CC BY
37
УДК 621.396.9
A.B. Филатов, H.A. Каратаева, А.Г. Лощилов, М.Ю. Громов
Использование полосовых фильтров для реализации нулевого метода измерений на базе комбинированной импульсной модуляции в микроволновых радиометрах
В статье рассмотрены микроволновые радиометры, принцип работы которых основан на модификации метода нулевых измерений. Во входном блоке радиометров выполняется дополнительная модуляция по ш и ротно-импульсному закону опорных шумовых сигналов, которые формируются с использованием селективных свойств полосовых фильтров. Показано, что через длительность широтно-импульсного сигнала управления дополнительным модулятором можно косвенно определить сигнал антенны, который связан с ней по линейному закону. Использование в радиометрах двух приемных блоков позволяет реализовать измерения сигнала антенны в различных динамических диапазонах.
В работах [1,2] приведепо описание СВЧ-радио метро в, использующих селективные свойства фильтров для формирования опорного сигнала из собственных шумов приемника. В [3J произведена оценка чувствительности этих радиометров,
В данной работе рассмотрен микроволновой радиометр, использование в котором полосовых фильтров позволило реализовать модификацию метода нулевых измерений. Как известно, данный метод обладает таким главным преимуществом, как отсутствие влияния на измерения изменений коэффициента усиления тракта [4, 5, 6]. Так как радиометр измеряет слабые электромагнитные сигналы шумового характера, он обладает высоким коэффициентом усиления, изменения которого в основном определяют точность его работы. Поэтому становится ясно, почему применение нулевого метода измерений (влияние изменений коэффициента усиления на точность измерений сведено к нулю) особенно необходимо в таких устройствах, как микроволновые радиометры.
Структурная схема нулевого радиометра включает в себя входное устройство, где происходит модуляция сигналов, радиометрический приемник, низкочастотную часть по обработке выходного сигнала приемника, блок управления (рис. 1). Радиометрический приемник осу шествляет линейное усиление промодулированных на входе сигналов по высокой частоте, квадратичное детектирование и низкочастотное усиление огибающей полученного сигнала.
Рис. 1 — Структурная схема нулевого модифицированного радиометра
Особенность построения радиометра заключается в том, что в нем реализован метод нулевых измерений на базе комбинированной модуляции, когда выполняется дополнительная широтно-импульсная модуляция одного из опорных сигналов [7, 8]. Опорные сигналы формируются с использованием селективных свойств полосовых фильтров. Для реализации данной модификации метода в низкочастотном тракте радиометра установлены фильтр верх-
них частот ФВЧ и компаратор К, осуществляющий сравнение входного сигнала с нулевым потенциалом. Основное назначение фильтра высоких частот - исключение в сигналах постоянной составляющей. Для обеспечения передачи модулированных сигналов с минимальными искажениями частота среза фильтра выбирается много меньше частоты модуляции в радиометре.
Блок управления организует работу двух модуляторов М1 и М2 во входном олоке радиометра. По поступающим с выхода блока управления сигналам переключения в первом модуляторе М1 происходят по широтно-импульсному закону, во втором М2 - по симметричному Изменением длительности импульса управления первым модулятором производится настройка радиометра на режим нулевых измерений, что относится к измерительной процедуре. Для этого используется обратная следящая связь и анализ блоком управления выходного сигнала компаратора в блоке низкочастотной обработки.
В качестве опорных генераторов шума в радиометре используются согласованные нагрузки CHI и СН2, находящиеся во входном блоке при одинаковой внутренней температуре Т[Л Так как они согласованы с элементами блока, то их эффективные шумовые температуры равны внутренней термодинамической температуре блока. Применение в радиометре согласованных нагрузок в качестве шумовых генераторов оправдало тем, что такие генераторы в отличие от полупроводниковых имеют стабильные параметры.
Первая согласованная нагрузка CHI подключается к входу модулятора М1 непосредственно, вторая СН2 подключается к другому входу этого же модулятора, но через полосовой фильтр ПФ1, имеющий полосу пропускания dfv Одним из входных сигналов модулятора М2 является измеряемый сигнал антенны А. Второй сигнал поступает на другой вход модулятора М2 с выхода модулятора М1. Модуляторы и согласованные нагрузки выполняются
идентичными.
Переключения в модуляторе М1 происходят по сигналу inrnc блока управления, имеющему переменную длительность. Модулятор М2 управляется симметричным импульсным сигналом f , скважность которого равна двум. Выход модулятора М2 подключается к входу радиометрического приемника через полосовой фильтр ПФ2, имеющий полосу пропускания частот df2. Полосовые фильтры удовлетворяют следующим двум условиям. Во-первых, полоса второго полосового фильтра ПФ2 шире полосы первого фильтра ПФ1 и определяет полосу частот, принимаемых радиометром. Во-вторых, рабочая полоса фильтра ПФ1 находится внутри полосы фильтра ПФ2. Отсюда следует, что шумовые мощности опорных сигналов и измеряемого антенного сигнала, поступающие на вход радиометрического приемника, будут соответственно оавтты [9, 10]:
WrH1 =kdf2Tn (i)
дчя первой согласованной нагрузки;
И'СН2 = Ы/1Г0 12
для второй согласованной нагрузки;
и; - kdf2Ta (3)
для сигнала антенны.
Данный радиометр измеряет сигналы антенны в пределах ^chi>wY>w/ch2-
Таким образом, в соответствии с управляющими сигналами ¿шис и t№0a (рис. 2,а,б) в первом полупериоде работы модулятора М2, когда выход М1 подключен через М2 к приемнику, на его входе будут действовать опорные сигналы согласованных нагрузок, длительность поступления которых определяется длительностью управляющего сигнала ¿Ш]5С. Когда этот сигнал активен, на вход приемника поступает первый опорный сигнал нагрузки с шумовой мощностью Wcm. Затем, по истечении времени в промежутке гЖ1Д^шйс ком-
мутируется другая согласованная нагрузка и на вход приемника поступает второй опорный сигнал с мощностью Wcm. Во втором полупериоде вход модулятора М2 подключается к
антенне с сигналом Wa.
Сформированная в модуляторах М1 и М2 периодическая последовательность сигналов далее усиливается в приемнике сначала по высокой частоте, затем, после квадратичного детектора, по низкой частоте. На рис. 2,в приведена временная диаграмма сигналов модуляции (при произвольной длительности %ис), регистрируемая на выходе фильтра высоких частот в блоке низкочастотной обработки. ФВЧ устраняет в сигналах постоянную составляющую, и на входе компаратора К действует только переменная составляющая. Так как последовательность сигналов периодическая, следовательно, для одного периода будет выполняться
равенство вольт-секундных площадей импульсов, лежащих в отрицательных и положительных областях напряжений. То есть для одного периода модуляции на рис. 2,в выполняется равенство + 53 -
Первый полупериод
Второй полупериод
S2
I I
s\ ~~! i 1 l Ь'СП!-£Л
1 ri:mc И- 5 2 ____' L -у ;£4-£/сн2: г_ ^ > t
Рис. 2 — Временные диаграммы модуляции сигналов, поясняющие принцип работы радиометра
Блок управления работает как цифровая система со следящей обратной связью. Его основной задачей является поддержание на входе компаратора К низкочастотного блока нулевого напряжения во вторую половину периода модуляции, когда по тракту проходит сигнал антенны. Эту функцию он выполняет, используя регулировку длительности (шис поступления сигнала согласованной нагрузки CHI на вход приемника, но уже в другом, первом, полупериоде модуляции. Изменением длительности широтно-импульсного сигнала (при неизменном сигнале антенны) можно смещать периодическую последовательность сигналов вверх или вниз на выходе фильтра верхних частот относительно нулевой оси времени.
Последовательность сигналов на временной диаграмме (см. рис. 2,в) указывает на недостигнутый нулевой баланс в радиометре. Радиометр будет находиться в режиме нулевых измерений, если вольт-секундная площадь импульса равна нулю. Достигнуть этого можно сдвигом временной диаграммы на рис. 2,в вниз, к нулевой линии, если увеличивать длительность широтно-импульсного сигнала imHC. Б момент S3 = 0 радиометр перейдет в режим нулевого приема. Состояние нулевого приема фиксирует компаратор. На рис. 2,г приведена временная диаграмма, где показано, что нулевой баланс достигнут при новой длительности ('шис
Для рис. 2,г амплитуды положительного и отрицательного импульсов на входе компаратора в первом полупериоде модуляции соответственно равны £/СН1 -Ь\ и Г/а lfcН2, где f7CH1, Ucm 11 ~ напряжения, пропорциональные сигналам на входе радиометрического приемника и с учетом (1)-(3) равные:
Ucni = Qkdf2T0; UCH2 QÄd/jT},; Va = Qkdf2Ts , (4)
где Я - коэффициент пропорциональности, он характеризует радиометрический приемник и равен произведению СЬКи\ С - коэффициент усиления сигналов по мощности; Ъ -- коэффициент передачи квадратичного детектора; Кц - коэффициент усиления сигналов по низкой
частоте.
В (4) не входит составляющая собственных шумов радиометрического приемника. Дело в том что фильтром верхних частот исключается постоянная составляющая сигнала. Также и собственные шумы, не подвергавшиеся модуляции, если они не изменяются на протяжении периода модуляции (скорость их дрейфа меньше частоты модуляции в радиометре), и постоянная составляющая напряжения, связанная с их действием, не будут проникать на вход
компаратора. „„.¥ТЛ
Учитывая, что вольт-секундные площади импульсов $ и на рис. 2,г равны, можно
записать:
(^СН1 - и*) гшис = - иснг И ¿моД - ¿шис) • (5>
Подставляя выражения (4) в равенство (5), будем иметь
{Qkdf%T(í -Як<1ЬТя)ГШИС = {Qkdf2Ta-QkdfiTQ){tmл-íшж)■ (6)
После сокращений, решая (6) относительно , получим:
(7)
Формула (7) является математической моделью функционирования радиометра по модифицированному методу нулевых измерений, из которой следует, что сигнал антенны можно косвенным образом определить через длительность широтно-импульсного сигнала управления модулятором М1. Эта длительность линейно связана с сигналом антенны. В модель не входит полный коэффициент передачи <5 измерительного приемника радиометра Следовательно, изменения коэффициентов С, Ъ и Ки, скорость которых не превышает частоту модуляции в радиометре, не влияют на точность измерений. Это значит, что радиометр работает по нулевому методу. На точность измерений также не влияют собственные шумы радиометра, постоянная составляющая которых отфильтровывается фильтром верхних частот.
На выход ралиометра поступает цифровой код полученный в блоке управления
преобразованием длительности широтно-импульсного сигнала в число импульсов путем
подсчета тактовой частоты.
Разрешая (7) относительно сигнала антенны, получим:
Г _Т ! ^ _ [V-^ I (8)
Из (8) следует, что радиометром можно проводить точные абсолютные измерения. Сигнал антенны Га определяется непосредственно через термодинамическую температуру согласованных нагрузок Г0. Измеряя эту температуру точными контактными методами, затем по формуле (8) рассчитывают входной антенный сигнал.
Из равенства (8) получаем минимальную и максимальную границы диапазона измерений подстановкой крайних значений длительности , равных нулю и длительности (нод:
Согласно определению < можно записать:
df2 = пб^ , (Ю)
где п> 1. С учетом (10) сигнал антенны (8), минимальная и максимальная границы диапазона измерений (9) будут равны:
то
1 , 71 ~ 1 *ШИС — +-----
п п (мод
т,
Га,Мин - —; ^а.макс - ■
Следовательно, данный радиометр может измерять эквивалентную температуру антенны, которая меньше внутренней температуры входного блока Т0. Нижняя граница определяется
соотношением полос пропускания полосовых фильтров и параметром п. Однако когда необходимо измерять сигналы антенны с высокой эффективной температурой, то в радиометре
необходимо произвести изменения схемы входного блока, оставляя без изменения все его остальные части.
Входной блок радиометра, измеряющего высокую шумовую температуру антенны представлен на рис. 3 и состоит из тех же элементов, что и входной блок радиометра на рис 1 но в данном блоке изменена конфигурация расположения элементов входной части
Рис. 3 — Входной блок нулевого радиометра для измерения высоких эффективных температур антенны
В модуляторе М1 осуществляется симметричная импульсная модуляция сигналов антенны Л и первой согласованной нагрузки CHI, шумовые температуры которых соответственно равны Та и 7V Модулятор М1 переключается поступающими на вход управления импульсами ¿мод с выхода блока управления, скважность которых равна двум (рис 4 а) ВЫХ0Да ПерЕОГО модулятора сигналы антенны и согласованной нагрузки CHI проходят через первый полосовой фильтр ПФ1, который формирует их частотную полосу, равную df,
Первый полупериод модуляции
Второй иолупериод модуляции
-и*. »
Г
Рис. 4 — Временная диаграмма работы нулевого радиометра
с входным блоком по схеме на рис. 3
Управляющий сигнал для модулятора М2 также имеет импульсный характер, но изменяется по широтно-импульсному закону (рис. 4,6). Широтно-импульсной модуляции в модуляторе М2 подвергается сигнал второй согласованной нагрузки СН2, полностью аналогичной первой нагрузке и находящейся также при температуре но этот сигнал перед поступлением на вход модулятора М2 формируется по частоте вторым фильтром ПФ2, полоса пропускания которого равна с?/?.
Мощности сигналов на входе приемника соответственно равны:
= kdflTa; = кй^, ^СН2 - к<ЦгЦ. (12)
Для достигнутого изменением длительности ¿дше нулевого приема, как следует из рис. 4,в, в первом полупериоде будет выполняться равенство вольт-секундных площадей положительного и отрицательного импульсов:
(ис,12 - ) (шис - К - гусш 10МОД - гШис} ■ (13)
Проводя аналогичные вычисления и решая (13) относительно длительности широтно-импульсного сигнала, получим:
1 - ~ Го_^_{ (14)
'ПШС "" гг 'мод '
Т0 аг2 - й^
Из формулы (14) видно, что длительность широтно-импульсного сигнала также по линейному закону связана с сигналом антенны и, следовательно, через эту длительность можно косвенным образом определить антенный сигнал.
Выражая из (14) сигнал антенны, получим:
df2 dfY %щС
(15)
^А ¿мод ,
Диапазон измерения для крайних значений длительности (ШИс~ О и будет-
определяться минимальным и максимальным значениями сигнала антенны:
^й.мин = '^я.макс = ■ (16)
Следовательно, нижняя граница Т„ „„„ определяется внутренней термодинамической температурой входного блока радиометра, верхняя 7та,маК1; зависит от соотношения полос пропускания полосовых фильтров, то есть от отношения df2/df1. Для этого отношения должно соблюдаться условие df2 > dfl, и полосы пропускания фильтров должны лежать в полосе усиления сигналов приемником, но могут не перекрываться.
Если принять = где п — положительное и больше единицы, тогда соотношения (14) и (15) примут вид:
'шис--™^^^; Га=Г0!1 + (П--1)^|. (17)
[П~ !] _ ГМ0Д J
Из (17) определяются границы диапазона измеряемых сигналов для ¿1пИС - 0 и ¿шис-
^а,мнн=^С> Т'а.маке = • (1^)
Таким образом, заменой пассивных фильтров или изменением их полос пропускания электронными методами можно достаточно просто менять диапазон измерений, его верхнюю границу.
Другим преимуществом радиометра является возможность достаточно простой организации спектральных измерений, если использовать входной блок, изображенный на рис. 3. Так как, по определению, полосу первого фильтра df■i можно выбрать достаточно узкой, а именно через этот фильтр происходит передача сигнала антенны в радиометре, то, перестраивая центральную частоту этого фильтра при неизменной ширине полосы пропускания, можно провести спектральные исследования. Естественно, что приемник должен будет иметь такую полосу усиливаемых частот, в которой происходят изменения центральной частоты первого полосового фильтра.
Радиометр с двумя входными блоками был опробован на стационарных площадках при дистанционных исследованиях грунтов в процессе их промерзания и оттаивания. Выполнены длительные режимные наблюдения, в которых радиометр показал высокую стабильность работы по сравнению с классическими модуляционными радиометрами.
Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант № 00-05-64641. Литература
1. A.c. СССР М- 587416, G01R 29/26. Компенсационный радиометр / A.A. Горбачев, В.И. Данилов. - 1978. - Бюл. № 1. - С. 138.
2. A.c. СССР .№ 1337832, G01R 29/26. Компенсационный радиометр / С.А. Волохов, -1987. - Бюл. № 34. - С. 184.
3. Волохов С.А. О чувствительности радиометров с автокомпенсацией собственных шумов / С.А. Волохов, A.A. Кочетков : препринт НИРФИ № 264. - Горький, 1988. - 22 с.
4. Троицкий B.C. Нулевой метод измерения слабых электрических флтоктуаций / B.C. Троицкий // Журнал технической физики. - 1955. - Т. 25. - №3. - С. 478-496.
5 . Hardy W.N. An S-band Radiometer Design with High Absolute Precision / W.N. Hardy, K.W. Gray, A.W. Love // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 1974. -MTT-22. - N 4. - P. 382-391.
6. Нулевой двухканальный автоматический радиометр 3-миллиметрового диапазона волн / В.И. Носов [и др.] //' Изв. вузов. Радиофизика. - 1988. - Т. 31. - № 7. - С. 785-790.
7. Филатов A.B. Модифицированный метод нулевого приема в сверхвысокочастотном радиометре / A.B. Филатов // ПТЭ. - 1996. - № 1. - С. 87-92.
8. Пат. 2211455 Российская Федерация, МПК7 G01R 29/08, G01S 13/95. Радиометр / A.B. Филатов (РФ) - 2002111041/09; заявл. 24.04.2002; опубл. 27.08.2003, Бюл. № 24.
9. Башаринов А.Е. Радиоизлучение Земли как планеты / А.К. Вашаринов, A.C. Гурвич, С.Т. Егоров, - М. : Наука, 1974. - 188 с.
10. Есепкина H.A. Радиотелескопы и радиометры / H.A. Есепкина, Д.В. Корольков, Ю.Н. Парийский. - М. : Наука, 1973. - 415 с.
Филатов Александр Владимирович
Д-р техн. наук, ст. науч. сотр., доцент кафедры теоретических освов радиотехники ТУСУРа Телефон: (3822) 41 33 98 Sji. ¡¡и : .. f;'. ,'¿¿,1;i.:
Каратаева Ника Александровна
Канд. гехн. наук, доцент кафедры теоретических основ радиотехники ТУСУРа Телефон:(3822)41 33 98
Лощнлов Антон Геннадьевич
Аспирант кафедры теоретических ослов радиотехники ТУСУРа Телефон:(3822)41 33 98
Громов Максим Юрьевич
Студент 5-го курса ТУСУРа Телефон:(3822)41 33 98
A.V. Filatov, N. A. Karatajeva, A.G. Loshilov, M.Y. Groraov
Band-pass filters are used as applies the zero-measurement pulse modulation method in the microwawe radiometers
A microwave radiometers using the modified zero receive method is described. This radiometers controls with additional post detection pulse-width modulation of the reference noise signal by adjusting the band-pass filters. Based on this duration, an antenna signal is determined. Block diagrams of the radiometer input and control units are given.
