RU2393502C1 - Two-channel null radiometre - Google Patents
Two-channel null radiometre Download PDFInfo
- Publication number
- RU2393502C1 RU2393502C1 RU2008148402/09A RU2008148402A RU2393502C1 RU 2393502 C1 RU2393502 C1 RU 2393502C1 RU 2008148402/09 A RU2008148402/09 A RU 2008148402/09A RU 2008148402 A RU2008148402 A RU 2008148402A RU 2393502 C1 RU2393502 C1 RU 2393502C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- input
- frequency
- radiometer
- control unit
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
- Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation
Landscapes
- Radiation Pyrometers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к пассивной радиолокации и может использоваться для измерения мощности шумовых сигналов в системах дистанционного зондирования Земли, различных природных сред, в промышленности.The invention relates to passive radar and can be used to measure the power of noise signals in remote sensing systems of the Earth, various natural environments, in industry.
Известен нулевой радиометр [Филатов А.В., Бордонский Г.С. // Нулевой радиометр. А.с. СССР N1704107, G01R 29/08, G01S 13/95], структурная схема которого изображена на фиг.1, содержащий последовательно соединенные антенну 1, направленный ответвитель 2, модулятор 3, приемник 9, низкочастотный усилитель 10, фильтр высокой частоты 11, синхронный фильтр 12, компаратор (нуль-орган) 13, блок управления 14, на четвертом выходе которого формируется цифровой код измеряемого сигнала антенны, поступающий на шину 15. Цепь автоматического ввода опорного сигнала генератора шума 5 в направленный ответвитель 2 начинается с первого выхода блока управления 14. Импульсный сигнал включает источник постоянного тока 4. Управляемый источник 4 питает генератор шума, выходной сигнал которого через аттенюатор 6 поступает в направленный ответвитель 2. Шумовой сигнал, вырабатываемый генератором 5, для данного радиометра является первым опорным сигналом. Второй опорный шумовой сигнал вырабатывается согласованной нагрузкой 7, находящейся при температуре термостатированной платы 8. Для повышения стабильности работы радиометра на этой же плате установлены модулятор 3, направленный ответвитель 2, аттенюатор 6, генератор шума 5, управляемый источник тока 4.Known zero radiometer [Filatov A.V., Bordonsky G.S. // Zero radiometer. A.S. USSR N1704107, G01R 29/08, G01S 13/95], the structural diagram of which is shown in figure 1, containing a series-connected
Особенностью работы данного радиометра является то, что обработка огибающей модулированных сигналов на выходе приемника (по низкой частоте) заключается в операции исключения постоянной составляющей фильтром высокой частоты 11, что не требует применения операций синхронного детектирования. После исключения постоянной составляющей происходит анализ полярности напряжения на входе компаратора в промежуток времени, когда к входу приемника подключена согласованная нагрузка. Так как в низкочастотной части радиометра нет преобразований формы сигналов с целью выделения информативных уровней напряжения, то и погрешности, связанные с этими преобразованиями, отсутствуют. В радиометре выполняется принцип нулевых измерений, и в результате радиометр становится нечувствительным к изменениям коэффициента передачи измерительного тракта.A feature of the operation of this radiometer is that the processing of the envelope of modulated signals at the output of the receiver (at a low frequency) consists in the operation of eliminating the constant component by a high-
Описанный радиометр, выбранный в качестве аналога, является одноканальным (одноприемниковым) и поэтому его чувствительность меньше, чем у двухканальных (двухприемниковых) схем (радиометров Грахама) в √2-раз.The described radiometer, selected as an analogue, is single-channel (single-receiver) and therefore its sensitivity is √2-fold lower than that of two-channel (two-receiver) circuits (Graham radiometers).
Известен двухканальный нулевой радиометр [публикация RU 2003115658 от 20.11.2004], в состав которого входят (фиг.2) антенна 1, входной блок, два идентичных измерительных канала, низкочастотный узел обработки сигналов. Входной блок включает установленные на термостатированной плате 7 направленный ответвитель 2, высокочастотный модулятор 3, согласованную нагрузку 4, аттенюатор 5, генератор шума 6, высокочастотный ключ 27. Первый и второй измерительные каналы состоят из приемников 8 и 13, предварительных усилителей низкой частоты 9 и 14, синхронных фильтров 10 и 15, усилителей низкой частоты 11 и 16, фильтров высокой частоты 12 и 17 соответственно. В состав низкочастотной части входят низкочастотный модулятор 18, компаратор 19, блок управления 20, интегратор динамического типа 21, с выхода которого сигнал поступает на выходную цифровую шину 22.Known two-channel zero radiometer [publication RU 2003115658 from 11/20/2004], which includes (figure 2)
Во входном блоке радиометра происходит модуляция сигналов. В направленном ответвителе 2 к сигналу антенны 1 добавляется опорный сигнал, который вырабатывается полупроводниковым генератором шума 6 с применением лавинно-пролетного диода, ослабляется в аттенюаторе 5 до необходимой величины (настройка происходит при калибровке радиометра) и через высокочастотный ключ 27 поступает в направленный ответвитель. Замкнутое состояние высокочастотного ключа определяется управляющим широтно-импульсным сигналом tшис, поступающим с пятого выхода блока управления 20. Таким образом, происходит модуляция сигнала генератора шума по широтно-импульсному закону перед его поступлением в тракт антенны. Второй опорный сигнал в радиометре вырабатывается согласованной нагрузкой 4, находящейся при температуре входного узла радиометра.In the input unit of the radiometer, the signals are modulated. In the
Антенный тракт прохождения измеряемого сигнала и тракт согласованной нагрузки подключены соответственно к входам 1 и 2 высокочастотного модулятора 3, который осуществляет их подключение к входам двух измерительных каналов радиометра. Модулятор 3 имеет конфигурацию "два входа - два выхода" (2×2). В зависимости от импульсного сигнала tмод на входе управления модулятором, поступающего с первого выхода блока управления, если антенный тракт подключен к первому измерительному каналу (выход 1 модулятора), согласованная нагрузка в этот момент времени подключена ко второму измерительному каналу (выход 2), и наоборот.The antenna path of the measured signal and the coordinated load path are connected respectively to the
В каждом измерительном канале установлен радиометрический приемник с линейной передаточной характеристикой и полосой принимаемых частот df. Синхронные фильтры уменьшает флуктуационную компоненту, тем самым исключает перегрузку следующих за ними усилителей и в целом повышают точность работы радиометра. Они состоят из трех однозвенных интегрирующих RC-цепей, в которых резистор является общим, а постоянные составляющие трех модулируемых входных сигналов (антенны, антенны + генератора шума, согласованной нагрузки) накапливаются на трех конденсаторах синхронным их подключением к общей точке схемы через управляемый электронный ключ.Each measuring channel has a radiometric receiver with a linear transfer characteristic and a band of received frequencies df. Synchronous filters reduces the fluctuation component, thereby eliminating the overload of the amplifiers following them and, on the whole, increase the accuracy of the radiometer. They consist of three single-link RC integrating circuits in which the resistor is common, and the constant components of three modulated input signals (antenna, antenna + noise generator, matched load) are accumulated on three capacitors by synchronously connecting them to a common point in the circuit via a controlled electronic key.
Фильтр верхних частот собран по схеме однозвенного CR-фильтра первого порядка с частотой среза fcp<<1/2tмод, предназначен для устранения в сигналах постоянной составляющей с минимальными искажениями формы импульсов.The high-pass filter is assembled according to the scheme of a single-link first-order CR filter with a cutoff frequency f cp << 1 / 2t modes , designed to eliminate the DC component in the signals with minimal distortion of the pulse shape.
Выходы измерительных каналов попеременно, с частотой модуляции по сигналам tмод, через низкочастотный модулятор 18 с конфигурацией 2×1 подключаются к первому входу компаратора 19, второй вход которого соединен с общей точкой схемы.The outputs of the measuring channels are alternately, with a modulation frequency of t mode signals, through a low-
Выходной сигнал компаратора, представленный в уровнях логического нуля и единицы, поступает на вход цифрового блока управления 20, имеющего один вход и пять выходов, с помощью которых происходит управление работой радиометра в целом. С выхода 1 импульсный сигнал с длительностью tмод осуществляет в радиометре симметричную модуляцию, синхронно управляя высокочастотным и низкочастотным модуляторами. Нулевой баланс в радиометре достигается дополнительной широтно-импульсной модуляцией генератора шума по сигналу tшис с пятого выхода блока управления. Второй и третий выходы блока 20 задействованы для управления соответствующими синхронными фильтрами измерительных каналов. С четвертого выхода блока управления цифровой код сигнала антенны поступает на вход динамического интегратора 21. В динамическом интеграторе происходит накопление цифровых кодов измеряемого сигнала антенны за определенный интервал времени и их усреднение.The output signal of the comparator, presented in levels of logical zero and one, is fed to the input of a
Рассмотренный радиометр, выбранный в качестве прототипа, имеет ограничения по диапазону измеряемых сигналов. Верхняя граница диапазона измерения фиксированная и определяется эквивалентной температурой согласованной нагрузки.The considered radiometer, selected as a prototype, has limitations on the range of measured signals. The upper limit of the measuring range is fixed and is determined by the equivalent temperature of the agreed load.
Предлагаемым изобретением решается задача расширения функциональных возможностей радиометра по диапазону измеряемых сигналов антенны при сохранении возможности работы радиометра в режиме нулевых измерений.The present invention solves the problem of expanding the functionality of the radiometer over the range of the measured antenna signals while maintaining the ability of the radiometer in zero measurement mode.
Для достижения этого технического результата в радиометр, содержащий согласованную нагрузку, первый генератор шума, выход которого соединен с входом аттенюатора, высокочастотный модулятор, к первому входу которого подключены последовательно соединенные антенна и первый направленный ответвитель, к первому выходу - последовательно соединенные первый приемник, первый предварительный усилитель низкой частоты, первый синхронный фильтр, первый усилитель низкой частоты, первый фильтр высокой частоты, выход которого соединен с первым входом низкочастотного модулятора, ко второму выходу - последовательно соединенные второй приемник, второй предварительный усилитель низкой частоты, второй синхронный фильтр, второй усилитель низкой частоты, второй фильтр высокой частоты, выход которого соединен с вторым входом низкочастотного модулятора, а выход низкочастотного модулятора подключен к первому входу компаратора, второй вход которого соединен с общей шиной радиометра, а выход подключен к входу блока управления, первый выход которого соединен с объединенными вместе управляющими входами высокочастотного и низкочастотного модуляторов, второй и третий выходы соединены с управляющими входами первого и второго синхронных фильтров соответственно, а четвертый выход соединен с входом интегратора динамического типа, выход которого является выходной цифровой шиной радиометра, причем согласованная нагрузка, первый направленный ответвитель, высокочастотный модулятор, аттенюатор, первый генератор шума установлены на термостатированной плате и находятся с ней в тепловом контакте, введены установленные на термостатированной плате и находящиеся с ней в тепловом контакте второй направленный ответвитель, второй генератор шума, первый и второй источники тока, выходы которых соединены с входам первого и второго генераторов шума соответственно, управляющий вход аттенюатора подключен к пятому выходу блока управления, выходы аттенюатора и второго генератора шума соединены с вторыми входами первого и второго направленных ответвителей соответственно, выход второго направленного ответвителя подключен к второму входу высокочастотного модулятора, а первый вход - к выходу согласованной нагрузки.To achieve this technical result, in a radiometer containing a matched load, the first noise generator, the output of which is connected to the input of the attenuator, a high-frequency modulator, to the first input of which are connected a series-connected antenna and a first directional coupler, to the first output are a series-connected first receiver, the first preliminary low-frequency amplifier, first synchronous filter, first low-frequency amplifier, first high-pass filter, the output of which is connected to the first input m of a low-frequency modulator, to the second output - a second receiver, a second pre-amplifier of a low frequency, a second synchronous filter, a second low-frequency amplifier, a second high-pass filter, the output of which is connected to the second input of the low-frequency modulator, and the output of the low-frequency modulator is connected to the first input a comparator, the second input of which is connected to the common bus of the radiometer, and the output is connected to the input of the control unit, the first output of which is connected to combined control by their inputs of high-frequency and low-frequency modulators, the second and third outputs are connected to the control inputs of the first and second synchronous filters, respectively, and the fourth output is connected to the input of a dynamic type integrator, the output of which is the digital output bus of the radiometer, and the load is matched, the first directional coupler, high-frequency modulator , the attenuator, the first noise generator are installed on the thermostated board and are in thermal contact with it, the ones installed on the thermostat are introduced In this case, the second directional coupler, the second noise generator, the first and second noise sources, the outputs of which are connected to the inputs of the first and second noise generators, respectively, the control input of the attenuator is connected to the fifth output of the control unit, the outputs of the attenuator and the second generator noise are connected to the second inputs of the first and second directional couplers, respectively, the output of the second directional coupler is connected to the second input of the high-frequency modulator, and the first nth input - to the output of the agreed load.
В блок управления, который содержит реверсивный двоичный счетчик, двоичный счетчик, регистр, схему сравнения кодов, первый и второй триггеры, первый и второй дешифраторы, первый и второй усилители мощности, формирователь, генератор тактовых импульсов, выход которого подключен к входу двоичного счетчика, первый выход которого соединен с вторым входом схемы сравнения кодов, а второй выход подключен к соединенным вместе входу формирователя и второму входу реверсивного двоичного счетчика, первый вход которого является входом блока управления, а выход двоичного реверсивного счетчика подключен к первому входу регистра, выход которого соединен с первым входом схемы сравнения кодов, выход которой подключен к первому входу первого триггера, второй вход которого соединен с выходом формирователя и объединен с вторым входом регистра и входом второго триггера, выход первого триггера соединен с первыми входами первого и второго дешифраторов и объединен с входом первого усилителя мощности, выход которого является пятым выходом блока управления, выход второго триггера соединен с вторыми входами первого и второго дешифраторов и объединен с входом второго усилителя мощности, выход которого является первым выходом блока управления, первый и второй выходы первого дешифратора соединены вместе и с третьим и четвертым выходами этого дешифратора составляют второй выход блока управления, третий и четвертый выходы второго дешифратора соединены вместе и с первым и вторым выходами этого дешифратора составляют третий выход блока управления, четвертый выход которого составляют выходы реверсивного двоичного счетчика и формирователя, введен блок калибровки, первый и второй выходы которого соединены с третьим и четвертым входами первого триггера соответственно.To the control unit, which contains a reversible binary counter, binary counter, register, code comparison circuit, first and second triggers, first and second decoders, first and second power amplifiers, driver, clock generator, the output of which is connected to the input of the binary counter, first the output of which is connected to the second input of the code comparison circuit, and the second output is connected to the input of the shaper and the second input of the reversible binary counter connected together, the first input of which is the input of the control unit and the output of the binary reversible counter is connected to the first input of the register, the output of which is connected to the first input of the code comparison circuit, the output of which is connected to the first input of the first trigger, the second input of which is connected to the output of the driver and combined with the second input of the register and the input of the second trigger, the output of the first trigger is connected to the first inputs of the first and second decoders and combined with the input of the first power amplifier, the output of which is the fifth output of the control unit, the output of the second trigger is connected to w the other inputs of the first and second decoders and combined with the input of the second power amplifier, the output of which is the first output of the control unit, the first and second outputs of the first decoder are connected together and with the third and fourth outputs of this decoder make up the second output of the control unit, the third and fourth outputs of the second decoder connected together and with the first and second outputs of this decoder make up the third output of the control unit, the fourth output of which are the outputs of the reversible binary counter and forms rovatelya, entered calibration unit, first and second outputs of which are connected to third and fourth inputs of the first flip-flop, respectively.
На фиг.1 представлена структурная схема радиометра - аналога.Figure 1 presents the structural diagram of a radiometer - analogue.
На фиг.2 представлена структурная схема радиометра - прототипа.Figure 2 presents the structural diagram of the radiometer prototype.
На фиг.3 представлена структурная схема предлагаемого двухканального нулевого радиометра.Figure 3 presents the structural diagram of the proposed two-channel zero radiometer.
На фиг.4 показаны временные диаграммы, поясняющие принцип работы двухканального нулевого радиометра.Figure 4 shows timing diagrams explaining the principle of operation of a two-channel zero radiometer.
На фиг.5 представлена структурная схема блока управления радиометра.Figure 5 presents the structural diagram of the control unit of the radiometer.
На фиг.6 показана карта диапазонов измерения.6 shows a map of measuring ranges.
В состав радиометра входят (фиг.3) антенна 1, входной блок, два идентичных измерительных канала, узел обработки. Входной блок включает установленные на термостатированной плате 7 высокочастотный модулятор 3, первый 6 и второй 24 генераторы шума, аттенюатор 5, первый 2 и второй 23 направленные ответвители, первый 26 и второй 25 источники тока, согласованную нагрузку 4. Каждый измерительный канал состоит из приемников 8 и 13, предварительных усилителей низкой частоты 9 и 14, синхронных фильтров 10 и 15, усилителей низкой частоты 11 и 16, фильтров высокой частоты 12 и 17. В состав узла обработки входят низкочастотный модулятор 18, компаратор 19, блок управления 20, интегратор динамического типа 21, с выхода которого сигнал поступает на выходную шину 22.The composition of the radiometer (Fig. 3) includes
Первый 6 и второй 24 генераторы шума выполнены с использованием полупроводниковых лавинно-пролетных диодов, через активную зону которых протекают токи, вырабатываемые соответствующими первым 26 и вторым 25 источниками тока. Изменением тока происходит настройка выходной шумовой мощности генераторов и, следовательно, опорных сигналов.The first 6 and second 24 noise generators are made using semiconductor avalanche-span diodes, through the active zone of which the currents generated by the corresponding first 26 and second 25 current sources flow. By changing the current, the output noise power of the generators and, therefore, the reference signals are tuned.
Во входном блоке радиометра происходит модуляция сигналов. Амплитудной импульсной модуляции подвергаются сигналы трактов антенны и согласованной нагрузки. Модуляция происходит в высокочастотном модуляторе 3 по симметричному закону и включает два равных полупериода с длительностью tмод. Входной сигнал антенны поступает на первый вход модулятора 3 через направленный ответвитель 2, в котором к сигналу антенны добавляется сигнал первого генератора шума 6, предварительно модулированного по широтно-импульсному закону. Широтная модуляция выполняется дискретным изменением коэффициента поглощения аттенюатора 5 по управляющему сигналу tшис, поступающему с пятого выхода блока управления. Два уровня α и α+Δα уменьшения сигнала генератора шума Tгш1 аттенюатором 5 настраиваются при выполнении операции калибровки, которая описана ниже. Первый уровень α определяет верхнюю границу диапазона измерения, второй α+Δα - размах диапазона. Соответственно, первый опорный сигнал Топ1, определяющий верхнюю границу диапазона измерения, поступающий на первый вход высокочастотного модулятора 3 через первый направленный ответвитель 2 и аттенюатор 5, равенIn the input unit of the radiometer, the signals are modulated. Signal paths of the antenna and matched load are subjected to amplitude pulse modulation. Modulation occurs in the high-
Топ1=[(Тгш1-T0)α+Т0(1-α)]β1+Т0(1-β)-Т0,T op1 = [(T rsh1 -T 0 ) α + T 0 (1-α)] β 1 + T 0 (1-β) -T 0 ,
где Т0 - физическая температура термостатированной платы 7 входного блока, β1 - коэффициент передачи первого направленного ответвителя, α - коэффициент уменьшения сигнала аттенюатором, изменяющийся в пределах от 0 (полное подавление сигнала) до 1 (полное пропускание).where T 0 is the physical temperature of the thermostatically controlled
При поступлении с пятого выхода блока управления сигнала tшис на управляющий вход аттенюатора 5, в последнем коэффициент α увеличивается на величину Δα, что приводит к увеличению опорного сигнала на первом входе модулятора 3 до величины Тдоп, который равенUpon receipt from the fifth output of the control unit of the signal t chis at the control input of the
Тдоп=[(Тгш1-T0)(α+Δα)+Т0(1-α-Δα)]β1+Т0(1-β)-Т0.T add = [(T rsh1 -T 0 ) (α + Δα) + T 0 (1-α-Δα)] β 1 + T 0 (1-β) -T 0 .
На изменение коэффициента уменьшения сигнала аттенюатором накладывается условие: α и сумма α+Δα при регулировании не должны превышать единицы. При невыполнении условия в процессе калибровки радиометра происходит регулирование тока источника 26, питающего первый генератор шума.The condition is imposed on the change in the signal reduction coefficient by the attenuator: α and the sum α + Δα during regulation should not exceed unity. If the condition is not met during the calibration of the radiometer, the current of the source 26, which feeds the first noise generator, is regulated.
Тракт согласованной нагрузки включает второй направленный ответвитель 23, в котором к сигналу согласованной нагрузки Тсн добавляется опорный сигнал Топ2 второго генератора шума 24, поступающего на второй вход высокочастотного модулятора 3. Сигнал Топ2 настраивается регулировкой выходного сигнала Тгш2 второго генератора шума при выполнении операции калибровки и также, как и сигнал Tоп1, определяет верхнюю границу диапазона измеряемых сигналов. Изменение опорного сигнала Топ2 происходит не методом ослабления в аттенюаторе, а изменением тока источника 25, питающего шумовой генератор 24. Опорный сигнал Топ2 равенMatched load path includes a second directional coupler 23, wherein the signal to matched load T cN accrue reference signal T OP2 second noise generator 24, input to the second input of the
Топ2=(Тгш2-Т0)β2+Т0(1-β2)-Т0,T op2 = (T rsh2 -T 0 ) β 2 + T 0 (1-β 2 ) -T 0 ,
где β2 - коэффициент передачи второго направленного ответвителя 23.where β 2 is the transmission coefficient of the second directional coupler 23.
Принцип работы радиометра заключается в следующем. Управляющие модуляцией сигналы, поступающие на модулятор 3 с первого выхода блока управления 20, представляют собой периодическую последовательность прямоугольных импульсов, следующих со скважностью, равной двум. Один период модуляции состоит из двух равных полупериодов с длительностями tмод (фиг.4). В первом полупериоде, когда на выходе 1 блока управления сигнал tмод имеет низкий уровень, соответствующий логическому нулю, в модуляторе 3 входы и выходы коммутируются следующим образом: вход 2 подключен к выходу 1 (см. фиг.3), вход 1 подключен к выходу 2. То есть сигнал согласованной нагрузки 4, равный Тсн, и сигнал второго опорного генератора шума 24, на выходе направленного ответвителя 23 равный Топ2, поступают на вход первого измерительного канала (приемник 8). Сигнал антенны 1 с эффективной температурой Тα и сигнал первого опорного генератора шума 6, на выходе направленного ответвителя 2 равный Тдоп или Топ1 в зависимости от сигнала на управляющем входе аттенюатора 5, поступает на вход второго измерительного канала (приемник 13).The principle of operation of the radiometer is as follows. The modulation control signals supplied to the
Во втором полупериоде модуляции, когда сигнал tмод имеет высокий логический уровень, в модуляторе 3 вход 1 подключается к выходу 1, вход 2 - к выходу 2. Тем самым к приемнику первого канала подключается тракт антенны, к приемнику второго канала - тракт согласованной нагрузки. В каждом полупериоде модуляции на пятом выходе блока управления вырабатывается широтно-импульсный сигнал с длительностью tшис (фиг.4).In the second modulation half-cycle, when the t mode signal has a high logic level, in
С выходов обоих каналов периодическая последовательность модулированных сигналов, усиленная по высокой частоте, продетектированная и усиленная по низкой частоте, поступает на вход компаратора 19 через низкочастотный модулятор 18, который, также как и модулятор 3, управляется сигналами tмод. В результате синхронной работы обоих модуляторов на вход компаратора поочередно проходят только сигналы согласованной нагрузки, которые на выходе первого измерительного канала возникают в первом полупериоде модуляции, а на выходе второго канала - во втором полупериоде модуляции.From the outputs of both channels, a periodic sequence of modulated signals amplified at a high frequency, detected and amplified at a low frequency, is fed to the input of the
На фиг.4 приведены временные диаграммы сигналов на выходах измерительных каналов (соответствующих выходах фильтров высоких частот 12 и 17), когда в радиометре установлен нулевой баланс. Нулевой баланс для каждого измерительного тракта считается установленным, если в полупериод модуляции с подключенной согласованной нагрузкой к входу приемника, выходное напряжение канала равно нулю, и этот случай фиксируется компаратором 19, работающим в режиме нуль-органа. Нулевой баланс для каждого измерительного канала при включении питания радиометра устанавливается и затем при изменении сигнала антенны регулируется соответствующим изменением длительности широтно-импульсного сигнала tшис. Так как выходные сигналы каналов имеют периодический характер и в них исключена постоянная составляющая, тогда для одного периода выполняется равенство вольт-секундных площадей положительного и отрицательного импульсов. Так как в полупериод модуляции с подключенной согласованной нагрузкой напряжение на входе компаратора равно нулю, поэтому равенство вольт-секундных площадей положительного и отрицательного импульсов выполняется в другой полупериод модуляции при подключении на вход приемников антенны.Figure 4 shows the timing diagrams of the signals at the outputs of the measuring channels (corresponding to the outputs of the high-
Так, для первого канала, согласно фиг.4, имеемSo, for the first channel, according to figure 4, we have
где U+ и U- - амплитуды положительного и отрицательного импульсов, равныеwhere U + and U - are the amplitudes of the positive and negative pulses equal to
где G1 - коэффициент пропорциональности между входными сигналами Тα, Тдоп, Тсн, Топ1, Топ2 и напряжениями на выходе фильтра высокой частоты первого канала, в который входят коэффициенты усиления по высокой и низкой частотам, коэффициент передачи квадратичного детектора, k - постоянная Больцмана, df1 - полоса принимаемых первым каналом частот, Tш1 - эффективная температура собственных шумов приемника первого канала.where G 1 is the coefficient of proportionality between the input signals T α , T add , T sn , T op1 , T op2 and the voltage at the output of the high-pass filter of the first channel, which includes high and low frequency amplification factors, the transfer coefficient of the quadratic detector, k is the Boltzmann constant, df 1 is the frequency band received by the first channel, T W1 is the effective temperature of the noise of the receiver of the first channel.
Подставляя (2) в (1), получимSubstituting (2) in (1), we obtain
G1kdf1(Tα+Тдоп+Тно1-Тсн-Топ2)tшис=G 1 kdf 1 (T α + T add + T but1 -T sn -T op2 ) t chis =
=G1kdf1(Tсн+Топ2-Тα-Tоп1)(tмод-Тшис).= G 1 kdf 1 (T cn + T op2 -T α -T op1 ) (t mod -T s ).
ОткудаWhere from
Из формулы (3) следует линейная зависимость длительности tшис и входного сигнала антенны Тα. Следовательно, через эту длительность можно косвенно определить сигнал антенны. Также из формулы (2) следует, что на длительность широтно-импульсного сигнала tшис не влияют изменения коэффициента передачи измерительного тракта (коэффициента G1) и собственные шумы приемника (Тш1). Устранение влияния этих двух основных дестабилизирующих факторов указывает на то, что радиометр работает по принципу нулевых измерений. Однако изменения коэффициентов усиления входящих в приемник усилителей не должны превышать тот предел, за которым измерительный канал начинает работать в нелинейном режиме. Преобразования сигналов квадратичным детектором приемника должны проходить в квадратичной области вольтамперной характеристики диода.From the formula (3) follows a linear dependence of the duration t SHIS and the input signal of the antenna T α . Therefore, through this duration, the antenna signal can be indirectly determined. It also follows from formula (2) that the width of the pulse-width pulse signal t chis is not affected by changes in the transmission coefficient of the measuring path (coefficient G 1 ) and the receiver's own noise (T sh1 ). Elimination of the influence of these two main destabilizing factors indicates that the radiometer works on the principle of zero measurements. However, changes in the amplification factors of the amplifiers included in the receiver should not exceed the limit beyond which the measuring channel begins to work in nonlinear mode. The signal transformations by the quadratic detector of the receiver should take place in the quadratic region of the current-voltage characteristics of the diode.
Для второго измерительного канала после аналогичных вычислений получаем аналогичную формулу (3) для нахождения длительности tшис.For the second measuring channel, after similar calculations, we obtain a similar formula (3) for finding the duration t chis .
Сигнал антенны определяется из (3)The antenna signal is determined from (3)
Значения максимального и минимального сигналов антенны могут быть найдены из формулы (4) подстановкой в нее длительностей tшис, равных нулю, и длительности tмод: Tα,макс=Tсн+Tоп2-Tоп1; Тα,мин=Тсн+Топ2-Tоп1-Тдоп.The values of the maximum and minimum signals of the antenna can be found from formula (4) by substituting into it the durations of tshiss equal to zero and the duration of t modes : T α, max = T cn + T op2 -T op1 ; T α, min = T cn + T op2 -T op1 -T add .
Таким образом, изменением сигналов Топ1 и Топ2 можно регулировать верхнюю границу диапазона измерения, изменением сигнала Тдоп - нижнюю границу, т.е. произвольно определять диапазон измерения.Thus, by changing the signals T op1 and T op2, you can adjust the upper limit of the measurement range, by changing the signal T add - the lower boundary, i.e. arbitrarily determine the measuring range.
Структурная схема блока управления представлена на фиг.5. Блок управления вырабатывает все необходимые сигналы для функционирования радиометра. В нем также формируется цифровой код, который поступает на интегратор динамического типа 21 (фиг.3) и далее, после усреднения, на выходную шину 22. Этот цифровой код является цифровым эквивалентом измеряемого сигнала антенны. Блок управления состоит из цифровых логических элементов и в его состав входят: двоичный счетчик 28, реверсивный двоичный счетчик 29, регистр временного хранения данных 30, схема сравнения двоичных кодов 31, триггеры формирования широтно-импульсного сигнала 32 и симметричной модуляции 33, формирователь импульсов 38, два дешифратора 36 и 37 для управления синхронными фильтрами измерительных каналов, два усилителя мощности 34 и 35 выходных сигналов триггеров, генератор тактовых импульсов 39. Принцип работы блока управления соответствует принципу работы прототипа. В реверсивном счетчике 29 хранится код, соответствующий длительности широтно-импульсного сигнала. Поэтому в формуле (3) можно сделать переход от длительностей к их цифровым эквивалентамThe block diagram of the control unit is presented in figure 5. The control unit generates all the necessary signals for the functioning of the radiometer. It also generates a digital code that goes to the dynamic type integrator 21 (Fig. 3) and then, after averaging, to the
где NРсч - код реверсивного счетчика, Nмакс - код реверсивного счетчика, когда во всех его разрядах единицы.where N Rsch is the code of the reverse counter, N max is the code of the reverse counter, when in all its digits it is one.
Для настройки диапазона измерения в блок управления радиометром введен узел калибровки 40. Данный узел представляет собой переключатель на три положения. С помощью данного переключателя устанавливаются два режима работы радиометра "работа" и "калибровка". Первых два положения переключателя "мин" и "макс" соответствуют режиму калибровки. В положении "мин" с первого выхода переключателя 40 на третий вход первого триггера 32 блока управления поступает сигнал логической единицы и данный триггер, независимо от сигналов на входах 1 и 2, устанавливается в единицу. Тем самым на выходе 5 блока управления постоянно действует сигнал tшис. При положении переключателя "макс" сигнал логической единицы с его второго выхода поступает на четвертый вход первого триггера 32 и удерживает его в сброшенном состоянии независимо от сигналов на входах 1 и 2. В результате сигнал tшис не будет вырабатываться. Третье положение переключателя "работа" обеспечивает на выходах "мин" и "макс" переключателя потенциалы логического нуля и первый триггер блока управления работает в обычном режиме.To set the measuring range, a
Настройка сигналов Топ1, Топ2, Тдоп осуществляется в процессе калибровки радиометра. Пять вариантов измерительных диапазонов показаны на фиг.6. Для первых трех случаев (фиг.6 а, б, в) минимальный Тα,мин и максимальный Тα,макс сигналы антенны соответствуют неравенствам: Tα,мин и Тα,макс<Тсн; Тα,мин<Тсн, Тα,макс>Тсн; Тα,мин и Тα,макс>Тсн. Два последних случая (фиг.5 г, д) являются частными и имеют место, если Тα,мин=Тсн и Тα,макс=Тсн.The setting of signals T op1 , T op2 , T add is carried out during the calibration of the radiometer. Five measurement ranges are shown in FIG. 6. For the first three cases (Fig.6 a, b, c) the minimum T α, min and maximum T α, max antenna signals correspond to the inequalities: T α, min and T α, max <T sn ; T α, min <T sn , T α, max > T sn ; T α, min and T α, max > T sn . The last two cases (Fig. 5 g, d) are particular and occur if T α, min = T sn and T α, max = T sn .
Калибровка для всех пяти случаев включает два этапа (производится по двухточечному методу).Calibration for all five cases involves two stages (performed by the point-to-point method).
Первый этап начинается с установки переключателя блока 40 в блоке управления 20 в положение "макс" (сигнал tшис не вырабатывается и на всем протяжении этого этапа калибровки Тдоп отключен) и подключения на вход радиометра вместо антенны эталонного излучателя, определяющего верхнюю границу диапазона измерения Tэт,макс. На этом этапе производится настройка либо опорного сигнала Tоп1 либо Топ2. Если необходим диапазон измерения, представленный на фиг.6а, для которого сигнал антенны всегда меньше сигнала согласованной нагрузки, регулируется Топ1 соответствующим изменением коэффициента поглощения α аттенюатора 5. Для этого диапазона измерения второй опорный сигнал Топ2=0. Это условие достигается выключением второго источника тока 25, питающего второй генератор шума 24 во входном блоке радиометра. Регулировка опорного шумового сигнала для данного случая и всех последующих производится до получения нулевого напряжения на первом входе компаратора 19 радиометра, что аналогично работе известных радиометров на нулевом методе с аналоговым регулированием нулевого баланса, описанных, например, в [Геворкян В.Г.. Кисляков А.Г. Мирзабекян Э.Г. Автоматический нулевой радиометр диапазона длин волн 3-4 мм // Известия вузов. Радиофизика. 1979. Т.22, №2. С.240-242]. Регулировка завершается, когда на входе компаратора сигнал с частотой модуляции исчезает и этот момент регистрируется осциллографом, подключенным к первому входу компаратора.The first stage begins by setting the switch of
Для диапазонов измерения на фиг.5б на первом этапе происходит настройка Топ2 регулировкой выходного тока источника 25. Топ1 отключается в результате установки в аттенюаторе 5 коэффициента α=0 (полное поглощение сигнала). В частных случаях, для настройки на диапазон, показанный на фиг.5г Топ2 и Топ1, выключаются, так как Тэт,макс=Тсн. Для диапазона на фиг.5д регулировка по максимальному эталону производится также, как и для диапазона на фиг.5б, в.For the measurement ranges in FIG. 5b, at the first stage, T op2 is adjusted by adjusting the output current of the source 25. T op1 is turned off as a result of setting the coefficient α = 0 in the attenuator 5 (total signal absorption). In special cases, to tune to the range shown in FIG. 5g, T op2 and T op1 are turned off, since T et, max = T sn . For the range in FIG. 5d, adjustment according to the maximum standard is carried out as well as for the range in FIG. 5b, c.
Второй этап, в результате выполнения которого настраивается нижняя граница диапазона, начинается с подключения на вход радиометра эталона Тэт,мин, определяющего нижнюю границу, и переключением блока 40 в положение "мин". Тогда производится установка tшис=tмод и для всех пяти рассмотренных диапазонов выполняется регулировка Тдоп изменением коэффициента Δα поглощения аттенюатора 5. Регулировка происходит аналогично регулировке на первом этапе (регистрируется сигнал на первом входе компаратора 19, регулировка производится до исчезновения частоты модуляции).The second stage, as a result of which the lower limit of the range is adjusted, begins by connecting to the input of the radiometer the standard T et, min defining the lower limit, and switching the
После проведения двух этапов калибровки радиометр настраивается на заданный диапазон измерения от Тэт,мин до Тэт,макс.After two calibration steps, the radiometer is adjusted to the specified measurement range from T et, min to T et, max .
В радиометре блок управления 20 и динамический интегратор 21 выполнены на цифровых интегральных схемах логики КМОП. Схема интегратора динамического типа описана в [а.с. №1409953. Волохов С.А., Корсаков С.Я., Кочетов А.А. Модуляционный радиометр. G01R 29/08. БИ №26, 1988, с.155]. В литературе достаточно полно описаны конструкции высокочастотного модулятора 3, аттенюатора 5 с электронной перестройкой коэффициента поглощения, направленных ответвителей 2 и 23 [Бахарев С.И., Вольман В.И., Либ Ю.Н. и др. Под ред. Вольмана В.И. Справочник по расчету и конструирования СВЧ полосковых устройств. М.: Радио и связь, 1982; Богданов A.M., Давидович М.В., Кац Б.М. и др. Под ред. А.П.Креницкого и В.П.Мещанова. Сверхширокополосные микроволновые устройства. М.: Радио и связь, 2001]. В данном радиометре эти узлы выполнены на микрополосковых волноведущих структурах. Прецизионные регулируемые источники тока 25 и 26 выполнены с применением интегральной аналоговой схемотехники и обеспечивают регулировку тока в пределах от 0.01 до 10 мА. В приемниках измерительных каналов применены транзисторные усилители. Полосовые фильтры выполнены на встречных стержнях [Мазепова О.И., Мещанов В.П., Прохорова Н.Н. и др. Под ред. Фельдштейна А.А. Справочник по элементам полосоковой техники. М.: Связь, 1979]. Синхронные фильтры 10 и 15 описаны в [Фрейтер. Синхронный интегратор и демодулятор // Приборы для научных исследований. 1965. Т.36, №5. С.53]. Низкочастотный модулятор 18, аналоговый компаратор 19 применены в интегральном исполнении.In the radiometer, the
В отличие от прототипа данным радиометром можно измерять сигналы в любом диапазоне измерения, сохраняя при этом работу радиометра в режиме нулевых измерений, который повышается стабильность его функционирования. Настройка на выбранный диапазон измерения происходит в процессе операции калибровки.Unlike the prototype, this radiometer can measure signals in any measurement range, while maintaining the operation of the radiometer in zero measurement mode, which increases the stability of its operation. The adjustment to the selected measuring range occurs during the calibration operation.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008148402/09A RU2393502C1 (en) | 2008-12-08 | 2008-12-08 | Two-channel null radiometre |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008148402/09A RU2393502C1 (en) | 2008-12-08 | 2008-12-08 | Two-channel null radiometre |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2393502C1 true RU2393502C1 (en) | 2010-06-27 |
Family
ID=42683775
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2008148402/09A RU2393502C1 (en) | 2008-12-08 | 2008-12-08 | Two-channel null radiometre |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2393502C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2460081C2 (en) * | 2010-11-23 | 2012-08-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) | Multichannel null radiometer |
RU2541426C1 (en) * | 2013-09-23 | 2015-02-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" | Multi-receiver zero radiometer |
-
2008
- 2008-12-08 RU RU2008148402/09A patent/RU2393502C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2460081C2 (en) * | 2010-11-23 | 2012-08-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) | Multichannel null radiometer |
RU2541426C1 (en) * | 2013-09-23 | 2015-02-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" | Multi-receiver zero radiometer |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Tiuri | Radio astronomy receivers | |
JP3909102B2 (en) | RF power measuring device | |
US6348829B1 (en) | RMS-DC converter having detector cell with dynamically adjustable scaling factor | |
Filatov et al. | A microwave four-channel null L-band radiometer | |
KR20190049096A (en) | Automotive radar system | |
CN112272036A (en) | Temperature compensation device and method for radio frequency receiver and radio frequency receiver | |
CN114978054B (en) | Self-zeroing operational amplifier | |
RU2619841C1 (en) | Zero radiometer | |
RU2393502C1 (en) | Two-channel null radiometre | |
US7436165B2 (en) | Device for measuring very short current pulses | |
HU196513B (en) | Apparatus for measuring voltage by sampling | |
RU2439594C1 (en) | Zero radiometer | |
RU2460081C2 (en) | Multichannel null radiometer | |
RU2642475C2 (en) | Zero radiometer | |
US9140739B2 (en) | On-chip resistor calibration in semiconductor devices | |
US7221141B2 (en) | Switched measuring system and method for measuring radiant signals | |
CN217693262U (en) | AGC circuit with temperature compensation and receiver | |
TWI603578B (en) | Integrated technique for enhanced power amplifier forward power detection | |
RU2235340C1 (en) | Null radiometer | |
RU2745796C1 (en) | Fast zero radiometer | |
RU2541426C1 (en) | Multi-receiver zero radiometer | |
RU2698488C1 (en) | Zero radiometer | |
RU2211455C1 (en) | Radiometer | |
RU2093845C1 (en) | Zero radiometer | |
RU2794063C1 (en) | Microwave radiometer |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20141209 |