Модуляційний гетеродинний радіометр

Корисна модель відноситься до засобів пасивної радіолокації і може бути використана для вимірювання слабких радіовипромінювань шумового характеру у діапазоні надвисоких частот (НВЧ) в радіоастрономії, радіометеорології, біології і медицині. Для дослідження спектрів радіовипромінювань фізичних і біологічних об'єктів використовують модуляційні гетеродинні радіометри з перетворенням широкополосного сигналу НВЧ антени у вузькополосний сигнал проміжної частоти. Змінюючи частоту НВЧ гетеродина, сканують широкий спектр прийнятого сигналу вузькою полосою пропускання підсилювача проміжної частоти, що дозволяє визначати форму огинаючої спектра радіовипромінювання об'єктів живої і неживої природи. На відміну від радіометрів повного випромінювання, які вимірюють інтегральну потужність шумового випромінювання, гетеродинні радіометри вимірюють спектральну густину потужності шумового сигналу на різних участках спектру випромінювання. Відомий модуляційний гетеродинний радіометр [по Авт. свід. СРСР №1553924, МПК G01R29/08, Бюл. №12, 1990], що містить послідовно з'єднані НВЧ антену, комутатор, змішувач з гетеродином, підсилювач проміжної частоти, квадратичний детектор, підсилювач низької частоти, синхронний детектор, інтегратор і реєстратор, при цьому до другого входу комутатора підключений НВЧ генератор шуму через змінний атенюатор, керуючий вхід якого з'єднаний з виходом інтегратора. В результаті автоматичного переналагодження атенюатора прийнятий антеною НВЧ сигнал компенсується сигналом НВЧ генератора шума, що послаблений атенюатором у відому кількість разів. Однак при цьому компенсуються й власні шуми НВЧ антени, що викликає великі похибки при вимірюванні потужності слабких радіовипромінювань, які одного порядку з потужністю шумів антени. Відомий модуляційний гетеродинний радіометр [Патент України №47460, МПК G01R29/08, Бюл. №7, 2002], що містить послідовно з'єднані НВЧ антену, НВЧ модулятор, циркулятор, НВЧ змішувач з НВЧ-гетеродином, керуємий підсилювач проміжної частоти і диференційний підсилювач, до виходу якого через підсилювач низької частоти і синхронний детектор підключено реєстратор, при цьому другий вхід циркулятора через установчий атенюатор з'єднаний з генератором шуму, другий вхід диференційного підсилювача з'єднаний з блоком опорних напруг, а блок переналагодження частоти НВЧ гетеродина з'єднаний кінематично з реєстратором. При переналагодженні частоти НВЧ гетеродина реєструються поточні значення спектра електромагнітного випромінювання біологічного об'єкта. Однак велика нерівномірність характеристики спектра випромінювання самого НВЧ-генератора шума є джерелом частотних похибок, які нічим не компенсуються. Відомий також модуляційний гетеродинний радіометр [Патент України №68120А, МПК G01R29/08, Бюл. №7, 2004], що містить НВЧ антену, спрямований відгалужувач, послідовно з'єднані балансний змішувач, підсилювач проміжної частоти, квадратичний детектор, перший фільтр нижніх частот, вибірковий підсилювач низької частоти, синхронний детектор, другий фільтр нижніх частот і реєстратор, генератор низької частоти, з'єднаний виходом з керуючим входом синхронного детектора, НВЧ гетеродин, який через одне плече подільника потужності з'єднаний з одним входом балансного змішувача, а через друге плече з балансним модулятором, вихід якого з'єднаний з відгалужуючим плечем спрямованого відгалужувача та змінний атенюатор. Крім того, відомий модуляційний гетеродинний радіометр включає керований підсилювач проміжної частоти, диференціальний підсилювач, джерело стабілізованої постійної напруги, НВЧ балансний модулятор і вентиль, який виходом підключений до входу НВЧ змішувача, другий вхід якого підключений до виходу НВЧ гетеродина через одне плече дільника НВЧ потужності, друге плече якого з'єднано із сигнальним входом НВЧ-балансного модулятора, модулюючий вхід якого підключений до виходу підсилювача проміжної частоти через атенюатор і керований підсилювач проміжної частоти, керуючий вхід якого з'єднаний з виходом диференціального підсилювача, один вхід якого з'єднаний з виходом джерела стабілізованої постійної напруги, другий вхід підключений до виходу першого фільтра нижніх частот, а вихід НВЧ балансного модулятора з'єднаний із відгалужуючим плечем спрямованого відгалужувача, включеного між НВЧ ключем і входом вентиля. Компенсація шумів антени і фона радіовипромінювання сигналом НВЧ гетеродина, який промодульований шумовою напругою проміжної частоти, підвищує точність вимірювання слабких шумових НВЧ сигналів. Однак відсутність компенсації всього прийнятого антеною НВЧ сигнала викликає великі похибки в реєстрації спектра цього сигнала. Джерелом похибок є нерівномірність частотних характеристик НВЧ гетеродина, балансного змішувача і інших елементів НВЧ тракта. Суттєвий внесок в частотну похибку гетеродинного радіометра вносить і неминуча нестабільність проміжної частоти. Тому при реєстрації спектральної густини потужності прийнятого НВЧ сигнала виникають великі частотні і амплітудні викривлення. В основу корисної моделі покладено задачу створити такий модуляційний гетеродинний радіометр, в якому шляхом введення нових елементів і їх зв'язків забезпечувалось би підвищення точності реєстрації потужності приймаємого НВЧ шумового сигнала у вузькій смузі частот по всьому спектру випромінювання. Поставлена задача вирішується тим, що модуляційний гетеродинний радіометр, що містить НВЧ антену, спрямований відгалужувач, послідовно з'єднані балансний змішувач, підсилювач проміжної частоти, квадратичний детектор, перший фільтр нижніх частот, вибірковий підсилювач низької частоти, синхронний детектор, другий фільтр нижніх частот і реєстратор, генератор низької частоти, з'єднаний виходом з керуючим входом синхронного детектора, НВЧ гетеродин, який через одне плече подільника потужності з'єднаний з одним входом балансного змішувача, а через друге плече з балансним модулятором, вихід якого з'єднаний з відгалужуючим плечем спрямованого відгалужувача та змінний атенюатор, згідно з корисною моделлю, в нього введені автоматичний перемикач, прохідне хвилеводне навантаження, відбивач, фазовий детектор, генератор проміжної частоти, другий змінний атенюатор, третій фільтр нижніх частот, через який вхід НВЧ гетеродина з'єднаний з виходом фазового детектора, один вхід якого з'єднаний з виходом генератора проміжної частоти, другий вхід з'єднаний з виходом підсилювача проміжної частоти, входи першого і другого змінних атенюаторів з'єднані з виходом генератора проміжної частоти, а їх виходи з'єднані з керуючим входом балансного модулятора, один вхід автоматичного перемикача з'єднаний з виходом НВЧ антени, другий вхід з'єднаний через прохідне хвилеводне навантаження з відбивачем, вихід автоматичного перемикача через спрямований відгалужувач підключений до другого входу балансного змішувача, а керуючий вхід автоматичного перемикача з'єднаний з виходом генератора низької частоти. Введення в схему модуляційного гетеродинного радіометра автоматичного перемикача, прохідного хвилеводного навантаження, відбивача, фазового детектора, генератора проміжної частоти, другого змінного атенюатора, третього фільтра нижніх частот, включених з іншими елементами вказаним чином, дозволяє сформувати компенсаційний сигнал в інтервалі частот спектра приймаємого сигналу, який підлягає гетеродинному перетворенню частоти. В результаті почергового гетеродинного перетворення частоти компенсуючого сигнала, відбитого від відбивача, і прийнятого НВЧ антеною сигнала від досліджуваного об'єкту, які почергово комутуються автоматичним перемикачем, формуються сигнали однієї проміжної частоти. Завдяки підключенню фазового детектора до виходу підсилювача проміжної частоти і до виходу генератора проміжної частоти здійснюється фазове автоналагодження частоти НВЧ гетеродина, що забезпечує постійність проміжної частоти, набутої від гетеродинного перетворення компенсуючого і прийнятого НВЧ сигналів. Паралельне включення двох змінних атенюаторів в модулюючий ланцюг балансного модулятора забезпечує роздільне регулювання НВЧ сигналами, які компенсують шуми НВЧ антени і НВЧ сигнал від досліджуваного об'єкта. В результаті почергової компенсації завад і корисного сигнала в одному і тому ж гетеродинному перетворюючому тракті підвищується точність реєстрації потужності приймаємого НВЧ сигнала у вузькій полосі частот по всьому спектру випромінювання. На Фіг.1 представлена функціональна схема модуляційного гетеродинного радіометра, а на Фіг.2 - епюри процесу гетеродинного перетворення частоти сигналів. Радіометр містить НВЧ антену 1, вихід якої з'єднано з одним входом автоматичного перемикача 2, другий вхід якого через прохідне хвилеводне навантаження 3 з'єднано з відбивачем 4. До виходу автоматичного перемикача через спрямований відгалужувач 5 підключено одним входом балансний змішувач 6, другий вхід якого через одне плече подільника потужності 7 з'єднаний з виходом переналагоджуємого по частоті НВЧгетеродина 8. Керуючий вхід НВЧ гетеродина через третій фільтр нижніх частот 9 з'єднаний з виходом фазового детектора 10. Вихід генератора проміжної частоти 11 з'єднаний з одним із входів фазового детектора 10 і через два паралельно з'єднаних змінних атенюаторів 12 і 13 з модулюючим входом балансного модулятора 14. Сигнальний вхід балансного модулятора підключений до другого плеча подільника потужності 7, а вихід балансного модулятора 14 з'єднаний з відгалужуючим плечем спрямованого відгалужувача 5. Вихід балансного змішувача 6 з'єднаний через підсилювач проміжної частоти 15 з іншим входом фазового детектора 10 і входом квадратичного детектора 16. Вихід квадратичного детектора послідовно з'єднується з першим фільтром нижніх частот 17, вибірковим підсилювачем низької частоти 18 і синхронним детектором 19, керуючий вхід якого з'єднаний з виходом генератора низької частоти 20. Вихід синхронного детектора 19 через другий фільтр нижніх частот 21 з'єднаний з реєстратором 22. Модуляційний гетеродинний радіометр працює таким чином. НВЧ антеною 1 приймається широкополосний (шумовий) сигнал від досліджуваного об'єкту. Прийнятий сигнал разом з шумами антени через автоматичний перемикач 2 і спрямований відгалужувач 5 поступає на один вхід балансного змішувача 6, на другий вхід якого поступає гармонічний сигнал від гетеродина 8 через одне з плечей подільника потужності 7. В результаті змішування спектральних складових прийнятого сигнала wi з гармонічним сигналом гетеродина частоти wг утворюються сигнали різницевої (проміжної) частоти, які відокремлюються і підсилюються підсилювачем проміжної частоти 15, який налагоджений на проміжну частоту wп . В полосу пропускання підсилювача проміжної частоти потрапляють перетворені по частоті спектральні складові прийнятого сигнала (Фіг.2а), які розташовані по осі частот симетрично відносно частоти гетеродина wг (Фіг.26), але зміщені угору і вниз по частоті на значення проміжної частоти wп (Фіг.2в). З урахуванням полоси пропускання Dw п підсилювача проміжної частоти частотному перетворенню підлягають спектральні складові прийнятого сигнала з двох ділянок частотного спектра (Фіг.2а): (1) Dw'п = wг + wп ± 0,5 Dw (2) Dw'п = wг - wп ± 0,5 D w В результаті змішування складових прийнятого сигнала (1) і (2) з сигналом гетеродина, виділяються та підсилюються складові прийнятого сигнала, що потрапляють в полосу пропускання підсилювача проміжної частоти (Фіг.2в): wп ± 0,5 Dwп . Враховуючи, що прийнятий шумовий сигнал не корельований з шумами антени і шумом гетеродинного перетворювача частоти, дисперсію сумарного шумового сигнала на виході підсилювача проміжної частоти 15 можна представити у вигляді: ù 2 2 2 é U1 = 2S1 K 1 × ê(V1 V2 )2 + (V3 V2 )2 + (V4 V2 )2 ú (3) ë û де S1 - крутизна частотного перетворення; К1 - коефіцієнт підсилення підсилювача проміжної частоти ; V1 - середньоквадратичне значення напруги прийнятого сигнала у полосі частот wп ; V2 - амплітуда напруги гетеродина; V - середньоквадратичне значення шумів антени в полосі частот Dw п ; 3 V4 - середньоквадратичне значення шумів гетеродинного перетворювача частоти в полосі частот Dw п . Сигнал на виході підсилювача проміжної частоти 15 представляє собою вузькосмуговий випадковий процес з частотою wп . Для стабілізації проміжної частоти в схемі передбачене фазове автоналагодження частоти гетеродина 8, яке здійснюється порівнянням вихідної напруги підсилювача 15 проміжної частоти з напругою генератора 11 проміжної частоти, що має стабільну (кварцовану) частоту коливань. Порівняння відбувається у фазовому детекторі 10, вихідна напруга якого через третій фільтр 9 нижніх частот впливає на керуючий вхід переналагоджуємого по частоті НВЧ-гетеродина 8. В результаті автоматичного налагодження частоти гетеродина стабілізується проміжна частота ( wп = const ) на рівні, що задається стабільною частотою генератора 11 проміжної частоти. Вихідна напруга генератора 11 проміжної частоти також поступає через змінні атенюатори 12 і 13 на керуючий вхід балансного модулятора 14, на сигнальний вхід якого діє напруга гетеродина 8 через інше плече подільника потужності 7. В результаті балансної модуляції за участю сигнала гетеродина частоти wг утворюються коливання двох бокових частот, що зміщені угору та вниз по частоті на значення модулюючої частоти (Фіг.2г). Оскільки модулююча частота співпадає з проміжною частотою wп то на виході балансного модулятора 14 формуються сигнали сумарної і різницевої частот із wг і wп : V 5 (t ) = V5 cos(wг + wп ) × t (4) (5) V 6 (t ) = V6 cos(w г - wп ) × t де V5 і V6 - амплітуди напруг бокових частот. Амплітуди напруг бокових частот при балансній модуляції визначаються добутком амплітуд модулюючої напруги і модулюємої напруги. Якщо балансний модулятор працює в режимі насичення по несучим коливанням, тобто коливанням частоти wг , то амплітуди бокових частот визначаються тільки рівнем напруги генератора 11 проміжної частоти на виході змінних атенюаторів 12 і 13: V5=V6=KvV7 (6) де Kv - коефіцієнт передачі атенюаторів 12 і 13 по напрузі; V7 - амплітуда напруги генератора 11 проміжної частоти. Вихідний сигнал балансного модулятора 14 як додатковий НВЧ сигнал через спрямований відгалужувач 5 поступає в приймальний тракт модуляційного радіометра. При вказаному положенні автоматичного перемикача 2 додатковий сигнал, введений в приймальний тракт, поступає в антену 1 і розсіюється в оточуючому просторі. В протилежному положенні автоматичного перемикача 2 додатковий сигнал через прохідне хвилеводне навантаження 3 поступає на відбивач 4. Відбитий сигнал через автоматичний перемикач 2 і спрямований відгалужувач 5 поступає на балансний змішувач 6, де змішується з сигналом НВЧ гетеродина 8. В результаті взаємодії додаткового сигнала зі спектральними складовими (4) і (5) з сигналом гетеродина частоти wг (Фіг.2б) знову утворюються коливання проміжної частоти wп (Фіг.2д). Спільно з шумами гетеродинного перетворювача частоти на виході підсилювача проміжної частоти 15 формується сигнал з дисперсією: ù 2 2 é (7) U2 = 2S1 K 1 × ê (V5 V2 )2 + (V4 V2 )2 ú 2 ë û При неперервній роботі автоматичного перемикача 2 з низькою частотою F генератора 20 сигнали з дисперсіями (3) і (7) на виході підсилювача 15 проміжної частоти мають форму радіоімпульсів, що слідують з частотою перемикання F. В результаті квадратичного детектування в детекторі 16 і згладжування в першому фільтрі 17 нижніх частот із радіоімпульсів (3) і (7) формуються відеоімпульси з амплітудами: é ù 2 2 U 3 = 2K 1 K 2 S1 S 2 × ê( V1V2 ) 2 + ( V3 V2 )2 + (V 4 V2 )2 ú ë û (8) é ù 2 2 U4 = 2K 1 K 2S 1 S 2 × ê(V5 V2 )2 + (V4 V2 )2 ú ë û (9) де S2 - чутливість квадратичного детектора 16; К2 - коефіцієнт передачі першого фільтра 17 нижніх частот. Вибірковим підсилювачем 18 низької частоти, що налагоджений на частоту F генератора 20 низької частоти, із послідовності відеоімпульсів відокремлюється та підсилюється низькочастотна напруга огинаючої: U - U4 (10) U5 = K 3 × 3 × cos(2pFt + Ф) + DU(t ) 2 де К3 - коефіцієнт підсилення вибіркового підсилювача 18; Ф - фаза огинаючої відеоімпульсів; DU(t ) - напруга низькочастотних шумів квадратичного детектора, що попадають в смугу пропускання вибіркового підсилювача. Підсилена напруга (10) випрямляється синхронним детектором 19, який керується напругою генератора 20 низької частоти. Випрямлена напруга згладжується другим фільтром 21 нижніх частот, постійна часу якого обирається з урахуванням необхідності подавлення низькочастотних шумів DU(t ) . Постійна напруга, яка поступає на реєстратор 22, з урахуванням напруг (8) і (9) буде мати вигляд: é ù 2 2 U6 = 2K 1 K 2 K 3 K 4K 5 S1 S 2 × ê( V1V2 ) 2 + (V3 V2 ) 2 - ( V5 V2 )2 ú ë û (11) де К4 - коефіцієнт випрямлення синхронного детектора 19; K5 - коефіцієнт передачі другого фільтра 21 нижніх частот. Як бачимо з виразу (11) у реєструємій напрузі відсутні шуми гетеродинного перетворювача частоти (V4=0). Однак вплив шумів антени і фона залишається. Для виключення цього впливу НВЧ антену 1 направляють не на досліджуємий об'єкт, а на нейтральний фон, на якому можна вважати, що корисний сигнал відсутній (V1=0). Зміною ослаблення, що вноситься установчим змінним атенюатором 12, досягають нульового показання реєстратора 22. Прирівнюючи вираз (11) нулю, отримуємо при V1=0 з урахуванням (6) співвідношення компенсації шумів антени і фона: 2 2 (12) V3 = V5 = (K v K 7 )2 = K p ' P0 де Кр' - коефіцієнт передачі установчого атенюатора 12 по потужності; Р0 - вихідна потужність генератора 11 низької частоти . Після компенсації шумів антени і фона НВЧ антену 1 направляють на досліджуємий об'єкт. Реєстратором 22 фіксується наявність радіовипромінювання від об'єкта. Відліковим атенюатором 13 знову досягають нульового показання реєстратора 22. З виразу (11) при V1>0 витікає, що: 2 2 (13) V1 = V5 = K p " P0 де Кр" - коефіцієнт передачі відлікового атенюатора 13 по потужності. Так як дисперсія прийнятого шумового сигнала 2 Px ~ V1 = K p " P0 2 V1 пропорційна його потужності, остаточно отримаємо: (14) де Рх - потужність випромінювання досліджуємого об'єкта в смузі пропускання Dw п підсилювача проміжної частоти . При переналагодженні частоти гетеродина 8 рівняння (12) і (13) не порушуються, так як компенсуючий сигнал V5 пропорційний амплітуді напруги генератора 11 фіксованої частоти і не залежить від частотних змін напруги гетеродина. Тому зміною частоти гетеродина wг можна реєструвати потужність випромінювання досліджуємого об'єкта у вузькій смузі пропускання Dw п , але в широкому частотному діапазоні спектра випромінювання. З формули (14) випливає, що точність вимірювання потужності випромінювання визначається похибкою відлікового атенюатора 13 і стабільністю параметрів установчого атенюатора 12. На відміну від пристроюпрототипу усі похибки від нестабільності параметрів перетворюючих ланок НВЧ приймального тракту (S1), тракту проміжної частоти (K1, K2, S2) і низькочастотного тракту (К3, К4, К5) не впливають на результат вимірювання. Виключено також вплив власних шумів антени і гетеродинного перетворювача частоти на похибку вимірювання. Для повного виключення впливу шумів гетеродинного перетворювача частоти в схему введено прохідне хвилеводне навантаження 3 еквівалентне вихідному опору НВЧ антени 1. Тому при переключенні автоматичного перемикача 2 вхідний імпеданс балансного змішувача 6 не змінюється, що і забезпечує постійність шумів гетеродинного перетворювача частоти (V4 V2 )2 = const (15) Таким чином, у запропонованому модуляційному гетеродинному радіометрі виключено вплив як шумів антени, так і шумів гетеродинного перетворювача. Приклад. Макет модуляційного гетеродинного радіометра використаний для медико-біологічних досліджень, зокрема, для реєстрації спектра випромінювання хворих і здорових людей в діапазоні міліметрових хвиль. Дослідження макета показали можливість зниження відносної похибки вимірювання спектральної густини потужності клітинного випромінювання в діапазоні частот 53,6-78,3ГГц (розміри хвилеводу НВЧ приймального тракту 3,6´1,8мм) з 25-30% до 1,5-2,0% за рахунок компенсаційного метода вимірювання. Підсилювач проміжної частоти налагоджений на частоту 100МГц зі смугою пропускання ±10МГц і коефіцієнтом підсилення до 80дБ. У якості установчого і відлікового атенюаторів використані ступеневі резисторні атенюатори типу Д 2-23, які мають ослаблення 0-109дБ і похибку не більше ±0,1дБ. Для повної компенсації використаний додатковий змінний атенюатор Д 2-22. Решта елементів використана така ж сама, як і в радіометрі-прототипі.