Перспективные микроволновые радиометрические системы на основе модифицированного метода нулевых измерений

41

функции шумовых генераторов, вырабатывающих первый опорный шумовой

сигнал Топ,1, величина которого равна физической температуре нагрузок.

Через прямые плечи циркуляторов сигналы проходят на идентичные

входы компараторов соединены с общей точкой схемы радиометра), определяют полярность напряжения. С выходов компараторов логические сигналы поступают на входы микроконтроллера. Микроконтроллер управляет работой радиометра и производит первичную обработку сигналов [136].

СН1

РП2 A ПК

Tгш

ОГШ

tаим

tшим

МК

Входной

термостатированный

блок

42

Рисунок 2.1 Структурная схема многоприемникового нулевого радиометра

На рисунке 2.2 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие принцип работы многоприемникового радиометра. Диаграммы соответствуют установленному нулевому балансу на выходах радиометрических приемников. Подключение к антенне каждого из приемных каналов выполняется согласно принципа временного разделения.

Когда вход радиометрического приемника подключается к антенне, на этом промежутке времени выполняется широтно-импульсная модуляция сигнала опорного генератора шума. Остальное время приемник подключен к согласованной нагрузке, генерирующей стабильный шумовой сигнал. Таким образом, во входном блоке радиометра синхронно выполняются два вида импульсной модуляции: амплитудная и широтная. Полный период амплитудно-импульсной модуляции делится на m временных интервалов

Таким образом, длительность периода повторения сигнала управления амплитудно-

импульсной модуляцией для одного канала составляет mtаим. В остальное время, когда приемник не подключен к антенне, сигнал Топ,1 согласованной нагрузки циркулятора,

отражаясь от закрытого входа переключателя-селектора поступает на вход приемника.

Следовательно, накопление сигнала согласованной нагрузки для каждого приемника

и согласованных нагрузок Топ,1 происходит в высокочастотном переключателе-селекторе по управляющим сигналам tаим микроконтроллера (рисунок 2.2 а). Широтно-импульсная модуляция выполняется с использованием высокочастотного ключа Кл: к сигналу антенны в направленном ответвителе добавляется из канала подшумливания модулированный по широтно-импульсному закону опорный сигнал Топ,2, равный [137]

(2.1)

где Тгш – сигнал генератора шума, Т0 – физическая температура термостатированного входного блока, l – коэффициент передачи направленного ответвителя, α – коэффициент

44

которых резистор является общим, а постоянные составляющие трех модулируемых входных сигналов (антенны, антенны + генератора шума, согласованной нагрузки)

накапливаются на временных интервалах tшим, tаим -tшим, tаим(m –1) на трех конденсаторах синхронным их подключением к общей точке схемы через управляемый электронный ключ.

функционирования многоприемникового радиометра. Алгоритм выполнения

Идея реализации модифицированного метода нулевого приема основана на установлении равенства вольт-секундных площадей положительного и отрицательного импульсов на выходе приемника (рисунок 2.2,в) [138]. Введем обозначения

где Тш – собственная, приведенная к входу шумовая температура радиометрического приемника. Амплитуды импульсов на рисунке 2.2 пропорциональны разностям сигналов Т1 – Т3 и Т3 – Т2 на входе и равны

квадратичного детектора входной мощности в напряжение, Ku – коэффициент усиления по низкой частоте, k – постоянная Больцмана, f – полоса частот приемника,

случае, если напряжение на входе компаратора приемника на временном интервале mtаим

равно нулю (на вход приемника поступает сигнал согласованной нагрузки). Тогда

После подстановки (2.2) в (2.6) получим

46

нулевой оси времени, так как в сигналах исключена постоянная составляющая.

Следовательно, регулировкой длительности широтно-импульсного сигнала можно осуществлять установку нулевого напряжения и тогда выполняется равенство (2.7),

когда сигнал антенны определяется косвенно простым линейным соотношением через длительность широтного сигнала.

Авторегулирование нулевого баланса в каждом приемном канале многоприемикового радиометра реализовано по методу следящей системы, алгоритм работы которой следующий. В каждом периоде амплитудно-импульсной модуляции компаратором происходит анализ полярности выходного напряжения на интервале времени (m–1)tаим, когда к входу приемника подключена согласованная нагрузка с шумовой температурой Топ,1. Если полярность напряжения отрицательная, то длительность широтно-импульсного сигнала увеличивается на 1 дискрет ∆t, если положительная, то длительность уменьшается на ∆t. В результате простого алгоритма авторегулирования приемник поддерживается в состоянии нулевого баланса,

обеспечивая равенство вольт-секундных площадей импульсов на выходе фильтра высоких частот.

В устройстве управления радиометром, микроконтроллере, длительность широтно-импульсного сигнала хранится в цифровом коде и изменение этого кода на

1 младший разряд соответствует изменению длительности широтно-импульсного сигнала на один дискрет ∆t. В конце временного интервала одного измерения tизм в

микроконтроллере накапливается R цифровых кодов длительности tшим, полученных после каждого периода модуляции (согласно принципа авторегулирования соседние коды отличаются на 1 младший разряд). После суммирования кодов и определения арифметического среднего значения (математического ожидания), в ходе данных вычислений получается один результат измерений. Так, если частота амплитудно-импульсной модуляции в радиометре равна 1 кГц (период 1 мс), время измерения составляет 1 с, то в процессе этого измерения происходит накопление

103 цифровых кодов длительности tшим, которые затем усредняются для получения одного результата измерения.

Как было отмечено выше, система управления микроконтроллера автоматически поддерживает в радиометре нулевой баланс изменением длительности широтно-импульсного сигнала. Изменение сигнала антенны вызовет смещение

47

периодической последовательности сигналов на рисунке 2.2 относительно нулевой оси времени и приведет к появлению положительного или отрицательного напряжения в промежутке времени (m–1)tаим амплитудной модуляции с подключенной согласованной нагрузкой на вход приемника. Произойдет разбалансировка измерительного тракта.

Чтобы восстановить в радиометре нулевой баланс, микроконтроллер направленно регулирует длительность широтно-импульсного сигнала, в результате чего смещается периодическая последовательность сигналов вверх или вниз относительно временной оси (фильтром высоких частот исключена постоянная составляющая). Изменение длительности заканчивается, когда снова устанавливается нулевой потенциал и новое значение длительности широтно-импульсного сигнала будет полностью определять новое значение сигнала антенны.

Таким образом, можно поддерживать нулевой баланс в измерительном тракте радиометра без преобразования формы периодической модулированной последовательности сигналов с целью выделения уровней напряжений, как это делается в аналоговых нулевых радиометрах.

2.4.Анализ флуктуационной чувствительности одного приемника

Флуктуации разности ∆s(t) вольт-секундных площадей изображенных на рисунке 2.2 положительного и отрицательного импульсов, вызванные шумовыми компонентами n1(t), n2(t), n3(t) сигналов Т1, Т2, Т3, постоянные составляющие которых определяются согласно (2.2), приведут к флуктуациям длительности широтно-

импульсного сигнала в каждом приемном канале при регулировании нулевого баланса.

Вычисление дисперсии параметра ∆s(t) произведем методом корреляционных функций [21, 139–142].

В ходе данного анализа влияние флуктуаций коэффициента усиления на чувствительность радиометра не рассматривается, что связано со следующими двумя причинами. Во-первых, дрейф, медленные изменения и низкочастотные флуктуации коэффициента передачи измерительного тракта, их влияние на точность измерений позволяет устранить нулевой метод измерения по определению. Во-вторых, флуктуации коэффициента усиления, спектр которых выше частоты амплитудно-импульсной модуляции в радиометре, имеют несущественную величину, так как с увеличением частоты их интенсивность уменьшается пропорционально 1/f 2,5 [21]. В работе [113]