автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Перспективный многоприемниковый микроволновый радиометр на основе модифицированного метода нулевых измерений

На правах рукописи

^Шгт"'

Убайчин Антон Викторович

ПЕРСПЕКТИВНЫЙ МНОГОПРИЕМНИКОВЫЙ

МИКРОВОЛНОВЫЙ РАДИОМЕТР НА ОСНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННОГО МЕТОДА НУЛЕВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск - 2013

005539659

005539659

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР).

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

д-р техн. наук, профессор Филатов Александр Владимирович.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Кубланов Владимир Семенович,

д-р техн. наук, профессор, Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого

Президента России Б.Н.Ельцина", руководитель научно-исследовательского медико-биологического инженерного центра высоких технологий УрФУ.

Якубов Владимир Петрович,

д-р физ.-мат. наук, профессор, Национальный исследовательский Томский государственный университет, заведующий кафедрой радиофизики.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

Институт физики им. Л.В.Киренского СО РАН, г. Красноярск.

Защита состоится " 15" октября 2013 г. в 9-00 на заседании диссертационного совета Д 212.268.01 при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) по адресу: ТУСУР, ауд. 201, Ленина пр-т, д. 40, г. Томск.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТУСУР по адресу: Вершинина ул., д. 74, г. Томск.

Автореферат разослан " ff " сентября 2013г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные составителем и заверенные гербовой печатью организации, просим высылать по адресу: Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.268.01 Филатову A.B., ТУСУР, Ленина пр-т, д. 40, г. Томск, РФ, 634050.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.268.01, д-р техн. наук, профессор

4

Филатов A.B.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В любых средствах массовой информации можно найти сообщение, касающееся изменения климата, глобального потепления, изменения уровня океанов и общего состояния окружающей среды. В мониторинге изменений и в обеспечении надежных данных для моделей огромную роль играют измерения. Многие измерения для решения экологических проблем являются особенно трудными. Их особенностью является то, что они должны фиксировать малые изменения в течение больших промежутков времени (режимные измерения). Это обстоятельство требует создания систем с высокой стабильностью измерений, как по времени (долговременная стабильность), так и при изменении условий рабочей среды, в первую очередь температуры.

Современные радиолокационные средства, устанавливаемые на самолетах и космических аппаратах, в настоящее время представляют один из наиболее интенсивно развивающихся сегментов радиоэлектронной техники. Всемирная метеорологическая организация "Международное бюро мер и весов" уделяет большое внимание микроволновым радиометрам вследствие особого интереса к дистанционным исследованиям. Дистанционное зондирование Земли, одно из основных направлений космических исследований, измерение и анализ колебаний радиотеплового излучения, являющегося гауссовым случайным процессом, в различных спектральных диапазонах позволяет решать задачи природопользования, проводить экологический мониторинг, оперативный контроль чрезвычайных ситуаций антропогенного и природного характера.

В области дистанционного зондирования Земли наблюдается неуклонный рост качественных показателей аппаратных радиосредств получения информации о земных покровах. Миниатюризация аппаратных средств, снижение энергопотребления, повышение чувствительности приемной аппаратуры позволяют оснащать спутники комплексом датчиков, способных вести непрерывный синхронный мониторинг окружающей среды. В научных исследованиях природных сред на очереди изучение более тонких эффектов и сложных состояний, что требует качественно нового уровня приборных средств и методов измерений повышенной точности.

Работы по созданию специализированной приемной аппаратуры (радиометров) для приема собственного электромагнитного излучения в радиодиапазоне берут свое начало в радиоастрономии. С этого времени и по сегодняшний день совершенствование технических характеристик радиометров привело к созданию большого количества схемотехнических решений. Среди них выделяются широко известные компенсационные радиометры, которые впервые использовали в своих экспериментах Янсий и Ребер, модуляционные радиометры, в основу работы которых положен предложенный Джке метод дифференциальных измерений, первые работы в области применения нулевого метода измерений в радиометрии, заложенные Райлом, академиком B.C. Троицким, корреляционные и балансные радиометры, радиометры, использующие в своем составе два независимых приемника,

работающие в одной полосе принимаемых частот и с одной приемной антенной — двухприемниковые модуляционные радиометры Грахама и т.д. Совершенствованию радиометрических систем посвящено много работ как отечественных, так и зарубежных исследователей, среди которых можно выделить академиков Гуляева Ю.В. и Троицкого B.C., Аблязова B.C., Башаринова А.Е., Бородзич Э.В., Вайсблата A.B., Волохова С.А., Есепкину H.A., Ипатова A.B., Карлова Н.В., Кислякова А.Г., Королькова Д.В., Кубланова B.C., Маречека C.B., Носова В.И., Парийского Ю.Н., Полякова В.М., Рахлина B.JL, Соломонова C.B., Сороченко P.JL, Струкова И.А., Эткина B.C., Крауса Д.Д., Hardy W.N. Tiuri М.Е., Hach J.P., Wilson W.J. и др.

Улучшение технических характеристик приемной аппаратуры радиометров продвигается двумя путями. Первый путь, который условно можно назвать технологическим, обусловлен прогрессом радиоэлектроники, существенным повышением качества изготовления СВЧ-элементов и узлов нового поколения, постоянно ведущейся модернизацией известных СВЧ-элементов и узлов. Второй путь связан с созданием новых схемотехнических решений построения радиометрических систем, новых принципов работы, алгоритмов обработки сигналов, позволяющих повысить характеристики точности измерений, увеличить чувствительность, долговременную стабильность, надежность, снизить массогабаритные параметры и потребляемую мощность. Разработка новых технических решений, выбор наиболее эффективных для достижения заданных функций является актуальной задачей микроволновой радиометрии.

Целью работы является создание микроволнового переносного радиометра многоприемникового типа, функционирующего согласно модификации нулевого метода измерений, основанной на синхронном выполнении двух видов импульсных модуляций - амплитудной и широтной, с авторегулированием нулевого баланса, обладающего флуктуационной чувствительностью, превосходящей чувствительность идеального компенсационного радиометра, высокой температурной и долговременной стабильностью измерений (высокой абсолютной точностью), надежностью работы.

Задачи исследования. В ходе создания многоприемникового нулевого микроволнового радиометра ставились и решались следующие задачи:

1. Анализ принципов работы, методов и алгоритмов функционирования одно- двух и многоприемниковых схем микроволновых радиометров.

2. Создание схемы нулевого многоприемникового радиометра, способа и алгоритмов его функционирования, определение передаточной характеристики и ее связь с опорными шумовыми сигналами.

3. Анализ флуктуационной чувствительности, вывод формул для ее оценки.

4. Разработка способов улучшения динамических характеристик радиометра.

5. Разработка методов и алгоритмов повышения линейности передаточной характеристики многоприемникового нулевого радиометра.

6. Определение степени влияния неидеальностей входного узла радиометра на точность абсолютных измерений.

7. Решение вопросов по алгоритму калибровки радиометра.

8. Разработка и изготовление многоприемникового нулевого радиометра.

9. Экспериментальные исследования характеристик нулевого многоприемникового радиометра на временную и температурную стабильность, флуктуационную чувствительность, линейность передаточной характеристики, сравнение с модуляционной и компенсационной схемами.

Диссертация выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (в рамках проектов 06-08-96922-р-офи, 09-08-99106-р-офи, 13-07-98009-р_сибирь_а), ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы, мероприятие 1.3.2 - Поддержка научных исследований, проводимых целевыми аспирантами (государственный контракт № 14.132.21.1432, 2012 г.), некоммерческого партнерства разработчиков инновационных технологий и участников инновационного процесса "НАИРИТ" (грант по контракту № ИК-30, 2011 г.), фонда Бортника (У.М.Н.И.К. Договор КР 8.5.6/11, 2010 г. на выполнение НИОКР).

Научно-техническая новизна работы состоит в следующем:

1. Развита концепция модификации нулевого метода измерений, основанная на базе комбинированной импульсной модуляции и новом принципе аналоговой обработки сигналов, для применения в многоприемниковых схемах микроволновых радиометров, позволяющая повысить флуктуационную чувствительность измерений, температурную и долговременную стабильность, надежность работы при автономном использовашш.

2. Для многоприемникового радиометра получен алгоритм функционирования следящей системы авторегулирования нулевого баланса путем изменения длительности широтно-импульсного сигнала и получена математическая модель, устанавливающая линейную связь эффективной шумовой температуры антенны с длительностью модулированного по широтно-импульсному закону опорного сигнала канала подшумливания.

4. Согласно предложенного алгоритма функционирования разработана структурная схема многоприемникового нулевого радиометра.

5. Получены аналитические выражения для определения флуктуационной чувствительности многоприемникового нулевого радиометра, позволяющие с достаточной для инженерной практики точностью оценить чувствительность радиометра на стадии его проектирования, определить технические характеристики радиометрических приемников по заданному минимальному порогу обнаружения сигнала.

6. Разработан алгоритм формирования управляющих широтно-импульсной модуляцией сигналов для четного и нечетного приемников многоприемникового радиометра, улучшающий линейность передаточной характеристики.

7. Проведен анализ влияния на точность измерений неидеальностсй узлов входного тракта радиометра и получены выражения для расчета максимальных отклонений от номинальных значений опорных сигналов, в результате которых изменения выходного сигнала не превышают флуктуационной чувствительности.

Новизна предложенных технических решений подтверждается патентами РФ на изобретения.

Практическая значимость работы состоит в том, что на основе нового схемотехнического решения, алгоритма функционирования и модификации метода нулевого приема создан многоприемниковый микроволновый радиометр нового типа с улучшенными характеристиками по чувствительности и стабильности измерений, обладающий высокой надежностью и имеющий патентную защиту в России, для систем дистанционного исследования природных сред в натурных условиях, в том числе бортового (воздушного, морского, космического) назначения.

Практическая значимость работы подтверждается актами внедрения.

Внедрение результатов работы. Разработанный многоприемниковый нулевой радиометр используется в задачах измерения солнечной активности в Научно-исследовательском институте "Крымская астрофизическая обсерватория" (пгт. Научный, Крым, Украина). Результаты диссертационной работы внедрены в ОАО "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнева (г. Железногорск).

Методы исследований. В работе использованы методы исследований, основанные на дифференциальном и интегральном исчислении, методах алгебры, теории вероятностей и математической статистики, теории линейных электрических цепей, теории ошибок, методах экспериментальных исследований характеристик СВЧ-радиометров.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Использование в нулевом радиометре с N приемниками метода двойной модуляции позволяет выразить измеряемый сигнал антенны косвенным образом через длительность широтно-импульсного сигнала без преобразования сигналов после квадратичного детектора (синхронного детектирования, фильтрации и т.д.), как это требуется в модуляционных радиометрах с N приемниками.

2. Полученная математическая модель оценки флуктуационной чувствительности нулевого радиометра с N приемниками, показала, что увеличение чувствительности в ,/77 раз происходит в том случае, если постоянную времени аналогового синхронного фильтра нижних частот, накапливающего первый опорный шумовой сигнал, увеличить в N—1 раз по сравнению с постоянными времени двух других фильтров, накапливающих сигнал антенны и сумму сигналов антенны и второго опорного шумового источника.

3. Разработанная схема нулевого микроволнового радиометра с 6-ю приемниками, осуществляющая прием электромагнитных сигналов на одну антенну и в одном спектральном диапазоне, в основе работы которой

используется принцип синхронно выполняемых двух видов импульсной модуляции, амплитудной и широтной, позволяет увеличить флуктуационнуго чувствительность в у[б раз, как и в классическом модуляционном радиометре с 6-ю приемниками, но в которой по сравнению с модуляционной схемой минимизируется влияние на точность измерений изменений коэффициента передачи измерительного тракта (дрейф и флуктуации). При изменении усиления измерительного тракта в 1,77 раза (что может быть вызвано температурными изменениями рабочей среды, отклонениями напряжений источников питания, временными отклонениями параметров элементов от номинальных значений и т.д.) погрешность составила: для нулевого — 0,26 %, для модуляционного - 43,6 %.

4. Применение в многоприемниковом нулевом радиометре созданного алгоритма по управлению модуляцией, согласно которому управляющий импульс широтно-импульсной модуляции следует для нечетных приемников в начале управляющего импульса амплитудно-импульсной модуляции, для четных — в конце, после определения арифметического среднего сигналов двух приемников (четного и нечетного) позволяет уменьшить погрешность нелинейности передаточной характеристики. Для диапазона измерений 50 — 350 К погрешность одного приемного канала составила — 8,3 %, при совместной работе двух приемников - 0,84 %.

Достоверность полученных научных результатов (принцип функционирования радиометра, математическая модель передаточной характеристики, формулы для оценки флуктуационной чувствительности, линейности преобразований, влияния неидеальностей узлов радиометра на точность измерений, алгоритмы калибровки) подтверждена в ходе экспериментальных исследований радиометра в лабораторных и полевых условиях.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международная научно-практическая конференция "Электронные средства и системы управления. Опыт инновационного развития" (Томск, 2007); Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Научная сессия ТУСУР-2008" (Томск, 2008); Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Научная сессия ТУСУР-2009" (Томск, 2009); VI Всеросшшская научно-техническая конференция с участием стран СНГ "Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем" (Ульяновск, 2009); IV Всероссийская конференция молодых ученых "Материаловедение, технологии и экология в 3-м тысячелетии" (Томск, 2009); Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Научная сессия ТУСУР-2010" (Томск, 2010), Международная научно-практическая конференция "Электронные средства и системы управления. Опыт инновационного развития" (Томск, 2010); Конференция молодых специалистов "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнева "Разработка, производство, испытания и

эксплуатация космических аппаратов и систем", посвященной 50-летию полета в космос Ю.А. Гагарина (Железногорск, 2011); 66-я Научная сессия, посвященная Дню радио. Российское научно-техническое общество радиотехники электроники и связи (РНТОРЭС) (Москва, 2011); 22 -я Международная Крымская конференция "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (Севастополь, Крым, Украина, 2012).

В 2008 году по итогам Всероссийского конкурса студенческих научных работ в области радиоэлектроники и связи, посвященного 100-летию со дня рождения академика В.А.Котельникова, выдан диплом IV степени и денежная премия (конкурс проводился совместно РНТОРЭС им. A.C. Попова и журналами "Радиотехника" и "Электросвязь").

Личный вклад автора. Диссертация является итогом исследований автора. Все результаты исследований получены лично автором или при непосредственном его участии. Часть статей по теме диссертации написана без соавторов.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 28 печатных работ, в том числе 9 статей в научных журнала из перечня ВАК, 6 описаний патентов РФ на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, включающего 188 наименований, и приложения. Объем текста работы составляет 139 страниц, включая 45 рисунков и 6 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цели и задачи исследования, сформулирована научная новизна, практическая значимость работы, основные положения, выносимые на защиту, перечислены мероприятия по апробации работы, представлены результаты внедрения, приведены сведения по публикациям и структуре диссертации.

В первой главе приводится описание известных радиометрических схем, которые поделены по принципу многоканальное™ (многоприемниковости). Под принципом многоканальных измерений для радиометрических систем в литературе чаще всего понимают мультиспектральные измерения, когда каналы принимают сигналы антенны в различных спектральных диапазонах (радиоспектрометрия). В данной работе многоканальность рассматривается с позиции многоприемниковости, когда все приемные каналы работают в одном спектральном диапазоне частот на общую антенну. Это позволяет повысить флуктуационную чувствительность всей измерительной системы и надежность ее работы. В зависимости от числа приемников радиометры классифицированы по группам одноприемниковых, двухприемниковых и многоприемшпеовых (с числом приемников три и более) схем.

Согласно предложенного деления, к первой группе относятся радиометры, созданные по компенсационным (радиометры полной мощности) и модуляционным (радиометры Дикке) схемам и нулевые радиометры; ко второй группе — двухприемниковые радиометры, к которым относятся

корреляционный, балансный радиометры и модуляционная схема Грахами; к третьей группе - радиометры с многими приемниками, которые чаще всего реализуются по модуляционным схемам.

Показано, что наилучшими характеристиками среди одноприемниковых схем обладают радиометры, в которых применяется нулевой метод измерений. В результате влияние на точность измерений основных дестабилизирующих факторов (вариаций постоянной составляющей собственных шумов и изменений коэффициента усиления) значительно снижено. Среди схем нулевых радиометров выделяется схема с комбинированной импульсной модуляцией и авторегулированием нулевого баланса, использующая модификацию нулевого метода: следящая система авторегулирования нулевого баланса обеспечивает прием сигналов в реальном масштабе времени; не выполняются операции по аналоговому преобразованию формы модулированного сигнала с целью выделения уровней напряжений для последующего сравнения (упрощение измерительного тракта); не требуется выполнения вычислительных операций над сигналами, их преобразования в цифровой код (отсутствие аналого-цифрового преобразователя); используется простой индикатор нулевого баланса — нулевое напряжение в заданный полупериод амплитудно-импульсной модуляции (повышение точности измерений); упрощена процедура калибровки, позволяющая осуществить более точную настройку на выбранный диапазон измерений независимо от соотношения сигналов опорного генератора шума и антенны. Обладая высокими характеристиками по абсолютной точности измерений, стабильностью параметров при изменении условий окружающей среды и долговременной стабильностью, данная схема нулевого радиометра уступает по флуктуационной чувствительности идеальному компенсационному радиометру.

В соответствии с результатами анализа выполнена постановка задачи исследований: создание нулевого радиометра с высокой стабильностью характеристик измерения шумового сигнала антенны (что присуще нулевому методу вообще) по многоприемниковой схеме с целью достижения максимально возможной флуктуационной чувствительности, близкой или превосходящей чувствительность идеального компенсационного радиометра и обеспечения высокой надежности функционирования.

Во второй главе рассмотрена запатентованная структурная схема и принцип функционирования многоприемникового радиометра, приведен алгоритм авторегулирования нулевого баланса. Выполнен анализ флуктуационной чувствительности и получены соотношения для ее расчета. Рассмотрены дштмические свойства радиометра и способ повышения линейности передаточной характеристики. Приведен алгоритм калибровки и получены выражения для определения степени влияния на точность измерений неидеальности входного тракта радиометра. Оценены границы изменения физической температуры входного блока и шумовой температуры приемника, в пределах которых изменения выходного сигнала не превышают флуктуационной чувствительности радиометра.

Многоприемниковая схема нулевого радиометра по сравнению с другими радиометрами того же класса позволяет улучшить три параметра системы -чувствительность (одна из важнейших, если не самая главная характеристика любой приемной системы), стабильность параметров радиометра во времени и при изменении температуры окружающей среды, надежность работы.

Так как целью исследований является достижение максимальной флукгуационной чувствительности, сравнимой или превосходящей чувствительность идеального компенсационного радиометра, при сохранении всех свойств по стабильности измерений, в работе детально анализируются те свойства компенсационного метода, которые позволяют достигнуть высокую чувствительность (идеальный случай). Во-первых, в компенсационном радиометре наблюдение за сигналом антенны и его накопление происходит непрерывно. Во-вторых, в компенсационной схеме сравнение измеряемого шумового сигнала антенны происходит с не шумящим сигналом — источником опорного напряжения.

В соответствии с этими требованиями предложен алгоритм функционирования многоприемникового нулевого радиометра с временным разделением каналов. Каждый приемный канал на одинаковый интервал времени подключается к антенне, в течение которого с использованием канала подшумливания выполняется широтно-импульсная модуляция сигнала опорного генератора. Если полное время подключения всех приемников к антенне равно t, то время подключения одного канала составит t/N, где N - количество приемников. Все остальное время приемник подключен к другому опорному источнику шума и накапливает его сигнал в течение продолжительного времени (N-l)t/N. Если постоянную времени интегрирования данного опорного сигнала увеличивать пропорционально интервалу наблюдения, то в результате дисперсия этого сигнала (его шумы) будет значительно уменьшена.

На рис. 1 приведена структурная схема многоприемникового нулевого радиометра, в котором используется антенна А, термостатированный входной блок, N одинаковых радиометрических приемников РП, микроконтроллер МК.

Входной блок включает установленный в тракт антенны направленный ответвитель НО, через который к сигналу антенны Та добавляется сигнал Топ,2, формируемый в канале стабильного подшумливания, состоящего из опорного генератора шума ОГШ, аттенюатора А mm и высокочастотного ключа Кл. Также в состав входного блока входят высокочастотный переключатель селектор ПК отражательного типа, с выходов которого сигналы поступают на циркуляторы Ц\, Ц2, -.., Цу, работающие в режиме вентилей. Для этого обратные плечи циркуляторов соединены с согласованными нагрузками СН\, СН2, ...,CHN. Согласованные нагрузки выполняют функции шумовых генераторов, вырабатывающих первый опорный шумовой сигнал T0„ti, величина которого равна физической температуре нагрузок.

Рис. 1. Структурная схема многоприсмннкопого нулевого радиометра

Через прямые плечи циркуляторов сигналы проходят на идентичные радиометрические приемники РПи РП2, ...,РП\г. Каждый приемник состоит из усилителя высокой частоты УВЧ, квадратичного детектора КД, усилителя низкой частоты УНЧ, синхронного низкочастотного фильтра СФ, фильтра высокой частоты ФВЧ, компаратора К. Компараторы работают в режиме Е!уль-органа, определяют полярность напряжения. С выходов компараторов логические сигналы поступают на входы микроконтроллера. Микроконтроллер управляет работой радиометра и производит первичную обработку сигналов.

На рис. 2 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие принцип работы многоприемникового радиометра. Во входном блоке синхронно выполняются два вида импульсной модуляции: амплитудная и широтная. Тракт антенны последовательно подключается на входы приемников, начиная с первого, на одинаковое время /„,„,. Длительность периода повторения сигнала управления амплитудно-импульсной модуляцией для одного канала составляет /«/„„,, (для схем с одним и двумя приемниками т = 2, если в схеме три и более приемника т = А^. Остальное время, когда приемник не подключен к антенне, сигнал Т0„1 согласованной нагрузки циркулятора, отражаясь от закрытого входа

ПК поступает на вход приемника. Следовательно, время накопления сигнала С.Н для каждого приемника равно (т-1 )/„„„.

Антенна Согласованная нагрузка

1 1 1 г 1 <—>í<-»! !„ ta,Jm-l) ^! 1 1

t

1 1 1 2 ! 1 1 1 1 ¡1

~т N 1 1 1 1 1 1 1 1 i i ! '

i Í 1 14 í^b п h г<

i i i 1 111 „ 1 III б 1 III и- 1 1 1 ! 1 1 "Ч ~Т +Т -,+Т 1 ± а ' 1 оп, 2 1 1 ш rp , rp | ¡ 1 ¡ + 1 ! ! ¡ i ! ! i 1K t

и 2 0J I л ~т +т ' J а 1 ш , • i i ' ¡ ! ^J^ tQ-Í+tunm | п 1 1 $ u. -Ti Ал t

N j t0i íAvr/J^^ tn-Í+t 1 1 '0" 1агш ! • 1 i 1 Г i лЛа j 1 /0-(/+1 \ WAV

vJ i ! 11 в. ППИГ-ПИГ-—

Рис. 2. Временные диаграммы, описывающие работу многоприемникового нулевого радиометра

Широтно-импульсная модуляция по сигналу 1шт, выполняется с использованием ключа Юг. К сигналу антенны в НО добавляется из канала подшумливания модулированный по широтно-импульсному закону опорный сигнал Топ 2, равный

Топ, 2 = [Тгшос + T0(l-a)]l + T0(l-l)-T0, (1)

где Тгш - сигнал генератора шума, То - физическая температура термостатированного входного блока, 1 — коэффициент передачи направленного

ответвителя, а - коэффициент передачи аттенюатора. Данной модуляцией устанавливается нулевой баланс в приемных каналах радиометра.

Алгоритм выполнения модификации метода нулевого приема основан на установлении равенства вольт-секундных площадей положительного и отрицательного импульсов на выходах приемников (рис. 2). Для его осуществления в приемниках установлены ФВЧ (разделительная ЛС-цепь) и определяющие полярность компараторы К. Установление нулевого баланса (индикатор баланса) - нулевое напряжения на входе компаратора при поступлении на вход приемника сигнала согласованной нагрузки -выполняется регулировкой длительности /„,„,„ в результате которого происходит сдвиг периодической последовательности сигналов на входе компаратора вверх или вниз относительно нулевой оси времени, так как в сигналах исключена постоянная составляющая. При нулевом балансе сигнал антенны определяется косвенно, простым линейным соотношением через длительность широтного сигнала, в которое не входят коэффициенты передачи измерительных приемников и их собственные шумы.

Т — Т —Т о\

аим

Согласно (2) минимальная и максимальная границы шкалы измерений имеют место для /„,„„ = !„,„, и /,„„„ = 0 и соответственно равны Та^шн = Топ1 - Т0„2 и Талакс = Т0„ 1. Следовательно, размах диапазона измерений определяется опорным сигналом канала подшумливания 7'0„ :.

В ходе анализа чувствительности одного приемника радиометра рассмотрены флуктуации разности вольт-секундных площадей изображенных на рис. 2 положительного и отрицательного импульсов, вызванные шумовыми компонентами сигналов, которые приводят к флуктуациям длительности широтно-импульсного сигнала в каждом приемном канале при регулировании нулевого баланса. Вычисления произведены методом корреляционных функций.

Показано, что при различных временных интервалах амплитудно-импульсной модуляшш, для обеспечения синхронности в накоплении шумового сигнала необходимо изменить постоянную времени той части цепи синхронного фильтра, которая накапливает данный сигнал.

Это позволяет устранить запаздывания или опережения при интегрировании сигнала. При увеличении времени накопления сигнала согласованной нагрузки до (/и-1 )/„,„„ постоянную времени цепи СФ также необходимо увеличить в (/»-1) раз соответствующим увеличением емкости конденсатора.

В результате получена формула для оценки флуктуационной чувствительности одного приемного канала

АГ1 ^опЛ(2Та + ТопЛ+ТопЛ + 4ТШ) + 2ТШ2 -Та(Та + 7~)

д/А/ттиД

где Тш — собственная, приведенная к входу шумовая температура радиометрического приемника, Л/ — полоса пропускания приемника, г - постоянная времени синхронного фильтра, R - количество накопленных с последующим усреднением в микроконтроллере цифровых кодов длительности tu„m.

Из (3) следует, что чувствительность изменяется при изменении сигнала антенны и составляет минимальную величину в середине диапазона измерений (Тв = Топ 1 — TonpJ1) _

AT1 =

2(Т0„Л+ТШ?+Щ± (4)

Л/ пиК

В процессе работы радиометра, после широтно-импульсной модуляции

следует подключение опорного сигнала согласованной нагрузки на вход

радиометрического приемника и в микроконтроллере происходит коррекция

цифрового кода длительности !ш,ш на один младший разряд (±1) для данного

приемника. После этого откорректированный код используется в

формировании следующего широтно-импульсного сигнала и также передает на

устройство накопления кодов для последующего вычисления результата

измерения - расчета среднего значения накопленных кодов за интервал

измерения (получение одного отсчета).

По принципу функционирования работа многоприемникового радиометра

схожа с работой одноканального радиометра при многократном сканировании

объекта исследования, в котором в ходе дальнейшей обработки происходит

синхронное, поточечное суммирование сканов с определением среднего.

Снижение дисперсии результирующей шумовой дорожки пропорционально

корню квадратному из числа сканов. В многоприемниковом радиометре

приемные каналы работают раздельно на одну антенну и каждый приемник

накапливает свой "скан". Полученные массивы чисел длительностей широтно-

импульсного сигнала первого приемника /1„/1Ш,ь /'„„ш.г. ••• «им,я, второго

приемника Г„/ш,.2. - -- ......N -то приемника /'„„„,.,, ,.,<:, ••• шт,я.

можно обработать двумя способами. По первому способу, после каждого

периода амплитудно-импульсной модуляции находится среднее значение (одна

1 л' 1 -V ] л' . „

точка) / -_ТУ , / -—V/' ,•••/ =—V/' • Затем,

шим,\ ~~ т.т£~1 шимА 'шт.2 ~~ х, ¿-,1 шим, 1 ЧшшД ,, иишЯ

N /=1 N ,=1 N ,=1

после получешм всех точек на одном цикле измерения, в конце рассчитывается 1 к

результат / = _ у*/ . По второму способу, после истечения времени

одного измерения рассчитываются средние значения по приемникам

1 к I к Iй

/1 , / =—V/ ,---/л' =—• Затем находится

'шш ~ г, / .11/Л/М I 'шим п (ШШ.Г ШИМ

Л ,=1 Л (=1 л 1=1

1 л' •

результат вычислением /

1ШШ жгА^ иПШ

м 1=1

В ходе обработки сигналов всех приемников флуктуационная чувствительность многоприемникового радиометра возрастает в корень квадратный из числа приемников и равна

ДГ1

АТ = -^==-> (5)

где Д74 определяется соотношением (3).

Таким образом, формулы для оценки флуктуационной чувствительности многоприемникового радиометра нулевого типа и ее минимального значения имеют вид

Гол.,(27-п + ТопЛ +Тог2 -Та(Та +Топ2) ЛГ---, _I__, (6)

л/Аг^АрстЯ

Д Т __(7)

1—*4 чтп* II _ 4 '

Щ(ттЯ.

В формулах (6) и (7) учтен разброс Тш от приемника к приемнику.

Предложен способ повышения динамических характеристик радиометра, согласно которому на интервале подключения согласованной нагрузки к входу приемника съем сигнала производится не единожды, а несколько раз, и дальнейшая обработка сигналов компаратора выполняется по мажоритарному принципу. Это позволило изменять код длительности широтно-импульсных сигналов не на один дискрет, а сразу на несколько дискретов. В ходе моделирования и практических реализаций сделан вывод о том, что количество анализов полярности напряжения на входе компаратора желательно делать равным количеству приемников. В этом случае, с одной стороны, не происходит большого перерегулирования и с другой стороны, не возникают большие задержки в установлении сигнала.

Выполнен анализ влияния постоянной времени тфвч ФВЧ на запаздывание в контуре управления длительностью широтно-импульсного сигнала. Для постоянной составляющей данный фильтр является интегрирующим звеном. Искажения формы импульсов, передаваемых через эту цепь, в виде спада вершин (сколов) этих импульсов влияют на линейность передаточной характеристики радиометра. Если от г синхронного фильтра зависит чувствительность радиометра, то от тфвч - линейность передаточной характеристики. Для повышения скорости отработки изменений сигнала антенны контуром автоматического регулирования нулевого баланса постоянную времени гФВЧ необходимо уменьшать. В схеме с одним приемником это приведет к увеличению погрешности нелинейности характеристики преобразования.

В работе описан способ, применение которого в многоприемниковом радиометре позволяет уменьшить погрешность нелинейности передаточной

характеристики. Он заключается в создании радиометра с четным количеством приемников, для которых, например, для нечетных каналов широтно-импульсный сигнал вырабатывается в конце интервала /„„„, для четных - в начале интервала /„,„,. Тогда погрешности нелинейности передаточных характеристик четных и нечетных приемных каналов будут иметь близкие по модулю значения, но разные знаки. В результате последующего усреднения значений выходных сигналов приемников удается получить результирующую характеристику с хорошей линейностью при больших погрешностях отдельных каналов.

Получены формулы для расчета результирующей передаточной характеристики двух приемников радиометра при заданных значениях тФвч и максимальных значений погрешности нелинейности. Результаты моделирования приведены на рис. 3,4.

Приведен алгоритм калибровки многоприемникового нулевого радиометра, который заключается в переносе эталонных сигналов на внутренние опорные источники шума, где они "запоминаются", реализованный в полуавтоматическом режиме под управлением микроконтроллера с применением цифроаналоговых преобразователей.

Калибровка выполняется в два этапа и начинается с подключения на вход радиометра эталона, определяющего верхнюю границу диапазона измерения. На этом этапе калибровки сигнал подшумливания выключен. Регулировка сигнала Т0„л производится одновременно по всем приемным каналам изменением температуры согласованной нагрузки (изменение температуры локального нагревателя). Для каждого приемника регулировка температуры СН осуществляется до момента исчезновения частоты модуляции на входе компаратора (данная регулировка аналогична работе аналогового нулевого радиометра, на выходе компаратора будут случайно повторяющиеся переходы между уровнями логического нуля и единицы).

Рис. 3. Результирующие передаточные характеристики двух приемников радиометра для Тфвч ■ 1 - Юме, 2 - 5мс, 3 - 2,5мс, 4 - 1мс, 5 - 0,5мс,

Та [К| 6 - 0,25мс (пунктирная линия - передаточная характеристика

одного приемника для

50 150 250

250 350 постоянной времени 0,25 мс)

0 т-1—-■-1—

500 2500 4500 6500 8500

ГФВ9[мкс] ц _ оди„ приемник, 2 - два

* приемника)

Рис. 4. Зависимости

максимального значения

погрешности нелинейности от постоянной времени ФВЧ

На втором этапе подключается эталон, определяющий нижнюю границу диапазона и сигнал 1шт, устанавливается равным !„„_,, (канал подшумливания постоянно включен).

Во входном блоке осуществляется регулировка сигнала подшумливания Т0,а изменением тока, протекающего через активную зону полупроводникового генератора шума. Так как в радиометре канал подшумливания один на все приемники, регулировка Топр_ производится по всем каналам последовательно. Настройка производится аналогично первому этапу. В микроконтроллере формируются для каждого приемного канала свои цифровые коды опорных сигналов, которые в процессе работы поступают в канал подшумливания.

Проведено моделирование влияния неидеальности входного тракта на точность измерений. На рис. 5 приведен фрагмент структурной схемы входного блока радиометра, в которой учтены основные неидеальности узлов: потери в переключателе ПК и циркуляторе Ц (коэффициенты передачи соответственно Щ, сь); ответвление части сигнала антенны в канал подшумливания (коэффициент связи / направленного ответвителя НО)\ отражение разомкнутого ключа ПК отражательного тина - коэффициент отражения по мощности) и не полное согласование нагрузки С77, включенной в обратное плечо Ц{Г2).

Получена формула передаточной характеристики с учетом неидельностей элементов входного узла

t....... =

Топ,2а

(8)

Та

Т0, I Т0, dj Tg, а? f

Вход

где То - температура входного блока в градусах Кельвина.

Рис. 5. Фрагмент структурной схемы входного тракта

Показано, что в процессе калибровки радиометра, при

НО

t Tm

! оп,2 канал подшумливания

1 —K>-i Ц

ПК fi ! \

C.H

УВЧ

Г2 Топ,1

настройке сигналов Топ Х и Tolh2, учитываются неидеалыюсти тракта.

Следовательно, требованием для обеспечения точности измерений является сохранение параметров узлов в процессе работы, обеспечение постоянства Т0 и Тш на момент калибровки радиометра, что заключается в решешш вопросов по обеспечению стабильности измерений, как во времени, так и при изменении температуры рабочей среды. Получены выражения для оценки границ этих изменений, а также для канала подшумливания (вариации сигнала генератора шума (1)), в пределах которых изменения выходного сигнала не превысят флуктуационную чувствительность радиометра

<5Г0 =

топЛгх

4Z(l-al)

,5Г,„ =-

оп,2

4ZT\

Sl\„. =

on,1

2Zccl

(9)

где 2 - цифровой эквивалент длительности импульса ?„,„„ равный 2", п — количество разрядов цифрового кода длительности /,„,„,.

Вполне понятно, что создание радиометров по многоприемниковым схемам приводит к увеличению габаритов, веса и потребляемой мощности. Но, с одной стороны, в многоприемниковых схемах повышается "живучесть" системы, ее надежность, что является особенно важным для автономного базирования, где нет возможности оперативного восстановления системы (ее ремонта). Например, космическое базирование, системы специального назначения, высокоприоритетные, требующие безотказной работы. Отказ одного из приемников не значительно снижает ее флуктуационную чувствительность при сохранении полной работоспособности. С другой стороны, развитие нанотехнологий, гибридных интегральных схем, создание радиометрических каналов на подложке позволяет получить многоприемниковые радиометры без особого увеличения габаритов, веса и потребляемой мощности во всем микроволновом диапазоне.

В третьей главе в соответствии со структурной схемой (рис. 1) приведено описание разработанного и изготовленного шестиприемникового нулевого радиометра дециметрового диапазона длин волн с центральной частотой 2,27 ГГц и полосой принимаемых сигналов Д/=65 МГц.

Входной блок создан в виде микромодуля на несимметричных микрополосковых линиях. При проектировании входного блока учитывались требования минимизации потерь в СВЧ компонентах для уменьшения собственных шумов системы, массогабаритные показатели. Приведены конструкции разработанных узлов, схем управления генератором шума и локальными нагревателями согласованных нагрузок циркуляторов. Входной блок поддерживается при постоянной температуре +45° С с точностью ±0,031 °С при изменении температуры окружающей среды в пределах от -20 до +30° С со скоростью, не превышающей 10° С/ч. Время выхода на рабочий режим при температуре окружающей среды 0° С составляет » 6 минут.

Радиометрические приемники выполнены по схеме прямого усиления. Прямое преобразование заметно снижает уровень собственных шумов, имеет простую схемную реализацию, стабильные характеристики. Современная элементная база позволяет создавать приемники радиометров по схемам прямого усиления включая миллиметровый диапазон. Все элементы приемника до квадратичного детектора выполнены по гибридно-полосковой технологии на одной подложке. Благодаря развязкам по питанию и управлению, тщательной отработке топологии платы и экранированию уровень собственных шумов радиометрического приемника удалось значительно снизить.

Рассмотрен цифровой блок управления на базе микроконтроллера. Приведена структура блока и алгоритм функционирования. Микроконтроллер в реальном масштабе времени выполняет функции генерирования управляющих сигналов для импульсных модуляций, управляет мощностью сигнала опорного генератора шума канала подшумливания, выполняет коммутацию ключей в синхронных фильтрах, производит съем выходных сигналов приемников, выполняет предварительную математическую обработку данных (накопление,

расчет среднего, дисперсии и т.д.), выводит данные и служебную информацию на жидкокристалл1гческий индикатор, определяет состояние системы термостатирования входного блока, обменивается командами и данными с ЭВМ. Выбор архитектуры микроконтроллера обусловлен требованиями жесткой временной синхронизации работы приемных каналов. Управляющие входные и выходные сигналы микроконтроллера гальванически развязаны с входным блоком и приемниками.

В конце главы проведен расчет шумовой температуры приемников с учетом шумов усилительной части и входного узла. Получена флуктуационая чувствительность, которая для одного приемника составила 0,075 К при времени измерения 0,5 с и всего радиометра 0,031 К. Полученные в результате расчетов численные данные показывают, что применение только четырех приемников уже позволяет получить чувствительность, близкую к чувствительности идеального компенсационного радиометра.

В четвертой главе получены экспериментальные результаты испытаний разработанного шестиприемникового нулевого радиометра. Экспериментальные исследования заключались в проверке радиометра на флукгуационную чувствительность, долговременную и температурную стабильность, определение линейности передаточной характеристики во всем динамическом диапазоне, оценке влияния на точность измерений отклонений коэффициентов усиления приемников от номинальных уровней.

Внутренняя калибровка радиометра выполнялась при помощи разработанного специализированного калибратора. С применением данного калибровочного узла, первоначально радиометр был откалиброван на диапазон 50,97 -351,1 К.

После проведения калибровки, для определения флуктуационной чувствительности всего радиометра и отдельно по каналам на вход подавался шумовой сигнал от калибровочного узла, величина которого соответствовала середине диапазона измерений (к 200 К). В этом случае, чувствительность приемных каналов радиометра составляет минимальную величину.

Найденные в ходе экспериментов минимальные порош обнаружения сигнала подтвердили сделанные теоретические выводы о характере изменения чувствительности многоприемникового радиометра в зависимости от числа приемных каналов, получено удовлетворительное совпадение теоретических расчетов с экспериментальными результатами.

Интегральные значения погрешности нелинейности одного приемного канала при постоянных времени ФВЧ 3,4, 0,62 и 0,14 мс, соответственно составили 8,3, 12,9 и 23,4 %, двух приемных каналов - 0,84, 2,6 и 6,7 %. То есть, линейность совокупной передаточной характеристики возрастает в 5 10 раз, что согласуется с данными результатов теоретических исследований.

Испытания нулевого радиометра в сравнении с обычным модуляционным радиометром показали, что при изменении усиления измерительного тракта приемника в 1,77 раза в модуляционном режиме работы погрешность составила 43,6 %, в нулевом - 0,26 %.

Погрешности при температурных испытаниях для компенсационного, модуляционного и нулевого методов соответственно оказались равными 7,7, 2,9 и 0,32 %. При определении долговременной стабильности для трех методов погрешности составили 4,1, 1,1 и 0,14 %.

Таким образом, подтверждена адекватность теоретических результатов и выводов с полученными экспериментальными данными.

Заключение. Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. Развита концепция нулевого метода измерений для ее применения в микроволновых многоприемниковых радиометрах, позволяющая повысить флуктуационную чувствительность без криогенного охлаждения входных (первых) усилителей, стабильность характеристик во времени и при изменении температуры окружающей среды, надежность работы. Предложена схема построения многоприемникового радиометра с применением модификации метода нулевых измерений на базе комбинированной импульсной модуляции -амплитудной и широтной, со следящей системой авторегулирования нулевого баланса и значительным упрощением измерительного тракта после квадратичного детектора.

2. Получена математическая модель передаточной характеристики многоприемникового радиометра. В отличии от традиционного нулевого метода предложенная модель позволяет определить сигнал антенны косвенно по длительности импульса широтно-импульсного сигнала канала опорного подшумливания без преобразований сигналов в низкочастотном тракте.

3. Выполнен анализ флуктуационной чувствительности многоприемникового нулевого радиометра, получены математические модели для ее оценки. Показано, что с увеличением приемников в радиометре чувствительность растет пропорционально корню квадратному из их числа. Применение четырех приемников позволяет увеличить чувствительность в два раза и она становится близкой к чувствительности идеального компенсационного радиометра. Применение многоприемниковой схемы позволило перекрыть потери во входном блоке радиометра и оправдать наличие во входном блоке модуляции, которая, по определению, ухудшает свойства по чувствительности, но без которой нельзя обойтись, если поднимается вопрос по стабильности функционирования радиометра.

4. Предложен способ повышения линейности передаточной характеристики в многоприемниковом радиометре, который заключается в специальном алгоритме формирования модулирующих сигналов широтно-импульсной модуляции для четного и нечетного приемников.

5. Проведены расчеты по оценке потерь и других неидеальностей входного узла радиометра на точность измерений. Получены соотношения для определения границ изменения опорных сигналов, в которых отклонения выходного сигнала не превышают заданного минимального порога обнаружения сигнала.

6. Разработан многоприемниковый нулевой радиометр и исследованы его основные характеристики. Основные технические решения имеют патентную защиту в России.

7. Предложена процедура оперативной калибровки многоприемникового радиометра и произведена оценка инструментальной погрешности данных в ходе экспериментальных исследований на температурную и долговременную стабильность, линейность передаточной характеристики.

В приложении содержатся документы о внедрении результатов работы.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Основное содержание работы отражено в 28 работах, в числе которых следующие:

Статьи в журналах из перечня ВАК

1. Филатов A.B., Убайчин A.B., Бомбизов A.A. Двухприемниковый микроволновый радиометр с высокой линейностью передаточной характеристики // Измерительная техника. -2012. -№ 1. - С. 37-41.

2. Убайчин A.B. Инвариантность нулевых радиометров с цифровым управлением подшумливанием к нелинейности уравнивающего генератора шума на лавинно-пролетном диоде // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. -2012. -№ 2(26), часть 1.-С. 87-91.

3. Убайчин A.B. Линейность передаточной характеристики нулевых радиометров с комбинированной импульсной модуляцией при высоком динамическом диапазоне измеряемых шумовых температур // Известия вузов. Физика. - 2012. - Т.55, № 9/3. - С. 130-134.

4. Филатов A.B., Убайчин A.B., Параев Д.Е. Применение концепции нулевого метода измерений в микроволновых радиометрах. // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. - 2011. - № 4. -С. 41-55.

5. Филатов A.B., Убайчин A.B. Динамические свойства цифровой радиометрической системы и эффективность ее работы // Измерительная техника. - 2011. - № 10. - С. 39^2.

6. Филатов A.B., Убайчин A.B., Параев Д.Е. Микроволновый четырехканальный нулевой радиометр L-диапазона//Приборы и техника эксперимента. - 2012. - № 1. С. 67-75.

7. Убайчин A.B. Оценка возможности определения тепловых аномалий по собственному электромагнитному излучению в непроводящих средах // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники.-2011.-№ 2 (24), часть 1.-С. 122-127.

8. Филатов A.B., Убайчин A.B., Жуков Н.О. Двухканальный радиометр повышенной точности // Радиотехника. - 2011. -№ 1. - С. 47-53.

9. Филатов A.B., Убайчин A.B. Метод авторегулирования нулевого баланса в радиометрических системах // Нелинейный мир. - М.: Радиотехника. - 2010. - Т. 8, № 04. - С. 220-234.

Патенты

10. Патент №2460081 РФ. МПК G01R 29/08. Многоканальный нулевой радиометр / A.B. Филатов, A.B. Убайчин. - Приоритет от 23.11.2010. - заявка № 2010147776/28. - Опубл. в Бюл. №24, 2012. - С. 253.

11. Патент №2439595 РФ. G01R 29/08. Радиометрический измеритель коэффициента отражения / A.B. Филатов, A.B. Убайчнн. - Приоритет от 04.08.2010. -№ 2010132764/28. - Опубл. в Бюл. №1, 2012. - С. 157.

12. Патент №2439594 РФ, МПК G01R 29/08. Нулевой радиометр / A.B. Филатов, A.B. Убайчин, Н.О. Жуков. - Приоритет от 01.06.2010. - заявка № 2010122360/28. - Опубл. в Бюл. №1, 2012. - С. 133.

13. Патент №2431856 РФ. G01R 29/08. Радиометр для исследования объектов, непосредственно прилегающих к антенне / A.B. Филатов, A.B. Убайчин. - Приоритет от 01.06.2010. -№ 2010122330/28. - Опубл. в Бюл. №29, 2011.-С. 240.

14. Патент №2393502 РФ, МПК G01R 29/26, G01S 13/95. Двухканальный нулевой радиометр / A.B. Филатов, A.B. Убайчин, O.A. Сербинов. - Приоритет от 08.12.2008. - заявка № 2008148402/09. - Опубл. в Бюл. №18, 2010. - С. 125.

15. Патент №2485462 РФ, МПК G01R 13/00, G01R 29/08, Радиометр для измерения глубинных температур объекта (радиотермометр) / A.B. Филатов, А.Г. Лощилов, A.B. Убайчин.- Приоритет от 04.08.2011. - заявка № 2011132840/28. - Опубл. в Бюл. № 17,2013. - С. 15.

Материалы конференций

16. Убайчин A.B., Жуков Н.О., Филатов A.B. Микроволновый радиометр для измерения сигналов с низкой эффективной температурой // Международная научно-практическая конференция "Электронные средства и системы управления. Опыт инновационного развития", 31 окт. - 3 нояб. 2007 г. - Томск: В-Спектр, 2007. - С. 34-39.

17. Жуков Н.О., Убайчин A.B., Филатов A.B. Способы повышения динамических характеристик микроволновых радиометрических систем // Международная научно-практическая конференция "Электронные средства и системы управления. Опыт инновационного развития", 31 окт. - 3 нояб. 2007 г. -Томск: В-Спектр, 2007. - С. 39^12.

18. Мисюнас А.О., Убайчин A.B., Филатов A.B. Цифровой блок управления для микроволнового радиометра РМ-1420 // Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Научная сессия ТУСУР-2008", 4-8 мая 2008 г. - Томск: В-Спектр, 2008. - Ч. 1.-С. 111-115.

19. Убайчин A.B., Сербинов O.A., Жуков Н.О. Двухканальный микроволновый радиометр повышенной точности // Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Научная сессия ТУСУР-2009", 4-8 мая 2009 г. - Томск: В-Спектр, 2009. - Ч. 5.-С. 312-315.

20. Филатов A.B., Убайчин A.B., Жуков Н.О., Чудинов А.О. Двухканальный микроволновый радиометр с улучшенными динамическими характеристиками // 6-я Всероссийская научно-техническая конференция с участием стран СНГ "Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем", 22-23 сент. 2009 г. - Ульяновск: Изд-во Ульяновского ГТУ, 2009. - С. 279-300.

21. Филатов A.B., Убайчин A.B., Жуков Н.О., Чудинов А.О. Новый подход к построению многоканальных радиометрических систем для дистанционного определения легких газовых составляющих атмосферы // IV Всероссийская конференция молодых ученых "Материаловедение, технологии и экология в 3-м тысячелетии", 19-21 окт. 2009 г. - Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2009. - С. 372-376.

22. Убайчин A.B., Жуков Н.О. Устройство отладки радиометров с цифровым управлением подшумливанием // Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Научная сессия ТУСУР-2010", 4-8 мая 2010 г. - Томск: В-Спектр, 2010. - Ч. 5. - С. 269-271.

23. Убайчин A.B. Исследование собственного электромагнитного излучения в диапазоне СВЧ в средах с поглощением // Международная научно-практическая конференция "Электронные средства и системы управления. Опыт инновационного развития", 31 октября - 3 ноября 2010 г. - Томск: В-Спектр, 2010. - Ч. 1. - С. 53-61.

24. Филатов A.B., Убайчин A.B. Повышение динамических характеристик двухканального микроволнового радиометра // Конференция молодых специалистов «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева» Разработка, производство, испытания и эксплуатация космических аппаратов и систем», посвященной 50-летию полета в космос Ю.А. Гагарина, 2-4 марта 2011 г. - Железногорск: Изд-во ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева», 2011.-С. 56-57.

25. Убайчин A.B. Двухканальный радиометр с произвольным диапазоном измерения // Конференция молодых специалистов «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева» Разработка, производство, испытания и эксплуатация космических аппаратов и систем», посвященной 50-летию полета в космос Ю.А. Гагарина, 2-4 марта 2011 г. -Железногорск: Изд-во ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева», 2011. - С. 51-53.

26. Филатов A.B., Убайчин A.B., Параев Д.Е. Многоканальные радиометрические системы нулевого метода измерений // 66-я Научная сессия, посвященная Дню радио. Российское научно-техническое общество радиотехники электроники и связи (РНТОРЭС), 11-12 мая 2011 г. - М.: Изд-во РНТОРЭС, 2011. - С. 100-102.

27. Убайчин A.B. Микроволновый радиометр для исследования биологических объектов // 66-я Научная сессия, посвященная Дню радио. Российское научно-техническое общество радиотехники электроники и связи (РНТОРЭС), 11-12 мая 2011 г. - М.: Изд-во РНТОРЭС, 2011. - С. 154-157.

28. Филатов A.B., Убайчин A.B. К вопросу о повышении чувствительности нулевых радиометров с комбинированной импульсной модуляцией // 22-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 10-14 сентября 2012 г., Севастополь, Крым, Украина. - Севастополь: Вебер, 2012. - Т. 2.-С. 1094-1098.

Тираж 100. Заказ 849. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники.

634050, г. Томск, пр. Ленина, 40. Тел. 533018.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР)

На правах рукописи

Убайчин Антон Викторович

ПЕРСПЕКТИВНЫЙ МНОГОПРИЕМЫИКОВЫЙ

МИКРОВОЛНОВЫЙ РАДИОМЕТР НА ОСНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННОГО МЕТОДА НУЛЕВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

^ Специальность 05.12.04 — Радиотехника, в том числе системы и устройства

ю

телевидения

СО со

о Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук О? см

СМ

^ д-р техн. наук, профессор

Научный руководитель: д-р техн. наук, профессс Филатов Александр Владимирович

Томск - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.....................................................................................................................4

Глава 1. Микроволновые радиометры. Современный уровень и тенденции развития..............................................................................................12

1.1. Общие сведения.............................................................................................12

1.2. Одноприемниковые схемы радиометров....................................................14

1.2.1. Компенсационные радиометры (радиометры полной мощности)...........14

1.2.2. Модуляционные радиометры (радиометры Дикке)...................................19

1.2.3. Нулевые радиометры....................................................................................22

1.3. Двухприемниковые схемы радиометров....................................................31

1.3.1. Модуляционные радиометры (схема Грахама)..........................................31

1.3.2. Корреляционные радиометры......................................................................32

1.3.3. Балансные радиометры.................................................................................33

1.4. Многоприемниковые схемы радиометров..................................................35

1.5. Выводы по главе. Постановка задачи исследований.................................38

Глава 2. Многоприемниковый нулевой радиометр.............................................41

2.1. Требования к алгоритму функционирования многоприемникового нулевого радиометра...............................................................................................41

2.2. Структурная схема многоприемникового нулевого радиометра.............43

2.3. Модификация нулевого метода, положенная в основу функционирования многоприемникового радиометра.

Алгоритм выполнения............................................................................................47

2.4. Анализ флуктуационной чувствительности одного приемника..............50

2.5. Флуктуационная чувствительность многоприемникового

нулевого радиометра...............................................................................................55

2.6. Динамические характеристики радиометра...............................................60

2.7. Способ повышения линейности передаточной характеристики..............61

2.8. Калибровка многоприемникового радиометра..........................................67

2.9. Влияние неидеальности входного тракта на точность измерений..........69

Выводы.....................................................................................................................75

Глава 3. Нулевой СВЧ-радиометр с шестью приемными каналами..................77

3.1. Входной СВЧ-блок........................................................................................77

3.1.1. СВЧ-узлы входного блока............................................................................77

3.1.2. Схема управления генератором шума.........................................................78

3.1.3. Термостат входного блока............................................................................81

3.1.4. Локальные нагреватели согласованных нагрузок циркуляторов.............83

3.2. Радиометрические приемники.....................................................................86

3.3. Цифровой блок управления на базе микроконтроллера...........................90

3.4. Расчет шумовой температуры приемников и флуктуационной чувствительности радиометра................................................................................99

Выводы...................................................................................................................100

Глава 4. Экспериментальные исследования характеристик шестиприемникового микроволнового нулевого радиометра.........................102

4.1. Калибровка радиометра..............................................................................102

4.2. Режимы работы радиометра.......................................................................105

4.3. Определение флуктуационной чувствительности...................................106

4.4. Линейность передаточной характеристики..............................................109

4.5. Влияние изменений коэффициента передачи приемников в статике

на точность измерений..........................................................................................110

4.5.1. Изменение усиления в низкочастотном тракте передачи сигналов......111

4.5.2. Изменение усиления в высокочастотном тракте передачи сигналов.... 114

4.6. Температурная и долговременная стабильность измерений..................116

Выводы...................................................................................................................118

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................119

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................................................121

ПРИЛОЖЕНИЕ Документы по внедрению и использованию результатов диссертационной работы......................................................................................138

Введение

В любых средствах массовой информации можно найти сообщение, касающееся изменения климата, глобального потепления, изменения уровня океанов и общего состояния окружающей среды. Человек в большей степени несет ответственность за изменения, которые происходят вокруг нас. В мониторинге изменений и в обеспечении надежных данных для моделей, прогнозирующих скорость изменения климата, огромную роль играют измерения. Многие измерения для решения экологических проблем являются особенно трудными. Их особенностью является то, что они должны фиксировать малые изменения в течение больших промежутков времени (режимные измерения). Это обстоятельство требует создания систем с высокой стабильностью измерений, как по времени (долговременная стабильность), так и при изменении условий рабочей среды, в первую очередь температуры.

Современные радиолокационные средства, устанавливаемые на самолетах и космических аппаратах, в настоящее время представляют один из наиболее интенсивно развивающихся сегментов радиоэлектронной техники. Всемирная метрологическая организация "Международное бюро мер и весов" уделяет большое внимание микроволновым радиометрам вследствие особого интереса к дистанционным исследованиям. Дистанционное зондирование Земли, одно из основных направлений космических исследований, позволяет решать задачи природопользования, контроля загрязнения окружающей среды, оперативного контроля чрезвычайных ситуаций антропогенного и природного характера [1-5]. Измерение и анализ колебаний радиотеплового излучения, являющегося гауссовым случайным процессом, в различных спектральных диапазонах позволяет решить много важнейших задач, связанных с изучением природных ресурсов Земли, ее экологическим мониторингом, и другие задачи, как, например, определение местоположения подповерхностных вод в засушливых регионах, определение вертикальных профилей влажности и т.п. [6-14].

В области дистанционного зондирования Земли наблюдается неуклонный рост качественных показателей аппаратных радиосредств получения информации о земных покровах [15-19]. Миниатюризация аппаратных средств, снижение энергопотребления, повышение чувствительности приемной аппаратуры позволяют оснащать спутники комплексом датчиков, способных вести непрерывный синхронный мониторинг окружающей среды. В научных исследованиях природных сред на очереди изучение

более тонких эффектов и сложных состояний, что требует качественно нового уровня приборных средств и методов измерений повышенной точности.

Прикладные работы по созданию специализированной приемной аппаратуры (радиометров) для приема собственного электромагнитного излучения в радиодиапазоне длин волн берут свое начало в радиоастрономии [20-22]. С этого времени и по сегодняшний день возникает потребность в совершенствовании приемной аппаратуры, увеличении чувствительности, долговременной стабильности результатов измерений, снижении массогабаритных параметров и потребляемой мощности [23-35]. Стабильность (с латинского - устойчивость), как способность измерительного прибора сохранять абсолютную точность измерений при изменении температуры рабочей среды прибора и во времени (с долговременной стабильностью связана другая характеристика - повторяемость результатов измерений), применительно к радиометрическим системам можно трактовать, как сохранение абсолютной точности измерений и обеспечение повторяемости результатов в течении времени и при изменении внешних условий эксплуатации прибора (в основном изменений температуры). В радиометрах влияние температурных перепадов, других внешних воздействий проявляет себя через изменения собственных шумов радиометра и коэффициента усиления измерительного тракта, которые называются дестабилизирующими факторами.

В последнее время особые требования предъявляется к помехоустойчивости радиометров ввиду многократного увеличения спектральной плотности побочного электромагнитного излучения.

Улучшение технических характеристик радиометров продвигается двумя путями. Первый путь, который условно можно назвать технологическим, обусловлен прогрессом радиоэлектроники, существенным повышением качества изготовления СВЧ-элементов и узлов нового поколения, постоянно ведущейся модернизацией известных СВЧ-элементов и узлов [36-39]. Второй путь связан с созданием новых схемотехнических решений построения радиометрических систем, новых принципов работы, алгоритмов обработки сигналов, позволяющих повысить характеристики точности измерений, увеличить чувствительность и надежность [40-50]. Разработка новых технических решений, выбор наиболее эффективных для достижения заданных функций является актуальной задачей микроволновой радиометрии.

Процесс совершенствования технических характеристик радиометров привел к созданию большого количества схемотехнических решений. Среди них выделяются несколько основных типов радиометров: широко известные компенсационные радиометры, которые впервые использовали в своих экспериментах Янсий и Ребер [51-55], модуляционные радиометры, в основу работы которых положен метод дифференциальных измерений [56-60], предложенный Дикке, первые работы в области применения нулевого метода измерений в радиометрии, заложенные Райлом [61], академиком B.C. Троицким [62], корреляционные и балансные радиометры [63-67], радиометры, использующие в своем составе два независимых приемника, работающие в одной полосе принимаемых частот с одной приемной антенной - двухприемниковые модуляционные радиометры Грахама [68] и т.д.. Совершенствованию радиометрических систем посвящено много работ как отечественных, так и зарубежных исследователей, среди которых можно выделить академиков Гуляева Ю.В. и Троицкого B.C., а также Аблязова B.C., Башаринова А.Е., Бородзич Э.В., Вайсблата A.B., Волохова С.А., Есепкину H.A., ИпатоваА.В., Карлова Н.В., Кислякова А.Г., Королькова Д.В., Кубланова B.C., Маречека C.B., Носова В.И., Парийского Ю.Н., Полякова В.М., РахлинаВ.Л., Соломонова C.B., Сороченко P.JI., Струкова И.А., ЭткинаВ.С., Крауса Д.Д., Hardy W.N. Tiuri М.Е., Hach J.P., Wilson W.J. и др.

Целью работы является создание микроволнового переносного радиометра многоприемникового типа, функционирующего согласно модификации нулевого метода измерений, основанной на синхронном выполнении двух видов импульсных модуляций - амплитудной и широтной, с авторегулированием нулевого баланса, обладающего флуктуационной чувствительностью, превосходящей чувствительность идеального компенсационного радиометра, высокой температурной и долговременной стабильностью измерений (высокой абсолютной точностью), надежностью работы.

Задачи исследований. В ходе создания многоприемникового нулевого микроволнового радиометра ставились и решались следующие задачи:

1. Анализ принципов работы, методов и алгоритмов функционирования одно-, двух- и много- приемниковых схем микроволновых радиометров.

2. Создание схемы нулевого многоприемникового радиометра, способа и алгоритмов его функционирования, определение передаточной характеристики и ее связь с опорными шумовыми сигналами.

3. Анализ флуктуационной чувствительности, вывод формул для ее оценки.

4. Разработка способов улучшения динамических характеристик радиометра.

5. Разработка методов и алгоритмов повышения линейности передаточной характеристики многоприемникового нулевого радиометра.

6. Определение степени влияния неидеальностей входного узла радиометра на точность абсолютных измерений.

7. Решение вопросов по алгоритму калибровки радиометра.

8. Разработка и изготовление многоприемникового нулевого радиометра.

9. Калибровка и экспериментальные исследования характеристик нулевого многоприемникового радиометра на временную и температурную стабильность, флуктуационную чувствительность, линейность передаточной характеристики, сравнение с модуляционной и компенсационной схемами. Оценка полученных результатов.

Диссертация выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (в рамках проектов 06-08-96922-р-офи, 09-08-99106-р-офи, 13-07-98009-р_сибирь_а), ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы, мероприятие 1.3.2-Поддержка научных исследований, проводимых целевыми аспирантами (государственный контракт № 14.132.21.1432,2012 г.), некоммерческого партнерства разработчиков инновационных технологий и участников инновационного процесса "НАИРИТ" (грант по контракту № ИК-30, 2011 г.), фонда Бортника (У.М.Н.И.К. Договор КР 8.5.6/11, 2010 г. на выполнение НИОКР).

Методы исследования

В работе использованы методы исследований, основанные на дифференциальном и интегральном исчислении, методах алгебры, теории вероятностей и математической статистики, теории линейных электрических цепей, теории ошибок, методах экспериментальных исследований характеристик СВЧ-радиометров.

Научно-техническая новизна работы

1. Развита концепция модификации нулевого метода измерений, основанная на базе комбинированной импульсной модуляции и новом принципе аналоговой обработки сигналов, для применения в многоприемниковых схемах микроволновых радиометров,

позволяющая повысить флуктуационную чувствительность измерений, температурную и долговременную стабильность, надежность работы при автономном использовании.

2. Для многоприемникового радиометра получен алгоритм функционирования следящей системы авторегулирования нулевого баланса путем изменения длительности широтно-импульсного сигнала и получена математическая модель, устанавливающая линейную связь эффективной шумовой температуры антенны с длительностью модулированного по широтно-импульсному закону опорного сигнала канала по дшу мливания.

3. Согласно предложенного алгоритма функционирования разработана структурная схема многоприемникового нулевого радиометра.

4. Получены аналитические выражения для определения флуктуационной чувствительности многоприемникового нулевого радиометра, позволяющие с достаточной для инженерной практики точностью оценить чувствительность радиометра на стадии его проектирования, определить технические характеристики радиометрических приемников по заданному минимальному порогу обнаружения сигнала.

5. Разработан алгоритм формирования управляющих широтно-импульсной модуляцией сигналов для четного и нечетного приемников многоприемникового радиометра, улучшающий линейность передаточной характеристики.

6. Проведен анализ влияния на точность измерений неидеальностей узлов входного тракта радиометра и получены выражения для расчета максимальных отклонений от номинальных значений опорных сигналов, в результате которых изменения выходного сигнала не превышают флуктуационной чувствительности.

Практическая значимость работы состоит в том, что на основе новых схемотехнических решений и модификации метода нулевого приема создан многоприемниковый микроволновый радиометр нового типа с улучшенными характеристиками по чувствительности и стабильности измерений, обладающий высокой надежностью и имеющий патентную защиту в России, для систем дистанционного исследования природных сред в натурных условиях, в том числе бортового (воздушного, морского, космического) назначения.

Новизна предложенных технических решений подтверждается патентами РФ на изобретения. Практическая значимость работы также подтверждается актами внедрения.

Внедрение результатов работы

Разработанный многоприемниковый нулевой радиометр используется в задачах измерения солнечной активности в Научно-исследовательском институте "Крымская астрофизическая обсерватория" (пгт. Научный, Крым, Украина). Результаты

диссертационной работы внедрены в ОАО "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнева (г. Железногорск).

Достоверность полученных результатов

Достоверность полученных научных результатов (принцип функционирования радиометра, математическая модель передаточной характеристики, формулы для оценки флуктуационной чувствительности, линейности преобразо