Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Мироволновые нулевые радиометрытенденции и перспективы 26
1.1. Общие сведения 26
1.2. Основные направления проектирования нулевых сверхвысокочастотных радиометров. Классификация радиометров по способу формирования и ввода регулируемого опорного сигнала 32
1.3. Структурные схемы и принципы действия радиометров с автоматической установкой нулевого баланса в высокочастотном тракте (до квадратичного детектора) 39
1.4. Структурные схемы и принципы действия радиометров с установкой нулевого баланса во входном приемном блоке 42
1.5. Структурные схемы и принципы действия радиометров с автоматическим переводом в режим нулевого приема после квадратичного детектора (в низкочастотном тракте) 53
1.6. Структурные схемы и принципы действия радиометров с делением сигналов 58
1.7. Структурные схемы и принципы действия нулевых радиометров, предназначенных для измерения электромагнитного излучения объектов, находящихся в непосредственной близости с антенной 62
1.8. Структурные схемы и принципы действия радиометров с формированием опорного сигнала из собственных шумов приемника, используя селективные свойства полосовых фильтров 67
1.9. Ограничение точности нулевых радиометров. Цели и задачи работы 71
Глава 2. Развитие метода нулевых измерений: модифицирован ный метод нулевого приема, особенности преобразования сигналов 76
2.1. Математическое описание модифицированного метода нулевых измерений с комбинированной импульсной модуляцией 77
2.2. Способ реализации модифицированного метода нулевого приема в микроволновых радиометрах 85
2.3. Обобщенная структурная схема микроволнового радиометра, использующего модифицированный метод нулевого приема 89
2.4. Анализ флуктуационной чувствительности модифицированных нулевых радиометров 97
2.5. Обобщенная математическая модель для определения флуктуационной чувствительности модифицированных нулевых радиометров 106
Выводы 110
Глава 3. Обобщенные вопросы теории и практики проектирова ния приемных устройств модифицированных нулевых ра диометров 113
3.1. Оптимальные параметры применяемых в радиометрах генераторов шума, как опорных источников сигнала 113
3.2. Структурное моделирование входных приемных блоков нулевых модифицированных радиометров 117
3.2.1. Входной блок с направленным ответвителем и вводом допол нительного опорного сигнала в тракт антенны 121
3.2.2. Входной блок с направленным ответвителем и вводом дополнительного опорного сигнала в опорный тракт 125
3.2.3. Входной блок с двумя модуляторам и 128
3.2.4. Комбинированный входной блок с направленным ответвителем 131
3.3. Применение опорных генераторов шума в базовых входных блоках. Диапазоны измерения 135
3.4. Флуктуационная чувствительность модифицированных нулевых радиометров в составе с базовыми входными блоками. Методика расчета параметров низкочастотного тракта обработки сигналов 142
3.5. Примеры определения флуктуационной чувствительности модифицированных радиометров для наиболее типичных диапазонов измерения при дистанционном зондировании природных сред 150
3.6. Применение полосовых фильтров в базовых схемах входных блоков модифицированных нулевых радиометров 162
3.7. Методика проектирования оптимального входного блока модифицированного нулевого радиометра в зависимости от требуемого диапазона измерения, стабильности, чувствительности 177
Выводы 182
Глава 4. Анализ погрешностей микроволновых модифициро ванных нулевых радиометров 186
4.1. Влияние нестабильности сигналов опорных генераторов шума 187
4.2. Погрешность нелинейности характеристики преобразования, вызванная схемой исключения постоянной составляющей 196
4.3. Оценка погрешности функционирования автоматической следящей системы 208
4.4. Динамические свойства контура автоматического регулирования нулевого баланса, вносимые искажения 212
Глава 5. Теория и практика увеличения разрешающей способ ности измерений. управление изменением динамического диапазона измерений в модифицированных нулевых радиометрах 223
5.1. Проблема регистрации сигнала во всем динамическом диапазоне его изменения 223
5.2. Способ регулировки в модифицированных радиометрах диапазона измерения формированием дополнительных периодов модуляции двух типов 225
5.3. Флуктуационная чувствительность модифицированного нулевого радиометра с возможностями изменения диапазона измерения способом ввода дополнительных периодов модуляции 238
5.4. Способ изменения диапазона измерения с помощью дополнительного периода модуляции, в котором регулируется длительность сигнала опорного генератора шума 242
5.5. Блок управления изменением диапазона измерения в модифицированном радиометре с применением однокристального микроконтроллера 254
Выводы 263
Глава 6. Сравнительный анализ практических схем. перспективные схемы модифицированных нулевых радиометров 266
6.1. Модифицированный нулевой радиометр с произвольным диапазоном
измеряемых сигналов и одним генератором шума для формирования двух
опорных сигналов 266
6.2. Модифицированный нулевой радиометр, использующий селективные свойства полосовых фильтров для измерения низких шумовых сигналов антенны 275
6.3. Модифицированный нулевой радиометр с установкой нулевого баланса в низкочастотном тракте 284
6.4. Двухканальный модифицированный нулевой радиометр 303
Глава 7. Результаты экспериментальных исследований портативных микроволновых радиометров. примеры применения 317
7.1. Внутренняя и внешняя калибровки радиометров 317
7.2. Экспериментальная оценка метрологических возможностей модифицированных радиометров 321
7.2.1. Определение чувствительности радиометров 321
7.2.2. Экспериментальное определение чувствительности модифицированных нулевых радиометров 323
7.2.3. Определение линейности передаточной характеристики модифицированных нулевых радиометров 328
7.2.4. Определение долговременной, температурной стабильности модифицированных нулевых радиометров 329
7.3. Применение модифицированных нулевых радиометров для исследо
ваний природных объектов в натурных условиях 335
7.3.1. Измерения радиояркостной температуры пресного ледяного покрова, содержащего газовые включения 336
7.3.2. Измерение излучательных характеристик пресного льда для оценки распределения концентраций высшей растительности в водоеме 340
Выводы 342
Заключение 344
Список литературы 351
Приложения 377
- Структурные схемы и принципы действия радиометров с автоматической установкой нулевого баланса в высокочастотном тракте (до квадратичного детектора)
- Способ реализации модифицированного метода нулевого приема в микроволновых радиометрах
- Структурное моделирование входных приемных блоков нулевых модифицированных радиометров
- Погрешность нелинейности характеристики преобразования, вызванная схемой исключения постоянной составляющей
Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время методы дистанционного зондирования находят применение при исследованиях различных объектов и явлений в геологии, климатологии, гидрологии, сельском хозяйстве, метеорологии, океанологии и других отраслях науки и техники. Глобальные климатические и экологические изменения концентрируют усилия исследователей вокруг таких крупномасштабных проектов, как "Миссия к планете Земля", главным элементом которого является программа "Системы наблюдения Земли". Дистанционное зондирование Земли характеризуется двумя основными тенденциями: исследование глобальных явлении, в которых участвуют все природные среды и изучение проблем взаимодействия природных сред, определяющих эволюцию экологического состояния планеты в результате антропогенного воздействия.
К ряду приоритетных задач дистанционного зондирования относятся: развитие новых технологий, включая модернизацию существующих и разработку новых измерительных систем для дистанционного зондирования, ком-плексирование измерительной аппаратуры различных типов, работающей в различных спектральных диапазонах.
Новые требования к технике дистанционного зондирования приводят к необходимости создания новых принципов построения специализированных комплексов аппаратуры. Этот раздел науки и техники охватывает как прикладные, так и фундаментальные проблемы исследований по проектированию приборов с качественно новыми характеристиками.
Важное место в дистанционных исследованиях занимает микроволновая радиометрия, как один из методов изучения различных физических явлений, происходящих внутри объектов, в природных образованиях путем проведения измерений электромагнитных колебаний в микроволновом диапазоне, создаваемых собственным тепловым излучением этих объектов.
Слабые электромагнитные сигналы тепловой природы налагают определенные условия на рабочие параметры радиометров. Прежде всего это относится к стабильности коэффициента усиления измерительного тракта и постоянству его шумов. Изменения этих параметров радиометра приводят к тому, что слабые сигналы могут быть замаскированы и не обнаружены. Особенно остро этот вопрос стоит для радиометров, используемых для изучения природных сред в натурных условиях.
Ослабление влияния дестабилизирующих факторов обычно добиваются двумя путями. Первый путь связан с глубоким термостатированием всех важнейших узлов радиометрической системы (это относится к стационарным системам, которые, например, используются в радиоастрономии), второй - с созданием новых методов и принципов работы радиометров, вследствие применения которых они становятся намного менее чувствительными к изменениям коэффициента усиления тракта и его собственных шумов.
Современные исследования природных сред, проводимые как в зимнее и летнее время, так и в межсезонье, требуют длительных (режимных) наблюдений за динамикой их поведения, например, в процессе промерзания и оттаивания почв, в ходе роста толщины льда и т.п. Для проведения непрерывного радиомониторирования необходимы JJ|WWMg5wflS9JWftA94CTeMbI.
?Э5*3
БИБЛИОТЕКА С» О»
4 которые могут стабильно работать при изменении температуры окружающей среды в широких пределах и в то же время должны быть переносными, компактными системами с незначительным энергопотреблением и с возможностью установки на различные носители: автомобили, летательные аппараты.
На практике широко распространены модуляционные радиометры благодаря простому схемному и конструктивному исполнению при приемлемой точности. Но при изучении тонких эффектов, которые требуют длительных наблюдений (недели, месяцы) за поведением природных сред в меняющихся климатических условиях, данные радиометры дают заметную погрешность, так как минимизации влияния изменений коэффициентов усиления усилителей и собственных шумов приемника в модуляционной схеме не происходит. Заметно минимизировать эти изменения можно в том случае, если применить в модуляционном радиометре нулевой метод измерений.
Ведущий замысел, трактовка нулевого метода применительно к радиометрам принадлежат Ryle М. и Троицкому B.C. Впоследствии концепция нулевого метода измерений и ее применение в микроволновых радиометрах была развита в трудах Аблязова B.C., Башаринова А.Е., Бордонского Г.С., Бородзич Э.В., Вайсблата А.В., Волохова С.А., ЕсепкинойН.А., Карлова Н.В., Кислякова А.Г., Королькова Д.В., Носова В И., ГТарийского Ю.Н., Полякова В.М.. РахлинаВ.Л., Сороченко Р.Л., СтруковаИ.А., ЭткинаВ.С, Крауса Д.Д., Hardy W.N. и др.
С созданием нулевых радиометров связан ряд успешных исследований: доказательство справедливости формулы Найквиста для спектральной плотности флуктуационных шумов сопротивлений различных материалов; в радиоастрономии - открытие рекомбинационных радиолиний, излучаемых высоковозбужденными атомами; измерение глубинной температуры биологических объектов и т. д.
Для приведения измерительной системы в режим нулевого баланса на входе радиометров применяются прецизионные регулируемые СВЧ- узлы с высокой линейностью характеристики во всем динамическом диапазоне регулировки и с повышенным быстродействием. Погрешности, возникающие от применения данных элементов во входных блоках, не позволяют полностью реализовать достоинства нулевого метода измерений. Применение в радиометре режима регулировки не амплитуды опорного сигнала, а его длительности при неизменной выходной мощности опорного генератора шума, приводит к усложнению алгоритма обработки сигналов. Поэтому для проведения выше отмеченных исследований возникла необходимость в создании новых радиометрических систем.
На основе изложенного можно сделать вывод об актуальности научно-технической проблемы, заключающейся в разработке и исследовании нового метода нулевого приема на основе комбинированной импульсной модуляции, в создании высокоточных портативных микроволновых радиометров для дистанционных исследований природных сред в натурных условиях, имеющей важное народнохозяйственное значение для перечисленных выше отраслей науки и техники.
Целью работы является решение важной научно-технической проблемы, которая касается создания портативных микроволновых радиометров для дистанционных исследований природных сред в натурных условиях и заключается в развитии теории и практики нулевого метода измерений, в разработке с применением результатов теоретических исследований новой модификации данного метода на базе комбинированной импульсной модуляции, в создании на ее основе опытных малогабаритных переносных нулевых микроволновых радиометров с улучшенными метрологическими характеристиками, такими как точность, стабильность, чувствительность.
Задачи исследований. В ходе создания комплекса портативных модифицированных нулевых радиометров для дистанционных исследований природной среды в натурных условиях ставились и решались следующие задачи:
1. Научное обоснование технических решений, направленных на по
строение портативных цифровых радиометров на базе метода комбиниро
ванной импульсной модуляции с авторегулированием нулевого баланса.
-
Создание алгоритма обработки сигналов в портативных модифицированных нулевых СВЧ- радиометрах, который позволяет при упрощении конструкции радиометров повысить точность измерений шумовой температуры антенны.
-
Нахождение передаточной характеристики модифицированных нулевых радиометров, с помощью которой устанавливается связь между шумовой температурой антенны и длительностью широтно- импульсного сигнала, управляющего модуляцией дополнительного опорного сигнала.
-
Разработка обобщенной структурной схемы радиометров, являющейся основой для создания нового класса радиометров с комбинированной импульсной модуляцией и авторегулированием нулевого баланса.
-
Анализ флуктуационной чувствительности радиометров, как одной из основных характеристик, по которой можно оценить чувствительность системы на стадии ее проектирования.
-
Создание на базе обобщенной структурной схемы радиометров базовых структурных моделей входных приемных устройств.
5. Теоретическое и экспериментальное исследование погрешностей
портативных цифровых нулевых радиометров.
6. Разработка способов изменения динамического диапазона измерения,
основанных на изменении модуляции измеряемого и опорных сигналов.
Диссертация выполнена в соответствии с программами фундаментальных исследований СО РАН: "Теория, методы и аппаратура для дистанционного изучения криогенных объектов с использованием электромагнитного излучения" (задание 3.1.8 в программе 12; 1991-1995); "Пространственно- временные закономерности распространения, развития мерзлых горных пород, льдов, криогенных процессов и явлений (тема 5.2.6, 1996-2000); общеакадемической программой фундаментальных исследований "Новые приборы и средства автоматизации научных исследований высшей категории сложности", раздел 4 "Прецизионные приборы для геофизических и экологических исследований" (приоритет 7, 1990-1991); при поддержке РФФИ,
грант 00-05-64641; фонда Сороса; федерального агентства по образованию, фант по ведомственной научной программе "Развитие научного потенциала высшей школы" (2005). Перечисленные работы относятся по перечню приоритетных направлений науки, технологий и техники РФ в части применения к разделу "Экология и рациональное природопользование", в части научно-технических решений - к разделу "Информационно- телекоммуникационные технологии и электроника".
Методы исследований. В работе использованы методы исследований, основанные на дифференциальном и интефальном исчислении, методах алгебры, теории вероятностей и математической статистики, теории линейных цепей, теории ошибок, метод эквивалентных схем, а также методы экспериментальных исследований характеристик СВЧ- радиометров
Научная новизна работы заключается в разработке новой модификации метода нулевого приема на базе комбинированной импульсной модуляции, теоретическом обосновании и создании на ее основе портативных микроволновых нулевых радиометров с более высокими техническими характеристиками. Результаты, полученные впервые:
-
Развита концепция нулевого метода измерений и ее применение в микроволновых радиометрах, ведущий замысел которой был сформулирован Ryle М., Троицким B.C. Впервые предложен и научно обоснован модифицированный метод нулевого приема на базе комбинированной импульсной модуляции с оригинальным принципом обработки сигналов, позволяющий повысить точность измерений микроволновых радиометров и выполнить радиометр многодиапазонным, упростить конструкцию и повысить надежность, уменьшить габариты, массу и снизить энергопотребление.
-
Получен алгоритм функционирования следящей системы авторегулирования нулевого баланса путем изменения длительности широтно-импульсного сигнала. Согласно этому алгоритму на выходе радиометра в первом полупериоде прямоугольной симметричной модуляции производится выравнивание вольт-секундных площадей импульсов периодической последовательности модулированных сигналов после исключения в них постоянной составляющей. Это эквивалентно процедуре выравнивания энергий сигналов на входе приемника радиометра в разные полупериоды модуляции. Индикатором равенства вольт-секундных площадей импульсов является нулевое напряжение во втором полупериоде модуляции.
-
Установлена линейная связь эффективной шумовой температуры антенны с длительностью модулированного по широтно-импульсному закону опорного генератора шума. Полученная математическая модель описывает работу различных модификаций нулевых радиометров с комбинированной импульсной модуляцией.
-
Согласно предложенной модификации метода нулевого приема разработана в общем виде структурная схема радиометра, которая является базовой схемой для создания различных нулевых радиометров с функциональными и эксплуатационными параметрами, необходимыми для портативных приборов.
-
Получены математические соотношения для определения флуктуа-ционной чувствительности различных типов нулевых радиометров, использующих комбинированную импульсную модуляцию, позволяющие решить прямую и обратную задачи по оценке чувствительности радиометра на стадии его проектирования или определить технические характеристики радиометрического приемника по заданному минимальному порогу обнаружения сигнала. Для достижения необходимого радиометрического выигрыша, с одной стороны, и обеспечения оптимальной динамики функционирования следящей системы авторегулирования нулевого баланса и накопления информации, с Другой стороны, введены два этапа низкочастотной фильтрации сигналов.
-
Предложены классификация и способы синтеза схем приемных блоков, позволяющие создавать многодиапазонные нулевые радиометры на модифицированном нулевом методе измерений. Разработаны и внедрены в практику три базовые структурные модели входных приемных устройств нулевых модифицированных радиометров, отличающиеся динамическим диапазоном измерений, обладающие повышенной температурной и временной стабильностью при простой конструкции.
-
В результате проведенного анализа выявлены основные источники погрешностей различных модификаций нулевых радиометров и получены математические соотношения для инженерного расчета этих погрешностей, что позволяет в дальнейшем либо их учитывать, либо производить компенсацию.
-
Предложены и разработаны технические реализации изменения динамического диапазона измерения в модифицированных нулевых радиометрах, которые заключаются в изменении вида модулирующей функции и комбинаций участвующих в модуляции сигналов. Это приводит к изменению только схемы цифрового блока управления, что экономически целесообразнее регулировки опорных источников шума во входном блоке радиометра.
Практическая ценность работы состоит в том, что предложенная в диссертации модификация метода нулевого приема позволяет на основе новых схемотехнических решений создавать портативные микроволновые модифицированные нулевые радиометры для дистанционных исследований природных сред в натурных условиях.
Предложены и реализованы ряд новых конструкций цифровых нулевых радиометров с комбинированной импульсной модуляцией, имеющие патентную защиту в России:
радиометр с произвольным диапазоном измерения, в котором опорные сигналы формируются одним источником шумовой мощности. Использование одного источника значительно снижает систематическую погрешность системы, повышает стабильность. Радиометр оперативно перестраивается на любой диапазон измерений;
радиометр для измерения сигналов с низкой эффективной температурой, в котором опорные сигналы формируются с использованием стабильных шумовых генераторов - согласованных тепловых нагрузок и полосовых
8 фильтров. В конструкции "согласованная нагрузка - полосовой фильтр", используя селективные свойства фильтров, удается получить опорный источник шума с низкой эффективной температурой. Значительным преимуществом является то, что в математическую модель функционирования радиометра в качестве опорной величины входит только шумовая температура согласованной нагрузки, равная ее кинетической температуре. Измеряя эту температуру прецизионными контактными методами можно осуществить точные абсолютные измерения. Дополнительно снижаются требования к точности термостатирования согласованной нагрузки;
радиометр с установкой нулевого баланса по низкой частоте. Для этого в низкочастотном тракте обработки сигнала выполняется дополнительная модуляция опорного сигнала по широтно-импульсному закону. Преимущества данного способа установки нулевого баланса заключаются в том, что позволяют реализовать нулевой метод в выполненной конструкции классического модуляционного радиометра. Для этих целей подходит любой высокочастотный входной блок и приемник модуляционного радиометра, в котором изменению подвергается низкочастотная часть. Специальным алгоритмом калибровочной процедуры радиометр настраивается на любой диапазон измерений;
двухканальный модифицированный нулевой радиометр. Использование двух, поочередно работающих, приемников позволяет измерять сигнал антенны без пропусков. Это приводит к уменьшению порога обнаружения сигнала и повышению динамических свойств системы.
Полученные результаты несомненно будут стимулировать дальнейшее развитие принципов построения радиометрических систем, создание перспективных переносных измерительных радиометров нового поколения.
Новизна предложенных технических решений подтверждается патентами РФ и авторскими свидетельствами на изобретения. Практическая значимость работы также подтверждается актами внедрения.
Реализация результатов работы. Комплекс цифровых нулевых СВЧ-радиометров для дистанционных измерений вошел в перечень важнейших научно- исследовательских работ институтов СО РАН.
Результаты диссертационной работы нашли практическое применение при дистанционных измерениях излучательных характеристик пресного ледового покрова, мерзлых грунтов, почв. Полученные результаты свидетельствуют о том, что такие измерения полезны для геологии при выявлении подповерхностных структур, в лимнологии при определении степени эв-трофности , биологической активности водоемов. Изучалась динамика сезонного промерзания и оттаивания криогенных систем различного масштаба, что является важным для предупреждения развития криогенных геологических процессов.
Внедрения в практику работ модифицированных нулевых радиометров подтверждены актами, представленными в приложении'
Главного управления природных ресурсов Министерства природных ресурсов России по Читинской области, использование при изучении вариа-
ций содержания экологически важных малых газовых и аэрозольных составляющих атмосферы;
Томского государственного университета, дистанционные исследования излучательных радиотепловых характеристик растительных покровов с целью их идентификации;
Восточного филиала Российского научно-исследовательского института комплексного использования и охраны водных ресурсов (ВостокНИИВХ), г. Чита, дистанционное определение параметров ледяных покровов рек в зоне антропогенного воздействия;
Томского государственного университета и Читинского государственного университета, применение в учебном процессе методов и разработок диссертационной работы.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах: Всесоюзной конференции по статистическим методам обработки данных дистанционного зондирования окружающей среды (Рига, 1986), 21-й Всесоюзной конференции "Радиоастрономическая аппаратура" (Ереван, 1989), Всесоюзной конференции "Методы и микроэлектронные средства цифрового преобразования и обработки сигналов" (Рига, 1989), Международном Форуме по проблемам науки, техники и образования (Москва, 2000), 8th Internationa! Symposium on Remote Sensing (Toulouse, France, 2001), 1st European Permafrost Conference (Italy, Rome, 2001). 2-й конференции геокриологов России (Москва, 2001), Всероссийской научно-практической конференции "Проблемы современной радиоэлектроники и систем управления" (Томск, 2002), The International Symposium on Optical Science and Technology. SPIE's 47th Annual Meeting (Seattle, Washington, USA, 2002), 2-й Всероссийской научно-технической конференции по проблемам создания перспективной авионики (Томск, 2003), Международной конференции "Современная радиоэлектроника в ретроспективе идей В.А.Котельникова" (Москва, 2003), Всероссийской научно-практической конференции "Электронные средства и системы управления" (Томск, 2003), 10-й Международной научно-практической конференции "Радиолокация, навигация, связь" (RLNC*2004) (Воронеж, 2004).
Основные положения, выносимые автором на защиту:
1. Авторегулирование длительности широтно- импульсного сигнала
управления дополнительным опорным источником шума в первом полупе
риоде симметричной импульсной модуляции в созданных радиометрах
обеспечивает повышение точности измерений эффективной шумовой темпе
ратуры антенны при условии исключения после квадратичного детектора в
модулированной последовательности постоянной составляющей и примене
ния индикатора нулевого баланса, привязанного по времени ко второму по
лупериоду симметричной импульсной модуляции.
2. При достижении в радиометре нулевого баланса по критерию равен
ства нулю напряжения во втором полупериоде симметричной импульсной
модуляции существует линейная зависимость между шумовой температурой
антенны и длительностью широтно-импульсного сигнала дополнительного
10 опорного источника шума в первом полупериоде симметричной импульсной модуляции, инвариантная к коэффициенту усиления измерительного тракта и его собственным шумам.
-
Обобщенная структурная схема радиометра, в основу работы которой положен алгоритм функционирования на базе метода комбинированной импульсной модуляции с авторегулированием нулевого баланса, позволяет проектировать радиометры, обладающие функциональными и эксплуатационными параметрами, необходимыми для портативных приборов, и является базовой схемой для построения нового класса микроволновых радиометрических систем.
-
Результаты теоретического анализа флуктуационной чувствительности радиометров с авторегулированием нулевого баланса на основе комбинированной импульсной модуляции в виде новых математических выражений позволяют решить прямую и обратную задачи по оценке величины минимального порога обнаружения шумового сигнала антенны на стадии структурного синтеза схемы радиометра или выполнить анализ параметров радиометров для заданной чувствительности.
-
Структурная оптимизация приемных входных блоков радиометров привела к выделению трех базовых схем, которые без применения прецизионных регулируемых СВЧ- узлов позволяют создавать многодиапазонные нулевые радиометры на основе метода комбинированной импульсной модуляции с повышенной точностью и стабильностью и с одновременным упрощением конструкции радиометров.
-
Реализация предложенных способов изменения динамического диапазона измерения в модифицированных нулевых радиометрах заключается в варьировании вида модулирующей функции и комбинаций участвующих в модуляции сигналов, что достигается изменением схемы цифрового блока управления, и в совокупности упрощает задачу практического создания радиометров, так как экономически целесообразнее регулировок опорных источников шума на входе радиометра.
Публикации. Всего по результатам выполненных исследований опубликовано 50 научных работ, в том числе: монография, 13 статей в рецензируемых отечественных журналах, включая издания РАН. Приоритет основных технических решений защищен 15 авторскими свидетельствами и патентами РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 381 страницах машинописного текста, иллюстрируется 81 рисунком, содержит 12 таблиц. Список использованной литературы включает 248 наименований.
Структурные схемы и принципы действия радиометров с автоматической установкой нулевого баланса в высокочастотном тракте (до квадратичного детектора)
В данном разделе рассмотрены радиометры, в которых нулевой баланс устанавливается в высокочастотном тракте до квадратичного детектора синхронным изменением коэффициента передачи антенного и (или) опорного сигналов в приемнике.
Достижение нулевого баланса в радиометрическом приемнике происходит изменение коэффициента усиления усилителя высокой или промежуточной частоты синхронно с сигналами модуляции так, чтобы на выходе приемника не было составляющей частоты модуляции. Этот способ известен как метод модуляции коэффициента усиления [39, 90, 91] и впервые предложен в [92]. В радиометре, использующем этот метод работы, должно выполняться условие где G/ и G2 коэффициенты усиления приемника в разные полупериоды модуляции, Тш , Та , Топ - соответствующие шумовые температуры приемника, антенны, опорного источника шума. В случае появления сигнала Тс на выходе радиометра появится составляющая частоты модуляции, равная:
Как правило, модулятор коэффициента усиления располагается после первых каскадов усилителя высокой частоты. Необходимым условием для осуществления этого метода является линейность по мощности как усилителей, так и квадратичного детектора. Радиометры с модуляцией коэффициента усиления по высокой частоте позволяют значительно снизить уровень аномальных изменений коэффициента передачи измерительного тракта. Однако дрейф усиления и шумовой температуры каскадов, предшествующих модулируемым, оказывает непосредственное влияние на точность регистрации исследуемого сигнала.
Синхронное с модуляцией изменение усиления высокочастотного тракта может быть осуществлено введением в приемник радиометра последовательно включенного устройства, уменьшающего коэффициент передачи. На рис. 1.3 представлена схема радиометра [93], в которой производится управляемое ослабление опорного сигнала. Для этого в высокочастотный тракт устанавливается стабильный пассивный управляемый аттенюатор, имеющий линейную характеристику ослабления передаваемого сигнала. Коэффициент передачи аттенюатора изменяется синхронно с переключениями входного модулятора и обеспечивает уменьшение усиления в полупериод коммутации на вход приемника эквивалента антенны - опорного генератора шума.
После модулятора М измеряемый сигнал Т0 антенны А и опорный сигнал Топ генератора шума ГШ предварительно усиливаются в усилителе высокой ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЫшЛЛОТЕКА частоты УВЧ1 приемника (предполагается Та Топ во всем диапазоне изменения Та). Перед вторым усилителем приемника УВЧ2 устанавливается управляемый аттенюатор АТТ, в котором синхронно с управляющим сигналом генератора опорного напряжения ГОН уменьшается сигнал Топ. Сигнал антенны Та проходит через аттенюатор без изменения. Плавная регулировка уменьшения передаваемого сигнала осуществляется изменением напряжения на входе управления аттенюатора. Это регулирующее напряжение поступает на аттенюатор с источника опорного напряжения ИОН через блок переключателя ПК.
С выхода квадратичного детектора КД огибающая сигналов модуляции усиливается УНЧ по низкой частоте. В синхронном детекторе СД и интеграторе И накапливается постоянная составляющая сигналов. По регистратору на выходе измерительного тракта радиометра, в отсутствие сигнала, добиваются нулевого уровня напряжения в оба полупериода модуляции регулировкой выходного сигнала источника опорного напряжения ИОН, когда на вход УВЧ1 подключается генератор шума. Это приводит к прохождению по измерительному тракту после аттенюатора сбалансированных уровней мощности измеряемого сигнала и сигнала опорного генератора шума. Изменение сигнала ан 42тенны приводит к разбалансированию схемы и появлению частоты модуляции на выходе радиометра.
В радиометре предусмотрена коррекция температурного ухода опорного сигнала генератора шума. Для этого датчик температуры ДТ непосредственно закрепляется на генераторе шума и находится с ним в тепловом контакте. Сигнал датчика отслеживает изменения температуры опорного генератора и вносит дополнительную поправку в управляющее воздействие на аттенюатор, тем самым изменяет его коэффициент передачи в зависимости от физической температуры генератора шума. Это приводит к тому, что компенсируется изменение опорного сигнала Топ от номинальной величины.
Способ установки пулевого баланса с выравниванием сигналов на входе модулятора радиометра, до приемника, является наиболее точным и поэтому представлен наибольшим количеством схем радиометров. Установка нулевого баланса на входе позволяет охватить работу всех устройств радиометра, и тем самым снизить погрешность измерений.
В статье [76] рассматривается схема нулевого спектрального радиометра, принцип работы которого основан на использовании нулевого метода приема радиоизлучения непрерывного спектра и дифференциального метода выделения спектральной линии на фоне шума постоянной спектральной плотности. Радиометр имеет широкополосный тракт и дополнительный канал усиления с узкой полосой, которая при перестройке частоты второго гетеродина перемещается по широкой полосе. При переключении с антенны на опорный генератор шума на выходе квадратичного детектора широкополосного тракта выделяется сигнал с частотой модуляции, амплитуда которого пропорциональна разности эффективных температур антенны и опорного источника, средних для полосы приема. После усиления по низкой частоте и синхронного детектирования этот разностный сигнал используется для управления мощностью компенсационного шума, подаваемого в тракт прохождения сигнала опорного источника шума. Для этого в состав радиометра входят генератор стабильного шумового сигнала и блок регулировки выходной мощности этого генератора. Отсчет измеряемой величины сигнала антенны происходит непосредственно с выхода блока регулировки, по управляющему воздействию на генератор шума.
Способ реализации модифицированного метода нулевого приема в микроволновых радиометрах
Идея реализации модифицированного метода нулевого приема состоит в следующем [128-136]. Оказывается сравнение изображенных нарис. 2.1 вольт-секундных площадей импульсов Qi(t) и Qiif) на выходе приемника радиометра после линейного усиления сигналов в высокочастотном и низкочастотном усилителях и квадратичного детектирования, которые пропорциональны энергиям сигналов на входе в различные полупериоды модуляции, эквивалентно сравнению изображенных на рис. 2.2 вольт-секундных площадей положительного Sj(f) и отрицательного S2(t) импульсов на выходе приемника, амплитуды которых пропорциональны разностям сигналов на входе приемника Т; - Т3, Tj - Т2. Действительно, если для модуляционной периодической последовательности сигналов выполнить условие, согласно которому напряжение во втором полупериоде модуляции равно нулю и нулевая временная ось проходит через сигнал с уровнем Tj, тогда для импульсов в первом полупериоде модуляции (последовательность периодическая) S](г) = (г). Так как вольт-секундная площадь положительного импульса с амплитудой /+ равна:отрицательного с амплитудой /_:тогда следует очевидное равенство:Амплитуда положительного импульса U+ прямо пропорциональна разности сигналов Т] и Т3 и находится из выражения:где GQ - полный коэффициент передачи всего измерительного тракта, включающий усиление по высокой и низкой частотам, коэффициент передачи квад 86ратичного детектора, к — постоянная Больцмана, df- полоса частот приемника, в которой измеряются сигналы. Амплитуда отрицательного импульса С/_ определяется аналогичным образом:Подставляя выражения (2.15) и (2.16) в (2.14), получим:
Откуда, после сокращений и решая равенство (2.17) относительно tulliC, получим:лизировать и устанавливать равенство энергий сигналов в смежные полупериоды модуляции на входе приемника радиометра путем соответствующего анализа и установки равенства вольт-секундных площадей положительного и отрицательного импульсов модуляционной последовательности сигналов на выходе измерительного тракта радиометра в первом полупериоде модуляции. Таким образом, можно поддерживать нулевой баланс в измерительном тракте радиометра без преобразования формы периодической модуляционной последовательности с целью выделения уровней напряжений в первом и втором по-л упер йодах модуляции.
Так как модулированная последовательность сигналов является периодической, для равенства вольт-секундных площадей импульсов на выходе приемника в первом полупериоде модуляции необходимо, чтобы во втором полупериоде напряжение было равно нулю. Это достигается операцией исключения постоянной составляющей напряжения в модулированных сигналах, что приводит к смещению оси времени (/ = t ) в область вершины импульсного сигнала Т3. Далее, необходимо выполнить вторую операцию, тестирование второго полупериода на условие равенства нулю напряжения. Условие для нулевого баланса — отсутствие напряжения во втором полупериоде модуляции -устанавливается регулировкой длительности tutuc поступления дополнительного шумового сигнала в опорный или измерительный тракты. Модифицированный метод заключается в том, что изменение tMUC будет приводить к сдвигу периодической последовательности сигналов вверх или вниз относительно нулевой оси времени, так как в сигналах исключена постоянная составляющая. Следовательно, регулировкой длительности широтно-импульсного сигнала можно осуществлять установку нулевого напряжения во втором полупериоде модуляции. Тогда, после установки нулевого потенциала длительность широт-но-импульсного сигнала, модулирующего дополнительный опорный генератор шума, будет связана с входным сигналом антенны простым линейным соотношением (2.18).
Для реализации модификации метода пулевого приема радиометр дополняется системой управления, которая автоматически поддерживает в радиометре нулевой баланс изменением длительности широтно-импульсного сигнала, управляющего временем поступления сигнала дополнительного опорного генератора шума в измерительный тракт. При этом (как было показано) выполняется баланс энергий сигналов на входе приемника радиометра в разные полупериоды модуляции, который поддерживается. Изменение сигнала антенны вызовет смещение периодической последовательности сигналов на рис. 2.2 относительно нулевой оси времени Ґ и приведет к появлению положительного или отрицательного напряжения во втором полупериоде модуляции. Произойдет разбалансировка измерительного тракта. Чтобы восстановить в радиометре нулевой баланс система управления радиометром направленно регулирует длительность широтно-импульсного сигнала, в результате чего смещается периодическая последовательность сигналов вверх или вниз относительно временной оси, так как в них исключена постоянная составляющая. Изменение длительности заканчивается, когда появляется нулевой потенциал в промежуток времени второго полупериода модуляции. Новое значение длительности широтно-импульсного сигнала будет полностью определять изменение сигнала антенны.
Структурное моделирование входных приемных блоков нулевых модифицированных радиометров
В зависимости от необходимого диапазона измерения применяют соответствующий генератор опорного сигнала. Как следует из полученной в общем виде передаточной характеристики (2.18) функционирования радиометра, в которую входят опорные сигналы, от применяемого опорного генератора непосредственно зависит стабильность работы радиометра. Таким образом, синтез входного блока модифицированного нулевого радиометра соответствующей структуры и конструкции непосредственно определяется применением того или иного генератора шумов. Меняя структуру входного приемного блока радиометра, можно получать различные диапазоны измерения. Следовательно, выбор любого диапазона-измерения можно производить во-первых, структурно, моделируя построение входного приемного блока радиометра, в котором происходит модуляция сигналов, и во-вторых, установка в конкретную струк туру входного блока различных типов опорных источников шума эквивалентно изменению границ диапазона измерения.
В соответствии с рассмотренной на рис. 2.1 диаграммой модуляции сигналов можно выполнить различные конструкции входных приемных устройств [193]. Способы синтеза этих устройств будут отличаться в зависимости от условия — подключение антенны к входу приемника происходит в первом или втором полупериодах модуляции. Если антенна коммутируется на вход приемника в первом полупериоде модуляции, к ней на время 1ШШ добавляется сигнал дополнительного генератора шума. Когда измеряемый сигнал антенны подводится к приемнику во втором полупериоде модуляции, тогда в первом полупериоде подключаются на вход приемника опорные сигналы. И здесь возможно формирование уровня сигнала Tt на временной диаграмме рис. 2.1 двумя способами. Первый способ заключается в прибавлении к первому опорному сигналу с величиной Т2 дополнительного опорного сигнала, что поднимает уровень Т2 до уровня 7/. Второй способ подразумевает использование опорных сигналов Ті и Т2, которые коммутируются на вход приемника раздельно во времени и имеют различные шумовые температуры. В соответствии с рассмотренными способами, возможен синтез трех схем входных приемных блоков радиометров. Рассмотрим принцип создания этих схем.
В любом случае во входном блоке радиометра, где осуществляется модуляция сигналов перед их поступлением на вход приемника, подвергаются модуляции только три сигнала, два из которых опорные Топ и Тдоп, вырабатываемые, соответственно, опорным генератором шума и дополнительным опорным генератором шума, а третий является измеряемым сигналом Та поступающим с выхода антенны. Комбинации этих сигналов образуют сигналы Т}, Т2, Т3 на временной диаграмме рис. 2.1. Рассмотрим возможные комбинации сигналов Топ, Тдоп, Та для формирования уровней 7/, Т2, Т3 и, в соответствии с полученными комбинациями, произведем синтез структурных схем входных блоков. Данные комбинации сигналов Топ, Тдоп, Та сведены в табл. 3.1. Т], Т2, Т3, соответствующих поз. 1 и 2 табл. 3.1, структурные схемы входных блоков могут быть построены так, как показано на рис. 3.2 [128, 194]. В составе обоих схем имеются два источника, вырабатывающие опорные сигналы: опорный генератор шума ОГШ, сигнал на выходе которого равен Топ, и дополнительный опорный генератор шума ДОГШ, образующий вместе с СВЧ-ключом канал опорного "подшумливания". Дополнительный опорный сигнал Тдоп вводится в антенный или опорный тракты через направленный ответви-тель НО. Модулятор Мявляется по отношению к СВЧ- ключу основным модулятором и попеременно коммутирует на вход приемника либо сигнал Та антенны А, либо сигнал Топ опорного генератора шума.
Для изображенной на рис. 3.2а первой схемы, сигнал дополнительного опорного "подшумливания" Тдоп вводится в тракт антенны, так как во всем диапазоне измерения сигнал антенны остается меньше опорного и выполняется условие Та Топ. Для другой схемы на рис. 3.26 измеряемый сигнал превышает опорный во всем диапазоне, т. е. Та Т0„, и, следовательно, дополнительный опорный сигнал Т оп прибавляется к сигналу опорного тракта. Для модуляции комбинации сигналов согласно поз. 3 табл. 3.1, входной блок радиометра может быть создан по схеме с двумя модуляторами [195]. В этом заключается способ реализации входного приемного блока с опорными сигналами, имеющими различные шумовые мощности и последовательно коммутируемыми на вход приемника в первом полупериоде модуляции. На рис. 3.3 приведена структурная схема входного блока с двумя модуляторами, которая синтезирована из схем, изображенных на рис. 3.2, способом замены направленного ответвителя и СВЧ- ключа на модулятор М2. В модуляторе, по управляющему сигналу tMUC , выполняется широтная модуляция опорных сигналов с низкой Топ-н и высокой ТОПів эффективными температурами, которые вырабатываются генераторами шума ОГШ1 и ОГШ2, соответственно. Симметричная модуляция сигнала антенны и выходного сигнала М2 происходит в модуляторе МІ по управляющему сигналу tMod, Модуляторы имеют одинаковую конструкцию и характеристики. Данные блоки могут различаться между собой используемыми опорными генераторами шума.
Таким образом, в результате проведенного анализа получены структурные схемы входных блоков, которые являются базовыми схемами для создания различных модификаций нулевых радиометров.
Погрешность нелинейности характеристики преобразования, вызванная схемой исключения постоянной составляющей
Анализ погрешности нелинейности связан непосредственно с анализом искажений формы импульсов, которые могут произойти в процессе передачи этих импульсов через схему исключения постоянной составляющей СИПС.
При проведении анализа рассмотрим в качестве схемы СИПС простейшую СЙ-цепь. Эта цепь представляет собой фильтр верхних частот первого порядка и поэтому для данной цепи фронт и срез прямоугольных импульсов влияют во много раз в меньшей степени на искажения формы, чем изменения вершин импульсов, которые характеризуются сколом (спадом). Будем полагать, что на схему СИПС поступают импульсы с плоскими вершинами, параллельными оси времени.
На рис. 4.1 приведены временные диаграммы первого полупериода модуляции сигналов на выходе схемы СИПС, если передача произошла без искажений (рис. 4.1а) и с искажениями (рис. 4.16) формы импульсов. На этой временной диаграмме амплитуда положительного импульса равна U+. После прохождения импульсом схемы СИПС возникнут искажения формы в виде экспоненциального спада вершины (рис. 4.16). В конце действия импульса его амплитуда уменьшится на величину dU. Следовательно, амплитуда отрицательного импульса LL, непосредственно примыкающего к положительному, после схемы СИПС будет больше на величину dU. Передача отрицательного импульса через схему исключения постоянной составляющей сопровождается также сколом вершины по экспоненциальному закону. Таким образом, так как для вершин импульсов выполняется функциональная экспоненциальная зависимость, вольт- секундные площади положительного S+ и отрицательного "_ импульсов на выходе СИПС можно определить интегрированием на соответствующих интервалах twuc и 1модЧШ1!С: где тсипс - постоянная времени схемы СИПС, равная для фильтра верхних частот первого порядка произведению CR.
Так как в радиометре поддерживается нулевой баланс установкой нулевого напряжения на выходе схемы исключения постоянной составляющей во втором полупериоде модуляции посредством регулировки длительности управляющего сигнала широтно-импульсной модуляцией в первом полупериоде, следовательно, для вольт-секундных площадей положительного и отрицательного импульсов будет соблюдаться обязательное равенство:
Производим подстановку полученных выражений (4.19), (4.20) в (4.21) и решаем относительно длительности широтно-импульсного сигнала tMUC регулирующего нулевой баланс в радиометре:
Полученное выражение (4.24) является передаточной характеристикой радиометра, работающего по принципу модифицированного нулевого метода, согласно которому происходит определение измеряемого сигнала антенны по длительности действия широтно- импульсного опорного сигнала. Это выражение применяется, если в ходе передачи периодической последовательности модулированных сигналов через схему исключения постоянной составляющей, возникли искажения формы импульсов. Если в формуле (4.24) постоянную времени цепи Тсипс выбрать много больше длительности полупериода tMOd (в этом случае будет происходить передача импульсов через схему СИПС без искажений), то мы получим ранее выведенную в гл. 2 передаточную характеристику (2.18). Отсюда следует, что с уменьшением постоянной времени фильтра верхних частот (схемы СИПС) увеличиваются искажения вольт- секундных площадей импульсов и это приводит к увеличению нелинейности преобразования (шис=ЛТа)- То есть, для повышения линейности надо увеличивать постоянную времени тсипс. Но с другой стороны, увеличение постоянной времени ухудшает быстродействие системы по регулировке нулевого баланса. Снижается скорость установки нулевого баланса после резкого изменения сигнала антенны. Вопрос выбора постоянной времени цепи схемы СИПС нуждается в более внимательном рассмотрении, которое выполнено ниже.Выражение (4.24) является общим при анализе искажений периодической последовательности модулированных сигналов. В конкретных случаях необходимо учитывать построение приемных блоков на входе радиометра. Для базовых схем на рис. 3.2 и рис. 3.3 произведем подстановку в (4.24) сигналов Т/,Т2, Т3 из (3.1), (3.6), (3.9). Тогда для базового приемного блока на рис. 3.2а будем иметь:
Для входного блока на рис. 3.26 длительность широтно-импульсного сигнала описывается выражением: Чтобы оценить влияние постоянной фильтра верхних частот тсипс на нелинейность передаточной характеристики радиометра, произведем графическое построение передаточных характеристик (4.25) - (4.27) для каждого из базовых входных блоков. В качестве примера рассмотрим диапазон измерения сигнала антенны от 50К до 350К, который является наиболее типичным при исследовании природных сред. Выберем частоту симметричной импульсной модуляции во входных блоках равной 1 кГц. Этой частоте будет соответствовать длительность полупериода модуляции tMOd=0.5uc. Построим зависимости для шести значений постоянных времени фильтра верхних частот (схемы СИПС) тсипс, равных 10, 5, 2.5, I, 0.5, 0.25 мс.На рис. 4.2 приведены, построенные по формуле (4.25), передаточные характеристики радиометра tMliC=J[Ta) в случае использования для измерений входного блока по схеме на рис. 3.2а. Из данных зависимостей следует, что отклонение характеристик от прямой линии тем больше, чем меньше постоянная фильтра схемы СИПС. На графиках рис. 4.3 показаны кривые, характеризующие погрешность нелинейности преобразования на интервале диапазона измерения. Зависимости 6ішис=і{Т ) показывают отклонение линейной передаточной характеристики (3.2) модифицированного радиометра от (4.25), учитывающей
