Радіометрична система модуляційного типу

Реферат: Винахід належить до вимірювальної техніки і призначений для оцінки яскравісної температури власного радіотеплового випромінювання об'єктів різної фізичної природи, яскравісної температури внутрішніх шумів радіометра, коефіцієнта підсилення та його нестабільності. Радіометрична система модуляційного типу містить антену, два ключі, перемикач, два еталонні генератори, лінійний тракт приймача, два помножувачі, генератор модулюючого сигналу, три декорелюючих фільтри, три квадратичні детектори, три інтегратори, розв'язувач, фільтр нижніх частот, три індикатори. Технічним результатом, що досягається даним винаходом, є підвищення точності виміру яскравості температури власного радіотеплового випромінювання об'єктів дослідження, збільшення флуктуаційної чутливості та можливість виміру яскравісної температури внутрішніх шумів радіометра, коефіцієнта підсилення та його нестабільності. UA 109236 C2 (12) UA 109236 C2 UA 109236 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до вимірювальної техніки і призначений для оцінки яскравісної температури власного радіотеплового випромінювання об'єктів різної фізичної природи, яскравісної температури внутрішніх шумів радіометра, коефіцієнта підсилення та його нестабільності. Винахід може бути використаний при вирішенні різноманітних задач в системах пасивної радіолокації, дистанційного зондування Землі, радіоастрономії, радіонавігації, радіофізики та медицини. Відома схема модуляційного радіометра (Есепкина, Н.А. Радиотелескопы и радиометры [Текст] / Н.А. Есепкина, Д.В. Корольков, Ю.Н. Парийский. - М.: Наука, 1973. - С. 365-367), що містить еквівалент антени, генератор опорної напруги, послідовно з'єднані антену, комутатор, лінійний тракт, який може бути виконаний по будь-якій із класичних схем приймальних пристроїв прямого підсилення чи супергетеродинного типу, вибірковий підсилювач низької частоти, синхронний детектор, фільтр нижніх частот та індикатор. Недоліком відомого пристрою є низька точність виміру яскравісної температури власного радіотеплового випромінювання об'єктів дослідження, низька флуктуаційна чутливість та неможливість виміру яскравісної температури внутрішніх шумів радіометра, коефіцієнта підсилення та його нестабільності. Найбільш близька по технічній суті і результату, що досягається, є схема модуляційного радіометра (Патент України № 39784 А, МПК G01R29/08, 2006.01; Заявл. 17.03.1998; Опубл. 15.06.2001, Бюл. № 5), що містить антену, вихід якої з'єднаний з першим входом першого перемикача, перший та другий еталонні генератори шуму підключені відповідно до другого та третього входу першого перемикача, перший та другий приймачі, входи яких відповідно підключені до першого та другого виходів першого перемикача, а виходи до другого перемикача, перший та другий синхронні підсилювачі, перші входи яких підключені до виходів другого перемикача, а вихід другого синхронного підсилювача з'єднаний з другим входом другого приймача, третій синхронний підсилювач, перший вхід якого з'єднаний з виходом першого приймача, генератор модулюючого сигналу вихід якого з'єднаний з керуючими входами першого та другого перемикачів та другими входами першого, другого та третього синхронних підсилювачів. Перший та другий приймачі складаються з послідовно з'єднаних лінійних трактів, які можуть бути побудовані за будь-якою із класичних схем приймальних пристроїв прямого підсилення чи супергетеродинного типу, та квадратичних детекторів. Синхронні підсилювачі є елементами низькочастотних пристроїв, які складаються з послідовно з'єднаних помножувача та інтегратора. Недоліком відомої системи є низька точність виміру яскравісної температури власного радіотеплового випромінювання об'єктів дослідження, низька флуктуаційна чутливість та неможливість виміру яскравісної температури внутрішніх шумів радіометра, коефіцієнта підсилення та його нестабільності. В основу винаходу поставлено задачу створення радіометричної системи модуляційного типу, у якій за рахунок введення нового складу елементів, та нової організації взаємозв'язків між ними, забезпечується підвищення точності виміру яскравістної температури власного радіотеплового випромінювання об'єктів дослідження, збільшення флуктуаційної чутливості та можливість виміру яскравісної температури внутрішніх шумів радіометра, коефіцієнта підсилення та його нестабільності. Поставлена задача вирішується тим, що в радіометричну систему модуляційного типу, що містить антену, перемикач, перший еталонний генератор підключений до другого входу перемикача, другий еталонний генератор, лінійний тракт приймача, вхід якого підключений до виходу перемикача, генератор модулюючого сигналу, перший вихід якого з'єднаний з керуючим входом перемикача, згідно з винаходом, введено перший ключ, вхід якого з'єднаний з антеною, а вихід з першим входом перемикача, другий ключ, вхід якого підключений до другого еталонного генератора, а вихід до третього входу перемикача, помножувач каналу оцінки корисного сигналу, перший вхід якого з'єднаний з виходом лінійного тракту приймача, а другий з першим виходом генератора модулюючого сигналу, при цьому вихід цього помножувача послідовно з'єднаний з декорелюючим фільтром каналу оцінки корисного сигналу, першим квадратичним детектором, першим інтегратором та першим входом розв'язувача, помножувач каналу оцінки еталонного сигналу, перший вхід якого з'єднаний з виходом лінійного тракту приймача, а другий з другим виходом генератора модулюючого сигналу, при цьому вихід цього помножувача послідовно з'єднаний з декорелюючим фільтром каналу оцінки еталонного сигналу, другим квадратичним детектором, фільтром нижніх частот, другим інтегратором та другим входом розв'язувача, вихід фільтра нижніх частот підключено до третього входу розв'язувача, декорелюючий фільтр каналу оцінки внутрішнього шуму, перший вхід якого підключений до виходу лінійного тракту, а другий до першого виходу генератора модулюючого 1 UA 109236 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 сигналу, при цьому вихід цього декорелюючого фільтра послідовно з'єднаний з третім квадратичним детектором, третім інтегратором та четвертим входом розв'язувача, перший вихід розв'язувача паралельно підключений до декорелюючого фільтра каналу оцінки корисного сигналу, декорелюючого фільтра каналу оцінки еталонного сигналу та декорелюючого фільтра каналу оцінки внутрішнього шуму, другий вихід розв'язувача підключений до першого індикатора, третій вихід розв'язувача підключений до другого індикатора, четвертий вихід розв'язувача підключений до третього індикатора. Заявлена система має новий склад елементів та нову організацію взаємозв'язків між ними, тобто містить нову сукупність ознак, які забезпечують нові технічні властивості системи. Технічний результат, як наслідок цих властивостей - підвищена точність виміру яскравісної температури власного радіотеплового випромінювання об'єктів дослідження, збільшена флуктуаційна чутливість та можливість виміру яскравісної температури внутрішніх шумів радіометра, коефіцієнта підсилення та його нестабільності, за рахунок використання нового складу елементів та нової організації взаємозв'язків між ними, які отримані при вирішенні оптимізаційної задачі синтезу радіометричної системи модуляційного типу. На кресленні представлена функціональна схема радіометричної системи модуляційного типу. Радіометрична система оцінювання параметрів шумового випромінювання містить антену 1, вихід якої послідовно підключений до першого ключа 2 та першого входу перемикача 3, перший еталонний генератор 41 підключений до другого входу перемикача 3, другий еталонний генератор 42 послідовно підключений до другого ключа 5 та третього входу перемикача 3, лінійний тракт приймача 6, вхід якого підключений до виходу перемикача 3, помножувач каналу оцінки корисного сигналу 71, перший вхід якого з'єднаний з виходом лінійного тракту приймача 6, а другий з першим виходом генератора модулюючого сигналу 11, при цьому вихід цього помножувача послідовно з'єднаний з декорелюючим фільтром каналу оцінки корисного сигналу 81, першим квадратичним детектором 91, першим інтегратором 101 та першим входом розв'язувача 12, помножувач каналу оцінки еталонного сигналу 7 2, перший вхід якого з'єднаний з виходом лінійного тракту приймача 6, а другий з другим виходом генератора модулюючого сигналу 11, при цьому вихід цього помножувача послідовно з'єднаний з декорелюючим фільтром каналу оцінки еталонного сигналу 82, другим квадратичним детектором 92, фільтром нижніх частот 13, другим інтегратором 102 та другим входом розв'язувача 12, вихід фільтра нижніх частот 13 підключено до третього входу розв'язувача 12, декорелюючий фільтр каналу оцінки внутрішнього шуму 83, перший вхід якого підключений до виходу лінійного тракту 6, а другий до першого виходу генератора модулюючого сигналу 11, при цьому вихід цього декорелюючого фільтра послідовно з'єднаний з третім квадратичним детектором 93, третім інтегратором 103 та четвертим входом розв'язувача 12, перший вихід генератора модулюючого сигналу 11 з'єднаний з керуючим входом перемикача 3, перший вихід розв'язувача 12 паралельно підключений до декорелюючого фільтра каналу оцінки корисного сигналу 81, докоррелюючого фільтра каналу оцінки еталонного сигналу 82 та декорелюючого фільтра каналу оцінки внутрішнього шуму 83, другий вихід розв'язувача 12 підключений до першого індикатора 14, третій вихід розв'язувача 12 підключений до другого індикатора 15, четвертий вихід розв'язувача 12 підключений до третього індикатора 16. Працює система у такий спосіб. Сигнал власного радіотеплового випромінювання s(t, ), прийнятий антеною 1, через перший ключ 2 надходить на перший вхід перемикача 3. Перемикач 3 почергово з частотою модулюючого сигналу m( t ) , сформованого на першому виході генератора модулюючого сигналу 11, підключає до лінійного тракту приймача 6 корисний сигнал s(t, ), та сигнал першого еталонного генератора 41 shot (t, ) . Сигнал m( t ) - функція меандра, яка приймає значення нуля та одиниці 50 , 1 nTm  t(n  1/ 2)Tm, m( t )   0, (n  1/ 2)Tm  t(n  1)Tm, (1) де n  0,N  1 - номер періоду модулюючої функції, Tm - період модулюючої функції, t - час. У моменти часу, коли модулююча функція приймає значення m(t )  1 корисний сигнал s( t, ) надходить на вхід лінійного тракту приймача 6, де обмежується по частоті його частотною  характеристикою K( j2f ) і змішується з внутрішніми шумами приймача n( t, ) . У моменти часу, 2 UA 109236 C2 5 коли модулююча функція приймає значення m(t )  0 на вхід лінійного тракту приймача 6 надходить сигнал першого еталонного генератора shot (t, ) , який також обмежується по частоті  частотною характеристикою K( j2f ) і змішується з внутрішніми шумами приймача n( t, ) . На виході лінійного тракту приймача 6 формуються три канали обробки суміші сигналів s( t, ) , shot (t, ) та n( t, ) : канал оцінки корисного сигналу s( t, ) , канал оцінки еталонного сигналу shot (t, ) , X) та канал оцінки внутрішнього шуму n( t, ) . За рахунок використання помножувача каналу оцінки корисного сигналу 7 1, у якому множаться суміш сигналів з виходу лінійного тракту приймача 6 та модулююча функція m( t ) , 10 15 виконується часове виділення суміші корисного сигналу s( t, ) та внутрішнього шуму n( t, ) . Для € € формування оцінки яскравісной температури корисного сигналу та внутрішнього шуму Ts  Tn коливання з виходу помножувача 71 послідовно декорелюється у декорелюючому фільтрі 81, детектується у першому квадратичному детекторі 9 1 і накопичується у першому інтеграторі 101. Результат інтегрування надходить на перший вхід розв'язувача 12 для подальшої обробки. Декорелюючий фільтр 81, який використовується для розширення смуги пропускання вхідного тракту радіометра у каналі оцінки корисного сигналу, має наступну амплітудно-частотну характеристику  2  K W ( s) ( f , t,  )  де 20 25 30  Ts 2  s 2   0,5 K( j2f )  2 2  s  n  p 2 , (2)  - яскравісна температура корисного сигналу s( t, ) , Tn - яскравісна температура T внутрішнього шуму n( t, ) , p - яскравісна температура регуляризуючої добавки, ( t ) - невідома функція, яка описує зміну коефіцієнта підсилення K 0 лінійного тракту приймача 6. Ступінь T декореляції залежить від вибору яскравісної температури регуляризуючої добавки p . Для часового виділення суміші еталонного сигналу shot (t, ) та внутрішнього шуму n( t, ) в каналі оцінки еталонного сигналу використовуєтся помножувач каналу оцінки еталонного сигналу 72, у якому множаться суміш сигналів з виходу лінійного тракту приймача 6, та модулююючий сигнал, зсунутий у часі на один період модуляції 1 m(t ) , який сформований на другому виході генератора модулюючого сигналу. Так само як і у попередньому випадку, для € € формування оцінки яскравісной температури еталонного сигналу та внутрішнього шуму Th  Tn коливання з виходу помножувача 72 послідовно декорелюються у декорелюючому фільтрі 82, детектується у другому квадратичному детекторі 92, усереднюється у фільтрі нижніх частот 13 і накопичується у другому інтеграторі 102. Результат інтегрування надходить на другий вхід розв'язувача 12 для подальшого оброблення. Декорелюючий фільтр 8 2, який використовується для розширення смуги пропускання вхідного тракту радіометра у каналі оцінки еталонного сигналу, має наступну амплітудно-частотну характеристику  2  K W (h) ( f , t,  )  35  T 2 K( j2f )  1  (t ) T ()  T  0,5T    де  Th  T 2 K( j2f )    0,5 K( j2f ) 1  ( t ) T  T   0,5T     h 2 2 2 2  h  n  p 2 , (3) - яскравісна температура еталонного сигналу shot (t, ) . Ступінь декореляції залежить T від вибору яскравісної температури регуляризуючої добавки p . Фільтр нижніх частот 13 виконує усереднення сигналів після другого квадратичного детектора 9 2. Постійна часу інтегрування TRC фільтра нижніх частот 13 повинна задовольняти двом умовам. По-перше, на 40 інтервалі (0, TRC ) функція нестабільності коефіцієнта підсилення ( t ) повинна мати постійне значення. По-друге, постійна часу TRC має бути значно меншою, ніж час накопичення 3 UA 109236 C2 інтегратора 102 T . При виконанні вказаних умов, сформована оцінка яскравісної температури € € T  Tn() суми еталонного сигналу та внутрішнього шуму на виході фільтра нижніх частот 13 h() буде залежати від значення ( t ) . Сигнали з виходу фільтра нижніх частот 13 подається на 5 10 третій вхід розв'язувача 12 для подальшої оцінки ( t ) . У канал оцінки внутрішнього шуму n( t, ) сигнали з виходу лінійної частини приймача 6 послідовно декорелюються в декорелюючому фільтрі 8 3, детектуються в третьому квадратичному детекторі 93 та накопичуються в третьому інтеграторі 103. Результат інтегрування в третьому інтеграторі 103 подається на четвертий вхід розв'язувача 12 для подальшої обробки. Частотна характеристика декорелюючого фільтру 8 3 почергово з частотою модулюючого сигналу m( t ) , який подається з першого виходу генератора 11 на другий вхід фільтра 83, змінюється відповідно до його періоду  T 2 K( j2f )    0,5 K( j2f ) 1  ( t ) T  T   0,5T     T 2 K( j2f )     0,5 K( j2f ) 1  ( t ) T  T   0,5T     2  K W (n) ( f , t,  )   2  K W (n) ( f , t,  ) 15 20 25 30  n 2 2 2  n 2 2  s 2  n  p  n  p 2 , при m(t )  1 , (4) 2 2  h 2 , при m(t )  0 , (5). Радіометрична система модуляційного типу призначена для оцінки яскравісної температури власного радіотеплового випромінювання об'єктів різної фізичної природи, яскравісної температури внутрішніх шумів радіометра, коефіцієнта підсилення та його нестабільності. Для корректного визначення та відображення оцінки ясравісної температури власного радіотеплового випромінювання об'єктів різної фізичної природи на першому індикаторі 14 та яскравісної температури внутрішніх шумів радіометра на другому індикаторі 15 необхідно виконати калібрування вимірювальної шкали цих індикаторів. Для цього до початку роботи радіометричної системи за допомогою першого ключа 2 від першого входу перемикача 3 від'єднується антена 1, а за допомогою другого ключа 5 до третього входу перемикача під'єднується другий еталонний генератор 42 і подається сигнал scold (t, ) . Яскравісна  температура еталонного генератора шуму 41 Th має значно відрізнятися від яскравісної температури еталонного генератора шуму 42 Tc . Точність виміру коефіцієнта підсилення приймача K 0 , який у подальшому використовується для калібрування вимірювальної шкали індикаторів 14 та 15, збільшується при збільшенні різниці Th  Tc . На першому вході розв'язувача 12 отримаємо значення сигналу пропорційного до величини 2 € € Yout cold  K 0 (Tc  Tn ) , (6) на другому вході розв'язувача 12 отримаємо значення сигналу пропорційного до величини 2 ˆ ˆ Yout hot  K 0 (Th  Tn ) , (7) а на третьому вході розв'язувача 12 отримаємо оцінку сигналу пропорційного до величини 2 € € € Yout n  K 0 (Th  Tc  Tn ) . (8) У роз'вязувачі 12 обчислюється значення квадрата коефіцієнта підсилення 35 яскравісної температури внутрішніх шумів радіометра Yout hot  Yout cold 2 K0    Th  Tc ; (8) Yout n    Tn   ( Th  Tc ) 2 K0 . (9). 4  Tn наступним чином 2 K0 та UA 109236 C2 Результати вимірювань 2 K0 використовують для калібрування індикаторів 14 та 15, а  Tn 5 обчислене значення для налаштування нульового значення вимірювальної шкали цих індикаторів. Після закінчення етапу калібрування радіометричної системи до першого входу перемикача 3 через перший ключ 2 підключається антена 1 та від третього входу перемикача 3 за допомогою другого ключа 5 від'єднується другий еталонний генератор 4 2. На першому вході розв'язувача 12 отримуємо оцінку яскравісної температури корисного сигналу та внутрішнього ˆ ˆ Y  0,5(T  T ) s s n . На другому вході розв'язувача 12 отримуємо оцінку шуму радіометра яскравісної температури сигналу першого еталонного генератора шуму та внутрішнього шуму 10 радіометра температури ˆ ˆ Yh  0,5(Th  Tn ) сигналу ˆ  0,5(T . На третьому вході розв'язувача 12 отримуємо оцінку яскравісної першого еталонного генератора шуму та внутрішнього шуму ˆ  T h() n() радіометра, h , які залежать від значення ( t ) . На четвертому вході розв'язувача 12 отримуємо оцінку яскравісної температури корисного сигналу, сигналу першого Y ) ˆ ˆ ˆ Y  0,5(T  T )  T 15 n s h n. еталонного генератора шуму та внутрішнього шуму радіометра Використовуючи значення оцінок кожного із каналів та результати калібрування, у розв'язувачі 12 реалізуються наступні алгоритми    ˆ ˆ ˆ ˆ Ts  2( Ys  Yh )  Th  Ts  Th Ts  Ts  Th , ˆ ˆ Tn  2Yh  Th , (10) , (11)  ˆ ˆ ˆ Y Ts   s  1(Th  Tn ), Yh   (12) ˆ   T ˆ Y T 1  (t)2  ˆ  hˆ   h(ˆ) ˆn() .  Th  Tn Th  Tn 20 (13) Оцінки отримані згідно з алгоритмами (10), (11) залежать від нестабільності коефіцієнта підсилення ( t ) . Для зменшення впливу ( t ) на результати вимірювання в кожному каналі радіометричної системи, оцінка нестабільності ( t ) подається з першого виходу розв'язувача 12 у декорелюючі фільтри 81, 82 та 83. Також з першого виходу розв'язувача 12 у декорелюючі 25 фільтри 81, 82 та 83 подається інформація о параметрах відносно значення  Th ˆ ˆ Ts , Th та ˆ Tn . Оцінка приросту ˆ Ts отримана у результаті вирішення рівняння (12) не залежить від ( t ) , але при цьому потребує інформацію о ˆ Tn . Результати оцінки ˆ Ts або ˆ Ts відображаються на ˆ Tn 30 індикаторі 14, результати оцінки на індикаторі 15, а результати оцінки ( t ) на індикаторі 16. Таким чином, заявлена система має підвищену точність виміру яскравісної температури власного радіотеплового випромінювання об'єктів дослідження, збільшена флуктуаційна чутливість та можливість виміру яскравісної температури внутрішніх шумів радіометра, коефіцієнта підсилення та його нестабільності, за рахунок використання нового складу елементів та нової організації взаємозв'язків між ними, які отримані при вирішенні оптимізаційної задачі синтезу радіометричної системи модуляційного типу. 35 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 45 Радіометрична система модуляційного типу, що містить антену, перемикач, перший еталонний генератор підключений до другого входу перемикача, другий еталонний генератор, лінійний тракт приймача, вхід якого підключений до виходу перемикача, генератор модулюючого сигналу перший вихід якого з'єднаний з керуючим входом перемикача, яка відрізняється тим, що містить перший ключ, вхід якого з'єднаний з антеною, а вихід з першим входом перемикача, другий ключ, вхід якого підключений до другого еталонного генератора, а вихід до третього входу перемикача, помножувач каналу оцінки корисного сигналу, перший вхід якого з'єднаний з виходом лінійного тракту приймача, а другий вхід з′єднаний з першим виходом генератора модулюючого сигналу, при цьому вихід цього помножувача послідовно з'єднаний з декорелюючим фільтром каналу оцінки корисного сигналу, першим квадратичним детектором, першим інтегратором та першим входом розв'язувача, помножувач каналу оцінки еталонного 5 UA 109236 C2 5 10 сигналу, перший вхід якого з'єднаний з виходом лінійного тракту приймача, а другий з другим виходом генератора модулюючого сигналу, при цьому вихід цього помножувача послідовно з'єднаний з декорелюючим фільтром каналу оцінки еталонного сигналу, другим квадратичним детектором, фільтром нижніх частот, другим інтегратором та другим входом розв'язувача, вихід фільтра нижніх частот підключено до третього входу розв'язувача, декорелюючий фільтр каналу оцінки внутрішнього шуму, перший вхід якого підключений до виходу лінійного тракту, а другий до першого виходу генератора модулюючого сигналу, при цьому вихід декорелюючого фільтра каналу оцінки внутрішнього шуму послідовно з'єднаний з третім квадратичним детектором, третім інтегратором та четвертим входом розв'язувача, перший вихід розв'язувача паралельно підключений до декорелюючого фільтра каналу оцінки корисного сигналу, декорелюючого фільтра каналу оцінки еталонного сигналу та декорелюючого фільтра каналу оцінки внутрішнього шуму, другий вихід розв'язувача підключений до першого індикатора, третій вихід розв'язувача підключений до другого індикатора, четвертий вихід розв'язувача підключений до третього індикатора. Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6