Кореляційний радіометр

Кореляційний радіометр, який містить приймальну антену, до виходу якої підключений подільник потужності на два напрямки, два широкосмугових підсилювачі, інтегратор і реєстратор, який відрізняється тим, що в нього введені балансовий модулятор, генератор прямокутної напруги низької частоти, атенюатор, балансовий змішувач, вибірковий підсилювач низької частоти, синхро нний детектор, фільтр нижніх частот і фазообертач, при цьому один вихід подільника потужності з'єднаний через балансовий модулятор з виходом першого широкосмугового підсилювача, а інший вихід - через атенюатор із входом другого широкосмугового підсилювача, виходи широкосмугових підсилювачів з'єднані з входами балансового змішувача, який послідовно з'єднаний з інтегратором, вибірковим підсилювачем низької частоти, синхронним детектором, фільтром нижніх частот та реєстратором, а керуючий вхід балансового модулятора з'єднаний з виходом генератора прямокутної напруги низької частоти, який через фазообертач з'єднаний з керуючим входом синхронного детектора. Корисна модель відноситься до техніки виміру характеристик електромагнітного поля і може бути використана для оцінки потужності надвисокочастотних випромінювань різних об'єктів у радіоастрономії, радіофізиці, медицині і біології. По рівню потужності надвисокочастотного (НВЧ) випромінювання судять про температуру, склад і властивості різних об'єктів живої і неживої природи. Однак, рівень власного НВЧ випромінювання більшості об'єктів дуже малий (10 1 4 10"17Вт/см2). Крім того, НВЧ сигнал, що приймається антеною, має шумовий характер, тому він нерозрізнений на фоні власних шумів приймача радіометра. Через це виникають серйозні труднощі в прийомі, посиленні і реєстрації настільки малих НВЧ сигналів. Відомий кореляційний радіометр [див. А.А. Харкевич. Борьба с помехами. - М.: Наука. - 1965 С. 100-102], в якому застосований двоканальний кореляційний приймач, за допомогою якого вимірюється взаємна кореляція прийнятого сигналу з опорним сигналом. Однак складність створення когерентного опорного сигналу не дозволяє реалізувати високу потенційну перешкодозахищеність, властиву коре ляційній обробці прийнятого антеною сигналу. Відомий кореляційний радіометр [див. Бендат Дж., Пирсол А. Применение корреляционного и спектрального анализа: Пер. с англ. - М. Мир, 1983 - С. 166-167], в якому прийнятий антеною сигнал розділяється на два сигнали, що надалі підсилюються і перетворюються в каналах кореляційного приймача. Це дозволяє виключити вплив некорельованих шумів каналів приймача на результат вимірювань. Однак, при роботі такого кореляційного радіометра виникає велика похибка від корельованих шумів каналів приймача, які завжди присутні через наявність паразитних зв'язків між каналами. Відомий також кореляційний радіометр (див. Есепкина Н.А., Корольков Д.В., Парийский Ю.Н. Радиотелескопы и радиометры. - М.: Наука. - 1972 - С.259-260], що містить приймальну антену, до виходу якої підключений дільник потужності на два напрямки, два широкосмугових підсилювачі, інтегратор і реєстратор. Крім того, відомий радіометр включає перемножувач, що виконує функції корелятора, входи якого з'єднані з виходами широкосмугових НВЧ підсилювачів і підсилювач постійної напруги на ю со О) О) 9354 виході. У кореляційному радіометрі перемножування і усереднення двох розщеплених сигналів антени зменшує вплив некорельованих шумів широкосмугових НВЧ підсилювачів на результат виміру потужності прийнятого випромінювання. Однак корельовані шуми зазначених підсилювачів теж перемножуються і усереднення дає постійну складову напруги, на фоні якої важко виділити і виміряти постійну напругу, пропорційну потужності прийнятого антеною сигналу. Якщо ж врахувати паразитну напругу зсуву (дрейф нуля) самого перемножувача і усереднюючого інтегратора, то похибка виміру потужності буде ще більшою. Таким чином, корельовані шуми НВЧ підсилювачів, дрейф нуля перемножувача і інтегратора не дозволяють забезпечити високу чутливість і точність виміру потужності НВЧ випромінювання. В основу корисної моделі покладена задача створити такий кореляційний радіометр, в якому введення нових елементів і зв'язків дозволило б виключити вплив власних шумів (корельованих і некорельованих) і напруг зсувів на значення напруги, яку реєструють, що забезпечить підвищення чутливості і точності виміру потужності слабких НВЧ випромінювань. Поставлена задача досягається тим, що в кореляційний радіометр, який містить приймальну антену, до виходу якої підключений дільник потужності на два напрямки, два широкосмугових підсилювачі, інтегратор і реєстратор, згідно з корисною моделлю, в нього введені балансовий модулятор, генератор прямокутної напруги низької частоти, атенюатор, балансовий змішувач, вибірковий підсилювач низької частоти, синхронний детектор, фільтр нижніх частот і фазообертач, при цьому один вихід дільника потужності з'єднаний через балансовий модулятор з виходом першого широкосмугового підсилювача, а інший вихід - через атенюатор із входом другого широкосмугового підсилювача, виходи широкосмугових підсилювачів з'єднані з входами балансового змішувача, який послідовно з'єднаний з інтегратором, вибірковим підсилювачем низької частоти, синхронним детектором, фільтром нижніх частот та реєстратором, а керуючий вхід балансового модулятора з'єднаний з виходом генератора прямокутної напруги низької частоти, який через фазообертач з'єднаний з керуючим входом синхронного детектора. Введення в схему кореляційного радіометра балансового модулятора, генератора прямокутної напруги низької частоти, атенюатора, балансового змішувача, вибіркового підсилювача низької частоти, синхронного детектора, фільтра нижніх частот і фазообертача, включених зазначеним образом, дозволяє перетворити вимірювану потужність прийнятого випромінювання в змінну напругу частоти балансової модуляції, яка не залежить від рівня власних шумів НВЧ підсилювачів і напруги зсуву нуля балансового змішувача та інтегратора. Виділення корисної змінної напруги здійснюється вибірковим підсилювачем, налагодженим на частоту балансової модуляції, і наступним синхронним детектуванням, що забезпечує підвищення чутливості і точності виміру потужності слабких НВЧ випромінювань. На кресленні представлена функціональна схема кореляційного радіометра. Схема містить приймальну антену 1, до виходу якої підключений дільник потужності 2 на два напрямки, перший вихід якого з'єднаний з балансовим модулятором 3, другий - з атенюатором 4. Виходи балансового модулятора 3 і атенюатора 4 через широкосмугові підсилювачі 5 і б з'єднані з входами балансового змішувача 7, до виходу якого підключені послідовно з'єднані інтегратор 8, вибірковий підсилювач 9 низької частоти, синхронний детектор 10, фільтр нижніх частот 11 і реєстратор 12. Генератор 13 прямокутної напруги низької частоти з'єднаний з керуючим входом балансового модулятора 3 і через фазообертач 14 - з керуючим входом синхронного детектора 10. Вихідний сигнал антени 1 розділяється дільником потужності 2 на два рівних по потужності сигнали, що надалі піддаються кореляційній обробці. Балансовий модулятор 3 працює в ключовому режимі завдяки прямокутній напрузі модулюючого генератора низької частоти 13. Кореляційний радіометр працює таким чином. НВЧ випромінювання від досліджуваного об'єкта, яке має шумовий характер, приймається антеною 1. Вихідний широкосмуговий сигнал антени U-|(t) можна представити в комплексному вигляді як й-|. Сигнал LJ1 розділяється дільником потужності 2 на два сигнали U 2 і п 3 . У балансовому модуляторі 3, що керується прямокутною напругою генератора 13 низької частоти, здійснюється періодична, з частотою модуляції, зміна фази несучих коливань на 180°, тобто зміна полярності модульованих коливань. Тому в один напівперіод модулюючої напруги вихідний сигнал балансового модулятора можна представити як U4=MJ2 О) а в наступний напівперіод модулюючої напруги формується сигнал и 5 =- К і и 2 (2) де к-\ - коефіцієнт передачі балансового модулятора по несучій частоті. Атенюатором 4 сигнал 0 3 приводиться до рівня вихідного сигналу балансового модулятора 3: U6=k2U3 (3) де к 2 = к-| - коефіцієнт передачі атенюатора 4. Сигнали п 4 , U 5 , і 0 6 підсилюються широкосмуговими підсилювачами 5, 6 і перемножуються в балансовому змішувачі 7. З урахуванням власних шумів широкосмугових підсилювачів 5 і 6 посилені сигнали представимо у вигляді суми комплексних напруг: LJ 7 =k 3 (k 1 U 2 +U L l J 1 ) (4) п 8 =к 3 (-к 1 й 2 + й ш1 ) й 9 =к 4 (к 2 й 3 +й Ш 2 ) (5) (6) де к 3 і к 4 - коефіцієнти підсилення широкосмугових підсилювачів 5 і 6; ОШ1 і й Ш 2 - власні 9354 шуми широкосмугових підсилювачів 5 і 6, приведені до їхніх входів. В один напівперіод модулюючої напруги у балансовому змішувачі 7 перемножуються комплексні сигнали п 7 і Од, а в іншому напівперіоді комплексні сигнали U 8 і U 9 . З урахуванням усереднення перемножених напруг в інтеграторі 8 одержимо: (7) Ц о = k 5 SU 7 U 9 = Sk 3 k 4 k 5 (k 1 U 2 +U m i )(k 2 U 3 де S - крутість перетворення балансового змішувача 7; к 5 - коефіцієнт передачі інтегратора 8; U c - напруга зсувунуля балансового змішувача З й інтегратора 8. У наступний напівперіод модулюючої напруги маємо: (8) =k 5 SU 8 U 9 = Sk 3 k4k 5 (-k 1 U 2 +U m i )(k 2 U 3 + U m При перемножуванні напруг, що входять у вирази (7) і (8) і їхньому усередненні, варто врахувати, що шуми широкосмугових підсилювачів 5 і 6 завжди в якомусь ступені корельовані. Тому кожну з шумових напруг І) Ш 1 і п Ш 2 можна розглядати, як суму корельованої і некорельованої складових. Добуток некорельованих напруг при досить великому часі усереднення, як відомо, дорівнює нулю. Добуток корельованих напруг після усереднення дає постійну складову. силювача 9 низької частоти; F - частота модулюючої напруги; е - фаза перемінної складової видір леної напруги. Змінна напруга (11) випрямляється синхронним детектором 10, який керується напругою генератора 13 прямокутної напруги низької частоти через фазообертач 14. Випрямлена напруга згладжується фільтром 11 нижніх частот. Реєстратором 12 фіксується постійна напруга U 1 3 = Э к ^ з к д М б ^ к д Ц 2 cosAcp (12) Прийнятий шумовий сигнал 0-,, що розділя де к 7 - коефіцієнт випрямлення синхронного ється на два сигнали 0 2 і І І 3 не корельований з детектора 10; к 8 - коефіцієнт передачі фільтра власними шумами широкосмугових підсилювачів 5 нижніх частот 11; Д р - фазовий зсув між вхідними е і напругами синхронного детектора 10. Для одержання максимальної чутливості радіометра регулюванням фазообертача 14 встановлюють різницю фаз між напругою, що випрямляється і керуючою напругою рівною нулю (Дер = 0). У цьому випадку напруга, що реєструється 6. Тому усереднені добутки и2йШ2 = 0 і 0 3 и ш 1 = 0 . У той же час шумові напруги U 2 і U 3 між собою корельовані, тому що формуються з однієї шумової напруги U-). З урахуванням сказаного вихідна напруга інтегратора 8 буде періодично змінюватися від значення U,o = Sk 3 k 4 k 5 (рТЛиіДиг + k?U, 2 )+U c до значення (9) Пи = 8 к 3 к 4 к 5 ( р Ц и 1 Ц 1 ] 2 - к 1 2 и 1 2 ) + Ї Ї с (10) де р - коефіцієнт кореляції шумів широкосмугових підсилювачів 5 і 6; Ц ^ , Ц^2 - середньоквадратичні напруги шумів; Uf - дисперсія (потужність) прийнятого антеною 1 НВЧ випромінювання. Періодична зміна полярності постійної складової, пропорційної дисперсії прийнятого випромінювання ( ± к 2 Ц 2 ) , дозволяє виділити її з постійних напруг корельованих шумів широкосмугових підсилювачів 5, 6 і зсувів нуля балансового змішувача 3 й інтегратора 8. Такий розподіл напруг здійснюється за допомогою вибіркового підсилювача 9 низької частоти, налагодженого на частоту модулюючого генератора 13 прямокутної напруги низької частоти. Посилену напругу можна представити у вигляді гармонійної напруги частоти балансової модуляції: U 1 2 = Sk 2 k3k 4 k5k 6 U, 2 sin(2rcFt +