RU2642475C2 - Zero radiometer - Google Patents
Zero radiometer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2642475C2 RU2642475C2 RU2016109668A RU2016109668A RU2642475C2 RU 2642475 C2 RU2642475 C2 RU 2642475C2 RU 2016109668 A RU2016109668 A RU 2016109668A RU 2016109668 A RU2016109668 A RU 2016109668A RU 2642475 C2 RU2642475 C2 RU 2642475C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- input
- output
- radiometer
- signal
- modulator
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R29/00—Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
- G01R29/08—Measuring electromagnetic field characteristics
Landscapes
- Radiation Pyrometers (AREA)
Abstract
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 [Hardy W.N., Gray K.W., Love A.W. An S-band Radiometer Design with High Absolute Precision // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 1974. - MTT-22, №4. - P. 382-391], выбранный в качестве аналога и 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 высокочастотный ключ 5, управляемый формирователем импульсов 12, поступает сигнал генератора шума 6. В низкочастотной части радиометр содержит последовательно соединенные синхронный детектор 8, интегратор 9, преобразователь "напряжение - частота" 11. Входное устройство радиометра (модулятор 3, направленный ответвитель 2, аттенюатор 4, управляемый высокочастотный ключ 5, генератор шума 6, согласованная нагрузка 14) установлено на термостатированной плате 15. Выходной сигнал интегратора 9 поступает на выход радиометра (шина 13).Known radiometer [Hardy W.N., Gray K.W., Love A.W. An S-band Radiometer Design with High Absolute Precision // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 1974. - MTT-22, No. 4. - P. 382-391], selected as an analogue and consisting of (Fig. 1)
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 суммы сигналов антенны и генератора шума. При работе данного радиометра выполняется условие нулевого приема - выходной сигнал инвариантен к изменениям коэффициента усиления приемника и, следовательно, его дрейф и медленные флуктуации, основная частота которых 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 the sum of the signals of the antenna and the noise generator. During operation of this radiometer, the zero reception condition is fulfilled - the output signal is invariant to changes in the gain of the receiver and, therefore, its drift and slow fluctuations, the main frequency of which is less than the modulation frequency in the radiometer, do not affect the measurement accuracy.
Так как в радиометре выполняются два вида импульсной модуляции (амплитудная и частотная), поэтому модулированная последовательность сигналов представляет собой сложную по форме и изменяемую во времени импульсную последовательность (на сигнал антенны накладываются короткие импульсы сигнала генератора шума). Применение в радиометре для преобразования данной формы модулированных сигналов в выходной сигнал таких классических операций, как синхронное детектирование и интегрирование, приводит к погрешностям. Это относится к недостатку описанного радиометра - аналога.Since the radiometer performs two types of pulse modulation (amplitude and frequency), therefore, the modulated signal sequence is a complex in form and time-varying pulse sequence (short pulses of the noise generator signal are superimposed on the antenna signal). The use of such classical operations as synchronous detection and integration in the radiometer to convert this form of modulated signals to the output signal leads to errors. This refers to the disadvantage of the described radiometer - analogue.
Известен микроволновый нулевой радиометр [А.с. №1704107 СССР. МКИ3 G01R 29/08. Нулевой радиометр / А.В. Филатов, Г.С. Бордонский (СССР) - 4708980/09; заявл. 22.06.1989; опубл. 07.01.1992. - Бюл. №1. - С. 182], который выбран в качестве прототипа. Его структурная схема изображена на фиг. 2 и содержит последовательно соединенные антенну 1, направленный ответвитель 2, модулятор 3, приемник 7, импульсный усилитель 16, фильтр высоких частот 17, синхронный фильтр низких частот 18, компаратор 19, работающий в режиме нуль-органа, блок управления 20, на выходе которого формируется цифровой код измеряемого сигнала антенны, поступающий на шину 13. В радиометре обеспечивается автоматический ввод опорного сигнала генератора шума 6 в направленный ответвитель 2 через аттенюатор 4, настройка которого на соответствующий коэффициент ослабления сигнала генератора шума происходит в процессе калибровки. Импульсный сигнал с выхода 4 блока управления 20 включает источник постоянного тока 21. Управляемый источник 21 питает генератор шума 6. Шумовой сигнал, вырабатываемый генератором, является первым опорным сигналом. Второй опорный шумовой сигнал вырабатывается согласованной нагрузкой 14, находящейся при температуре термостатированной платы 15. Для повышения стабильности работы радиометра на этой же плате установлены модулятор 3, направленный ответвитель 2, аттенюатор 4, генератор шума 6, управляемый источник постоянного тока 21.Known microwave zero radiometer [A.S. No. 1704107 of the USSR. MKI 3 G01R 29/08. Zero radiometer / A.V. Filatov, G.S. Bordon (USSR) - 4708980/09; declared 06/22/1989; publ. 01/07/1992. - Bull. No. 1. - S. 182], which is selected as a prototype. Its structural diagram is depicted in FIG. 2 and contains a series-connected
Принцип работы данного радиометра заключается в следующем. В радиометре осуществляются два вида модуляции: амплитудно-импульсная сигналов антенны и согласованной нагрузки и широтно-импульсная сигнала генератора шума. Обработка огибающей промодулированных на входе шумовых сигналов (антенны и двух опорных) в низкочастотной части измерительного тракта включает такие две операции, как исключение постоянной составляющей в результате передачи сигналов через фильтр высоких частот и анализ полярности напряжения на входе компаратора на промежутке времени, когда к входу приемника подключена согласованная нагрузка. По результату анализа выдается управляющее воздействие на источник тока. Если полярность положительная, то длительность широтно-импульсного сигнала уменьшается, если отрицательная - увеличивается. Увеличение или уменьшение длительности выполняется блоком управления в каждом периоде амплитудно-импульсной модуляции на величину, соответствующую минимальному дискрету и пропорциональную младшему разряду выходного цифрового кода радиометра. Так осуществляется следящий режим работы радиометра. Изменением длительности широтно-импульсного сигнала радиометр поддерживается в состоянии нулевого баланса и по этой длительности косвенно определяется сигнал антенны. Так как в низкочастотной части радиометра нет преобразований модулированных сигналов (преобразований формы сигналов) с целью выделения информативных уровней напряжения для регулирования нулевого баланса, то и погрешности, связанные с этими преобразованиями, отсутствуют. Индикатором нулевого баланса в данном радиометре является равное нулю напряжение при подключении на вход приемника согласованной нагрузки, что фиксирует компаратор. В этом радиометре, как и в радиометре-аналоге, выполняется принцип нулевых измерений, в результате применения которого радиометр становится нечувствительным к изменениям коэффициента передачи измерительного тракта.The principle of operation of this radiometer is as follows. Two types of modulation are carried out in the radiometer: amplitude-pulse signals of the antenna and the matched load and pulse-width signal of the noise generator. Processing the envelope of noise signals modulated at the input (an antenna and two reference signals) in the low-frequency part of the measuring path includes two operations such as eliminating the DC component as a result of signal transmission through a high-pass filter and analyzing the voltage polarity at the comparator input at a time interval when to the receiver input matched load connected. Based on the result of the analysis, a control action on the current source is issued. If the polarity is positive, then the width of the pulse-width signal decreases, if negative, it increases. The increase or decrease in duration is performed by the control unit in each period of the amplitude-pulse modulation by an amount corresponding to the minimum discrete and proportional to the least significant bit of the output digital code of the radiometer. Thus, the monitoring mode of the radiometer is carried out. By changing the width of the pulse-width signal, the radiometer is maintained in a state of zero balance and the antenna signal is indirectly determined from this duration. 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 for regulating the zero balance, there are no errors associated with these transformations. The zero balance indicator in this radiometer is the voltage equal to zero when a matched load is connected to the receiver input, which fixes the comparator. 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 установленные на входе два опорных шумовых источника: согласованную нагрузку и генератор шума. Для питания генератор шума используется источник тока, а для ввода данного сигнала в тракт антенны установлены аттенюатор и направленный ответвитель. Чтобы сигнал антенны с минимальными потерями поступал на вход модулятора, для уменьшения его ответвления в тракт прохождения сигнала генератора шума направленный ответвитель выбирается с низким коэффициентом связи. Следовательно, генератор шума должен обладать достаточно высокой избыточной мощностью. Для этого в прототипе в качестве генератора шума используются полупроводниковые лавинно-пролетные диоды, обладающие рядом преимуществ, к которым в первую очередь относятся малые габариты, низкие значения тока питания диода. К недостатку можно отнести невысокую стабильность генерации шумового сигнала, что, впрочем, имеет место для всех полупроводниковых структур. Это приводит к необходимости тщательного термостатирования активной зоны диода и высокой стабильности работы питающего его источника тока.The considered radiometer, selected as a prototype, has two reference noise sources installed at the input: a matched load and a noise generator. A current source is used to power the noise generator, and an attenuator and a directional coupler are installed to input this signal into the antenna path. In order for the antenna signal with minimal losses to be input to the modulator, to reduce its branching into the signal path of the noise generator, the directional coupler is selected with a low coupling coefficient. Therefore, the noise generator must have a sufficiently high excess power. To do this, in the prototype as a noise generator, semiconductor avalanche-span diodes are used, which have a number of advantages, which primarily include small dimensions, low values of the diode supply current. The disadvantage is the low stability of the generation of the noise signal, which, however, is the case for all semiconductor structures. This leads to the need for careful temperature control of the active zone of the diode and high stability of the power supply source.
Предлагаемым изобретением решается задача упрощения схемы радиометра и повышение точности измерений, когда во входном узле радиометра используется только один опорный шумовой генератор - согласованная нагрузка, стабильность которой намного больше стабильности работы полупроводниковых структур. Отсутствие полупроводникового генератора шума значительно упрощает входную высокочастотную часть радиометра. Она становится такой же, как и у модуляционных радиометров, которые чаще других применяются на практике вследствие своей простоты. Но в предлагаемом радиометре в отличие от модуляционного осуществляется режим нулевых измерений, основным достоинством которого является отсутствие влияния на точность измерений изменений коэффициента передачи всего измерительного тракта. Это позволяет минимизировать погрешность измерений.The present invention solves the problem of simplifying the radiometer circuit and improving the accuracy of measurements when only one reference noise generator is used in the input node of the radiometer — a matched load whose stability is much greater than the stability of the semiconductor structures. The absence of a semiconductor noise generator greatly simplifies the input high-frequency part of the radiometer. It becomes the same as that of modulation radiometers, which are most often used in practice due to its simplicity. But in the proposed radiometer, in contrast to the modulation one, the mode of zero measurements is carried out, the main advantage of which is the absence of an influence on the measurement accuracy of changes in the transmission coefficient of the entire measuring path. This minimizes the measurement error.
Для достижения этого технического результата в нулевой радиометр, содержащий антенну, согласованную нагрузку, подключенную к первому входу модулятора, радиометрический приемник, последовательно соединенные импульсный усилитель, фильтр высоких частот, синхронный фильтр низких частот, компаратор, блок управления, первый и второй выходы которого соединены соответственно с управляющими входами модулятора и синхронного фильтра низких частот, а третий выход является выходной шиной радиометра, общая шина которого соединена со вторым входом компаратора, причем согласованная нагрузка и модулятор установлены на термостатированной плате и находятся с ней в тепловом контакте, введены высокочастотный ключ, первый переключатель, входом соединенный с выходом радиометрического приемника, а первый и второй его выходы соединены соответственно с одноименными входами второго переключателя, причем первый выход непосредственно, а второй - через делитель напряжения, выход второго переключателя подключен к входу импульсного усилителя, а управляющие входы первого, второго переключателей и высокочастотного ключа объединены вместе и подключены к четвертому выходу блока управления, антенна соединена со вторым входом модулятора, выход которого через высокочастотный ключ подключен к входу радиометрического приемника.To achieve this technical result, a zero radiometer containing an antenna, a matched load connected to the first input of the modulator, a radiometric receiver, a serially connected pulse amplifier, a high-pass filter, a synchronous low-pass filter, a comparator, a control unit, the first and second outputs of which are connected respectively with the control inputs of the modulator and synchronous low-pass filter, and the third output is the output bus of the radiometer, the common bus of which is connected to the second input m of the comparator, and the coordinated load and the modulator are installed on the thermostatically controlled board and are in thermal contact with it, a high-frequency key, a first switch, connected to the output of the radiometric receiver, are introduced, and its first and second outputs are connected respectively to the inputs of the second switch of the same name, the first the output is direct, and the second through the voltage divider, the output of the second switch is connected to the input of the pulse amplifier, and the control inputs of the first, second switch lei and the high-frequency key are combined together and connected to the fourth output of the control unit, the antenna is connected to the second input of the modulator, the output of which through the high-frequency key is connected to the input of the radiometric receiver.
На фиг. 1 представлена структурная схема радиометра-аналога.In FIG. 1 is a structural diagram of an analog radiometer.
На фиг. 2 показана структурная схема радиометра-прототипа.In FIG. 2 shows a structural diagram of a prototype radiometer.
На фиг. 3 представлена структурная схема предлагаемого нулевого радиометра.In FIG. 3 presents a structural diagram of the proposed zero radiometer.
На фиг. 4 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип работы предлагаемого нулевого радиометра.In FIG. 4 are timing diagrams explaining the principle of operation of the proposed zero radiometer.
В состав радиометра (фиг. 3) входит антенна 1. Входной блок включает установленные на термостатированной плате 15 модулятор 3 и согласованную нагрузку 14. Сигнал с выхода модулятора через высокочастотный ключ 5 поступает на радиометрический приемник 7, на выходе которого выделяется огибающая сигналов модуляции. Измерительный низкочастотный канал состоит из импульсного усилителя 16, фильтра высоких частот 17, синхронного фильтра низких частот 18, компаратора 19. Для осуществления в радиометре нулевого метода работы, между выходом приемника и входом импульсного усилителя установлены переключатели 22, 23 и делитель напряжения 24. Радиометр функционирует под управлением блока 20, с третьего выхода которого сигнал поступает на выходную шину 13.The radiometer (Fig. 3) includes an
Во входном блоке радиометра происходит амплитудно-импульсная модуляция сигналов антенны и согласованной нагрузки с эффективными шумовыми температурами ТА и TCH соответственно. Согласованная нагрузка установлена на термостатированной плате и выполняет в радиометре роль опорного шумового генератора.In the input unit of the radiometer, pulse-amplitude modulation of the antenna signals and matched load occurs with effective noise temperatures T A and T CH, respectively. The coordinated load is mounted on a thermostated board and acts as a reference noise generator in the radiometer.
Измерительный канал представляет собой радиометрический приемник 7 с линейной передаточной характеристикой и полосой принимаемых частот dƒ. Приемник выполнен по схеме прямого усиления и включает в себя высокочастотные усилители, полосовой фильтр, квадратичный детектор, выделяющий огибающую сигналов модуляции. Полный коэффициент передачи приемника включает усиление сигналов по высокой частоте и преобразование сигналов в квадратичном детекторе с коэффициентами G и β соответственно. Приведенная к входу приемника собственная шумовая температура равна Тш. Фильтр высоких частот 17 собран по схеме однозвенного фильтра первого порядка (представляет собой разделительную CR-цепь) с граничной частотой, много меньшей частоты модуляции в радиометре, и предназначен для устранения в сигналах постоянной составляющей. В результате на выходе фильтра выделяется переменная составляющая сигналов с минимальными искажениями формы импульсов. Синхронный фильтр низких частот 18 производит предварительную фильтрацию сигналов, уменьшает флуктуационную компоненту в продетектированных сигналах и тем самым исключает перегрузку следующего за ним компаратора 19. Фильтр состоит из трех однозвенных интегрирующих RC-цепей, в которых резистор является общим для всех цепей, а постоянные составляющие сигналов накапливаются на трех конденсаторах синхронным их подключением к общей шине радиометра через электронные ключи. Ключи имеют входы управления, на которые поступают сигналы с выхода 2 блока управления по трехпроводной шине.The measuring channel is a
Принцип работы радиометра поясняется временными диаграммами на фиг. 4 и заключается в следующем. Импульсные сигналы для амплитудной модуляции, поступающие на управляющий вход модулятора 3 с первого выхода блока управления 20, представляют собой периодическую последовательность прямоугольных импульсов со скважностью следования, равной двум. Один период данной модуляции состоит из двух равных полупериодов с равными длительностями tАИМ (фиг. 4). В первом полупериоде, когда управляющий сигнал имеет высокий уровень (наличие импульса на выходе 1 блока управления), на вход приемника 7 поступает сигнал антенны ТА. Во втором полупериоде, при низком уровне управляющего сигнала (отсутствие импульса), через модулятор на вход приемника коммутируется согласованная нагрузка с шумовой температурой TCH. Таким образом в радиометре осуществляется амплитудно-импульсная модуляция.The principle of operation of the radiometer is illustrated by timing diagrams in FIG. 4 and is as follows. The pulse signals for amplitude modulation, received at the control input of the
Для осуществления широтно-импульсной модуляции в радиометре установлен на входе приемника высокочастотный ключ 5, а на его выходе - два переключателя 22, 23 и делитель напряжения 24. Первый переключатель 22 работает в режиме селектора, в зависимости от сигнала на управляющем входе коммутирует входной сигнал либо на первый, либо на второй выходы. Второй переключатель 23, наоборот, работает в режиме мультиплексора. Один из его двух входов по сигналу управления подключается к выходу.To implement pulse-width modulation, a high-
Высокочастотный ключ по управляющему сигналу с четвертого выхода блока управления размыкается. Ключ размыкается на интервале времени второго полупериода амплитудно-импульсной модуляции, когда широтно-импульсный сигнал не действует, то есть на время tАИМ _tШИМ (см. фиг. 4). Одновременно с этим выходы и входы переключателей 22 и 23 из положения 1 переходят в положение 2. Это значит, что на выделенном выше интервале времени сигнал проходит через делитель напряжения 24 с коэффициентом деления α.The high-frequency key is opened by the control signal from the fourth output of the control unit. Switch is opened at a time interval of the second half-cycle of a pulse amplitude modulation, pulse width when the signal is not valid, i.e. at time t _ t PAM PWM (see. FIG. 4). At the same time, the outputs and inputs of the
Этот сигнал состоит из суммы трех сигналов. Первый из них характеризует собственные шумы радиометрического приемника с эффективной температурой Тш. Второй - этот же сигнал, но отраженный от разомкнутого ключа 5 с коэффициентом отражения по мощности R. Третий сигнал Tш, ин возникает в результате интерференции собственных шумов и этих же шумов, отраженных от ключа. Таким образом, полный сигнал будет равен:This signal consists of the sum of three signals. The first of them characterizes the intrinsic noise of a radiometric receiver with an effective temperature T w . The second one is the same signal, but reflected from
где коэффициент R для разомкнутого ключа близок к единице.where the coefficient R for the open key is close to unity.
Интерференционный член Tш, ин возникает за счет когерентности сигналов собственных шумов на входе и этих же шумов, отраженных от высокочастотного ключа. Если расстояние s между выходом ключа и входом приемника увеличивать, эффективный интервал времени автокорреляции этих сигналов уменьшается и при выполнении условия (2s√ε/C0)≥(1/dƒ), где ε - диэлектрическая проницаемость подложки, на которой размещаются высокочастотные элементы входного узла, С0 - скорость света в вакууме, dƒ - полоса частот принимаемых радиометром сигналов, две составляющие шумов будут некоррелированными. Отсюда, для исключения интерференционных наложений длина отрезка s должна быть не менее sмин=C0/2√ε dƒ.The interference term T w, in arises due to the coherence of the intrinsic noise signals at the input and the same noises reflected from the high-frequency key. If the distance s between the key output and the receiver input is increased, the effective autocorrelation time interval of these signals decreases and when the condition (2s√ε / C 0 ) ≥ (1 / dƒ) is satisfied, where ε is the dielectric constant of the substrate on which the high-frequency elements of the input node, C 0 is the speed of light in vacuum, dƒ is the frequency band of the signals received by the radiometer, the two noise components will be uncorrelated. Hence, to avoid interference, the length of the segment s must be at least s min = C 0 / 2√ ε dƒ.
Если интерференционным членом можно пренебречь при выполнении рассмотренных выше условий, тогда сигнал на интервале времени модуляции tАИМ-АШИМ будет равен .If the interference term can be neglected when the above conditions are met, then the signal on the modulation time interval t AIM- A PWM will be equal to .
Таким образом, на первом входе компаратора 19 в разные интервалы времени будут иметь место три уровня периодически повторяемых сигналов, равных:Thus, at the first input of the
где G - коэффициент усиления сигналов по мощности в приемнике, β - коэффициент преобразования мощности в напряжение в квадратичном детекторе приемника, Ku - коэффициент усиления напряжения в импульсном усилителе, dƒ - полоса принимаемых приемником частот, k - постоянная Больцмана.where G is the gain of signals in terms of power in the receiver, β is the coefficient of conversion of power to voltage in the quadratic detector of the receiver, K u is the gain of voltage in the pulse amplifier, dƒ is the frequency band received by the receiver, and k is the Boltzmann constant.
На фиг. 4 приведены временные диаграммы для случая установленного нулевого баланса в радиометре. Нулевой баланс считается установленным, если в первый полупериод амплитудно-импульсной модуляции, когда на вход приемника поступает сигнал антенны, выходное напряжение измерительного тракта равно нулю и это равенство фиксирует компаратор 19, работающий в режиме нуль-органа. Нулевой баланс при включении питания радиометра устанавливается и затем, при изменении сигнала антенны, регулируется соответствующим изменением длительности широтно-импульсного сигнала tШИМ. Так как сигнал на входе компаратора 19 в результате модуляции имеет периодический характер и в этих сигналах исключена постоянная составляющая фильтром высоких частот 17, тогда для одного периода выполняется равенство вольт-секундных площадей положительного и отрицательного импульсов:In FIG. Figure 4 shows the timing diagrams for the case of a set zero balance in the radiometer. Zero balance is considered to be established if in the first half-period of amplitude-pulse modulation, when the antenna signal is input to the receiver, the output voltage of the measuring path is zero and this equality fixes the
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:
Подставляя (4) и (5) в равенство (3) получим:Substituting (4) and (5) into equality (3) we obtain:
В процессе калибровки, которая описана ниже, регулируется коэффициент передачи α делителя напряжения 24 (фиг. 3) до выполнения равенства:In the calibration process, which is described below, the gear ratio α of the voltage divider 24 (Fig. 3) is adjusted until the equality:
где согласно (1) равна .Where according to (1) is equal .
Подставляя (7) в (6) окончательно будем иметь:Substituting (7) into (6) we finally have:
Откуда, решая равенство (8) относительно времени широтно-импульсного сигнала, получим:From where, solving equality (8) with respect to the time of a pulse-width signal, we obtain:
Из последней формулы (9) следует линейная зависимость длительности tШИМ и входного сигнала антенны TA. Следовательно, через эту длительность косвенным образом определяется сигнал антенны. Так же из формулы (9) следует, что на длительность широтно-импульсного сигнала не влияют изменения собственных шумов Тш и коэффициента передачи измерительного тракта радиометра (коэффициенты G, β, Ku). Устранение влияния этих двух основных дестабилизирующих факторов указывает на то, что радиометр работает по принципу нулевых измерений. В формулу (9) входит только один опорный сигнал - шумовая температура согласованной нагрузки. Следовательно, удовлетворены заявляемые требования предлагаемого изобретения по использованию во входном высокочастотном блоке одного опорного шумового сигнала вместо используемых в прототипе двух.From the last formula (9), a linear dependence of the PWM duration t and the antenna input signal T A follows. Therefore, through this duration, the antenna signal is indirectly determined. It also follows from formula (9) that the duration of the pulse-width signal is not affected by changes in the intrinsic noise T W and the transmission coefficient of the measuring path of the radiometer (coefficients G, β, K u ). Elimination of the influence of these two main destabilizing factors indicates that the radiometer works on the principle of zero measurements. Formula (9) includes only one reference signal — the noise temperature of the matched load. Therefore, the claimed requirements of the present invention for the use in the input high-frequency unit of one reference noise signal are satisfied instead of the two used in the prototype.
Измеряемый сигнал антенны определяется из (9):The measured antenna signal is determined from (9):
Границы диапазона изменений находим из (10) подстановкой длительностей tШИМ, равных нулю, и длительности tАИМ. Получаем:The boundaries of the range of changes are found from (10) by substituting the PWM durations t equal to zero and the AIM duration t. We get:
Таким образом, размах диапазона изменений шумового сигнала антенны составляет от 0 градусов Кельвина до эффективной температуры шумов согласованной нагрузки TCH, равной ее термодинамической температуре.Thus, the range of variation of the noise signal of the antenna is from 0 degrees Kelvin to the effective noise temperature of the matched load T CH equal to its thermodynamic temperature.
Диапазон измерений настраивается в процессе калибровки радиометра. 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 TА,макс. Длительность сигнала широтно-импульсной модуляции на этом этапе устанавливается равной длительности полупериода амплитудно-импульсной модуляции, то есть tШИМ=tАИМ Изменением температуры термостатированной платы и, следовательно, согласованной нагрузки происходит настройка сигнала TCH до момента выполнения равенства TCH+Tш=Tэт,макс+Tш, что также фиксирует компаратор. При выполнении равенства напряжение на входе компаратора в первом полупериоде модуляции становится равным нулю. На этом первый этап калибровки, в результате которого шумовой сигнал согласованной нагрузки TCH становится равным сигналу подключаемого эталона, считается завершенным.The measuring range is adjusted during the calibration of the radiometer. Calibration is carried out in two stages. At the first stage, instead of the antenna, a reference with a noise temperature T et, max , which defines the upper limit of the measurement range T A, max . The duration of the pulse-width modulation signal at this stage is set equal to the duration of the half-period of amplitude-pulse modulation, that is, t PWM = t AIM. By changing the temperature of the thermostated board and, therefore, the matched load, the signal T CH is tuned until the equality T CH + T w = T et , max + T w , which also fixes the comparator. When the equality is fulfilled, the voltage at the input of the comparator in the first half-cycle of the modulation becomes equal to zero. At this point, the first calibration step, as a result of which the noise signal of the matched load T CH becomes equal to the signal of the connected standard, is considered complete.
Второй этап калибровки начинается с подключения на вход радиометра шумового эталона, определяющего нижнюю границу диапазона измерений. Так как, согласно (11), нижней границе диапазона соответствует сигнал с нулевой шумовой температурой, которую на практике создать невозможно, поэтому данный этап (в отличие от прототипа) осуществляется в модифицированном виде и заключается в следующем. Длительность широтно-импульсного сигнала устанавливается не равной нулю, как это требуется по условию (11), а равной половине полупериода амплитудно-импульсной модуляции, то есть tШИМ=tАИМ/2. При этом на вход радиометра подключается эталон, выходной шумовой сигнал которого Tэт равен середине диапазона измерений, то есть значению TCH/2. Например, для диапазона 0-300 К (который, как правило, используется в радиометрах при дистанционном зондировании Земли), сигнал TCH определяет верхнюю границу и равен 300 К. Тогда сигнал данного эталона должен быть равным 150 К.The second calibration stage begins by connecting a noise standard to the radiometer input, which determines the lower limit of the measurement range. Since, according to (11), the lower boundary of the range corresponds to a signal with zero noise temperature, which in practice cannot be created, therefore this stage (unlike the prototype) is carried out in a modified form and consists in the following. The width of the pulse-width signal is set not equal to zero, as required by condition (11), but equal to half the half-period of the amplitude-pulse modulation, i.e., t PWM = t AIM / 2. In this case, a standard is connected to the radiometer input, the output noise signal of which T et is equal to the middle of the measurement range, i.e., to the value of T CH / 2. For example, for the range 0-300 K (which, as a rule, is used in radiometers for remote sensing of the Earth), the signal T CH determines the upper limit and is equal to 300 K. Then the signal of this standard should be equal to 150 K.
Далее, изменением значения коэффициента ослабления α делителя напряжения, по выходному сигналу компаратора настраивается равенство вольт-секундных площадей отрицательного и положительного импульсов, как в (6):Further, by changing the value of the attenuation coefficient α of the voltage divider, the equality of the volt-second areas of the negative and positive pulses is adjusted according to the output signal of the comparator, as in (6):
где Tэт=TCH/2 и tШИМ'=tАИМ/2. После подстановки последних равенств в (12) и сокращений получим выражение (7). Таким образом, коэффициент деления а делителя напряжения является второй опорной величиной, определяющей крутизну передаточной характеристики радиометра, ее наклон. Так как делитель напряжения можно выполнить с применением прецизионных резисторов, то и, соответственно, можно получить стабильный коэффициент ослабления. Следовательно, данный коэффициент, как опорный параметр, будет обладать более стабильными характеристиками, чем используемый для этих целей второй генератор шума, применяемый в прототипе.where T et = T CH / 2 and t PWM '= t AIM / 2. After substituting the last equalities in (12) and abbreviations, we obtain expression (7). Thus, the dividing coefficient a of the voltage divider is the second reference value that determines the steepness of the transfer characteristic of the radiometer, its slope. Since the voltage divider can be performed using precision resistors, and, accordingly, a stable attenuation coefficient can be obtained. Therefore, this coefficient, as a reference parameter, will have more stable characteristics than the second noise generator used for this purpose used in the prototype.
Необходимо отметить, что второй этап калибровки можно проводить и с эталоном, генерирующим произвольный сигнал, не обязательно равный середине диапазона измерений. Для этого после подключения эталона длительность широтно-импульсного сигнала устанавливается эквивалентной в цифровом представлении шумовому сигналу, генерируемому эталоном. В остальном проведение этого этапа калибровки аналогично описанному.It should be noted that the second calibration step can also be carried out with a standard generating an arbitrary signal, not necessarily equal to the middle of the measurement range. For this, after connecting the standard, the pulse width of the pulse-width signal is set equivalent in digital representation to the noise signal generated by the standard. Otherwise, this calibration step is the same as described.
Цифровой блок управления вырабатывает все необходимые сигналы для функционирования радиометра (фиг. 4), может быть выполнен на цифровых интегральных микросхемах логики КМОП (жесткая логика), микроконтроллере малой и средней производительности, программируемой матрице. Цифровой код длительности широтно-импульсного сигнала является цифровым эквивалентом измеряемого сигнала антенны. В литературе с достаточной полнотой описаны конструкции СВЧ-устройств, такие как модуляторы, полосовые фильтры и методы их расчетов [Бахарев С.И., Вольман В.И., Либ Ю.Н., и др. Под ред. Вольмана В.И. Справочник по расчету и конструирования СВЧ полосковых устройств.- М.: Радио и связь, 1982. - 328 с.]. В данном радиометре эти узлы выполнены на микрополосковых волноведущих структурах. В приемнике применены транзисторные высокочастотные усилители. Синхронные фильтры низкой частоты описаны в [Фрейтер. Синхронный интегратор и демодулятор // Приборы для научных исследований. - 1965. - Т. 36, №5. - С. 53]. Используемые в радиометре переключатели конфигурации 2×1 и схемы делителей напряжения также хорошо освещены в литературе [152. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: Энергоатомиздат, Ленинград, отделение, 1988. - 278 с.].The digital control unit generates all the necessary signals for the functioning of the radiometer (Fig. 4), can be performed on digital integrated circuits of CMOS logic (hard logic), a microcontroller of small and medium performance, a programmable matrix. The digital code for the width of the pulse width signal is the digital equivalent of the measured antenna signal. The literature describes with sufficient completeness the design of microwave devices, such as modulators, bandpass filters and methods for their calculation [Bakharev S.I., Volman V.I., Lib Yu.N., et al. Ed. Volman V.I. Handbook of 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 high-frequency amplifiers. Synchronous low-pass filters are described in [Frater. Synchronous integrator and demodulator // Devices for scientific research. - 1965. - T. 36, No. 5. - S. 53]. The 2 × 1 configuration switches and voltage divider circuits used in the radiometer are also well illuminated in the literature [152. Gutnikov B.C. Integrated electronics in measuring devices. - L .: Energoatomizdat, Leningrad, department, 1988. - 278 p.].
В отличие от прототипа, в предлагаемом радиометре используется один опорный источник шума, и это значительно упрощает входной высокочастотный тракт. Он становится аналогичным входному тракту классического модуляционного радиометра, где в основе функционирования используется метод дифференциальных измерений. Модуляционный радиометр благодаря простой конструкции входного узла часто используется при построении различного назначения систем. В таком радиометре сведено к нулю влияние постоянной составляющей собственных шумов на интервале измерения. Но другой дестабилизирующий фактор, дрейф и флуктуации коэффициента усиления, в значительной степени влияют на точность измерений, так как от этого параметра в модуляционном радиометре зависит крутизна передаточной характеристики. В предлагаемом радиометре реализован нулевой метод, влияние описанного дестабилизирующего фактора сведено к нулю, и крутизну характеристики преобразования определяет собранный на прецизионных резисторах делитель напряжения. Таким образом, достигнут результат упрощения устройства при одновременном повышении точности.Unlike the prototype, the proposed radiometer uses a single reference noise source, and this greatly simplifies the input high-frequency path. It becomes similar to the input path of the classical modulation radiometer, where the differential measurement method is used as the basis of operation. Modulation radiometer due to the simple design of the input node is often used in the construction of various systems. In such a radiometer, the influence of the constant component of the intrinsic noise over the measurement interval is reduced to zero. But another destabilizing factor, drift and gain fluctuations, significantly affect the accuracy of measurements, since the steepness of the transfer characteristic depends on this parameter in a modulation radiometer. The proposed radiometer implements the zero method, the influence of the described destabilizing factor is reduced to zero, and the slope of the conversion characteristic is determined by the voltage divider assembled on precision resistors. Thus, the result is a simplification of the device while improving accuracy.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016109668A RU2642475C2 (en) | 2016-03-17 | 2016-03-17 | Zero radiometer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016109668A RU2642475C2 (en) | 2016-03-17 | 2016-03-17 | Zero radiometer |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2016109668A RU2016109668A (en) | 2017-09-21 |
RU2642475C2 true RU2642475C2 (en) | 2018-01-25 |
Family
ID=59930955
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016109668A RU2642475C2 (en) | 2016-03-17 | 2016-03-17 | Zero radiometer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2642475C2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2698488C1 (en) * | 2019-02-01 | 2019-08-28 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Zero radiometer |
RU2745796C1 (en) * | 2020-04-03 | 2021-04-01 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) | Fast zero radiometer |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4527162A (en) * | 1982-02-23 | 1985-07-02 | Canadian Patents And Development Limited-Societe Canadien Ne Des Brevets Et D'exploitation Limitee | Radiometer |
SU1448312A1 (en) * | 1987-05-04 | 1988-12-30 | Специальное Конструкторское Бюро Института Радиотехники И Электроники Ан Ссср | Modulation radiometer |
GB2211952A (en) * | 1987-11-05 | 1989-07-12 | Secr Defence | Radiometers |
SU1704107A1 (en) * | 1989-06-22 | 1992-01-07 | Читинский институт природных ресурсов СО АН СССР | Zero radiometer |
RU2235340C1 (en) * | 2003-01-17 | 2004-08-27 | Институт мерзлотоведения им. акад. П.И. Мельникова объединенного Института мерзлотоведения и освоения природных ресурсов криолитозоны СО РАН | Null radiometer |
RU2439594C1 (en) * | 2010-06-01 | 2012-01-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) | Zero radiometer |
-
2016
- 2016-03-17 RU RU2016109668A patent/RU2642475C2/en active IP Right Revival
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4527162A (en) * | 1982-02-23 | 1985-07-02 | Canadian Patents And Development Limited-Societe Canadien Ne Des Brevets Et D'exploitation Limitee | Radiometer |
SU1448312A1 (en) * | 1987-05-04 | 1988-12-30 | Специальное Конструкторское Бюро Института Радиотехники И Электроники Ан Ссср | Modulation radiometer |
GB2211952A (en) * | 1987-11-05 | 1989-07-12 | Secr Defence | Radiometers |
SU1704107A1 (en) * | 1989-06-22 | 1992-01-07 | Читинский институт природных ресурсов СО АН СССР | Zero radiometer |
RU2235340C1 (en) * | 2003-01-17 | 2004-08-27 | Институт мерзлотоведения им. акад. П.И. Мельникова объединенного Института мерзлотоведения и освоения природных ресурсов криолитозоны СО РАН | Null radiometer |
RU2439594C1 (en) * | 2010-06-01 | 2012-01-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) | Zero radiometer |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2698488C1 (en) * | 2019-02-01 | 2019-08-28 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Zero radiometer |
RU2745796C1 (en) * | 2020-04-03 | 2021-04-01 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) | Fast zero radiometer |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2016109668A (en) | 2017-09-21 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US2678581A (en) | Signal comparison apparatus | |
Filatov et al. | A microwave four-channel null L-band radiometer | |
RU2619841C1 (en) | Zero radiometer | |
RU2642475C2 (en) | Zero radiometer | |
RU2439594C1 (en) | Zero radiometer | |
HU196513B (en) | Apparatus for measuring voltage by sampling | |
US3244978A (en) | Apparatus for the determination of attenuation in waveguides including means for comparing the amplitudes of pulse reflections | |
RU2485462C2 (en) | Radiometer for measurement of depth temperatures of objects (radio thermometer) | |
RU2460081C2 (en) | Multichannel null radiometer | |
RU2675670C1 (en) | Radiometric measurement of coefficient of reflection in broadband frequency | |
Ubaichin et al. | Dynamics of internal thermal processes in dielectric materials and the method of its measurement in microwave hyperspectral mode | |
RU2698488C1 (en) | Zero radiometer | |
RU2393502C1 (en) | Two-channel null radiometre | |
RU2745796C1 (en) | Fast zero radiometer | |
CN105700850B (en) | A kind of zero balancing numeral combined integral device for Dick's type radiometer | |
RU2431856C1 (en) | Radiometre to analyse objects adjoining antenna | |
RU2439595C1 (en) | Radiometric reflection coefficient meter | |
RU2235340C1 (en) | Null radiometer | |
RU2794063C1 (en) | Microwave radiometer | |
RU2093845C1 (en) | Zero radiometer | |
RU2541426C1 (en) | Multi-receiver zero radiometer | |
RU2763694C1 (en) | Radiothermometer | |
RU2211455C1 (en) | Radiometer | |
RU2168733C1 (en) | Microwave radiometer | |
RU2298801C1 (en) | Device for measuring the power of a microwave frequency |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190318 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20200818 |
|
PD4A | Correction of name of patent owner | ||
PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20210318 |