автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.21, диссертация на тему:Цифровые нулевые СВЧ-радиометры с широтно-импульсной модуляцией опорного сигнала

РГ8 ОД

^ -1 • • г-, ' ■ '„

ТОМСКАЯ ГОСУДАРСТВЕ!МАЯ АКАДЕМИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

На правах рукописи

ФИЛАТОВ АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ

ЦИФРОВЫЕ НУЛЕВЫЕ СБЧ-РАДИОМЕТРЫ С НИРОТНО-ИМПУЛЬСНОИ МОДУЛЯЦИЕЙ ОПОРНОГО СИГНАЛА

Специальность 05.12.21 - радиотехнические

системы специального назначения, включая технику СВЧ я технологии их производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск - 1993

работа выполнена в Читинском институте природных ресурсов СО РАН,

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Томской академии СУР Татаринов В. Н. кандидат физико-математических наук, доцент радиофизического факультета ТГУ Новиков С. С.

Ведущая организация: Сибирский физико-технический институт.

на заседании специализированного совета Д 063.05.03 в' Томской государственной академии систем управления и радиоэлектроники, 634050, Томск-50, пр. Ленина, 40, ТАСУР.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томской Государственной академии систем управления и радиоэлектроники

Автореферат разослан "36"А£*Д6РЯ 1993г.

Ученый секретарь специализированнс

Малютин Н. Д.

г. Томск.

Защита диссертации состоится "¿'¿"У^Р^Я 1994г.

совета, к.т.н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Пассивная локация - один из методов ^следований различных физических явлений, происходящих внутри [риродных образований, путем проведения измерений электромагнитных, юлебаний в области сверхвысоких частот, создаваемых тепловым мучением этих объектов. Инструментом, которым, пользуется [ассивная локация, являются СВЧ-радиометры, позволяющие выделить ¡лабый сигнал. Для правильной интерпретации этих сигналов приборы юлжны обладать большим и стабильным коэффициентом усиления. 1зменение коэффициента усиления связано с появлением паразитного сигнала, значительно превышающего чувствительность прибора, »собенно характерно это для приборов, работающих ' в жестких :лиматических условиях Сполевых).

В СВЧ-радиометрии существует значительное ; количество >азличных способов, стабилизирующих коэффициент усиления адиометра, и методов, снижающих влияние его изменений на конечные [оказания прибора. Одним из распространенных является метод |улевого приема.

В наиболее совершенной реализации метода нулевого приема (Ведение опорного сигнала осуществляется импульсами неизменной (мплитуды, длительность или частота которых регулируется и тем :амым регулируется средняя мощность подшумливания за. период юдуляции. Такой способ осуществления метода нулевого приема газволяет получить линейную калибровочную характеристику адиометра в широком диапазоне изменения входных сигналов при [ростой регулировке ввода опорного сигнала.

Однако такие радиометры с явными достоинствами не получили ¡ирокое распространение. Значительные погрешности возникают в ходе

преобразования импульсно-модулированных. сигналов от антенны у опорных в постоянные уровни напряжения, их сравнение в разные полупериоды модуляции, вторичное преобразование напряжения I длительность импульса или частоту.

Отсюда следует, что одним из путей повышения точности измерена! радиометра с импульсной модуляцией опорного сигнала может являть« путь совершенствования узла обработки сигналов после квадратичногс детектора.

Целью работы является совершенствование метода пулевого приема, повышение точности измерений путем разработки ноьоР модификации метода нулевого приема, заключающейся в . ново{ последовательности операций обработки сигналов по низкой частоте. Это приводит к значительному упрощению измерительного тракта после Квадратичного детектора, представлении сигнала в цифровой форме \ позволяет повысить точность измерений абсолютных температур, стабильность работы прибора при его эксплуатации в жесткш климатических условиях.

Методы исследований

Решение поставленных в работе задач осуществлено путек системного анализа схемных реализаций и принципов функционированш нулевых СВЧ-радиометров, использованием принципов построенш радиометрических устройств с автоматической следящей связью, методами оптимальной оценки построения узлов радиометров, макетированием и испытанием разработанных устройств. Экспериментальные исследования проводились с применением теорш планирования эксперимента, математической статистики на стационар* Читинского института природных ресурсов СО РАН.

Научная новизна работы

1. Создана новая модификация метода нулевого приема <

широтно-импульсной модуляцией опорного сигнала, новизна которой ' состоит в новой последовательности операций обработки сигналов' по низкой частоте С после квадратичного детектора). В соответствии с алгоритмом выполнения метода полностью изменен и упрощен измерительный тракт после квадратичного детектора. Показано, что применение новой модификации метода нулевого приема в. радиометрах приводит к повышенно абсолютной точности измерений и стабилизации работы прибора. Улучшается линейность функции радиометра.

2. Создана схема СВЧ-радиометра, функционирующего на предложенной модификации метода нулевого приема с ШМ опорного сигнала. Полному изменение подвергнут измерительный тракт радиометра обработки сигналов по низкой частоте. Исключены операции аналогового преобразования сигналов - _синхронное детектирование, фильтрации, интегрирование, а также преобразование "напряжение-частота (длительность импульса)". Измерительный тракт после квадратичного детектора содержит фильтр верхних частот, компаратор нулевого уровня, цифровой блок управления, Выходной сигнал получается в цифровой • форме без использования аналого-цифрового преобразователя. На основе экспериментальных исследований произведена оценка абсолютной точности измерений в зависимости от температуры внешней среды и от времени. Измерена линейность калибровочной характеристики радиометра. Показано, что СВЧ-радиометр, использующий в основе своей работы новую . модификацию метода нулевого приема имеет следующие характеристики точности: погрешность абсолютных измерений при изменении температуры окружающей среды от -20 до +30°С и при непрерывной работе 8 часов не превышает 1.3К; нелинейность калибровочной характеристики находится в пределах +0.73К Сдиапазон измеряемых сигналов 245,76Ю.

3. Разработан новый способ управления динамическим диапазоном измеряемых радиометром сигналов. Он заключается в достаточно простом изменении модуляции опорных и входного сигналов, временных интервалов их действия при сохранении неизменными величин опорных источников шума. В результате повышается точность измерений, расширяются функциональные возможности радиометра.

Практическая ценность работы

Полученные в диссертационной работе новая модификация метода нулевого приема, новый способ управления динамическим диапазоном могут быть использованы при проектировании нулевых радиометров, обладающих высокой точностью измерений абсолютной температуры и способных стабильно работать в полевых условиях. Радиометры могут быть применены как в целях исследований природных объектов дистанционными методами, так и в промышленных целях. В металлургии - для дистанционного измерения температуры расплавленного металла в загазованных и задымленных помещениях, в медицине - для определения локальных очагов с повышенной температурой внутри человеческого тела, в методах неразрушаюаего контроля -обнаружение внутренних дефектов С раковин , трещин) в различных телах, структурах и конструкциях и одновременное определение размеров этих дефектов, при Измерении толщины тонких рулонных материалов, при построении радиоизображений скрытых объектов, при определении параметров диэлектриков, при отбраковке Лесоматериалов, измерение влажности.

Реализация результатов работы

СВЧ-радиометр, разработанный в ходе выполнения данной работы, был использован на комплексном выездном стационаре Читинского института природных ресурсов СО РАН. Применялся для

дистанционных исследований нарушений структуры пресного льда.

выяснения физико-хигаческих процессов, происходящих при замерзании и протаивании почвы и т. п.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом научно-исследовательских работ, проводимых лабораторией геофизики криогенных объектов ЧИПР СО РАН. Работы проводились в соответствии с программой СО РАН: "Теория, методы и аппаратура для дистанционного изучения криогенных объектов с использованием электромагнитного излучения (1991-1995) Сзадание 3.1.8. в программе 12)".

Апробация диссертации

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции по статистическим методам обработки данных дистанционного зондирования окружающей среды, г.Рига. 1986г., на XXI Всесоюзной конференции "Радиоастрономическая аппаратура", г.Ереван, 1989г., на Всесоюзной конференции "Методы и микроэлектронные средства цифрового преобразования и обработки сигналов", г.Рига,1989г., на научно-технических семинарах кафедры ТРЭА ТИАСУРа, г.Томск, 1991+1993г. г.

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 4 статьи в центральной печати, 3 тезиса докладов на Всесоюзных конференциях, 3 изобретения и одно положительное решение на изобретение,

Структура и обьем диссертации

Диссертация состоит из введения, 6-ти глав, заключения, приложения. Материалы изложены на 157 страницах, иллюстрируются 31 рисунками и 9 таблицами. Список литературы включает 88 наименований.

Основные положения, представляемые к защите

1. Предложен модифицированный метод нулевого приема с

ш:.ротно-импульсной модуляцией опорного сигнала, заключающийся в новой последовательности операций обработки сигналов по низкой частоте, применение которого в СВЧ-радиометрах обеспечивает повышение точности измерений и улучшение передаточной характеристики.

2. Разработана новая функциональная схема СВЧ-радиометра, содержащая узлы - схему исключения постоянной составляющей напряжения,' компаратор нулевого уровня, блок управления. Позволяет значительно уменьшить погрешность обработки сигналов по низкой частот© и сформировать к«* выходе рздиомэтрз цифровой КОД использования аналого-цифрового преобразователя.

3. Созданный способ управления динамическим диапазоном измеряемых сигналов, заключающийся в изменении модуляции входного и опорных синалов при сохранении неизменными величин опорных источников, расширяет функциональные возможности радиометров, повышает разрешающую способность измерений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении' обоснована актуальность темы, дана краткая характеристика диссертационной работы.

В первой главе рассмотрено современное состояние в области разработки модуляционных СВЧ-радиометров, принцип действия которых основан на методе нулевого приема Снулевых радиометров}.

Приведено разграничение существующих схем нулевых СВЧ-радиоыетров, которые отличаются друг от друга по признаку: месту в измерительном тракте, в котором осуществляется переход радиометра в режим нулевого баланса. Анализ опубликованной литературы показал, что по этому признаку все радиометры можно поделить на две большие группы- К первой группе можно отнести

схемотехнику таких радиометров, в которых перевод в регаш нулевого баланса происходит по низкой частоте (после операции квадратичного детектирования). Чаще всего это осуществляется путем разделения сигналов антенны и опорного после квадратичного детектора на два канала. Балансировка сигналов и приведение их к одинаковому уровне на выходе каналов достигается путем введения ослабления в один из каналов. Во второй группе СВЧ-радиометров выравнивание сигналов, действующих в разные полупериоды модуляции, осуществляется до операции квадратичного детектирования по высокой частоте. Для ■ выравнивания измеряемого и опорного сигналов -здесь чаще всего применяется ввод дополнительного шумового сигнала до модулятора либо в тракт антенны, либо в опорный тракт ■ и величина этого подшумливания изменяется до наступления нулевого баланса на выходе прибора. Регулировка сигнала ' подшумливания происходит либо изменением выходного сигнала самого генератора шума, либо изменением его поглощения в аттенюаторе. Реке попользуется аттенюация одного из сигналов по высокой частоте - измеряемого или опорного - синхронно с работой модулятора. Опорные сигналы вырабатываются либо физическими устройствами - термостатированная согласованная нагрузка (охлажденная жидким азотом, нагретая выше температуры внешней среды и т.д.), полупроводниковый или активный генераторы шума и т.д., либо эти опорные сигналы формируются из собственных шумов приемного устройства. Рассмотрены основные , характеристики и недостатки указанных нулевых СВЧ-радиомэтров.

В последнее время получает распространение метод нулевого приема с импульсной модуляцией опорного сигнала. Радиометры, построенные на этой разновидности метода нулевого приема, относятся ко второй условной группе приведенной классификаций. В таких радиометрах во входном, приемном узле осуществляется

модуляция трех сигналов: измеряемого от антенна, двух других сигналов, которые вырабатываются опорными генераторами шума. 6 ходе работы радиометра изменяется длительность модуляции одного из опорной шумовых сигналов так, чтобы средние значения шумовой мощности сигналов в обоих полупериодах модуляции были одинаковы. Тогда истема автоматического регулирования находится в режиме нулевого баланса, а радиометр - в режиме, нулевого приема. Такой способ работы радиометра не только исключает влияние изменений коэффициента усиления измерительного тракта на результаты работы радиометра, но и позволяет получить хорошую линейность его калибровочной характеристики во всем, измеряемом радиометром, диапазоне антенных сигналов. Рассмотрены современные схемы.

• Однако в таких радиометрах осуществляется стандартная обработка сигналов по низкой частоте с использованием операций синхронного детектирования, фильтраций, интегрирования. Из импульсной последовательности промодулированных сигналов на выходе измерительного тракта в обои полупериды модуляции выделяются постоянные урсчни напрякени-я. В первом полупериоде модуляции -равный интегралу от действия суммы сигналов изменяемого по величине антешпго сигнала и изменяемого по длительности сигнала от опорного истс шика шума, а во втором полупериоде - равный интегралу от действия сигнала другого опорного источника. По результатам сравнения уровней напряжения в полупериодах модуляции по петле обратной связи выдается сигнал на преобразователь "напряжение - частота/длительность импульса". Сформированные им импульсы поступают во входной узел радиометра и управляют введением опорного а гнала на вход измерительного тракта. Тогда таких два последовательных преобразования приведут к ухудшению точности измерений, так как каздый узел вносит свою погрешность в

передаваемый через пего или преобразуемый им сигнал. С другой стороны, при выделении постоянных уровней напряжения ' из импульсно-модулированных сигналов, используя для этого выше упомянутые аналоговые операции, возникают погрешности. Все это создает необходимые предпосылки по совершенствованию низкочастотной обработки сигналов в радиометрах с импульсной модуляцией опорного сигнала.

Во второй главе рассмотрена новая модификация метода нулевого приема с широтно-импупьсной модуляцией опорного сигнала. Приведены общая характеристика модифицированного метода и структурная схема нулевого радиометра, варианты исполнения его входного узла, последовательность операций метода (алгоритм функционирования) и оценка основных параметров, передаточные характеристики и схема цифрового узла обработки и управления радиометра.

На Рис.1 приведена структурная схема цифрового нуль-радиометра, в которой полному изменению подвергнут измерительный тракт после детектора. Он содержит вместо классических блоков ( усилителя низкой частоты, синхронного детектора, фильтров, интегратора и преобразователя)такие.узлы, как импульсный усилитель ИУ, схему исключения постоянной составляющей СИПС, нуль-орган К, цифровой блок управления БУ. Во входной части радиометра используются модулятор М, согласованная нагрузка СН -первый опорный шумовой источник, направленный ответвитель НО, через который в измерительный тракт вводится второй опорный шумовой сигнал от последовательно включенных управляемого генератора тока УГТ, генератора шума ГШ, аттенюатора АТТ. Входной блок радиометра устанавливается на термостатированной плате. До квадратичного детектора радиометр содержит линейные СВЧ-усилители (собственно приемник ПрЗ.

Структурная схема радиометра, принцип работы которого основан на новой модификации метода нулевого приема с широтно-импульсной модуляцией опорного сигнала.

УП

Г---1

1гусилительно] (детекторный1

блок

Пр

КД|-р|ИУ

сипс

I плата I -----л

интегратор динамического типа

БУ

вых

Выходной цифровой код

Рис. 1.

На временных диаграммах Рис.2 приведен один период модуляции входных сигналов - опорных и измеряемого, которые регистрируется на выходе схемы СИПС. На Рис. 2а показан период модуляционной последовательности, когда еще не достигнут нулевой баланс. На этом рисунке можно выделить три временных интервала: 1-2 - на вход приемника поступает сигнал от антенны Та, 2-3 - на вход приемника поступает сумма сигналов от антенны и второго опорного источника шума Тн0, равного Т0~Та где Та ши - минимальный антенный сигнал, регистрируемый радиометром, 3-4 - на вход приемника< поступает сигнал от первого опорного генератора шума Т0. Условие Т0>Та должно выполняться во всем диапазоне изменения Та. Для одного периода модуляции соблюдается равенство вольт-секундных площадей положительного и отрицательного импульсов, то есть

+32=32 (так как постоянная составляющая напряжения исключается ранее включенной схемой СИПС). Переход радиометра в резшм нулевого баланса достигается направленным изменением длительности интервала

Временная диаграмма одного периода модуляции радиометра.

Щ1 ^

т +т

'а но -»

та-

- Та+Тно

1 2

-у

им

¡ет э;

"шис

3 - 0 4 I

б.

Рис. 2.

2-3 или 1Щ110 (широтно-импульсный сигнал). При ее изменении модуляционная последовательность на выходе СИПС плавно сдвигается относительно нулевой линии. Момент достижения нулевого баланса в радиометре изображен на временной диаграмме Рис.26. Условием для этого является равенство: £д=0. И тогда или

с/зкагст0-та^кс1м-1шис)=с/зыгстно+та-т0)кк1шис1

где 6

коэффициент усиления сигналов по мощности в

СВЧ-усияитс-лкх, р - чувствительность по току детекторного диода, к - постоянная Еольцмана, - полоса принимаемых радкометром частот, й - сопротивление нагрузки квадратичного детектора, К -коэффициент усиления по напряжение импульсного усилителя, -длительность полупериода модуляции. После очевидных сокращений и решая относительно 1шис получим:

Чжс^о^Лг С1)

Выражение (1) является основным и устанавливает связь между

длительностью широтно-импульсного сигнала от опорного генератора

шума и входным антенным сигналом. Как следует, характеристика

преобразования является линейной. С учетом рассмотренных опорных

сигналов и измер емого выполнение предложенного модифицированного

метода подразумевав-; следующий алгоритм работы радиометра, который

может быть описан последовательностью следующих операций:

1. После переключения входа измерительного тракта радиометра с опорного генератора шума на антенну к ее сигналу добавляется постоянный по модности сигнал подшумливап'Я от второго генератора шума определенной длительности.

2. После усиления по высокой частоте, квадратичного де-кс. "чоования и усиления в полученной импульсной периодически последовательности сигналов исключается постоянная составляющая напряжения.

3. Затем в этой последовательности сигналов с исключенной постоянной составляющей анализируется амплитуда напряжения на ноль в другой полупериод, когда на вход снова скоммутирован опорный источник шума.

4. Если амплитуда напряжения не равна нулю, то производится направленное изменение длительности введения шумового сигнала от второго опорного источника шума, во входной тракт в следующем

полупериоде модуляции, когда скоммутирована антенна. 5. После установления равенства нуле амплитуды напряжения в полупериоде коммутации на вход первого опорного сигнала длительность импульса ввода дополнительного шумового сигнала от второго источника шума информативна и пропорциональна сигналу от антенны.

Как следует из изложенного метода, его применение в радиометрах требует обязательное использование после детектора узлов, в одном из которых выполняется исключение постоянной составлявшей напряжения, а в другом происходит сравнение напряжения с нулевым потенциалом. Над промодулированной последовательностью сигналов после их детектирования не производятся преобразования и изменения формы этой импульсной последовательности. Они линейно "протягиваются" через весь измерительный тракт без изменения их формы и на конечном узле тракта - компараторе, происходит простой анализ: стробируемое сравнение величины напряжения во втором полупериоде модуляции с нулевым потенциалом.

БУ организует работу радиометра согласна временным диаграммам на Рис.2, предложена структурная схема. Режим работы радиометра является следящим. При изменении антенного сигнала изменяется величина напряжения в плюс или минус на входе компаратора радиометра во втором полупериоде модуляции, за которым "следит" блок управления и "подгоняет" длительность широтно-импульсногг сигнала от второй опорной нагрузки. Выходной код, цифровой эквивалент входного сигнала от антенны формируется на выходе блока управления и равен:

Н.

вых

=(То-Та)("макс+1)/Г1

макс

(2),

где N.

макс

- максимальный код, когда во всех разрядах единицы.

В третьей главе проведана оценка погрешностей, характерных для новой модификации метода кулевого приема с ШИМ опорного сигнала.

Показано, что изменение входящих в формулы (1,2) величин Т0 и Тно приведет к возникновение систематической погрешности измерений. Новым функциональным узлом является схема СИПС. Она вносит погрешность в измерения, если искажает форму передаваемых через нее импульсных сигналов. Искажения формы импульсов приведут к нарушению соотношения вольт-секундных площадей импульсов модуляции и произойдет дополнительный сдвиг этой последовательности импульсов на выходе СИПС отностельно нулевой линии, который анализируется. Этот метод подразумевает следящий режим работы и поэтому рассмотрена погрешность, вызванная колебаниями выходного кода блока управления радиометра.

Выведены аналитические зависимости вычисления систематических погрешностей, вносимых изменением опорных источников шума и СИПС. Эти погрешности выражаются в единицах младшего разряда выходного цифрового кода. Схема СИПС, являющаяся в общем случае фильтром верхних частот, вносит искажения в форму импульсов в виде скола их вершины, что влияет на линейность передаточной характеристики. Эта погрешность при равных длительностях положительного (1-2 на Рис.2) и отрицательного С2-3) импульсов модуляции (середина шкалы преооразуемых сигналов) равна нулю. По мере увеличения разницы длительностей этих импульсов погрешность увеличивается, достигает максимума и спадает на краях диапазона регулирования. Это вызвано общим уменьшением вольт-секундних площадей импульсов модуляции при сохранении неизменной вольт-секундной площади, эквивалентной одному младшему разряду кода. Так как СВЧ-радиометры являются приборами накапливающего типа, код с выхода блока управления

поступает на динамический интегратор. Колебания кода, вызванные работой автоматической системы слежения, являются регулярными и уменьшаются в корень квадратный из числа накоплений.

Рассмотрена динамика работы кольца обратной связи радиометра, регулирующего нулевой баланс. Показано, что время отработки скачкообразного изменения входного сигнала изменяется пропорционально и линейно с величиной этого скачка.

В четвертой главе приведено описание СВЧ-радиометра на длину волны 18см - практическая реализация новой модификации метода нулевого приема с ШИМ опорного сигнала. Прибор сконструирован по функциональной схеме, приведенной на Рис.1. Подробно изложено описание входного блока радиометра, приемника, измерительного НЧ тракта, блока управления, цифрового интегратора. Согласно полученным формулам в главе 3, проведен расчет погрешностей этого радиометра. Разработанный радиометр оптимизирован для дистанционных исследований природных сред, на применение в полевых условиях.

В пятой главе выполнено исследование параметров радиометра, измерены временная и температурная стабильность работы прибора, линейность его передаточной характеристики. Этим исследованиям предшествует необходимая операция калибровки. Калибровка приемника проведена двухточечным методом с использованием согласованных нагрузок, находящихся при постоянных и известных температурах (температура кипения жидкого азота и комнатная). При калибровке радиометра в совокупности с антенной был применен Ьис(се1-метод. Для этого радиометр с антенной помещался в трапецеидальной формы металлический бак и антенна направлялась вертикально вверх на холодный изотермический источник - небо в зените. При этом относительно горячее шумовое излучение от окружающей местности

блокируется. В коде выполнения калибровки на втором этапе измерена чувствительность радиометра, которая составила 0.049К.

После относительных и абсолютных калибровок были определены основные параметры, характеризующие радиометр. Для определения стабильности работы прибора была 1 собрана экспериментальная установка, которая использовалась при калибровке радиометра на первом этапе. На вход прибора подключался эталонный генератор иума, заполненный азотом. Радиометр помещался в температурный шкаф. Для измерения передаточной характеристики радиометра в разрыв цепи "эталонный ГШ - вход радиометра" включался прецизионный- аттенюатор, вносимое ослабление которого регулировалось. Из полученных экспериментальных данных следует, что при изменении внешней температуры окружающей среды от -20 до +30°С и непрерывной работе 8 часов погрешность абсолютных измерений не превысила 1,ЭК. Нелинейность передаточной характеристики в диапазоне измеряемых сигналов 245,76К составила ♦0,73К.

В шестой главе приведен способ расширения функциональных возможностей новой модификации метода нулевого приема: разработан новый подход к изменению динамического диапазона измеряемых сигналов.

Уа формул (1,2) следует, что для изменения диапазонов измерения необходимо выполнить изменения опорных источников шума. Таким образом, просматривается способ аналогового регулирования диапазона измерения путем ступенчатого изменения величин шумовых сигналов опорных эталонов. Показано, что это имеет некоторые недостатки.

Разработан и обоснован способ изменения динамического диапазона измерения не нарушая состав и структуру входного узла и

всего измерительного тракта радиометра. При этом сохраняется неизменными и сигналы от опорных генераторов шума. Суть этого способа заключается в изменении модуляции опорных сигналов и измеряемого от антенны. Для этого формируется новые дополнительные периоды модуляции, которые в совокупности с периодом, где осуществляется широтно-импульсная модуляция сигнала от опорной нагрузки (Рис.2), образуют новую периодическую последовательность импульсов модуляции. Тогда диапазон измерения зависит от количества и типа дополнительных периодов. -Дополнительные периоды модуляции формируются двух типов, как и период модуляции с ШИМ, имеют равную с ним длительность. Для первого типа дополнительных периодов в первом полупериоде на вход приемника подключается только антенна С дополнительные периоды антенны), а для второго типа дополнительных периодов - сумма сигналов от антенны и второго опорного шумового источника (дополнительные периоды ГШ). Во втором полупериоде для обоих типов дополнительных периодов на вход приемника подключается первый опорный источник шума Скак и в основном периоде с 111ИМ)., В зависимости от диапазона измеряемых сигналов полный период модуляции формируется путем набора периодической последовательности импульсных сигналов из необходимого числа трех стандартных периодов по правилу: в начале полного периода модуляции следуют дополнительные периоды, число и тип которых несут информацию о диапазоне измеряемых сигналов и заканчивается полный период модуляции всегда одним периодом с широтно-импульсной модуляцией сигнала от второго опорного эталона.

Выведено общее выражение, устанавливающее связь между длительностью 1щио и сигналом от антенны для случая, когда полный период модуляции состоит из п-дополнительных периодов антенны, т-дополнительных периодов ГШ:

Сигнал от антенны может быть определен иг выражения:

Та=То-[ТноСт+1шисАм)1/1+п+т из-

Границы диапазона измерения Та вычисляются из С4) путем

подстановки в это выражение значений 1шис=0 и <-шис=1-м-

Размах диапазона измерения вычисляется по формуле:

бТа=Тно/С1+п+ш) (5).

То есть, можно достаточно легко менять диапазон измеряемых сигналов Та в пределах максимальной шкалы измерения, ограниченной опорными шумовыми сигналами Т0 и Тно, не изменением этих опорных величин, а изменением модуляции сигналов Т0, Тно и Та, о одновременным эффектом пропорционального увеличения точности.

Рассмотрен цифровой блок управления радиометром с учетом выполняемых им функций изменения диапазона измерения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получены следующие основные результаты:

1. Обоснована и разработана новая модификация метода нулевого приема с ШИМ опорного сигнала. Она заключается в новой последовательности операций обработки сигналов по низкой частоте, промодулированных во входном узле радиометра. Измерительный тракт после квадратичного детектора полностью изменен и упрощен в соответствии с новым алгоритмом работы радиометра. В результате значительно уменьшается погрешность в низкочастотном тракте обработки сигнала, повышается точность абсолютных измерений и линейность передаточной характеристики.

2. № выведенной формулы метода, которая линейно связывает длительность поступления дополнительного шумового сигнала опорной величины с входным сигналом от антенны, следует независимость результатов измерений от изменений коэффициента передачи всего

измерительного тракта радиометра и. его собственных шумов.

3. Разработана- схема нулевого СВЧ-радиометра с ШИМ опорного сигнала. Полному изменению подлежит измерительный тракт после детектора. Исключены операции синхронного детектирования, интегрирования, фильтрации сформированной модулятором во входном узле радиометра периодической последовательности опорных сигналов и измеряемого. Отсутствуют преобразования интегралов этой последовательности импульсов в постоянный уровень выходного напряжения. Новый принцип работы радиометра подразумевает использование во второй половине измерительного тракта двух схем, в одной из которых происходит исключение постоянной составляющей напряжения, а в другой выполняется стробируемое сравнение напряжения с нулевым потенциалом. При этом сохраняется форма промодулированной последовательности сигналов. Упрощением измерительного тракта радиометра после квадратичного детектора достигается повышение точности измерений.

4. Выполнен анализ погрешностей, характерных для новой модификации метода нулевого приема. Получены аналитические зависимости вычисления систематических погрешностей измерений, вызванных нестабильностью опорных источников шума и работой схемы исключения постоянной составляющей. Учитывая эти теоретические расчеты можно правильно оптимизировать построение радиометра.

5. На базе предложенной модификации метода нулевого приема выполнена практическая реализация радиометра на длину волны 18см. Исследование параметров показало, что радиометр обладает хорошими стабильностными характеристиками. При изменении внешней температуры окружающей среды от -20 до +30°С и при непрерывной работе 8 часов погрешность абсолютных измерений не превысила 1,ЗК (диапазон измерений 243,76Ю. По сравнению с другими нулевыми

радиометрами подобного класса изготовленный радиометр обладает более высокими эксплуатационными характеристиками.

6. Обоснован и создан способ расширения функциональных возможностей метода нулевого приема с . ШИМ опорного сигнала. Он заключается в изменении динамического диапазона измеряемых сигналов. Его сущность состоит в изменении модуляции опорных сигналов я измеряемого. Это позволяет сохранить неизменным весь усилительно-приемный тракт радиометра, включая его входной узел. Изменению подлежит лишь цифровой блок управления радиометром.

7. Нулевой радиометр с модуляцией опорного сигнала широтно-импульсным методом был внедрен в практику работ Читинского института природных ресурсов СО РАН.

Основные результаты диссертационной работы изложены в следуюцих работах:

1. Филатов A.B. Бордонский Г.С. Нулевой радиометр. A.C. N1704107 СССР. G01R 29/08 //Б. И. 1992. N1. Q.1&Z.

2. Бордонский Г.С. Филатов A.B. Нулевой радиометр с ииротно-импульсной модуляцией опорного сигнала и цифровым выходом у/ Изв.. вузов. Радиофизика.- 1992. т;35. N8. С. 652.

3. Филатов А. В. Способ аналого-цифрового преобразования и устройство для его осуществления. A.C. N1594692 СССР. Н03М 1/48 // Б. И. 1990. N35. С. 296.

4. Филатов А. В. Следящий аналого-цифровой преобразователь с широтно-импульсной модуляцией опорных' сигналов // Тез. докл. Всесовзн. конф. "Методы и микроэлектронные средства цифрового преобразования и обработки сигналов ".-Рига, 1989. т. 1. С. 74.

5. Филатов А. В. Следящий аналого-цифровой преобразователь // Приборы и техника эксперимента. 1990. N5. С. 110.

6. Филатов А В. Бордонский Г.С. Сафронов Г. В. Метод нулевого приема в радиометрах // Тез. докл. XXI Воесосзн. конф. "Радиоастрономическая аппаратура".-Ереван. 1989. С. 301.

7. Филатов A.B. Автономное измерительное устройство с автокоррекцией систематических погрешностей // Приборы и техника эксперимента.-1988. N4. С. 67.

8. Бордонский Г.С. Поляков C.B. Филатов A.B. и др. Аппаратурный комплекс для радиометрических исследований пресноводного ледяного покрова // Тез. докл. Всесосзн. конф. по статистическим методам обработки данных дистанционного зондирования окружавшей среды. Рига-1986. С.

9. Филатов А.В. Аналого-цифровой преобразователь. А. С. N1720160 СССР. НОЗМ 1/48 // Б. И. 1992. N10. С.214,

10. Филатов А. В. Радиометры с широтно-импульсной модуляцией опорных сигналов // Республ. сборник "Радиофизика и исследование свойств вещества",-Омск. 1990. С.75.

11. Филатов A.B. Нулевой радиометр. Положительное решение по заявке N5031315 от 24.08.93. G01S 13/93.

За ¿аз !( 159 Тираж IIU Ротапринт 'ГАСУР