Модуляционный радиометр

Модуляционный радиометр, содержащий входной модулятор, к входу которого подключена антенна, последовательно соединенные усилитель высокой частоты и квадратичный детектор, переменный фазовращатель, последовательно соединенные усилитель низкой частоты, синхронный детектор и первый интегратор, генератор опорного напряжения, первый выход которого соединен с управляющим входом входного модулятора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений путем повышения стабильности баланса и упрощения процесса калибровки радиометра, в него введены последовательно соединенные первый ключ, детектор экстремума, первый двухпозиционный переключатель, второй двухпозиционный переключатель, переменный аттенюатор и второй ключ, а также второй интегратор, вход которого подключен к второму выходу первого ключа, а выход к второму входу второго ключа, выход которого подключен к входу усилителя низкой частоты, при этом второй выход второго двухпозиционного переключателя подключен к первому входу второго ключа, выход входного модулятора через переменный фазовращатель подключен к входу усилителя высокой частоты, выход квадратичного детектора подключен к входу первого ключа, причем первый выход генератора опорного напряжения подключен к управляющим входам первого ключа и детектора экстремума, второй выход к управляющему входу переменного фазовращателя, а третий выход к управляющим входам синхронного детектора и второго ключа.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиоастрономии, теплолокации и измерительной технике.
Целью изобретения является повышение точности измерения путем повышения стабильности баланса и упрощения процесса калибровки.
На фиг.1 приведена структурная схема модуляционного радиометра; на фиг.2 схема калибровки радиометра; на фиг. 3 диаграммы, поясняющие работу устройства.
Модуляционный радиометр содержит последовательно соединенные антенну 1, входной модулятор 2, переменный фазовращатель 3, усилитель 4 высокой частоты, квадратичный детектор 5 и первый ключ 6, последовательно соединенные второй ключ 7, усилитель 8 низкой частоты, синхронный детектор 9 и первый интегратор 10, второй интегратор 11, последовательно соединенные детектор 12 экстремума, первый двухпозиционный переключатель 13, второй двухпозиционный переключатель 14 и переменный аттенюатор 15, а также генератор 16 опорного напряжения.
Схема калибровки содеpжит антенну 1, механический переключатель 17, модуляционный радиометр 18, согласованную нагрузку 19 и блок 20 регистрации.
Модуляционный радиометр работает следующим образом.
Управляющий сигнал с первого выхода генератора 16 опорного напряжения (см. фиг.3,а) поступает на управляющий вход модулятора 2. При высоком уровне этого сигнала (1-ый полупериод модуляции) модулятор 2 закрывается, часть шумов усилителя 4 высокой частоты, идущая в сторону модулятора 2, отражается от него и интерферирует со входными шумами усилителя 4 высокой частоты на его входном сопротивлении Z_вх. Управляющим сигналом третьего выхода генератора 16 (см.фиг.3,в) по синусоидальному закону меняется фазовый сдвиг фазовращателя 3 _ф= _ф(t) от 0 до 360^o, в результате чего амплитуда интерференционного сигнала неоднократно достигается своих минимальных и максимальных значений. При низком уровне сигнала первого выхода генератора 16 модулятор 2 открывается (2-ой полупериод модуляции), часть шумов усилителя высокой частоты, идущая в сторону антенны, излучается в пространство, а шумы самой антенны поступают на вход усилителя 4 высокой частоты.
Рассмотрим более подробно процесс, происходящий в течение 1-ого полупериода модуляции. Предположим сначала что т.е. фазовращатель 3 находится в одном фиксированном положении. В этом случае для спектральной плотности мощности Р_вх интерференционного сигнала имеем

где К постоянная Больцмана,
Т_вк эффективная температура шумов усилителя 4 высокой частоты, идущая в сторону модулятора 2,
(Z_вх) модуль комплексного сопротивления входа усилителя 4,
R_вх активное сопротивление входа усилителя 4,
волновое сопротивление входного тракта,
коэффициент отражения входа усилителя 4,
коэффициент отражения модулятора 2,
= L +j постоянная распространения входного тракта,
l длина этого тракта (от модулятора 2 до усилителя 4).
Собственные шумы модулятора 2 и переменный фазовращатель 3 статистически независимы и, следовательно, не интерферируют с входными шумами усилителя 4, так как кроме того соответствующие им сигналы вычитаются на выходе синхронного детектора, то они не влияют на процесс измерения.
Если согласование входа усилителя 4 высокой частоты не идеально, то интерференционные явления возникают также и в течение 2-ого полупериода модуляции, когда ко входу усилителя 4 подключена антенна. Чтобы этого не случилось, необходимо обеспечить согласование входа усилителя высокой частоты близко к идеальному. Для упрощения дальнейших расчетов будем предполагать, что это условия уже выполнено, т.е. . Тогда из (1), (2) и (3) получаем, что
P_вх КВТ_вх (4) где
Из (5) видно, что при изменении фазового сдвига переменного фазовращателя 3 от 0 до 360^o, коэффициент В непременно будет принимать свои максимальные и минимальные значения:

где L_ф1 прямые потери переменного фазовращателя 3 в децибелах, когда _ф=-2 l, а L_м обратные потери модулятора 2 в децибелах, и

где L_ф2 прямые потери переменного фазовращателя 3 в децибелах, когда _ф= -2 l. Коэффициент 2 у L_ф1 и L_ф2 означает, что шумы Т_вх 2 раза проходят через фазовращатель 3, согласование которого с обеих сторон можно сделать близким к идеальному. Однако при этом неизбежно растут потери L_ф1 и L_ф2, фигурирующие в выражениях (6) и (7).
Сигнал на выходе квадратичного детектора 5, соответствующий 1-ому полупериоду модуляции, с учетом (4), имеет следующий вид:

где С константа, характеризующая квадратичный детектор, G_увч и f_{УВЧ u} коэффициент усиления и полоса пропускания усилителя 4 соответственно, Р_пр и Т_пр- спектральная плотность и эффективная температура, приведенные ко входу шумов приемника.
Далее сигнал U₁ проходит через детектор 12 экстремума. На выходах детектора 12 экстремума появляются сигналы, для которых на основании (6), (7) и (8) получаем, что

где С' коэффициент передачи детектора 12 экстремума.
Обеспечивая такой же коэффициент передачи С' и в канале антенны (первый выход ключа 6), для сигнала 2-ого полупериода на выходе интегратора 11 будем иметь, что
U_II = C CG_УВЧ(T_A+T_пр)K f_УВЧ, (11)
Если ожидаемая эффективная температура антенны Т_A B_minT_вх, то, с помощью переключателей 13 и 14 ко входу аттенюатора 15 подключается второй выход детектора 12. В противном случае, т.е. когда Т_A > B_minT_вх, ко входу аттенюатора 15 подключается первый выход детектора 12. В обоих случаях вводится такая аттенюация N аттенюатором 15, при которой выходной сигнал синхронного детектора 9 обращается в нуль, чем и обеспечивается баланс радиометра.
Действительно, при синхронной работе ключа 7 и синхронного детектора 9 выходной сигнал синхронного детектора 9 будет соответствовать разности которая равна нулю, если

Для оценки стабильности и точности баланса (12) в предлагаемом модуляционном радиометре достаточно сравнить среднеквадратичные относительные ошибки В_max и В_min со среднеквадратичной относительной ошибкой коэффициента В, применяемого в прототипе.
На основании выражения (5) для оценки получаем следующую формулу

где = 2 l+ , L потери тракта в децибелах.
При значениях 0,95, L 0,5 дБ, 0,1, 0,03, 0,1, , среднеквадратичная относительная ошибка составляет 21%
На основании выражений (6) и (7) для оценки и получаем следующие формулы:

При тех же значениях , L, и формулы (14) и (15) дают следующие результаты:

Полученные результаты позволяют утверждать, что в предлагаемом модуляционном радиометре повышаются стабильность и точность балансировки радиометра.
Калибровка радиометра, необходимая для определения значения Т_A, осуществляется следующим образом (см.фиг.2). С помощью механического переключателя 17 ко входу модуляционного радиометра 18 подключается согласованная нагрузка 19, находящаяся при температуре окружающей среды Т_o. При этом на выходе интегратора 11 аналогично 11 имеем

В режиме калибровки ко второму входу ключа 7 подключается второй выход переключателя 14, ко входу которого подключаются то первый, то второй выходы детектора 12. При этих переключениях на выходе синхронного детектора 9 появляются следующие разностные сигналы, которые регистрируются вблоке регистрации 20:

Аналогично, когда с помощью переключателя 17 ко входу радиометра 18 подключается антенна, на выходе синхронного детектора 9 имеем

Из выражений (17), (18), (19) и (20) для величины Т_A окончательно получаем, что

где отношение показаний блока регистрации 20, когда ко входу радиометра 18 подключена согласованная нагрузка 19, а отношение показания блока 20, когда ко входу радиометра 18 подключена антенна. Из (21) следует, что в предлагаемом модуляционном радиометре используется всего один источник калибровочного сигнала Т_o, подаваемого на вход радиометра вместо двух, что значительно упрощает процесс калибровки радиометра.
Изобретение может быть использовано в радиоастрономии, теплолокации и измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности измерения и упрощение калибровки - достигается путем повышения стабильности баланса. Для этого в устройство введены первый 6 и второй 7 ключи, второй интегратор 11, последовательно соединенные детектор 12 экстремума, первый 13 и второй 14 двухпозиционные переключатели и переменный аттенюатор 15. При работе устройства фазовый сдвиг переменного фазовращателя 3, дрейф фазы которого при его фиксированном положении ведет к непосредственному дрейфу выходного напряжения и тем самым, к ухудшению точности измерений, меняется от 0 до 2 , на выходе квадратичного детектора 5 выделяются сигналы, соответствующие минимальным и максимальным амплитудам интерференции, и с помощью их осуществляется баланс радиометра. Прямые потери переменного фазовращателя 3 и обратные потери входного модулятора 2 учитываются при расчете калибровочных сигналов на выходе квадратичного детектора 5, что позволяет при калибровке радиометра подавать на его вход всего один калибровочный сигнал. 3 ил.