RU2745796C1 - Fast zero radiometer - Google Patents
Fast zero radiometer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2745796C1 RU2745796C1 RU2020113936A RU2020113936A RU2745796C1 RU 2745796 C1 RU2745796 C1 RU 2745796C1 RU 2020113936 A RU2020113936 A RU 2020113936A RU 2020113936 A RU2020113936 A RU 2020113936A RU 2745796 C1 RU2745796 C1 RU 2745796C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- frequency
- input
- low
- radiometer
- 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
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radiation Pyrometers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области радиотеплолокации и может использоваться для измерения мощности шумовых сигналов быстропротекающих процессов, например, в космических системах дистанционного зондирования при движении спутника, сканирующего поверхность Земли и Мирового океана с целью построения глобальных радиотепловых карт и получения данных для прогноза климата, определения степени антропогенного воздействия на окружающую среду, а также в других областях, где требуется построение радиотепловых портретов быстроменяющихся сцен.The invention relates to the field of radio thermal location and can be used to measure the power of noise signals of fast-moving processes, for example, in space remote sensing systems during the movement of a satellite scanning the surface of the Earth and the World Ocean in order to build global radio-thermal maps and obtain data for climate forecasting, determining the degree of anthropogenic impact on the environment, as well as in other areas where it is required to build radiothermal portraits of rapidly changing scenes.
Известен нулевой радиометр [Филатов А.В., Бордонский Г.С. // Нулевой радиометр. А.с. СССР N 1704107, G01R 29/08, G01S 13/95], структурная схема которого изображена на фиг. 1, содержащий последовательно соединенные антенну 1, направленный ответвитель 2, высокочастотный амплитудный модулятор 3, радиометрический приемник 9, низкочастотный усилитель 10, фильтр высокой частоты 11, синхронный фильтр 12, компаратор 13 (нуль-орган), блок управления 14, на четвертом выходе которого формируется цифровой код измеряемого сигнала антенны, поступающий на шину 15. Автоматический ввод опорного сигнала генератора шума 5 в направленный ответвитель 2 осуществляется через аттенюатор 6 по управляющему сигналу с первого выхода блока управления 14, по которому источник постоянного тока 4 включается и вырабатывает ток, питающий генератор шума. Шумовой сигнал, вырабатываемый генератором 5, является первым опорным сигналом. Второй опорный шумовой сигнал вырабатывается согласованной нагрузкой 7, находящейся при температуре термостатированной платы 8. Для повышения стабильности работы радиометра на этой же плате установлены модулятор 3, направленный ответвитель 2, аттенюатор 6, генератор шума 5, управляемый источник тока 4.Known zero radiometer [Filatov AV, Bordonsky GS. // Zero radiometer. A.S. USSR N 1704107, G01R 29/08, G01S 13/95], the structural diagram of which is shown in Fig. 1, containing a series-connected
В радиометре опорный сигнал генератора шума подвергается широтно-импульсной модуляции, а сигнал антенны и согласованной нагрузки - амплитудно-импульсной модуляции.In the radiometer, the reference signal of the noise generator is subjected to pulse-width modulation, and the signal of the antenna and matched load is subjected to amplitude-pulse modulation.
Особенностью работы данного радиометра является то, что обработка огибающей промодулированных антенного и опорных сигналов на выходе приемника (по низкой частоте) включает операцию исключения постоянной составляющей фильтром высокой частоты 11, что не требует применения синхронного детектирования. После исключения постоянной составляющей происходит анализ полярности напряжения на входе компаратора в промежуток времени, когда к входу приемника подключена согласованная нагрузка. Так как в низкочастотной части радиометра нет преобразований формы сигналов с целью выделения информативных уровней напряжения, то и погрешности, связанные с этими преобразованиями, отсутствуют. В радиометре выполняется принцип нулевых измерений, и в результате радиометр становится нечувствительным к изменениям коэффициента передачи измерительного тракта.A feature of this radiometer is that the processing of the envelope of the modulated antenna and reference signals at the output of the receiver (at low frequency) includes the operation of eliminating the constant component with a high-
Описанный радиометр, выбранный в качестве аналога, является однопри-емниковым и поэтому его чувствительность и быстродействие хуже, чем у двухприемниковых схем.The described radiometer, chosen as an analogue, is a single-receiver and therefore its sensitivity and speed are worse than those of two-receiver circuits.
Известен двухканальный нулевой радиометр [Патент РФ №2393502, G01R 29/26, G01S 13/95. Двухканальный нулевой радиометр / А.В. Филатов, О.А. Сербинов, А.В. Убайчин - Заявка №2008148402/09. - Приоритет от 08.12.2008. - БИ №18, 2010], в состав которого входят (фиг. 2) антенна 1, входной блок, два идентичных измерительных канальных приемника, узел обработки сигналов. Входной блок включает установленные на термостатированной плате 19 высокочастотный модулятор 3, первый 17 и второй 22 генераторы шума, управляемый аттенюатор 20, первый 2 и второй 21 направленные ответвители, первый 18 и второй 23 источники тока, согласованную нагрузку 4. Каждый измерительный канал состоит из радиометрических приемников 5 и 10, предварительных низкочастотных усилителей 6 и 11, синхронных фильтров 7 и 12, низкочастотных усилителей 8 и 13, фильтров высокой частоты 9 и 14. В состав узла обработки входят низкочастотный модулятор 15, компаратор 16, блок управления 24, интегратор динамического типа 25, с выхода которого сигнал поступает на выходную шину 26.Known two-channel zero radiometer [RF Patent No. 2393502,
Первый 17 и второй 22 генераторы шума выполнены с использованием полупроводниковых лавинно-пролетных диодов, через активную зону которых протекают токи, вырабатываемые соответствующими первым 18 и вторым 23 источниками тока. Изменением токов происходит настройка выходной шумовой мощности генераторов и, следовательно, опорных сигналов.The first 17 and second 22 noise generators are made using semiconductor avalanche-transit diodes, through the active zone of which currents flow, generated by the corresponding first 18 and second 23 current sources. By changing the currents, the output noise power of the generators and, therefore, the reference signals are adjusted.
Во входном блоке радиометра происходит модуляция сигналов. Амплитудной импульсной модуляции подвергаются сигналы антенны ТА и согласованной нагрузки Тсн. Модуляция происходит в высокочастотном модуляторе 3 по симметричному закону и включает два равных полупериода с длительностью tАИМ. Входной сигнал антенны поступает на первый вход модулятора 3 через направленный ответвитель 2, в котором к сигналу антенны добавляется сигнал первого генератора шума 17, предварительно модулированного по широтно-импульсному закону дискретным изменением коэффициента поглощения аттенюатора 20 по управляющему сигналу tШИМ, поступающему с пятого выхода блока управления. Два уровня α и α+Δα ослабления сигнала генератора шума Tгш1 аттенюатором настраиваются в ходе калибровки. Первый уровень ослабления сигнала генератора шума α определяет верхнюю границу диапазона измерения, второй - α+Δα - размах диапазона.Signals are modulated in the input block of the radiometer. Antenna signals T A and matched load T SN are subjected to amplitude pulse modulation. Modulation occurs in the high-
Нулевой баланс для каждого измерительного канала регулируется соответствующим изменением длительности широтно-импульсного сигнала tШИМ, и считается установленным, если в полупериод амплитудно-импульсной модуляции с подключенной согласованной нагрузкой к входу приемника, выходное напряжение канала равно нулю, и этот случай фиксируется компаратором 16, работающим в режиме нуль-органа. Для этого выходы измерительных приемников попеременно, с частотой амплитудно-импульсной модуляции, через низкочастотный модулятор 15 с конфигурацией 2×1 поступают на вход компаратора.The zero balance for each measuring channel is regulated by a corresponding change in the duration of the pulse-width signal t PWM , and is considered to be set if, in the half-period of the amplitude-pulse modulation with a matched load connected to the receiver input, the channel output voltage is zero, and this case is fixed by the
При работе радиометра и установленном в каждом приемном канале нулевом балансе между длительностью tШИМ и сигналом антенны ТА имеет место линейная зависимость и через эту длительность косвенно определяется сигнал антенны. На длительность широтно-импульсного сигнала tШИМ не влияют изменения коэффициента передачи измерительного тракта и собственные шумы приемника. Устранение влияния этих двух основных дестабилизирующих факторов указывает на то, что радиометр работает по принципу нулевых измерений.When the radiometer is operating and a zero balance is set in each receiving channel between the PWM duration t and the antenna signal T A, a linear relationship takes place, and through this duration the antenna signal is indirectly determined. The duration of the pulse-width signal t PWM is not affected by changes in the transmission coefficient of the measuring path and the intrinsic noise of the receiver. The elimination of the influence of these two main destabilizing factors indicates that the radiometer operates on the principle of zero measurements.
В радиометре реализована возможность его настройки на произвольный диапазон измерений. Для этого в радиометр введены дополнительные второй генератор шума 22, вырабатывающий сигнал Tгш2, и направленный ответвитель 21, а также реализовано дискретное (двухуровневое) изменение поглощения сигнала первого генератора шума 17. Изменением сигналов Tоп1 и Tоп2 (см. фиг. 2) можно регулировать верхнюю границу диапазона измерения, изменением сигнала Тдоп - нижнюю границу, т.е. произвольно задавать диапазон измерений.The radiometer has the ability to adjust it to an arbitrary measurement range. For this, an additional
Управление работой радиометра осуществляет блок управления 24, который вырабатывает необходимые управляющие сигналы для амплитудно-импульсной и широтно-импульсной модуляций. Анализируя выходной сигнал компаратора блок управления изменяет соответственно широтный сигнал для поддержания измерительных трактов в состоянии нулевого баланса. С выхода блока управления цифровой код поступает на динамический интегратор 25, в котором происходит накопление цифровых кодов измеряемого сигнала антенны за определенный интервал времени и их усреднение.The operation of the radiometer is controlled by the
В радиометре флуктуационная чувствительность превышает чувствительность одного приемного канала в 21/2 - раз.In a radiometer, the fluctuation sensitivity exceeds the sensitivity of one receiving channel by a factor of 2 1/2.
Рассмотренный радиометр, выбранный в качестве прототипа, имеет ограничения по быстродействию измерений. В нем быстродействие можно увеличить только пропорциональным увеличением частоты амплитудно-импульсной модуляции. Но это можно осуществить в небольших пределах, максимально в 1,5 - раза. Это связано с тем, что при большом увеличении частоты модуляции нарушается работоспособность следящей цепи поддержания нулевого баланса. Чтобы этого не произошло, необходимо уменьшить в блоке управления разрядность цифрового кода длительности широтно-импульсного сигнала, но это приведет к уменьшению разрешающей способности измерений.The considered radiometer, chosen as a prototype, has limitations on the measurement speed. In it, the speed can be increased only by a proportional increase in the frequency of amplitude-pulse modulation. But this can be done within small limits, maximum 1.5 times. This is due to the fact that with a large increase in the modulation frequency, the performance of the tracking circuit for maintaining the zero balance is disrupted. To prevent this from happening, it is necessary to reduce the digit capacity of the digital code of the pulse-width signal duration in the control unit, but this will lead to a decrease in the measurement resolution.
Предлагаемым изобретением решается задача повышения быстродействия радиометра без снижения его флуктуационной чувствительности и расширение динамического диапазона измерения сигнала антенны.The proposed invention solves the problem of increasing the speed of the radiometer without reducing its fluctuation sensitivity and expanding the dynamic range of measurement of the antenna signal.
Для достижения этого технического результата в радиометр, содержащий антенну, первую согласованную нагрузку, последовательно соединенные первые источник тока и генератор шума, первый направленный ответвитель, выход которого подключен к первому входу первого высокочастотного модулятора, первый выход которого соединен с последовательно соединенными первыми радиометрическим приемником, предварительным низкочастотным усилителем, синхронным фильтром, низкочастотным усилителем, фильтром высоких частот, а второй выход подключен к последовательно соединенным вторым радиометрическому приемнику, предварительному низкочастотному усилителю, синхронному фильтру, низкочастотному усилителю, фильтру высоких частот, выходы первого и второго фильтров высоких частот соответственно соединены с первым и вторым входами первого низкочастотного модулятора, выход которого подключен к первому входу первого компаратора, второй вход которого соединен с общей шиной радиометра, причем первые согласованная нагрузка, направленный ответвитель, высокочастотный модулятор, генератор шума, источник тока установлены на термостатированной плате и находятся с ней в тепловом контакте, введены установленные на термостатированной плате и находящиеся с ней в тепловом контакте делитель мощности пополам, первый и второй высокочастотные ключи, вторые направленный ответвитель, согласованная нагрузка, генератор шума, источник тока, высокочастотный модулятор, первый выход которого соединен с последовательно соединенными третьими радиометрическим приемником, предварительным низкочастотным усилителем, синхронным фильтром, низкочастотным усилителем, фильтром высоких частот, а второй выход подключен к последовательно соединенным четвертым радиометрическому приемнику, предварительному низкочастотному усилителю, синхронному фильтру, низкочастотному усилителю, фильтру высоких частот, выходы третьего и четвертого фильтров высоких частот соответственно соединены с первым и вторым входами второго низкочастотного модулятора, выход второго подключен к первому входу второго компаратора, второй вход которого соединен с общей шиной радиометра, к входу делителя мощности пополам подключена антенна, а его первый и второй выходы соединены с первыми входами первого и второго направленных ответвителей, второй вход второго направленного ответвителя соединен с последовательно соединенными вторыми источником тока, генератором шума и высокочастотным ключом, а его выход соединен с первым входом второго высокочастотного модулятора, на второй вход которого подключена вторая согласованная нагрузка, выходы первого и второго компараторов соответственно соединены с первым и вторым входами микроконтроллера, первый выход которого подключен к объединенным вместе управляющим входам первых и вторых высокочастотных и низкочастотных модуляторов, второй выход соединен с объединенными вместе управляющими входами первого и второго высокочастотных ключей, третий и четвертый выходы соответственно соединены с объединенными вместе управляющими входами первого, третьего и второго, четвертого синхронных фильтров, а пятый выход микроконтроллера является выходной шиной радиометра, первая согласованная нагрузка соединена со вторым входом первого высокочастотного модулятора и первый высокочастотный ключ входом подключен к выходу первого генератора шума, а выходом соединен со вторым входом первого направленного ответвителя.To achieve this technical result, a radiometer containing an antenna, a first matched load, the first current source and a noise generator connected in series, the first directional coupler, the output of which is connected to the first input of the first high-frequency modulator, the first output of which is connected to the series-connected first radiometric receiver, preliminary a low-frequency amplifier, a lock-in filter, a low-frequency amplifier, a high-pass filter, and the second output is connected to a series-connected second radiometric receiver, a pre-low-frequency amplifier, a lock-in filter, a low-frequency amplifier, a high-pass filter, the outputs of the first and second high-pass filters are respectively connected to the first and the second inputs of the first low-frequency modulator, the output of which is connected to the first input of the first comparator, the second input of which is connected to the common bus of the radiometer, and the first matched load, directional coupler, high-frequency modulator, noise generator, current source are installed on a thermostatted board and are in thermal contact with it, a power divider installed on the thermostatted board and in thermal contact with it, the first and second high-frequency switches, the second directional coupler, matched load, noise generator, current source, high-frequency modulator, the first output of which is connected to a series-connected third radiometric receiver, a preliminary low-frequency amplifier, a lock-in filter, a low-frequency amplifier, a high-pass filter, and the second output is connected to a series-connected fourth radiometric receiver, a preliminary low-frequency amplifier , a synchronous filter, a low-frequency amplifier, a high-pass filter, the outputs of the third and fourth high-pass filters are respectively connected to the first and second inputs of the second low-frequency modulator, the output of the second is connected to the first input of the second comparator, the second input of which is connected to the common bus of the radiometer, an antenna is connected to the input of the power divider, and its first and second outputs are connected to the first inputs of the first and second directional couplers, the second input of the second directional coupler is connected to series connected by a second current source, a noise generator and a high-frequency switch, and its output is connected to the first input of the second high-frequency modulator, to the second input of which a second matched load is connected, the outputs of the first and second comparators are respectively connected to the first and second inputs of the microcontroller, the first output of which is connected to combined together the control inputs of the first and second high-frequency and low-frequency modulators, the second output is connected to the combined control inputs of the first and second high-frequency switches, the third and fourth outputs are respectively connected to the combined control them are the inputs of the first, third and second, fourth synchronous filters, and the fifth output of the microcontroller is the output bus of the radiometer, the first matched load is connected to the second input of the first high-frequency modulator, and the first high-frequency switch is input to the output of the first noise generator, and the output is connected to the second input of the first directional coupler.
На фиг. 1 представлена структурная схема радиометра - аналога.FIG. 1 shows a block diagram of an analogue radiometer.
На фиг. 2 представлена структурная схема двухканального нулевого радиометра - прототипа.FIG. 2 shows a block diagram of a two-channel zero radiometer - a prototype.
На фиг. 3 приведена структурная схема предлагаемого быстродействующего нулевого радиометра.FIG. 3 shows a block diagram of the proposed high-speed zero radiometer.
На фиг. 4 показаны временные диаграммы, поясняющие принцип работы быстродействующего нулевого радиометра.FIG. 4 shows timing diagrams explaining the principle of operation of the high-speed zero radiometer.
В состав радиометра входят (фиг. 3) антенна 1, установленный на термостатированной плате 19 входной блок, четыре измерительных канала, микроконтроллер 40. Входной блок включает делитель мощности пополам 21, первый и второй направленные ответвители 2 и 22, первый и второй высокочастотные модуляторы 3 и 23, первую и вторую согласованные нагрузки 4 и 24, первый и второй высокочастотные ключи 20 и 37, первый и второй генераторы шума 17 и 38, первый и второй источники тока 18 и 39. Каждый из четырех измерительных каналов состоит из радиометрических приемников 5, 10, 25, 30, предварительных низкочастотных усилителей 6, 11, 26, 31, синхронных фильтров 7, 12, 27, 32, низкочастотных усилителей 8, 13, 28, 33, фильтров высокой частоты 9, 14, 29, 34. Выходные сигналы фильтров для первого и второго измерительного канала поступают на первый низкочастотный модулятор 15, для других двух каналов - на второй низкочастотный модулятор 35. С выходов модуляторов сигналы сравниваются в компараторах 16 и 36 с нулевым потенциалом. Микроконтроллер 40 управляет работой радиометра. Для этого он вырабатывает сигнал длительностью tАИМ со скважностью 2 для управления амплитудно-импульсной модуляцией. Анализирует выходные сигналы компараторов и вырабатывает широтный сигнал длительностью tШИМ для управления широтно-импульсной модуляцией во входном блоке. Управляет синхронными фильтрами в измерительных каналах. Выполняет функцию динамического интегратора цифрового типа. Для этого в цифровом виде накапливает сигнал (выполняет операцию сложения кодов) и в конце одного интервала измерения производит операцию усреднения с получением одного результата. Количество накопленных кодов должно быть равно 2n, где n - целое число. Тогда усреднение будет заключаться в правом сдвиге суммы на n разрядов. Например, для 16-ти накопленных кодов (24) операция усреднения будет заключаться в сдвиге полученной суммы вправо на 4 разряда с получением результирующего усредненного цифрового кода сигнала. С выхода 5 микроконтроллера сигнал антенны в цифровом виде поступает на выходную шину 41.The radiometer includes (Fig. 3) an
Принцип работы радиометра заключается в следующем. Во входном блоке радиометра выполняются импульсные модуляции сигналов. Поделенный на два в делителе мощности 21 сигнал антенны ТА и сигналы Тсн1 и Тсн2 согласованных нагрузок 4 и 24 подвергаются в высокочастотных модуляторах 3 и 23 амплитудно-импульсной модуляции по управляющему сигналу длительностью tАИМ. В высокочастотных ключах 20 и 37 выполняется широтно-импульсная модуляция сигналов Tгш1 и Tгш2 генераторов шума 17 и 38 по сигналу длительностью tШИМ. Сигналы согласованных нагрузок и генераторов шума в радиометре являются опорными, от которых зависит передаточная характеристика радиометра. Данные сигналы настраиваются в ходе операции калибровки (описана ниже).The principle of operation of the radiometer is as follows. Pulse modulation of signals is performed in the input block of the radiometer. The antenna signal T A divided by two in the
На фиг. 4 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип работы радиометра. В первый полупериод амплитудно-импульсной модуляции на вход первого радиометрического приемника поступает сигнал антенны, уменьшенный в делителе в два раза, а на вход второго приемника поступает сигнал согласованной нагрузки. В другой полупериод амплитудно-импульсной модуляции сигналы меняются местами. К сигналу антенны добавляется через направленный ответвитель сигнал генератора шума на время действия управляющего сигнала широтно-импульсной модуляцией. Аналогичные операции имеют место и для других двух измерительных каналов.FIG. 4 shows timing diagrams explaining the principle of operation of the radiometer. In the first half-period of the pulse-amplitude modulation, the antenna signal, halved in the divider, is fed to the input of the first radiometric receiver, and the matched load signal is fed to the input of the second receiver. In the other half-cycle of the pulse-amplitude modulation, the signals are swapped. A noise generator signal is added to the antenna signal through a directional coupler for the duration of the pulse-width modulation control signal. Similar operations take place for the other two measuring channels.
Состояние нулевого баланса для каждого приемного канала устанавливается изменением длительности широтного сигнала, которое осуществляется микроконтроллером после анализа им сигнала компаратора. Так как в фильтре высоких частот исключается постоянная составляющая, на его выходе изменение длительности приводит к сдвигу периодической последовательности сигналов относительно нулевой оси времени вверх (при уменьшении длительности) или вниз (при увеличении длительности). В результате синхронной работы обоих низкочастотных модуляторов на входы компараторов поочередно проходят только сигналы согласованных нагрузок. Состояние нулевого баланса фиксирует компаратор - при подключенной на вход приемника согласованной нагрузки напряжение на входе компаратора должно быть равно нулю. Если напряжение больше нуля, микроконтроллер уменьшает длительность широтно-импульсного сигнала, что приводит к сдвигу сигналов на выходе фильтра высоких частот вниз относительно нулевой оси времени, если напряжение меньше нуля - длительность увеличивается микроконтроллером.The state of zero balance for each receiving channel is set by changing the duration of the latitude signal, which is carried out by the microcontroller after it analyzes the comparator signal. Since the DC component is excluded in the high-pass filter, a change in the duration at its output leads to a shift of the periodic sequence of signals relative to the zero time axis upward (with decreasing duration) or down (with increasing duration). As a result of the synchronous operation of both low-frequency modulators, only the signals of matched loads alternately pass to the inputs of the comparators. The zero balance state is fixed by the comparator - when the matched load is connected to the input of the receiver, the voltage at the comparator input should be equal to zero. If the voltage is greater than zero, the microcontroller reduces the duration of the pulse-width signal, which leads to a shift of the signals at the output of the high-pass filter downward relative to the zero time axis, if the voltage is less than zero, the duration is increased by the microcontroller.
Из состояния нулевого баланса следует равенство вольт-секундных площадей положительного и отрицательного импульсов на выходах фильтров высоких частот (см. фиг. 4) всех четырех приемных каналов. Для одного канала балансное соотношение имеет вид:From the state of zero balance follows the equality of the volt-second areas of the positive and negative pulses at the outputs of the high-pass filters (see Fig. 4) of all four receiving channels. For one channel, the balance ratio is:
где G - коэффициент передачи приемного канала радиометра, включающий усиление по высокой и низкой частотам, коэффициент передачи квадратичного детектора, k - постоянная Больцмана, Δƒ - полоса принимаемых радиометром частот, ТА/2 - шумовая эффективная температура поделенного пополам в делителе сигнала антенны, Тно - шумовая температура генератора шума, поступающая в тракт прохождения сигнала антенны через направленный ответвитель, равная Тно = βTгш, Р - коэффициент передачи связанных линий в направленном ответвителе, Tгш = Tгш1 = Tгш2, Тсн - шумовая температура согласованной нагрузки Тсн = Тсн1 = Тсн2, Тш - собственная шумовая температура приемного канала.where G is the transmission coefficient of the receiving channel of the radiometer, including the gain at high and low frequencies, the transmission coefficient of the square-law detector, k is the Boltzmann constant, Δƒ is the band of frequencies received by the radiometer, Т А / 2 is the noise effective temperature of the antenna signal divided in half in the divider, Т but is the noise temperature of the noise generator entering the antenna signal path through the directional coupler, equal to T but = βT rs , P is the transmission coefficient of coupled lines in the directional coupler, T rs = T rs1 = T rs2 , T sn is the noise temperature of the matched load T SN = T SN1 = T SN2 , T w is the intrinsic noise temperature of the receiving channel.
После сокращений и преобразований в (1) получим:After reductions and transformations in (1) we get:
Решая (2) относительно длительности широтно-импульсного сигнала, окончательно получим:Solving (2) with respect to the duration of the pulse-width signal, we finally get:
Таким образом, при установленном нулевом балансе в измерительном канале радиометра длительность tШИМ сигнала управления широтно-импульсной модуляцией связана с сигналом антенны ТА линейным соотношением. В формулу (3) не входят параметры измерительного тракта (коэффициент G) и собственные шумы с эффективной температурой Тш. Следовательно, эти величины не влияют на точность измерений. В формуле (3) сигналы Тсн и Тно являются опорными и настраиваются в ходе калибровки (описана ниже).Thus, with the set zero balance in the measuring channel of the radiometer, the PWM duration t of the pulse-width modulation control signal is related to the antenna signal T A by a linear relationship. The formula (3) does not include the parameters of the measuring path (coefficient G) and the intrinsic noise with the effective temperature T w . Therefore, these quantities do not affect the measurement accuracy. In the formula (3) signals T cn and T but are reference and are adjusted during calibration (described below).
Для других трех измерительных каналов после аналогичных вычислений получим аналогичную формулу (3).For the other three measuring channels, after similar calculations, we obtain a similar formula (3).
Из (3) выразим сигнал антенны:From (3) we express the antenna signal:
Подстановкой в (4) двух крайних значений длительностей tШИМ, равных нулю и длительности tАИМ, получим минимальную и максимальную границы диапазона измерений:By substituting in (4) two extreme values of the PWM durations t equal to zero and the AIM duration t, we obtain the minimum and maximum limits of the measurement range:
С учетом (5) размах диапазона измерений равен:Taking into account (5), the span of the measurement range is:
В случае, если настроить опорные сигналы так, что Тсн = Тно, тогда нижняя граница диапазона будет начинаться от нуля градусов Кельвина, ТА,мин=0.If you adjust the reference signals so that T cn = T but , then the lower limit of the range will start from zero degrees Kelvin, T A, min = 0.
Таким образом, как следует из (6) размах диапазона измерений будет определяться удвоенным значением сигнала генератора шума (сигнала подшумливания), добавляемого к сигналу антенны через направленный ответвитель. По сравнению с прототипом диапазон измерений для предлагаемой структуры радиометра расширяется в два раза. В прототипе значение размаха диапазона равно величине сигнала Тно.Thus, as follows from (6), the span of the measurement range will be determined by the doubled value of the noise generator signal (noise signal) added to the antenna signal through the directional coupler. Compared to the prototype, the measurement range for the proposed structure of the radiometer is doubled. In the prototype, the value of the range swing is equal to the value of the signal T but .
Флуктуационная чувствительность одного приемного канала оценивается по формуле (обобщенная формула для нулевых радиометров с импульсным подшумливанием получена в [Филатов А.В. Нулевой метод в радиометрических измерениях. Изд-во: Томский гос. ун-т сист. упр. и радиоэлектроники, 2010. - 206 с.]):The fluctuation sensitivity of one receiving channel is estimated by the formula (a generalized formula for zero radiometers with impulse noise was obtained in [Filatov A.V. Zero method in radiometric measurements. Publishing house: Tomsk State University of System Management and Radioelectronics, 2010. - 206 p.]):
где dTA - диапазон измеряемых сигналов антенны, определяемый из формулы (6), R - количество накопленных в динамическом интеграторе микроконтроллера цифровых кодов длительности широтно-импульсного сигнала за одно измерение, равное R = tизм/2tАИМ, tизм - временной интервал одного измерения, 
После подстановки в (7) формулы (6) получим:After substituting formula (6) into (7), we get:
Значение чувствительности одного приемного канала, полученное из (8), хуже чувствительности такого же приемного канала прототипа в 2 раза. Это связано с тем, что сигнал антенны уменьшается в два раза в делителе мощности перед поступлением на измерительный канал.The value of the sensitivity of one receiving channel, obtained from (8), is 2 times worse than the sensitivity of the same receiving channel of the prototype. This is due to the fact that the antenna signal is halved in the power divider before entering the measuring channel.
В рассматриваемом радиометре при одновременной работе четырех каналов, за один период амплитудно-импульсной модуляции происходит накопление сразу четырех кодов длительности широтно-импульсного сигнала, через которую определяется сигнал антенны. Следовательно, быстродействие радиометра по отработке быстроменяющихся сигналов антенны возрастает в четыре раза. Если в формулу (8) для вычисления чувствительности вместо числа накоплений R кодов сигнала в динамическом интеграторе подставить 4R, получим, что чувствительность быстродействующего радиометра будет равна чувствительности прототипа.In the considered radiometer, with the simultaneous operation of four channels, during one period of pulse-amplitude modulation, four codes of the duration of the pulse-width signal are accumulated at once, through which the antenna signal is determined. Consequently, the performance of the radiometer for processing rapidly changing antenna signals increases fourfold. If 4R is substituted into formula (8) to calculate the sensitivity instead of the number of accumulations R of signal codes in the dynamic integrator, we obtain that the sensitivity of the high-speed radiometer will be equal to the sensitivity of the prototype.
Калибровка радиометра включает два этапа и производиться по двухточечному методу. На первом этапе длительность широтного импульса устанавливается равной нулю (tШИМ = 0) и на время этого этапа высокочастотные ключи во входном блоке радиометра разомкнуты. На вход подключается первый эталонный источник шума со значением шумовой мощности, определяющей верхнюю границу диапазона измерений, то есть равной Тэт,макс = 2Тсн. Регулировкой температуры термостатированной платы и, следовательно, изменением шумовых сигналов согласованных нагрузок, на входе компараторов в оба полупериода амплитудно-импульсной модуляции устанавливаются нулевые напряжения. При подключении к выходу компаратора логического тестера, последний будет фиксировать случайные переходы между состояниями логического нуля и единицы.Calibration of the radiometer includes two stages and is performed using the two-point method. At the first stage, the width of the pulse is set to zero (t PWM = 0) and during this stage the high-frequency switches in the input unit of the radiometer are open. The first reference noise source is connected to the input with a noise power value that determines the upper limit of the measurement range, that is, equal to T et, max = 2T SN . By adjusting the temperature of the thermostatted board and, consequently, by changing the noise signals of the matched loads, zero voltages are set at the input of the comparators in both half-periods of the amplitude-pulse modulation. When a logic tester is connected to the comparator output, the latter will record random transitions between the states of logical zero and one.
На втором этапе к входу радиометра подключается эталон с шумовой температурой, определяющей нижнюю границу шкалы измерений. В радиометре длительность широтно-импульсного сигнала устанавливается равной длительности полупериода амплитудно-импульсной модуляции, tШИМ = tАИМ, что приводит к постоянно замкнутому состоянию высокочастотных ключей на протяжении этого этапа калибровки. Выполняется регулировка выходной мощности генераторов шума путем изменения токов, питающих генераторы источников тока. Момент окончания регулировки фиксируется аналогичным образом, как и в первом этапе калибровки.At the second stage, a standard with a noise temperature, which determines the lower limit of the measurement scale, is connected to the input of the radiometer. In the radiometer, the duration of the pulse-width signal is set equal to the duration of the half-period of the pulse-amplitude modulation, t PWM = t AMM , which leads to a permanently closed state of high-frequency switches during this calibration stage. The output power of the noise generators is adjusted by changing the currents supplying the generators of the current sources. The end of the adjustment is fixed in the same way as in the first stage of calibration.
Микроконтроллер в реальном масштабе времени, отслеживая сигналы компараторов, по выше описанным алгоритмам регулирует длительность широтно-импульсного сигнала с целью поддержания измерительных каналов в состоянии нулевого баланса. Также в микроконтроллере выполняются функции динамического интегратора цифрового типа по накоплению кодов длительности широтно-импульсного сигнала за заданный интервал одного измерения и их последующее усреднение с получением одного результата. Микроконтроллер выполнен на распространенной микросхеме STM8L001 с низким энергопотреблением.The microcontroller in real time, tracking the signals of the comparators, according to the algorithms described above, adjusts the duration of the pulse-width signal in order to maintain the measuring channels in a state of zero balance. Also, the microcontroller performs the functions of a dynamic integrator of a digital type by accumulating the codes of the duration of the pulse-width signal for a given interval of one measurement and their subsequent averaging to obtain one result. The microcontroller is based on the popular STM8L001 microcircuit with low power consumption.
В литературе достаточно полно описаны конструкции высокочастотных узлов на микрополосковых волноведущих структурах: модуляторов, направленных ответвителей, ключевых элементов [Богданов A.M., Давидович М.В., Кац Б.М. и др. Под ред. А.П. Креницкого и В.П. Мещанова. Сверхширокополосные микроволновые устройства. М.: Радио и связь, 2001.]. Прецизионные регулируемые источники тока выполнены по распространенным схемам с применением интегральной аналоговой схемотехники. В приемниках измерительных каналов применены транзисторные усилители. Синхронные фильтры описаны в [Фрейтер. Синхронный интегратор и демодулятор // Приборы для научных исследований. 1965. Т. 36, №5. С. 53]. Низкочастотные модуляторы и аналоговые компараторы применены в интегральном исполнении.In the literature, the design of high-frequency units on microstrip waveguide structures is described quite fully: modulators, directional couplers, key elements [Bogdanov A.M., Davidovich M.V., Katz B.M. and others. Ed. A.P. Krenitsky and V.P. Meshchanov. Ultra-wideband microwave devices. M .: Radio and communication, 2001.]. Precision adjustable current sources are made according to common circuits using integrated analog circuitry. Transistor amplifiers are used in the receivers of the measuring channels. Synchronous filters are described in [Frater. Synchronous integrator and demodulator // Instruments for scientific research. 1965. T. 36, No. 5. P. 53]. Low-frequency modulators and analog comparators are used in integral design.
Таким образом, в радиометре при одновременной работе четырех каналов происходит в четыре раза быстрее накопление цифровых кодов длительности широтно-импульсного сигнала, по которому косвенно определяется сигнал антенны. Соответственно увеличивается в такое же количество раз быстродействие по отработке быстрых изменений сигнала антенны. При этом чувствительность растет пропорционально корню квадратному из числа накоплений. То есть, для четырех приемных каналов быстродействие увеличится в 4 раза, а чувствительность вырастет в 41/2 - раз (то есть, в два раза). Использование в радиометре на входе делителя мощности пополам позволяет расширить диапазон измерений в два раза.Thus, in the radiometer with the simultaneous operation of four channels, the accumulation of digital codes of the duration of the pulse-width signal occurs four times faster, from which the antenna signal is indirectly determined. Correspondingly, the speed of processing fast changes in the antenna signal increases by the same number of times. In this case, the sensitivity increases in proportion to the square root of the number of accumulations. That is, for four receiving channels, the speed will increase by 4 times, and the sensitivity will increase by 4 1/2 - times (that is, twice). The use of a power divider in half in the radiometer at the input allows the measurement range to be doubled.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020113936A RU2745796C1 (en) | 2020-04-03 | 2020-04-03 | Fast zero radiometer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020113936A RU2745796C1 (en) | 2020-04-03 | 2020-04-03 | Fast zero radiometer |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2745796C1 true RU2745796C1 (en) | 2021-04-01 |
Family
ID=75353200
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020113936A RU2745796C1 (en) | 2020-04-03 | 2020-04-03 | Fast zero radiometer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2745796C1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1330588A1 (en) * | 1986-03-18 | 1987-08-15 | Институт радиофизики и электроники АН АрмССР | Zero radiometer |
| US4825215A (en) * | 1986-07-03 | 1989-04-25 | Hughes Aircraft Company | Radiometric imager having a frequency-dispersive linear array antenna |
| DE102004007680A1 (en) * | 2004-02-16 | 2005-09-01 | Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg | Radiometric measuring device |
| RU2619841C1 (en) * | 2016-03-17 | 2017-05-18 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) | Zero radiometer |
| RU2642475C2 (en) * | 2016-03-17 | 2018-01-25 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) | Zero radiometer |
-
2020
- 2020-04-03 RU RU2020113936A patent/RU2745796C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1330588A1 (en) * | 1986-03-18 | 1987-08-15 | Институт радиофизики и электроники АН АрмССР | Zero radiometer |
| US4825215A (en) * | 1986-07-03 | 1989-04-25 | Hughes Aircraft Company | Radiometric imager having a frequency-dispersive linear array antenna |
| DE102004007680A1 (en) * | 2004-02-16 | 2005-09-01 | Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg | Radiometric measuring device |
| RU2619841C1 (en) * | 2016-03-17 | 2017-05-18 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) | Zero radiometer |
| RU2642475C2 (en) * | 2016-03-17 | 2018-01-25 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) | Zero radiometer |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Filatov et al. | A microwave four-channel null L-band radiometer | |
| Filatov et al. | A two-receiver microwave radiometer with high transfer characteristic linearity | |
| RU2619841C1 (en) | Zero radiometer | |
| RU2745796C1 (en) | Fast zero radiometer | |
| RU2642475C2 (en) | Zero radiometer | |
| RU2460081C2 (en) | Multichannel null radiometer | |
| RU2439594C1 (en) | Zero radiometer | |
| RU2485462C2 (en) | Radiometer for measurement of depth temperatures of objects (radio thermometer) | |
| RU2393502C1 (en) | Two-channel null radiometre | |
| JPS6216683Y2 (en) | ||
| RU2235340C1 (en) | Null radiometer | |
| RU108636U1 (en) | FW-FIRM DIMMER WITH DIRECT MEASUREMENT OF BEAT FREQUENCY | |
| RU2698488C1 (en) | Zero radiometer | |
| RU2431856C1 (en) | Radiometre to analyse objects adjoining antenna | |
| Filatov | Application concept of zero method measurement in microwave radiometers | |
| RU2187824C1 (en) | Modulation radiometer | |
| RU2794063C1 (en) | Microwave radiometer | |
| RU2439595C1 (en) | Radiometric reflection coefficient meter | |
| RU2168733C1 (en) | Microwave radiometer | |
| RU2093845C1 (en) | Zero radiometer | |
| RU2211455C1 (en) | Radiometer | |
| RU2541426C1 (en) | Multi-receiver zero radiometer | |
| SU980247A1 (en) | Frequency-discrimsinator | |
| RU2038619C1 (en) | Aerological radiosonde | |
| SU938222A1 (en) | Device for checking microcircuits |