RU72551U1

RU72551U1 - Корреляционный радиометр с использованием прямого преобразования частоты

Info

Publication number: RU72551U1
Application number: RU2007139563/22U
Authority: RU
Inventors: Александр Николаевич Суслов; Аке Хискович Пятси
Priority date: 2007-10-24
Filing date: 2007-10-24
Publication date: 2008-04-20

Abstract

Корреляционный радиометр с использованием прямого преобразования частоты содержит разветвитель и четыре канала. Каждый канал содержит последовательно соединенные высокочастотный широкополосный полосовой фильтр, смеситель с прямым преобразованием частоты и усилитель нижних частот. Входом устройства является вход разветвителя. Выходом устройства является выход фильтра нижних частот. Существенно повышена чувствительность радиометра. 4 ил.

Description

Полезная модель относится к технике приема и оценивания параметров собственного теплового радиоизлучения объектов и может быть использовано в радиотеплолокации.

Известны корреляционные радиометры, описанные в следующей монографии: Башаринов А.Е., Тучков Л.Т., Поляков В.М., Ананов Н.И. Измерение радиотепловых и плазменных излучений. - М.: Советское радио, 1968. Однако им присущ недостаток, заключающийся в низкой чувствительности, что не позволяет их использовать в радиотеплолокаторах.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является корреляционный радиометр, структурная схема которого представлена ниже (Справочник по радиоэлектронным системам в 2 томах / Под ред. Кривицкого Б.Х. - М.: Энергия, 1979, с.198, т.2, рис.7-167.

Структурная схема устройства-прототипа приведена на фиг.1, где приведены следующие обозначения:

1 - разветвитель;

2, 7 - высокочастотные широкополосные полосовые фильтры;

3, 8 - смесители;

6 - гетеродин;

4, 9 - усилители промежуточной частоты;

5, 10 - амплитудные детекторы;

11 - умножитель;

12 - фильтр нижних частот.

Устройство-прототип имеет следующие функциональные связи:

входом устройства является вход разветвителя 1, первый и второй выходы разветвителя 1 соединены соответственно с входами высокочастотных широкополосных полосовых фильтров 2 и 7, выходы

которых соединены с первыми входами смесителей 3 и 8, вторые входы смесителей 3 и 8 соединены с выходом гетеродина 6, выходы смесителей 3 и 8 через усилители 4, 9 промежуточной частоты соединены с входами амплитудных детекторов 5 и 10, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами умножителя 11, а выход умножителя 11 соединен с входом фильтра 12 нижних частот, выход которого является выходом устройства.

Работает устройство-прототип следующим образом.

Принятый сигнал поступает на вход разветвителя 1. Этот разветвитель 1 служит для передачи принятого сигнала на входы двух каналов, каждый из которых содержит высокочастотный широкополосный полосовой фильтр 2 и 7, смеситель 3 и 8, усилитель 4, 9 промежуточной частоты, амплитудный детектор 5, 10 и общий для двух каналов гетеродин 6. С выхода разветвителя 1 сигнал поступает на два высокочастотных широкополосных полосовых фильтра 2 и 7, осуществляющих частотную селекцию принимаемого радиотеплового сигнала; с выходов фильтров 2 и 7 сигнал поступает на первые входы смесителей 3 и 8, на вторые входы которых подается напряжение с выхода гетеродина 6. Смесители 3 и 8 совместно с гетеродином 6 образуют преобразователи частоты, которые переносят спектр принимаемого радиотеплового сигнала в частотную область, где он может быть обработан с наибольшей эффективностью (центральная частота этой области называется промежуточной);

напряжение с выходов смесителей 3 и 8 поступает на входы усилителей 4 и 9 промежуточной частоты, где производится основное усиление принимаемого радиотеплового сигнала до необходимой величины;

напряжения с выходов усилителей 4, 9 промежуточной частоты подаются на входы амплитудных детекторов 5, 10, которые выделяют амплитуду входного сигнала. Напряжения с входов амплитудных детекторов 5 и 10 подаются соответственно на первый и второй входы умножителя 11. С выхода умножителя 11 сигнал поступает на вход фильтра 12 нижних

частот. Умножитель 11 совместно с фильтром 12 нижних частот образуют вычислитель взаимнокорреляционной функции сигналов поступающих с выходов первого и второго каналов линейного тракта приемника. Выход фильтра 12 нижних частот является выходом устройства. Однако радиометр-прототип обладает недостаточно высокой чувствительностью.

Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, состоит в повышении чувствительности радиометра.

Для достижения указанного технического результата в корреляционном радиометре с использованием прямого преобразования частоты, содержащем имеющий два выхода и один вход разветвитель, при этом вход разветвителя является входом устройства, и два канала, каждый из которых содержит последовательно соединенные высокочастотный широкополосный полосовый фильтр, имеющий один вход, к которому подсоединен одним из двух выходов разветвителъ, и один выход, смеситель, имеющий два входа и один выход, к первому входу смесителя подсоединен своим выходом высокочастотный широкополосный полосный фильтр, и усилитель частоты, имеющий один вход и один выход причем к входу усилителя частоты подсоединен своим выходом смеситель, гетеродин, имеющий один выход, который подсоединен к каждому второму входу смесителя обоих каналов, умножитель, имеющий два входа и один выход, и фильтр нижних частот частот, имеющий один вход и один выход, выход фильтра нижних частот является выходом устройства, дополнительно введены еще два аналогичных канала, фазовращатель, имеющий один вход и один выход, еще один умножитель, имеющий два входа, и один выход, сумматор, имеющий два входа и один выход, кроме того разветвитель имеет дополнительно еще два выхода, которые подсоединены к каждому входу высокочастотных широкополосных полосовых фильтров дополнительных

каналов, гетеродин своим выходом дополнительно подсоединен к входу фазовращателя, последний своим выходом подсоединен к вторым входам смесителей дополнительных каналов, к каждому из двух входов первого умножителя порознь подсоединены своими выходами усилители частоты первых двух каналов, а к каждому из двух входов дополнительного умножителя порознь подсоединены своими выходами усилители частоты дополнительных каналов, оба умножителя своими выходами подсоединены порознь к двум входам сумматора, последний своим выходом подсоединен к фильтру нижних частот, причем в качестве смесителей использованы смесители с прямым преобразованием частоты, а в качестве усилителей частоты использованы усилители нижних частот. Благодаря подобному выполнению радиометра существенно улучшена (повышена) его чувствительность.

Предлагаемый корреляционный радиометр с использованием прямого преобразования частоты иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-4.

На фиг.1 представлена структурная схема прототипа, на фиг.2 - структурная схема предлагаемого радиометра, на фиг.3 - выходные сигналы традиционного корреляционного радиометра, на фиг.4 - выходные сигналы заявляемого радиометра.

Структурная схема предлагаемого устройства приведена на фиг.2, где обозначено:

1 - разветвитель;

2, 6, 10, 14 - высокочастотные широкополосные полосовые фильтры (ВШПФ);

3, 7, 11, 15 - смесители с прямым преобразованием частоты (СППЧ);

5 - гетеродин;

4, 8, 12, 16 - усилители нижних частот (УНЧ);

13 - фазовращатель;

9, 17 - умножители;

18 - сумматор;

19 - фильтр нижних частот (ФНЧ).

Предлагаемый радиометр содержит разветвитель 1, вход которого является входом устройства, и четыре канала. Каждый канал содержит последовательно соединенные высокочастотный широкополосный полосовой фильтр (первый канал - ВШПФ 2, второй - ВШПФ 6, третий - ВШПФ 10. четвертый - ВШПФ 14), смеситель с прямым преобразованием частоты (первый канал - СППЧ 3, второй - СППЧ 7, третий - СППЧ 11, четвертый - СППЧ 15), усилитель нижних частот (первый канал - УНЧ 4, второй - УНЧ 8, третий - УНЧ 12, четвертый - УНЧ 16). Разветвитель 1 имеет четыре выхода, которые соединены с входами высокочастотных широкополосных полосовых фильтров 2, 6, 10 и 14. Выходы высокочастотных широкополосных полосовых фильтров 2, 6, 10 и 14 соединены с первыми входами смесителей 3, 7, 11 и 15 с прямым преобразованием частоты, вторые входы смесителей 3, 7 с прямым преобразованием частоты соединены с выходом гетеродина 5, вторые входы смесителей 11, 15 с прямым преобразованием частоты соединены с выходом фазовращателя 13. Выходы смесителей 3, 7 через усилители 4, 8 нижних частот соединены с первым и вторым входами умножителя 9, а выходы смесителей 11 и 15 через усилители 12 и 16 нижних частот соединены с первым и вторым входами умножителя 17. Выходы умножителей 9 и 17 соединены соответственно с первым и вторым входами сумматора 18, выход которого соединен с входом фильтра 19 нижних частот, выход фильтра 19 является выходом устройства.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Принятый сигнал поступает на вход разветвителя 1. Этот разветвитель 1 служит для передачи принятого сигнала на входы четырех каналов, каждый из которых содержит высокочастотный широкополосный полосовой фильтр (2, 6, 10 и 14), смеситель с прямым преобразованием частоты (3, 7, 11 и 15), усилитель нижних частот (4, 8, 12 и 16); первый и

второй каналы в качестве сигнала гетеродина используют напряжение гетеродина 5, а третий и четвертый каналы в качестве сигнала гетеродина используют напряжение с выхода фазовращателя 13, которое сдвинуто по фазе на 90° по отношению к напряжению гетеродина 5. С первого, второго, третьего и четвертого выхода разветвителя 1 сигнал поступает соответственно на входы четырех высокочастотных широкополосных полосовых фильтра (2, 6, 10 и 14), осуществляющих частотную селекцию принимаемого радиотеплового сигнала, на выходе фильтров 2, 6, 10 и 14 сигнал может быть представлен в следующей форме:

где X_Ш(t) и Y_Ш(t) - медленно меняющиеся по сравнению с sinω₀t

независимые нормальные процессы с нулевыми средними значениями и одинаковыми корреляционными функциями;

ω₀- циклическая частота настройки фильтров 2, 6, 10 и 14.

Сигналы с выходов ВШП фильтров 2 и 6 поступают на первые входы смесителей 3, 7 с прямым преобразованием частоты, на вторые входы смесителей 3, 7 подается напряжение с выхода гетеродина 5; гетеродин 5 на своем выходе формирует напряжение следующего вида:

где U₀ - амплитуда напряжения гетеродина.

Напряжение гетеродина 5 имеет такую же циклическую частоту ω₀, что и напряжение на выходе ВШП фильтров 2 и 6, благодаря чему производится операция прямого преобразования частоты выходных сигналов ВШП фильтров 2 и 6 (т.е спектры данных сигналов переносятся в область нулевых частот). Однако в результате такого преобразования частоты напряжения на выходе смесителей 3 и 7

пропорциональны только одной составляющей Х_Ш(t) сигнала на входе, которая синфазна с напряжением гетеродина 5.

С выходов ВШП фильтров 10 и 14 сигналы поступают на первые входы смесителей 11, 15 с прямым преобразованием частоты, на вторые входы смесителей 11, 15 подается напряжение с выхода фазовращателя 13.

Фазовращатель 13 сдвигает фазу сигнала на 90°, поэтому напряжение на выходе фазовращателя 13 может быть записано в виде

Это напряжение имеет такую же циклическую частоту (ω₀), что и напряжение на выходе ВШП фильтров 10 и 14, благодаря чему производится операция прямого преобразования частоты выходных сигналов ВШП фильтров 10 и 14 (т.е их спектры переносятся в область нулевых частот). Однако в результате такого преобразования частоты напряжения на выходе смесителей 11 и 15 пропорциональны только одной составляющей Y_Ш(t) сигнала на входе, которая синфазна с выходным напряжением фазовращателя 13.

Таким образом, при четырехканальной конструкции корреляционного радиометра с прямым преобразованием частоты используется полная мощность входного сигнала радиометра.

Напряжения с выходов смесителей 3, 7 с прямым преобразованием частоты поступают соответственно на входы усилителей 4, 7, а напряжения с выходов смесителей 11 и 15 с прямым преобразованием частоты поступают соответственно на входы усилителей 12, 16 нижних частот, где производится основное усиление принимаемого радиотеплового сигнала до необходимой величины; напряжения с выходов усилителей 4, 8 нижних частот подаются на первый и второй входы умножителя 9, а напряжения с выходов усилителей 12, 16 нижних частот подаются на первый и второй входы умножителя 17. С выходов

умножителей 9 и 17 сигналы поступают на первый и второй входы сумматора 18, где происходит их сложение. С выхода сумматора 18 сигнал поступает на вход фильтра 19 нижних частот. Устройства умножения 9 и 17 совместно с фильтром 19 нижних частот образуют вычислитель взаимнокорреляционной функции соответственно сигналов X_Ш(t) и Y_Ш(t). Выход фильтра 19 нижних частот является выходом устройства.

Проведенное методом имитационного моделирования исследование предлагаемого устройства и устройства-прототипа показало следующие результаты.

Из сравнения графиков, приведенных на фиг.3 и фиг.4 следует, что чувствительность предлагаемого в качестве полезной модели корреляционного радиометра с прямым преобразованием частоты в два раза лучше чувствительности традиционных корреляционных радиометров. На фиг.3 и фиг.4 представлены выходные сигналы традиционного корреляционного радиометра и корреляционного радиометра с прямым преобразованием частоты соответственно. Кривая 1 на фиг.3 отображает выходной сигнал традиционного корреляционного радиометра при отсутствии радиотеплового сигнала на его входе. Выходной сигнал того же радиометра при наличии на его входе радиотеплового сигнала мощностью, составляющей 1% от мощности его внутренних шумов, представлен на кривой 2 (фиг.3). При этом минимум кривой 2 (точка Т_В) меньше максимума кривой 1 (точка Т_A) приблизительно в 2 раза, т.е в данных условиях невозможно принять решение о наличии радиотеплового сигнала на входе прибора, т.к прирост постоянной составляющей выходного сигнала прибора, обусловленный появлением на его входе радиотеплового сигнала, меньше флуктуационного порога радиометра, определяемого его внутренними шумами. Кривая 1 (фиг.4) отображает выходной сигнал предлагаемого корреляционного радиометра с прямым преобразованием частоты при

отсутствии радиотеплового сигнала на его входе. Выходной сигнал того же радиометра при наличии на его входе радиотеплового сигнала мощностью, составляющей 1% от мощности его внутренних шумов, представлен на кривой 2 (фиг.4). При этом минимум кривой 2 (точка Т_В) немного больше максимума кривой 1 (точка Т_А), е в данных условиях прирост постоянной составляющей выходного сигнала прибора, обусловленный появлением на его входе радиотеплового сигнала, превышает флуктуационный порог радиометра, определяемый его внутренними шумами, что позволяет принять решение о наличии радиотеплового сигнала на входе прибора.

Предложенное техническое решение позволяет улучшить чувствительность корреляционного радиометра приблизительно в два раза по сравнению с ныне известными аналогами корреляционного радиометра, избавиться от побочных каналов приема, реализовать возможность перемножения радиотепловых сигналов в цифровой форме и дальнейшую цифровую обработку сигнала в последующих трактах приемника.

Нет принципиальных ограничений возможности использования предложенного радиометра в различных диапазонах частот. Практически его можно реализовать, начиная от дециметрового диапазона вплоть до диапазона миллиметровых волн.

Используя предложенное техническое решение, можно существенно повысить чувствительность радиометров и расширить область методов, основанных на использовании собственного радиотеплового излучения объектов. Предлагаемый радиометр может использоваться в радиотехнических системах морской навигации в условиях тумана (сложной ледовой обстановки), обеспечивая высокую степень безопасности судоходства.

Claims

Корреляционный радиометр с использованием прямого преобразования частоты, содержащий имеющий два выхода и один вход разветвитель, при этом вход разветвителя является входом устройства, и два канала, каждый из которых содержит последовательно соединенные высокочастотный широкополосный полосовый фильтр, имеющий один вход, к которому подсоединен одним из двух выходов разветвитель, и один выход, смеситель, имеющий два входа и один выход, к первому входу смесителя подсоединен своим выходом высокочастотный широкополосный полосный фильтр, и усилитель частоты, имеющий один вход и один выход, причем к входу усилителя частоты подсоединен своим выходом смеситель, гетеродин, имеющий один выход, который подсоединен к каждому второму входу смесителя обоих каналов, умножитель, имеющий два входа и один выход, и фильтр нижних частот частот, имеющий один вход и один выход, выход фильтра нижних частот является выходом устройства, отличающийся тем, что дополнительно введены еще два аналогичных канала, фазовращатель, имеющий один вход и один выход, еще один умножитель, имеющий два входа и один выход, сумматор, имеющий два входа и один выход, кроме того, разветвитель имеет дополнительно еще два выхода, которые подсоединены к каждому входу высокочастотных широкополосных полосовых фильтров дополнительных каналов, гетеродин своим выходом дополнительно подсоединен к входу фазовращателя, последний своим выходом подсоединен к вторым входам смесителей дополнительных каналов, к каждому из двух входов первого умножителя порознь подсоединены своими выходами усилители частоты первых двух каналов, а к каждому из двух входов дополнительного умножителя порознь подсоединены своими выходами усилители частоты дополнительных каналов, оба умножителя своими выходами подсоединены порознь к двум входам сумматора, последний своим выходом подсоединен к фильтру нижних частот, причем в качестве смесителей использованы смесители с прямым преобразованием частоты, а в качестве усилителей частоты использованы усилители нижних частот.