научная статья по теме МНОГОПРИЕМНИКОВЫЙ НУЛЕВОЙ МИКРОВОЛНОВЫЙ РАДИОМЕТР С ОПЕРАТИВНОЙ РЕГУЛИРОВКОЙ ДИАПАЗОНА ИЗМЕРЕНИЯ Физика

Текст научной статьи на тему «МНОГОПРИЕМНИКОВЫЙ НУЛЕВОЙ МИКРОВОЛНОВЫЙ РАДИОМЕТР С ОПЕРАТИВНОЙ РЕГУЛИРОВКОЙ ДИАПАЗОНА ИЗМЕРЕНИЯ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 3, с. 67-73

^ ЭЛЕКТРОНИКА

И РАДИОТЕХНИКА

УДК 621.396.9

МНОГОПРИЕМНИКОВЫЙ НУЛЕВОЙ МИКРОВОЛНОВЫЙ РАДИОМЕТР С ОПЕРАТИВНОЙ РЕГУЛИРОВКОЙ ДИАПАЗОНА ИЗМЕРЕНИЯ © 2014 г. А. В. Филатов

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники Россия, 634050, Томск, просп. Ленина, 40 E-mail: filsash@mail.ru Поступила в редакцию 26.08.2013 г.

Описан многоприемниковый нулевой радиометр, в который введены функции по оперативной настройке на различные диапазоны измерений с учетом неидеальностей входящих во входной блок с.в.ч.-элементов. Рассмотрен простой алгоритм калибровочного процесса радиометра, выполняемый одновременно по всем приемникам в автоматическом режиме под управлением микроконтроллера. Получено соотношение, связывающее антенный измеряемый сигнал с длительностью импульса, управляющего широтной модуляцией.

DOI: 10.7868/S0032816214030069

В настоящее время одними из основных задач современной непилотируемой космонавтики являются дистанционные исследования Земли, проводимые с целью прогноза изменений климата, своевременного обнаружения катастроф природного и техногенного характера и т.д. [1, 2]. В данных исследованиях важная роль отведена динамическому картированию изображений радиотепловых полей поверхности Земли в различных спектральных диапазонах. В исследованиях природных сред на очереди изучение более тонких эффектов и сложных состояний, что требует повышения точности измерений, повышения чувствительности и надежности радиометрической аппаратуры.

Одним из путей создания чувствительных микроволновых радиометрических систем является построение радиометров по многоприемни-ковым схемам (измерение сигнала антенны одинаковыми приемниками в одном спектральном диапазоне). В радиометрах с несколькими приемными каналами в основном используется модуляционный метод дифференциальных измерений с использованием принципа временного разделения при подключении к антенне [3].

При этом, как известно, на работу модуляционного радиометра значительное влияние оказывают флуктуации и дрейф коэффициента усиления измерительного тракта вблизи нулевой частоты, которые дополнительно модулируют амплитуду измеряемой разности антенного и опорного шумовых сигналов и в итоге понижают точность измерений, их повторяемость [4]. Нет смысла увеличивать количество приемников, если стабиль-

ность измерений отдельного приемника низкая и тем самым она не дает реализовать повышение чувствительности. Из-за большого влияния дестабилизирующих факторов в модуляционной схеме принципиально нельзя получить малые времена измерения сигнала антенны. Улучшение динамических свойств, сокращение времени измерения в модуляционной схеме неизбежно приводит к ухудшению чувствительности.

В [5] рассмотрены радиометры с одним приемным каналом, в основе работы которых используется модификация метода нулевого приема, минимизирующая влияние изменений коэффициента усиления (флуктуации и дрейф) на точность измерений. В [6] приведена схема четырехприем-никового радиометра, использующая данную модификацию метода. Показано, что применение только четырех каналов позволяет достигнуть потенциальную (идеальную, без учета влияния дрейфа коэффициента передачи и изменений постоянной составляющей собственных шумов) чувствительность компенсационного радиометра (радиометра полной мощности).

Применение многоприемниковой схемы позволяет уменьшить влияние на точность измерений ослабления сигнала при его прохождении через узлы входного блока радиометра и тем самым оправдать наличие во входном блоке модуляции, которая принципиально ухудшает чувствительность, но без которой нельзя обойтись, если важна стабильность функционирования радиометра.

Многоприемниковой схемой достигается не только повышение флуктуационной чувствительности, но и увеличение надежности работы [7].

67

5*

Рис. 1. Структурная схема многоприемникового нулевого радиометра. А — антенна; ВС — высокочастотный селектор; В — вентиль; НО — направленный ответвитель; ГШ — генератор шума; УИТ — управляемый источник тока; СНФ — синхронный низкочастотный фильтр; ФВЧ — фильтр высоких частот; К — компаратор.

При отказе одного из каналов работоспособность всей системы сохраняется с небольшим снижением чувствительности. Но описанный радиометр с четырьмя приемными каналами невозможно настроить на произвольный диапазон измерений, оперативно изменить его в широких пределах.

В данной статье приведена схема многоприемникового нулевого радиометра, в которую введены функции по оперативной настройке на различные диапазоны измерений с учетом неидеаль-ностей входящих во входной блок с.в.ч.-элементов. На рис. 1 приведена функциональная схема многоприемникового радиометра, на рис. 2 — временные диаграммы его работы.

В состав радиометра входит антенна А, термостатированный входной блок, п приемных каналов, микроконтроллер, выполненный на микросхеме ATmega8L-8AI. Во входном блоке сигнал антенны поступает на высокочастотный селектор ВС, который имеет п выходов по числу приемников. С каждого его выхода сигнал антенны поступает на соответствующий приемник через вентиль В и направленный ответвитель НО.

Для приведения приемных каналов радиометра в режим нулевых измерений через направленные ответвители происходит ввод в измерительный тракт опорных сигналов подшумливания.

Управляемые источники тока УИТ каналов подшумливания включают генераторы шума ГШ и регулируют мощность на их выходах изменением тока, протекающего через активную зону полупроводникового шумового диода.

Приемные каналы работают в одном спектральном диапазоне и в своем составе имеют одинаковые радиометрические приемники, где происходит усиление сигналов по высокой и низкой частотам и детектирование по квадратичному закону. С выходов радиометрических приемников сигналы поступают на вход компараторов К через синхронные низкочастотные фильтры СНФ и фильтры высоких частот ФВЧ. Компараторы определяют полярность напряжения и их выходные логические сигналы поступают на п входов микроконтроллера.

Радиометрические приемники выполнены по схеме прямого усиления и состоят из малошумя-щего усилителя, усилителя высоких частот, вентиля, полосно-пропускающего фильтра, квадратичного детектора, усилителя низких частот. Прямое преобразование позволяет при простой схемной реализации заметно снизить уровень собственного шума и повысить стабильность характеристик. Для уменьшения собственных шумов на входе приемника установлен усилитель ZX60-242LN-

Согласованная нагрузка вентиля

X cd

CD

3 X £ <D

S çp

П

<3 Л О

5

6

с s

о

w

В

Канал 1 0

Канал 2 | 0

Канал n

> t

0

,

1 + T0nin

Рис. 2. Временные диаграммы, поясняющие принцип функционирования многоприемникового радиометра. Верхний индекс в обозначении сигналов /шим, Тдоп, Топ1, Топ2 указывает на номер приемного канала.

А

t

t

t

t

7' ni n

сн + 1 оп2 -► t

S+ фирмы Mini circuits в модульном исполнении для поверхностного монтажа. В приемнике формирование полосы принимаемых сигналов осуществляется полосовым фильтром. Пятизвенный фильтр на связанных микрополосковых четвертьволновых резонаторах, свернутых в U-образную форму, выполнен по субстрактивной технологии на материале подложки ФЛАН-10 толщиной 1 мм [8]. Так как фильтр непоглощающего типа, согласование с усилителем высоких частот обеспечивает невзаимное устройство — вентиль ФПЦН2-321-2.25. В качестве квадратичного детектора в приемнике используется микросхема LT5534 фирмы Hittite высокой чувствительности, имеющая достаточный запас по динамическому диапазону.

Во входном блоке радиометра выполняются два вида импульсной модуляции: амплитудная и широтная. Амплитудная модуляция производится в высокочастотном селекторе по управляющим сигналам микроконтроллера. Время подключения антенны к выбранному приемному каналу равно 4им, период повторения сигнала управления амплитудной модуляцией составляет ^аим. В осталь-

ное время, когда приемник не подключен к антенне, сигнал Тсн согласованной нагрузки вентиля отражается от закрытого входа селектора и поступает на вход приемника. Таким образом, время накопления сигнала согласованной нагрузки для каждого приемника равно (п — 1)/аим.

Широтно-импульсная модуляция выполняется с использованием каналов подшумливания, когда к сигналу антенны Та добавляются сигналы Тдоп на время /шим. Для формирования сигналов Тдоп через полупроводниковые диоды генераторов шума пропускаются токи необходимой величины и генерируемые шумовые сигналы через направленные ответвители поступают в измерительные тракты. Для этого микроконтроллер заносит цифровые коды ^доп в управляемые источники тока. Занесение сопровождается генерированием на к выходах микроконтроллера соответствующих стробирующих сигналов. Коды ЫАоп формируются для каждого приемника радиометра в процессе его калибровки.

(а) =

(б) = (в) =

Рис. 3. Диапазоны измерения сигнала антенны.

Также этими каналами подшумливания формируются сигналы Топ1 и Топ2, необходимые для настройки радиометра на заданный диапазон измерения оперативными методами. Данные шумовые сигналы вырабатываются при поступлении на вход управляемых источников тока соответствующих цифровых кодов ^оп1 и ^оп2. Первый шумовой сигнал Топ1 добавляется к сигналу антенны, когда она подключена на вход приемника, второй Топ2 — к сигналу согласованной нагрузки вентиля. Коды ^оп1 и ^оп2, как и код ^доп, формируются в процессе калибровки.

Выходы т микроконтроллера предназначены для управления синхронными фильтрами низких частот приемных каналов радиометра.

Прежде чем рассмотреть калибровочный процесс, получим в общем виде соотношение, связывающее антенный измеряемый сигнал и длительность широтно-импульсного сигнала. Нулевой баланс для данного метода измерений считается достигнутым, если вольт-секундные площади изображенных на рис. 2 положительного и отрицательного импульсов на входе компаратора равны [9].

Тогда компаратор фиксирует нулевое напряжение при подключенной на вход приемника согласованной нагрузке вентиля. Если С — полный коэффициент передачи измерительного тракта, включая усиление

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

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»