Багатопроменевий скануючий нвч-радіометр

1 Багатопроменевий скануючий НВЧрадюметр, що містить послідовно з'єднані скануючу антену і перший перемикач, послідовно з'єднані підсилювач високої частоти, перший змішувач і підсилювач проміжної частоти, перший гетеродин, вихід якого підключений до другого входу першого змішувача, другий перемикач, вихід якого підключений до другого входу першого перемикача, перший і другий еталони випромінювання підключені, ВІДПОВІДНО, до першого і другого входів другого перемикача, а також блок керування антеною та обчислювач, при цьому вхід і вихід блока керування антеною підключені, ВІДПОВІДНО, ДО керуючих виходу і входу антени, який відрізняється тим, що в нього додатково введені смуговий фільтр, Мканальний (М> 1) подільник потужності, М каналів обробки, кожний з яких містить послідовно з'єднані другий змішувач, смуговий підсилювач, квадратичний детектор, фільтр низьких частот і підсилювач постійного струму, а також М-канальний аналогоцифровий перетворювач-накопичувач даних, блок керування каналами обробки, блок других гетеро динів та багатоканальний вимірник температури, при цьому смуговий фільтр включений між виходом першого перемикача і входом підсилювача високої частоти, вхід М-канального подільника потужності підключений до виходу підсилювача проміжної частоти, а М його виходів підключені, ВІДПОВІДНО, до М перших входів других змішувачів в М каналах обробки, М входів М-канального аналого-цифрового перетворювача-накопичувача даних підключені, ВІДПОВІДНО, ДО М ВИХОДІВ підсилювачів постійного струму в М каналах обробки, М перших виходів блока керування каналами обробки підключені, ВІДПОВІДНО, до М перших керуючих входів підсилювачів постійного струму в М каналах обробки, М других виходів блока керування каналами обробки підключені, ВІДПОВІДНО, до М других керуючих входів підсилювачів постійного струму в М каналах обробки, М виходів блока других гетеродинів підключені, ВІДПОВІДНО, до М других входів других змішувачів в М каналах обробки, перший, другій, третій та четвертий керуючі виходи блока керування антеною підключені до керуючих входів, ВІДПОВІДНО, першого перемикача, другого перемикача, аналого-цифрового перетворювачанакопичувача даних та обчислювача, причому порти послідовного інтерфейсу обчислювача, блока керування антенною і багатоканального вимірника температури з'єднані між собою шиною послідовного інтерфейсу, а порти паралельного інтерфейсу обчислювача, аналого-цифрового перетворювача-накопичувача даних і блока керування каналами обробки з'єднані між собою шиною паралельного інтерфейсу Винахід відноситься до приладів дистанційного зондування, а саме до надвисокочастотних (НВЧ) радіометричних приладів дистанційного зондування, і може бути використаний для отримання інформації щодо параметрів поверхні та атмосфери Землі У НИНІШНІЙ час в дистанційних дослідженнях природного середовища великий розвиток отримали надвисокочастотні радіометричні засоби, до основи яких покладена залежність між інтенсивніс тю власного радютеплового випромінювання природних об'єктів та їхніми фізико-хімічними параметрами При НВЧ-радюметричних спостереженнях природного середовища первинною задачею є точне вимірювання й реєстрація просторового розподілу інтенсивності радютеплового випромінювання, яке характеризується радюяскравою температурою Тя Вимоги до абсолютної точності вимірів Тя достатньо високі для ефективного використання даних радіометричного зондування О со (О Ю 56347 відомого спектрометра є неможливість використання калібрування по "холодному" випромінюванню космосу при проведенні вимірів з літального апарату у нижніх шарах атмосфери (наприклад, з літака), а також складність забезпечення прийнятної точності калібрування по розподіленим еталонним джерелам в умовах земної атмосфери, зважаючи на наявність чималих конвекційних потоків та пов'язану з ними нестабільність температури поверхні еталону, що випромінює, при суттєвій ВІДМІНІ температур еталону та навколишнього простору Усі ЦІ недоліки ускладнюють реалізацію скануючих радіометричних систем цього типу при необхідності одночасного задоволення вимог високого просторового вирішення і флуктуаційної чутливості та малої абсолютної похибки вимірів Тя З відомих скануючих радіометрів найбільш близьким щодо технічній суті (прототипом) є скануючий радіометр для дистанційного зондування [3], що містить послідовно з'єднані скануючу антену та перший циркулятор, послідовно з'єднані підсилювач високої частоти, змішувач і підсилювач проміжної частоти, гетеродин, вихід якого підключений до другого входу змішувача, перший перемикач, який підключений до другого входу першого циркулятора, послідовно з'єднані перше узгоджене навантаження, другий перемикач та другий циркулятор, вихід другого циркулятора підключений до входу першого перемикача, друге узгоджене навантаження, яке підключено до другого входу другого циркулятора, а також обчислювач, квадратичний детектор, відеопідсилювач, фільтр високої частоти, блок управління, перший та другий генератори опорної напруги, перший та другий керовані ключі, перший та другий синхронні детектори, перший та другий фільтри низьких частот, перший та другий підсилювачі постійного струму, перший, другий, третій, четвертий, п'ятий датчики температури, перший та другий комутатори, перетворювач Перевагою цього спектрометра є наявність циструм-напруга, аналого-цифровий перетворювач клічного крізного калібрування по ЗОВНІШНІМ етата цифро-аналоговий перетворювач лонам випромінювання, яке охоплює увесь приймальний перетворюючий тракт, розпочинаючи від Перевагою цього скануючого радіометра є антени й закінчуючи виходом, що підвищує точбезперервне калібрування приймального підсиність виміру радіо яскравої температури випромілюючого тракту за допомогою високоточних пасинювання Тя При цьому в якості холодного еталона вних еталонів випромінювання, результатом чого є випромінювання використовується випромінюванобчислення значень радюяскравої температури ня відкритого космосу, а в якості "гарячого" еталовипромінювання в одиницях шкали абсолютних на - випромінювання розподіленого надвисокочастемператур Іншим достоїнством радіометра є тотного навантаження, що перекриває апертуру використання електромеханічного принципу скаантени нування, що дозволило підвищити швидкість сканування, знизити непродуктивні витрати часу, збіНедоліком цього спектрометра є механічний льшити тривалість інтервалу вимірів і, завдяки принцип сканування, при круговому обертанні дзецьому, підвищити флуктуаційну чутливість ркала антени, що ускладнює реалізацію радіометричної системи при високій спрямованості антени Однак відомий радіометр має і ряд недоліків (вирішальній здатності у просторі) для цього поДо першого з них можна віднести ВІДОМІ обметребується отримання високої частоти обертання ження по досяжному рівню флуктуаційної чутливодзеркала, при його значних розмірах та масі, і засті в режимі формування зображень при викорисбезпечення високої флуктуаційної чутливості ратанні однопроменевої антени В випадку, коли діометричної системи при відносно малій тривалопараметри польоту фіксовані, при підвищенні висті робочої частини циклу сканування (малому мог до просторового вирішення радіометричної терміні накопичування сигналу) Збільшення розсистеми необхідно зменшувати ширину діаграми мірів антени також призводить до додаткової поспрямованості антени і, як наслідок, ВІДПОВІДНО грішності калібрування по "гарячому" еталонному збільшувати частоту сканування Збільшення ліджерелу випромінювання завдяки неточного винійної швидкості руху променю у межах робочого значення ефективної температури останнього при сектора сканування призводить до зменшення великих розмірах його апертури Іншим недоліком часу спостереження одиничного елементу зобраабсолютна точність вимірів Тя повинна бути менш ніж один градус [1] Для оглядових радіометричних систем встановлюваних на літальних апаратах цей показник у НИНІШНІЙ час знаходиться на рівні 2-5 градусів, при цьому поряд з помилками пов'язаними з абсолютною похибкою калібрувальних джерел випромінювання, що використаються, чималий вплив на остаточну точність вимірів справляє також і флуктуаційна похибка, яка пов'язана із чутливістю радіометричної системи У зв'язку з цим, задачі підвищення абсолютної точності та чутливості НВЧ-радюметричних систем є актуальними Для інтерпретації даних одержуваних з виходу радіометричної системи вона повинна бути прокалібрована, тобто певним значенням інтенсивності сприйманого антеною радютеплового випромінювання повинні бути поставлені у ВІДПОВІДНІСТЬ значення вихідних параметрів системи В процесі експлуатації калібрувальна залежність, що зв'язує ВХІДНІ та ВИХІДНІ параметри системи, під впливом різноманітних чинників може змінюватися, у зв'язку з чим вимагається оперативне проведення циклів калібрування безпосередньо у процесі роботи Відомий ряд технічних рішень для скануючих радіометричних систем з ЛІНІЙНИМ законом сканування, наприклад скануючий спектрометр SCAMS ШСЗ "Nimbus-б" (США) [2], який складається з 5 частотних каналів-радюметрів, кожний з яких складається з послідовно з'єднаних антени та блоку перетворення сигналу, а також спільних для них скануючого приладу, еталонів випромінювання та блоку управління й обробки, перші п'ять входів якого з'єднані, ВІДПОВІДНО, З п'ятьма інформаційними виходами блоків перетворення сигналу, а шостий вхід та перший керуючий вихід якого з'єднані, ВІДПОВІДНО, із виходом та керуючим входом приладу сканування 56347 микача, вихід якого підключений до другого входу першого перемикача, вхід і вихід блоку управління антенною підключені, ВІДПОВІДНО, ДО керуючих виходу і входу антени, додатково введені смуговий фільтр, М-канальний (М>1) дільник потужності М каналів обробки М-канальний аналого-цифровий перетворювач-накопичувач даних (АЦП-НД), блок управління каналами обробки, блок других гетеродинів і багатоканальний вимірник температури, причому кожний з М каналів обробки містить послідовно з'єднані другий змішувач, смуговий підсилювач, квадратичний детектор, фільтр низьких частот і підсилювач постійного струму, при цьому смуговий фільтр увімкнений між виходом першого перемикача і входом підсилювача високої частоти, вхід М-канального дільника потужності підключений до виходу підсилювача проміжної частоти, а М його виходів підключені, ВІДПОВІДНО, до М перших входів других змішувачів в М каналах обробки, М входів М-канального АЦП-НД підключені, ВІДПОВІДНО, до М виходів підсилювачів постійного струму в М каналах обробки, М перших виходів блоку управління каналами обробки підключені, ВІДПОВІДНО, до М перших керуючих входів підсилювачів постійного струму в М каналах обробки, М других виходів блоку управління каналами обробки підключені, ВІДПОВІДНО, до М других керуючих входів підсилювачів постійного струму в М каналах обробки, М виходів блоку других гетеродинів підключені, ВІДПОВІДНО, до М других входів других змішувачів в М каналах обробки, перший, другій, третій і четвертий керуючі виходи блоку управління антенною підключені до керуючих входів, ВІДПОВІДНО, першого перемикача, другого перемикача, АЦПНД і обчислювача, причому порти послідовного інтерфейсу обчислювача, блоку управління антенною і багатоканального вимірника температури Означені чинники ускладнюють реалізацію з'єднані між собою шиною послідовного інтерфейскануючого радіометра при підвищених вимогах су, а порти паралельного інтерфейсу обчислювадо просторового дозволу, флуктуаційної чутливосча, АЦП-НД і блоку управління каналами обробки ті і абсолютної точності, що подаються при вимірі з'єднані між собою шиною паралельного інтерпросторових характеристик радютеплових полів в фейсу процесі дистанційного зондування В основу винаходу покладена задача підвиСкануюча антена багатопроменевого сканующення флуктуаційної чутливості і абсолютної точчого радіометра в цьому випадку може бути виконості скануючого радіометра при формуванні ранана на основі відомого технічного рішення, надютеплових зображень шляхом зниження приклад, [4], і містити планарний діелектричний ефективної шумової температури системи, збільхвилевід, дифракційну решітку у вигляді диску шення часу спостереження одиничного елементу розміщеного під діелектричним хвилеводом та зображення при фіксованих параметрах зйомки, а встановленого на вихідний осі обертання електтакож оптимізацм процедури абсолютного калібруромеханічного привода, а також параболічний ревання за рахунок проведення останньої в умовах флектор, рупорний випромінювач-перехід від пламаксимально близьких до режиму вимірів зовнішнарного діелектричного хвилеводу до порожнього нього випромінювання металевого хвилеводу та датчик положення диску, при цьому вихід рупорного випромінювачаПоставлена технічна задача реалізується за переходу є виходом антени, а вхід електромеханірахунок того, що до складу багатопроменевого чного привода і вихід датчика положення диску є, скануючого радіометра, що містить скануючи анВІДПОВІДНО, керуючими входом і виходом антени тену, перший і другій перемикачі, послідовно з'єднані підсилювач високої частоти, перший змішувач Таке технічне рішення багатопроменевого і підсилювач проміжної частоти, а також перший скануючого радіометра дозволяє підвищити флукгетеродин, перший і другій еталони випромінютуаційну чутливість та абсолютну точність радіовання, блок управління антенною і обчислювач, метричних вимірювань при дистанційному зондупри цьому вихід ані єни підключений до першого ванні за рахунок виконання наступних чинників входу першого перемикача, перший гетеродин 1 У скануючої антени формується М незалежпідключений до другого входу першого змішувача, них променів діаграми спрямованості у площині, виходи першого і другого еталонів підключені, ВІДяка ортогональна площині сканування, в результаПОВІДНО, до першого і другого входів другого переті чого за один цикл сканування формується М ження і, як слідство, до підвищення флуктуаційної помилки радіометричних вимірювань Таким чином, використання однопроменевої діаграми спрямованості антени накладає обмеження на зростання просторового дозволу і флуктуаційної чутливості, що зумовлює похибки вимірів для радютеплових полів за рахунок менш детального відтворення їхніх просторових особливостей із-за внесених похибок і шумів В якості другого недоліку прототипу можна відзначити використання модуляційних принципів обробки сигналів, що приймаються системою Як відомо, обробка сигналів на частоті модуляції дозволяє знизити вклад в вихідний відгук системи інтенсивних низькочастотних складових власних шумів Разом з тим, для модуляційної схеми обробки зменшується час, який відводиться на прийом зовнішнього випромінювання, що теоретично не дозволяє реалізувати більш високі показники по чутливості, у порівнянні з іншими схемами радіометрів Третім недоліком прототипу є використання двох частот модуляції і, ВІДПОВІДНО, ДВОХ каналів обробки сигналів Ця особливість є додатковим джерелам систематичної похибки, оскільки сигнали, що приймаються антенною і що надходять від калібрувальних джерел, обробляються в різних каналах, при цьому в ході роботи можливо відхилення коефіцієнтів передачі каналів від заданих значень, ПОСТІЙНІСТЬ яких є одною з головних умов правильного приведення вихідних показань до шкали температур Окрім цього, проведення калібрувальних вимірів на інтервалі 0,5 періоду основної частоти модуляції еквівалентне зниженню в 2 рази калібрувального перепаду між еталонами, що також знижує абсолютну точність вимірів 56347 8 гатоканального цифровою вимірника температури На фіг 12 представлений алгоритм роботи обчислювача Багатопроменевий скануючий радіометр містить (див фіг 1) скануючу антену 1, перший перемикач 2, смуговий фільтр 3, підсилювач високої частоти 4, перший змішувач 5, підсилювач проміжної частоти 6, перший гетеродин 7, М-канальний (М>1) дільник потужності 8, М каналів обробки 9-т 2 Система здійснюється на основі багатока(1 0m враховують крутість регулювальних характеристик для елементів підсилювачів 14-т, l U . m - встановлене початкове значення наР В виході каналу радіометра при вимірі джерел випромінювання, ВІДПОВІДНО, антени, першого еталону 17, другого еталону 18 (при цьому в якості U e i, иЄ2 можуть бути використані їхні середні значення для С послідовних вибірок (С>1) в одному калібрувальному циклі) Отримані значення Та mn для випромінювання на виході антени 1 перераховуються в значення радюяскравої температури випромінювання Тя Пт, що випромінюється на и вході, з урахуванням фактичних значень коефіцієнтів передачі kanm антени 1 в секторі кутів сканування А\\і, шляхом звернення відносно Тя nm для кожного з N елементів М рядків зображення, що формуються в черговому циклі сканування, відомого вираження типу (див , наприклад, [11]) 'я 22 56347 • • передачі антени в секторі сканування в частотному діапазоні т , Z - число циклів сканування, на інтервалі яких проводиться усереднення параметрів (наприклад, Z=32) При цьому в процедурах обміну обчислювача 23 з блоком управління 20 використовуються поточні значення величин Uym, Uom, Я К І усереднені на поточному циклі сканування Після завершення процедури обчислень обчислювач 23 формує вихідний масив значень Тя Пт, який використовується при візуалізацм зображень і реєстрації даних багатопроменевого скануючого радіометра, виконує черговий цикл обміну даними з БЦВТ 22 і переходить до режиму очікування чергового керуючого імпульсу від блоку управління антеною 19, після чого цикл роботи обчислювача 23 повторюється Джерела інформації 1 Кондратьев К Я , Бузников А А , Покровский О М Глобальная экология дистанционное зондирование // Итоги науки и техники Сер Атмосфера, океан, космос - программа "Разрезы" М ВИНИТИ -1991.Т 14,-С 1-312 2 Staelm D Н et al The Scanning Microwave Spectrometer (SCAMS) Experiment Nimbus-6 Users Guide, Greenbelt, 1975 - P 59-86 3 A C СССР № 1336733, G01S13/95, В А Комяк, А С Левда, С А Шило, С Е Яцевич Сканирующий радиометр для дистанционного зондирования Зарегистр 08 05 87 -№3948313, Заявл 27 08 85, Опубл 09 87, Бюл №33, - 270с 4 Сканирующая антенна самолетного радиометрического комплекса / Андренко С Д , Евдокимов А П , Крыжановский В В , Провалов С А , Сидоренко Ю Б // Радиофизические методы и средства для исследования окружающей среды в миллиметровом диапазоне Сб науч тр - Киев Наук, думка, 1988 -С 154-160 5 Hersman М S , Рое G A Sensitivity of total power radiometer with periodical absolute calibration // IEEE Trans, on Microwave Theory and Tech 1981, v 29, N I P 32 - 40 6 Антенны и устройства СВЧ (Проектирова 24 23 56347 ниє фазированных антенных решеток) / Под ред аналоговым и аналого-цифровым преобразоватеД И Воскресенского - М Радио и связь, 1981, лям Пер с англ / Под ред Ю А Рюжина 432 с М Радио и связь 1982 -522 с 7 Шило В Л Линейные интегральные схемы в 10 Янсен И Курс цифровой электроники В 4радиоэлектронной аппаратуре -М Сов радио, х т Т 4 Микрокомпьютеры Пер с голланд - М 1979 -368 с Мир 1987 -406 с 8 Шевкопляс Микропроцессорные структуры 11 Башаринов А Е , Гурвич А С , Егоров С Т Инженерные решения Справочник -2-е издание Радиоизлучение Земли как планеты М Наука, М Радио и связь, 1990 - 512 с 1974 -187с 9 Гнатек Ю Р Справочник по цифро Фіг. 2 Фіг.З 25 26 56347 1 • 34 з 3 8 4 >. 35 37 4 36 г 1 і 1 I X I t І 4 0 і 1 h I ч г Фіг. 4 20 46-1 І 46-х 4-M 62 І45-2М •X_J 22 49-г VV 49-R V 48 50 ФІГ. 6 ILK 27 56347 Фіг 8 Зовнішнє перерваиня вщ б.,юка управління 19 Процедура уводу (АЦП М взадних сигаашв і занесения результату до ОІП) І І Онкування процедури обміну Прсщедура обміну даними з обчислюваче*і 23, L=0, Фіг 9 28 29 56347 Фіг 10 h Первинні установки, мувшня тривалості такту вимірювань, р=1 Опкувшшя внущшнього перервання Т" Процедура уводу (АЦП снпіалу вщ датчика г j зшиє раультяіу доСОГІ) Фіг І1 ЗО 31 32 56347 Первинні установки, процедури обміну даними з Процедура обміну з приладами 15, 20, 22, УВД U ^ U K l m , I W Т г , і Розрахунок значень Тщщ,, Розрахунок значень Т™. Формування Ї»ЩКШ зображаїйя, вїзуалоащя, Фіг 12 Підписано до друку 05 06 2003 р Тираж 39 прим ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24