RU2848925C1 - Модулятор микроволнового радиометра - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к радиоприёмной технике миллиметрового и длинноволновой части субмиллиметрового диапазонов длин волн и может быть использовано для модуляции входного сигнала микроволнового радиометра. Техническим результатом изобретения является возможность осуществлять периодическую модуляцию теплового излучения от исследуемого объекта непосредственно перед регистрирующей приёмной антенной радиометра и обеспечить механическое сканирование в диапазоне углов от 0 до 90°. Разработанный модулятор представляет собой наклонную плиту с вращающимся диском и симметрично расположенными на нём относительно оси вращения поглотителями. За счёт меньшего радиуса частота вращения диска увеличена до =100 об/мин. Плита наклонена к общему основанию на угол , например 30°, что позволяет разместить соосно приёмной антенне микроволнового радиометра вращающееся плоское зеркало, обеспечивающее возможность сканирования в нужном диапазоне углов. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относится к радиоприемной технике миллиметрового и длинноволновой части субмиллиметрового диапазонов длин волн и может быть использовано для модуляции входного сигнала микроволнового радиометра.

Одним из наиболее распространенных приборов, осуществляющих измерение интенсивности слабого электромагнитного излучения в широкой полосе радиочастот, является модуляционный радиометр [1], позволяющий устранить паразитное влияние фликкер-шума вида 1/f за счет синхронного детектирования.

В неохлаждаемых радиометрах миллиметрового диапазона длин волн успешно применяются электронные модуляторы-калибраторы [2], представляющие собой волноводные вставки, содержащие интегральную схему, ориентированную в ii-плоскости волновода и вмонтированную в отрезок волноводно-щелевой линии. Внешнее управление током от перестраиваемого стабилизированного источника приводит к контролируемому изменению коэффициента передачи и получению высокостабильных калибровочных уровней шумовой температуры. На частотах до 200 ГГц описанные модуляторы-калибраторы имеют незначительный уровень прямых потерь в 0,5-0,7 дБ при уровне запирания в 20-30 дБ, но на частотах свыше 200 ГГц следует ожидать не менее 1-1,5 дБ, что эквивалентно радиоконтрастному объекту в 100 К.

Известен способ калибровки устройства для дистанционного определения термодинамической температуры быстропротекающего процесса с использованием электронного управления генератором шума, подключенного к боковому каналу 10 дБ направленного ответвителя совместно с высокоскоростными PIN-модуляторами [3], позволяющими достичь скорости переключения десятки кГц и выше. В рассматриваемой схеме аддитивная добавка яркостной температуры со стороны бокового канала в несколько десятков кельвин и дополнительное затухание в 1 дБ у прямого канала 10 дБ направленного ответвителя снижают качество проводимых радиометрических измерений, когда яркостная температура измеряемого объекта имеет на порядки меньший уровень по сравнению с шумовой температурой радиометра. Данный способ предпочтителен при регистрации объектов, температура которых значительно превышает температуру окружающего пространства, где приведенная неопределенность не превышает нескольких процентов.

Электромеханические волноводные переключатели [4, 5] и подобные устройства могут иметь всего 0,5 дБ потерь в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах, но они пригодны лишь для лабораторных стендов ввиду низкой скорости переключения и небольшого ресурса выработки.

Использование механического модулятора обтюраторного типа, представляющего собой диск с секториальными вырезами (крыльчатку), внутри квазиоптической линии [6,7] оправдано в радиометрах, работающих в диапазоне частот 30-170 ГГц, но не рекомендуется на частотах выше 170 ГГц ввиду соизмеримых с электронными переключателями потерь и трудностями обеспечения развязки между каналами более 20 дБ, необходимых для исключения паразитного прохождения сигнала от эталонной согласованной нагрузки или её электронного эквивалента, находящегося в боковом канале. Механический модулятор обтюраторного типа, выполненный на базе симметричной крыльчатки, одна лопасть которой является металлическим зеркалом, другая покрыта поглощающим материалом, вынесенный за пределы приемного тракта радиометра и расположенный под углом к антенне [8], требует большого внешнего диаметра крыльчатки (более 40 см) и за счет вертикальной ориентации дает существенные нагрузки на вал. Другим его недостатком являются сильно зависящие от диаметра крыльчатки времена, когда антенна лишь частично перекрыта. Механический модулятор обтюраторного типа, вынесенный за пределы приемного тракта, выбран в качестве прототипа предлагаемого изобретения.

Совокупность описанных признаков прототипа необходима для осуществления периодической модуляции теплового излучения от исследуемого объекта, но не позволяет обеспечить сканирование зондируемым лучом в диапазоне углов от 0° до 90°. При такой конструкции наблюдения осуществляются только в заданной области неба при строго фиксированном угле места.

Известен двухволновый измеритель радиопрозрачности атмосферы миллиметрового диапазона [9], представляющий собой двухканальный радиометр, работающий в диапазонах частот 84-99 ГГц, 132-148 ГГц, содержащий опорно-поворотное устройство с плоским зеркалом, позволяющим изменять угол наблюдений от 0° (зенитный угол) до 90° (угол направления в горизонт) с шагом 0,7°. Описанная реализация опорно-поворотного устройства является аналогом указанного изобретения. Достоинства технического решения: относительная простота конструкции, независимость от радиоприемной части, возможность электронного управления и комплексирования с другими узлами. Основным недостатком является трудность использования вместе с вышеописанным механическим модулятором обтюраторного типа, вынесенным за пределы приемного тракта. При расположении механического модулятора обтюраторного типа между приемной антенной радиометра и плоским поворотным зеркалом, расстояние от антенны до зеркала придется значительно увеличить, чтобы конструктивные элементы диска модулятора не перекрывали область видимости при любом положении зеркала из заявленного диапазона углов.

Задачей, на решение которой направлено предложенное изобретение, является разработка механического модулятора, расположенного непосредственно перед регистрирующей приемной антенной микроволнового радиометра и позволяющего осуществлять периодическую модуляцию теплового излучения от исследуемого объекта с обеспечением возможности механического сканирования в диапазоне углов от 0° до 90° с шагом в 0,5°.

Технический результат достигается тем, что предлагаемое изобретение, как и устройство-прототип, представляет собой вращающуюся систему, расположенную непосредственно перед приёмной антенной микроволнового радиометра, содержащую диск с закрепленным на нем микроволновым поглотителем и фотодатчик, позволяющую осуществлять периодическую модуляцию регистрируемого приемной антенной излучения. Новым является то, что микроволновый поглотитель представляет собой, по крайней мере, два прикрепленных симметрично относительно оси вращающейся системы нижними основаниями к плоскости вращающегося диска сегмента цилиндра радиуса R и высотой не меньше D, где D - диаметр апертуры приёмной антенны, при этом D/R<0,3. Вращающаяся система закреплена на плите, которая наклонена к общему основанию радиометра на угол , внутри вращающейся системы расположено поворачивающееся соосно приемной антенне плоское зеркало, наклоненное к апертуре приемной антенны на угол 45° и обеспечивающее возможность сканирования во всем диапазоне измеряемых углов от зенитного угла 0° до угла направления в горизонт 90°. При этом величина угла выбрана так, чтобы предотвратить прямое попадание микроволнового поглотителя в поле зрения главного лепестка диаграммы направленности приемной антенны в момент, когда осуществляется регистрация микроволновым радиометром теплового излучения посредством поворотного зеркала от исследуемого объекта во всем диапазоне измеряемых углов.

В частном случае реализации заявленного модулятора микроволновый поглотитель в виде сегмента цилиндра, представляет собой рядную компоновку обращенных к выпуклой боковой поверхности вершинами пирамидальных элементов, заполненных гироидной структурой, где каждый элемент является деформированной кручением четырехгранной пирамидой высотой 3λ с толщиной стенок порядка скин-слоя на рабочей длине волны λ.

Во втором частном случае реализации вращающийся диск микроволнового модулятора имеет, по крайней мере, два отверстия или выреза.

В другом частном случае плита вращающейся системы наклонена к общему основанию на угол , равный 30°.

Принцип работы модулятора микроволнового радиометра поясняется следующими фигурами.

На фиг. 1 представлена модель модулятора микроволнового радиометра. На фиг. 2 показан график зависимости перекрытия приемной антенны микроволновым поглотителем с наложением импульсов с фотодатчика. На фиг. 3 показана модель микроволнового поглотителя.

На фиг. 1 представлен общий вид разработанного модулятора микроволнового радиометра вместе с приемником 1 микроволнового радиометра, содержащим приемную антенну 2, отмеченную пунктиром на фиг. 1. Сам модулятор микроволнового радиометра состоит из наклонной плиты 3, наклоненной на угол к общему основанию 4, с закрепленным на ней вращающимся диском 5, на который прикреплены микроволновые поглотители 6, расположенные симметрично относительно оси вращения. Диск 5 с микроволновыми поглотителями 6 расположен над поверхностью плиты 3 с зазором порядка 1 мм и жестко закреплен на валу основного двигателя (на фиг. 1 не показан). Соосно приемной антенне 2 размещено вращающееся плоское зеркало 7, наклоненное к апертуре приемной антенны 2 на угол 45°, приводимое в движение шаговым мотором 8 со встроенным редуктором, понижающим кратность полного шага до значения, не превышающего 0,5°. Для контроля скорости вращения над диском 5 размещена инфракрасная оптопара (на фиг. 1 не показана). На фиг. 1 показано качественное взаимное расположение составных элементов разработанного модулятора относительно приемника без указания элементов крепления.

Модулятор микроволнового радиометра работает следующим образом. Вместе с подачей питания на приемник 1 микроволнового радиометра включается основной двигатель модулятора микроволнового радиометра, вращающий диск 5 с частотой ω с закрепленными на нём микроволновыми поглотителями 6. В момент, когда сектор диска 5 с поглотителем 6 перекрывает инфракрасный луч оптопары (фотодатчика), на внешнее устройство управления подается синхроимпульс. Синхронизация синхроимпульса с моментом начала перекрытия микроволновым поглотителем 6 апертуры приемной антенны 2 осуществляется подбором геометрического расположения оптопары над поверхностью плиты 3.

Анализ формы модулированного сигнала на входе приемника 1 микроволнового радиометра можно провести, если представить процентное соотношение областей перекрытия вращающихся секторов с центральным углом α диска 5, на которых размещены микроволновые поглотители 6, с неподвижным сектором, того же радиуса, построенным из центра диска 5 и опирающимся на дугу окружности, отсекаемую поперечным размером приемной антенны 2, равным диаметру её апертуры.

Обозначим угловую скорость вращения диска 5 - ω, диаметр зондируемой приемной антенной 2 области - D (диаметр апертуры антенны 2), радиус диска 5 (внешний радиус микроволнового поглотителя 6) - R, α - центральный угол, на который опирается внешняя дуга микроволнового поглотителя 6, Т - один полный оборот диска 5, закрепленной на валу основного двигателя.

Должно выполняться условие D/R < 0,3, при котором область перекрытия приемной антенны микроволновым поглотителем считается локально плоской.

Угол неподвижного сектора, опирающегося на дугу окружности, отсекаемую поперечным размером приемной антенны, определяется как:

Функцию перекрытия N жестко связанных вращающихся секторов диска 5 и одного неподвижного сектора представим в виде:

где

- начальное положение вращающегося сектора.

Результат вычислений угла в радианах берется в его главном значении на отрезке [0, 2π].

Частный случай, иллюстрируемый фиг. 1, содержащий два сектора диска 5 с поглотителем 6, в условиях решаемой задачи будет содержать только два суммируемых члена. Здесь α = π/2, а начальные положения вращающихся секторов будут связаны соотношением: На фиг. 2 представлен процент перекрытия микроволновым поглотителем приемной антенны (кривая 1) и синхроимпульсы с фотодатчика - инфракрасной оптопары (кривая 2). Вид сплошной кривой 1 описывается функцией Синхроимпульсы с оптопары, обозначенные пунктирной кривой 2, сведены к началу перекрытия микроволновым поглотителем 6 приемной антенны 2 микроволнового радиометра. На фиг. 2 участок t _meas соответствует радиометрическим измерениям, t _{l oa d} - регистрации сигнала от микроволнового поглотителя 6 (эквивалент согласованной нагрузки), t _{ri se} и t _{f all} - переходным состояниям, когда приемная антенна 2 лишь частично перекрыта микроволновым поглотителем 6. Для оценки мощности реального сигнала необходимо соотнести зависимость с функцией накопления мощности.

Угол поворота вращающегося зеркала 7 может изменяться в диапазоне от 0° (зенитный угол) до 90° (угол горизонта) с шагом в 0,5° с помощью шагового мотора 8. Во время проведения полного цикла радиометрических измерений выбирается сетка из нескольких углов и для каждого угла (положения зеркала 7) осуществляют регистрация данных (накопление сигнала) в течение времени τ (как правило, τ >> Т). Характерные времена для τ от 1 с до 10 с, а Т ~ 0,01 с. Переходные состояния t _rise и t _fall исключаются на этапе отложенной обработки сигнала микроволнового радиометра.

В частном случае по п.2 формулы микроволновый поглотитель 6 представляет собой рядную компоновку пирамидальных элементов, заполненных гироидной структурой, где каждый элемент является деформированной кручением четырехгранной пирамидой высотой 3λ с толщиной стенок порядка скин-слоя на рабочей длине волны λ (см. фиг. 3). Образец микроволнового поглотителя 6 может быть изготовлен методом 3D печати из композитного полимера с удельной электрической проводимостью σ ~ 10 См/м. Согласно измерениям, проведенным на резонаторном спектрометре, коэффициент отражения изготовленного методом 3D печати образца в частотном диапазоне 200-300 ГГц не хуже -35 дБ.

В частном случае по п.3 формулы для уменьшения веса конструкции вращающийся диск 5 имеет, по крайней мере, два отверстия или выреза. На фиг. 1 показана реализация, когда диск 5 имеет два выреза в виде кольцевых секторов (секториальные вырезы) с центральным углом 90°, расположенных симметрично относительно оси на противоположных сторонах диска 5.

Плита 3 вращающейся системы наклонена к общему основанию 4 на угол , что позволяет разместить соосно приемной антенне 2 вращающееся плоское зеркало 7, обеспечивающее возможность сканирования в нужном диапазоне углов. В частном случае реализации изобретения по п.4 формулы угол выбран равным 30°.

Устройство позволяет осуществить периодическую модуляцию теплового излучения от исследуемого объекта непосредственно перед регистрирующей приемной антенной радиометра и обеспечить механическое сканирование в диапазоне углов от 0° до 90°.

Таким образом, разработанный модулятор представляет собой наклонную плиту с вращающимся диском и симметрично расположенными на нём относительно оси вращения поглотителями. За счет меньшего радиуса частота вращения диска увеличена до ω = 100 об/мин. Плита наклонена к общему основанию на угол , например 30°, что позволяет разместить соосно приемной антенне микроволнового радиометра вращающееся плоское зеркало, обеспечивающее возможность сканирования в нужном диапазоне углов.

Список литературы

1. R. Dicke «The review of Scientific Instruments)), 1946. vol.17. № 7. pp.268-275.

2. Патент RU 2488941 «Электрически управляемый модулятор-калибратор миллиметрового диапазона длин волн», авт. Федосеев Л.П., Божков В.Г., Геннеберг В.А., Петров И.В., МПК Н03В29/00, публ. 27.07.2013 г.

3. Патент RU 2698523 «Способ дистанционного определения термодинамической температуры быстропротекающего процесса, развивающегося в радиопрозрачном объекте, устройство для его осуществления, способы калибровки устройства и генератора шума в составе этого устройства», авт. Иконников В.Н., Канаков В.А., Корнев Н.С., Минеев К.В., Назаров А.В., Орехов Ю.И., Седов А.А., МПК G01K11/00, G01K13/02, G01K15/00, G01R29/08, G01R29/26, G01R35/00, G01J5/00, публ. 28.08.2019 г.

4. А.С. SU 792360 «Электромеханический волноводный переключатель», авт. А.И. Рыбка, В.Ф. Заболотный, МПКН01Р1/12, публ. 30.12.1980 г.

5. Патент RU 2022416 «Волноводный переключатель», авт. Петренко В.П., Малышев И.В., МПКН01Р1/12, публ. 30.10.1994 г.

6. Воронов В.Н., Киракосян Р. «Радиометр диапазона 3-3,8 мм с переключателем на входе», Изв. ВУЗов Радиофизика, 1973, 16, №9, 1439-1441.

7. «Мобильный полноповоротный радиометрический комплекс для астрономических и атмосферных исследований» / О.С. Большаков, Г.М. Бубнов, А.В. Вдовин и др. // Приборы и техника эксперимента. - 2023. - № 1. - С. 112-119.

8. «Модулятор спектрорадиометра миллиметрового диапазона волн» / В.И. Носов // Приборы и техника эксперимента. - 2007. - № 3. - С. 158-159.

9. «Двухволновый измеритель радиопрозрачности атмосферы миллиметрового диапазона» / В.И. Носов, О.С. Большаков, Г.М. Бубнов и др. // Приборы и техника эксперимента. 2016. № 3. С. 49-56.

Claims (4)

1. Модулятор микроволнового радиометра, представляющий собой вращающуюся систему, расположенную непосредственно перед приёмной антенной микроволнового радиометра, содержащую диск с закреплённым на нем микроволновым поглотителем и фотодатчик, позволяющую осуществлять периодическую модуляцию регистрируемого приёмной антенной излучения, отличающийся тем, что микроволновый поглотитель представляет собой по крайней мере два прикреплённых симметрично относительно оси вращающейся системы нижними основаниями к плоскости вращающегося диска сегмента цилиндра радиуса R и высотой не меньше D, где D - диаметр апертуры приёмной антенны, при этом D/R<0,3, вращающаяся система закреплена на плите, которая наклонена к общему основанию радиометра на угол , внутри вращающейся системы расположено поворачивающееся соосно приёмной антенне плоское зеркало, наклонённое к апертуре приёмной антенны на угол 45° и обеспечивающее возможность сканирования во всём диапазоне измеряемых углов от зенитного угла 0° до угла направления в горизонт 90°, при этом величина угла выбрана так, чтобы предотвратить прямое попадание микроволнового поглотителя в поле зрения главного лепестка диаграммы направленности приёмной антенны в момент, когда осуществляется регистрация микроволновым радиометром теплового излучения посредством поворотного зеркала от исследуемого объекта во всём диапазоне измеряемых углов.

2. Модулятор микроволнового радиометра по п. 1, отличающийся тем, что микроволновый поглотитель в виде сегмента цилиндра представляет собой рядную компоновку обращённых к выпуклой боковой поверхности вершинами пирамидальных элементов, заполненных гироидной структурой, где каждый элемент является деформированной кручением четырёхгранной пирамидой высотой 3λ с толщиной стенок порядка скин-слоя на рабочей длине волны λ.

3. Модулятор микроволнового радиометра по п. 1, отличающийся тем, что вращающийся диск имеет по крайней мере два отверстия или выреза.

4. Модулятор микроволнового радиометра по п. 1, отличающийся тем, что плита вращающейся системы наклонена к общему основанию на угол , равный 30°.