JP6074116B2 - 無損失周波数依存性ディッケスイッチ型ラジオメータ - Google Patents

Description

連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載
本発明は、米国政府の支援を受けた。米国政府は、本発明に対する所定の権利を有する。

本発明は、電子回路に関し、更に詳しくは、無損失周波数依存性ディッケスイッチ型ラジオメータに関する。

イメージングラジオメータ(Imaging radiometer)は、空港及び航空機の安全性及び全天候型ビジョンを含む航空、医療診断及びプラズマ診断、複合材料の空間及び剥離の非破壊検査、農業条件及び環境条件のリモートセンシング、並びに、多種多様な防衛、セキュリティ及び法執行の目的のような多数の用途に用いられる。

イメージングラジオメータは、遠隔オブジェクトの部分、例えば、規定された周波数範囲内にあるオブジェクトから放出される雑音を含む電磁放射の平均強度を測定する無線受信器から放出される電磁放射の強度又は輝度温度を測定する。遠隔オブジェクトの部分からの放出された強度は、オブジェクトの寸法、形状及び材料組成に関する情報を含む。放出されたオブジェクト強度は、温度に比例し、一般的にはシーン温度(scene temperature)と呼ばれている。ラジオメータは、典型的には弱く放出されたオブジェクト強度を検出するように設計されたシグナルチェーンを介してシーン温度を取得する。シグナルチェーンは、電磁エネルギーを収集するアパーチャ、受信したオブジェクト強度レベルを増大する信号増幅器及びオブジェクト強度を信号処理に便利な電圧又は電流に変換する検出器を含む三つの機能を備える。

イメージングラジオメータは、例えば、ターゲット検出中又は画像診断中のオブジェクト又は過程を検出するために入力強度の変化に対処する種々の異なるアプリケーションを提供する。入力信号の強度は典型的には著しく小さいので、ラジオメータは、しばしば、シグナルチェーンの雑音レベルより下にある収集した信号レベルの測定を可能にするためにディッケスイッチングのような信号比較技術を用いる。したがって、そのようなラジオメータは、シグナルチェーン入力と基準信号入力との間の信号差を測定することによって利得変化を最小（又は無効）にもする。

ディッケスイッチ型ラジオメータは、信号チャネル／チェーンと基準チャネル／チェーン、例えば、抵抗によって生じた雑音との間でラジオメータの入力を切り替えるディッケスイッチを有するラジオメータである。

図１は、従来のディッケスイッチ型ラジオメータを示す。図示したように、ディッケスイッチ型ラジオメータ１００は、白色雑音抵抗性基準負荷１０２及び第１の（２）段の低雑音増幅器１０４を基準チャネルとして用いる。信号チャネルとして、ディッケスイッチ型ラジオメータ１００は、入力信号を受信するアンテナ１０８及び第２の（２）段の低抵抗増幅器１０６を有してもよい。基準チャネルは、検出器、低雑音増幅器及びアナログ電子機器の時間依存性雑音（１／ｆ雑音）より上のアンテナによって取得した信号を変調するための校正抵抗性雑音源１０２を用いる。この変調は、各々の低雑音増幅（ＬＮＡ）段からの電子回路の直流オフセットの除去の助けにもなる。

ディッケスイッチ１１０は、ラジオメータの入力を信号チャネルと基準チャネルとの間で迅速に切り替える。ラジオメータの利得変化は、アンテナ信号と抵抗の雑音入力（基準チャネル）との間の信号差を測定することによって無効化される影響を有しうる。その後、ディッケスイッチ１１０の出力は、例えば、四つ以上のＬＮＡ増幅を有する増幅段１１２によって増幅される。

典型的な例において、差信号は、同期（差動）検出回路１１６を用いることによって取得される。ラジオメータ入力をアンテナから抵抗に切り替えるのに用いられる方形波は、同期検出器を駆動するのにも用いられる。切替レートは、典型的には、３０Ｈｚと１００００Ｈｚとの間である。ラジオメータの一部又はラジオメータから分離したアナログ読出し回路１１８は、差動回路の出力を読み出し、図示したような方形信号を生成する。

アンテナ信号チャネルと基準信号チャネルとの間の変調を行うことによって、（ディッケスイッチ型）ラジオメータは、温度ドリフトの除去及び十分に校正された信号のディスプレイへの提供も行う。しかしながら、このラジオメータは、アンテナ素子から受信したエネルギー及び基準チャネルを整合するために帯域通過フィルタ１１４を使用する必要がある。この整合がない場合、基準チャネルは信号チャネルを無力化し、その結果、バックエンドにおける信号及び基準チャネルの減算処理中に大きな誤差が生じる。したがって、帯域通過フィルタ１１６がディッケスイッチ（及び第３のＬＮＡ段１１２）の後方に配置され、これによって、回復できないシステムに損失を追加する。さらに、帯域通過フィルタは、シグナルチェーン利得を制限することができ、これによって、ラジオメータチップの感度を減少させる。

ディッケスイッチ型ラジオメータの動作は、システム自体の雑音（不規則信号変動）から生じる雑音の追加を最小にしながらオブジェクト信号を受信するようにする入射（すなわちオブジェクト）信号経路と基準信号経路との比較に依存する。ディッケスイッチ型ラジオメータは、一定の（白色）雑音スペクトルを有する周波数依存性雑音源を用いるので、雑音信号は、意図した信号帯域の外から容易に導入されうる。

帯域通過フィルタ１１４は、ディッケスイッチ変調信号の外部のこのような白色雑音源を除去するために用いられる。しかしながら、帯域通過フィルタの帯域内減衰は、増幅段／チェーン１１２の帯域を狭くすることによって所望の信号強度を減少させるので、この帯域通過フィルタ１１４は、システム性能に悪影響を及ぼす。信号帯域幅は、検出器１１６によって収集される強度の程度に直接対応する。帯域幅の減少によって、収集される信号の量が減少し、ラジオメータの性能に悪影響を及ぼす。

一部の従来の設計は、最適性能のために基準経路雑音温度を自動的に調整できるようにすることによって向上した校正精度を可能にする可変コールド／ウォーム雑音源(variable cold/warm noise source)を用いる。コールド／ウォーム雑音源は、雑音電力をラジオメータに結合するためにインピーダンス整合回路も用いる。しかしながら、この設計は、周波数応答をアンテナ経路に整合させようとする試みを行わず、したがって、ディッケスイッチの後方に帯域通過フィルタを用いる必要がある。

したがって、更に良好な周波数応答特性を有する向上したディッケスイッチ型ラジオメータが必要となる。

一部の実施の形態において、本発明は、アンテナ信号レベルとバランスを取る基準チャネル信号レベルを提供するマイクロ波周波数及びミリ波周波数のインピーダンス及び周波数整合基準チャネル負荷を対象とする。

一部の実施の形態において、本発明は、ディッケスイッチ型ラジオメータである。ディッケスイッチ型ラジオメータは、入力信号を受信するアンテナ及びアンテナの出力を増幅するとともに増幅した入力信号を生成する第１増幅段回路からなる信号チャネルと、抵抗負荷、抵抗負荷の出力を増幅するとともに増幅した基準信号を生成する第２増幅段回路、並びに、第２増幅段回路の出力部に結合され、増幅した入力信号の周波数及びインピーダンスを増幅した基準信号の周波数及びインピーダンスに整合させる整合フィルタからなる基準チャネルと、第１増幅段回路及び整合フィルタに結合され、増幅した入力信号及び整合フィルタの出力を入力するとともに差信号を生成するために増幅した入力信号と整合フィルタの出力との間の切替を行うディッケスイッチと、ディッケスイッチの出力部に結合され、差信号を増幅する第３増幅段回路と、増幅した差信号を取得するとともに検出した差信号を生成するために第３増幅段回路の出力部に結合された検出器と、を有する。

一部の実施の形態において、本発明は、ディッケスイッチ型ラジオメータを整合させる方法である。方法は、アンテナから入力信号を受信することと、負荷から基準信号を受信することと、基準信号の周波数及びインピーダンスを入力信号の周波数及びインピーダンスに整合させることと、入力信号及び整合された基準信号をディッケスイッチ回路に入力することと、ディッケスイッチ回路の出力を検出することと、を有する。

同様な参照記号が同様な構成要素を表す添付図面と併せて考察するときに以下の詳細な説明を参照することによって発明を更に良く理解できるようになるので、本発明の完全な理解並びにそれに伴う特徴及び態様の多くは更に容易に明らかになるであろう。

従来のディッケスイッチ型ラジオメータを示す。 本発明の一部の実施の形態による例示的なディッケスイッチ型ラジオメータを示す。 本発明の一部の実施の形態による例示的な読出し回路を示す。 本発明の一部の実施の形態による例示的な整合フィルタを示す。 本発明の一部の実施の形態による例示的なプロセスフローである。

本発明は、ディッケスイッチ型ラジオメータのアンテナの信号レベルと基準信号経路の信号レベルとのバランスを取るマイクロ波周波数及びミリ波周波数のインピーダンス及び周波数整合基準雑音源設計を対象とする。この実現は、従来用いられるとともにアンテナ信号レベル帯域外の基準チャネル入力信号を低減させる帯域通過フィルタリングによって導入される減衰を解消する。このようなアンテナ及び基準経路の両方のバランシングは、複数の利点、例えば、ｉ）基準チャネルから不所望な雑音を除去するために帯域通過フィルタを必要としないこと、ｉｉ）シグナルチェーンの利得及び雑音指数を帯域通過フィルタの挿入損失に比例する因子によって向上させること、及びｉｉｉ）シグナルチェーンの物理的な寸法を帯域通過フィルタの寸法に比例する因子によって減少させることを提供する。

図２は、本発明の一部の実施の形態による例示的なディッケスイッチ型ラジオメータを示す。本発明において、整合フィルタ２０５を、図示したように、ディッケスイッチの前方に配置する。整合フィルタ２０５は、基準信号の約１００分の１とすることができるアンテナ素子２０６の信号の性能を整合する受動素子を使用し、これによって、低損失の整合が可能になる。例示的な整合フィルタ処理を、図４に示すとともに後に説明する。

換言すれば、整合フィルタ２０５は、共通の基準面ｌにおいてアンテナ信号レベルと基準信号レベルのバランスを取るために適切な周波数及びインピーダンス整合電気回路網を提供する。さらに、フィルタ２０５をディッケスイッチ２１０の前に配置することによって、これらの損失を後の増幅過程で回復することができる。基準チャネルの最前部に配置したフィルタを有することによって、フィルタに関連するあらゆる損失を次のＬＮＡ段によって回復することができる。

ディッケスイッチ２１０は、ラジオメータの入力を信号チャネルと基準チャネルすなわち整合フィルタ２０５の出力との間で迅速に切り替える。その後、ディッケスイッチ２１０の出力は、例えば、四つ以上のＬＮＡ増幅器を有する増幅段２１２によって増幅される。

同期（差動）検出回路２１６は、増幅段２１２から差信号を取得する。ラジオメータ入力をアンテナから抵抗に切り替えるのに用いられる方形波を、同期検出器を駆動するのにも用いる。切替レートは、典型的には、３０Ｈｚと１０００Ｈｚとの間である。ラジオメータの一部としての又はラジオメータから分離したアナログ読出し回路２１８は、差動回路の出力を読み出すとともに図示したような方形信号を生成する。

図３は、本発明の一部の実施の形態による例示的な読出し回路を示す。読出し回路３００は、アナログ利得を提供するのに必要な低抵抗検出器及び高インピーダンスアナログ増幅器に対するインピーダンス整合を行う入力バッファ３０２を有する。バッファ３０２の後方では、ディッケスイッチのチョッピング周波数を中心とするアナログ帯域通過フィルタ３０４が、雑音を更に低減する。ディッケスイッチ周波数で動作するスイッチ３０６ａ及び３０６ｂの組は、シグナルチェーンと基準チェーンとの間で切替を行い、これによって、図３に示すような両チャネルの積分が可能になる。積分器３０８ａ及びサンプル−ホールド回路３１０ａ並びに積分器３０８ｂ及びサンプル−ホールド回路３１０ｂによってそれぞれデジタル化されると、二つの信号は、マルチプレクサ３１２によって多重化されるとともにアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ３１４によってデジタル信号に変換される。その後、二つのデジタル信号は、ラジオメータの計数を取得するためにデジタル減算回路によって減算される。計数は、全ての電子回路のオフセットに対して十分に補正されるとともに校正された温度を提供する。その後、補正された計数をスクリーンに表示してもよい。

図４は、本発明の一部の実施の形態による例示的な整合フィルタを示す。図示したように、整合フィルタ４００は、高域通過フィルタ、帯域通過フィルタ又は低域通過フィルタとして構成することができる伝達関数を提供する。図４の例において、所望の伝達関数は、基準負荷４０１とディッケスイッチの信号チャネルとの間の動作の所望の周波数範囲で周波数依存性インピーダンス整合を行う一連のシャント共振器の組合せによって実現される。動作の所望の帯域外では、整合フィルタは、基準負荷（抵抗）４０１からディッケスイッチのシグナルチェーンへの雑音電力の切り離しを行う。整合フィルタが、アンテナを検出器に接続する信号経路の外部にあるので、整合フィルタの挿入損失は、受信信号を低下させない。

基準負荷経路において、整合フィルタの挿入損失は、シグナルチェーンに対してアンテナ挿入損失を整合するために所定の周波数に亘る基準負荷(reference load across frequency)の雑音電力を形成するのに用いられる。例えば、図４の例において、共振器Ｚｓ４０３が短絡伝送線として構成される場合、整合フィルタの伝達関数は、低周波基準負荷雑音電力をディッケスイッチポートから切り離す高域通過応答を提供することができる。一部の実施の形態において、整合フィルタは、マイクロ波周波数及びミリ波周波数で動作するアンテナ信号レベルとバランスを取る基準チャネル信号レベルを提供するためにマイクロ波周波数及びミリ波周波数で動作する。

図５は、本発明の一部の実施の形態による例示的なプロセスフローである。図示したように、ブロック５０２において、入力信号を、例えば、アンテナから受信する。ブロック５０４において、基準信号を、例えば、抵抗性基準負荷から受信する。その後、ブロック５０６において、基準信号の周波数及び／又はインピーダンスを、例えば、整合フィルタによって入力信号の周波数及び／又はインピーダンスに整合させる。一部の実施の形態において、整合は、動作の所望の周波数範囲の周波数依存性インピーダンス整合である。

ブロック５０８において、入力信号及び整合された基準信号をディッケスイッチ回路に入力する。これによって、従来用いられるとともにアンテナ信号レベル帯域幅外の基準入力信号を低減する帯域通過フィルタ処理によって導入される減衰を解消する。ブロック５１０において、ディッケスイッチ回路の出力を、例えば、検出回路によって検出する。その後、ディッケスイッチの検出した出力を、読出し回路によって読み出してもよい。

広範囲に亘る発明の範囲を逸脱することなく上述した発明の説明した及び他の実施の形態に対して種々の変形を行うことができることは、当業者によって認識される。したがって、発明は開示した特定の実施の形態又は配置に制限されず、添付した特許請求の範囲によって規定したような発明の範囲及び精神内にあるあらゆる変更、適合又は変形をカバーすることを意図することを理解すべきである。

Claims (11)

1. 入力信号を受信するアンテナ及び前記アンテナの出力を増幅するとともに増幅した入力信号を生成する第１増幅段回路からなる信号チャネルと、
   抵抗負荷、前記抵抗負荷の出力を増幅するとともに増幅した基準信号を生成する第２増幅段回路、並びに、前記第２増幅段回路の出力部に結合され、前記増幅した入力信号の周波数及びインピーダンスを前記増幅した基準信号の周波数及びインピーダンスに整合させる整合フィルタからなる基準チャネルと、
   前記第１増幅段回路及び整合フィルタに結合され、前記増幅した入力信号及び前記整合フィルタの出力を入力するとともに差信号を生成するために前記増幅した入力信号と前記整合フィルタの出力との間の切替を行うディッケスイッチと、
   前記ディッケスイッチの出力部に結合され、前記差信号を増幅する第３増幅段回路と、
   増幅した差信号を取得するとともに検出した差信号を生成するために前記第３増幅段回路の出力部に結合された検出器と、
   を備えるディッケスイッチ型ラジオメータ。
2. 前記検出器に結合され、前記検出した差信号を読み出すとともに方形信号を生成する読出し回路を更に備える請求項１に記載のディッケスイッチ型ラジオメータ。
3. 前記整合フィルタは、高域通過フィルタ、帯域通過フィルタ又は低域通過フィルタとして構成される伝達関数を提供するように構成されている請求項１に記載のディッケスイッチ型ラジオメータ。
4. 前記整合フィルタは、接続された共振器の組合せからなる請求項１に記載のディッケスイッチ型ラジオメータ。
5. 前記整合フィルタは、
   第１端子及び第２端子を有し、前記第１端子で前記抵抗負荷に結合された第１共振器と、
   第１端子及び第２端子を有する第２共振器であって、前記第２共振器の前記第１端子が前記第１共振器の前記第２端子に結合され、前記第２共振器の前記第２端子が接地基準に結合された第２共振器と、
   第１端子及び第２端子を有する第３共振器であって、前記第３共振器の前記第１端子が前記第１共振器の前記第２端子及び前記第２共振器の前記第１端子に結合され、前記第３共振器の前記第２端子が前記ディッケスイッチに結合された第３共振器と、
   からなる請求項１に記載のディッケスイッチ型ラジオメータ。
6. 前記第２共振器は、低周波基準負荷雑音を前記ディッケスイッチから切り離すように高域通過応答を行う前記整合フィルタを形成するために短絡伝送線として構成されている請求項５に記載のディッケスイッチ型ラジオメータ。
7. 前記整合フィルタは、前記増幅した基準信号とバランスを取る信号を提供するためにマイクロ波周波数及びミリ波周波数で動作することができる請求項１に記載のディッケスイッチ型ラジオメータ。
8. ディッケスイッチ型ラジオメータを整合させる方法であって、
   アンテナから入力信号を受信することと、
   負荷から基準信号を受信することと、
   前記基準信号の周波数及びインピーダンスを前記入力信号の周波数及びインピーダンスに整合させることと、
   前記入力信号及び整合された基準信号をディッケスイッチ回路に入力することと、
   前記ディッケスイッチ回路の出力を検出することと、
   を備える方法。
9. 検出した信号を読み出すこと及び読み出した信号をスクリーンに表示することを更に備える請求項８に記載の方法。
10. 前記整合を、高域通過フィルタ、帯域通過フィルタ及び低域通過フィルタによって行う請求項８に記載の方法。
11. 前記整合を、マイクロ波周波数及びミリ波周波数で行う請求項８に記載の方法。

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