научная статья по теме ДВУХКАНАЛЬНЫЙ РАДИОМЕТР С НУЛЕВЫМ МЕТОДОМ ИЗМЕРЕНИЙ Физика

Текст научной статьи на тему «ДВУХКАНАЛЬНЫЙ РАДИОМЕТР С НУЛЕВЫМ МЕТОДОМ ИЗМЕРЕНИЙ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2009, № 1, с. 90-95

_ ЭЛЕКТРОНИКА _

- И РАДИОТЕХНИКА -

УДК 621.396.9

ДВУХКАНАЛЬНЫЙ РАДИОМЕТР С НУЛЕВЫМ МЕТОДОМ

ИЗМЕРЕНИЙ

© 2009 г. А. В. Филатов, В. М. Винокуров, А. О. Мисшнас

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники Россия, 634050, Томск, просп. Ленина, 40 Поступила в редакцию 16.05.2008 г.

Описан двухканальный (с двумя приемниками) микроволновый радиометр дециметрового диапазона длин волн, в котором реализован нулевой метод измерения синхронным выполнением комбинированной импульсной модуляции - амплитудной и широтной. Формирование для каждого из каналов управляющих широтной модуляцией сигналов по специальному алгоритму уменьшает динамические ошибки слежения за изменениями сигнала антенны.

РЛС8: 07.57.-c, 07.57.Kp, 41.20.-q, 84.40.-x, 84.40.Xb, 84.90.+а

В [1-4] описаны радиометры с использованием двух видов синхронно выполняемых импульсных модуляций: амплитудной и широтной. Эти радиометры построены по одноканальным схемам, в которых по длительности импульса "подшумли-вания" ¿шис (выравнивающего сигнала) косвенно определяется измеряемый сигнал антенны Та. В радиометрах для реализации нулевого метода измерений в низкочастотном тракте используется схема исключения постоянной составляющей СИПС (фильтр верхних частот). При передаче модулированных сигналов через данную схему возникают искажения вершин импульсов (скол), что приводит к появлению нелинейности передаточной функции радиометра, которая определяется согласно соотношению

1СИПС -

Тдоп + Т а

оп + (Т

оп т а)ехр

х 1п-

СИПС

(1)

Т - Т

. _ оп а.

'тис гр 'мод •

Тдоп

(2)

Максимальная погрешность нелинейности передаточной характеристики не зависит от сигна-

лов опорных источников шума и имеет место для сигналов антенны, соответствующих середине диапазона измерения:

51

— ТСИПС 1п

шис макс ^ СИПС

+ -

СИПС

ехр

^мод | — 1

СИПС

+

(3)

ехр

СИПС

- т

СИПС

-1

где Тдоп, Топ - эффективные шумовые температуры опорных сигналов, формируемые дополнительным и основным генераторами шума соответственно; тСИПС - постоянная времени СИПС; ^од - длительность одного полупериода симметричной амплитудной модуляции.

Если в (1) тСИПС >> ¿мод, тогда между сигналом антенны и длительностью управляющего широтной модуляцией сигнала выполняется линейная зависимость:

Из (3) следует, что максимальная погрешность зависит только от соотношения величин тСИПС и ¿мод. Для частоты модуляции 1 кГц при тСИПС = 5 мс ошибка составляет 1.25%, при тСИПС = 100 мс -0.062%. Таким образом, увеличение постоянной времени приводит к улучшению линейности передаточной характеристики радиометра. Но, с другой стороны, ухудшаются динамические свойства радиометра и возникают ошибки при построении радиотепловых портретов быстроменяющихся сцен.

Значительно уменьшить ошибку нелинейности и одновременно повысить динамические характеристики радиометра при сохранении возможности работы в режиме нулевых измерений можно, применив двухканальную схему и изменив последовательность формирования широтно-им-пульсных управляющих сигналов для каждого из каналов. Построение радиометров по многоканальным схемам оправдано также тем, что флук-туационная чувствительность многоканальных систем растет пропорционально 4П, где п - число приемных каналов [5, 6].

доп

ш1

Входной блок

Рис. 1. Структурная схема двухканального радиометра нулевого метода измерений.

Структурная схема двухканального (двухпри-емникового) радиометра с комбинированной импульсной модуляцией приведена на рис. 1. В состав радиометра входят антенна А, входной блок, два идентичных измерительных канала, блок управления.

Во входном блоке радиометра происходит модуляция сигналов. К входному сигналу антенны Та в направленном ответвителе НО добавляется опорный сигнал Тдоп из канала подшумливания, состоящего из генератора шума ГШ и источника неизменного тока ИТ. Замкнутое состояние ключа Кл определяется управляющим широтно-им-пульсным сигналом ¿шис, поступающим с выхода блока управления. Второй опорный сигнал Топ в радиометре вырабатывается согласованной нагрузкой СН, температура которой равна температуре входного узла радиометра. Тракт согласованной нагрузки и антенный тракт прохождения измеряемого сигнала подключены к входам высокочастотного модулятора Мвч, имеющего конфигурацию БРБТ (двухполюсный включатель/выключатель на два направления). Согласно управляющему сигналу ¿мод, поступающему на вход управления модулятором, антенный и опорный тракты парафазно коммутируются на входы радиометрических приемников.

Измерительные каналы содержат последовательно соединенные радиометрические приемники, синхронные низкочастотные фильтры СФ1 и СФ9, схемы исключения постоянной составляю-

щей СИПС1 и СИПС2, компараторы К1 и К2. Радиометрические приемники имеют линейную передаточную характеристику и полосу принимаемых частот й/. Фильтры СФ1 и СФ2 осуществляют предварительное накопление сигналов, уменьшают флуктуационную компоненту и исключают перегрузку последующих схем, тем самым повышая помехоустойчивость работы контура слежения за нулевым балансом. Они состоят из трех од-нозвенных интегрирующих ^С-цепей, в которых резистор является общим, а постоянные составляющие модулированных входных сигналов (антенны, антенны и генератора шума, согласованной нагрузки) накапливаются на трех конденсаторах синхронным их подключением к общей точке схемы через управляемый электронный ключ. Схемы СИПС представляют собой фильтры высоких частот первого порядка (разделительная С^-цепь). Компараторы определяют полярность входного напряжения. Выходной сигнал компаратора, представленный в уровнях логических нуля и единицы, поступает на вход цифрового блока управления.

Блок управления поддерживает оба измерительных тракта в режиме нулевого баланса с использованием низкочастотного модулятора Мнч. Выходные сигналы измерительных каналов поступают на низкочастотный модулятор Мнч с конфигурацией БРБТ (однополюсный включатель/выключатель на одно направление). Управ-

Полупериоды модуляции:

первый

второй

Выход СИПС1

Выход СИПС2

и+

и_

Согласованная нагрузка

Антенна

Антенна

Согласованная нагрузка

Рис. 2. Временные диаграммы, поясняющие принцип функционирования радиометра.

г

мод

г

г

шис

г

т + т + т

1 а ^ ± до^^

т + т

1 оп т 1 ]

ш

г

т + т

аш

ление низкочастотным модулятором, как и высокочастотным, происходит по сигналу ¿мод.

Принцип работы радиометра поясняют приведенные на рис. 2 временные диаграммы, на которых представлены управляющие модуляцией сигналы и сигналы измерительных каналов на выходах схем СИПС, когда в радиометре установлен нулевой баланс. Сигнал управления модуляторами Мвч и Мнч представляет собой последовательность прямоугольных импульсов, следующих со скважностью, равной двум. Один период модуляции состоит из двух равных полупериодов с длительностями ¿мод. В первом полупериоде, когда сигнал ¿мод имеет низкий уровень, входы Мвч ском-мутированы так, что сигнал согласованной нагрузки поступает на вход первого измерительного канала (первого радиометрического приемника на схеме рис. 1), сигнал антенны - на вход второго измерительного канала.

Во втором полупериоде модуляции, когда сигнал ¿мод имеет высокий уровень, в модуляторе Мвч к приемнику первого канала подключается тракт антенны, к приемнику второго канала - тракт согласованной нагрузки. В каждом полупериоде модуляции блоком управления вырабатывается ши-ротно-импульсный сигнал длительностью ¿шис.

Как было показано выше, для увеличения быстродействия радиометра без существенного увеличения погрешности нелинейности в радиометре реализована широтная модуляция по алгоритму: управляющие сигналы ¿шис для первого канала включают канал опорного подшумливания в начале второго полупериода симметричной импульсной модуляции, для второго канала - в конце первого полупериода. Поэтому на временной диаграмме рис. 2 импульсы ¿шис примыкают друг к другу.

В этом случае погрешности нелинейности передаточной характеристики каждого канала имеют разные знаки, но близкие по модулю значения. Результирующее значение длительности ¿шис радиометра, через которую определяется сигнал антенны, находится сложением двух длительностей управления каждым каналом в отдельности, с делением суммы на два (определение среднего).

В результате синхронной работы обоих модуляторов - высокочастотного и низкочастотного - на вход блока управления поочередно пропускаются сигналы с выходов компараторов в тот момент времени, когда они анализируют сигнал согласованной нагрузки, который на выходе первого измерительного канала появляется в первом полупериоде

модуляции, на выходе второго канала - во втором полупериоде модуляции.

В радиометре осуществляется автоматическое слежение за нулевым балансом в измерительных каналах. Необходимым условием нулевого приема является поддержание в обоих каналах нулевого напряжения на входах компараторов во время фазы прохождения по измерительному тракту сигнала согласованной нагрузки. Нулевой баланс регулируется соответствующим изменением длительности широтно-импульсного сигнала ¿шис.

Действительно, так как выходные сигналы каналов имеют периодический характер и в этих сигналах исключена постоянная составляющая схемой СИПС, то для каждого периода выполняется равенство вольт-секундных площадей положительного и отрицательного импульсов. Так как в полупериод модуляции с подключенной согласованной нагрузкой напряжения на входах компараторов равны нулю, равенство вольт-секундных площадей импульсов достигается в другой полупериод модуляции, когда на входы приемников подключена антенна.

Для первого канала, согласно рис. 2, на выходе СИПСх при установленном нулевом балансе имеет место равенство

и + ^шис

и-( ^мод ^шис ) '

(4)

в котором и+ и и- - амплитуды положительного и отрицательного импульсов соответственно равны и+ = Охkdfх[(Ta + Тдоп + Гшх) - (Топ + Тшх)] = = вм^т + ТдоП - ТоП), и- = ОМШТоп+Тшх) - (Та + + Тшх)] = О^/^Топ - Та), где Ох - коэффициент пропорциональности между входными сигналами Та, Тдоп, Топ и напряжениями и+, и- на вых

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.

Показать целиком