RU2187824C1 - Modulation radiometer - Google Patents
Modulation radiometer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2187824C1 RU2187824C1 RU2001105687A RU2001105687A RU2187824C1 RU 2187824 C1 RU2187824 C1 RU 2187824C1 RU 2001105687 A RU2001105687 A RU 2001105687A RU 2001105687 A RU2001105687 A RU 2001105687A RU 2187824 C1 RU2187824 C1 RU 2187824C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- input
- output
- radiometer
- control unit
- signal
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Radiation Pyrometers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к пассивной радиолокации и может быть использовано для измерения мощности радиотеплового излучения в широком диапазоне высоких частот. The invention relates to passive radar and can be used to measure the power of thermal radiation in a wide range of high frequencies.
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. Known modulation radiometer (S. A. Dolganov, V. V. Musatov, G. E. Oganesyan. Modulation radiometer // A. S. 1354950 USSR, G 01 R 29/08, 29/26), the structural diagram of which is shown in figure 1. The radiometer contains an
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(Ta+Tш)G - в полупериод модуляции при подключенной к входу приемника антенне, и kdf(Tэгш+Tш)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, Тш - 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.In the radiometer modulator, symmetric, rectangular, pulse modulation of the antenna and reference signals occurs. The power of the noise signals of the
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(Tэгш+Tш)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(Ta+Tш)GβK.After quadratic detection and envelope extraction, the signals are amplified in the low-
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. Subsequently, the channels are balanced, which consists in introducing attenuation into the reference channel using a digital-to-analog converter 11 (controlled voltage divider), a multiplying type converter, the transmission coefficient of which is adjustable from 0 to 1, depending on the digital code received at its information inputs. The reference input of the digital-to-analog converter receives the signal voltage from the
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. The digital-to-analog converter is the main unit for adjusting the channel balance. Balance adjustment consists in changing the state of the
Каналы являются сбалансированными, если сигналы на входах компаратора в разные полупериоды модуляции равны, то есть выполняется равенство
kdf(Ta+Tш)GβK = kdf(Tэгш+Tш)GβKα,
где α - коэффициент передачи цифроаналогового преобразователя, α<1. После сокращений (Та+Тш)=(Тэгш+Тш)α и α=(Та+Тш)/(Тэгш+Тш) (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
Npcч~α=(Та+Тш)/(Тэгш+Тш) - (2),
где Npcч - выходной код реверсивного счетчика, являющийся входным кодом цифроаналогового преобразователя и выходным цифровым кодом радиометра.The channels are balanced if the signals at the inputs of the comparator are equal in different half-periods of the modulation, i.e., the equality
kdf (T a + T W ) GβK = kdf (T EG + T W ) GβKα,
where α is the transfer coefficient of the digital-to-analog converter, α <1. After the abbreviations (T a + T W ) = (T aeg + T W ) α and α = (T a + T W ) / (T EG + T W ) (1)
Since the digital-to-analog converter is a linear device, then its transfer coefficient from the analog input (a reference signal is supplied to this input in the normal operation of the digital-to-analog converter) to the analog output is directly proportional to the code on its digital inputs and therefore formula (1) can be written as
N pcch ~ α = (T a + T W ) / (T er + T W ) - (2),
where N pcch is the output code of the reversible counter, which is the input code of the digital-to-analog converter and the output digital code of the radiometer.
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. The advantages of the radiometer follow from relation (1), which does not include the transmission coefficients G, β, K, and therefore, the drift and slow fluctuations of the measuring path do not affect the accuracy of the radiometer. The output signal of the radiometer is presented in a digital form convenient for the operation of the device without using a standard analog-to-digital converter, which is another undoubted advantage.
Недостатком радиометра, выбранного в качестве прототипа, является то, что он имеет фиксированный диапазон измерений и данным радиометром нельзя измерять сигналы, эффективные температуры которых превышают Тэгш , то есть всегда выполняется неравенство Ta<Tэгш. 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.The disadvantage of the radiometer selected as a prototype is that it has a fixed measurement range and this radiometer cannot measure signals whose effective temperatures exceed T er , that is, the inequality T a <T er is always satisfied. Since the radiometer has fixed values of the range limits, minimum and maximum, it is impossible to quickly change it in order to increase the width of the range or reduce it, and it is also impossible to shift the measurement range of a fixed width.
Так как коэффициент ослабления сигнала эталона цифроаналоговым преобразователем изменяется от 0 до 1, следовательно, максимальное значение антенного сигнала Та,макс, которое может измерить радиометр, находится из формулы (1) путем подстановки αмакс = 1 (отсутствие поглощения сигнала в канале эталона). Это значение равно Тэгш. Очевидно, что минимальный измеряемый сигнал антенны будет равен нулю Кельвина (Та,мин= ОК), откуда можно определить αмин = Tш/(Tэгш+Tш). Таким образом, изменяя коэффициент поглощения в канале прохождения эталонного сигнала генератора от от αмин до αмакс, можно измерять сигналы в диапазоне от ОК до эффективной температуры Тэгш, 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.Since the attenuation coefficient of the reference signal by the digital-to-analog converter varies from 0 to 1, therefore, the maximum value of the antenna signal Ta , the max that the radiometer can measure, is found from formula (1) by substituting α max = 1 (no signal absorption in the reference channel) . This value is equal to T iggs . Obviously, the minimum measured antenna signal will be equal to zero Kelvin (Ta , min = OK), from which it is possible to determine α min = T W / (T er + T W ). Thus, by changing the absorption coefficient in the passage channel of the reference signal of the generator from α min to α max , it is possible to measure signals in the range from OK to the effective temperature T ш ш generated by the reference noise generator. The adjustment of the measurement range is possible only by replacing the reference noise generator in the input part of the radiometer, or by adjusting its output power (for example, changing the current through an avalanche-span diode). In this case, only the upper limit of the measurement range is changed, leaving the lower one constant (always OK). Changing the upper limit of the range in the direction of increase for measuring signals with high effective temperatures leads to the fact that the resolution of the radiometer decreases, the number of binary bits of the code of the reversing counter decreases by Kelvin.
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(Та+Тш)=(Тэгш+Тш). Откуда Та=(Тэгш+Тш)/α-Тш. Из последнего соотношения следует, что сигнал антенны не линейным образом связан с коэффициентом ослабления α, что является недостатком.If, in order to change the measurement range, in the radiometer circuit, a simple digital-to-analog converter is transferred from the reference channel to the antenna signal transmission channel and the antenna signal is reduced until the signals at the input of the comparator are equal, then the equality α (Т а + Т ш ) = (Т egs + T w ). From where T a = (T er + T W ) / α-T W From the last relation it follows that the antenna signal is not linearly related to the attenuation coefficient α, which is a drawback.
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. Another disadvantage is the presence of two integrators in the channels for accumulating the constant component of the signals, the characteristics of which must be identical, since the accuracy of the radiometer will depend on them.
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 - Rn, 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.A well-known radiometer (A.M. Aslanyan, A.G. Gulyan, V.R. Karapetyan and others. Calibration of a modulation radiometer // University News. Radiophysics. T.33, 7, 1990, pp. 782-787), selected as a prototype, the block diagram of which is shown in FIG. 2. The radiometer is modulation and up to the
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. The synchronous operation of the radiometer is constructed in such a way that the antenna signal after the low-
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 Tэт1,Тэт2,...,Тэтn. Для каждого эталонного сигнала переключателем 10 выбирается свой регулировочный резистор в блоке делителя напряжений 9. Настройка выбранного потенциометра Rn выполняется до момента исчезновения частоты модуляции на выходе синхронного детектора радиометра. Тогда на его выходе напряжение равно нулю. То есть, достигается выполнение равенства
kdf(Tэтn+Tш)GβK = kdf(Tэгш+Tш)GβKαn,
где αn - коэффициент передачи резистивного делителя Rn в блоке 9 (α<1). Тэтп - эффективная температура образцового эталона, подключаемого на вход антенны. После сокращений получаем
(Tэтn+Tш) = (Tэгш+Tш)αn.
Впоследствии, при подключенной к входу антенне выходной сигнал радиометра будет пропорционален разности напряжений в обоих полупериодах модуляции, то есть
Uвых = kdfGβK[(Ta+Tш)-(Tэгш+Tш)αn].
Или
Uвых = kdfGβK[Ta-αnTэгш-Tш(1-αn)] (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.The radiometer is ready to work after its calibration. Calibration consists in applying reference signals from reference noise generators with known values of T et1 , T et2 , ..., T etn to the input instead of the antenna. For each reference signal,
kdf (T etn + T W ) GβK = kdf (T nt + T W ) GβKα n ,
where α n is the transfer coefficient of the resistive divider R n in block 9 (α <1). T etp - the effective temperature of the reference standard connected to the input of the antenna. After reductions we get
(T etn + T w ) = (T er + T w ) α n .
Subsequently, when the antenna is connected to the input, the output signal of the radiometer will be proportional to the voltage difference in both modulation half-periods, i.e.
U O = kdfGβK [(T a + T m) - (T + T egsh w) α n].
Or
U O = kdfGβK [T a -α n T w -T egsh (1-α n)] (3)
When making measurements with the
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. Thus, in this radiometer, a quasi-zero measurement method is carried out and this is its drawback. The influence of changes in the transmission coefficients of the measuring path G, β, and K will be the higher, the greater the signal of the reference noise generator, reduced in the
Так как в схеме используется резистивный делитель сигнала эталонного генератора шума, то для данного радиометра всегда должно выполняться неравенство Та<Тэгш. Поэтому, в данном радиометре-прототипе нет возможности получить диапазон измерений, включающий измерение сигналов как выше Тэгш, так и ниже Тэгш в пределах одного диапазона, а также нет возможности получить диапазон измерений, не включающий величину Тэгш, как выше этого значения, так и ниже ее.Since the resistive divider of the signal of the reference noise generator is used in the circuit, for this radiometer the inequality T a <T erg must always be fulfilled. Therefore, in this prototype radiometer, it is not possible to obtain a measurement range that includes measuring signals both above T EG and below T EG within the same range, and it is also not possible to obtain a measurement range that does not include the value of T EG , above this value, and below her.
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 (Та,мин и Та,макс), не изменяя величину мощности эталонного генератора шума радиометра, которая в общем случае может быть любой.In the proposed radiometer, the measurement data does not depend on the total transmission coefficient of the measuring path and this means that the radiometer is in zero reception mode (zero measurements - the influence of changes in the transmission coefficients of the entire measuring path on the measurement accuracy is reduced to zero). At the same time, in the proposed radiometer, it is possible to easily select any measurement range, as well as to rebuild it after the radiometer calibration operation, having previously come before these limits of the range, that is, the minimum and maximum effective antenna temperatures (Ta , min and Ta , max ), without changing the power value of the reference noise generator of the radiometer, which in the general case can be any.
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. To do this, into a modulation radiometer containing an antenna, a reference noise generator, first and second analog keys, series-connected modulator, receiver, quadratic detector, low-frequency amplifier, the first input of the modulator connected to the antenna and the second input to the reference noise generator, for to achieve the intended technical result, a synchronous filter is introduced, the input of which is connected to the output of the low-frequency amplifier, a third analog key, a high-pass filter, a comparator, a block are connected in series control, the second input of the comparator is connected to a common bus, as well as the first, second and third voltage dividers, the inputs of which are connected together and connected to the output of the synchronous filter, and their outputs are connected respectively to the inputs of the first, second and third analog keys, and the outputs of the first and the second analog keys are combined together and connected to the high-pass filter, the first control inputs of the modulator and synchronous filter are connected together, combined with the control input of the second analog key and connected to the output of the control unit, and the second control inputs of the modulator and synchronous filter are also connected together and connected to the second output of the control unit, the third and fourth outputs of which are connected respectively to the control inputs of the third and first analog keys, and the fifth output of the control unit is the output of the radiometer, and The reference noise generator, modulator and receiver are located on a thermostatically controlled circuit board in direct thermal contact with it.
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 Qn 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.In turn, the control unit contains a binary counter of direct counting, a binary reverse counter, which have an equal number of bits, a circuit for comparing codes of binary and binary reverse counters, modulation triggers, pulse-width signal generation and calibration, the first, second and third logic elements 2I, first and second inverters, first and second keys for performing calibration, first, second and third resistors, LED, clock generator, the output of which is connected to the input connected together the binary counter and the input of the first inverter, the output of which is connected to the synchronization input of the trigger for generating a pulse-width signal, the direct and inverting outputs of which are connected to the first inputs of the first and second elements 2I, respectively, the second inputs of which are connected together and connected to the inverse output of the modulation trigger, which is also the second output of the control unit, and the direct output of the modulation trigger is connected to the second input of the third element 2I combined with the reset input of the trigger f of the pulse-width signal generation and at the same time is the first output of the control unit, the output of the third element 2I is connected to the input of the count of the reversible counter and combined with the synchronization input of the calibration trigger, the digital outputs of the binary counter are connected to the first input of the code comparison circuit, the high-order output Q n of the binary the counter is also connected to the first input of the third logical element 2I and is connected through the second inverter to the input of the modulation trigger account, and the digital outputs of the binary reverse sensors are combined with the digital bus output of the control unit and connected to the second input of the code comparison circuit, the output of which is connected to the information input of the trigger for generating a pulse-width signal, the outputs of the first and second logic elements 2I are the fourth and third outputs of the control unit, respectively, and the input of the control unit connected to the input of the count direction of the binary reversible counter and the information input of the calibration trigger, the inverting output of which is connected to the serial connected to the first resistor and the LED, the second output of which is connected to the power source, the reset and preset inputs of the binary reversible counter are connected to the voltage of the logical unit through the corresponding first and second switches of the calibration mode, which is also fed to the information inputs of the parallel recording of information in the reversible counter , and through the second and third resistors these inputs are connected to a common bus,
Figure 1 presents the structural diagram of a radiometer-analogue with the separation of modulation signals along two channels after a quadratic detector.
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. In FIG. 2 is a structural diagram of a prototype radiometer with separation of modulation signals after a quadratic detector in two channels and after detector modulation of the transmission coefficient in the reference channel.
На фиг. 3 представлена структурная схема предлагаемого радиометра с дополнительной последетекторной широтно-импульсной модуляцией эталонного сигнала (в радиометре осуществляется нулевой метод измерений). In FIG. 3 is a structural diagram of the proposed radiometer with an additional post-detector pulse-width modulation of the reference signal (the zero method of measurements is carried out in the radiometer).
На фиг.4 приведена принципиальная схема синхронного фильтра. Figure 4 shows a schematic diagram of a synchronous filter.
На фиг.5 показаны временные диаграммы, поясняющие принцип работы предлагаемого радиометра. Figure 5 shows timing diagrams explaining the principle of operation of the proposed radiometer.
На фиг.6 представлена структурная схема цифрового блока управления предлагаемым радиометром. Figure 6 presents the structural diagram of a digital control unit of the proposed radiometer.
На фиг. 7 показаны временные диаграммы, поясняющие работу блока управления. In FIG. 7 is a timing chart explaining the operation of the control unit.
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. According to FIG. In diagram 3, the radiometer consists of the following functional units:
Принцип работы радиометра. The principle of operation of the radiometer.
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 tм. 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.The principle of operation of the radiometer is as follows. From the
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.The amplified modulated signals from the output of the low-
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.When the modulator connects a
Напряжение эталонного сигнала генератора шума на выходе синхронного фильтра будет равно
Uэгш=kdf(Tэгш+Tш)GβK (4),
напряжение сигнала антенны
Ua=kdf(Ta+Tш)GβK (5),
где k - постоянная Больцмана, df - полоса принимаемых радиометром частот, Та - эффективная температура сигнала антенны, Тэгш - эффективная температура, вырабатываемая эталонным генератором шума, Тш - 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).The voltage of the reference signal of the noise generator at the output of the synchronous filter will be equal to
U EGS = kdf (T EGS + T W ) GβK (4),
antenna signal voltage
U a = kdf (T a + T w) GβK (5)
where k is the Boltzmann constant, df is the band of frequencies received by the radiometer, T a is the effective temperature of the antenna signal, T erg is the effective temperature produced by the reference noise generator, T w is the effective temperature of the noise of the radiometer, G is the power gain of the antenna and reference signals , β is the signal conversion coefficient by a quadratic detector, K is the gain of the linear low-frequency amplifier. On figa shows the full modulation period recorded at the output of the synchronous filter 7 (the timing diagram shows an option when the antenna signal is less than the signal of the reference generator).
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 tм 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 Ua, 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.From the filter output, the signals are fed to
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 Uэгш, уменьшенный с коэффициентом передачи α3 делителем 10. При появлении на выходе 4 вырабатываемого блоком управления широтно-импульсного сигнала с длительностью tmиc замыкается ключ 11 и одновременно размыкается ключ 13 (сигнал на выходе 3 блока управления снимается). Во время действия широтно-импульсного сигнала напряжение Uэгш 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 α2Ua находится в промежутке между двумя уровнями α1Uэгш и α3Uэгш. В правильно работающем радиометре (после проведения его калибровки) условие α1Uэгш≥α2Ua≥α3Uэгш выполняется всегда, и это следует из дальнейшего описания работы радиометром (в данный момент предлагается экспертизе принять на веру это условие правильным).Immediately after the modulator is switched to the input of the receiver of the reference noise generator, the control unit sets the
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.The main purpose of the high-
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 tшис широтно-импульсного сигнала осуществляется по простому алгоритму:
если напряжение α2Ua на входе компаратора отрицательно, тогда длительность tшиc необходимо уменьшать и тогда произойдет смещение периодической последовательности сигналов модуляции относительно нулевой оси времени вверх,
если напряжение α2Ua на входе компаратора положительно, то длительность 1шис блоком управления увеличивается, что смещает данные сигналы модуляции вниз относительно оси времени.The presence of any voltage in the second half-period of modulation (with an antenna connected to the receiver input) carries information that the radiometer is not balanced. The balance condition of the described radiometer is the absence of a volt-second area S 3 . To achieve balance, the radiometer control unit changes the width of the pulse-width signal and thereby causes a controlled bias at the input of the
if the voltage α 2 U a at the input of the comparator is negative, then the duration t wc must be reduced and then the periodic sequence of modulation signals will shift upward from the zero time axis,
if the voltage α 2 U a at the input of the comparator is positive, then the duration of 1 bus is increased by the control unit, which shifts these modulation signals down relative to the time axis.
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 Та
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.The radiometer is considered balanced if S 3 = 0 and this fixes the
Substituting expressions (4) and (5) into the last equality, we obtain
After abbreviations and, solving the equality with respect to the antenna signal, we obtain the final expression for finding T a
As follows from formula (6), the antenna signal can be determined through the width of the pulse-width signal, and there is a directly proportional, linear relationship between the antenna signal and the duration t ' wide .
В формулу (6) для нахождения Та 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.Formula (6) for finding T a does not include the high-frequency signal gain G, the quadratic detector gain β, low-frequency signal gain K. Therefore, the radiometer operates in zero reception mode, as does the zero radiometer.
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 Тш, эталонный сигнал генератора шума Тэгш, 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.The antenna signal is determined through the width of the pulse width signal. Therefore, all other quantities included in formula (6) must be stable and unchanged in time: the intrinsic noise of the radiometer, determined by the parameter T W , the reference signal of the noise generator T Egsh , the transmission coefficients of resistive voltage dividers α 1 , α 2 , α 3 . The main error will be introduced by the instability of intrinsic noise and the noise temperature of the reference generator. Therefore, in order to minimize the measurement error, the input part of the radiometer - the reference noise generator, modulator, receiver - are placed on a thermostatically controlled board, since it is necessary to thermostat the generator and the first stages of the high-frequency amplifier responsible for the noise temperature of the receiver.
Определение границ диапазона измерений. Determining the boundaries of the measuring range
Границы диапазона измерений, как следует из формулы (6), очевидно могут быть найдены при двух длительностях широтно-импульсного сигнала
t'шис=0 и t'шис=tм.The boundaries of the measurement range, as follows from formula (6), can obviously be found at two pulse-width signal durations
t ' chis = 0 and t' chis = t m
Если t'шис= 0, тогда радиометром измеряется минимальный антенный сигнал Та,мин. Подставив значения t'шис=0 и Та,мин в формулу (6), получим
Ta,мин = [α3Tэгш-Tш(α2-α3)]/α2,
откуда находим
α3/α2 = (Ta,мин+Tш)/(Tэгш+Tш) (7)
Если t'шис=tм, тогда от антенны поступает максимальный сигнал Та.макс.If t ' n = 0, then the minimum antenna signal T a, min, is measured by a radiometer. Substituting the values t ' chis = 0 and T a, min in the formula (6), we obtain
T a, min = [α 3 T aeg- T w (α 2 -α 3 )] / α 2 ,
where do we find
α 3 / α 2 = (T a, min + T w ) / (T er + T w ) (7)
If t ' sis = t m , then the maximum signal T a.max is received from the antenna.
Подставив эти значения в формулу (6), получим, что
Откуда
α1/α2 = (Ta,макс+Tш)/(Tэгш+Tш) (8)
Таким образом, границы диапазона измерений определяются соотношениями коэффициентов α3/α2 и α1/α2 ослабления сигналов в настраиваемых делителях напряжения.Substituting these values in formula (6), we obtain
Where from
α 1 / α 2 = (T a, max + T w ) / (T ext + T w ) (8)
Thus, the boundaries of the measurement range are determined by the ratios of the coefficients α 3 / α 2 and α 1 / α 2 attenuation of signals in custom voltage dividers.
Настройка радиометра на заданный диапазон измерений (калибровка) будет рассмотрена ниже. The radiometer setting for a given measurement range (calibration) will be discussed below.
Блок управления радиометром. The control unit of the radiometer.
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 Di 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.The structural diagram of the control unit of the radiometer shown in Fig.6. It contains only digital elements: a
В блоке управления двоичный счетчик 2 осуществляет счет импульсов генератора 1, производит прямую развертку двоичного кода на своих выходах. При изменении состояния старшего разряда Qn 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.In the control unit, the
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. The operation cycle of the control unit consists of two half-cycles. These half-cycles coincide with the half-periods of modulation in the radiometer. When an antenna is connected to the input of the radiometer, the control unit analyzes the output signal of the comparator installed in the measuring path, the two-level output signal of which (log. 1 or log. 0) is fed to the input of the control unit, and the contents of the reverse counter are adjusted in accordance with this signal in the control unit , its state changes by a unit of the least significant bit of the code. When a reference noise generator is connected to the radiometer input, the control unit generates a pulse-width signal.
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. Thus, the control unit constantly monitors the output signal of the comparator and, depending on this signal, changes the duration of the pulse-width signal in the next modulation half-cycle.
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. The first half-cycle of the operation of the control unit — picking up the comparator signal and changing the status of the reverse counter in accordance with this signal — is performed as follows. In this half-cycle,
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 Qn 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).The output signal of the comparator is constantly fed to the input of the direction of the U / D count of the reversible counter, but the count in this counter is carried out once during the modulation period, namely in the middle of this half-cycle of the control unit (Fig. 7). A positive voltage drop at the output Q n of the
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. The second half-cycle is characterized by the reset state of
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. After installing
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. Thus, the control unit continuously determines the polarity of the voltage at the input of the comparator (its other input is connected to a common bus) in the second half-cycle of the modulation (the antenna is connected) and all the time corrects the state of the reverse counter, the content of which determines the duration of the pulse-width signal. The phasing of the inputs of the comparator is chosen so that as a result of changing the code in the reverse counter and, consequently, changing the duration of the pulse-width signal, the modulation sequence of signals at the input of the comparator is shifted up or down so that the voltage at its input is zero in the second half-period of modulation.
Учитывая построение и принцип работы блока управления можно установить, что длительность tшиc широтно-импульсного сигнала прямо пропорциональна коду реверсивного счетчика, а длительность tм половины периода модуляции соответствует максимально возможному, единичному коду двоичного счетчика. Так как разрядности двоичного и реверсивного счетчиков равны, формулу (6) можно записать
где NРcч - цифровой код реверсивного счетчика, Nмакс - максимальный код, соответствующий единичному состоянию всех его разрядов.Given the construction and principle of operation of the control unit, it can be established that the duration t width of the pulse-width signal is directly proportional to the code of the reverse counter, and the duration t m of the half period of the modulation corresponds to the maximum possible, single code of the binary counter. Since the bit depths of the binary and reverse counters are equal, formula (6) can be written
where N Pch is the digital code of the reverse counter, N max is the maximum code corresponding to the single state of all its digits.
Тогда сигнал антенны можно определить через цифровой код реверсивного счетчика по формуле
Калибровка радиометра.Then the antenna signal can be determined through the digital code of the reverse counter according to the formula
Calibration of the radiometer.
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 Tэт,макс=Та,макс.Calibration of the radiometer involves two sequential steps. Before calibration, the potentiometer sliders of the three
When performing the first calibration step, an exemplary noise generator with a known effective temperature is connected to the input of the radiometer instead of the antenna. The signal that it generates must determine the maximum limit of the measurement range that the radiometer is tuned to, that is, T et, max = T a, max .
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... Qn 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.The key 14 in the control unit is set to the on state (key 13 is open). At the reset input R of the
Получается так, что длительность широтно-импульсного сигнала tшис равна длительности полупериода модуляции tм (tшиc=tм) 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.It turns out that the duration of the pulse width signal t SIS is equal to the duration of half-cycle modulation t m (t shic = t m) and on this calibration phase of the reference oscillator signal passes through the
На этом этапе производится настройка отношения (см. формулу (8)) коэффициентов α1/α2 = (Ta,макс+Tш)/(Tэгш+Tш) 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 Тэт,макс = Та,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 Тэт,макс=Та,макс<Tэгш, 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: (Ta,макс+Tш) = α1(Tэгш+Tш). 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).At this stage, the ratio is set (see formula (8)) of the coefficients α 1 / α 2 = (T a, max + T W ) / (T EG + T W ) according to the following algorithm:
If the voltage at the input of the comparator in the measuring path of the radiometer is negative during the half-period of connecting to the receiver input through the antenna input of a reference standard with T et, max = T a, max (as in figa), then the potential of a logical zero arises at its output, which the middle of the half-cycle is recorded in the
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(Ta,макс+Tш) = (Tэгш+Tш), при выполнении которого светодиод погаснет.If the voltage at the half-period of switching the antenna input is positive at the input of the comparator, then the signal supplied to the antenna input is greater than the signal of the reference generator in the radiometer. In this case, the output signal of the comparator is a logical unit and the
Второй этап калибровки начинается с подключения на вход антенны другого, второго образцового генератора, сигнал которого определяет минимальную границу настраиваемого диапазона измерений, то есть Тэт,мин = Та,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...Dn 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 (tшис= 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.The second calibration stage begins by connecting to the antenna input another, second exemplary generator, the signal of which determines the minimum boundary of the adjustable measurement range, that is, T et, min = T a, min . The key 14 is opened, and the key 13 is closed and the log signal is received at the synchronization input PE of parallel recording of information into the
На этом этапе калибровки настраивается отношение (см. формулу (7)) α3/α2 = (Ta,мин+Tш)/(Tэгш+Tш). Так как коэффициент ослабления α2 отрегулирован на первом этапе калибровки (он либо равен 1, либо меньше 1 в зависимости от отношения сигналов Тэгш и Та.макс), значит на этом этапе регулируется потенциометр в делителе напряжения 10 так, чтобы в результате изменения α3 установилось равенство α2(Ta,мин+Tш) = α3(Tэгш+Tш).
Так как в начале калибровки α3 был установлен в единицу, то при подключенном образцовом генераторе на вход антенны с сигналом Тэт.мин = Та,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 Тэгш 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).At this stage of calibration, the ratio (see formula (7)) α 3 / α 2 = ( Ta , min + T W ) / (T er + T W ) is adjusted . Since the attenuation coefficient α 2 is adjusted at the first calibration stage (it is either equal to 1 or less than 1 depending on the ratio of the signals T eh and T amax ), it means that at this stage the potentiometer in the
Since at the beginning of calibration α 3 was set to unity, when the model generator is connected to the antenna input with a signal T et.min = Ta , min the voltage in the first half-cycle will be greater than in the second and, therefore, LED D in the control unit will be turned off. The adjustment of the divider and the introduction of attenuation into the signal T ogg with coefficient α 3 will end when the signals with the modulation frequency disappear at the output of the radiometer comparator (control by the oscilloscope), and the LED will be on the verge of switching on (random, random switching on and off).
На этом калибровка (настройка коэффициентов α1, α2, α3) будет завершена.At this calibration (setting coefficients α 1 , α 2 , α 3 ) will be completed.
Примеры калибровки радиометра. Examples of radiometer calibration.
При расчетах применяются соотношения (7) и (8). In the calculations, relations (7) and (8) are used.
Пусть Tш=200K, Тэгш=300К (согласованная нагрузка, находящаяся при внутренней температуре прибора).Let T W = 200K, T EGSH = 300K (the coordinated load located at the internal temperature of the device).
Пример 1. Пусть требуется настроить радиометр на диапазон Та,мин=400К, Та.макс=900К (Та,мин и Та,макс>Тэгш).Example 1. Suppose you want to set the radiometer to the range of Ta , min = 400K, Ta amax = 900K (Ta , min and Ta , max > T er ).
Так как Та,макс>Тэгш, поэтому принимаем α1 = 1 и на первом этапе калибровки устанавливаем
На втором этапе определяется
Пример 2. Та.мин=150К, Та,макс=450К (Та,мин<Тэгш<Та.макс).Since T a, max > T er , therefore, we take α 1 = 1 and at the first stage of calibration we establish
In the second stage, it is determined
Example 2. T a.min = 150K, T a, max = 450K (T a, min <T er <T a.max ).
Так как Та,макс>Тэгш, поэтому α1 = 1 и α2 = (300+200)/(450+200) = 0,769. α3 = 0,769(150+200)/(300+200) = 0,538.
Пример 3. Та,мин=50К, Ta,мaкc=200K (Та,мин и Та,макс<Тэгш).Since T a, max > T er , therefore α 1 = 1 and α 2 = (300 + 200) / (450 + 200) = 0.769. α 3 = 0.769 (150 + 200) / (300 + 200) = 0.538.
Example 3. T a, min = 50K, Ta , max = 200K (T a, min and T a, max <T er ).
Так как Та,макс<Тэгш, 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.Since T a, max <T eg, then α 2 = 1 and
α 3 = 0.8 (50 + 200) / (300 + 200) = 0.4.
From the described principle of operation of the radiometer, it follows that this radiometer, unlike the prototype (in which quasi-zero reception is carried out), operates according to the zero method so that changes in the amplification factors of high-frequency and low-frequency amplifiers do not introduce measurement errors if they operate in the linear region of the transfer characteristic. This radiometer, in contrast to the prototype, can measure signals in any range of antenna signals of interest to the researcher, having previously calibrated the radiometer using two reference standards. The set measuring range does not depend on the reference noise generator used in the radiometer. Therefore, in its quality it is possible to choose a stable generator, which is the coordinated load at the internal temperature of the device. This generator is passive and has better properties than, for example, active semiconductor generators (Gunn diodes or avalanche-span diodes, etc.). At the output of the radiometer (control unit), the signal is presented in digital form - the equivalent of an antenna signal - without using a standard analog-to-digital converter.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001105687A RU2187824C1 (en) | 2001-02-27 | 2001-02-27 | Modulation radiometer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001105687A RU2187824C1 (en) | 2001-02-27 | 2001-02-27 | Modulation radiometer |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2187824C1 true RU2187824C1 (en) | 2002-08-20 |
Family
ID=20246662
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2001105687A RU2187824C1 (en) | 2001-02-27 | 2001-02-27 | Modulation radiometer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2187824C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU169583U1 (en) * | 2016-11-23 | 2017-03-23 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) | MICROWAVE RADIOMETER CALIBRATION DEVICE |
-
2001
- 2001-02-27 RU RU2001105687A patent/RU2187824C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| АСЛАНЯН А.М. и др. Калибровка модуляционного радиометра. Известия вузов. Радиофизика, т.33, № 7, 1990, с.782-787. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU169583U1 (en) * | 2016-11-23 | 2017-03-23 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) | MICROWAVE RADIOMETER CALIBRATION DEVICE |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7728754B2 (en) | Integrating analog to digital converter | |
| US4873491A (en) | Phase shift circuit utilizing a variable time delay line | |
| US7817761B2 (en) | Test techniques for a delay-locked loop receiver interface | |
| US8664994B1 (en) | System to generate a predetermined fractional period time delay | |
| Szplet et al. | High precision time and frequency counter for mobile applications | |
| RU2187824C1 (en) | Modulation radiometer | |
| US20170187365A1 (en) | Circuit and method for generation of a clock signal with duty-cycle adjustment | |
| US8643391B2 (en) | RC calibration using chopping | |
| RU2642475C2 (en) | Zero radiometer | |
| EP3405797B1 (en) | Frequency multiplying device | |
| RU2485462C2 (en) | Radiometer for measurement of depth temperatures of objects (radio thermometer) | |
| RU2439594C1 (en) | Zero radiometer | |
| RU2460081C2 (en) | Multichannel null radiometer | |
| RU2393502C1 (en) | Two-channel null radiometre | |
| RU2745796C1 (en) | Fast zero radiometer | |
| RU2235340C1 (en) | Null radiometer | |
| EP2749893A1 (en) | Low frequency noise measurement | |
| RU2298801C1 (en) | Device for measuring the power of a microwave frequency | |
| EP0434293B1 (en) | Method and device for the detection of an FM or PM modulated signal | |
| RU2439595C1 (en) | Radiometric reflection coefficient meter | |
| JP3864583B2 (en) | Variable delay circuit | |
| RU2794063C1 (en) | Microwave radiometer | |
| US11549973B1 (en) | System for measuring voltage using pulse width modulator or voltage controlled oscillator | |
| RU2025743C1 (en) | Null radiometer | |
| RU2001517C1 (en) | Fractionally-proportional frequency converter |