Одноканальний радіометр

Одноканальний радіометр, що складається з послідовно з'єднаних антени, першогс комутатора, НВЧ-підсилювача, змішувача з перестроюваним за частотою гетеродином і підсилювача проміжної' частоти, поспідозно з'єднаних першого помножувача, першого фільтра нижніх частот і першого підсилювача низької частоти, послідовно з'єднаних другого помножувача і другого фільтра нижніх частот, послідовно з'єднаних третього помножувача і третього фільтра нижніх частот, другого комутатора, подільника частоти, комутаційного генератора, вихід якого з'єднано з керуючим входом першого комутатора, другим входом другого помножувача і входом подільника частоти, вихід якого Винахід належить до техніки надвисоких частот (НВЧ), а саме до модуляційних радіометрів НВЧ-дІапазону, які використовуються для приймання та аналізу радютеплового випромінювання біологічних об'єктів, грунту, водних розчинів тощо. Для вимірювання радютеплового випромінювання широко використовують одноканальний радіометр {див Есепкина Н А , Корольков Д В., Парийский Ю В Радиотелескопы и радиометры М . Наука, 1973, с 365-367), виконаний за схемою прямого перетворювача, який містить послідовно з'єднані антену, комутатор, керований комутаційним генератором низької частоти, підсилювач НВЧ-діапазону, квадратичний детектор, підсилювач низької частоти, синхронний детектор, фільтр нижніх частот та індикатор Покази вихідного індикатора пропорційні потужності електромагнітного випромінювання в НВЧ-діапазоні, яке приймається антеною від досліджуваного об"єкта Для приймання низько інтенсивного електромагнітного випромінювання від біологічних об'єктів точність з'єднано з керуючим входом другого комутатора і другим входом третього помножувача, та першого блока реєстрації, який відрізняється тим, що в , нього введені другий блок реєстрації, другий підсилювач низької частоти, керований широкосмуговий підсилювач з блоком автоматичного регулювання підсилення і блок часових затримок, який включений між виходом підсилювача проміжної1 частоти і першим входом другого комутатора, другий вхід якого з'єднано безпосередньо з виходом підсилювача проміжної частоти, вихід другого комутатора з'єднано з першим входом першого помножувача, другий вхід якого приєднано безпосередньо до виходу підсилювача проміжної частоти, вихід першого підсилювача низької1 частоти приєднано до першого входу другого помножувача, вихід другого фільтра нижніх частот з'єднано з першим блоком реєстрації та входом керованого широкосмугового підсилювача з блоком автоматичного регулювання підсилення, аихід якого з'єднано з входом другого підсилювача низької частоти, вихід якого приєднано до першого входу третього помножувача, а вихід третього фільтра нижніх частот з'єднано з другим блоком реєстрації схем прямого перетворення недостатня і обмежується флуктуаційною нестабільністю параметрів ланок одноканального тракту. Відомий одноканальний радіометр за А С. № 1553924, СССР, кл G 01 R 29/08, 1984 (Бюл № 12, 1990). виконаний за схемою компенсаційного перетворення, який містить послідовно з'єднані антену, комутатор, підсилювач НВЧ-діапазону, змішувач з гетеродином, підсилювач проміжної частоти, амплітудний детектор, підсилювач низької частоти, перший, другий та третій синхронні детектори, перший та другий генератори опорної частоти, генератор шуму та атенюатор Генератор шуму через атенюатор приєднаний до другого входу комутатора, керованого від генератора опорної частоти, а третій синхронний детектор, через інтегратор з'єднаний з керувапьним входом атенюатора Однак введення компенсуючого шумового сигналу зменшує глибину модуляції НВЧ-сигналу на виході комутатора, що знижує чутливість радіометра, а це при вимірюванні слабких елек CM О 27641 тромагнітних випромінювань призводить до великих похибок у визначенні їх потужності Відомий також одноканальний радіометр за а с № 1617387, СССР, кл G 01 R 29/08, 1986 (Бюл № 48, 1990), який складається з послідовно з'єднаних антени першого комутатора, НВЧ підсилювача, змішувача з перестроюваним_за частотою гетеродином, І підсилювача проміжної частоти, послідовно з'єднаних першого помножувача, першого фільтра нижніх частот і першого підсилювача низьких частот, послідовно з'єднаних другого помножувача, і другого фільтра нижніх частот, послідовно з'єднаних третього помножувача і третього фільтра нижніх частот другого комутатора, подільника частоти, комутаційного генератора, вихід якого сполучено з керуючим входом першого комутатора другим входом другого помножувача і входом подільника частоти, вихід якого з'єднано з керуючим входом другого комутатора і другим входом третього помножувача, та першого блоку реєстрації Крім того, радіометр містить квадратичний детектор, генератор шуму, блок віднімання, ваговий суматор та подільник напруги При цьому вихід третього фільтра нижніх частот з'єднаний з входом віднімання блоку віднімання, вихід якого з'єднаний э другим входом подільника напруги, вихід останнього з'єднаний з входом блоку реєстрації, а квадратичний детектор приєднаний до входу першого підсилювача низької частоти Перевагою відомого радіометра с можливість підвищення точності вимірювання потужності прийнятого сигналу, за рахунок усунення впливу непостійності коефіцієнта передачі одноканального тракту Проте цей радіометр не забезпечує інформації про структуру радютеплоаого випромінювання, тобто про його кореляційну функцію Завданням винаходу є створення такого одноканального радіометра, у якому за рахунок включення в його структуру схеми нових блоків та електричних зв'ячъ можна було б вимірювати поряд з потужністю радютеплового випромінювання і його кореляційну функцію, тобто розширити його функціональні можливості Поставлене завдання вирішується завдяки тому що в одноканальний радіометр, який містить послідовно з'єднані антену, перший комутатор, НВЧ-підсилювач, змішувач з гетеродином, ицо перетворюється за частотою, та підсилювач проміжної частоти послідовно з'єднані перший помножувач, перший фільтр нижніх частот і перший підсилювач низьких частот, послідовно з'єднані другий помножувач і другий фільтр нижніх частот, послідовно з єднані третій помножувач і третій фільтр нижніх частот, другий комутатор, подільник частоти, комутаційний генератор, вихід якого з'єднано з керуючим входом першого комутатора, другим входом другого помножувача і входом подільника частоти, вихід якого з'єднаний з керуючим входом другого комутатора і другим входом третього помножувача, та перший блок реєстрації введені другий блок реєстрації, другий підсилювач низької частоти, керований широкосмуговий підсилювач з блоком автоматичного регулювання підсилення і блок часових затримок, який увімкнений між виходом підсилювача проміжної частоти і першим входом другого комутатора, другий вхід якого сполучено безпосередньо - внз ходом підсилювача проміжної частоти, вихід другого комутатора з'єднано з першим входом першого помножувача, другий вхід якого приєднано безпосередньо до виходу підсилювача проміжної частоти вихід першого підсилювача низької частоти приєднано до першого входу другого помножувача вихід другого фільтра НИЖНІХ частог сполучено з першим блоком реєстрації та входом керованого широкосмугового підсилювача з блоком автоматичного регулювання підсилення, вихід якого з'єднано входом другого підсилювача низької частоти, вихід якого приєднано до першого входу третього помножувача а вихід третього фільтра нижніх частот з'єднано з другим блоком реєстрації В результаті введення в одноканальний тракт другого підсилювача низької частоти, керованого широкосмугового підсилювача з блоком автоматичного регулювання підсилення, блоку часових затримок, використання першого помножувача спільно з блоком часових затримок для одержання кореляційного моменту шумових сигналів, обмеження на заданому рівні вихідної напруги одноканального тракту з допомогою інерційного блоку автоматичного регулювання підсилення широкосм/гоаого підсилювача виділення ЗМІННОЇ складової з обмеженого за рівнем сигналу за допомогою другого підсилювача низької частоти і реєстрація цієї складової за допомогою другого блоку реєстрації надає можливість поряд з потужністю приймального сигналу визначити його кореляційну функцію, а отже, розширити функціональні можливості одноканального радіометра На схемі показано структурну будову радіометра Радіометр виконаний за одноканальною схемою і містить послідовно з'єднані антену 1, перший комутатор 2, з узгоджуючим навантаженням 3, НВЧ-підсилювач 4, змішувач 5 з гетеродином 6, що перестроюється за частотою підсилювач 7 проміжної частоти, блок 8 часових затримок, другий комутатор 9, перший помножувач 10, перший фільтр 11 нижніх частот, перший підсилювач 12 низької частоти, другий помножувач 13, другий фільтр 14 нижніх частот, перший блок реєстрації 15, керований широкосмуговий підсилювач 16 з блоком 17 автоматичного регулювання підсилення, другий підсигювач 18 низької частоти, іретій помножувач 19. третій фільтр 20 нижніх частот та другий блок реєстрам» 21 Крім того, одноканальний радіометр містить послідовно з'єднані комутаційний генератор 22 та подільник частоти 23, ВИХІД комутаційного генератора 22 з'єднаний з керуючим входом першого комутатора 2 та другим входом другого помножувача 13, а вихід подільника 23 з'єднаний з керуючим входом другого комутатора 9 та другим входом третього помножувача 19 Перший вхід другого комутатора 9 з'єднаний з виходом підсилювача 7 проміжної частоти через блок затримки 8, другий вхід комутатора 9 сполучений безпосередньо з цим підсилювачем Перший вхід першого помножувача 10 з'єднаний з виходом другого комутатора 9, а другий вхід цього помножувача - з виходом підсилювача 7 проміжної частоти ном Одноканальний радіометр працює таким чи 27641 Радіотеплове випромінювання досліджуваного об'єкта у діапазоні надвисоких частот (НВЧ) приймається антеною 7, до виходу якої через комутатор 2 приєднано НВЧ-пІдсилювач 4 Комутаційний генератор 22 формує прямокутну напругу (меандр) низької частоти Fi, яка керує роботою комутатора 2 Вихідна прямокутна напруга подільника частоти 23 перемикає комутатор 9 з нижчою частотою F 2 =F,/2n, 1= S, де Si - чутливість антени у діапазоні НВЧ; Тх ~ радіаційна температура досліджуваного об'єкта. Вхід НВЧ-підсилювача 4 періодично з частотою Ft перемикається з виходу антени 1 на узгоджуюче навантаження 3, яке дорівнює вихідному опору антені*. Дисперсія вихідного сигналу НВЧ-підсилювача 4 у разі підключення антени 1 з урахуванням власних шумів визначається за таким виразом. 2 о з, =К, (3) де а 2 - дисперсія власних шумів підсилювача 4, приведених до його входу; Кі - коефіцієнт підсилення за потужністю. У випадку перемикання комутатора 2 на навантаження 3 вхідний опір підсилювача 4 не змінюється. Отже, підсилюються тільки власні шуми підсилювача 4, а дисперсія його ви л ідного сигналу: (4) а 32 За допомогою гетеродина, який перестроюється за частотою, вибираємо частоту, на якій необхідно провести аналіз структури вхідного сигналу Смуга сигналу, що аналізується, визначається смугою пропускання підсилювача проміжної частоти 7. У цьому випадку пакети шумових напруг з дисперсіями (3) та (4) за допомогою змішувача 5 та гетеродина 6 переносяться у ділянку нижчих проміжних частот. На виході смугового підсилювача 7 проміжної частоти почергово формуються пакети шумових сигналів з дисперсіями" Sj к2 о зі к2 а з2 2 = S 2 Kt = S; Кі S 3 КЭ S 3 Кз (1) де п - ціле число 1,2, 3, . Оскільки фази керуючих напруг синхронізовані, а частоти комутації пов'язані співвідношенням (1). то в роботі радіометра задіяні чотири інтервали часу, які повторюються, обумовлюючи відмінність стану комутаторів 2 І 9 Враховуючи, що частина комутації F2 < Ft, розглянемо спочатку роботу одноканального тракту радіометра за вказаного на кресленні положення комутатора 9 та за періодичних підключень комутатора 2. Дисперсія вихідного сигналу антени 7 = Кг - коефіцієнт підсилення підсилювача 7 проміжної частоти у смузі його пропускання. Виділені і підсилені сигнали перемножуються між собою у першому помножувачі 10, в результаті чого на виході першого фільтру 11 нижніх частот з'являються відеоімпульси з амплітудами, пропорційними потужності (дисперсії) шумових сигналів НВЧ к2 к2 О 2, ). 2 де Бг - крутизна частотного перетворення; (5) (6) (7) (8) де S3 - чутливість помножуэача 10; Ka - коефіцієнт передачі фільтра 11 нижніх частот за постійною напругою Із послідовності відеоімпульсів з амплітудами 7 і 8 першим підсилювачем 12 низько» частоти виділяється і підсилюється напруга обвідної частоти Ft, Ue(t) = K4 ((U6-U7)/2] sign sin 2я (9) де К» - коефіцієнт підсилення підсилювача низької частоти 12, sign sin - прямокутна обвідна відеоімпульсів. Змінна напруга 9 надходить на вхід другого помножувача 13, на другий вхід якого подається меадр опорної напруги частоти Fi. Враховуючи, що добуток меандрів (sign sin 2к F,)2 - 1. на виході другого фільтра 14 нижніх частот після відповідного вирівнювання) одержуємо постійну напругу. U 9 = S 4 К* К 5 (U(r-U7/2) (sign sin 2я F,)' (10) де S4 - чутливість помножувача 13; Кб - коефіцієнт передачі фільтра 14 нижніх частот. Якщо підставити у вираз (10) значення амплітуд відеоімпульсів із (7) та (8), одержуємо 2 U 9 = (Ks/2) SA K4 S3 Кз S 2 К 2 К, а 2, = 2 (11) де So = 1/2 К і Kz S 2 К 3 S 3 Кд S4 K5 - крутизна одноканального перетворювального тракту (блоки 1,2. З, ... 14) радіометра. Як видно з виразу (11), напруга U 9 пропорційна потужності теплового випромінювання досліджуваного об'єкта аі у діапазоні НВЧ. Ця напруга вимірюється та реєструється у першому блоці реєстрації 15 Крутизна одноканального перетворювача So визначається у процесі калібровки радіометра. Розглянемо роботу одноканального тракту радіометра за умови протилежного положення комутатора 9 та періодичної роботи комутатора 2. Перетворювальні процеси у цьому випадку до комутатора 9 аналогічні наведеним вище. Після комутатора 9 на один вхід перемножувача 10 почергово надходять пакети шумових сигналів г дисперсіями (5) та (6) безпосередньо, а на другий вхід помножувача ці ж пакети, тільки затримані у блоці змінної затримки 8 на час t, внаслідок чого на виході фільтра 11 нижніх частот формуються відеоімпульси з амплітудами, пропорційними кореляційним моментам: 27641 R i W = S 3 K 3 ст% р«(т) R 2 ( T ) * S3K3 п 2 5 р ? (т) (12) (13) де ріг (т) - нормована функція кореляції суміші сигналу антени 1 та шумів підсилювача 4, рг (т) - нормована функція кореляції власних шумів підсилювача 4 Підсилювачем 12 низької частоти виділяється та підсилюється напруга обвідної відеоімпульсів частоти Fi Um(t) = K«(Ri (t) - R2 (т) 12] sign sin n Fi, (14) У зв'язку з незалежністю шумового сигналу антени 1 та власних шумів підсилювача 4 постійна напруга на виході фільтра 14 нижніх частот набуде такого вигляду. Un = S 0 a 1 pi (т) (15) де рі (т) ~ нормована функція кореляції сигналу антени 1. За відсутності затримки у блоці 8 (т =0) нормована функція кореляції набуває одиничного значення рі(о) - 1 Таким чином, одержана раніше постійна складова напруги (11) відповідає максимальному значенню кореляційного моменту, тобто потужності сигналу. У випадку введення затримки блоком 8 кореляційний момент зменшується, а відповідно зменшується значення кореляційної функції р,(т) < 0 напруга Un < U9 • ' У результаті періодичних перемикань комутатора 9 з частотою F% < F-\ на виході другого фільтра 14 нижніх частот послідовно формуються на інтервалі часу At - 1/2 F2 постійні напруги U9 та Un Імпульси цих напруг тривалістю At почергово підсилюються широкосмуговим підсилювачем 16, в коло керування якого увімкнено блок 17 автоматичного регулювання підсилення (АРП). З урахуванням значення коефіцієнта підсилення Кб, заданого блоком АРП, амплітуди підсилених імпульсів набувають таких значень: 0