621.37
Двухприемниковый микроволновый радиометр с высокой линейностью передаточной
характеристики
А. В. ФИЛАТОВ, А. В. УБАЙЧИН, А. А. БОМБИЗОВ
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, Томск,
Россия, e-mail: filsash@mail.ru
Описан микроволновый радиометр с двумя приемниками, в котором повышены чувствительность и стабильность преобразований благодаря использованию нулевого метода измерения. Принцип работы заключается в синхронном выполнении двух видов импульсной модуляции — амплитудной и широтной. Формирование сигналов, управляющих широтной модуляцией по специальному алгоритму для каждого приемника, улучшает линейность передаточной характеристики радиометра.
Ключевые слова: микроволновый радиометр, нулевой метод измерения.
The microwave radiometer with two receivers and increased sensitivity and stability of conversions due to the use of zero method of measurement is describied. The operation principle consists in synchronous execution of two types of pulse modulation — amplitude and width. The formation for each of receivers signals controlling the width modulation by special algorithm improves the linearity of radiometer transmissions characteristics.
Key words: microwave radiometer, zero method of measurement.
В последнее десятилетие бурно развиваются исследования окружающей среды радиофизическими методами [1]. Высокая информативность микроволновых методов вызывает необходимость создания все более совершенной аппаратуры для проведения этих исследований. Как правило, радиометры функционируют в сложных климатических условиях, что определяет высокие требования к их надежности, стабильности характеристик в сочетании с высокой чувствительностью. В данной статье описан двухприемниковый радиометр с использованием комбинации двух видов импульсной модуляции — амплитудной и широтной, в котором выполняется авторегулирование нулевого равновесия.
На рис. 1 приведена структурная схема радиометра, содержащая антенну 1, входной блок 2, два приемника 9 и 13, цифровой блок управления 18. Во входном блоке радиометра выполняется импульсная модуляция сигналов. Выходной сигнал антенны с эффективной шумовой температурой Та поступает в высокочастотный модулятор 7 через направленный ответвитель 3, в котором к сигналу антенны добавляется первый опорный сигнал с шумовой температурой Тд. Он вырабатывается в канале «подшумливания», образованном полупроводниковым генератором шума 6 на лавинно-пролетном диоде, аттенюатором 5, в котором сигнал ослабляется до необходимого уровня (настройка проводится при калибровке), и сверхвысокочастотным (СВЧ) ключом 4. В последнем происходит широтно-импульсная модуляция (ШИМ) сигнала генератора шума по управляющему сигналу ?ШИМ, который поступает на модулятор с блока управления 18. Второй опорный сигнал с
эффективной температурой Топ вырабатывается согласованной нагрузкой 8, находящейся при температуре входного узла радиометра.
Тракты согласованной нагрузки и антенны подсоединены ко входам высокочастотного модулятора 7, осуществля-
Рис. 1. Структурная схема двухприемникового радиометра с нулевым методом измерений:
1 — антенна; 2 — входной блок; 3 — ответвитель; 4 — ключ; 5 — аттенюатор; 6 — генератор шума; 7, 17 — высоко- и низкочастотные модуляторы; 8 — согласованная нагрузка; 9, 13 — приемники; 10, 14 — фильтры низких частот; 11, 15 — фильтры высоких частот; 12, 16 — компараторы; 18 — цифровой блок управления; Тш1, Тш2 — приведенные ко входу собственные шумовые температуры при-
конденсаторах синхронным подключением к общей точке схемы через управляемый электронный ключ.
Принцип работы радиометра поясняют временные диаграммы, приведенные на рис. 2 для случая нулевого равновесия. В радиометре реализована модификация метода нулевых измерений [2], согласно которой нулевое равновесие двух измерительных трактов радиометра достигается изменением длительности сигнала ¿шим. Так как в схеме радиометра перед компараторами постоянная составляющая исключается в ФВЧ, изменение длительности ¿шим приводит к сдвигу вверх или вниз периодической модулированной последовательности сигналов относительно нулевой оси времени. Индикатором нулевого равновесия для данной модификации метода служит отсутствие напряжения на входе компараторов в полупериод АИМ при подключении согласованной нагрузки 8 к приемникам 9, 13. Это состояние фиксируют компараторы, работающие в режиме нуль-органа, на один вход которых поступают сигналы с исключенной в них постоянной составляющей, а другой вход соединен с общей точкой схемы. Изменением длительности ШИМ-сигналов происходит выравнивание на входе компараторов вольт-секундных площадей положительных и отрицательных импульсов. В этом случае передаточная характеристика радиометра имеет вид [3]:
Рис. 2. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы двухприем-никового нулевого радиометра
и
шим
= I
АИМ
(?оп - Та)/Тд.
(1)
ющего их подключение к двум радиометрическим приемникам 9 и 13 с одинаковыми диапазонами частот принимаемых сигналов. Синхронным переключением ключей высокочастотного 7 и низкочастотного 17 модуляторов по импульсному сигналу ¿АИМ, следующему со скважностью два, в радиометре осуществляется импульсная амплитудная модуляция (АИМ). Модулятор 7 имеет конфигурацию «два входа — два выхода». В зависимости от управляющего сигнала tАИМ антенный или опорный тракты поочередно коммутируются на входы радиометрических приемников (каналы работают параллельно). С выхода приемников модулированная последовательность сигналов поступает на синхронные фильтры низких частот (ФНЧ) 10 и 14, фильтры высоких частот (ФВЧ) 11 и 15, компараторы 12 и 16, определяющие полярность. Блок управления 18 поддерживает оба измерительных тракта в режиме нулевого равновесия и анализирует выходные сигналы компараторов. На его выходе вырабатывается цифровой код Мвых измеряемого сигнала антенны, который поступает на динамический интегратор для накопления и усреднения.
Сигналы блока управления также служат для работы низкочастотных синхронных фильтров 10, 14, которые состоят из трех однозвенных интегрирующих ЯС-цепей и имеют общий резистор. Постоянные составляющие трех модулируемых входных сигналов (антенны, антенны и опорного генератора шума, согласованной нагрузки) накапливаются на трех
Как следует из (1), сигнал антенны с шумовой температурой Та определяется через длительность сигнала ^ИМ, и на измерения не влияют изменения коэффициентов передачи приемников и их собственные шумы.
Так как выходным сигналом блока управления является цифровой код длительности ШИМ-сигнала, в (1) выполнен переход от длительностей к их цифровым эквивалентам:
^вых = (Чтах + 1) (Топ " Т^Тт (2)
где Мтах — цифровой код с единицами во всех разрядах.
На запаздывание в контуре регулирования длительности сигнала ^ИМ оказывает влияние постоянная времени тфвч ФВЧ 11, 15 (см. рис. 1). Для нее данная схема является интегрирующим звеном, и поэтому накопление происходит с некоторой инерционностью. Улучшение динамических свойств радиометра, увеличение его быстродействия связаны со скоростью отработки изменений сигнала антенны контуром автоматического регулирования нулевого равновесия. Для этого постоянную времени ФВЧ необходимо уменьшать. В радиометре с одним приемником это приведет к повышению погрешности нелинейности характеристики преобразования [3], а если длительность тфвч сравнима с полупериодом амплитудной модуляции ^ИМ, то длительность ^ИМ определяется следующим соотношением [4]:
^ИМ = ТФВЧ 1п {[Тд + Та - Топ + (Топ " Та) ехр (ВД / Т^ (3)
где ^ = ^ИМ /тФВЧ ■
Отклонение характеристик от прямой линии тем больше, чем меньше постоянная времени тфВЧ . Если эту постоянную времени выбрать много больше длительности полупериода АИМ, то получим (1).
Для двухприемниковой схемы в случае одновременной обработки сигналов обоих приемников возможно значительное уменьшение погрешности нелинейности при сохранении высоких динамических характеристик радиометра. Для этого изменяется вид модулирующей функции по управлению временем появления ШИМ-сигнала. Для первого приемника сигналы *
ШИМ
следуют в начале второго полупериода амплитудной модуляции, для второго — в конце первого полупериода (на рис. 2 обозначены как *ШИМ+ и *ШИМ- соответственно). В этом случае погрешности нелинейности передаточных характеристик приемников имеют разные знаки, но близкие по модулю значения. Вычисление среднего позволяет повысить линейность характеристики преобразования радиометра при больших погрешностях нелинейности отдельных приемников
ШИМ
+ и
ШИМ
1п
ШИМ - '
(Т д + Т а -Т оп )ехр(Л) + (То
(Тд + Т а ' оп )ехр(Л)+ ' оп Т
)ехр(2Ь)^
(4)
На рис. 3, а приведена графическая иллюстрация рассчитанных по (4) передаточных характеристик двухприем-никового радиометра (кривые 1 — 5) для различных тфВЧ, построенных для диапазона измерения 50 — 350 К и длительности полупериода ШИМ 500 мкс. Из графиков следует, что характеристики близки к линейным и слабо зависят от постоянной времени фильтров. На этом же рисунке пунктиром показана построенная с использованием (3) передаточная характеристика одного приемника радиометра при тфВЧ = 0,25 мс. Погрешность нелинейности преобразования значительно снижается (кривая 6), если с данной постоянной времени происходит одновременная работа двух приемников и совместная обработка выходных сигналов по описанному выше алгоритму.
Погрешность нелинейности передаточной характеристики двухприемникового радиометра определяется выражением
Рис. 3. Передаточные характеристики (а) и их погрешности нелинейности (б) двухприемникового радиометра при постоянных времени фильтров высоких частот тфВЧ = 10; 5; 2,5; 1; 0,5; 0,25 мс — соответственно кривые 1 — 6
ванием выражения (5) по Та и приравниванием производной к нулю:
Та1 = Топ + Тд (А - 1) 1 2; Та2 = Топ + Тд (А + 1) 1 2
(6)
где А -
ехр(Л)+1 ехр(Л) -
1F
2Тфвч [ехр (Ь) - 1] * АИМ [ехр (Ь) +1]
Я,
тФВЧ , ((Тд +Та -Топ)ехр(Л)+(То
ШИМ
1п
(Т д+Т а ' оп
)ехр(Л)+
' оп Т
Та)ехр(2Ь)
Топ Та х
Тд '
АИМ .
(5)
На рис. 3, б приведены кривые, характеризующи
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.