621.396.9
Микроволновый нулевой радиометр
V V
с комбинированной импульсной
модуляцией
А. В. ФИЛАТОВ, Н. А. КАРАТАЕВА, В. Д. ДМИТРИЕВ
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники,
e-mail: filsash@mail.ru
Описан микроволновый модуляционный радиометр, в котором реализована модификация метода нулевого приема. Разработаны два входных блока, позволяющих измерять сигналы антенны в различных диапазонах изменения, и проведен анализ их флуктуационной чувствительности.
Ключевые слова: пассивная радиолокация, микроволновый радиометр, дистанционное зондирование.
Microwave modulation radiometer realizing modification method zero receiving is described. Two input blocs for measurement of antenna signals in different range change are developed. Operation analysis of fluctuating sensitivity is carried out.
Key words: passive radiolocation, microwave radiometer, remote sensing.
В настоящее время ни одно крупное исследование Земли не обходится без использования пассивных и активных радиофизических приборов [1, 2]. Высокая информативность микроволновых методов побуждает значительное количество различных специалистов — метеорологов, геофизиков, океанологов, геологов, почвоведов — активно включаться в процесс усвоения дистанционной микроволновой информации. При разработке современных радиометрических систем, предназначенных для дистанционного зондирования (мониторирования) природных объектов в условиях изменения параметров окружающей среды в широких пределах, необходимо не только обеспечить требуемую точность, но и минимизировать массогабаритные характеристики и стоимость. Это требует применения новых структурных построений радиометрических систем, которые снижают влияние дестабилизирующих факторов на достоверность результатов.
В данной статье рассмотрен новый тип микроволнового модуляционного радиометра, в котором для установки и автоматического поддержания в измерительном тракте нулевого равновесия использована комбинированная импульсная модуляция. Структурная схема такого радиометра показана на рис. 1. Входной блок 2 и приемник 3 определяют основные характеристики радиометра: диапазон измерений, флуктуационную чувствительность.
Промодулированные во входном блоке сигналы усиливаются по высокой и низкой частотам и детектируются по квадратичному закону в приемнике, который характеризуется высокой чувствительностью и широкой полосой частот 100—200 МГц [3]. Выбор типа приемника зависит от длин волн принимаемых сигналов и задач исследований. В блоке низкочастотной обработки фильтр 5 работает синхронно с выходными сигналами блока управления 8 и осуществляет предварительную фильтрацию и накопление постоянной составляющей сигналов, которую затем исключает фильтр 6. В компараторе 7 сигнал сравнивается с нулевым уровнем.
Блок управления функционирует как система со следящей обратной связью по алгоритму, который обеспечивает нулевой метод измерений.
Для измерения сигналов в различных диапазонах изменения в радиометре имеются два входных устройства, структурные схемы которых приведены на рис. 2. Каждая схема содержит два шумовых источника, вырабатывающих опорные сигналы: опорный генератор шума 2, сигнал на выходе которого в единицах эквивалентной шумовой температуры равен Топ, и дополнительный опорный генератор шума 3, образующий вместе с СВЧ-ключом 4 канал опорного «под-шумливания». Дополнительный опорный сигнал Тдоп вводится в антенный или опорный тракты через направленный от-ветвитель 5. Модулятор 6 попеременно подключает на вход приемника 7 либо сигнал Та антенны, либо сигнал Топ.
Во входном блоке, выполненном по схеме на рис. 2, а, сигнал Тдоп поступает в тракт антенны, так как во всем диа-
Рис. 1. Обобщенная структурная схема нулевого модифицированного радиометра: 1 — антенна; 2 — входной блок; 3 — радиометрический приемник; 4 — блок низкочастотной (НЧ) обработки сигналов; 5 — синхронный аналоговый НЧ-фильтр; 6 — фильтр верхних частот; 7 — компаратор; 8 — блок управления
ние во втором полупериоде модуляции равно нулю и временная ось проходит через сигнал с уровнем Топ, то для вольт-секундных площадей импульсов в первом полупериоде модуляции выполняется равенство = S2(f). Так как вольт-секундная площадь положительного импульса = и+?шир и отрицательного S2(f) = и_(?мод - 'шир), следует очевидное равенство
и+'шир '
' ^шир).
(1)
а б
Рис. 2. Структурные схемы входных приемных блоков нулевого модифицированного радиометра с направленными ответвителями: 1 — антенна; 2, 3 — основной и дополнительный опорные генераторы шума; 4 — СВЧ-ключ; 5 — направленный ответвитель; 6 — модулятор; 7 — приемник
пазоне измерения выполняется условие Та < Топ
го блока, изображенного на рис. 2, б, во
Тдоп прибавляется к сигналу опорного тракта.
Амплитуда положительного импульса прямо пропорциональна разности сигналов Та + Тдоп - Топ и определяется из выражения [4]:
= ^ (Та + Тдоп - ТД (2)
где G — полный коэффициент передачи всего измерительного тракта радиометра, включающий коэффициенты усиления по высокой и низкой частотам и коэффициент передачи квадратичного детектора; к — постоянная Больцмана; Лf — полоса частот приемника, в которой измеряются сигналы. Аналогично для отрицательного импульса
. Для друго-всем диапазоне
Во входных блоках модуляция сигналов осуществляется по импульсному закону, один период которой показан на рис. 3. Сигналы Та и Топ по управляющему сигналу 'мод с блока управления подвергаются симметричной импульсной модуляции со скважностью два, как в обычном модуляционном радиометре. Эти сигналы также содержат приведенные ко входу постоянно действующие собственные шумы приемника, которые характеризуются эффективной температу-
р°й Тш .
В первом полупериоде модуляции в антенный или опорный тракты входных узлов радиометра (как было отмечено, это зависит от диапазона измеряемых сигналов) через направленный ответвитель синхронно с управляющим сигналом ?шир от блока управления поступает дополнительный опорный сигнал неизменной амплитуды, но переменной длительности. В результате для входного блока, изображенного на рис. 2, а, шумовая температура антенного тракта на входе модулятора увеличивается до Та + Тдоп, а для входного блока по схеме на рис. 2, б сигнал опорного тракта возрастает до Топ + Тдоп.
Нулевое равновесие достигается регулировкой длительности широтно-импульсного сигнала 'шир и состоит в равенстве энергий сигналов, поступающих на вход приемника в разные полупериоды симметричной модуляции. Предложенный принцип позволяет судить о равенстве энергий из сравнения изображенных на рис. 3 вольт-секундных площадей положительного и отрицательного S2(f) импульсов на выходе фильтра верхних частот низкочастотного блока обработки сигналов. В качестве примера рассмотрим применение входного узла по схеме на рис. 2, а и определим передаточную характеристику радиометра. Как следует из временной диаграммы, амплитуды импульсов на входе компаратора низкочастотного тракта пропорциональны разностям сигналов на входе приемника Топ - Та и Та + Тдоп - Топ. Если для модулированной периодической последовательности сигналов выполнить условие, согласно которому напряже-
= GkЛf (Топ - Та).
Подставив (2) и (3) в (1), получим
^ (Та + Тдоп - Топ ) 'шир = ^ (Топ - Та ) ('мод - 'шир )
(3)
мод шир
откуда найдем
'мод (Топ - Та ) 1 Т
шир мод оп
доп
(4)
Формула (4) является математической моделью реализации комбинированной импульсной модуляции, которая обеспечивает работу радиометра в режиме нулевого приема. Из нее следует важное свойство: сигнал антенны можно определить не прямым методом, а косвенно через длительность импульсного «подшумливания», выравнивающего энергии шумовых сигналов на входе приемника в симметричные полупериоды модуляции, без преобразования сиг-
Пеоиод модуляции
Рис. 3. Временная диаграмма сигналов на выходе приемника нулевого радиометра, поясняющая принцип модификации метода нулевых измерений
/а > Топ и, следовательно, дополнительный опорный сигнал
оп
налов в низкочастотном тракте. В (4) не входит коэффициент передачи G всего измерительного тракта, что свидетельствует о нулевом методе работы радиометра. Из (4) находим сигнал антенны
Та Топ Тдоп ^шир ! ^мод.
(5)
Выполнив аналогичный анализ для радиометра с входным блоком, показанным на рис. 2, б, получим
^шир ^мод (Та Топ) ^ Тд
доп' Та Топ + Тдоп ^шир ^ ^мод.
Длительность широтно-импульсного сигнала ?шир регулируется блоком управления после анализа выходного сигнала компаратора. Последний используется как сигнал обратной связи. Результатом функционирования контура слежения является установка и поддержание на входе компаратора нулевого напряжения во втором полупериоде модуляции.
Следящий режим работы блока управления обеспечивается в реальном масштабе времени. В каждом периоде модуляции в блоке управления формируется цифровой код сигнала антенны и передается на динамический интегратор для дальнейшего накопления сигнала. Динамический интегратор осуществляет прием цифровых кодов, их арифметическое суммирование и последующее усреднение за заданный интервал времени с получением одного результата измерения.
Флуктуационная чувствительность радиометра с входным блоком, собранным по схеме рис. 2, а, выражается как
А Та =
^Топ (Топ + Тдоп + 4Тш) + 2Тш Та (Та
Т - 2 Т
' доп 21 оп
) /
(6)
где т — постоянная времени синхронного фильтра низкочастотного тракта; R — число накопленных в динамическом интеграторе блока управления цифровых кодов сигнала антенны за время одного измерения.
Из (6) следует, что чувствительность зависит от конкретного измеряемого сигнала антенны Та, который согласно (5) может изменяться от Топ - Тдоп до Топ при изменении длительности ?шир от ?мод до нуля. Зависимость флуктуационной чувствительности от сигнала антенны отмечалась в [5]. Однако в настоящей работе авторы рассматривали случай большого антенного сигнала, когда он сравним с собственными шумами радиометра. Благодаря созданию современных сверхмалошумящих усилителей с уровнями собственных шумов в десятки кельвина [6] значительно снизились собственные
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.