SU1626206A1

SU1626206A1 - Double-polarization modulation radiometer

Info

Publication number: SU1626206A1
Application number: SU884485624A
Authority: SU
Inventors: Владимир Сергеевич Аблязов
Original assignee: Специальное Конструкторское Бюро Института Радиотехники И Электроники Ан Ссср
Priority date: 1988-09-22
Filing date: 1988-09-22
Publication date: 1991-02-07

Abstract

Изобретение относитс к СВЧ-измери- тельной технике, а именно к устройствам измерени мощности теплового радиоизлучени одновременно на двух ортогональных пол ризаци х, и может быть использовано в радиоастрономии, радиометеорологии и при исследовании природных ресурсов Земли Изобретение позвол ет повысить флуктуационную чувствительность измереИзобретение относитс к сверхвысокочастотной (СВЧ) измерительной технике, а именно к технике измерени мощности теплового радиоизлучени одновременно на двух ортогональных пол ризаци х, и может быть использовано в радиоастрономии, радиометеорологии и при исследовании природных ресурсов Земли. Цель изобретени - повышение флукту- ационной чувствительности радиометра при приеме пол ризованного излучени в коротковолновой части миллиметрового диапазона ний, что достигаетс путем исключени из сигнального канала радиометра переключател ортогональных пол ризаций с реализацией этого переключени в смесител х. Такое переключение осуществл етс путем поочередной подачи сигнала гетеродина через два направленных фильтра, возбуждающих в сигнальном тракте радиометра два ортогональных сигнала гетеродина, развернутых на 45&deg; по отношению к ос м разделител пол ризаций Максимальна чувствительность достигаетс при длительности пропускани сигнала, в 2 превышающей длительность опорного излучени . Оптимальна демодул ци сигнала в синхронном детекторе достигаетс путем введени трех ключей с делителем напр жени на выходе третьего ключа. Флуктуационна чувствительность дТ, дл каждой из ортогональных пол ризаций сигнала составл ет (УТ| 1,2VTo где д Т0 - чувствительность обычного одноканального радиометра с тем же приемником при приеме только одной пол ризации 1 з п ф-лы,3 ил На фиг.1 представлена структурна электрическа схема двухпол ризационно- го модул ционного радиометра; на фиг.2 - структурна электрическа схема синхронного детектора, на фиг.З - временные диаграммы , по сн ющие работу радиометра. Двухпол ризационный модул ционный радиометр содержит (фиг.1) антенну 1, модул тор 2, генератор 3 модулирующего напр жени , первый 4 и второй 5 направленные фильтры, разделитель 6 пол ризаций , первый 7 и второй 8 смесители, усилитель 9 промежуточной частоты.квадСО С о ю Os го о оThe invention relates to microwave measuring equipment, namely, devices for measuring the thermal radio power simultaneously on two orthogonal polarizations, and can be used in radio astronomy, radio meteorology and in the study of the Earth’s natural resources. The invention improves the fluctuation sensitivity of the measurement. The invention relates to ultra high frequency (Microwave) measurement technology, in particular, to the technique of measuring the power of thermal radio emission simultaneously on two orthogonal polarisations and x, and can be used in radio astronomy, radio meteorology and in the study of the Earth’s natural resources. The purpose of the invention is to increase the fluctuation sensitivity of the radiometer when receiving polarized radiation in the shortwave part of the millimeter wavelength range, which is achieved by excluding the orthogonal polarization switch from the radiometer switch with the realization of this switch in mixers. Such switching is carried out by alternately feeding a local oscillator signal through two directional filters, which excite two orthogonal local oscillator signals in the radiometer signal path, rotated 45 ° amp; with respect to the axis of the polarization separator. Maximum sensitivity is achieved when the signal transmission duration is 2 times longer than the reference radiation duration. Optimal signal demodulation in a synchronous detector is achieved by introducing three keys with a voltage divider at the output of the third key. The fluctuation sensitivity dT for each of the orthogonal polarizations of the signal is (UT | 1,2VTo where d T0 is the sensitivity of a conventional single-channel radiometer with the same receiver when receiving only one polarization 1 C p f-ly, 3 or 3) Figure 2 shows a structural electrical circuit of a synchronous detector, Figure 3 shows timing diagrams explaining the operation of a radiometer. The dual-pole modulation radiometer contains (Figure 1) antennas. 1, a modulator 2, a generator 3, the modulating voltage, the first 4 and second 5 directed filters polarizations separator 6, a first 7 and second mixers 8, amplifier 9 on the intermediate chastoty.kvadSO C w th Os of about

Description

ратичный детектор 10, синхронный детектор 11. формирователь 12 импульсов, гетеродин 13. сверхвысокочастотный переключатель 14, первый 15 и второй 16 аттенюаторы . Синхронный детектор (фиг.2) содержит первый 17, второй 18 и третий 19 ключи, делитель 20 напр жени , первый 21 и второй 22 блоки вычитани , первый 23 и второй 24 фильтры низких частот.valid detector 10, synchronous detector 11. pulse shaper 12, local oscillator 13. microwave switch 14, first 15 and second 16 attenuators. The synchronous detector (Fig. 2) contains the first 17, second 18 and third 19 keys, voltage divider 20, first 21 and second 22 subtractors, first 23 and second 24 low-pass filters.

Двухпол ризационный модул ционный радиометр работает следующим образомBipolar modulation radiometer operates as follows

Измер емый шумовой сигнал с ортогональными векторами излучени EI и Е (температурами соответственно Ti и Т) принимаетс антенной 1 и модулируетс с частотой F вращающимс дисковым модул тором 2, с которым св зан генератор 3 модулирующего напр жени т. имеющего импульсы длительностью т„ с единичной амплитудой (фиг.За). Далее модулированный сигнал проходит через волновод первого 4 и второго 5 направленных фильтров, раздел етс в разделителе 6 пол ризаций на два канала с новыми ортогональными векторами Ех и Еу. которые поступают на первый 7 и второй 8 смесители, включенные разной пол рностью. Так как оси х и у разделител 6 пол ризаций развернуты на 45° относительно направлений векторов Ei и Еа. тоThe measured noise signal with orthogonal radiation vectors EI and E (temperatures Ti and T, respectively) is received by antenna 1 and modulated at a frequency F by a rotating disk modulator 2, to which the generator 3 of modulating voltage t having a single pulse duration is associated. amplitude (fig.Za). Next, the modulated signal passes through the waveguide of the first 4 and second 5 directional filters, divided in the separator 6 polarizations into two channels with new orthogonal vectors Ex and Eu. which are supplied to the first 7 and second 8 mixers, which are included by different polarity. Since the x and y axes of the separator of 6 polarizations are rotated by 45 ° relative to the directions of the vectors Ei and Ea. that

-mi)(Ei+E2)l -mi) (Ei + E2) l

-m,)(Ei-E2)l . -m,) (Ei-E2) l.

Гетеродинные напр жени Ux и Uy на смесители 7 и 8 подаютс с общего гетеродина 13 через СВЧ-переключатель 14, а далее либо через первый аттенюатор 15 и первый направленный фильтр 4, возбужда в круглом волноводе колебани с вектором Urv Го2, параллельным вектору Ei. либо через второй аттенюатор 16 и второй направленный фильтр 5, возбужда колебани с вектором Ur2 (1 - то), параллельным Е2, где тг - напр жение формы меандр с частотой F и единичной амплитудой, подаваемой на управл ющий вход СВЧ-переключател 14 с выхода формировател 12 импульсов. При этом окончание импульсов гт)2 задержано по времени на г0/2 относительно окончани импульсов mi (фиг.36). ТогдаThe heterodyne voltages Ux and Uy to the mixers 7 and 8 are supplied from the common local oscillator 13 via the microwave switch 14, and then either through the first attenuator 15 and the first directional filter 4, exciting oscillations with a vector Urv Go2 parallel to the vector Ei. either through the second attenuator 16 and the second directional filter 5, oscillating with the vector Ur2 (1 - that), parallel to Е2, where тг - form voltage square wave with frequency F and unit amplitude supplied to the control input of the microwave switch 14 from the output Former 12 pulses. At the same time, the end of the pulses rm-2 is delayed by r0 / 2 relative to the end of the pulses mi (Fig. 36). Then

Ux - lUri m 2 + Ur2 (1 m 2).Ux - lUri m 2 + Ur2 (1 m 2).

Uy - Uri m 2 - Uf2 p - m 2).Uy - Uri m 2 - Uf2 p - m 2).

Выравнивание амплитуд в Un и Ur2 осуществл етс аттенюаторами 15 и 16The amplitudes are aligned in Un and Ur2 by attenuators 15 and 16

Таким образом, при прохождении напр жени гетеродина через направленный фильтр 4 (пл2 1). оно подаетс на смесители 7 и 8 в фазе, а при прохождении через направленный фильтр 5 (гп2 - 0) - в противофа- зе. Тогда сигналы с значением Ех и Еу и составл ющие опорного сигнала температуры Т0, излучаемого диском модул тора 2. после преобразовани с выходов смесителей 7 и 8 периодически то суммируютс (при ГЯ2 0), то вычитаютс (при гг)2 1). Результирующа форма модул ции сигналов с Ti, Т2 и То, приведенна к входу радиометра с учетом значени температуры собственныхThus, when passing the voltage of the heterodyne through the directional filter 4 (PL2 1). it is fed to mixers 7 and 8 in phase, and when passing through directional filter 5 (hp2 - 0) - in antiphase. Then the signals with the Ex and Ey values and the components of the reference signal of the temperature T0 emitted by the modulator disk 2, after being converted from the outputs of mixers 7 and 8, are periodically summed (with HN2 0), then subtracted (with y2) 2 1). The resultant modulation of the signals from Ti, T2 and To is reduced to the input of the radiometer, taking into account the temperature

шумов радиометра - Тш. показана на фиг.2.radiometer noise - Tsh. shown in figure 2.

После усилени в усилителе 9 промежуточной частоты эти сигналы детектируютс квадратичным детектором 10 и с помощью ключей 17 - 19 в синхронном детекторе 11 раздел ютс по времени на три канала с соответствующими длительност ми г 1 ,г 2 и т 0 с напр жени ми, пропорциональнымиAfter amplification in intermediate frequency amplifier 9, these signals are detected by a quadratic detector 10 and, using keys 17-19, in a synchronous detector 11 are divided into three channels with corresponding durations g 1, g 2 and m 0 with voltages proportional to

Ti + Тш, Т2 + Тш и То + Тш.Ti + Tsh, T2 + Tsh and To + Tsh.

Управл ющие напр жени m и П2 дл работы первого и второго ключей 17 и 18 соответственно снимаютс с второго и третьего выходов формировател 12 импульсов , a mi дл ключа 19 - с выхода генератора 3 модулирующего напр жени (фиг Зг, д, а соответственно). Далее с помощью первого блока 21 вычитани и делител 20 напр жени формируетс разностьThe control voltages m and P2 for the operation of the first and second keys 17 and 18, respectively, are removed from the second and third outputs of the driver 12, and mi for the key 19 from the output of the modulating voltage generator 3 (Fig. 3g, d, respectively). Then, using the first subtracting unit 21 and the voltage divider 20, a difference is formed

напр жений с выходов первого и третьего ключей 17 и 19. усиливаетс и фильтруетс первым фильтром 23 низких частот, ва на выходе среднее напр жение Vi, пропорциональное Ti - 10. Разностное напр жение с выходов второго и третьего ключей 18 и 19 формируетс вторым блоком 22 вычитани и фильтруетс вторым фильтром 24 низких часичт, создава на выходе второе среднее напр жение V2, пропорциональноеvoltages from the outputs of the first and third keys 17 and 19. is amplified and filtered by the first low-pass filter 23, the average voltage Vi at the output is proportional to Ti - 10. The differential voltage from the outputs of the second and third keys 18 and 19 is formed by the second block 22 subtracting and filtering the second low-pass filter 24, creating at the output a second average voltage V2 proportional to

Т2-Т0.T2-T0.

Так какг т r2 2-(t0 -т0) ,So how r t r2 2- (t0 -t0),

a TI г0 . где to - -F - период частотыa TI r0. where to - -F is the frequency period

0 модул ции то дл исключени Тш из значений Vi i, Vi на выходе третьего ключа коэффициент , ередачи делител 20 напр жени 0 modulation then to exclude Tm from the values of Vi i, Vi at the output of the third key coefficient, the transmission voltage divider 20

устанавличаетс равным К Д Мэкси1 1is set equal to KD Maxy1 1

5 мальна флуктуационча чувствительность в предлагаемом радиометре по каждому выходу б Т, будет иметь место при г 0 V2 г -|И составитThe minimum fluctuation sensitivity in the proposed radiometer for each output b T will take place when g 0 V2 g - | And will be

дТ, 1.21 УГо .dT, 1.21 OG.

где д Т0 - флуктуэционнэ чувствительность радиометоа прк приеме мйполтризсэанно- го излучени без модул ции напр жени гетеродина с обычным синхроннымwhere g T0 is the fluctuation sensitivity of the radiometho- prc receiving me- tolpsed radiation without modulating the heterodyne voltage with the usual synchronous

детектором при г., , . В известномdetector at,,. In the famous

Claims

a dual polarized radiometer operating with a Faraday polarization switch in the signal path, dG, - 2 (5Т0, i.e. gain of 1.65 saz, not counting losses in the Faraday switch. Formation of voltage pulses u and P2 with corresponding durations 0, 29 to, 0.29 to and 0.5 t0 is produced in a pulse shaper 12. Thus, due to the anti-modulated orthogonal components of the heterodyne voltage introduced through directional filters 4 and 5, the polarizations of the measured signal are switched from Ei and EJ without pr change of the polarization switch in the signal path, which is very important when the radiometer is operated in the shortwave part of the millimeter wave range. The optimal signal processing with the components T, T-2 and To with modulation 1.1 synchronous detrusion also increases sensitivity which is realized with asymmetric modulation of the signal by disk modulator 2 (i 0.42 to). Claim 1. The two-polarization modulation radiometer containing an antenna connected in series, the modulator and the first voltage the first filter, the first mixer, the intermediate frequency amplifier, the quadratic detector and the synchronous detector, as well as the modulating voltage generator, the local oscillator and the first attenuator connected to the second input of the first directional filter, the second output of the modulator is connected via a linear voltage generator to the second input of the synchronous detector, characterized in that, in order to increase the fluctuation sensitivity of the radiometer when receiving polarized radiation in the shortwave parts of the millimeter 5. range, a series-connected pulse generator, a microwave switch, a second attenuator, a second directional coupler, a polarization separator, and 0 a second mixer are introduced, the input of the pulse shaper is connected to the output of the modulating voltage generator, and the second and third the outputs are connected to the third and fourth inputs of the synchronous detector, the 5th input and the second output of the microwave switch are connected respectively to the output of the local oscillator and the input of the first a tenyuatora, the second input of the second directional filter coupled to an output per0 Vågå directional filter, the second output polarizations divider coupled to an input of the first mixer and the output of the second mixer is connected to the input of the intermediate frequency amplifier, said first and

5, the second outputs of the synchronous detector are the first and second outputs of the dual polarization modulation radiometer.

2. Pop-1 radiometer, characterized in that the synchronous detector is made in the form of a first key connected in series, a first subtraction unit and a first low pass filter, a second key connected in series, a second

5 of the subtraction unit and the second low-pass filter, as well as the voltage divider and the third key connected through the voltage divider to the second inputs of the first and second subtractors connected together,

0 and the control inputs of the first, second, third keys and their signal inputs connected together, as well as the outputs of the first and second low pass filters are respectively the fourth, third, second and first inputs, the first and second outputs of the synchronous detector.

Fig.i

FIG. 3