РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
621.37
Быстродействующий микроволновый радиометр с высокой абсолютной точностью измерений
А. В. ФИЛАТОВ
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, Томск,
Россия, e-mail: filsash@mail.ru
Описана схема микроволнового радиометра на основе модификации метода нулевых измерений с высокими динамическими характеристиками. Использование одного генератора шума для формирования двух опорных величин снижает погрешность измерений от изменения выходной мощности генератора и упрощает процесс калибровки при настройке радиометра на заданный диапазон измерений.
Ключевые слова: микроволновый радиометр, нулевой метод измерений.
The circuit of a microwave radiometer based on the modification of zero measurements method with high characteristics is described. The use of one noise generator for formation of two calibrating quantities reduces an error of measurements from change of generator output power and simplifies the calibration process at radiometer setup on the given measurement range.
Key words: microwave radiometer, zero method of measurement.
Как известно, в измерительных приборах для формирования передаточной функции используют две опорные величины, первая из которых определяет смещение характеристики преобразования (шумовой сигнал антенны — выходное напряжение), вторая — ее наклон [1]. В устройствах микроволновой радиометрии, построенных по модуляционным схемам с использованием метода дифференциальных измерений [2], смещение передаточной характеристики обеспечивает шумовой опорный источник, находящийся во входном узле перед модулятором. Наклон этой характеристики (ее крутизна) зависит от коэффициента передачи измерительного тракта модуляционного радиометра. То же отмечается и у других типов радиометров — компенсационных, корреляционных, балансных, в которых полный коэффициент передачи измерительного тракта выполняет роль опорной величины. В этом случае дрейф и флуктуации коэффициента усиления влияют на точность измерений.
Изменения коэффициента усиления — трудно контролируемый источник погрешности. Флуктуации усиления больше проявляются около нулевой частоты, и их спектральная плотность быстро убывает с ростом частоты f по закону, близкому к фликер-шуму [3], т. е. пропорционально /-25. Для повышения точности с целью снижения влияния медленных флуктуаций коэффициента усиления, рационально увеличивать время накопления сигнала и, следовательно, время измерения. При достаточно больших интервалах времени измерения влияние медленных флуктуаций коэффициента усиления на интервале корреляции их суммарного воздействия на различных частотах существенно уменьшается. Поэтому в известных радиометрических схемах сокращение времени измерения значительно ослабляет флуктуацион-ную чувствительность радиометров.
Развитие техники радиофизических исследований природных сред для задач спутникового мониторинга растительного покрова, исследований глобального изменения биосферы и т. д. стимулирует работы по созданию приемных систем, обладающих не только высокой абсолютной точностью измерений, но и быстродействием. В [4, 5] приведены
схемы радиометров на основе модификации метода нулевых измерений. Первое их достоинство состоит в том, что опорные источники шумового сигнала, определяющие смещение и наклон передаточной характеристики, сосредоточены в локальном объеме входного узла, в котором осуществляется их импульсная модуляция совместно с сигналом антенны. Опорные источники имеют малые размеры и их проще термостатировать. Из пассивных источников широко применяют согласованные нагрузки, из активных — лавин-но-пролетные диоды, диоды Ганна, транзисторы. Второе достоинство нулевого метода измерений заключается в минимальном (теоретически равном нулю) влиянии на точность измерений дрейфа и медленных флуктуаций коэффициента передачи измерительного тракта. В результате появляется возможность выполнять измерения на коротких интервалах с меньшим временем накопления сигнала при сохранении достаточной чувствительности. В [6] рассмотрены методы и алгоритмы повышения динамических свойств нулевых модифицированных радиометров с цифровым выходом.
В данной статье описана схема модифицированного радиометра на основе метода нулевых измерений с высокими динамическими характеристиками по времени измерения, содержащая один активный генератор шума для формирования двух опорных величин. Это снижает погрешность измерений от изменения выходной мощности генератора и упрощает процесс калибровки при настройке радиометра на заданный диапазон измерений.
Структурная схема радиометра приведена на рис. 1. Она состоит из антенны 1, входного термостатированного блока, измерительного канала, микроконтроллера 13. Во входном блоке радиометра установлены модуляторы 2, 8, в которых по сигналам ?ШИМ и ?ДИМ микроконтроллера выполняются два вида импульсных модуляций — широтная (ШИМ) и амплитудная (ДИМ). Опорные сигналы 7оп1, 7оп2, определяющие смещение и наклон передаточной характеристики в радиометре, вырабатываются общим источником — полупроводниковым генератором шума 3 с применением лавинно-про-летного диода, через активную зону которого протекает элек-
' оп2
7ГШ а2 + 7"0'
(2)
Рис. 1. Структурная схема модифицированного нулевого радиометра с использованием импульсных, амплитудной и широтной модуляций: 1 — антенна; 2, 8 — модуляторы; 3 — генератор шума; 4 — источник тока; 5, 7 — аттенюаторы; 6 — направленный ответвитель; 9 — радиометрический прием-
ник; 10, 11 — фильтры низких и высоких частот, соответственно;
ратор; 13 — микроконтроллер
12
трический ток от источника 4. Шумовой сигнал 7оп1 поступает в тракт антенны через направленный ответвитель 6, регулируемый аттенюатор 5, и ослабляется:
оп1
7"гш «11,
(1)
где 7ГШ — шумовая температура выходного сигнала генератора шума 3; а1 — коэффициент пропускания аттенюатора 5, равный единице, если сигнал проходит через него без ослабления, и нулю в случае полного поглощения сигнала; I — коэффициент передачи направленного ответвителя 6.
Второй шумовой сигнал 7оп2 поступает на вход амплитудного модулятора 8 через регулируемый аттенюатор 7 с коэффициентом пропускания а2:
где Т0 — термодинамическая температура аттенюатора, равная температуре входного блока.
Регулировка аттенюаторов 5, 7 осуществляется в процессе калибровки радиометра. С выхода модулятора 8 последовательность сигналов поступает на вход радиометрического приемника 9, собранного по схеме прямого усиления с квадратичным детектированием сигналов и усилением по высокой (ВЧ) и низкой (НЧ) частотам с полосой приема df. Далее сигналы проходят на управляемый от микроконтроллера синхронный фильтр НЧ 10, фильтр ВЧ 11 и компаратор 12, определяющий полярность входного напряжения.
Принцип работы радиометра поясняют временные диаграммы на рис. 2. Управляющие сигналы ?дим представляют периодическую последовательность прямоугольных импульсов со скважностью, равной двум, при этом полный период делится на два полупериода равной длительности. В первом полупериоде на вход измерительного канала поступает сигнал антенны 7а и дополнительно модулированный по сигналу ?Шим опорный сигнал 7оп1, во втором — опорный сигнал 7оп2. На рис. 2 также приведена временная диаграмма сигналов ик на входе компаратора радиометра для установленного нулевого баланса. В этом случае напряжение на входе компаратора во втором полупериоде модуляции равно нулю. Данное условие (индикатор баланса) достигается изменением длительности широтно-импульсного сигнала. Тогда для одного периода ДИМ выполняется равенство вольт-секундных площадей положительного и отрицательного импульсов:
компа-
где и+, и- -импульсов,
и+ ^ШИМ и- (^ДИМ ^ШИМ)' (3)
амплитуды положительного и отрицательного
и+ = ^ [(Та + Топ1
+ 7ш) - (7оп2 + 7ш)] = Gkdf (7
+ 7 ,
а оп1
-7
оп2
и- = Gkdf [(ТоП2 + 7ш) - (7а + 7ш)] = Gkdf (7оП2 -7а
Рис. 2. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы нулевого модифицированного радиометра
G — коэффициент пропорциональности между входными сигналами 7а, Топ1, Топ2 и напряжениями на выходе фильтра ВЧ, в который входит произведение коэффициентов усиления по высокой и низкой частотам и коэффициента передачи квадратичного детектора; к — постоянная Больцмана; 7ш — эффективная температура собственных шумов измерительного канала радиометра, приведенная к входу приемника. Подставив и+ и и- в (3) получим
Gkdf (Та
Откуда
+ Т
оп1
7оп2)
оп2' 'ШИМ
Gkdf (Т
оп2
7а) С,
ДИМ
^ШИМ)'
^ШИМ (Топ2 7а) ^ДИМ/7оп1'
(4)
Из (4) следует линейная зависимость длительности I
ШИМ
и входного сигнала антенны 7а, т. е. можно косвенным образом определить сигнал антенны. Также из (4) следует, что на ?ШИМ не влияют дрейф и медленные флуктуации собственных шумов 7ш и коэффициента G передачи измерительного тракта радиометра. Устранение влияния этих двух основных дестабилизирующих факторов указывает на то, что радиометр работает по принципу нулевых измерений.
Из (4) определяем антенную шумовую температуру
оп2 '
Топ1 ¿ШИМ '^АИМ-
(5)
Подстановкой в (5) соответствующих длительностей ?ШИМ, ?ДИМ получаем границы диапазона измерений — максимальный и минимальный сигналы антенны:
Топ2' Ta min "
оп2
оп1'
(6)
' Ta min ^"оп1"
следовательно, диапазон измерений Ta = Ta r
Границы измерений настраивают изменением поглощения сигналов в аттенюаторах 5, 7 в процессе калибровки. Калибровка осуществляется в два этапа. На первом этапе ко входу радиометра вместо антенны подключают эталон с шумовой температурой Тэт max, определяющий верхнюю границу диапазона измерений; сигнал Топ1 не вырабатывается, tmklM = 0. Сигнал Топ2 регулируют изменением коэффициента пропускания аттенюатора 7. Этап калибровки завершается, когда напряжение на входе компаратора во втором полупериоде АИМ становится равным нулю. При выполнении этого условия Тэт max = Та max = Топ2.
Второй этап калибровки начинается с подключения на вход радиометра эталона с низкой шумовой температурой
= ^АИМ- Аттенюатором 5 регулируют сигнал Топ1. Как
ШИМ 'АИМ
ний: f[
и на первом этапе, настройка радиометра на нижнюю г
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.