Радіометричний спосіб надлишкових вимірювань радіояскравісної температури

Радіометричний спосіб надлишкових вимірювань радіояскравісної температури, оснований на вимірюванні напруги U0 , що відповідає дрейфу нуля вимірювального каналу з приймачем при його короткозамкненому вході та запам'ятовуванні отриманого значення, направленні приймальної антени на досліджуваний об'єкт з шумовим опором Rш , прийомі шумового сигналу від досліджуваного 2 3 84651 го сигналу у заданій смузі частот Df0, з подальшим визначенням дійсного значення температури згідно з рівнянням вимірювань. Недоліком відомого способу є низька точність вимірювання шумового надвисокочастотного (НВЧ) сигналу через частотну залежність коефіцієнта пропускання елементів хвилеводного тракту, яке призводить до виникнення сигналу похибки на виході радіометра. Крім того на результат вимірювань впиває нестабільність функції перетворення вимірювального каналу в результаті дії зовнішніх дестабілізуючих факторів та процесів старіння і деградації елементів вимірювального каналу. Відомий радіометр, описаний в авторському свідоцтві СРСР №1493961-А1, МКИ 4 С01В29/08, опубл. 15.07.89р), оснований на перетворенні у напругу U0 вимірювального каналу з приймачем при його короткозамкнутому вході, вимірюванні цієї напруги та запам'ятовуванні отриманого значення, направленні прийомної антени на досліджуваний об'єкт з шумовим опором Rш, прийомі шумового сигналу від досліджуваного об'єкту в заданій смузі частот Df0 , перетворенні у напругу U1 середнього квадрату вхідного шумового сигналу у заданій смузі частот Df0, з подальшим визначенням дійсного значення температури згідно з рівнянням вимірювань. Відомий спосіб має високу флуктуаційну чутливість, але результат вимірювань залежить від абсолютного значення чутливості та її відхилень від номінальних значень в результаті впливу зовнішніх дестабілізуючих факторів. Найбільш близьким за технічною суттю є спосіб, що реалізований у компенсаційному радіометрі (див. Есепкин Н.А, Корольков Д.В., Парийский Ю.Н. Радиотелескопы и радиометры. - М: Наука, 1973.), що оснований на перетворенні у напругу U0 вимірювального каналу з приймачем при його короткозамкнутому вході, вимірюванні цієї напруги та запам'ятовуванні отриманого значення, направленні прийомної антени на досліджуваний об'єкт з шумовим опором Rш, прийомі шумового сигналу від досліджуваного об'єкту в заданій смузі частот Df0 , перетворенні у напругу U1 середнього квадрату вхідного шумового сигналу у заданій смузі частот Df0, з подальшим визначенням дійсного значення температури згідно з рівнянням вимірювань. Недоліком відомого способу є флуктуації коефіцієнта підсилення приймача, і як наслідок – флуктуації електричного струму на ви ході вимірювального каналу. Компенсація постійної складової струму не є е фективною. До того ж на результат вимірювань впливає нестабільність функції перетворення вимірювального каналу, висока чутливість його до впливу зовнішніх дестабілізуючих факторів. В основу винаходу покладена задача створення такого способу надлишкових вимірювань радіояскравісної температури, у якому шляхом введення заданої кількості, послідовності та умов виконання операцій забезпечувалося б підвищення точності вимірювань радіояскравісної температури. 4 Поставлена задача вирішується завдяки тому, що запропонований спосіб надлишкових вимірювань радіояскравісної температури, оснований на оснований на вимірюванні напруги, що відповідає U0 дрейфу нуля вимірювального каналу з приймачем при його короткозамкнутому вході, вимірюванні цієї напруги та запам'ятовуванні отриманого значення, направленні прийомної антени на досліджуваний об'єкт з шумовим опором Rш, прийомі шумового сигналу від досліджуваного об'єкту в заданій смузі частот Df0 , перетворенні у напругу U1 середнього квадрату вхідного шумового сигналу у заданій смузі частот Df0, з подальшим визначенням дійсного значення температури згідно з рівнянням вимірювань, відрізняється від існуючих тим, що додатково формують нормований за значенням потужності шумовий сигнал, що відповідає радіояскравісній температурі Т0, подають його на прийомну антену разом з сигналом рід досліджуваного об'єкта, перетворюють у напругу U2 середній квадрат вихідного шумового сигналу, що представляє собою адитивну суміш нормованого за значенням потужності шумового сигналу та сигналу від досліджуваного об'єкту у см узі частот Df0, виключають дію на антену нормованого за значенням потужності шумового сигналу, збільшують смугу часто т на Df1, що відповідає збільшенню температури нанормований за значенням приріст DT0, до отримання того ж значення напруги U2 у смузі частот Df 1 ({Df1} = {Df0} + {D f1}), і запам'ятовують отримане значення, встановлюють вихідне значення смуги частот Df 0, зменшують смугу часто т на Df2 ({Df2}={Df1}), що відповідає зменшенню температури на нормований за значенням приріст DT0, перетворюють у напругу U3 середній квадрат вихідного шумового сигналу у заданій смузі частот Df2 ({Df2} = {Df0} – {Df2 }) і отримане значення запам'ятовують, а про дійсне значення радіояскравісної температури судять згідно з рівнянням надлишкових вимірювань: U1 - U0 TX = k2 T0 (U3 - U0 ) - (U2 - U0 ) , де k2 = 2. Нижче, на рисунку, зображена структурна схема пристрою для вимірювань радіояскравісної температури, якай реалізує запропонований спосіб, де 1 – антенна, 2 – генератор шумового сигналу нормованої за значенням потужності, 3 перемикач, 4 - підсилювач, 5 - полосовий фільтр, 6 - ТЕП, 7 - інтегратор, 8 - цифровий вольтметр, 9 блок керування. Припустимо, що функція перетворення (ФП) вимірювального каналу (ВК) з прийомною антеною в заданому діапазоні вимірювання в цілому описується лінійним рівнянням величин Ux = SлUв х(t ) + DU (1) Оскільки середній квадрат шумової температури залежить від смуги частот пропускання та шумового опору досліджуваного об'єкту, то функція перетворення вимірювального каналу може бути описана наступним рівнянням величин 5 1 Ux = × DT DТ ò S'л 84651 × (k1kБТ хR ш × Df x )dt + DU 0 , (2) де Ux - вихідна напруга вимірювального каналу; S'л = S л (1 + g л ) - крутість функції перетворення вимірювального каналу, що враховує вплив на прийомну антену та вимірювальний канал в цілому дестабілізуючих факторів, а також їх повільну зміну у часі; Sл - номінальна за значенням крутість функції перетворення вимірювального каналу; gл - відносне значення відхилення крутості функції перетворення від номінального значення; DТ- інтервал часу вимірювань; k1=4 kБ – стала Больцмана; Тх радіояскравісна температура досліджуваного об'єкта; Rш - шумовий опір досліджуваного об'єкта; Df x – смуга пропускання частот; DU- напруга зміщення функції перетворення вимірювального каналу. Приймемо DТ=1с і виконаємо операцію інтегрування (2). Остаточно функція перетворення буде мати вигляд: Ux = k1 × S'лk БТ хRш × Df x + DU (3) Запропонований радіометричний спосіб надлишкових вимірювань радіояскравісної температури оснований на перетворенні у напругу U0 дрейфу нуля вимірювального каналу приймача при його коротко замкнутому вході і смузі частот Df0. Тобто {Т х}=={Т00}=0. В результаті отримують напругу U0 = k1 × S'лk БТ 00Rш × Dfx + DU = DU , (4) дійсне значення якої дорівнює значенню зміщення функції перетворення вимірювального каналу, тобто {U0}={DU}, при{Uвх(t}=0. Вимірюють і запам'ятовують дійсне значення отриманої напруги U0 (4). За допомогою перемикача 3 підключають антену 1 до вимірювального каналу. Спрямовують антену 1 на досліджуваний об'єкт. Після цього перетворюють у напругу U1 середній квадрат вхідного шумового сигналу вимірювального каналу у смузі частот Df 0. В результаті отримують напругу: U1 = k1 × S'лk БТ xRш × D fx + D U . (5) Вимірюють і запам'ятовують дійсне значення отриманої напруги (5). Далі включають генератор шумового сигналу 2. Подають на прийомну антену 1 нормований за значенням потужності шумовий сигнал від генератора 2. Середньоквадратичне значення зазначеного сигналу у смузі частот Df0 дорівнює радіояскравісній температурі T0. Перетворюють у напругу U2 середній квадрат вхідного шумового сигналу вимірювального каналу, що є адитивною сумішшю нормованого за зна 6 ченням потужності шумового сигналу та сигналу від досліджуваного об'єкту у смузі частот Df0 . В результаті отримують напругу: U2 = k1 × S'лk Б (Tx + T0 )Rш × Df x + DU . (6) Для цього виключають генератор шумового сигналу 2 і нормований за значенням потужності шумовий сигнал не поступає на прийомну антену 1. Збільшують смугу частот пропускання вимірювального каналу на Df1, що відповідає збільшенню температури на нормований за значенням приріст DT0, до отримання того ж значення напруги U2 у см узі частот Df1 ({Df1} = {Df0} + {D f1}). В результаті отримують напругу U2, яка описується рівнянням величин: U2 = k1 × S'лk БТ xRш × (Df 0 + D f 1) + DU , (7) Вимірюють і запам'ятовують дійсне значення напруги U2 (7). Далі встановлюють вихідне значення смуги частот пропускання вимірювального каналу Df 0. D ({D } = {D f 1}) Зменшують смугу частот на f 2 f 2 , що відповідає зменшенню температури на нормований за значенням приріст DT0 . Перетворюють у напругу U3 середній квадрат вхідного шумового сигналу у заданій смузі частот Df2 ({Df 2} = {Df 0} + {Df2}). В результаті отримують напругу: U3 = k1 × S'лk БТ xRш × (D f0 - D f 2 ) + DU . (8) Вимірюють і запам'ятовують дійсне значення отриманої напруги U3 (8). Про дійсне значення радіояскравісної температури Т х судять з рівняння надлишкових вимірювань: U1 - U0 Tx = k 2 T0 (U3 - U0 ) - (U2 - U0 ) , де k2=2. Як видно з рівняння надлишкових вимірювань (9), на результат вимірювання не впливають абсолютні значення параметрів функції перетворення вимірювального каналу, а також їх відхилення від номінальних значень в результаті дії зовнішніх дестабілізуючих факторів. Тобто результат вимірювань радіояскравісної температури Тх не залежить від крутості перетворення Sл або чутливості вимірювального каналу пристрою для надлишкових вимірювань радіояскравісної температури, від значення постійної Больцмана kБ, шумового опору Rш досліджуваного об'єкту та напруги зміщення DU функції перетворення вимірювального каналу. Крім того на результат вимірювань не впливає довгострокова нестабільність параметрів функції перетворення вимірювального каналу. Обробка результатів проміжних вимірювань здійснюється згідно з рівнянням надлишкових вимірювань (9). Таким чином забезпечується автоматична корекція систематичних похибок вимірювань. Використання у вимірювальному каналі інтегратора забезпечує суттєве зменшення впливу неінформативних власних шумів вимірювального каналу на кінцевий результат. 7 84651 Розглянемо сутність описаного радіометричного способу надлишкових вимірювань радіояскравісної температури на прикладі роботи пристрою, схема якого приведена на рисунку. За допомогою перемикача 3 замикають накоротко вхід приймача пристрою для надлишкових вимірювань радіояскравісної температури. В результаті отримують вихідну напругу (4), яку вимірюють цифровим вольтметром 8: N0=S0U0, (10) де S0 - крутість перетворення цифрового вольтметра, запам'ятовується. За допомогою перемикача 3 підключають антену 1 до вимірювального каналу та спрямовують її на досліджуваний об'єкт. На виході отримують напругу U1(5). Її значення N1=S0U2 (11) запам'ятовують. Далі включають генератор шумового сигналу 2 і подають на прийомну антену 1 шумовий сигнал від генератора 2, потужність якого у смузі частот Df0 дорівнює радіояскравісній температурі T0. Цифровим вольтметром 8 вимірюють вихідну напругу U2 (6), що є адитивною сумішшю нормованого за значенням потужності шумового сигналу та сигналу від досліджуваного об'єкту у см узі частот Df0. Значення цієї напруги N2=S0U22 (12) також запам'ятовують. Виключають генератор шумового сигналу 2. В результаті нормований за значенням потужності шумовий сигнал не поступає на прийомну антену 1. Комп’ютерна в ерстка Д. Шев ерун 8 Збільшують смугу частот пропускання вимірювального каналу на Df1, що відповідає збільшенню температури на нормований за значенням приріст DT0, до отримання того ж значення напруги U2 (6) у смузі частот Df1 ({Df 1} = {Df0} + {Df1}). Отриману вихідн у напругу вимірюють, а результат N2=S0U22 (13) запам'ятовують. Встановлюють вихідне значення смуги частот пропускання вимірювального каналу Df 0. Зменшують смугу часто т на Df2 ({D f2} = {Df1}), що відповідає зменшенню температури на нормований за значенням приріст DT0 . Отримують вихідн у напругу U3 (8) у заданій смузі частот Df 2 ({Df 2} = {Df0} + {Df2}). За допомогою цифрового вольтметра 8 ця напруга вимірюється, а отриманий результат N3=S0U32 (14) запам'ятовується. А про дійсне значення радіояскравісної температури Т х судять з рівняння надлишкових вимірювань N1 - N0 NTx = 2T0 (N3 - N0 ) - (N2 - N0 ) . (15) Отже, запропонований радіометричний спосіб надлишкових вимірювань радіояскравісної температури забезпечує вирішення поставленої технічної задачі підвищення точності вимірювань радіояскравісної температури. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601