SU1124232A1

SU1124232A1 - Radiometer

Info

Publication number: SU1124232A1
Application number: SU833620114A
Authority: SU
Inventors: Борис Павлович Рябов; Вячеслав Андреевич Шевченко
Original assignee: Отделение Радиоастрономии Ордена Трудового Красного Знамени Института Радиофизики И Электроники Ан Усср
Priority date: 1983-07-11
Filing date: 1983-07-11
Publication date: 1984-11-15

Abstract

РАДИОМЕТР, содержащий опор-; ный шумовой источник, модул тор, вход которого вл етс входом радиометра , последовательно соединенные приемник и квадратичный детектор, синхронный детектор и низкочастотный генератор, причем выход низкочастотного генератора подключен к управл ющим входам модул тора и синхронного детектора, отличающийс тем, что, с целью увеличени , чувствительности и точности измерений при малых отношени х сигнал/шум, в него введены удвоитель частоты, вход которого подключен к выходу низкочастотного генератора , первый коммутатор, последовательно соединенные второй коммутатор, накопитель, низкочастотный прерьта- тель, первый полосовой фильтр, сумматор , усилитель-ограничитель и высокочастотный прерьгаатель, второй полосовой фильтр, таймер и последовательно соединенные реверсивный счетчик и цифроаналоговый преобразователь , причем управл ющие входы первого и второго коммутаторов соединены с выходом удвоител частоты, втс(рой выход второго коммутатора через второй полосовой фильтр подключен к второму входу сумматора, управл ющие входы высокочастотного прерывател и реверсивного счетчика подключены к таймеру, выход модул тора через первый коммутатор Иодключей к входу приемника, выход опорного шумового -источника соединен с вторым входом первого коммутатора, выход квадратичного детектора соединен с входом второго кo шyтaтopa, внкод tsO высокочастотного прерьгаател -через U N9 синхронный детектор соединен с входом реверсивного счетчика, a выход цифроаналогового преобразовател 00 to . вл етс выходом радиометра.RADIOMETER containing support-; a noise source, a modulator whose input is a radiometer input, a receiver and a quadratic detector connected in series, a synchronous detector and a low-frequency oscillator, the output of the low-frequency oscillator connected to the control inputs of the modulator and the synchronous detector, characterized in that sensitivity and accuracy of measurements at low signal-to-noise ratios; a frequency doubler, the input of which is connected to the output of a low-frequency generator, is entered into it; the first switch, a second switch, a drive, a low frequency breaker, a first bandpass filter, an adder, a limiter amplifier and a high frequency breaker, a second band pass filter, a timer and a series-connected reversible counter and a digital-analog converter, and the control inputs of the first and second switches are connected to the output frequency doubler, vts (swarm the output of the second switch through the second band-pass filter is connected to the second input of the adder, the control inputs of the high-frequency interrupt l and reversible counter connected to the timer, the modulator output through the first Iodkey switch to the receiver input, the output of the reference noise source is connected to the second input of the first switch, the output of the quadratic detector connected to the input of the second shaft, the tsO code of the high frequency predragatel U N9 synchronous the detector is connected to the input of the reversible counter, and the output of the digital-to-analogue converter 00 to. is the output of the radiometer.

Description

Изобретение относитс к радиотехнике и может быть использовано в радиоастрономических приемных сис темах, работающих в услови х малых отношений сигнала к шумУф Известен стабилизированный кросс коррел ционный радиометр t петлей авторегулировани содержащий два одинаковых приемника с фазовым переключением , входы которых соединены в квадратуре с двум антеннами, а выходы подключены к накальйым цеп м двух диодных шумовых генерато ров, выходы которых подведены через направленные ответвитёли к входам . радиометров Cl 3. Однако при весьма малых отношени х сигнала к шуму описанна система неработоспособна вследствие воздействи шума на систему авторегулировани . Наиболее близким к предлагаемому вл етс радиометр, содержащий опор ный шумовой источник, модул тор, вход которого вл етс входом радио метра, последовательно соединенные приемник и квадратичный детектор, синхронньй детектор и низкочастотный генератор, причем выход низкочастотного генератора подключен к управл ющим входам модул тора и синхронного детектора -JОднако данный радиометр имеет низкую чувствительность и малую точность измерений в случае весьма малых отношений сигнала к шуму на входе. Целью изобретени вл етс увели чение чувствительности и точности и мерений при малых отношени х сигнал шум, Поставленна цель достигаетс тем, что в радиометр, содержащий опорный шумовой источник модул тор вход которого вл етс входом радио метра, последовательно соединенные приемник и квадратичный детектор, синхронный детектор и низкочастотны генератор, причем выход низкочастот ного генератора подключен к управл щим входам модул тора и синхронного детектора, введены удвоитель частоты , вход которого подключен к выходу низкочастотного генератора, первый коммутатор, последовательно соедийенные второй коммутатор, накопитель , низкочастотный прерывател первый полосовой фильтр, сумматор, усилитель-ограничитель и высокочас322 тотный прерыватель, второй полосовой фильтр, таймер и последовательно соединенные реверсивный счетчик и цифроаналоговый преобразователь, причем управл ющие входы первого и второго коммутаторов соединены с выходом удвоител частоты, второй вьпсод вто ,рого коммутатора через второй полосовой фильтр подключен к второму входу . сумматора, управл ющие входы высокочастотного прерывател и реверсивного счетчика подключены к таймеру, выход модул тора через первый коммутатор подключен к входу приемника, выход опорного шумового источника соединен с вторым входом первого коммутатора, выход квадратично о детектора соединен с входом второго ..коммутатора, выход высокочастотног.опрерывател через синхронный детектор соединен с входом реверсивного счетчика, а выход цифроаналогового преобразовател вл етс выходом радиометра. На фиг, 1 представлена структурна электрическа схема предлагаемого радиометра на фиг. 2 - временные диаграммы напр жений, по сн ющие его работу. Радиометр содержит модул тор 1, опорный шумовой источник 2, первый коммутатор 3, приемник 4, квадратичный детектор 5, второй коммутатор 6, накопитель 7, низкочастотный прерыватель 8, первый полосовой фильтр 9, сумматор to, второй полосовой фильтр 11, усилитель-ограничитель 12, высокочастотный прерыватель 13, синхронный детектор 14, реверсивный счетчик 15, цифроаналоговый преобразователь 16, низкочастотньй генератор 17, удвоитель 18 частоты модул ции и таймер 19. Радиометр работает следующим образ .ом. На вход радиометра от источника сигнала, например от антенн А1 поступает шумовой полезный сигнал, спектральна плотность которого равна 5с . Одновременно на входе действует шум со спектральной плотностью .. В модул торе 1 полезный сигнал модулируетс по амплитуде на 100% пр моугольным низкочастотньм напр жением с частотой а шум не модулируетс . . периодически в радиометр вводитс сигнал опорного шумового источника 2, спектральна платность которого , . {{а вход приемника 4 поступает сигнал с выхода первого коммутатора 3, а с вьпсода квадратич ного детектора 5 сигнал подаетс на вход второго коммутатора 6, который аналогичен первому коммутатору 3 и синхронно с ним управл етс от удвоител 18 частоты модул ции. Каждый полупериод модул ции первьй ,коммутатор 3 подключает вход приемника 4 к опорному шумовому источнику 2 на интервал времени 4t 0,05 Т (где ), а вто рой коммутатор 6 синхронно подключа ler выход квадратичного детектора 5 к накопителр 7. Остальную часть полупериода модул ции (0,45 Тд,) вход приемника 4 подключен к выходу моду . л тора 1, а выход квадратичного детектора 5 подключен к второму полос вому фильтру 11, Второй полосовой фильтр 11 пропускает модулированн5то составл ющую полезного сигнала и осуществл ет предварительную фильтрацию продетек тированного шума, т.е. .задерживает посто нную составл ющую и частично ослабл ет переменную составл ющую ш ма, . Выходной сигнал накопител 7 пре ставл ет собой слабо флуктуирующее напр жение , 2а). Это напр жение преобразуетс в переменное синусоидальное напр жение .с помощью низкочастотного прерывател 8, частота переключений которого выбирает равной л/IOOF , и первого полосового фильтра 9, настроенного на час тоту переключений F. Полученное на выходе первого полосового фильтра 9 напр жение ) (фиг. 26)The invention relates to radio engineering and can be used in radio astronomy receiving systems operating under conditions of low signal-to-noise ratios. UF A stabilized cross-correlation radiometer t is known for auto-regulation loops containing two identical phase-switched receivers, whose inputs are connected in quadrature with two antennas, and the outputs are connected to the incandescent circuits of two diode noise generators, the outputs of which are connected through directed taps to the inputs. of the Cl 3 radiometers. However, with very low signal-to-noise ratios, the described system is inoperable due to the effect of noise on the auto-adjusting system. The closest to the present invention is a radiometer containing a reference noise source, a modulator whose input is an input of a radio meter, a series-connected receiver and a quadratic detector, a synchronous detector and a low-frequency generator, and the output of the low-frequency generator is connected to the control inputs of the modulator and synchronous detector -J However, this radiometer has a low sensitivity and low measurement accuracy in the case of very small signal-to-noise ratios at the input. The aim of the invention is to increase the sensitivity and accuracy of measurements at small signal-to-noise ratios. The goal is achieved by the fact that a synchronous detector is connected to a radiometer containing a reference noise source with a modulator whose input is a radio meter input, connected in series to a receiver and a quadratic detector and a low-frequency generator, with the output of the low-frequency generator connected to the control inputs of the modulator and the synchronous detector, a frequency doubler is inputted, the input of which is connected to the output of a low hour a full oscillator, a first switch, a serially connected second switch, a drive, a low-frequency chopper, a first band-pass filter, an adder, an amplifier-limiter and a high-frequency 322 chopper, a second band-pass filter, a timer and a series-connected reversible counter and a digital-analogue converter, the control inputs of the first and second the switches are connected to the output of the frequency doubler, the second out of the second switch is connected to the second input through the second band-pass filter. the adder, the control inputs of the high-frequency chopper and the reversible counter are connected to the timer, the modulator output is connected to the receiver input through the first switch, the noise source reference output is connected to the second input of the first switch, the output of the second switch is connected to the input of the second switch, the high-frequency output The interrupter is connected via a synchronous detector to the input of the reversible counter, and the output of the digital-to-analog converter is the output of the radiometer. FIG. 1 shows the structural electrical circuit of the proposed radiometer in FIG. 2 - time diagrams of voltages, which show its work. The radiometer contains modulator 1, reference noise source 2, first switch 3, receiver 4, quadratic detector 5, second switch 6, accumulator 7, low-frequency chopper 8, first band-pass filter 9, adder to, second band-pass filter 11, limiting amplifier 12 , high-frequency interrupter 13, synchronous detector 14, reversible counter 15, digital-to-analog converter 16, low-frequency oscillator 17, doubler 18 modulation frequency and timer 19. The radiometer operates as follows. The input of the radiometer from the signal source, for example, from the A1 antennas, receives a noise useful signal, the spectral density of which is 5 s. At the same time, noise with a spectral density acts at the input. In modulator 1, the useful signal is modulated in amplitude at 100% rectangular low-frequency voltage with a frequency and the noise is not modulated. . periodically, the signal of the reference noise source 2, whose spectral chargeability, is inputted into the radiometer. {{and the input of receiver 4 receives a signal from the output of the first switch 3, and from the output of the quadratic detector 5, the signal is fed to the input of the second switch 6, which is similar to the first switch 3 and is controlled synchronously with doubler 18 of the modulation frequency. Each modulation half-period is first, switch 3 connects receiver input 4 to noise reference source 2 for a time interval of 4t 0.05 T (where), and second switch 6 synchronously connects the ler output of a quadratic detector 5 to accumulator 7. The rest of the half-modulation period (0.45 TD,) the input of the receiver 4 is connected to the output mode. This transducer is 1, and the output of the quadratic detector 5 is connected to the second band-pass filter 11. The second band-pass filter 11 passes the modulated component of the useful signal and pre-filters the detected noise, i.e. detains the constant component and partially weakens the variable component of the head,. The output of accumulator 7 is a weakly fluctuating voltage, 2a). This voltage is converted into an alternating sinusoidal voltage by using a low-frequency chopper 8, the switching frequency of which chooses l / IOOF, and the first band-pass filter 9 tuned to the switching frequency F. The voltage obtained at the output of the first band-pass filter 9 (Fig . 26)

Uo sin2J F t, UHUo sin2J F t, UH

рттр А 1 -- 1де Ар 2 складываетс с выходным напр жением второго полосового фильтра 11 в сумматоре 10..На выходе сумматора.10 образуетс напр жение50 ) . где Up - полезный сигнап, представ- мо л ющий собой пр моугольное низкочастотное напр же-55 ние с нулевым средним значением и слабо флуктуирующей амплитудой fej.Pter A 1 - 1de Ap 2 is added to the output voltage of the second band-pass filter 11 in the adder 10. At the output of the adder. 10, a voltage is generated (50). where Up is a useful signal representing a rectangular low-frequency voltage with a zero mean value and a weakly fluctuating amplitude fej.

фильтра 11. Тогда отно-7-- «1 равноfilter 11. Then the relative-7-- "1 equals

при а ра ра где Кр - коэффициент усилени по мощности от входа приемника 4 до выхода сумматора 10 (коэффициенты передачи модул тора 1 и первого коммутатора 3 считаем равными единице ) ; УШ - переменна составл юща продетектированного шума, среднеквадратическое значение 6jy которого подчин етс неравенству .А (А) (JQ- опорное синусоидальное .напр жение с амплитудой , л Суммарное напр жение U (фиг.2в) подаетс на вход усилител -ограничй гел 12, где подвергаетс двустороннему амплитудному ограничению на нулевом уровне, в результате чего на его вьпсоде образуетс пр моугольное клиппированное напр жение Оц единичной амплитуды с переменной скважностью и частотой повторени , равной F (фиг. 2г). После ограничени вс информаци об амплитуде сигнала 6 и среднеквадратическом значении шума бц, заключена во временных характеристиках сигнала Uu, т.е. длительност х положительных t/4.ij и отрицательных i( импульсов. Обозначим через (Uc+U) отсчеты суммарной реализации сигнала и шума, сделанные . с шагом Т ,, --с- а выходе второго FK , «i ji Ло к i V)iVH Гк (-Н . отношение спектральной плотности щности полезного сигнала к спектльной плотности мощности шума вно IV)(-1 -4Т ( -) w w Т т интервал интегрировани . /У N - число отсчетов. -:I«k. С целью измерени йТ выходное /напр жение (i усилител -ограничител 12 подаетс на высокочастотный прерыватель 13, частота f переключений которого выбираетс из услови , Выходное напр жение (J высокочастотного прерьгаател 13 (фиг, 2д) поступает на синхронный детектор.14, в которон производитс стробирование интервалов времени, совпадающих, например, с от15ицатель ными полупериодами сигнального меан ра U(j. Выходное напр жение УСД синх ронного детектора 14 (фиг, 2е) пода етс на реверсивный счетчик 15, в котором накапливаетс пропорциональ на 4 Т разность положительных и отрицательных импульсов, следующих с частотой fV Управление синхронным детектором 14 и модул тором 1 производитс от низкочастотного генератора 17 часто ты а управление первым коммутатором 3 и вторым коммутатором 6 осу ществл етс удвоителем 18 частоты М дул ц и , Удвоение частоты приме нено с целью устарени воздействи на выходной сигнал радиометра отрИ цательных импульсов, образующихс . при отключении квадратичного Детектора 5 от второго полосового фильтра 11 на врем 0,05 Т, Синхронный детектор 14 и реверсивный счетчик 1 полностью подавл ют составл ющую с 2 частотой 2ffi,, , так как представл ют собой эквивалент узкополосного фильтра , Настроенного на частоту F . Врем счета импульсов t задаетс таймером 19 и устанавливаетс равным требуемому интервалу -f накоплени полезного сигнала. Одновременно с установкой t; таймер 19 управл ет частотой коммутации высокочастот к4 ного прерывател 13 по закону чтобы исключить переполнение зеверсивного счетчика 15 в случае больших значений V и стабилизировать уровень полезного сигнала на выходе радиометра При использований разных Т , Содержимое реверсив11ого счетчика 15 в конце каждого интервала счета (равного .vy подаетс на цифроаналоговьй преобразователь 16, на выходе которого образуетс последовательность отсчетов с шагом С, образующа профильтрованный полезный сигнал. Сравнительный анализ показывает, что в предлагаемом радиометре исключено вли ние низкочастотных дрейфов коэффициента усилени , шумовой полосы пропускани , температуры шума и нулевой линии на результат измерени мощности полезного сигнала, В результате при измерении спектральной плотности слабых шумовых сигналов , например, от космических радиоисточников флуктуационна чувствительность радиометра возрастает примерно в 10 раз за счет увеличени времени накоплени до нескольких часов, а также повьш1аетс точность измёре-г when a ra is where Kp is the power gain from the receiver input 4 to the output of the adder 10 (the transmission coefficients of the modulator 1 and the first switch 3 are assumed to be equal to one); WL is the variable component of the detected noise, whose root-mean-square value 6jy is subject to the inequality .A (A) (JQ is the reference sinusoidal voltage with amplitude, l The total voltage U (Fig. 2c) is applied to the input of the amplifier-gel boundary 12, where it is subject to a two-way amplitude limitation at the zero level, as a result of which a rectangular clipped voltage Ots of unit amplitude with a variable duty cycle and repetition rate equal to F is formed at its upper limit (Fig. 2d). and the signal amplitude 6 and the root-mean-square value of the noise in bc is enclosed in the time characteristics of the signal Uu, i.e., the durations of positive t / 4.ij and negative i (pulses. We denote by (Uc + U) the total signal realization and noise counts, made with a step T ,, - with- and the output of the second FK, “i ji Lo to i V) iVH Гк (-N. ratio of the spectral density of the useful signal to the spectral density of the noise power clearly IV) (–1-4T ( -) ww T t is the integration interval. / N - the number of samples. -: I “k. In order to measure the output voltage / voltage (i of amplifier limiter 12 is fed to a high-frequency chopper 13, the switching frequency f of which is chosen from the condition, the output voltage (J of high-frequency stripper 13 (fig, 2e) goes to a synchronous detector 14, which gating of time intervals coinciding, for example, with the discriminating half-periods of the signal medium U (j.). The output voltage of the DCA of the synchronous detector 14 (Fig. 2e) is fed to the reversible counter 15, in which the proportional to 4 Tp accumulates. the positive and negative pulses of the following frequency fV The synchronous detector 14 and the modulator 1 are controlled from the low-frequency generator 17 often and the first switch 3 and the second switch 6 are controlled by the frequency doubler 18, duplicated the purpose of eliminating the effect on the output signal of the radiometer of negative impulses generated when the quadratic Detector 5 is disconnected from the second band-pass filter 11 for a time of 0.05 T, a Synchronous detector 14 and a reversible counter Point 1 completely suppresses the component with 2 frequencies 2ffi ,, because they represent the equivalent of a narrowband filter tuned to frequency F. The pulse counting time t is set by the timer 19 and is set equal to the desired accumulation interval -f of the useful signal. Simultaneously with the installation of t; Timer 19 controls the switching frequency of the high-frequency switch 4 of the chopper 13 according to the law to prevent overflow of the counter counter 15 in case of large values of V and stabilize the level of the useful signal at the output of the radiometer. When using different T, the content of the reversible counter 15 at the end of each counting interval (equal to .vy applied to a digital-to-analog converter 16, the output of which forms a sequence of samples with step C, forming a filtered useful signal. A comparative analysis shows that In the proposed radiometer, the influence of low-frequency gains of the gain, noise bandwidth, noise temperature and zero line on the result of measuring the power of the useful signal is eliminated. As a result, when measuring the spectral density of weak noise signals, for example, from space radio sources, the fluctuation sensitivity of the radiometer increases by about 10 times by increasing the accumulation time up to several hours, and also increases the accuracy of the measurement-g

ноbut

ьs

tsts

Claims

A RADIOMETER containing a reference: a noise source, a modulator, the input of which is an input of a radiometer, a series-connected receiver and a quadratic detector, a synchronous detector and a low-frequency generator, the output of a low-frequency generator connected to the control inputs of the modulator and synchronous detector, characterized in that, with In order to increase the sensitivity and accuracy of measurements at small signal-to-noise ratios, a frequency doubler is introduced into it, the input of which is connected to the output of the low-frequency generator, the first to mmutator serially connected second switch, drive a low-frequency ^{interruption:} Tel, the first bandpass filter, an adder, a limiting amplifier and a high frequency chopper, a second bandpass filter connected in series and a timer down counter and a digital to analog converter, wherein the control inputs of the first and second switches are connected with the output of the frequency doubler, the second output of the second switch through the second bandpass filter is connected to the second input of the adder, the control inputs are high-frequency the first chopper and the reversing counter are connected to the timer, the modulator output is through the first switch. Connect to the receiver input, the output of the reference noise source is connected to the second input of the first switch, the quadratic detector output is connected to the second switch input, the high-frequency chopper output is connected through the synchronous detector to the input of the reversing counter and the output of the digital-to-analog converter ^ is the output of the radiometer.

GO go with go .1124232