РАДИОМЕТР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ, НЕПОСРЕДСТВЕННО ПРИЛЕГАЮЩИХ К АНТЕННЕ

Изобретение относится к микроволновой радиометрии и может использоваться для измерения электромагнитных сигналов собственного теплового излучения материальных сред в системах дистанционного зондирования различных природных объектов и биологических тел, прилегающих непосредственно к антенне.

Известен радиометр, выбранный в качестве аналога [А.С. 1105832 СССР. МКИ³ G01R 29/08. Модуляционный радиометр СВЧ - диапазона / B.C.Аблязов, К.Т.Мурзабулатов. - Опубл. в Б.И. №28, 1984], состоящий из (фиг.1) антенны 1, направленного ответвителя 2, модулятора 3, генератора шума 4, приемника 5, первого 6 и второго 7 синхронных детекторов, устройства вычитания 8, первого 9 и второго 10 задающих генераторов опорных частот, первого 11 и второго 12 регистраторов.

В радиометре направленный ответвитель 2 включен так, что мощность сигнала шумового генератора 4 направляется в сторону антенны и попадает на вход радиометра только после отражения от объекта исследования. Сигналы управления работой модулятора 3 и генератора шума 4 имеют форму меандра и вырабатываются опорными импульсными генераторами 9 и 10. Частота следования сигнала управления генератором шума выбирается меньше частоты сигнала по управлению модулятором. В результате на выходе приемника имеют место две периодические последовательности модулированных сигналов: dU₁=G[T(1-R)-T₀] и dU₂=G[T(1-R)+T_гшR-T₀], где G - коэффициент передачи приемника; T - термодинамическая температура изучаемого объекта; R - коэффициент отражения по мощности на границе “антенна-объект”; T₀ - термодинамическая температура модулятора; T_гш - сигнал генератора шума, поступающий в тракт антенны через направленный ответвитель. В синхронных детекторах происходит выделение постоянных уровней напряжения из огибающих модулированных во входном устройстве радиометра сигналов. Благодаря синхронной работе модулятора 3 и детектора 6 на выходе последнего выделяется напряжение, равное: U₁=(dU₁+dU₂)/2=G[T(1-R)-T₀+T_гшR/2]. Аналогичным образом выходной сигнал генератора 4 модулируется сигналом меандра с одинаковой частотой работы второго синхронного детектора 7. На выходе второго синхронного детектора напряжение равно: U₂=(dU₂-dU₁)/2=GT_гшR/2. Напряжение U₂ пропорционально коэффициенту отражения R и поступает на второй регистратор 12. Градуировка шкалы данного регистратора выполнена в единицах коэффициента отражения: R=2U₂/GT_гш. С выхода вычитающей схемы 8 сигнал, пропорциональный внутренней температуре объекта T, поступает для отображения на первый регистратор 11: U₁-U₂=G[T(1-R)-T₀]. Таким образом, первый регистратор фиксирует интегральную глубинную температуру тестируемого объекта и одновременно второй регистратор отображает показания коэффициента отражения на границе антенны и объекта.

Недостатком данной схемы радиометра-аналога является зависимость показаний от коэффициента передачи G измерительного тракта. Дрейф и флуктуации коэффициента передачи уменьшают точность измерений.

Известен радиометр для измерения электромагнитного излучения объектов, близко расположенных к антенне, выбранный в качестве прототипа [А.С. 1626210 СССР. МКИ⁵ G01R 29/26. Модуляционный радиометр / B.C.Гаевский, С.В.Маречек, Ю.В.Мешков, Ю.Н.Муськин, В.М.Поляков. - Опубл. в Б.И. №5, 1991], содержащий антенну 1, модулятор 2, работающий по принципу отражения сигнала, направленный ответвитель 3, опорный генератор шума 4, источник тока 5, питающий генератор шума, приемник 6, коммутатор 7 с конфигурацией 1×2, первый 8, второй 9 и третий 10 синхронные детекторы, первый 11, второй 12 и третий 13 фильтры низких частот, сумматор 14, блок вычитания 15, первый 16 и второй 17 делители аналоговых сигналов, регистраторы 18 и 19, первый 20 и второй 21 задающие генераторы опорных частот модуляции. В радиометре прием мощности теплового излучения исследуемого объекта производится при двух различных заданных уровнях шумового сигнала, вырабатываемого опорным генератором. Задающий генератор 20 вырабатывает импульсы, следующие с частотой f₁ и скважностью 2. Работа задающего генератора 21 синхронизирована импульсами генератора 20, и на выходе генератора 21 вырабатывается прямоугольная импульсная последовательность, имеющая также скважность, равную двум, но следующая с частотой, в два раза меньшей, f₂=f₁/2. Генератор шума 4 вырабатывает два различных опорных сигнала T_гш1 и T_гш2, причем T_гш2>T_гш1. Модуляция генератора шума ГШ выполняется импульсами задающего генератора 20. Направленный ответвитель включен в измерительный тракт так, что сигнал генератора шума направлен в сторону выхода модулятора. Для всего диапазона измеряемого сигнала T объекта справедливо неравенство T<T_гш1<T_гш2.

Задающие генераторы управляют модуляцией сигналов в приемном тракте. Поскольку фазы колебаний генераторов строго синхронизированы, то имеют место четыре повторяющихся интервала времени, обусловленные различными состояниями модулятора 2 и генератора шума 4. Таким образом, полный период модуляции состоит из четырех временных интервалов равной длительности. В ходе первого интервала модуляции модулятор 2 выключен. Сигнал генератора шума, равный на этом такте T_гш1, полностью отражаясь от выхода разомкнутого модулятора, поступает на вход приемника, и мощность сигнала на его входе равна: W₁=kdfT_гш1+kdfT_ш=kdf(T_гш1-T_ш), где k - постоянная Больцмана, df - полоса усиливаемых частот, T_ш - эффективная температура собственных шумов приемника, приведенная к его входу. В следующем временном промежутке модулятор также закрыт, но генератор 4 вырабатывает сигнал величиной T_гш2>T_гш1. Поэтому мощность сигнала на входе приемника возрастает и становится равной: W₂=kdf(T_гш2-T_ш).

В два следующих интервала времени модулятор открыт. Мощность теплового излучения объекта поступает на границу раздела “антенна-объект”. Часть мощности, пропорциональная TR, где R - коэффициент отражения по мощности на границе “антенна-объект”, отражается от границы раздела и затухает в среде объекта. Оставшаяся часть мощности, пропорциональная T(1-R), принимается антенной и через открытый модулятор поступает на вход приемника. Сигнал генератора шума, равный в этот момент T_гш1, проходит через открытый модулятор, частично отражается от границы раздела “антенна-объект” с коэффициентом R и также поступает на вход приемника. Таким образом, полная мощность сигналов на входе приемника равна: W₃=kdf[T(1-R)+T_гш1R+T_ш] (считается, что антенна имеет высокий коэффициент полезного действия и ее собственное излучение пренебрежимо мало).

Аналогично для четвертого, последнего, интервала модуляции мощность на входе приемника равна: W₄=kdf[T(1-R)+ T_гш2R+T_ш].

Выходное напряжение приемника представляет собой повторяющуюся последовательность напряжений U₁, U₂, U₃, U₄, пропорциональных мощностям входных сигналов W₁, W₂, W₃, W₄ с коэффициентом пропорциональности G. После синхронного детектирования в первом детекторе 8, на выходе фильтра 11, постоянная времени которого значительно больше периода модуляции, формируется напряжение, равное: U_ф1=U₃+U₄-U₁-U₂=Gkdf[2T(1-R)-(T_гш1+T_гш2)(1-R)].

Выходные напряжения второго и третьего фильтров 12 и 13 после синхронного детектирования в детекторах 9 и 10 соответственно равны: U_ф2=U₄-U₃=Gkdf(T_гш1+T_гш2)R; U_ф3=U₂-U₁=Gkdf(T_гш2-T_гш1).

Сигналы с выходов второго и третьего фильтров подаются в блок вычитания 15, в котором формируется напряжение, равное: U_бв=Gkdf(T_гш2-T_гш1)(1-R).

После блока вычитания напряжение поступает на сумматор 14 для компенсации постоянной составляющей выходного напряжения первого фильтра, обусловленной наличием члена Gkdf(T_гш1+ T_гш2)(1-R). Для этого коэффициенты передачи входов сумматора a и b выбираются так, чтобы выполнилось равенство: aGkdf(T_гш1+ T_гш2)(1-R)=bGkdf(T_гш2-T_гш1)(1-R).

Коэффициенты a и b определяются в ходе калибровки прибора. С выхода сумматора напряжение, равное 2aGkdfT(1-R), в качестве делимого поступает на первый делитель 16. На другой вход делителя поступает напряжение с блока вычитания. После проведения операции деления на входе регистратора 18 появляется напряжение, равное: U_p1=2aT/(T_гш2-T_гш1). Это напряжение пропорционально интегральной радиационной температуре объекта T, не зависит от коэффициента передачи измерительного тракта радиометра G и от коэффициента отражения по мощности R сигнала на границе раздела “антенна-объект”.

Для того чтобы исследовать структуру объекта, а также для контроля и калибровки, радиометром измеряется коэффициент отражения на границе “антенна-объект”. Для этого в радиометре используется вторая схема деления 17, на которую в качестве делимого поступает сигнал с фильтра 12, а делителем является выходное напряжение фильтра 13. Таким образом, напряжение на входе второго регистратора 19 равно; U_p2=R. Это напряжение пропорционально коэффициенту отражения на границе раздела “антенна-объект”, не зависит от коэффициента передачи радиометра и точности поддержания разности температур генератора шума.

В данном радиометре для преобразования сигналов с целью выделения информативных уровней напряжения из сложно модулированной последовательности используется достаточно большое количество различных функциональных аналоговых блоков (синхронных детекторов, фильтров низких частот, сумматоров, делителей, вычитающих устройств). Многочисленные процедуры последовательного аналогового преобразования сигналов (как формы, так и амплитуды) приводят к дополнительным погрешностям измерений.

Предлагаемым изобретением решается задача упрощения устройства и алгоритма обработки сигналов без преобразования их формы и повышение точности измерений.

Для достижения этого технического результата в радиометр, содержащий приемник, последовательно соединенные антенну, модулятор и первый направленный ответвитель, последовательно соединенные источник тока и генератор шума, введены включенный между выходом первого направленного ответвителя и входом приемника второй направленный ответвитель, переключатель, вход которого подключен к выходу генератора шума, а первый и второй выходы соединены соответственно со вторыми входами первого и второго направленных ответвителей, подключенные к выходу приемника последовательно соединенные синхронный фильтр низких частот, фильтр высоких частот, компаратор, блок управления, первый, второй и третий выходы которого подключены к соответствующим управляющим входам синхронного фильтра низких частот, переключателя и модулятора, а четвертый выход блока управления является выходной шиной радиометра, второй вход компаратора соединен с общей шиной радиометра.

На фиг.1 представлена структурная схема радиометра-аналога.

На фиг.2 показана структурная схема радиометра-прототипа.

На фиг.3 представлена структурная схема предлагаемого радиометра.

На фиг.4 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип работы радиометра.

В состав радиометра входят (фиг.3) антенна 1, модулятор 2, работающий на отражение, первый 3 и второй 4 направленные ответвители, переключатель 5, генератор шума 6, источник тока 7. Измерительный канал состоит из приемника 8, синхронного фильтра низких частот 9, фильтра высоких частот 10, компаратора 11, блока управления 12, с четвертого выхода которого сигнал поступает на выходную шину 13.

Опорный сигнал генератора шума 6 поступает через переключатель 5 на вторые входы идентичных направленных ответвителей. Включение в схему радиометра первого 3 и второго 4 направленных ответвителей выполнено так, что для первого ответвителя сигнал генератора шума проходит на выход модулятора 2, для второго - на вход приемника 8.

Опорный сигнал вырабатывается полупроводниковым генератором шума с применением лавинно-пролетного диода, через активную зону которого протекает ток источника 7. Переключатель 5 управляется широтно-импульсным сигналом t_шис, поступающим со второго выхода блока управления 12. Модулятор 2 управляется симметричным импульсным сигналом t_мод со скважностью следования 2 (меандр), который поступает на вход управления модулятором с третьего выхода блока управления.

Измерительный канал представляет собой радиометрический приемник с линейной передаточной характеристикой и полосой принимаемых частот df. Приемник 8 включает высокочастотные усилители, полосовой фильтр, квадратичный детектор, выделяющий огибающую сигналов модуляции, линейные усилители низких частот. Синхронный фильтр низких частот 9 производит предварительную фильтрацию сигнала, уменьшает флуктуационную компоненту в продетектированных сигналах и тем самым исключает перегрузку компаратора 11. Фильтр состоит из трех однозвенных интегрирующих RC-цепей, в которых резистор является общим для всех цепей, а постоянные составляющие трех уровней модулируемых входных сигналов накапливаются на трех конденсаторах синхронным их подключением к общей шине радиометра через управляемые электронные ключи. Ключи имеют входы управления, на которые поступает сигнал с блока управления по трехпроводной шине. Фильтр высоких частот 10 собран по схеме однозвенного фильтра первого порядка (представляет собой разделительную CR-цепь) с частотой среза, много меньшей частоты модуляции в радиометре (f_ср<<1/2t_мод), и предназначен для устранения в сигналах постоянной составляющей. В результате на выходе фильтра выделяется переменная составляющая сигнала с минимальными искажениями формы импульсов.

Принцип работы радиометра поясняется временными диаграммами на фиг.4 и заключается в следующем. Во входном узле радиометра, в зависимости от состояния модулятора 2 и переключателя 5, которые управляются импульсами t_мод и t_шис в логических уровнях, на вход приемника поступают следующие последовательности сигналов. Если модулятор включен (t_мод=1) и в первый направленный ответвитель 3 через переключатель 5 (t_шис=0) поступает сигнал генератора шума, тогда на входе радиометра будет присутствовать сумма сигналов T(1-R)+T_гшR. Один из данных сигналов, равный T(1-R), где T - термодинамическая температура объекта, R - коэффициент отражения по мощности на границе “антенна-объект”, является сигналом антенны; второй T_гшR является сигналом генератора шума, который поступает в тракт антенны через направленный ответвитель 3, проходит через открытый модулятор 2 и отражается от границы “антенна-объект” с коэффициентом R. В другом случае сигнал генератора шума поступает через переключатель 5 во второй направленный ответвитель 4 (t_шис=1). Для этого случая модулятор включен (t_мод=1) и поэтому сигнал антенны суммируется с сигналом генератора шума, T_гш+T(1-R). При выключенном модуляторе (t_мод=0) и поступающем в ответвитель 3 сигнале генератора шума (t_шис=0) последний полностью отразится от выхода закрытого модулятора, и на входе приемника будет присутствовать сигнал T_гш.

На фиг.4 приведены временные диаграммы для случая установленного нулевого баланса в радиометре. Нулевой баланс считается установленным, если в первый полупериод модуляции, когда на вход приемника поступает сигнал T_гш генератора шума, отраженный от выхода модулятора 2, выходное напряжение измерительного тракта равно нулю и это равенство фиксирует компаратор 11. Нулевой баланс при включении питания радиометра устанавливается и затем при изменении сигнала антенны регулируется соответствующим изменением длительности широтно-импульсного сигнала t_шис. Так как сигнал на входе компаратора 11 в результате модуляции имеет периодический характер и в этих сигналах исключена постоянная составляющая фильтром высоких частот 10, тогда для одного периода выполняется равенство вольт-секундных площадей положительного и отрицательного импульсов. Так как в первый полупериод модуляции напряжение на входе компаратора равно нулю, поэтому равенство вольт-секундных площадей положительного и отрицательного импульсов выполняется в другой, второй полупериод модуляции при подключении на вход приемника антенны:

где U₊ и U_- - амплитуды положительного и отрицательного импульсов, равные: U₊=Gkdf{[T(1-R)+T_гш+T_ш]-(T_гш+T_ш)}=GkdfT(1-R); a U_-=Gkdf{(T_гш+T_ш)-[T(1-R)+T_гшR+T_ш)}=Gkdf(T_гш-T)(1-R), где G - коэффициент передачи измерительного тракта, равный произведению коэффициентов усиления по высокой и низкой частотам, передачи квадратичного детектора; k - постоянная Больцмана, df - полоса частот приемника, Т_ш - эффективная температура собственных шумов радиометра, приведенная к входу приемника. Подставляя U₊ и U_- в равенство (1), получим: GkdfT(1-R)t_шис=Gkdf(T_гш-T)(1-R)(t_мод-t_шис). Откуда:

Из последней формулы следует линейная зависимость длительности t_шис и исследуемого сигнала объекта T. Следовательно, через эту длительность можно косвенным образом определить усредненную глубинную температуру объекта. Из формулы (2) следует, что на длительность широтно-импульсного сигнала t_шис не влияют изменения собственных шумов T_ш, коэффициента G передачи измерительного тракта радиометра, коэффициента R отражения сигнала по мощности на границе антенны и объекта.

Из (2) определяем интегральную температуру объекта:

Значения максимальной T_макс и минимальной T_мин интегральной температуры объекта могут быть найдены из (3) после подстановки крайних значений длительности t_шис: T_макс=T_гш(t_шис=0); T_мин=0(t_шис=t_мод). Следовательно, диапазон измерений сигналов заключен в пределах от 0К до эффективной температуры сигнала генератора шума. Данный диапазон наиболее хорошо подходит для дистанционного зондирования различных природных сред Земли (почвы, льды, пресные и морские водоемы, лес и т.д.).

В радиометре значительно снижено влияние нестабильности выходного сигнала генератора шума 6 на точность измерений. Выражение для вычисления погрешности длительности t_шис имеет вид:

где δT_гш - абсолютное отклонение сигнала генератора шума от номинального значения.

После подстановки (2) в (4) и решения равенства получим:

δt_шис=(T/T_гш ²)δT_гш+t_мод.

Результаты численного эксперимента показали, что для минимальных сигналов антенны значение погрешности минимально и в пределе равно нулю при T=0. При увеличении температуры объекта погрешность растет по линейному закону. Для максимальной погрешности, которая имеет место при измерении сигналов вблизи верхней границы диапазона, сохраняется следующая пропорция: при изменении сигнала генератора на 1% погрешность измерений также имеет близкое значение к 1%.

Блок управления 12 радиометром полностью аналогичен описанному в [А.с. №1704107 СССР, МПК G01R 29/08, G01S 13/95. Нулевой радиометр / Филатов А.В., Бордонский Г.С. - №4708980/09; заявл. 22.06.89; опубл. 07.01.92. Бюл. №1. - 5 с.], вырабатывает все необходимые сигналы для функционирования радиометра. В радиометре осуществляется следящий режим работы и автоматическое поддержание нулевого баланса. Как следует из выше приведенного описания принципа работы радиометра, необходимым условием нулевого приема является поддержание на входе компаратора 11 нулевого напряжения в фазу прохождения по измерительному тракту сигнала генератора шума T_гш. После анализа выходного сигнала компаратора блок управления корректирует цифровой код длительности широтно-импульсного сигнала t_шис, что приводит к ее изменению в следующем полупериоде модуляции. Цифровой код длительности широтно-импульсного сигнала является цифровым эквивалентом измеряемого сигнала антенны и поступает на выходную шину 13 блока управления.

В радиометре блок управления выполнен на цифровых интегральных микросхемах. В литературе достаточно полно описаны конструкции СВЧ-устройств, такие как модуляторы, направленные ответвители, переключатели и методы их расчетов [например, Бахарев С.И., Вольман В.И., Либ Ю.Н. и др. Под ред. Вольмана В.И. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств. - М.: Радио и связь, 1982. - 328 с.; Мазепова О.И., Мещанов В.П., Прохорова Н.Н. и др. Под ред. Фельдштейна А.А. Справочник по элементам полосоковой техники. - М.: Связь, 1979. - 336 с.]. В данном радиометре эти узлы выполнены на микрополосковых волноведущих структурах. В приемнике применены транзисторные усилители. Синхронные фильтры низкой частоты описаны в [Фрейтер. Синхронный интегратор и демодулятор // Приборы для научных исследований. - 1965. - Т.36, №5. - С.53].

В отличие от прототипа схема предлагаемого радиометра имеет более простую структуру, упрощена конструкция. Предложенный алгоритм обработки позволяет без преобразования формы модулированной последовательности сигналов измерять сигнал антенны, выраженный через длительность широтного импульса, и отображать его в цифровой форме без использования стандартных аналого-цифровых преобразователей. На точность измерений не влияют изменения коэффициентов передачи измерительного тракта и отражения на границе “антенна-объект”, собственные шумы радиометра. В схеме уменьшено влияние изменений сигнала опорного генератора шума на точность измерений. Минимальная погрешность достигается при измерении сигналов вблизи нижней границы диапазона измерения.