РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
621.37
Динамические свойства цифровой радиометрической системы и эффективность
ее работы
А. В. ФИЛАТОВ, А. В. УБАЙЧИН
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники,
Томск, Россия, e-mail: filsash@mail.ru
Рассмотрен цифровой радиометр модуляционного типа, основанный на нулевом методе измерений. При оптимальном выборе чувствительности и разрешающей способности измерений возможно повышение быстродействия радиометра по сравнению с аналоговой схемой модуляционного приемника.
Ключевые слова: дистанционное зондирование, микроволновый радиометр.
At optimal choice of sensitivity and measurement resolution the increase of instrument speed comparing with the analog scheme of modulation receiver becomes possible.
Key words: remote sensing, microwave radiometer.
В последние годы усилилось внимание к дистанционным исследованиям Земли и различных природных сред. Не секрет, что быстрое развитие цивилизации привело к ухудшению экологической обстановки [1]. На третьем саммите по наблюдению Земли (Брюссель, 2005 г.) принят план реализации Глобальной системы наблюдения Земли (GEOSS) в широком диапазоне электромагнитных волн, включая методы активной и пассивной локации. Установка систем на малые космические аппараты выдвигает требования не только высокой стабильности и надежности работы, но и быстродействия при построении радиотепловых портретов в реальном масштабе времени [2].
В статье рассмотрен цифровой радиометр модуляционного типа, в котором при обеспечении одинакового быстродействия с аналоговой схемой модуляционного приемника
Рис. 1. Структурная схема входного блока нулевого радиометра: 1 — антенна; 2, 3 — основной и дополнительный опорные генераторы шума; 4 — сверхвысокочастотный ключ; 5 — направленный ответвитель; 6 — модулятор; 7 — радиометрический приемник
и оптимальном выборе шага квантования измеряемой величины можно получить более высокие метрологические характеристики по чувствительности.
На рис. 1 представлена схема входного блока цифровой радиометрической системы [3, 4], в котором дополнительный опорный шумовой сигнал Тд вводится в канал антенны 1 через направленный ответвитель 5. Канал формирования сигнала Тд включает дополнительный опорный генератор шума 3 и сверхвысокочастотный ключ 4, в котором осуществляется широтно-импульсная модуляция по управляющему сигналу ишим. В модуляторе 6 по управляющему сигналу идим, следующему со скважностью два, выполняется амплитудно-импульсная модуляция сигналов Та антенны 1 и Топ основного опорного генератора шума 2 путем их попеременной подачи на вход радиометрического приемника 7.
Для данной схемы входного блока нулевого радиометра сигнал антенны определяется через длительность сигнала
и
шим
которая связана с Та по линейному закону и не зависит от коэффициента передачи измерительного тракта радиометра:
ишим = (Топ - Та) идим / Тд. (1)
Из (1) находим измеряемый сигнал антенны
Та = Топ - Тд ишим / идим. (2)
Минимальную и максимальную границы диапазона измеряемых сигналов получаем подстановкой в (2) двух крайних значений длительности ишим, равных идим и 0:
7а, min 7оп 7д' 7а, max 7оп'
(3)
Откуда динамический диапазон измерений определяется дополнительным опорным сигналом 7д:
dTa = 7а, max —7а, min = 7д'
Чувствительность радиометра зависит от сигнала Та [5], имеет наихудшее значение при Та = Топ - Тд / 2 и выражается как
АТа =
I
2 (Гп,
-Т ¡/А
и
2 dhR,
(4)
где Тш — приведенные к входу приемника собственные шумы радиометра; df — полоса принимаемых частот; т — постоянная времени синхронного фильтра низких частот, установленного в измерительном канале радиометра после квадратичного детектора; Я — число накопленных цифровых кодов за время ?и одного измерения.
В схеме радиометра (см. рис. 1) в каждом периоде амплитудно-импульсной модуляции, равном 2?дим, в процессе регулирования и поддержания нулевого равновесия происходит изменение цифрового кода — эквивалента длительности сигнала ?шим на единицу младшего разряда. За время одного измерения ?и накапливается Я кодов, которые затем усредняются. В процессе нахождения среднего значения накопленных цифровых кодов формируется один результат измерения.
В (4) опорные шумовые сигналы, собственные шумы, полоса частот и постоянная времени синхронного фильтра определяются в ходе проектирования радиометра и затем не изменяются. Следовательно, чувствительность радиометра можно изменить увеличением или уменьшением параметра Я. В соответствии с этим (4) можно записать в виде
АТа = А /л/Я,
(5)
где А =
№
-тш )2+т
2 / «/Л
2 dfт.
Разрешающая способность измерений цифровой системой, использующей данный метод, зависит от диапазона измерений dТа и шага дискретизации А? по времени. Для выбранной линейной дискретизации количество N ее шагов определяется длительностью половины периода симметричной амплитудно-импульсной модуляции: N = ?дим/А?. С таким же шагом происходит изменение длительности широт-но-импульсного сигнала при регулировании. Величина А? эквивалентна младшему разряду выходного цифрового кода. Таким образом, шаг кантования антенного сигнала по уровню, характеризующий разрешение измерений радиометра, вычисляется по формуле
АТр = dTa / N =
dTa / ^
(6)
где п — число разрядов цифрового кода.
Из изложенного следует, что параметр Я непосредственно определяет чувствительность радиометра, а от п зависит разрешение измерений. Вместе эти параметры задают время одного измерения ?и, которое, как было отмечено выше, зависит от длительности периода амплитудно-импульсной модуляции 2?дим и количества Я накопленных цифровых кодов для последующего усреднения:
?и = 2?димЯ = 2NАtR = 2п+1 А?Я.
(7)
Динамические свойства радиометра характеризуются количеством измерений в единицу времени. Быстродействие
D обратно пропорционально времени измерения. С уменьшением времени одного отсчета быстродействие системы возрастает. Как следует из (7), ?и можно уменьшить тремя параметрами: Я, п и А?, что приводит к улучшению динамических свойств системы. Но уменьшение параметра Я согласно (5) снижает чувствительность радиометра, а сокращение количества значимых разрядов п, как следует из (6), влияет на разрешающую способность измерений. Таким образом, увеличение быстродействия системы при сохранении чувствительности и разрешения измерений можно обеспечить пропорциональным уменьшением шага дискретизации А?. Оптимальным будет его минимальное значение.
минимум А? определяется скоростью нарастания сигнала в измерительном тракте при работе ключей импульсных модуляторов во входном узле радиометра. Задержка обусловлена быстродействием квадратичного детектора и усилителей низких и высоких частот. Для усилителей длительность фронтов импульсов на выходе связана с верхней ^ граничной частотой приближенной формулой ?ф = 0,35//в. Так как верхняя граничная частота высокочастотных усилителей много выше аналогичной частоты низкочастотных, основная задержка сигнала происходит в усилителях низкочастотного тракта. минимальный шаг дискретизации находят из равенства А? = 2?ф, где ?ф — длительность фронта импульсного сигнала на выходе измерительного тракта радиометра. Поэтому для минимизации А? выбирают усилители не только с минимальными собственными шумами, но и с достаточно высокой верхней частотой усиления сигналов.
После нахождения минимума А? дальнейшую оптимизацию для заданного времени измерения ?и обеспечивают соответствующим выбором чувствительности и шага квантования, т. е. определением Я и п. Вначале вводят ограничения на минимальные и максимальные значения параметра Я. минимум соответствует накоплению 20—30 цифровых кодов, необходимых для оценки среднего значения шумового сигнала. максимальное число кодов не ограничено. В соответствии с Я выбирают число п значимых разрядов цифрового кода по правилу, приведенному ниже.
Настройку радиометра начинают с определения исходных значений параметров Я и п. Начальными данными являются динамический диапазон измерений dТа, шумовая температура приемника Тш и его полоса приема df. В этом диапазоне необходимо достичь минимального порога обнаружения сигнала АТа.
Используя полученные соотношения (3), находят уровни
°п°рных сигналов Топ и Тд: Топ = Та,тах; Тд = Топ - Та,тах. Далее
из (4) получают
Я =
(Топ + Тш )2 + Т 2/8]/(с№тА72),
где постоянную времени синхронного фильтра т выбирают согласно равенству т = (40 ... 60)?дим.
Затем определяют требуемую разрядность выходного цифрового кода радиометра для обеспечения необходимой чувствительности. Количество шагов квантования сигнала антенны, которые укладываются в диапазоне измерения, находят по формуле N = dTa / АТа. Тогда количество разрядов выходного цифрового кода радиометра будет п = 1од2 N. Округлением до целого в большую сторону получают разрядность кода п.
Т а б л и ц а 1
Характеристики цифрового радиометра
т <и / 2т 2mD топт R / 2тОПТ п - (т - топт) Чувствительность Разрешение Эффективность
0 / D 0 R п Д7а Д 7 р Q
1 //2 2D 1 R/2 п ДТа Д 7 р 2/420
2 //4 4й 1 R/2 п - 1 42 ДТа 2д7р 2 Q
3 //8 8D 2 R/4 п - 1 2Д7а 2д7р 4 Q
4 //16 16й 3 R/8 п - 1 242 ДТа 2д7р 8/420
5 //32 32D 3 R/8 п - 2 242 ДТа 4Д7р 8 Q
6 //64 64D 4 R/16 п - 2 4Д7а 4Д7р 160
7 //128 128D 5 R/32 п - 2 4 ,/2 ДТа 4Д7р 32/420
8 //256 256D 5 R/32 п - 3 442 ДТа 8 Д 7 32Q
9 //512 5^ 6 R/64 п - 3 8Д7а 8Д7р 64 Q
10 //1024 1024D 7 R/128 п - 3 8 ,/2 ДТа 8Д7р 128/,/20
11 //2048 2048D 7 R/128 п - 4 8л/2 ДТа 16Д7р 128Q
12 //4096 4096D 8 R/256 п - 4 16Д7а 16Д7р 2560
После определения начальных значений R и п для повышения быстродействия радиометрической системы уменьшают время измерения /и. В цифровой системе для этой цели удобно использовать двоичный закон. Уменьшение времени измерения в 2т раз, где т — целое число, приведет к увеличению быстродействия D во столько же раз. При этом надо уменьшить либо количество накапливаемых кодов R в 2т раз, либо количество двоичных разрядов п в цифровом коде на т значений.
Введем параметр Q — эффективность работы радиометрической системы как отношение быстродействия к чувствительности радиоме
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.