RU2235340C1 - Null radiometer - Google Patents
Null radiometer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2235340C1 RU2235340C1 RU2003101276/09A RU2003101276A RU2235340C1 RU 2235340 C1 RU2235340 C1 RU 2235340C1 RU 2003101276/09 A RU2003101276/09 A RU 2003101276/09A RU 2003101276 A RU2003101276 A RU 2003101276A RU 2235340 C1 RU2235340 C1 RU 2235340C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- input
- radiometer
- filter
- modulator
- output
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Radiation Pyrometers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к пассивной радиолокации и может использоваться для приема электромагнитных сигналов шумового характера в широком диапазоне частот.The invention relates to passive radar and can be used to receive electromagnetic signals of a noise nature in a wide frequency range.
Известен радиометр (А.с. №1337832, МКИ6 G 01 R 29/08 - аналог), блок-схема которого приведена на фиг.1. Радиометр состоит из антенны 1, трех полосовых фильтров 2, 5, 6, приемника 3, делителя мощности пополам 4, аттенюатора 7, двух квадратичных детекторов 8 и 9, блока компенсации 10, усилителя низкой частоты 11 и регистратора 12. Два полосовых фильтра: входной фильтр 2 и подключенный к первому выходу делителя мощности 4 фильтр 5 одинаковы, имеют полосу пропускания частот δ f1. Третий полосовой фильтр 6, подключенный к второму выходу делителя мощности, имеет полосу δ f2. Эти полосы частот взаимно не перекрываются. Амплитудно-частотная характеристика усилителей приемника 3 равномерна и одинакова в обеих полосах δ f1 и δ f2. Изменение коэффициента усиления и шумов приемника происходит на одинаковую величину в пределах этих полос. Таким образом, на вход первого квадратичного детектора 8 поступает суммарный сигнал, состоящий из входного сигнала антенны и собственных шумов приемника, полная мощность которого равна (G/2)k(Tа+Тδf1)δf1, где G - коэффициент усиления по мощности сигналов в приемнике 3; 1/2 - коэффициент деления делителя 4; k - постоянная Больцмана; Та - эффективная шумовая температура сопротивления излучения антенны; Tδf1 - эффективная шумовая температура собственных шумов приемника в полосе δf1, приведенная к его входу.A known radiometer (A.S. No. 1337832, MKI 6 G 01 R 29/08 - analogue), a block diagram of which is shown in figure 1. The radiometer consists of an
На вход второго квадратичного детектора 9 поступают только собственные шумы приемника, мощность которых определяется из выражения (G/2)kTδf2δf2η , где Tδf2 - приведенная к входу эффективная температура шумов приемника в полосе δf2, η - коэффициент передачи аттенюатора 7. Настройкой аттенюатора на коэффициент передачи η 1 обеспечивается равенство шумовых мощностей на входах квадратичных детекторов при отсутствии сигнала. То есть, выполняется равенство (G/2)k(Tа1+Tδf1)δf1=(G/2)kTδf2δf2η1, где Tа1 - шумовая температура антенны, когда сигнал не попадает в пределы ее диаграммы направленности.The input of the second
При появлении сигнала на входе антенны, благодаря селективным свойствам фильтров он будет проходить только к входу первого квадратичного детектора 8 и тем самым нарушит равновесие нулевого баланса на выходе радиометра. Для восстановления нулевого баланса изменяют величину сигнала на входе детектора 9, изменяя коэффициент передачи аттенюатора 7. Баланс будет достигнут уже при другом значении коэффициента поглощения аттенюатора η 2. Так, (G/2)k(Tа2+Tδf1)δf1=(G/2)kTδf2δf2η2, где Tа2 - эффективная шумовая температура антенны, на вход которой поступает измеряемый сигнал. ТогдаWhen a signal appears at the input of the antenna, due to the selective properties of the filters, it will pass only to the input of the first
Шкала аттенюатора, проградуированная в градусах Кельвина, является измерительной шкалой. В выражении (1) в скобках находится постоянный член, являющийся для данного радиометра при измерениях опорной величиной. Этот опорный коэффициент зависит не только от отношения полос фильтров, но и от собственной шумовой температуры приемника, которая должна оставаться постоянной. Таким образом, регулировкой величины опорного сигнала, сформированного из собственных шумов радиометра, достигается состояние нулевого приема, когда коэффициент усиления приемника не влияет на точность измерений.The attenuator scale, calibrated in degrees Kelvin, is a measuring scale. In expression (1) in parentheses is a constant term, which is a reference value for a given radiometer when measuring. This reference coefficient depends not only on the ratio of the filter bands, but also on the intrinsic noise temperature of the receiver, which must remain constant. Thus, by adjusting the magnitude of the reference signal generated from the intrinsic noise of the radiometer, a state of zero reception is achieved when the gain of the receiver does not affect the accuracy of the measurements.
К недостаткам этого радиометра можно отнести невысокую точность измерений, которая будет зависеть от стабильности собственных шумов радиометра, из которых формируется опорный сигнал. Наличие двух квадратичных детекторов будет вносить также погрешность в результаты измерения, вызванные неодинаковостью изменения их коэффициентов передачи от температуры внешней среды. Для регулировки опорного сигнала используется аттенюатор. Следовательно, жесткие требования должны предъявляться к линейности его передаточной характеристики. Прецизионные аттенюаторы являются дорогостоящими.The disadvantages of this radiometer include the low accuracy of measurements, which will depend on the stability of the intrinsic noise of the radiometer, from which the reference signal is formed. The presence of two quadratic detectors will also introduce an error in the measurement results caused by the uneven variation in their transmission coefficients as a function of the ambient temperature. An attenuator is used to adjust the reference signal. Therefore, stringent requirements must be imposed on the linearity of its transfer characteristic. Precision attenuators are expensive.
Известен радиометр (Патент РФ №2093845, МКИ6 G 01 R 29/08, G 01 S 13/95, 1997 г.), выбранный в качестве прототипа и состоящий из (фиг.2) антенны 1, двух одинаковых модуляторов 2 и 3, двух идентичных согласованных нагрузок 4 и 5, выполняющих роль шумовых генераторов, двух полосовых фильтров 6 и 7, термостатированной платы 8, тракта усиления сигналов, состоящего из приемника 9, широкополосного усилителя 10, фильтра верхних частот 11, синхронного фильтра 12, компаратора 13 (нуль-органа), а также блока управления 14 и выходной цифровой шины 15. Особенностью радиометра является построение его входной части.A known radiometer (RF Patent No. 2093845, MKI 6 G 01 R 29/08, G 01
В данном радиометре модуляции на входе подвергаются три шумовых сигнала: измеряемый сигнал антенны Та и два опорных сигнала. Опорные сигналы формируются одинаковыми согласованными нагрузками 4 и 5, находящимися на термостатированной плате 8 при одинаковой физической температуре То. Нагрузки подключены к входам первого модулятора 2. Первая нагрузка 4 подключена к первому входу модулятора 2 через фильтр 6 с полосой пропускания δf1, а вторая нагрузка 5 подключена к второму входу этого же модулятора непосредственно. Второй полосовой фильтр 7 установлен на выходе второго модулятора 3 перед приемником 9 и имеет полосу пропускания частот δf2. Полосовые фильтры удовлетворяют двум условиям. Во-первых, полоса второго фильтра 7 шире полосы первого фильтра 6 и выполняется равенствоIn this radiometer, three noise signals are exposed at the input: the measured antenna signal T a and two reference signals. The reference signals are formed by the same coordinated
где n - положительное число, большее единицы.where n is a positive number greater than one.
Во-вторых, рабочая полоса δf1 находится внутри полосы δf2. Приемно-усилительный тракт радиометра имеет равномерную амплитудно-частотную характеристику в полосе δf2, и при изменении внешних условий изменение коэффициента усиления приемника происходит на одинаковую величину в этой полосе.Secondly, the working strip δf 1 is inside the strip δf 2 . The receiving-amplifying path of the radiometer has a uniform amplitude-frequency characteristic in the band δf 2 , and when the external conditions change, the gain of the receiver changes by the same amount in this band.
Таким образом, если выполняется соотношение (2), мощности шумовых сигналов антенны, первой и второй согласованных нагрузок, на входе приемника 9 соответственно равны:Thus, if relation (2) is satisfied, the power of the noise signals of the antenna, the first and second matched loads, at the input of the
Для сигналов должно выполняться неравенство Wcн1<Wа<Wcн2 во всем диапазоне изменения сигнала антенны.For signals, the inequality W cn1 <W a <W cn2 must be satisfied in the entire range of the antenna signal.
Сигналы согласованных нагрузок в модуляторе 2 подвергаются широтно-импульсной модуляции. В модуляторе 3 сигнал антенны и выходной сигнал первого модулятора 2 подключаются к входу приемника на равные промежутки времени. Закон модуляции для второго модулятора 3 - симметричные импульсы со скважностью 2. Управление обоими модуляторами происходит с выходов 1 и 2 блока управления.The signals of the coordinated loads in the
Принцип работы радиометра-прототипа заключается в следующем. Условием нулевого баланса в радиометре является равенство нулю напряжения на входе компаратора 13 в половину периода модуляции модулятора 3, когда к входу приемника 9 подключена антенна. Для осуществления принципа в измерительный тракт радиометра введен фильтр верхних частот 11, частота среза которого ниже частоты модуляции модулятора 3. Основное назначение фильтра - исключение постоянной составляющей в сигнале без заметного искажения формы импульсов. Если напряжение на входе компаратора 13 равно нулю в полупериоде подключения антенны, следовательно, и равны на его входе вольт-секундные площади положительного (сигнал второй согласованной нагрузки 5) и отрицательного (сигнал первой согласованной нагрузки 4, прошедший через фильтр 6) импульсов в другом полупериоде при подключенном выходе модулятора 2 к приемнику 9. Тогда сигнал антенны определяется из линейного соотношенияThe principle of operation of the prototype radiometer is as follows. The condition for zero balance in the radiometer is that the voltage at the input of the
где tшис - длительность широтно-импульсного сигнала, поступающего на управляющий вход модулятора 2, tмод - длительность симметричного импульсного сигнала на входе управления модулятором 3.where t chis is the duration of the pulse-width signal arriving at the control input of
Регулировка равенства вольт-секундных площадей импульсов осуществляется блоком управления путем изменения длительности широтно-импульсного сигнала tшис без изменения основного периода модуляции, заданного длительностью tмод.The equality of the volt-second area of the pulses is adjusted by the control unit by changing the width of the pulse-width signal tw without changing the main modulation period specified by the duration of t mod .
Как следует из выражения (4), сигнал антенны непосредственно определяется через длительность tшис, с которой связан по линейному закону. В формулу не входит коэффициент усиления измерительного тракта, а также собственные шумы приемника, так как постоянная составляющая сигнала отфильтровывается фильтром верхних частот 11.As follows from expression (4), the antenna signal is directly determined through the duration t chis , which is connected according to a linear law. The formula does not include the gain of the measuring path, as well as the intrinsic noise of the receiver, since the constant component of the signal is filtered out by the high-
Данным радиометром, как следует из (4), можно измерять сигналы от То/n (tшис=0) до То (tшис=tмод). Так как температуру термостатированной платы Т0 можно изменять лишь в небольших пределах, поэтому верхняя граница измеряемых сигналов может быть изменена также в небольших пределах. Невозможность изменения верхней границы измеряемых сигналов в больших пределах является недостатком радиометра-прототипа. Нижняя граница, как следует из равенства (4), может варьироваться в широких пределах изменением параметра n, который определяется соотношением полос полосовых фильтров 6 и 7.With this radiometer, as follows from (4), it is possible to measure signals from T o / n (t chis = 0) to T o (t chis = t modes ). Since the temperature of the temperature-controlled board T 0 can only be changed within small limits, therefore, the upper limit of the measured signals can also be changed within small limits. The impossibility of changing the upper boundary of the measured signals within large limits is the disadvantage of the prototype radiometer. The lower boundary, as follows from equality (4), can vary over a wide range by changing the parameter n, which is determined by the ratio of the
Целью изобретения является расширение функциональных возможностей радиометра по выбору диапазона измерений. Преимущества предлагаемого радиометра по сравнению с прототипом состоят в том, что данным радиометром можно измерять сигналы в широком динамическом диапазоне, и снимаются ограничения на выбор диапазона измерений. Для предлагаемого радиометра нет жесткой привязки границы диапазона измерений к конкретной термодинамической температуре термостатированной платы, при которой находятся согласованные нагрузки во входной части радиометра.The aim of the invention is to expand the functionality of the radiometer for the selection of the measurement range. The advantages of the proposed radiometer compared to the prototype are that this radiometer can measure signals in a wide dynamic range, and the restrictions on the choice of measurement range are removed. For the proposed radiometer, there is no rigid reference of the boundary of the measurement range to the specific thermodynamic temperature of the thermostated board, at which the agreed loads are located in the input part of the radiometer.
Поставленная цель достигается тем, что в нулевой радиометр, содержащий антенну, первую и вторую согласованные нагрузки, первый и второй полосовые фильтры, первый и второй модуляторы, приемник, фильтр верхних частот, синхронный фильтр, компаратор, блок управления, первый, второй и третий выходы которого соединены с управляющими входами первого, второго модуляторов и синхронного фильтра соответственно, а вход блока управления подключен к выходу компаратора, второй вход которого соединен с общей шиной радиометра, первая согласованная нагрузка через первый полосовой фильтр соединена с первым входом первого модулятора, выход которого подключен к первому входу второго модулятора, а выходом радиометра является четвертый выход блока управления, причем первая и вторая согласованные нагрузки, первый и второй модулятор установлены на термостатированной плате, введены третий полосовой фильтр, предварительный усилитель низкой частоты и усилитель низкой частоты, выход второго модулятора подключен через последовательно соединенные приемник, предварительный усилитель низкой частоты, синхронный фильтр, усилитель низкой частоты, фильтр верхних частот к первому входу компаратора, вторая согласованная нагрузка подключена через второй полосовой фильтр к второму входу первого модулятора, а антенна соединена с вторым входом второго модулятора через третий полосовой фильтр.This goal is achieved by the fact that in the zero radiometer containing the antenna, the first and second matched loads, the first and second band-pass filters, the first and second modulators, the receiver, a high-pass filter, a synchronous filter, a comparator, a control unit, the first, second and third outputs which are connected to the control inputs of the first, second modulators and a synchronous filter, respectively, and the input of the control unit is connected to the output of the comparator, the second input of which is connected to the common bus of the radiometer, the first through the first band-pass filter, it is connected to the first input of the first modulator, the output of which is connected to the first input of the second modulator, and the radiometer output is the fourth output of the control unit, the first and second matched loads, the first and second modulator installed on the thermostated board, the third band-pass filter introduced , a low-frequency pre-amplifier and a low-frequency amplifier, the output of the second modulator is connected through a series-connected receiver, a low-hour pre-amplifier frequencies, a synchronous filter, a low-frequency amplifier, a high-pass filter to the first input of the comparator, the second matched load is connected through the second bandpass filter to the second input of the first modulator, and the antenna is connected to the second input of the second modulator through the third bandpass filter.
На фиг.1 представлена структурная схема радиометра с формированием опорного сигнала из собственных шумов приемника с использованием полосовых фильтров (аналог).Figure 1 presents the structural diagram of the radiometer with the formation of the reference signal from the noise of the receiver using bandpass filters (analog).
На фиг.2 представлена структурная схема нулевого радиометра с дополнительной широтно-импульсной модуляцией опорных сигналов, сформированных с использованием частотных свойств полосовых фильтров (прототип).Figure 2 presents the structural diagram of a zero radiometer with additional pulse-width modulation of the reference signals generated using the frequency properties of bandpass filters (prototype).
На фиг.3 представлена структурная схема предлагаемого нулевого радиометра.Figure 3 presents the structural diagram of the proposed zero radiometer.
На фиг.4 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип работы предлагаемого радиометра.Figure 4 shows the timing diagrams explaining the principle of operation of the proposed radiometer.
На фиг.5 представлена карта вариаций диапазонов измерений для всех возможных случаев.Figure 5 presents a map of variations in the measurement ranges for all possible cases.
Согласно структурной схеме на фиг.3 радиометр условно состоит из трех частей: входного блока, линейного измерительного тракта и блока управления. Входной блок в своем составе имеет два шумовых генератора, роль которых выполняют первая 4 и вторая 5 согласованные нагрузки, первый 2 и второй 3 идентичные модуляторы, имеющие конфигурацию 2× 1, первый 6, второй 7 и третий 17 полосовые фильтры. Модуляторы переключаются по управляющим сигналам с выходов блока управления. К входу блока подключается антенна 1, а выход соединяется с измерительным трактом радиометра. С целью минимизации погрешностей работы радиометра согласованные нагрузки, как генераторы образцовых шумовых сигналов, термостатируются. Так же термостатируются и оба модулятора, так как содержат в своем составе полупроводниковые структуры (диоды), параметры которых зависят от температуры. Для этого модуляторы вместе с согласованными нагрузками закрепляются на термостатированной плате 8 и находятся с ней при одинаковой температуре То.According to the structural diagram of figure 3, the radiometer conventionally consists of three parts: the input unit, a linear measuring path and the control unit. The input unit in its composition has two noise generators, the role of which is played by the first 4 and second 5 matched loads, the first 2 and second 3 identical modulators having a 2 × 1 configuration, the first 6, second 7 and third 17 bandpass filters. Modulators are switched by control signals from the outputs of the control unit.
Основным узлом измерительного тракта является приемник 9, где происходит усиление промодулированных сигналов по высокой частоте и их квадратичное детектирование. Далее сигналы предварительно усиливаются по низкой частоте в предварительном усилителе низкой частоты 10. Так как в сигналах после детектора имеются высокочастотные, имеющие случайную природу, составляющие, поэтому после предварительного усиления производится низкочастотная синхронная фильтрация сигналов в синхронном фильтре 11. Постоянная времени синхронного фильтра имеет небольшое значение и позволяет устранить в сигналах высокочастотные шумы. Тем самым устраняется перегрузка усилителя низкой частоты 12. В следующей схеме измерительного тракта в фильтре верхних частот 13 исключается постоянная составляющая и модулированная последовательность сигналов подается на вход компаратора 14. Так как второй вход компаратора соединен с общей точкой схемы, следовательно, он определяет полярность входного сигнала.The main node of the measuring path is the
Выходной сигнал компаратора в уровнях логического нуля и единицы поступает на вход блока управления 15, выполненного на цифровых элементах.The output signal of the comparator in the levels of logical zero and one is fed to the input of the
Принцип работы радиометра заключается в следующем. Блок управления вырабатывает три управляющих импульсных сигнала. Сигналы с первого и второго его выходов поступают во входную часть радиометра и производят модуляцию измеряемого и опорных сигналов. Управляющий сигнал tшис с первого выхода (фиг.4а) блока управления является широтно-импульсным, то есть изменяется по длительности. Этим сигналом в модуляторе 2 происходит широтно-импульсная модуляция сигналов согласованных нагрузок, которые выполняют роль опорных шумовых генераторов с эффективными температурами шумов, равными температуре термостатированной платы Т0. Управляющий сигнал tмод с выхода 2 блока управления (фиг.4б) производит симметричную модуляцию сигнала антенны и уже предварительно модулированных опорных сигналов согласованных нагрузок. Сигнал управления модулятором 3 имеет скважность, равную двум, поэтому включает в себя два равных по длительности полупериода. В первом полупериоде, как следует из фиг.4б, на вход приемника подключается выход модулятора 2; во втором полупериоде - антенна 1 через второй вход модулятора 3, Когда на вход приемника через модулятор 3 подключается выход модулятора 2, в последнем осуществляется широтно-импульсная модуляция сигналов согласованных нагрузок.The principle of operation of the radiometer is as follows. The control unit generates three control pulse signals. The signals from the first and second outputs thereof enter the input part of the radiometer and modulate the measured and reference signals. The control signal t chis from the first output (figa) of the control unit is pulse-width, that is, varies in duration. This signal in the
Значит, на входе приемника 9 в разные моменты времени действует один из следующих сигналов:So, at the input of the
- сигнал согласованной нагрузки 4, шумовая мощность которого равна- matched
где k - постоянная Больцмана, δ f1 - полоса пропускания полосового фильтра 6, Т0 - термодинамическая температура термостатированной платы, на которой установлена нагрузка 4. Так как она согласована с линией передачи и все остальные соединения согласованы, поэтому ее эффективная шумовая температура равна тоже То;where k is the Boltzmann constant, δ f 1 is the passband of the band-
- сигнал согласованной нагрузки 5, мощность которого равна- signal matched
- сигнал антенны, мощность которого на входе приемника равна- an antenna signal whose power at the receiver input is
где Тa - эффективная температура шумов антенны.where T a is the effective temperature of the noise of the antenna.
В приемнике 9 эти сигналы усиливаются по мощности с коэффициентом G, затем происходит их квадратичное детектирование с коэффициентом преобразования детектора β . Таким образом, на выходе приемника выделяется огибающая, которая усиливается по низкой частоте в усилителях 10 и 12 с общим коэффициентом усиления Кu.In the
Следовательно, на входе фильтра верхних частот 13 в разные моменты времени модуляции действуют сигналы, амплитуды напряжений которых равны:Therefore, at the input of the high-
Назначение фильтра верхних частот 13 в радиометре - исключение постоянной составляющей в периодическом сигнале. Для этого он должен удовлетворять следующим требованиям - передача сигнала через него должна происходить с минимальными искажениями формы импульсов, что обеспечивается должным выбором нижней частоты полумощности фильтра.The purpose of the high-
На вход фильтра верхних частот кроме сигналов Uсн1, Ucн2, Uа поступает постоянно действующий немодулированный сигнал, вызванный собственной шумовой температурой приемного измерительного тракта, который равенAt the input of the high-pass filter, in addition to the signals U sn1 , U cn2 , U a , a continuously operating unmodulated signal is received, caused by the intrinsic noise temperature of the receiving measuring path, which is equal to
где δ f - полоса принимаемых приемником частот; Тш - эффективная температура собственных шумов приемника, приведенная к его входу.where δ f is the band of frequencies received by the receiver; T W - the effective temperature of the noise floor of the receiver, reduced to its input.
Так как фильтром верхних частот исключается постоянная составляющая, следовательно, на его выходе также не будет присутствовать напряжение Ump, так как это напряжение не изменяется на интервалах модуляции.Since the constant component is excluded from the high-pass filter, therefore, the voltage U mp will also not be present at its output, since this voltage does not change at modulation intervals.
Таким образом, на выходе фильтра 13 для произвольной длительности широтно-импульсного сигнала tшис, вырабатываемого на первом выходе блока управления 15, будет действовать сигнал с периодической структурой, форма которого приведена на фиг.4в.Thus, at the output of the
Для одного периода сигналов на временной диаграмме фиг.4в с исключенной постоянной составляющей соблюдается равенство вольт-секундных площадей импульсов, имеющих положительный и отрицательный знаки. То есть, S1=S2+S3. Этот случай соответствует ненастроенному нулевому балансу в радиометре. Нулевой баланс в радиометре считается настроенным, если вольт-секундная площадь импульса S3 равна нулю. Настройка на условие S3=0 производится под управлением блока управления 15, который регулирует длительность широтно-импульсного сигнала tшис на выходе 1. Управляющим сигналом для блока управления, согласно которому он регулирует длительность tшис, является сигнал с выхода компаратора 14, являющегося оконечным узлом измерительного тракта. Блок управления анализирует сигнал компаратора синхронно, то есть во время второго полупериода модуляции, когда по измерительному тракту радиометра проходит сигнал антенны.For one signal period in the time diagram of FIG. 4c with the constant component excluded, the equality of the volt-second areas of the pulses having positive and negative signs is observed. That is, S 1 = S 2 + S 3 . This case corresponds to an unconfigured zero balance in the radiometer. The zero balance in the radiometer is considered adjusted if the volt-second pulse area S 3 is equal to zero. The setting for the condition S 3 = 0 is carried out under the control of the
Алгоритм регулировки длительности tшис блоком управления следующий: если импульс S3 отрицательный (расположен ниже нулевой оси времени), тогда блок управления уменьшает длительность tшис, если импульс S3 положительный, блок управления увеличивает длительность tшис.The control algorithm for adjusting the duration t chis by the control unit is as follows: if the impulse S 3 is negative (located below the zero time axis), then the control unit reduces the duration t chis , if the impulse S 3 is positive, the control unit increases the duration t chis .
Тогда для неизменного сигнала антенны Тa при неизменной длительности полупериода модуляции, равной tмод, временная диаграмма сигналов на изменение tшис будет смещаться относительно нулевой оси времени вверх (уменьшение tшис) или вниз (увеличение tшис). Для фиг.4в изменение длительности tшис блоком управления происходит на ее уменьшение и продолжается до момента исчезновения импульса S3. Для этого случая временная диаграмма показана на фиг.4г, когда в результате регулировки длительности tшис выполнилось условие S3=0.Then, for an unchanged antenna signal T a with a constant modulation half-cycle duration equal to t modes , the time diagram of signals to change t chis will shift upward (decrease t chis ) or down (increase t chis ) relative to the zero time axis. For FIG. 4c, a change in the duration t sys by the control unit occurs to decrease it and continues until the momentum S 3 disappears. For this case, the timing diagram is shown in FIG. 4d, when the condition S 3 = 0 was fulfilled as a result of adjusting the duration t chis .
Учитывая, что амплитуды импульсов S'1 и S'2 на фиг.4г пропорциональны соответствующим разностям сигналов δf2To – δf3Ta и δf3Ta - δf1To, для выполненного равенства вольт-секундных площадей импульсов S'1=S'2 при новой длительности t'шис можно записатьGiven that the amplitudes of the pulses S ' 1 and S' 2 in Fig. 4d are proportional to the corresponding signal differences δf 2 T o - δf 3 T a and δf 3 T a - δf 1 T o , for the equality of the volt-second areas of the pulses S ' 1 = S ' 2 with a new duration t', the chis can be written
Выполнив сокращения и решая равенство (10) относительно t'шис, получим передаточную характеристику радиометра, которая будет определяться формулойHaving performed the abbreviations and solving equality (10) with respect to the t ' shear , we obtain the transfer characteristic of the radiometer, which will be determined by the formula
Из последней формулы следует, что длительность t'шис прямо пропорциональна сигналу антенны Та. Следовательно, через эту длительность можно найти косвенным путем сигнал антенны, которая связана с ним линейным соотношением (11). На точность измерений не влияет коэффициент передачи всего измерительного тракта, равный произведению Gβ Ku, как и в радиометрах, работающих по нулевому методу. В формулу (11) для нахождения длительности широтно-импульсного сигнала не входит сигнал, связанный с собственными шумами радиометра. Как было пояснено выше, этот сигнал непрерывен и не подвергается модуляции. Следовательно, через фильтр верхних частот на компаратор не проходит. Однако в формулу (11) для нахождения t'шис кроме измеряемого сигнала антенны входят полосы пропускания фильтров 6, 7, 17, температура термостатированной платы То и длительность полупериода модуляции tмод. Эти величины должны поддерживаться постоянными. Их изменения будут приводить к погрешностям измерений.From the last formula it follows that the duration t ' shear is directly proportional to the antenna signal T a . Therefore, through this duration, the antenna signal can be found indirectly, which is connected with it by linear relation (11). The measurement accuracy is not affected by the transmission coefficient of the entire measuring path, equal to the product Gβ K u , as in radiometers operating according to the zero method. Formula (11) for finding the pulse width of a pulse-width signal does not include a signal associated with the intrinsic noise of the radiometer. As explained above, this signal is continuous and not modulated. Therefore, it does not pass through the high-pass filter to the comparator. However, in addition to the measured signal of the antenna, formula (11) for finding the t ' chis includes the passbands of the
Для определения границ диапазона измерений решим равенство (11) относительно эффективной шумовой температуры антенны Та.To determine the boundaries of the measurement range, we solve equality (11) with respect to the effective noise temperature of the antenna T a .
Подставив в формулу (12) крайние значения длительности t'шис, равные нулю и длительности полупериода tмод, получим минимальную и максимальную границы диапазона измерений сигнала антенны:Substituting in the formula (12) the extreme values of the duration t ' n , equal to zero and the duration of the half-period t modes , we obtain the minimum and maximum boundaries of the measuring range of the antenna signal:
Следовательно, анализируя (13) можно сделать вывод, что изменением полос пропускания фильтров можно настроить диапазон измерений на выбранный, сохраняя температуру термостатированной платы постоянной и равной To.Therefore, analyzing (13), we can conclude that by changing the passband of the filters, you can adjust the measurement range to the selected one, keeping the temperature of the thermostated board constant and equal to T o .
Полоса пропускания δ f2 второго фильтра 7 больше полосы пропускания δ f1 первого фильтра 6, так как по определению опорный сигнал, формируемый второй согласованной нагрузкой 5, больше опорного сигнала, вырабатываемого первой согласованной нагрузкой 4. Это следует из временной диаграммы фиг.4г. То есть, δ f2=nδ f1 и n>1. Это условие выполняется всегда.The passband δ f 2 of the second filter 7 is larger than the passband δ f 1 of the
Условия, устанавливающие связь между полосами первого 6 и второго 7 фильтров с полосой входного фильтра 17, через который поступает измеряемый сигнал антенны, найдем следующим образом. ПустьThe conditions establishing the connection between the bands of the first 6 and second 7 filters with the band of the input filter 17 through which the measured antenna signal is received, we find as follows. Let be
δ f2=pδ f3, где p>1 или p<1;δ f 2 = pδ f 3 , where p> 1 or p <1;
δ f1=mδ f3, где m>1 или m<1. (14)δ f 1 = mδ f 3 , where m> 1 or m <1. (14)
Тогда полосы частот δ f1, δ f2, δ f3 связаны между собой следующими зависимостями:Then the frequency bands δ f 1 , δ f 2 , δ f 3 are interconnected by the following relationships:
Из соотношений (15) можно получить следующее важное равенство:From relations (15) we can obtain the following important equality:
Так как n>1, следовательно, р>m.Since n> 1, therefore, p> m.
С учетом замены n=(δ f2/δ f1), p=(δ f2/δ f3), m=(δ f1/δ f3), выражение (12) для определения сигнала антенны можно записатьGiven the replacement n = (δ f 2 / δ f 1 ), p = (δ f 2 / δ f 3 ), m = (δ f 1 / δ f 3 ), expression (12) for determining the antenna signal can be written
Так как из (16) р=nm, выражение (17) можно записать в следующем виде:Since p = nm from (16), expression (17) can be written in the following form:
Из (18) границы диапазона измерений при t’шис=0 и t’шис=tмод с учетом (15) тогда равны:From (18), the boundaries of the measurement range at t ' sis = 0 and t' sis = t modes taking into account (15) are then equal to:
Рассмотрим числовой пример. Типичным случаем температуры статирования входных блоков радиометров является температура, равная 325 К (52° С). То есть, Tо=325 К. Если полосу приема сигналов радиометром выбрать равной 100 МГц (δ f3=100 МГц), можно определить полосы других двух фильтров, если необходимо измерять сигнал антенны в диапазонах:Consider a numerical example. A typical case of the static temperature of the input units of radiometers is a temperature of 325 K (52 ° C). That is, T o = 325 K. If you select a signal reception band with a radiometer equal to 100 MHz (δ f 3 = 100 MHz), you can determine the bands of the other two filters if you need to measure the antenna signal in the ranges:
а. 100 К-200 К;a. 100 K-200 K;
б. 100 К - 325 К;b. 100 K - 325 K;
в. 100 К - 450 К;in. 100 K - 450 K;
г. 325 К - 450 К;325 K - 450 K;
д. 400 К - 600 К.d. 400 K - 600 K.
Данные диапазоны измерения сигнала антенны приведены на фиг.5 и характеризуют все возможные сочетания диапазонов измерений относительно опорной температуры То.These measurement ranges of the antenna signal are shown in figure 5 and characterize all possible combinations of measurement ranges relative to the reference temperature T about .
Учитывая (19), можно записатьGiven (19), we can write
Тогда используя соотношения (20), можно вычислить полосы фильтров 6 и 7 для диапазонов а. - д.:Then using relations (20), we can calculate the
а. δ f1=30.8 МГц; δ f2=61.5 МГц;a. δ f 1 = 30.8 MHz; δ f 2 = 61.5 MHz;
б. δ f1=30.8 МГц; δ f2=100 МГц;b. δ f 1 = 30.8 MHz; δ f 2 = 100 MHz;
в. δ f1=30.8 МГц; δ f2=138.5 МГц;in. δ f 1 = 30.8 MHz; δ f 2 = 138.5 MHz;
г. δ f1=100 MГц; δ f2=138.5 МГц;g. δ f 1 = 100 MHz; δ f 2 = 138.5 MHz;
д. δ f1=123.1 МГц; δ f2=184.6 МГц.d. δ f 1 = 123.1 MHz; δ f 2 = 184.6 MHz.
Полосы частот всех фильтров могут не перекрываться, но эти полосы должны находиться в полосе приема сигналов радиометром. Центральные частоты этих фильтров определяются приемником радиометра и принимаемыми сигналами.The frequency bands of all filters may not overlap, but these bands should be in the signal reception band of the radiometer. The center frequencies of these filters are determined by the receiver of the radiometer and the received signals.
В радиометре блок управления полностью соответствует блоку управления радиометра-прототипа. Режим его работы - следящий. Блок управления осуществляет непрерывное слежение за сигналом на выходе компаратора измерительного тракта в каждом втором полупериоде модуляции. Анализируя этот сигнал блок управления по выше описанному алгоритму в каждом первом полупериоде модуляции корректирует длительность широтно-импульсного сигнала tшис. Изменение сигнала антенны приведет к появлению напряжения на входе компаратора отрицательной или положительной полярности во втором полупериоде модуляции. Это соответствует случаю, что тракт разбалансирован и выходные данные не достоверны. Блок управления в соответствии с сигналом компаратора направленно изменяет длительность широтно-импульсного сигнала. Модулированная последовательность сигналов на входе компаратора сдвигается относительно нулевой оси времени и, когда устанавливается нулевое напряжение в полупериод коммутации антенны, блок управления прекращает регулировку широтно-импульсного сигнала. Тракт снова сбалансирован, а это значит, что длительность широтно-импульсного сигнала, определяющая сигнал антенны, является действительной.In the radiometer, the control unit is fully consistent with the control unit of the prototype radiometer. The mode of his work is tracking. The control unit continuously monitors the signal at the output of the comparator of the measuring path in every second modulation half-cycle. Analyzing this signal, the control unit, according to the above-described algorithm, in each first half-period of modulation corrects the width of the pulse-width signal tw . A change in the antenna signal will lead to the appearance of a voltage at the input of the comparator of negative or positive polarity in the second modulation half-cycle. This corresponds to the case that the path is unbalanced and the output is not reliable. The control unit in accordance with the signal of the comparator directionally changes the duration of the pulse-width signal. The modulated sequence of signals at the input of the comparator is shifted relative to the zero time axis and, when the voltage is set to zero in the half-switching period of the antenna, the control unit stops adjusting the pulse-width signal. The path is balanced again, which means that the width of the pulse-width signal that determines the antenna signal is valid.
В блоке управления длительность широтно-импульсного сигнала представлена цифровым кодом, который выдается на цифровую шину 16, которая является выходом радиометра.In the control unit, the width of the pulse-width signal is represented by a digital code that is issued to the digital bus 16, which is the output of the radiometer.
Синхронный фильтр, устроенный так же, как и синхронный фильтр прототипа, является фильтром первого порядка и производит низкочастотную фильтрацию сигналов, сглаживая высокочастотные их выбросы. Синхронный фильтр представляет собой RC-цепи с тремя коммутируемыми конденсаторами. Каждый конденсатор фильтрует один из трех входных сигналов, из которых два опорных и один сигнал, измеряемый от антенны.The synchronous filter, arranged in the same way as the synchronous filter of the prototype, is a first-order filter and performs low-pass filtering of signals, smoothing their high-frequency emissions. The synchronous filter is an RC circuit with three switched capacitors. Each capacitor filters one of the three input signals, of which two reference and one signal, measured from the antenna.
Предварительный усилитель низкой частоты и усилитель низкой частоты являются линейными усилителями напряжения.The low frequency preamplifier and low frequency amplifier are linear voltage amplifiers.
Фильтр верхних частот представляет собой разделительную CR-цепь, исключающую постоянную составляющую в периодическом сигнале.The high-pass filter is a dividing CR circuit eliminating a constant component in a periodic signal.
Полосовые фильтры являются пассивными СВЧ-устройствами, не имеют в своем составе полупроводниковых элементов и собираются из четвертьволновых линий передач. То есть, имеют стабильные параметры и могут не термостатироваться. Рассчитываются по известным методикам, широко описанным в литературе.Bandpass filters are passive microwave devices, do not include semiconductor elements and are assembled from quarter-wave transmission lines. That is, they have stable parameters and may not be thermostated. They are calculated according to well-known techniques widely described in the literature.
Таким образом, достоинства предложенного радиометра заключаются в том, что он работает по нулевому методу, когда изменения коэффициента усиления измерительного тракта не сказываются на точности измерений. Вторым его достоинством является нечувствительность к постоянной составляющей собственных шумов радиометра. На выходе блока управления сигнал представлен в цифровой форме, так как длительность широтно-импульсного сигнала легко преобразовать в код. Это значит, что в блоке управления отсутствуют стандартные аналого-цифровые преобразователи. Цифровой код может быть подвержен дальнейшей обработке цифровыми системами, включая компьютерные средства. В радиометре свободным выбором фильтров можно изменять полосу приема сигналов антенны (δ f3) и границы диапазона измерений (δ f1, δ f2), не изменяя опорные сигналы шумовых генераторов, которыми являются согласованные нагрузки. Диапазон измерений можно выбирать в необходимых пределах изменения сигнала антенны, и этот диапазон не будет жестко привязан к температуре термостата. Так как нагрузки находятся при одинаковой температуре То, можно измерять эту температуру точными контактными электронными термометрами и далее рассчитывать сигнал антенны по формуле (12). Отсюда следует, что можно упростить схему термостатирования и точность поддержания температуры в термостате. Если выполнить фильтры с электронной перестройкой полос, следовательно, можно осуществить изменение диапазона измерений оперативным путем.Thus, the advantages of the proposed radiometer are that it works by the zero method, when changes in the gain of the measuring path do not affect the accuracy of the measurements. Its second advantage is insensitivity to the constant component of the intrinsic noise of the radiometer. At the output of the control unit, the signal is presented in digital form, since the width of the pulse-width signal can be easily converted into code. This means that the control unit does not have standard analog-to-digital converters. The digital code may be subject to further processing by digital systems, including computer tools. In the radiometer, by a free choice of filters, you can change the reception band of the antenna signals (δ f 3 ) and the boundaries of the measurement range (δ f 1 , δ f 2 ) without changing the reference signals of the noise generators, which are the matched loads. The measurement range can be selected within the required limits of the antenna signal, and this range will not be rigidly tied to the temperature of the thermostat. Since the loads are at the same temperature T o , it is possible to measure this temperature with precision contact electronic thermometers and then calculate the antenna signal according to formula (12). It follows that the temperature control scheme and the accuracy of maintaining the temperature in the thermostat can be simplified. If you perform filters with electronic restructuring of the bands, therefore, it is possible to carry out a change in the measurement range in an operational way.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003101276/09A RU2235340C1 (en) | 2003-01-17 | 2003-01-17 | Null radiometer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003101276/09A RU2235340C1 (en) | 2003-01-17 | 2003-01-17 | Null radiometer |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2003101276A RU2003101276A (en) | 2004-07-20 |
RU2235340C1 true RU2235340C1 (en) | 2004-08-27 |
Family
ID=33413795
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2003101276/09A RU2235340C1 (en) | 2003-01-17 | 2003-01-17 | Null radiometer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2235340C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2619841C1 (en) * | 2016-03-17 | 2017-05-18 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) | Zero radiometer |
RU2642475C2 (en) * | 2016-03-17 | 2018-01-25 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) | Zero radiometer |
RU202440U1 (en) * | 2020-06-26 | 2021-02-17 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) | Selective RF Electromagnetic Radiation Meter |
-
2003
- 2003-01-17 RU RU2003101276/09A patent/RU2235340C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2619841C1 (en) * | 2016-03-17 | 2017-05-18 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) | Zero radiometer |
RU2642475C2 (en) * | 2016-03-17 | 2018-01-25 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) | Zero radiometer |
RU202440U1 (en) * | 2020-06-26 | 2021-02-17 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) | Selective RF Electromagnetic Radiation Meter |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3909102B2 (en) | RF power measuring device | |
Filatov et al. | A microwave four-channel null L-band radiometer | |
JPH04230871A (en) | Frequency measuring method | |
US5172064A (en) | Calibration system for determining the accuracy of phase modulation and amplitude modulation noise measurement apparatus | |
RU2619841C1 (en) | Zero radiometer | |
RU2235340C1 (en) | Null radiometer | |
HU196513B (en) | Apparatus for measuring voltage by sampling | |
RU2460081C2 (en) | Multichannel null radiometer | |
US4864218A (en) | Method of compensating for frequency errors in noise power meters | |
RU2642475C2 (en) | Zero radiometer | |
RU2393502C1 (en) | Two-channel null radiometre | |
US5124708A (en) | RF stability measuring system for MTI radars | |
RU2439594C1 (en) | Zero radiometer | |
CN113805042B (en) | Time delay measuring device and testing method | |
EP4009060A1 (en) | Rf power detector | |
RU2745796C1 (en) | Fast zero radiometer | |
RU2211455C1 (en) | Radiometer | |
RU2698488C1 (en) | Zero radiometer | |
CN112566546B (en) | Biosensor device | |
RU2339959C2 (en) | Correlative fluctuation measuring device | |
RU2093845C1 (en) | Zero radiometer | |
RU2541426C1 (en) | Multi-receiver zero radiometer | |
CN112504619B (en) | Balance S/N phase-locked amplification detection system and method of six-component balance bridge | |
RU2794063C1 (en) | Microwave radiometer | |
RU2431856C1 (en) | Radiometre to analyse objects adjoining antenna |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20050118 |