RU2439594C1 - Zero radiometer - Google Patents

Zero radiometer Download PDF

Info

Publication number
RU2439594C1
RU2439594C1 RU2010122360/28A RU2010122360A RU2439594C1 RU 2439594 C1 RU2439594 C1 RU 2439594C1 RU 2010122360/28 A RU2010122360/28 A RU 2010122360/28A RU 2010122360 A RU2010122360 A RU 2010122360A RU 2439594 C1 RU2439594 C1 RU 2439594C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
input
radiometer
modulator
output
attenuator
Prior art date
Application number
RU2010122360/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2010122360A (en
Inventor
Александр Владимирович Филатов (RU)
Александр Владимирович Филатов
Антон Викторович Убайчин (RU)
Антон Викторович Убайчин
Никита Олегович Жуков (RU)
Никита Олегович Жуков
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР)
Priority to RU2010122360/28A priority Critical patent/RU2439594C1/en
Publication of RU2010122360A publication Critical patent/RU2010122360A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2439594C1 publication Critical patent/RU2439594C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Circuits Of Receivers In General (AREA)
  • Radiation Pyrometers (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: radiometer for generating two reference signals employs one noise generator. This enables to minimise the effect of changes in the output power of the generator on measurement accuracy. The zero radiometer comprises series-connected antenna, directional coupler, first modulator, receiver, pulsed amplifier, high-pass filter, synchronous low-pass filter, comparator, control unit; the second input of the comparator is connected to the common bus of the radiometer, the first and second outputs of the control unit are connected to corresponding control inputs of the synchronous low-pass filter and the first modulator, and the third is the output bus of the radiometer, the output of the current source is connected to the input of the noise generator, the output of the first attenuator is connected to the second input of the directional coupler. The directional coupler, first modulator, first attenuator, noise generator and current source are mounted on a temperature-controlled board and are in thermal contact with the board; a second attenuator and a second modulator are also mounted on a temperature-controlled board and are in thermal contact with the board, and their first and second outputs are respectively connected to the input of the first attenuator and the second input of the first modulator through the second attenuator, and the input of the second modulator and its control input are connected to the output of the noise generator and the fourth output of the control unit, respectively.
EFFECT: broader functionalities of the radiometer.
4 dwg

Description

Изобретение относится к микроволновой радиометрии и может использоваться для измерения электромагнитных сигналов собственного теплового излучения материальных сред в системах дистанционного зондирования Земли, различных природных объектов, промышленности.The invention relates to microwave radiometry and can be used to measure electromagnetic signals of the intrinsic thermal radiation of material media in Earth remote sensing systems, various natural objects, and industry.

Известен радиометр [W.N.Hardy, K.W.Gray and A.W.Love // IEEE MTT-22, N4, 1974, p.p.382-391], состоящий из (фиг.1) модулятора 3, осуществляющего в зависимости от управляющего сигнала опорного генератора 10 попеременную коммутацию на вход приемника 7 согласованной нагрузки 14 и антенны 1, подключенной к модулятору через направленный ответвитель 2. На другой вход этого ответвителя через аттенюатор 4 и свч-ключ 5, управляемый формирователем импульсов 11, поступает сигнал генератора шума 6. В низкочастотной части радиометр содержит последовательно соединенные синхронный детектор 8, интегратор 9, преобразователь "напряжение - частота" 10. Входное устройство радиометра (модулятор 3, направленный ответвитель 2, аттенюатор 4, управляемый свч-ключ 5, генератор шума 6, согласованная нагрузка 14) находятся в термостате 12. Выходной сигнал интегратора 9 поступает на выход радиометра (шина 13).Known radiometer [WNHardy, KWGray and AWLove // IEEE MTT-22, N4, 1974, pp382-391], consisting of (Fig. 1) modulator 3, depending on the control signal of the reference generator 10, alternating switching on the input of the receiver 7 of the matched load 14 and the antenna 1 connected to the modulator through a directional coupler 2. At the other input of this coupler through the attenuator 4 and the microwave key 5, controlled by the pulse shaper 11, the signal of the noise generator 6 is received. In the low-frequency part, the radiometer contains connected in series synchronous detector 8, integrator 9, voltage-frequency converter 10. The input device of the radiometer (modulator 3, directional coupler 2, attenuator 4, controlled microwave key 5, noise generator 6, matched load 14) are located in the thermostat 12. The output signal of the integrator 9 enters the output of the radiometer (bus 13).

В радиометре ввод сигнала генератора шума в антенный тракт осуществляется импульсами длительностью 40 мкс, частота повторения которых зависит от выходного сигнала преобразователя "напряжение - частота". В синхронном детекторе происходит выделение постоянного уровня напряжения из огибающей модулированных во входном устройстве радиометра сигналов согласованной нагрузки и смеси сигналов антенны и генератора шума. При работе данного радиометра выполняется условие нулевого приема - выходной сигнал не зависит от коэффициента усиления приемника и, следовательно, его изменения и медленные флуктуации (меньше частоты модуляции в радиометре) не влияют на точность измерений.In the radiometer, the input of the noise generator signal into the antenna path is carried out by pulses of 40 μs duration, the repetition frequency of which depends on the output signal of the voltage-frequency converter. In the synchronous detector, a constant voltage level is extracted from the envelope of the matched load signals modulated in the input device of the radiometer and a mixture of antenna and noise generator signals. When this radiometer is in operation, the condition of zero reception is fulfilled - the output signal does not depend on the gain of the receiver and, therefore, its changes and slow fluctuations (less than the modulation frequency in the radiometer) do not affect the measurement accuracy.

Так как модулированная последовательность сигналов представляет собой изменяемую во времени импульсную последовательность (на сигнал антенны накладываются короткие импульсы сигнала генератора шума), то применение для ее преобразования таких классических операций, как синхронное детектирование и интегрирование, приводит к погрешностям. Это относится к недостатку описанного радиометра, который выбран в качестве аналога.Since the modulated signal sequence is a time-varying pulse sequence (short pulses of the noise generator signal are superimposed on the antenna signal), the application of such classical operations as synchronous detection and integration to its conversion leads to errors. This relates to the disadvantage of the described radiometer, which is selected as an analog.

Известен сверхвысокочастотный нулевой радиометр [Филатов А.В., Бордонский Г.С. // Нулевой радиометр. А.с. СССР №1704107, G01R 29/08, G01S 13/95 - прототип], структурная схема которого изображена на фиг.2, содержащий последовательно соединенные антенну 1, направленный ответвитель 2, модулятор 3, приемник 7, низкочастотный усилитель 8, фильтр верхних частот 9, синхронный фильтр низких частот 10, компаратор (нуль-орган) 11, блок управления 12, на выходе которого формируется цифровой код измеряемого сигнала антенны, поступающий на шину 14. В радиометре обеспечивается автоматический ввод опорного сигнала генератора шума 5 в направленный ответвитель 2 через аттенюатор 4, регулировка которого происходит в процессе калибровки. Импульсный сигнал с выхода 4 блока управления 12 включает источник постоянного тока 6. Управляемый источник 6 питает генератор шума 5. Шумовой сигнал, вырабатываемый генератором, является первым опорным сигналом. Второй опорный шумовой сигнал вырабатывается согласованной нагрузкой 15, находящейся при температуре термостатированной платы 13. Для повышения стабильности работы радиометра на этой же плате установлены модулятор 3, направленный ответвитель 2, аттенюатор 4, генератор шума 5, управляемый источник тока 6.Known microwave RF radiometer [Filatov A.V., Bordonsky G.S. // Zero radiometer. A.S. USSR No. 1704107, G01R 29/08, G01S 13/95 - prototype], the structural diagram of which is shown in figure 2, containing a series-connected antenna 1, directional coupler 2, modulator 3, receiver 7, low-frequency amplifier 8, high-pass filter 9 , a synchronous low-pass filter 10, a comparator (zero-organ) 11, a control unit 12, at the output of which a digital code of the measured antenna signal is generated, arriving on bus 14. The radiometer provides automatic input of the reference signal of the noise generator 5 into the directional coupler 2 through the attenuator 4, p Adjustment of which occurs during the calibration process. The pulse signal from the output 4 of the control unit 12 includes a direct current source 6. The controlled source 6 supplies the noise generator 5. The noise signal generated by the generator is the first reference signal. The second reference noise signal is generated by the coordinated load 15, which is located at the temperature of the thermostated board 13. To increase the stability of the radiometer, a modulator 3, a directional coupler 2, an attenuator 4, a noise generator 5, and a controlled current source 6 are installed on the same board.

Особенность работы данного радиометра заключается в следующем. Обработка огибающей сигналов на выходе приемника (по низкой частоте) включает следующие операции: исключение постоянной составляющей напряжения фильтром высокой частоты и анализ полярности напряжения на входе компаратора на промежутке времени, когда к входу приемника подключена согласованная нагрузка. Так как в низкочастотной части радиометра нет преобразований модулированных сигналов (преобразований формы сигналов) с целью выделения информативных уровней напряжения, то и погрешности, связанные с этими преобразованиями, отсутствуют. В этом радиометре, как и в радиометре-аналоге, выполняется принцип нулевых измерений, в результате выполнения которого радиометр становится нечувствительным к изменениям коэффициента передачи измерительного тракта.A feature of the operation of this radiometer is as follows. Processing the envelope of the signals at the output of the receiver (at a low frequency) includes the following operations: eliminating the DC component of the voltage by a high-pass filter and analyzing the polarity of the voltage at the input of the comparator for a period of time when a matched load is connected to the input of the receiver. Since there are no transformations of modulated signals (transformations of the waveform) in the low-frequency part of the radiometer in order to isolate informative voltage levels, there are no errors associated with these transformations. In this radiometer, as in the analog radiometer, the principle of zero measurements is fulfilled, as a result of which the radiometer becomes insensitive to changes in the transmission coefficient of the measuring path.

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 и повышения точности измерений при сохранении возможности работы радиометра в режиме нулевых измерений. В радиометре для формирования двух опорных сигналов используется один шумовой генератор. Это позволяет минимизировать влияние изменений выходной мощности генератора на точность измерений.The present invention solves the problem of expanding the functionality of the radiometer over the range of measured antenna signals and improving the accuracy of measurements while maintaining the ability of the radiometer to operate in zero measurement mode. The radiometer uses one noise generator to form two reference signals. This minimizes the effect of changes in the generator output power on the measurement accuracy.

Для достижения этого технического результата в радиометр, содержащий последовательно соединенные антенну, направленный ответвитель, первый модулятор, приемник, импульсный усилитель, фильтр высоких частот, синхронный фильтр низких частот, компаратор, блок управления, второй вход компаратора соединен с общей шиной радиометра, первый и второй выходы блока управления подключены к соответствующим управляющим входам синхронного фильтра низких частот и первого модулятора, а третий является выходной шиной радиометра, выход источника тока соединен с входом генератора шума, выход первого аттенюатора подключен к второму входу направленного ответвителя, причем направленный ответвитель, первый модулятор, первый аттенюатор, генератор шума, источник тока установлены на термостатированной плате и находятся с ней в тепловом контакте, введены установленные на термостатированной плате и находящиеся с ней в тепловом контакте второй аттенюатор и второй модулятор, первый и второй выходы которого соединены соответственно с входом первого аттенюатора и вторым входом первого модулятора через второй аттенюатор, а вход второго модулятора и его управляющий вход подключены к выходу генератора шума и четвертому выходу блока управления, соответственно.To achieve this technical result, a radiometer containing a series-connected antenna, a directional coupler, a first modulator, a receiver, a pulse amplifier, a high-pass filter, a synchronous low-pass filter, a comparator, a control unit, the second input of the comparator is connected to a common radiometer bus, the first and second the outputs of the control unit are connected to the corresponding control inputs of the synchronous low-pass filter and the first modulator, and the third is the output bus of the radiometer, the output of the current source is it is single with the input of the noise generator, the output of the first attenuator is connected to the second input of the directional coupler, and the directional coupler, first modulator, first attenuator, noise generator, current source are installed on the thermostated board and are in thermal contact with it, installed on the thermostated board and located with it, in thermal contact, the second attenuator and the second modulator, the first and second outputs of which are connected respectively to the input of the first attenuator and the second input of the first modulator and through the second attenuator, and the input of the second modulator and its control input are connected to the output of the noise generator and the fourth output of the control unit, respectively.

На фиг.1 представлена структурная схема радиометра-аналога.Figure 1 presents the structural diagram of a radiometer-analogue.

На фиг.2 показана структурная схема радиометра-прототипа.Figure 2 shows the structural diagram of the prototype radiometer.

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 нулевого радиометра.Figure 4 shows the timing diagrams explaining the principle of operation of the zero radiometer.

В состав радиометра входит (фиг.3) антенна 1. Входной блок включает установленные на термостатированной плате 13 первый и второй модуляторы 3 и 16, генератор шума 5, источник постоянного тока 6, первый и второй аттенюаторы 4 и 15, направленный ответвитель 2. Измерительный канал состоит из приемника 7, импульсного усилителя 8, фильтра высоких частот 9, синхронного фильтра низких частот 10, компаратора 11, блока управления 12, с третьего выхода которого сигнал поступает на выходную шину 14.The composition of the radiometer includes (Fig. 3) antenna 1. The input unit includes first and second modulators 3 and 16 mounted on a thermostated circuit board 13, a noise generator 5, a direct current source 6, first and second attenuators 4 and 15, a directional coupler 2. Measuring the channel consists of a receiver 7, a pulse amplifier 8, a high-pass filter 9, a synchronous low-pass filter 10, a comparator 11, a control unit 12, from the third output of which the signal enters the output bus 14.

Во входном блоке радиометра происходит модуляция сигналов. На первый вход первого модулятора 3 поступает входной сигнал антенны 1 через направленный ответвитель 2, в котором к сигналу антенны добавляется первый опорный сигнал Тгш1. Этот опорный сигнал вырабатывается полупроводниковым генератором шума 5 с применением лавинно-пролетного диода, через активную зону которого протекает ток источника 6. Через второй модулятор 16 сигнал генератора шума поступает на вход аттенюатора 4, где ослабляется до необходимой величины (регулировка аттенюатора осуществляется в процессе калибровки, которая описана ниже), равной:In the input unit of the radiometer, the signals are modulated. The first signal of the first modulator 3 receives the input signal of the antenna 1 through a directional coupler 2, in which the first reference signal T rsh1 is added to the antenna signal. This reference signal is generated by a semiconductor noise generator 5 using an avalanche-span diode, through which the current of source 6 flows. Through the second modulator 16, the noise generator signal is fed to the input of the attenuator 4, where it is attenuated to the required value (the attenuator is adjusted during calibration, which is described below) equal to:

Figure 00000001
Figure 00000001

где Тгш - шумовая температура выходного сигнала генератора 5; α1 - коэффициент пропускания аттенюатора 4, равный единице, если сигнал проходит через него без ослабления, и нулю в случае полного поглощения сигнала; Т0 - термодинамическая температура термостатированной платы 13; β - коэффициент передачи направленного ответвителя. Модулятор 16 управляется широтно-импульсным сигналом tшис, поступающим с четвертого выхода блока управления 12.where T gsh - noise temperature of the output signal of the generator 5; α 1 - transmittance of the attenuator 4, equal to unity, if the signal passes through it without attenuation, and zero in the case of complete absorption of the signal; T 0 - thermodynamic temperature of thermostated circuit board 13; β is the transfer coefficient of the directional coupler. The modulator 16 is controlled by a pulse-width pulse signal tw , coming from the fourth output of the control unit 12.

Второй опорный сигнал в радиометре формируется из того же сигнала генератора шума 5 и поступает на второй вход модулятора 3 через второй модулятор 16 и второй аттенюатор 15, в котором ослабляется до величины:The second reference signal in the radiometer is formed from the same signal of the noise generator 5 and is fed to the second input of the modulator 3 through the second modulator 16 and the second attenuator 15, in which it is attenuated to the value:

Figure 00000002
Figure 00000002

где α2 - коэффициент пропускания аттенюатора 15. Первый модулятор 3 управляется симметричным импульсным сигналом tмод типа меандр.where α 2 is the transmittance of the attenuator 15. The first modulator 3 is controlled by a symmetrical pulse signal t modes of the meander type.

С целью минимизации погрешностей входной узел радиометра, а именно генератор шума 5, аттенюаторы 4 и 15, модуляторы 3 и 16, направленный ответвитель 2 расположены на термостатированной плате 13 и находятся с ней в тепловом контакте.In order to minimize errors, the input node of the radiometer, namely the noise generator 5, attenuators 4 and 15, modulators 3 and 16, the directional coupler 2 are located on the thermostatically controlled circuit board 13 and are in thermal contact with it.

Измерительный канал представляет собой радиометрический приемник с линейной передаточной характеристикой и полосой принимаемых частот df. Приемник 7 включает высокочастотные усилители, полосовой фильтр, квадратичный детектор, выделяющий огибающую сигналов модуляции. Фильтр высоких частот 9 собран по схеме однозвенного фильтра первого порядка (представляет собой разделительную CR-цепь) с частотой среза много меньшей частоты модуляции в радиометре (fcp<<1/2tмод), и предназначен для устранения в сигналах постоянной составляющей. В результате на выходе фильтра выделяется переменная составляющая сигнала с минимальными искажениями формы импульсов. Синхронный фильтр низких частот 10 производит предварительную фильтрацию сигнала, уменьшает флуктуационную компоненту в продетектированных сигналах и тем самым исключает перегрузку следующего за ним компаратора 11. Фильтр состоит из трех однозвенных интегрирующих RC-цепей, в которых резистор является общим для всех цепей, а постоянные составляющие трех модулируемых входных сигналов (антенны, антенны и первого опорного сигнала, второго опорного сигнала) накапливаются на трех конденсаторах синхронным их подключением к общей шине радиометра через управляемые электронные ключи. Ключи имеют входы управления, на которые поступает сигнал с блока управления по трехпроводной шине.The measuring channel is a radiometric receiver with a linear transfer characteristic and a band of received frequencies df. The receiver 7 includes high-frequency amplifiers, a band-pass filter, a quadratic detector, which emits the envelope of the modulation signals. The high-pass filter 9 is assembled according to the scheme of a single-link first-order filter (represents a dividing CR-circuit) with a cutoff frequency much lower than the modulation frequency in the radiometer (f cp << 1 / 2t modes ), and is intended to eliminate the DC component in the signals. As a result, the variable component of the signal with minimal distortion of the pulse shape is allocated at the filter output. A synchronous low-pass filter 10 pre-filters the signal, reduces the fluctuation component in the detected signals and thereby eliminates the overload of the next comparator 11. The filter consists of three single-link RC integrating circuits, in which the resistor is common to all circuits, and the constant components of three modulated input signals (antenna, antenna and first reference signal, second reference signal) are accumulated on three capacitors by their synchronous connection to a common radio bus Dr. controlled by electronic keys. The keys have control inputs, which receive a signal from the control unit via a three-wire bus.

Принцип работы радиометра поясняется временными диаграммами на фиг.4 и заключается в следующем. Сигналы модуляции, поступающие на управляющий вход первого модулятора 3 со второго выхода блока управления 12, представляют собой периодическую последовательность прямоугольных импульсов со скважностью, равной двум. Один период модуляции состоит из двух равных полупериодов с равными длительностями tмод (фиг.4). В первом полупериоде модуляции, когда на выходе 2 блока управления сигнал tмод имеет низкий уровень, на вход приемника 7 поступает опорный сигнал Тгш2 через второй вход модулятора 3. Во втором полупериоде, при высоком уровне сигнала tмод, через первый вход модулятора 3 на вход приемника поступает сигнал антенны 1. В этом полупериоде модуляции на четвертом выходе блока управления вырабатывается широтно-импульсный сигнал с длительностью tшис.The principle of operation of the radiometer is illustrated by timing diagrams in figure 4 and is as follows. The modulation signals supplied to the control input of the first modulator 3 from the second output of the control unit 12 are a periodic sequence of rectangular pulses with a duty cycle equal to two. One modulation period consists of two equal half-periods with equal durations of t modes (Fig. 4). In the first half-cycle of the modulation, when the signal t mode is low at the output of the control unit 2, the reference signal Т Гш2 is received at the input of the receiver 7 through the second input of modulator 3. In the second half-cycle, at a high level of the signal t mod , through the first input of modulator 3 the input of the receiver receives the signal of the antenna 1. In this half-cycle of modulation, a pulse-width signal with a duration of tw is generated at the fourth output of the control unit.

На фиг.4 приведены временные диаграммы для случая установленного нулевого баланса в радиометре. Нулевой баланс считается установленным, если в первый полупериод модуляции, когда поступает сигнал Тгш2 на вход приемника, выходное напряжение измерительного тракта равно нулю и это равенство фиксирует компаратор 11. Нулевой баланс при включении питания радиометра устанавливается и затем при изменении сигнала антенны регулируется соответствующим изменением длительности широтно-импульсного сигнала tшис. Так как сигнал на входе компаратора 11 в результате модуляции имеет периодический характер и в этих сигналах исключена постоянная составляющая фильтром высоких частот 9, тогда для одного периода выполняется равенство вольт-секундных площадей положительного и отрицательного импульсов. Так как в первый полупериод модуляции напряжение на входе компаратора равно нулю, поэтому равенство вольт-секундных площадей положительного и отрицательного импульсов выполняется в другой, второй полупериод модуляции при подключении на вход приемника антенны:Figure 4 shows the timing diagrams for the case of a set zero balance in the radiometer. The zero balance is considered to be established if, in the first half-period of the modulation, when the signal Т Гш2 arrives at the input of the receiver, the output voltage of the measuring path is zero and this equality fixes the comparator 11. The zero balance is established when the radiometer is powered on and then adjusted by changing the antenna duration accordingly pulse-width signal t chis . Since the signal at the input of the comparator 11 as a result of modulation is periodic and the constant component is excluded from these signals by the high-pass filter 9, then for one period the volt-second areas of the positive and negative pulses are equal. Since the voltage at the input of the comparator is zero in the first half-period of modulation, therefore, the equality of the volt-second areas of the positive and negative pulses is performed in another, the second half-period of modulation when the antenna is connected to the input of the receiver:

Figure 00000003
Figure 00000003

где U+ и U- - амплитуды положительного и отрицательного импульсов, равные: U+=Gkdf[(Taгш1ш)-(Тгш2ш)]=Gkdf(Taгш1гш2); U-=Gkdf[(Тгш2ш)-(Taш)]=Gkdf(Тгш2-Ta), где G - коэффициент пропорциональности между входными сигналами Ta, Тгш1, Тгш2 и напряжениями на выходе фильтра верхних частот, в который входят коэффициенты усиления по высокой и низкой частотам, коэффициент передачи квадратичного детектора; k - постоянная Больцмана, df - полоса принимаемых частот, Тш - эффективная температура собственных шумов радиометра, приведенная к входу приемника. Подставляя U+ и U- в равенство (3), получим: Gkdf[(Taгш1гш2)tшис=Gkdf(Тгш2-Ta)(tмод-tшис). Откуда:wherein U + and U - - amplitude of positive and negative pulses equal to: U + = Gkdf [(T a + T + T gsh1 w) - (T NH2 T w)] = Gkdf (T a + T + T NH2 gsh1 ); U - = Gkdf [(NH2 + T T m) - (T a + T w)] = Gkdf (T NH2 -T a), where G - factor of proportionality between the input signals T a, T gsh1 T NH2 and strains on the output of the high-pass filter, which includes high and low frequency gains, the gain of the quadratic detector; k is the Boltzmann constant, df is the band of received frequencies, T W is the effective temperature of the noise floor of the radiometer, brought to the input of the receiver. Substituting U + and U - in Equation (3) we obtain: Gkdf [(T a + T -T gsh1 NH2) t SIS = Gkdf (T NH2 -T a) (t -t mod SIS). From:

Figure 00000004
Figure 00000004

Из последней формулы следует линейная зависимость длительности tшис и входного сигнала антенны Ta. Следовательно, через эту длительность можно косвенным образом определить сигнал антенны. Также из формулы (4) следует, что на длительность широтно-импульсного сигнала tшис не влияют изменения собственных шумов Тш и коэффициента передачи измерительного тракта радиометра (коэффициент G). Устранение влияния этих двух основных дестабилизирующих факторов указывает на то, что радиометр работает по принципу нулевых измерений.From the last formula follows a linear dependence of the duration t SHIS and the input signal of the antenna T a . Therefore, through this duration, the antenna signal can be indirectly determined. Also, from the formula (4) it follows that the duration of the pulse width t of the signal SIS is not affected by changes in the intrinsic noise of T u and the measurement channel gain radiometer (G ratio). Elimination of the influence of these two main destabilizing factors indicates that the radiometer works on the principle of zero measurements.

Диапазон измерений, значения максимального и минимального сигналов антенны могут быть найдены из (4):The measurement range, the values of the maximum and minimum antenna signals can be found from (4):

Figure 00000005
Figure 00000005

Подстановкой в (5) длительностей tшис, равных нулю, и длительности tмод получаем: Та,максгш2; Та,мингш2гш1.Substituting in (5) the durations of tsys , equal to zero, and the duration of t modes, we obtain: Т а, max = Т гш2 ; T a, min = T gsh2 -T gsh1 .

Границы измерений настраиваются изменением поглощения сигналов в аттенюаторах 4 и 15 в процессе калибровки. Калибровка осуществляется в два этапа. На первом этапе к входу радиометра вместо антенны подключается эталон с шумовой температурой Тэт,макс, определяющий верхнюю границу диапазона измерений. Сигнал Тгш1 не вырабатывается, tшис=0. Регулируется сигнал Тгш2 изменением коэффициента пропускания аттенюатора 15. Этап калибровки завершается, когда напряжение на входе компаратора в первом полупериоде модуляции становится равным нулю. При выполнении этого условия Тэ,макса,максгш2.The measurement boundaries are adjusted by changing the absorption of the signals in the attenuators 4 and 15 during the calibration process. Calibration is carried out in two stages. At the first stage, a standard with a noise temperature T et, max , which defines the upper limit of the measurement range, is connected to the radiometer input instead of an antenna. The signal T gsh1 is not generated, t chis = 0. The signal T rsh2 is regulated by changing the transmittance of the attenuator 15. The calibration stage is completed when the voltage at the input of the comparator in the first half-period of the modulation becomes zero. When this condition is met, T e, max = T a, max = T gsh2 .

Второй этап калибровки начинается с подключения на вход радиометра эталона с низкой шумовой температурой Тэ,мин, определяющего по аналогии нижнюю границу диапазона измерений. Для этого случая tшис=tмод. Осуществляется регулировка сигнала Тгш1 с помощью аттенюатора 4. Как и на первом этапе, настройка радиометра на нижнюю границу происходит до момента установления напряжения на входе компаратора в первом полупериоде модуляции равным нулю. В этом случае Тэ,мина,мингш2гш1.The second stage of calibration begins with connecting to the input of the radiometer a standard with a low noise temperature T e, min , which determines by analogy the lower limit of the measurement range. For this case, t chis = t mod . The signal T rsh1 is adjusted using the attenuator 4. As in the first stage, the radiometer is tuned to the lower limit until the voltage at the input of the comparator is set to zero in the first modulation half-cycle. In this case, T e, min = T a, min = T gsh2 -T gsh1 .

На минимальную величину сигнала генератора шума накладывается ограничение Тгш,мин≥Тгш1/β.The minimum value of the signal of the noise generator is subject to the limitation T gsh, min ≥T gsh1 / β.

В радиометре два опорных сигнала вырабатываются одним шумовым источником. Выражение (4) для длительности широтно-импульсного сигнала с учетом (1) и (2) имеет вид:In a radiometer, two reference signals are generated by a single noise source. Expression (4) for the duration of the pulse-width signal taking into account (1) and (2) has the form:

Figure 00000006
Figure 00000006

Основную погрешность в измерения вносят изменения выходного сигнала генератора шума Тгш и вариации температуры T0 платы 13, на которой установлены входные узлы радиометра. Учитывая эти обстоятельства, выражение для вычисления погрешности длительности tшис будет иметь вид:The main error in the measurements is made by changes in the output signal of the noise generator T gh and temperature variations T 0 of the board 13, on which the input nodes of the radiometer are installed. Given these circumstances, the expression for calculating the error of duration t chis will be of the form:

Figure 00000007
Figure 00000007

где δТгш и δT0 - абсолютные отклонения сигналов генератора шума и термостатированной платы от номинальных значений, соответственно.where δT gsh and δT 0 are the absolute deviations of the signals of the noise generator and thermostated board from the nominal values, respectively.

После подстановки (6) в (7) и решения равенства получим:After substituting (6) in (7) and solving the equality, we obtain:

δtшис={[(α21)T01Ta]δТгш+[(α12гш+(1-α1)Ta]tмод}/β[T01гш-T0)]2.δt chis = {[(α 21 ) T 0 + α 1 T a ] δT gh + [(α 12 ) T gh + (1-α 1 ) T a ] t mod } / β [T 0 + α 1 (T gh -T 0 )] 2 .

В ходе проведения численных экспериментов были получены следующие результаты. Погрешность измерения при изменении сигнала антенны носит линейный характер. Для минимальных сигналов антенны значение погрешности минимально. Далее наблюдается рост погрешности в сторону увеличения сигналов антенны. Например, при изменении сигналов Тгш и T0 на 1% на диапазоне измерения 0-400 К погрешность составила от нуля для минимального сигнала антенны до 1% для максимального сигнала. Таким образом, если в модуляционных радиометрах дифференциальных измерений при увеличении разности температур антенны и опорного источника погрешность соответственно растет (за счет мультипликативной составляющей), то в данном радиометре она наоборот снижается.In the course of numerical experiments, the following results were obtained. The measurement error when the antenna signal changes is linear. For minimum antenna signals, the error value is minimal. Further, there is an increase in the error in the direction of increasing the antenna signals. For example, when the signals T gh and T 0 change by 1% in the measurement range 0–400 K, the error is from zero for the minimum antenna signal to 1% for the maximum signal. Thus, if in modulation radiometers of differential measurements with an increase in the temperature difference between the antenna and the reference source, the error increases accordingly (due to the multiplicative component), then in this radiometer it decreases on the contrary.

Блок управления 12 радиометром полностью аналогичен прототипу, вырабатывает все необходимые сигналы для функционирования радиометра. В радиометре осуществляется следящий режим работы и автоматическое поддержание нулевого баланса. Как следует из вышеприведенного описания принципа работы радиометра, необходимым условием нулевого приема является поддержание на входе компаратора 11 нулевого напряжения в фазу прохождения по измерительному тракту сигнала генератора шума Тгш2. После анализа выходного сигнала компаратора блок управления корректирует цифровой код длительности широтно-импульсного сигнала tшис, что приводит к ее изменению в следующем полупериоде модуляции. Цифровой код длительности широтно-импульсного сигнала является цифровым эквивалентом измеряемого сигнала антенны и поступает на выходную шину 14 блока управления.The control unit 12 of the radiometer is completely similar to the prototype; it generates all the necessary signals for the functioning of the radiometer. The radiometer monitors the operating mode and automatically maintains zero balance. As follows from the above description of the principle of operation of the radiometer, a necessary condition for zero reception is to maintain at the input of the comparator 11 a zero voltage in the phase of passing through the measuring path of the noise generator signal T gsh2 . After analyzing the output signal of the comparator, the control unit corrects the digital code of the pulse width of the pulse width signal tw , which leads to its change in the next modulation half-cycle. The digital code for the width of the pulse-width signal is the digital equivalent of the measured antenna signal and is fed to the output bus 14 of the control unit.

В радиометре блок управления выполнен на цифровых интегральных схемах логики КМОП. В литературе достаточно полно описаны конструкции СВЧ-устройств, такие как модулятор, аттенюатор, направленный ответвитель, и методы их расчетов [например, Бахарев С.И., Вольман В.И., Либ Ю.Н. и др. Под ред. Вольмана В.И. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств. - М.: Радио и связь, 1982. - 328 с.]. В данном радиометре эти узлы выполнены на микрополосковых волноведущих структурах. В приемнике 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 полосковой техники. - М.: Связь, 1979. - 336 с.]. Синхронные фильтры низкой частоты описаны в [Фрейтер. Синхронный интегратор и демодулятор // Приборы для научных исследований. - 1965. - Т.36, №5. - С.53].In the radiometer, the control unit is made on digital CMOS logic integrated circuits. The literature describes quite fully the designs of microwave devices, such as a modulator, attenuator, directional coupler, and methods for calculating them [for example, Bakharev S.I., Volman V.I., Lib Yu.N. et al. Ed. Volman V.I. A guide to the calculation and design of microwave strip devices. - M .: Radio and communications, 1982. - 328 p.]. In this radiometer, these nodes are made on microstrip waveguide structures. The receiver uses transistor amplifiers. Band filters are made on oncoming rods [Mazepova OI, Meshchanov VP, Prokhorova NN et al. Ed. Feldstein A.A. Guide to the elements of strip technology. - M .: Communication, 1979. - 336 p.]. Synchronous low-pass filters are described in [Frater. Synchronous integrator and demodulator // Devices for scientific research. - 1965. - T.36, No. 5. - S.53].

В отличие от прототипа предлагаемый радиометр после проведения необходимой операции калибровки может быть настроен на произвольный диапазон измерений сигнала антенны. Это осуществляется регулировкой опорных сигналов в аттенюаторах, формируемых одним генератором шума. Формирование опорных сигналов с применением одного источника шума повысило точность измерений. Минимальная погрешность измерений достигается при измерении сигналов вблизи нижней границы диапазона измерений.Unlike the prototype, the proposed radiometer after the necessary calibration operation can be configured to an arbitrary measurement range of the antenna signal. This is done by adjusting the reference signals in the attenuators formed by a single noise generator. The formation of reference signals using a single noise source increased the accuracy of the measurements. The minimum measurement error is achieved when measuring signals near the lower boundary of the measurement range.

Claims (1)

Нулевой радиометр, содержащий последовательно соединенные антенну, направленный ответвитель, первый модулятор, приемник, импульсный усилитель, фильтр высоких частот, синхронный фильтр низких частот, компаратор, блок управления, второй вход компаратора соединен с общей шиной радиометра, первый и второй выходы блока управления подключены к соответствующим управляющим входам синхронного фильтра низких частот и первого модулятора, а третий является выходной шиной радиометра, выход источника тока соединен с входом генератора шума, выход первого аттенюатора подключен к второму входу направленного ответвителя, причем направленный ответвитель, первый модулятор, первый аттенюатор, генератор шума, источник тока установлены на термостатированной плате и находятся с ней в тепловом контакте, отличающийся тем, что введены установленные на термостатированной плате и находящиеся с ней в тепловом контакте второй аттенюатор и второй модулятор, первый и второй выходы которого соединены соответственно с входом первого аттенюатора и вторым входом первого модулятора через второй аттенюатор, а вход второго модулятора и его управляющий вход подключены к выходу генератора шума и четвертому выходу блока управления соответственно. A zero radiometer containing a series-connected antenna, a directional coupler, a first modulator, a receiver, a pulse amplifier, a high-pass filter, a synchronous low-pass filter, a comparator, a control unit, the second input of the comparator is connected to a common radiometer bus, the first and second outputs of the control unit are connected to the corresponding control inputs of the synchronous low-pass filter and the first modulator, and the third is the output bus of the radiometer, the output of the current source is connected to the input of the noise generator, the output is the first attenuator is connected to the second input of the directional coupler, and the directional coupler, the first modulator, the first attenuator, the noise generator, the current source are installed on the thermostated board and are in thermal contact with it, characterized in that the installed on the thermostated board and located with it in thermal contact of the second attenuator and the second modulator, the first and second outputs of which are connected respectively to the input of the first attenuator and the second input of the first modulator through the second att an aenuator, and the input of the second modulator and its control input are connected to the output of the noise generator and the fourth output of the control unit, respectively.
RU2010122360/28A 2010-06-01 2010-06-01 Zero radiometer RU2439594C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010122360/28A RU2439594C1 (en) 2010-06-01 2010-06-01 Zero radiometer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010122360/28A RU2439594C1 (en) 2010-06-01 2010-06-01 Zero radiometer

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2010122360A RU2010122360A (en) 2011-12-10
RU2439594C1 true RU2439594C1 (en) 2012-01-10

Family

ID=45405159

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010122360/28A RU2439594C1 (en) 2010-06-01 2010-06-01 Zero radiometer

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2439594C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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
RU2698523C1 (en) * 2018-12-14 2019-08-28 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Method for remote determination of thermodynamic temperature of fast-flowing process developing in radiotransparent object, device for its implementation, methods of calibrating device and noise generator as part of this device
RU2794063C1 (en) * 2022-10-01 2023-04-11 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" Microwave radiometer

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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
RU2698523C1 (en) * 2018-12-14 2019-08-28 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Method for remote determination of thermodynamic temperature of fast-flowing process developing in radiotransparent object, device for its implementation, methods of calibrating device and noise generator as part of this device
RU2794063C1 (en) * 2022-10-01 2023-04-11 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" Microwave radiometer

Also Published As

Publication number Publication date
RU2010122360A (en) 2011-12-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3909102B2 (en) RF power measuring device
Filatov et al. A microwave four-channel null L-band radiometer
Hach A very sensitive airborne microwave radiometer using two reference temperatures
US6348829B1 (en) RMS-DC converter having detector cell with dynamically adjustable scaling factor
JP2005512384A (en) RF transmitter power control system
RU2619841C1 (en) Zero radiometer
RU2439594C1 (en) Zero radiometer
CN105406829A (en) Variable gain amplifier with continuously adjustable gain
EP2304448A2 (en) Passive mixer power detector method and apparatus
RU2642475C2 (en) Zero radiometer
HU196513B (en) Apparatus for measuring voltage by sampling
De Marcellis et al. A fully analog high performances automatic system for phase measurement of electrical and optical signals
CN107181541B (en) Electromagnetic spectrum monitoring receiver self-checking circuit and receiver
RU2485462C2 (en) Radiometer for measurement of depth temperatures of objects (radio thermometer)
RU2460081C2 (en) Multichannel null radiometer
JP2007215021A (en) Phase adjustment circuit and phase adjustment method
RU2393502C1 (en) Two-channel null radiometre
EP3244539A1 (en) Amplitude detection with compensation
RU2698488C1 (en) Zero radiometer
RU2431856C1 (en) Radiometre to analyse objects adjoining antenna
CN105700850B (en) A kind of zero balancing numeral combined integral device for Dick&#39;s type radiometer
RU2745796C1 (en) Fast zero radiometer
RU2541426C1 (en) Multi-receiver zero radiometer
RU2235340C1 (en) Null radiometer
RU2211455C1 (en) Radiometer

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20160602