22, с выхода которого сигнал поступает на выходную цифровую шину 2.23.
Во входном блоке радиометра происходит импульсная модуляция сигналов. В направленном ответвителе 2.3 к сигналу антенны 2.2 добавляется опорный сигнал, который вырабатывается генератором шума 2.4, ослабляется в аттенюаторе 2.5 до необходимой величины (настройка происходит при калибровке радиометра) и через высокочастотный ключ 2.6 поступает в направленный ответвитель. Замкнутое состояние высокочастотного ключа определяется управляющим широтно-импульсным сигналом tшис, поступающим с пятого выхода блока управления 2.21. Второй опорный сигнал вырабатывается согласованной нагрузкой 2.1, находящейся при температуре входного узла радиометра.
Антенный тракт прохождения измеряемого сигнала и тракт согласованной нагрузки подключены соответственно к входам 2.1 и 2.2 высокочастотного модулятора 2.19, который осуществляет парафазное их подключение к входам двух измерительных каналов радиометра в зависимости от импульсного сигнала tмод на входе управления модулятором, поступающего с первого выхода блока управления.
В каждом измерительном канале установлен радиометрический приемник с линейной передаточной характеристикой и полосой принимаемых частот df. Синхронные фильтры низких частот уменьшают флуктуационную компоненту сигнала и состоят из трех однозвенных интегрирующих RC-цепей, в которых резистор является общим, а постоянные составляющие трех модулируемых входных сигналов (антенны, антенны + генератора шума, согласованной нагрузки) накапливаются на трех конденсаторах синхронным их подключением к общей точке схемы через управляемый электронный ключ.
Фильтр верхних частот собран по схеме однозвенного CR-фильтра первого порядка с частотой среза fср<<1/2tмод, предназначен для устранения в сигналах постоянной составляющей с минимальными искажениями формы импульсов.
Выходы измерительных каналов попеременно, с частотой модуляции по сигналам tмод, через низкочастотный модулятор 2.20 подключаются к первому входу компаратора 2.12 определяющего полярность напряжения, второй вход которого соединен с общей точкой схемы.
Выходной в логических уровнях сигнал компаратора поступает на вход цифрового блока управления 2.21. Нулевой баланс в радиометре достигается дополнительной широтно-импульсной модуляцией генератора шума по сигналу tшис. С четвертого выхода блока управления цифровой код сигнала антенны поступает на вход динамического интегратора 2.22, в котором происходит накопление цифровых кодов измеряемого сигнала антенны за определенный интервал времени и их усреднение.
Рассмотренный двухканальный радиометр, выбранный в качестве прототипа, имеет ограничения по флуктуационной чувствительности.
Предлагаемым изобретением решается задача повышения флуктуационной чувствительности при сохранении возможности работы радиометра в режиме нулевых измерений.
Для достижения этого технического результата в радиометр, содержащий согласованную нагрузку, последовательно соединенные антенну и направленный ответвитель, последовательно соединенные генератор шума, аттенюатор и высокочастотный ключ, выход которого подключен к второму входу направленного ответвителя, последовательно соединенные приемник, предварительный усилитель низкой частоты, синхронный фильтр, усилитель низкой частоты и фильтр высокой частоты, компаратор, второй вход которого соединен с общей шиной радиометра, причем согласованная нагрузка, направленный ответвитель, высокочастотный ключ, аттенюатор, генератор шума установлены на термостатированной плате и находятся с ней в тепловом контакте, введены микроконтроллер, высокочастотный селектор, n-1 последовательно соединенных приемников, предварительных усилителей низкой частоты, синхронных фильтров, усилителей низкой частоты, фильтров высоких частот, компараторов, вторые входы которых соединены с общей шиной радиометра, n-1 согласованных нагрузок, n циркуляторов, первые входы которых подключены к n выходам высокочастотного селектора, вторые входы соединены с n согласованными нагрузками, а выходы подключены к входам n приемников, выход направленного ответвителя подключен к входу высокочастотного селектора, первый вход компаратора соединен с выходом фильтра высоких частот, выходы n компараторов соединены с n входами микроконтроллера, первый и второй выходы которого подключены соответственно к управляющим входам высокочастотного селектора и высокочастотного ключа, m выходов соединены к управляющим входами n синхронных фильтров, а третий выход микроконтроллера является выходом радиометра, причем высокочастотный селектор, n циркуляторов и n-1 согласованных нагрузок установлены на термостатированной плате и находится с ней в тепловом контакте.
На фиг.1 представлена структурная схема радиометра - аналога.
На фиг.2 представлена структурная схема радиометра - прототипа.
На фиг.3 представлена структурная схема предлагаемого многоканального нулевого радиометра.
На фиг.4 показаны временные диаграммы, поясняющие принцип работы многоканального радиометра.
В состав радиометра входят (фиг.3) антенна 2, установленный на термостатированной плате 13 входной блок, n идентичных измерительных каналов, микроконтроллер 14. Входной блок включает направленный ответвитель 3, на первый вход которого поступает сигнал антенны, а на второй - сигнал из канала подшумливания, состоящего из генератора шума 4, аттенюатора 5 и высокочастотного ключа 6. Также в состав входного блока входит высокочастотный селектор 15, с n выходов которого сигналы поступают на первые входы n циркуляторов 30, 31…32, вторые входы которых соединены с n согласованными нагрузками 1, 28…29. Выходы n циркуляторов подключены к входам измерительных каналов. Во входном блоке генератор шума 4 выполнен с использованием полупроводниковых лавинно-пролетных диодов. Регулировка его выходной мощности осуществляется в аттенюаторе 5 в процессе калибровки.
N идентичных измерительных каналов состоят из приемников 7, 16…22, предварительных усилителей низкой частоты 8, 17…23, синхронных фильтров 9, 18…24, усилителей низкой частоты 10, 19…25, фильтров высокой частоты 11, 20…26, компараторов 12, 21…27. Компараторы работают в режиме нуль-органа (вторые входы компараторов соединены с общей точкой схемы радиометра), определяют полярность напряжения. С выходов компараторов логические сигналы поступают на n входов микроконтроллера 14.
Микроконтроллер 14 управляет работой радиометра сигналами с выходов 1 и 2, поступающими на входной блок. Выходы m микроконтроллера предназначены для управления синхронными фильтрами 9, 18…24 в каналах. Выход 3 микроконтроллера является выходной шиной радиометра.
Во входном блоке радиометра выполняются два вида импульсной модуляции: амплитудная и широтная. Амплитудная модуляция происходит в высокочастотном селекторе 15 по управляющим сигналам, следующим по шине с выхода 1 микроконтроллера 14. Широтно-импульсная модуляция выполняется с использованием высокочастотного ключа 6: к сигналу антенны в направленном ответвителе 3 добавляется из канала подшумливания модулированный по широтно-импульсному закону сигнал Tдоп генератора шума 4, равный:
где Т0 - физическая температура термостатированной платы 13, β - коэффициент передачи направленного ответвителя, α - коэффициент передачи аттенюатора 5, изменяющийся в пределах от 0 (полное подавление сигнала) до 1 (полное пропускание). Модуляция сигнала генератора шума происходит по управляющему сигналу tшис, поступающему с выхода 2 микроконтроллера на высокочастотный ключ.
Принцип работы радиометра иллюстрируется временными диаграммами на фиг.4 и заключается в следующем. Подключение к антенне каждого из приемных каналов выполняется согласно принципа временного разделения. Вход канала на короткий промежуток времени подключается к антенне и в этом промежутке времени выполняется широтно-импульсная модуляция выбранного канала. Остальное время канал подключен к опорному источнику, генерирующему стабильный шумовой сигнал.
Для осуществления принципа временного разделения сигналы, управляющие амплитудной модуляцией в радиометре, поступают на высокочастотный селектор 15 по шине с выхода 1 микроконтроллера 14. В селекторе тракт антенны последовательно подключается на входы каналов начиная с первого на одинаковое время tмод (в любой момент времени подключенным оказывается только один канал). Таким образом, период повторения сигнала управления амплитудной модуляцией для одного канала составляет ntмод. В остальное время, когда канал не подключен к антенне, сигнал Тсн согласованной нагрузки 1 (28…29) отражается от закрытого входа селектора 15 и через циркулятор 30 (31…32) поступает на вход приемника 7 (16…22). Таким образом, накопление сигнала согласованной нагрузки для каждого канала возрастает в n-раз
В канале подшумливания происходит дополнительная модуляция сигнала антенны по широтно-импульсному закону. В результате к сигналу антенны Тa добавляется сигнал Тдоп на время tшис. Модуляция производится замыканием ключа 6 при поступлении на его вход управляющего сигнала с выхода 2 микроконтроллера 14. Дополнительной модуляцией устанавливается нулевой баланс в приемных каналах радиометра, когда не оказывают влияния на точность измерений изменения коэффициента передачи измерительных трактов каналов и через длительность управляющего широтного сигнала определяется антенный сигнал по следующей формуле (как в прототипе):
Как следует из описанного принципа работы многоканальной системы, время наблюдения опорного сигнала согласованной нагрузки в одном канале и, следовательно, время его накопления возрастает. Это приводит к значительному сглаживанию флуктуирующей компоненты шумового опорного сигнала, к точному выделению постоянной составляющей. При увеличении времени наблюдения опорного сигнала его постоянная составляющая согласно закону больших чисел теории вероятности становится слабо шумящей, что подобно работе компенсационного радиометра (радиометра полной мощности, обладающего самой высокой чувствительностью среди различных схем), в котором сравнение происходит с нешумящим источником - источником образцового напряжения.
В измерительных каналах радиометра установлены синхронные фильтры, состоящие (как в прототипе) из трех однозвенных интегрирующих RC-цепей, в которых резистор является общим, а постоянные составляющие трех модулируемых входных сигналов (антенны, антенны + генератора шума, согласованной нагрузки) накапливаются на трех конденсаторах синхронным их подключением к общей точке схемы через управляемый электронный ключ на временных интервалах tшис, tмод-tшис, tмод(n-1) (фиг.4). Так как время накопления опорного сигнала согласованной нагрузки возрастает, постоянную времени τ цепи синхронного фильтра, накапливающей сигнал согласованной нагрузки, необходимо увеличивать в n-1 раз соответствующим увеличением емкости конденсатора. Тогда флуктуационная чувствительность ΔTa всей измерительной многоканальной системы возрастает в количество раз, равное корню квадратному из числа каналов:
df - полоса принимаемых радиометром частот, Тш - эффективные температуры собственных шумов идентичных приемников, R - количество цифровых кодов антенного сигнала, накопление и усреднение которых происходит в микроконтроллере 14.
В радиометре микроконтроллер 14 выполнен на широко известном семействе MCS-51. В литературе достаточно полно описаны конструкции высокочастотного селектора 15, аттенюатора 5 с электронной перестройкой коэффициента поглощения, направленного ответвителя 3, циркулятора 30 (31…32) [Бахарев С.И., Вольман В.И., Либ Ю.Н. и др. Под ред. Вольмана В.И. Справочник по расчету и конструирования СВЧ полосковых устройств. М.: Радио и связь, 1982; Богданов A.M., Давидович М.В., Кац Б.М. и др. Под ред. А.П.Креницкого и В.П.Мещанова. Сверхширокополосные микроволновые устройства. М.: Радио и связь, 2001]. В данном радиометре эти узлы выполнены на микрополосковых волноведущих структурах. В составе высокочастотного селектора 15 используются управляемые ключи фирмы NEC Electronics UPG2150T5L. В канале подшумливания используется высокочастотный ключ UPG2022TB этой же фирмы.
В приемниках измерительных каналов применены транзисторные усилители. Синхронные фильтры 9 (18…24) описаны в [Фрейтер. Синхронный интегратор и демодулятор // Приборы для научных исследований. 1965. Т., 36, №5. С.53].
В отличие от прототипа данный радиометр является многоканальным и обладает более высокой флуктуационной чувствительностью, что превышает чувствительность одноканальной схемы в √n - раз, где n - число каналов радиометрической системы. При этом каждый канал радиометра работает в режиме нулевых измерений, что повышается стабильностью его функционирования.
Многоканальный нулевой радиометр, содержащий согласованную нагрузку, последовательно соединенные антенну и направленный ответвитель, последовательно соединенные генератор шума, аттенюатор и высокочастотный ключ, выход которого подключен к второму входу направленного ответвителя, последовательно соединенные приемник, предварительный усилитель низкой частоты, синхронный фильтр, усилитель низкой частоты и фильтр высокой частоты, компаратор, второй вход которого соединен с общей шиной радиометра, причем согласованная нагрузка, направленный ответвитель, высокочастотный ключ, аттенюатор, генератор шума установлены на термостатированной плате и находятся с ней в тепловом контакте, отличающийся тем, что введены микроконтроллер, высокочастотный селектор, n-1 последовательно соединенных приемников, предварительных усилителей низкой частоты, синхронных фильтров, усилителей низкой частоты, фильтров высоких частот, компараторов, вторые входы которых соединены с общей шиной радиометра, n-1 согласованных нагрузок, n циркуляторов, первые входы которых подключены к n выходам высокочастотного селектора, вторые входы соединены с n согласованными нагрузками, а выходы подключены к входам n приемников, выход направленного ответвителя подключен к входу высокочастотного селектора, первый вход компаратора соединен с выходом фильтра высоких частот, выходы n компараторов соединены с n входами микроконтроллера, первый и второй выходы которого подключены соответственно к управляющим входам высокочастотного селектора и высокочастотного ключа, m выходов подсоединены к управляющим входам n синхронных фильтров, а третий выход микроконтроллера является выходом радиометра, причем высокочастотный селектор, n циркуляторов и n-1 согласованных нагрузок установлены на термостатированной плате и находятся с ней в тепловом контакте.
