RU2439595C1 - Radiometric reflection coefficient meter - Google Patents

Radiometric reflection coefficient meter Download PDF

Info

Publication number
RU2439595C1
RU2439595C1 RU2010132764/28A RU2010132764A RU2439595C1 RU 2439595 C1 RU2439595 C1 RU 2439595C1 RU 2010132764/28 A RU2010132764/28 A RU 2010132764/28A RU 2010132764 A RU2010132764 A RU 2010132764A RU 2439595 C1 RU2439595 C1 RU 2439595C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
output
input
receiver
signal
noise generator
Prior art date
Application number
RU2010132764/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Владимирович Филатов (RU)
Александр Владимирович Филатов
Антон Викторович Убайчин (RU)
Антон Викторович Убайчин
Елена Иосифовна Розина (RU)
Елена Иосифовна Розина
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 RU2010132764/28A priority Critical patent/RU2439595C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2439595C1 publication Critical patent/RU2439595C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Radiation Pyrometers (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: radiometric meter, having a receiver, an antenna, a first directional coupler, a current source and a noise generator connected in series, has, between the output of the first directional coupler and the input of the receiver, a second directional coupler, a microwave switch, the input of which is connected to the output of the noise generator, the first and second outputs are respectively connected to second inputs of the first and second directional couplers, and the third output is connected to a matched load; also includes a synchronous low-pass filter, a high-pass filter, a comparator and a control unit, all connected in series to the output of the receiver, wherein the second input of the comparator is connected to the common bus of a radiometer, the first output of the control unit is connected to the control input of the synchronous low-pass filter and merged with the control input of the microwave switch, and its second output is the output bus of the radiometer.
EFFECT: simple device and algorithm of processing signals without converting their form and high accuracy of measurements.
6 dwg

Description

Изобретение относится к микроволновой радиометрии и может использоваться в промышленности, медицине для оценки структуры исследуемого объекта, динамики ее изменения во времени по результатам измерения коэффициента отражения по мощности в микроволновом диапазоне посредством измерения отражательной способности электромагнитных сигналов шумового характера.The invention relates to microwave radiometry and can be used in industry, medicine to assess the structure of the object under study, the dynamics of its change in time according to the results of measuring the power reflection coefficient in the microwave range by measuring the reflectivity of electromagnetic noise signals.

Известен радиометр, выбранный в качестве аналога [А.С. СССР 1105832, МКИ3 G01R 29/08. Модуляционный радиометр СВЧ-диапазона / B.C.Аблязов, К.Т.Мурзабулатов. - Опубл. в Б.И. №28, 1984], состоящий из (фиг.1) антенны 1, направленного ответвителя 2, модулятора 3, генератора шума 4, приемника 5, первого 6 и второго 7 синхронных детекторов, устройства вычитания 8, первого 9 и второго 10 задающих генераторов опорных частот, первого 11 и второго 12 регистраторов.Known radiometer selected as an analogue [A.S. USSR 1105832, MKI 3 G01R 29/08. Microwave Modulation Radiometer / BCAblyazov, K.T. Murzabulatov. - Publ. in B.I. No. 28, 1984], consisting of (Fig. 1) antenna 1, directional coupler 2, modulator 3, noise generator 4, receiver 5, first 6 and second 7 synchronous detectors, subtractor 8, first 9 and second 10 reference reference oscillators frequencies, the first 11 and second 12 registrars.

В радиометре направленный ответвитель 2 включен так, что мощность сигнала шумового генератора 4 направляется в сторону антенны и попадает на вход радиометра только после отражения от объекта исследования. Сигналы управления работой модулятора 3 и генератора шума 4 имеют форму меандра и вырабатываются опорными импульсными генераторами 9 и 10. Частота следования сигнала управления генератором шума выбирается меньше частоты сигнала по управлению модулятором. В результате на выходе приемника имеют место две периодические последовательности модулированных сигналов:

Figure 00000001
и
Figure 00000002
где G - коэффициент передачи приемника; Т - термодинамическая температура изучаемого объекта; R - коэффициент отражения по мощности на границе "антенна-объект"; Т0 - термодинамическая температура модулятора; Тгш - сигнал генератора шума, поступающий в тракт антенны через направленный ответвитель. В синхронных детекторах происходит выделение постоянных уровней напряжения из огибающих модулированных во входном устройстве радиометра сигналов. Выходной сигнал генератора шума 4 модулируется сигналом меандра с одинаковой частотой работы второго синхронного детектора 7. На выходе второго синхронного детектора напряжение равно:
Figure 00000003
Напряжение U2 пропорционально коэффициенту отражения R и поступает на второй регистратор 12. Градуировка шкалы данного регистратора выполнена в единицах коэффициента отражения:
Figure 00000004
. Таким образом, второй регистратор отображает показания коэффициента отражения на границе антенны и объекта.In the radiometer, the directional coupler 2 is turned on so that the signal power of the noise generator 4 is directed towards the antenna and reaches the input of the radiometer only after reflection from the object of study. The control signals of the operation of the modulator 3 and the noise generator 4 are in the form of a meander and are generated by the reference pulse generators 9 and 10. The repetition rate of the control signal of the noise generator is selected less than the frequency of the signal for controlling the modulator. As a result, two periodic sequences of modulated signals take place at the output of the receiver:
Figure 00000001
and
Figure 00000002
where G is the gain of the receiver; T is the thermodynamic temperature of the studied object; R is the power reflection coefficient at the antenna-object interface; T 0 - thermodynamic temperature of the modulator; T gsh - the signal of the noise generator entering the antenna path through a directional coupler. In synchronous detectors, constant voltage levels are extracted from the envelopes of the signals modulated in the input device of the radiometer. The output signal of the noise generator 4 is modulated by a meander signal with the same frequency of operation of the second synchronous detector 7. At the output of the second synchronous detector, the voltage is:
Figure 00000003
The voltage U 2 is proportional to the reflection coefficient R and is supplied to the second recorder 12. The graduation of the scale of this registrar is made in units of reflection coefficient:
Figure 00000004
. Thus, the second recorder displays the readings of the reflection coefficient at the boundary of the antenna and the object.

Недостатком данной схемы радиометра-аналога является зависимость показаний от коэффициента передачи G измерительного тракта. Дрейф и флуктуации коэффициента передачи уменьшают точность измерений.The disadvantage of this circuit analog radiometer is the dependence of the readings on the transmission coefficient G of the measuring path. The drift and fluctuation of the transmission coefficient reduce the accuracy of the measurements.

Известен радиометр для измерения электромагнитного излучения объектов, близко расположенных к антенне, выбранный в качестве прототипа [А.С. СССР 1626210, МКИ5 G01R 29/26. Модуляционный радиометр / B.C.Гаевский, С.В.Маречек, Ю.В.Мешков, Ю.Н.Муськин, В.М.Поляков. - Опубл. в Б.И. №5, 1991], содержащий антенну 1, модулятор 2, работающий по принципу отражения сигнала, направленный ответвитель 3, опорный генератор шума 4, источник тока 5, питающий генератор шума, приемник 6, коммутатор 7 с конфигурацией 1×2, первый 8, второй 9 и третий 10 синхронные детекторы, первый 11, второй 12 и третий 13 фильтры низких частот, сумматор 14, блок вычитания 15, первый 16 и второй 17 делители аналоговых сигналов, регистраторы 18 и 19, первый 20 и второй 21 задающие генераторы опорных частот модуляции.A known radiometer for measuring the electromagnetic radiation of objects close to the antenna, selected as a prototype [A.S. USSR 1626210, MKI 5 G01R 29/26. Modulation radiometer / BCGaevsky, S.V. Marechek, Yu.V. Meshkov, Yu.N. Muskin, V.M. Polyakov. - Publ. in B.I. No. 5, 1991], comprising an antenna 1, a modulator 2 operating according to the principle of signal reflection, a directional coupler 3, a reference noise generator 4, a current source 5, a supplying noise generator, receiver 6, a switch 7 with a configuration of 1 × 2, the first 8, second 9 and third 10 synchronous detectors, first 11, second 12 and third 13 low-pass filters, adder 14, subtraction unit 15, first 16 and second 17 analog signal dividers, recorders 18 and 19, first 20 and second 21 reference frequency generators modulation.

В радиометре прием мощности теплового излучения исследуемого объекта производится при двух различных заданных уровнях шумового сигнала, вырабатываемого опорным генератором. Задающий генератор 20 вырабатывает импульсы, следующие с частотой f1 и скважностью 2. Работа задающего генератора 21 синхронизирована импульсами генератора 20, и на выходе генератора 21 вырабатывается прямоугольная импульсная последовательность, имеющая также скважность, равную двум, но следующая с частотой, в два раза меньшей, f2=f1/2. Генератор шума 4 вырабатывает два различных опорных сигнала Тгш1 и Тгш2, причем Тгш2гш1. Модуляция генератора шума ГШ выполняется импульсами задающего генератора 20. Направленный ответвитель включен в измерительный тракт так, что сигнал генератора шума направлен в сторону выхода модулятора.In the radiometer, the thermal radiation power of the investigated object is received at two different specified levels of the noise signal generated by the reference generator. The master oscillator 20 generates pulses that follow with a frequency f 1 and duty cycle 2. The operation of the master oscillator 21 is synchronized by the pulses of the generator 20, and a rectangular pulse sequence is generated at the output of the generator 21, which also has a duty cycle equal to two, but the next with a frequency half as much , f 2 = f 1/2 . The noise generator 4 produces two different reference signals T gsh1 and T gsh2 , and T gsh2 / T gsh1 . Modulation of the GSh noise generator is performed by pulses of the master oscillator 20. A directional coupler is included in the measuring path so that the signal of the noise generator is directed towards the output of the modulator.

Задающие генераторы управляют модуляцией сигналов в приемном тракте. Поскольку фазы колебаний генераторов строго синхронизированы, то имеют место четыре повторяющихся интервала времени, обусловленные различными состояниями модулятора 2 и генератора шума 4. Таким образом, полный период модуляции состоит из четырех временных интервалов равной длительности. В ходе первого интервала модуляции модулятор 2 выключен. Сигнал генератора шума, равный на этом такте Тгш1, полностью отражаясь от выхода разомкнутого модулятора, поступает на вход приемника, и мощность сигнала на его входе равна:

Figure 00000005
, где k - постоянная Больцмана, df - полоса усиливаемых частот, Тш - эффективная температура собственных шумов приемника, приведенная к его входу. В следующем временном промежутке модулятор также закрыт, но генератор 4 вырабатывает сигнал величиной Тгш2гш1. Поэтому мощность сигнала на входе приемника возрастает и становится равной:
Figure 00000006
.The master oscillators control the modulation of the signals in the receiving path. Since the oscillation phases of the oscillators are strictly synchronized, there are four repeating time intervals due to the different states of the modulator 2 and the noise generator 4. Thus, the full modulation period consists of four time intervals of equal duration. During the first modulation interval, the modulator 2 is turned off. The signal of the noise generator, equal to T gsh1 at this beat, is completely reflected from the output of the open modulator, and is fed to the input of the receiver, and the signal power at its input is equal to:
Figure 00000005
where k is the Boltzmann constant, df is the band of amplified frequencies, T W is the effective temperature of the receiver's own noise, reduced to its input. In the next time period, the modulator is also closed, but the generator 4 generates a signal of magnitude T gsh2 > T gsh1 . Therefore, the signal power at the input of the receiver increases and becomes equal to:
Figure 00000006
.

В два следующих интервала времени модулятор открыт. Мощность теплового излучения объекта поступает на границу раздела "антенна-объект". Часть мощности, пропорциональная TR, где R - коэффициент отражения по мощности на границе "антенна-объект", отражается от границы раздела и затухает в среде объекта. Оставшаяся часть мощности, пропорциональная T(1-R), принимается антенной и через открытый модулятор поступает на вход приемника. Сигнал генератора шума, равный в этот момент Тгш1, проходит через открытый модулятор, частично отражается от границы раздела "антенна-объект" с коэффициентом R и также поступает на вход приемника. Таким образом, полная мощность сигналов на входе приемника равна:

Figure 00000007
(считается, что антенна имеет высокий коэффициент полезного действия и ее собственное излучение пренебрежимо мало).In the next two time intervals, the modulator is open. The thermal radiation power of the object is supplied to the "antenna-object" interface. A part of the power proportional to TR, where R is the power reflection coefficient at the antenna-object boundary, is reflected from the interface and damped in the medium of the object. The remaining part of the power, proportional to T (1-R), is received by the antenna and fed through the open modulator to the receiver input. The signal of the noise generator, equal at this moment T gsh1 , passes through an open modulator, is partially reflected from the “antenna-object” interface with a coefficient R, and also enters the receiver input. Thus, the total power of the signals at the input of the receiver is equal to:
Figure 00000007
(it is believed that the antenna has a high efficiency and its own radiation is negligible).

Аналогично, для четвертого, последнего интервала модуляции мощность на входе приемника равна:

Figure 00000008
.Similarly, for the fourth, last modulation interval, the receiver input power is:
Figure 00000008
.

Выходное напряжение приемника представляет собой повторяющуюся последовательность напряжений U1, U2, U3, U4, пропорциональных мощностям входных сигналов W1, W2, W3, W4 с коэффициентом пропорциональности G. Выходные напряжения второго 12 и третьего 13 фильтров, постоянные времени которых значительно больше периода модуляции, после синхронного детектирования в детекторах 9 и 10 соответственно равны:

Figure 00000009
;
Figure 00000010
.The output voltage of the receiver is a repeating sequence of voltages U 1 , U 2 , U 3 , U 4 proportional to the powers of the input signals W 1 , W 2 , W 3 , W 4 with a proportionality factor G. The output voltages of the second 12 and third 13 filters are constant the time of which is significantly longer than the modulation period, after synchronous detection in the detectors 9 and 10, respectively, are equal to:
Figure 00000009
;
Figure 00000010
.

Для исследования структуры объекта радиометром измеряется коэффициент отражения на границе "антенна-объект". На схему деления 17 в качестве делимого поступает сигнал Uф2 с фильтра 12, а делителем является выходное напряжение Uф3 фильтра 13. Таким образом, напряжение на входе второго регистратора 19 равно:

Figure 00000011
. Откуда
Figure 00000012
. Коэффициент отражения на границе раздела "антенна-объект" не зависит от коэффициента передачи радиометра.To study the structure of an object with a radiometer, the reflection coefficient at the antenna-object interface is measured. The signal U f2 from the filter 12 is supplied to the division circuit 17 as a dividend, and the output voltage U f3 of the filter 13 is the divider. Thus, the voltage at the input of the second recorder 19 is equal to:
Figure 00000011
. Where from
Figure 00000012
. The reflection coefficient at the antenna-object interface does not depend on the transmission coefficient of the radiometer.

В данном радиометре с целью выделения информативных уровней напряжения из сложно модулированной последовательности сигналов используется большое количество типов преобразования сигналов различными функциональными аналоговыми блоками (синхронных детекторов, фильтров низких частот, делителей). Многочисленные процедуры последовательного аналогового преобразования сигналов (как формы, так и амплитуды) приводят к дополнительным погрешностям измерений. Генератор шума вырабатывает два уровня выходного сигнала, переключение между которыми происходит импульсно и которые необходимо точно настраивать и калибровать.In this radiometer, in order to isolate informative voltage levels from a complexly modulated signal sequence, a large number of types of signal conversion are used by various functional analog blocks (synchronous detectors, low-pass filters, dividers). Numerous sequential analog signal conversion procedures (both waveforms and amplitudes) lead to additional measurement errors. The noise generator produces two levels of the output signal, the switching between which is pulsed and which must be precisely tuned and calibrated.

Предлагаемым изобретением решается задача упрощения устройства по измерению коэффициента отражения и алгоритма обработки сигналов без преобразования их формы и повышения точности измерений.The present invention solves the problem of simplifying the device for measuring the reflection coefficient and the signal processing algorithm without converting their shape and improving the accuracy of measurements.

Для достижения этого технического результата в радиометрический измеритель, содержащий приемник, антенну, первый направленный ответвитель, последовательно соединенные источник тока и генератор шума, введены включенный между выходом первого направленного ответвителя и входом приемника второй направленный ответвитель, СВЧ-переключатель, вход которого подключен к выходу генератора шума, первый и второй выходы соединены соответственно со вторыми входами первого и второго направленных ответвителей, а третий выход подключен к согласованной нагрузке, также введены подключенные к выходу приемника последовательно соединенные синхронный фильтр низких частот, фильтр высоких частот, компаратор, блок управления, причем второй вход компаратора соединен с общей шиной радиометра, первый выход блока управления подключен к управляющему входу синхронного фильтра низких частот и объединен с управляющим входом СВЧ-переключателя, а его второй выход является выходной шиной радиометра.To achieve this technical result, a second directional coupler, a microwave switch, the input of which is connected to the output of the generator, is inserted between the output of the first directional coupler and the input of the receiver, a second directional coupler, a serially connected current source and a noise generator, to a radiometric meter containing a receiver, an antenna, a first directional coupler, a serially connected current source and a noise generator noise, the first and second outputs are connected respectively to the second inputs of the first and second directional couplers, and the third output is connected to at the same time, a synchronous low-pass filter, a high-pass filter, a comparator, and a control unit are connected connected to the output of the receiver, the second input of the comparator connected to a common bus of the radiometer, the first output of the control unit connected to the control input of the synchronous low-pass filter and combined with the control input of the microwave switch, and its second output is the output bus of the radiometer.

На фиг.1 представлена структурная схема аналога.Figure 1 presents the structural diagram of the analogue.

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

На фиг.3 представлена структурная схема предлагаемого измерителя коэффициента отражения радиометрического типа.Figure 3 presents the structural diagram of the proposed meter reflectance radiometric type.

На фиг.4 приведена схема синхронного фильтра низких частот.Figure 4 shows a diagram of a synchronous low-pass filter.

На фиг.5 показана структурная схема блока управления.Figure 5 shows the structural diagram of the control unit.

На фиг.6 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип работы радиометрического измерителя.Figure 6 presents timing diagrams explaining the principle of operation of the radiometric meter.

В состав радиометрического измерителя коэффициента отражения входят (фиг.3) антенна 1, первый 2 и второй 4 направленные ответвители, СВЧ-переключатель 5, генератор шума 6, источник тока 7. Измерительный канал состоит из приемника 8, синхронного фильтра низких частот 9, фильтра высоких частот 10, компаратора 11, блока управления 12, со второго выхода которого сигнал поступает на выходную шину 13.The composition of the radiometric reflection coefficient meter (Fig. 3) includes antenna 1, first 2 and second 4 directional couplers, microwave switch 5, noise generator 6, current source 7. The measuring channel consists of a receiver 8, a synchronous low-pass filter 9, a filter high frequencies 10, comparator 11, control unit 12, from the second output of which the signal enters the output bus 13.

Опорный сигнал генератора шума 6 через СВЧ-переключатель 5 проходит на вторые входы идентичных направленных ответвителей. Включение в схему входной части первого 2 и второго 4 направленных ответвителей выполнено так, что для первого ответвителя сигнал генератора шума поступает на выход антенны 1, для второго - на вход приемника 8. Опорный сигнал вырабатывается полупроводниковым генератором шума с применением лавинно-пролетного диода, через активную зону которого протекает ток источника 7. СВЧ-переключатель 5 состоит из трех высокочастотных ключей, одни выводы которых соединены вместе и подключены к генератору шума 6 (являются входом переключателя), а другие выводы ключей подключены к трем выходам переключателя. Переключатель работает в режиме селектора. В зависимости от управляющих сигналов коммутируется только один ключ, и тем самым сигнал генератора шума поступает только на один из выбранных выходов.The reference signal of the noise generator 6 through the microwave switch 5 passes to the second inputs of the identical directional couplers. The first 2 and second 4 directional couplers are included in the input circuit so that for the first coupler the signal of the noise generator goes to the output of the antenna 1, for the second to the input of the receiver 8. The reference signal is generated by a semiconductor noise generator using an avalanche-span diode, through the active zone of which the current of source 7 flows. The microwave switch 5 consists of three high-frequency keys, some of the terminals of which are connected together and connected to the noise generator 6 (they are the input of the switch), while others you ode keys connected to the three outputs of the switch. The switch operates in selector mode. Depending on the control signals, only one key is switched, and thus the signal of the noise generator is supplied to only one of the selected outputs.

Измерительный канал представляет собой радиометрический приемник с линейной передаточной характеристикой и полосой принимаемых частот df. Приемник 8 включает высокочастотные усилители, полосовой фильтр, квадратичный детектор, выделяющий огибающую сигналов модуляции, линейные импульсные усилители низких частот. Синхронный фильтр низких частот 9 производит предварительную фильтрацию сигнала, уменьшает флуктуационную компоненту в продетектированных сигналах и тем самым исключает перегрузку компаратора 11. Схема фильтра известна [например, Патент РФ №2093845, МПК G01R 29/08, G01S 13/95. Нулевой радиометр / Филатов А.В. - №5057798/09; заявл. 05.08.92; опубл. 20.10.97. Бюл. №29. - 7 с.] и приведена на фиг.4. Он состоит из трех однозвенных интегрирующих RC-цепей, в которых резистор является общим для всех цепей, а постоянные составляющие трех уровней модулируемых входных сигналов накапливаются на трех конденсаторах синхронным их подключением к общей шине радиометра через управляемые электронные ключи. Ключи имеют входы управления, на которые поступают сигналы с блока управления по трехпроводной шине. Фильтр высоких частот 10 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.The measuring channel is a radiometric receiver with a linear transfer characteristic and a band of received frequencies df. The receiver 8 includes high-frequency amplifiers, a band-pass filter, a quadratic detector, emitting an envelope of modulation signals, linear low-frequency pulse amplifiers. A synchronous low-pass filter 9 pre-filters the signal, reduces the fluctuation component in the detected signals and thereby eliminates the overload of the comparator 11. The filter circuit is known [for example, RF Patent No. 2093845, IPC G01R 29/08, G01S 13/95. Zero radiometer / Filatov A.V. - No. 5057798/09; declared 08/05/92; publ. 10.20.97. Bull. No. 29. - 7 S.] and is shown in figure 4. It consists of three single-link integrating RC circuits in which the resistor is common to all circuits, and the constant components of the three levels of modulated input signals are accumulated on three capacitors by synchronously connecting them to the radiometer common bus via controlled electronic keys. The keys have control inputs, which receive signals from the control unit via a three-wire bus. The high-pass filter 10 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 designed 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.

Блок управления 12 полностью аналогичен описанному в [А.с. СССР №1704107, МПК G01R 29/08, G01S 13/95. Нулевой радиометр / Филатов А.В., Бордонский Г.С. - №4708980/09; заявл. 22.06.89; опубл. 07.01.92. Бюл. №1. - 5 с], вырабатывает все необходимые сигналы для функционирования устройства. Структурная схема данного блока приведена на фиг.5 и включает два цифровых счетчика (реверсивный 14 и счетчик прямого счета 15), цифровой компаратор 16, триггеры 17 и 18 формирования широтно-импульсного сигнала tшис и сигнала симметричного меандра tмод соответственно, генератор тактовых импульсов 19, дешифратор сигналов триггеров 20. В зависимости от уровней логических сигналов tшис и tмод на входе дешифратора, на его выходе активизируется одна из трех линий (кодовые комбинации сигналов описаны ниже при рассмотрении принципа работы). По этим линиям происходит управление переключателем 5 во входном устройстве (фиг.3) и синхронным фильтром 9 в низкочастотной части измерительного тракта.The control unit 12 is completely similar to that described in [A.S. USSR No. 1704107, IPC G01R 29/08, G01S 13/95. Zero radiometer / Filatov A.V., Bordonsky G.S. - No. 4708980/09; declared 06/22/89; publ. 01/07/92. Bull. No. 1. - 5 s], produces all the necessary signals for the operation of the device. The block diagram of this block is shown in Fig. 5 and includes two digital counters (reverse 14 and direct count counter 15), a digital comparator 16, triggers 17 and 18 for generating a pulse-width signal t chis and a signal of a symmetrical meander t mode, respectively, a clock generator 19, the decoder of the triggers 20. Depending on the levels of logical signals t chis and t modes at the input of the decoder, one of three lines is activated at its output (code combinations of signals are described below when considering the principle of operation). These lines control the switch 5 in the input device (Fig. 3) and the synchronous filter 9 in the low-frequency part of the measuring path.

Принцип работы радиометрического измерителя коэффициента отражения поясняется временными диаграммами на фиг.6 и заключается в следующем. В измерителе синхронно выполняются два вида импульсной модуляции: амплитудная и широтная. Для этого в цифровом блоке управления 12 формируются два управляющих логических сигнала tмод и tшис. Сигнал tмод имеет симметричную импульсную форму типа "меандр", сигнал tшис изменяется по длительности. Данные сигналы с выхода дешифратора 20 блока управления по трехпроводной шине поступают на управляющие входы как синхронного фильтра 9, так и СВЧ-переключателя 5. В зависимости от логических уровней сигналов tмод и tшис на вход приемника 8 поступают следующие три периодически повторяющихся шумовых сигнала.The principle of operation of the radiometric reflectance meter is illustrated by the timing diagrams in Fig.6 and is as follows. Two types of pulse modulation are synchronously performed in the meter: amplitude and latitudinal. For this, in the digital control unit 12, two control logic signals t mod and t sch are generated . The signal t mode has a symmetrical impulse shape of the meander type, the signal t chis varies in duration. These signals from the output of the decoder 20 of the control unit via a three-wire bus are fed to the control inputs of both a synchronous filter 9 and a microwave switch 5. Depending on the logic levels of the signals t modes and t bus , the following three periodically repeating noise signals arrive at the input of receiver 8.

Если tмод=1 и tшис=0, выход генератора шума 6 через СВЧ-переключатель 5 подключен к согласованной нагрузке 3 и в измерительный тракт его сигнал не поступает (подшумливание отсутствует). В этом случае на входе приемника 8 действует сигнал антенны, равный T(1-R), где Т - термодинамическая температура объекта, R - коэффициент отражения по мощности на границе "антенна-объект".If t mod = 1 and t sch = 0, the output of the noise generator 6 through the microwave switch 5 is connected to the matched load 3 and its signal does not enter the measuring path (no noise). In this case, an antenna signal equal to T (1-R) acts at the input of receiver 8, where T is the thermodynamic temperature of the object, R is the power reflection coefficient at the antenna-object boundary.

Во втором случае, когда tмод=1 и tшис=1, сигнал генератора шума 6 через переключатель 5 поступает во второй направленный ответвитель 4. Сигнал антенны суммируется с сигналом генератора шума: Т(1-R)+Tгш.In the second case, when t mod = 1 and t sch = 1, the signal of the noise generator 6 through the switch 5 enters the second directional coupler 4. The antenna signal is summed with the signal of the noise generator: T (1-R) + T gh .

В третьем случае, если tмод=0 и tшис=0, в первый направленный ответвитель 2 через переключатель 5 поступает сигнал генератора шума 6. Таким образом, на входе приемника будет присутствовать сумма сигналов T(1-R)+TгшR. Один из данных сигналов, равный T(1-R), является сигналом антенны; второй, TгшR, является сигналом генератора шума, который поступает в тракт антенны через направленный ответвитель 2, проходит в сторону антенны и отражается от границы "антенна-объект" с коэффициентом R.In the third case, if t mod = 0 and t sch = 0, the signal of the noise generator 6 enters the first directional coupler 2 through switch 5. Thus, at the receiver input, there will be a sum of signals T (1-R) + T rh R. One of these signals, equal to T (1-R), is an antenna signal; the second, T rsh R, is the signal of the noise generator, which enters the antenna path through the directional coupler 2, passes towards the antenna and is reflected from the antenna-object boundary with a coefficient R.

На фиг.6 приведены временные диаграммы для случая установленного нулевого баланса. Нулевой баланс считается установленным, если в полупериод модуляции, когда на вход приемника поступают сигнал антенны и отраженный от объекта сигнал генератора шума (tмод=0 и tшис=0), выходное напряжение измерительного тракта равно нулю, и это равенство фиксирует компаратор 11. При включении питания нулевой баланс автоматически устанавливается и затем при изменении сигнала антенны регулируется соответствующим изменением длительности широтно-импульсного сигнала tшис в блоке управления 12. Так как сигнал на входе компаратора 11 имеет периодический характер и в этих сигналах исключена постоянная составляющая фильтром высоких частот 10, тогда для одного периода выполняется равенство вольт-секундных площадей положительного и отрицательного импульсов. Так как в один полупериод модуляции напряжение на входе компаратора равно нулю, поэтому равенство вольт-секундных площадей положительного и отрицательного импульсов выполняется в другой полупериод модуляции:Figure 6 shows the timing diagrams for the case of a set zero balance. Zero balance is considered to be established if in the half-period of the modulation, when the antenna signal and the noise generator signal reflected from the object are received at the receiver input (t mod = 0 and tw = 0), the output voltage of the measuring path is zero, and this equality fixes the comparator 11. when the power balance is automatically set to zero, and then changing the antenna signal is controlled by a corresponding change in the duration of the pulse width t of the signal SIS in the control unit 12. Since the signal at the input of the comparator 11 has a perio the character is static and the constant component is excluded in these signals by a high-pass filter 10, 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 equal to zero in one half-period of modulation, therefore, the equality of the volt-second areas of the positive and negative pulses is performed in another half-period of modulation:

Figure 00000013
Figure 00000013

где U+ и U- - амплитуды положительного и отрицательного импульсов, равные:where U + and U - are the amplitudes of the positive and negative impulses equal to:

Figure 00000014
Figure 00000014

Figure 00000015
Figure 00000015

где G - коэффициент передачи измерительного тракта, равный произведению коэффициентов усиления сигналов по высокой и низкой частотам и коэффициента передачи квадратичного детектора; k - постоянная Больцмана, df - полоса частот приемника, Тш - эффективная температура собственных шумов радиометрического измертеля, приведенная к входу приемника. Подставляя (2) и (3) в равенство (1), получим:

Figure 00000016
. Откуда:where G is the transmission coefficient of the measuring path, equal to the product of the amplification factors of the signals at high and low frequencies and the transmission coefficient of the quadratic detector; k is the Boltzmann constant, df is the receiver frequency band, T W is the effective temperature of the intrinsic noise of the radiometric meter, reduced to the input of the receiver. Substituting (2) and (3) into equality (1), we obtain:
Figure 00000016
. From:

Figure 00000017
Figure 00000017

Из последней формулы (4) следует линейная зависимость исследуемого коэффициента отражения от длительности tшис. Следовательно, через эту длительность можно косвенным образом определить коэффициент отражения на границе "антенна-объект". Из формулы (4) следует, что на измерения не влияют изменения коэффициента передачи G и собственных шумов Тш измерительного тракта, уровень сигнала Тгш генератора шума. Из последнего следует, что значительно снижено влияние дрейфа и низкочастотных флуктуаций выходного сигнала генератора шума 6 на точность измерений. Он должен сохранять стабильность на периоде измерения.From the last formula (4), there follows a linear dependence of the reflection coefficient under study on the duration t chis. Therefore, through this duration, the reflection coefficient at the antenna-object interface can be indirectly determined. From the formula (4) it follows that the measurements are not affected by changes in the transmission coefficient G and the intrinsic noise T w of the measuring path, the signal level T g r the noise generator. From the latter it follows that the influence of drift and low-frequency fluctuations of the output signal of the noise generator 6 on the measurement accuracy is significantly reduced. It must maintain stability over the measurement period.

Согласно (4) при полном отражении tшис=tмод и R=1. Если исследуемый объект является абсолютно черным телом tшис=0, и соответственно R=0.According to (4), with full reflection, tw = t modes and R = 1. If the object under study is a completely black body t chis = 0, and accordingly R = 0.

В радиометрическом измерителе высокочастотные пассивные устройства выполнены на микрополосковых волноведущих структурах. СВЧ-переключатель создан с использованием выпускаемых фирмой NEC ключей на три направления (SP3T), таких как UPG2227T5F. В литературе достаточно полно описаны конструкции СВЧ-узлов, направленные ответвители, переключатели, полосовые фильтры и методы их расчетов [например, Мазепова О.И., Мещанов В.П., Прохорова Н.Н. и др. Под ред. Фельдштейна А.А. Справочник по элементам полосоковой техники. - М.: Связь, 1979. - 336 с]. В приемнике применены транзисторные усилители.In a radiometric meter, high-frequency passive devices are made on microstrip waveguide structures. The microwave switch was created using three-directional keys (SP3T) manufactured by NEC, such as the UPG2227T5F. The literature describes quite fully the designs of microwave nodes, directional couplers, switches, bandpass filters and methods for their calculation [for example, Mazepova OI, Meshchanov VP, Prokhorova NN et al. Ed. Feldstein A.A. Guide to the elements of strip technology. - M .: Communication, 1979. - 336 s]. The receiver uses transistor amplifiers.

В отличие от прототипа схема предлагаемого радиометрического измерителя коэффициента отражения имеет более простую структуру, упрощена конструкция. Предложенный алгоритм обработки позволяет без преобразования формы модулированной последовательности сигналов измерять коэффициент отражения от исследуемого объекта способом его выражения через длительность широтного импульса и отображать в цифровой форме без использования стандартных аналого-цифровых преобразователей. На точность измерений не влияют изменения коэффициента передачи измерительного тракта и собственные шумы. В значительной степени уменьшено влияние дрейфа и флуктуаций сигнала опорного генератора шума на точность измерений.In contrast to the prototype, the scheme of the proposed radiometric reflection coefficient meter has a simpler structure, the design is simplified. The proposed processing algorithm allows, without transforming the shape of the modulated signal sequence, to measure the reflection coefficient from the object under study by expressing it through the width of the latitudinal pulse and display it in digital form without using standard analog-to-digital converters. The measurement accuracy is not affected by changes in the transmission coefficient of the measuring path and inherent noise. Significantly reduced the influence of drift and fluctuations in the signal of the reference noise generator on the measurement accuracy.

Claims (1)

Радиометрический измеритель, содержащий приемник, антенну, первый направленный ответвитель, последовательно соединенные источник тока и генератор шума, отличающийся тем, что введены включенный между выходом первого направленного ответвителя и входом приемника второй направленный ответвитель, СВЧ-переключатель, вход которого подключен к выходу генератора шума, первый и второй выходы соединены соответственно со вторыми входами первого и второго направленных ответвителей, а третий выход подключен к согласованной нагрузке, также введены подключенные к выходу приемника последовательно соединенные синхронный фильтр низких частот, фильтр высоких частот, компаратор, блок управления, причем второй вход компаратора соединен с общей шиной радиометра, первый выход блока управления подключен к управляющему входу синхронного фильтра низких частот и объединен с управляющим входом СВЧ-переключателя, а его второй выход является выходной шиной радиометра. A radiometric meter comprising a receiver, an antenna, a first directional coupler, a serially connected current source and a noise generator, characterized in that a second directional coupler, a microwave switch, the input of which is connected to the output of the noise generator, is connected between the output of the first directional coupler and the input of the receiver, the first and second outputs are connected respectively to the second inputs of the first and second directional couplers, and the third output is connected to the matched load, also input s connected to the output of the receiver are serially connected a synchronous low-pass filter, a high-pass filter, a comparator, a control unit, the second input of the comparator connected to a common bus of the radiometer, the first output of the control unit connected to the control input of the synchronous low-pass filter and combined with the control input of the microwave switch, and its second output is the output bus of the radiometer.
RU2010132764/28A 2010-08-04 2010-08-04 Radiometric reflection coefficient meter RU2439595C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010132764/28A RU2439595C1 (en) 2010-08-04 2010-08-04 Radiometric reflection coefficient meter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010132764/28A RU2439595C1 (en) 2010-08-04 2010-08-04 Radiometric reflection coefficient meter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2439595C1 true RU2439595C1 (en) 2012-01-10

Family

ID=45784259

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010132764/28A RU2439595C1 (en) 2010-08-04 2010-08-04 Radiometric reflection coefficient meter

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2439595C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2675670C1 (en) * 2017-11-22 2018-12-21 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) Radiometric measurement of coefficient of reflection in broadband frequency

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2675670C1 (en) * 2017-11-22 2018-12-21 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) Radiometric measurement of coefficient of reflection in broadband frequency

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2909742B2 (en) Delay time measuring device
US3942110A (en) Analog to pulse rate converter
KR920003537B1 (en) Multiplier
RU2619841C1 (en) Zero radiometer
US5256979A (en) Method and apparatus for measuring an unknown voltage, and power meter employing the same
RU2439595C1 (en) Radiometric reflection coefficient meter
CN109164695B (en) Picosecond-level time interval measuring circuit and method
RU2485462C2 (en) Radiometer for measurement of depth temperatures of objects (radio thermometer)
RU2642475C2 (en) Zero radiometer
Raisanen-Ruotsalainen et al. A high resolution time-to-digital converter based on time-to-voltage interpolation
RU2439594C1 (en) Zero radiometer
RU2431856C1 (en) Radiometre to analyse objects adjoining antenna
US10012957B2 (en) Time measurement device
RU2460081C2 (en) Multichannel null radiometer
KR102420037B1 (en) Time-to-digital converter supporting run-time calibration
RU2745796C1 (en) Fast zero radiometer
RU2393502C1 (en) Two-channel null radiometre
RU2298801C1 (en) Device for measuring the power of a microwave frequency
RU2698488C1 (en) Zero radiometer
RU2235336C1 (en) Uhf power measuring device
RU2052824C1 (en) Electronic electricity meter
RU2793846C1 (en) Device for measuring accelerations
RU2058557C1 (en) Electronic electricity meter
RU2059253C1 (en) Digital meter of passing power and traveling wave rate
RU2247995C2 (en) Harmonic distortion digital meter

Legal Events

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

Effective date: 20160805