Модуляционный радиометр с использованием прямого преобразования частоты
Модуляционный радиометр с использованием прямого преобразования частоты относится к технике приема и оценивания параметров собственного теплового радиоизлучения объектов. Он может быть использован в радиотехнических системах морской навигации. Для повышения чувствительности и разрешающей способности модуляционного радиометра дополнительно введены устройство вычисления модуля радиотеплового сигнала и умножитель. Существенно улучшена чувствительность и разрешающая способность радиометра. 4 ил..
Полезная модель относится к технике приема и оценивания параметров собственного теплового радиоизлучения объектов (целей) и может быть использована в радиотехнических системах морской навигации.
Известны модуляционные радиометры, описанные в монографии: Башаринов А.Е., Тучков Л.Т., Поляков В.М., Ананов Н.И. Измерение радиотепловых и плазменных излучений. - М.: Советское радио, 1968. Однако им присущ недостаток, заключающийся в недостаточно высокой чувствительности и невысокой разрешающей способности.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому объекту является модуляционный радиометр, функциональная схема которого приведена ниже (Башаринов А.Е., Тучков Л.Т., Поляков В.М., Ананов Н.И. Измерение радиотепловых и плазменных излучений. - М.: Советское радио, 1968, с.357).
Структурная схема устройства-прототипа приведена на фиг.1, где приведены следующие обозначения:
1 - генератор эталонного шума;
2 - модулятор;
3 - высокочастотный широкополосный полосовой фильтр;
4 - смеситель;
5 - гетеродин;
6 - усилитель промежуточной частоты;
7 - квадратичный амплитудный детектор;
8 - узкополосный фильтр;
9 - синхронный амплитудный детектор;
10 - фильтр нижних частот;
11 - генератор модулирующего напряжения.
Устройство-прототип имеет следующие функциональные связи: входом устройства является первый вход модулятора 2, второй вход модулятора соединен с выходом генератора эталонного шума 1, третий вход модулятора соединен с первым выходом генератора модулирующего напряжения 11, выход модулятора 2 соединен с входом высокочастотного широкополосного полосового фильтра 3, выход которого соединен с первым входом смесителя 4, второй вход смесителя 4 соединен с выходом гетеродина 5, выход смесителя 4 через усилитель промежуточной частоты 6 соединен с входом квадратичного амплитудного детектора 7, выход которого соединен с входом узкополосного фильтра 8, выход которого соединен с первым входом синхронного амплитудного детектора 9, второй вход синхронного амплитудного детектора 9 соединен с вторым выходом генератора модулирующего напряжения 11, выход синхронного амплитудного детектора 9 соединен с входом фильтра нижних частот 10, выход которого является выходом устройства.
Работает устройство-прототип следующим образом.
Принятый сигнал поступает на вход модулятора 2. Этот модулятор 2 служит для сдвига спектра продетектированного входного сигнала в область более высоких частот, где меньше сказывается влияние флуктуации коэффициента усиления. Модулятор в течение первой половины периода колебаний генератора модулирующего напряжения подключает радиометр к антенне, в течение второй половины периода колебаний генератора модулирующего напряжения - к генератору 1 эталонного шума. С выхода модулятора 2 сигнал поступает на вход высокочастотного широкополосного полосового фильтра 3, осуществляющего частотную селекцию принимаемого радиотеплового сигнала; с выхода фильтра 3 сигнал поступает на первый вход смесителя 4, на второй вход которого подается напряжение с выхода гетеродина 5. Смеситель 4 совместно с гетеродином 5 образует преобразователь частоты, который переносит спектр принимаемого радиотеплового сигнала в частотную область, где он может быть обработан с
наибольшей эффективностью (центральная частота этой области называется промежуточной); напряжение с выхода смесителя 4 поступает на вход усилителя промежуточной частоты 6, где производится основное усиление принимаемого радиотеплового сигнала до необходимой величины; напряжение с выхода усилителя промежуточной частоты 6 подается на вход квадратичного амплитудного детектора 7, который выделяет квадрат амплитуды входного сигнала; напряжения с выхода квадратичного амплитудного детектора 7 подается на вход узкополосного фильтра 8, настроенного на частоту генератора 11 модулирующего напряжения. С выхода узкополосного фильтра 8 сигнал поступает на первый вход синхронного амплитудного детектора 9, на второй вход которого подается напряжения со второго выхода генератора 11 модулирующего напряжения. Синхронный амплитудный детектор 9 выделяет амплитуду входного радиотеплового сигнала, снимая модуляцию, обусловленного действием модулятора 2. С выхода синхронного амплитудного детектора 9 сигнал поступает на вход фильтра 10 нижних частот, который сглаживает остаточные флуктуации выходного напряжения синхронного амплитудного детектора 9. Выход фильтра 12 нижних частот является выходом устройства.
Технический результат, на достижение которого направлена полезная модель, состоит в повышении чувствительности и разрешающей способности модуляционного радиометра.
Для достижения указанного технического результата в модуляционном радиометре с использованием прямого преобразования частоты, содержащем последовательно соединенные генератор эталонного шума, модулятор, высокочастотный широкополосный полосовой фильтр, смеситель, усилитель частоты, узкополосный фильтр, синхронный амплитудный детектор и фильтр нижних частот, выход которого является выходом устройства, гетеродин, выход которого подключен ко второму входу смесителя, генератор модулирующего напряжения, оба выхода которого подключены соответственно к третьему входу модулятора и ко второму входу синхронного амплитудного
детектора, входом устройства является первый вход модулятора, дополнительно введены устройство вычисления модуля сигнала, к входу которого подключен высокочастотный широкополосный полосовой фильтр, а выход которого подключен к входу смесителя, при этом применен смеситель с прямым преобразованием частоты, и умножитель, к двум объединенным входам которого подключен своим выходом усилитель, а выход умножителя подключен к входу узкополосного фильтра, причем в качестве усилителя использован усилитель нижних частот.
В результате подобного выполнения модуляционного радиометра существенно повышены (улучшены) его чувствительность и разрешающая способность.
Предлагаемый модуляционный радиометр с использованием прямого преобразования частоты иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-4.
На фиг.1 представлена структурная схема прототипа, на фиг.2 - структурная схема предлагаемого модуляционного радиометра, на фиг.3 - выходные сигналы традиционного модуляционного радиометра, на фиг.4 - выходные сигналы заявляемого модуляционного радиометра.
Структурная схема предлагаемого устройства приведена на фиг.2, где обозначены:
1 - генератор эталонного шума;
2 - модулятор;
3 - высокочастотный широкополосный полосовой фильтр;
4 - устройство вычисления модуля (абсолютной величины) сигнала;
5 - смеситель с прямым преобразованием частоты;
6 - гетеродин;
7 - усилитель нижних частот;
8 - умножитель;
9 - узкополосный фильтр;
10 - синхронный амплитудный детектор;
11 - фильтр нижних частот;
12 - генератор модулирующего напряжения.
Предлагаемое устройство содержит модулятор 2, первый вход которого является входом устройства, второй вход модулятора соединен с выходом генератора 1 эталонного шума, третий вход модулятора соединен с первым выходом генератора 11 модулирующего напряжения, выход модулятора 2 соединен с входом высокочастотного широкополосного полосового фильтра 3, с выхода фильтра 3 сигнал поступает на вход устройства 4 вычисления модуля (абсолютной величины) сигнала, выход которого соединен с первым входом смесителя 5 с прямым преобразованием частоты, второй вход смесителя 5 с прямым преобразованием частоты соединен соответственно с выходом гетеродина 6, выход смесителя 5 с прямым преобразованием частоты через усилитель 7 нижних частот соединен с первым и вторым входом умножителя 8, выход которого соединен с входом узкополосного фильтра 9, выход которого соединен с первым входом синхронного амплитудного детектора 10, второй вход синхронного амплитудного детектора 10 соединен с вторым выходом генератора 12 модулирующего напряжения, выход синхронного амплитудного детектора 10 соединен с входом фильтра 11 нижних частот, выход которого является выходом устройства.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Принятый сигнал поступает на вход модулятора 2. Этот модулятор 2 служит для сдвига спектра продетектированного входного сигнала в область более высоких частот, где меньше сказывается влияние флуктуации коэффициента усиления. Модулятор 2 в течение первой половины периода колебаний генератора 12 модулирующего напряжения подключает радиометр к антенне, в течение второй половины периода колебаний генератора 12 модулирующего напряжения - к генератору 1 эталонного шума. С выхода модулятора 2 сигнал поступает на вход высокочастотного широкополосного полосового фильтра 3, осуществляющего частотную селекцию принимаемого
радиотеплового сигнала; на выходе фильтра 3 сигнал может быть представлен в следующей форме:
n(t)=XШ(t)sin 0t+Yш(t)cos0t | (1), |
где XШ(t) и Y Ш(t) - медленно меняющиеся по сравнению с sin0t независимые нормальные процессы с нулевыми средними значениями и одинаковыми корреляционными функциями;
0 - циклическая частота настройки фильтра 3.
С выхода фильтра 3 сигнал поступает на устройство 4 вычисления модуля (абсолютной величины) сигнала. Это устройство 4 служит для формирования постоянной составляющей амплитуды сигнала на своем выходе; на выходе устройства 4 сигнал может быть представлен в следующей форме:
| n(t)=ZШ(t)sin20t | (2), |
где ZШ(t) - медленно меняющийся по сравнению с sin20t случайный процесс с ненулевыми средним значением;
Сигналы с выхода устройства 4 поступает на первый вход смесителя 5 с прямым преобразованием частоты, на второй вход которого подается напряжение с выхода гетеродина 6; гетеродин 6 на своем выходе формирует напряжение следующего вида:
| UГ=U 0sin20t | (3), |
где U0 - амплитуда напряжения гетеродина.
Напряжение гетеродина 6 имеет такую же циклическую частоту 20, что и напряжение на выходе устройства 4 вычисления модуля (абсолютной величины) сигнала, благодаря чему производится операция прямого преобразования частоты выходного сигнала устройства 4 (т.е. спектры данного сигнала переносятся в область нулевых частот).
Напряжение с выхода смесителя 5 с прямым преобразованием частоты поступает на вход усилителя 7 нижних частот, где производится основное усиление принимаемого радиотеплового сигнала до необходимой величины;
напряжения с выхода усилителя 7 нижних частот подаются на первый и второй входы умножителя 8. С выхода умножителя 8 сигналы поступают на вход узкополосного фильтра 9, настроенного на частоту генератора 12 модулирующего напряжения. С выхода узкополосного фильтра 9 сигнал поступает на первый вход синхронного амплитудного детектора 10, на второй вход которого подается напряжение со второго выхода генератора 12 модулирующего напряжения. Синхронный амплитудный детектор 10 выделяет амплитуду входного радиотеплового сигнала, снимая модуляцию, обусловленного действием модулятора 2. С выхода синхронного амплитудного детектора 10 сигнал поступает на вход фильтра 11 нижних частот, который сглаживает остаточные флуктуации выходного напряжения синхронного амплитудного детектора 10. Выход фильтра 11 нижних частот является выходом устройства.
Проведенное методом имитационного моделирования исследование предлагаемого устройства и устройства-прототипа показало следующие результаты.
Чувствительность модуляционного радиометра с прямым преобразованием частоты в два раза выше чувствительности традиционных модуляционных радиометров (фиг.3 и фиг.4). На фиг.3 и фиг.4 представлены выходные сигналы соответственно традиционного модуляционного радиометра и модуляционного радиометра с прямым преобразованием частоты. Кривая 1 на фиг.3 отображает выходной сигнал традиционного модуляционного радиометра при отсутствии радиотеплового сигнала на его входе. Выходной сигнал того же радиометра при наличии на его входе радиотеплового сигнала мощностью, составляющей 1% от мощности его внутренних шумов, представлен на кривой 2 (фиг.3). При этом разность максимума кривой 1 (точка ТВ) и минимума кривой 1 (точка ТА) характеризует флуктуационный порог радиометра, определяемый его внутренними шумами (из фиг.3 следует, что ТВ-ТА =0,7·10-5-0,5·10 -5=2·10-6), т.е величину, которую должен превысить прирост постоянной составляющей радиотеплового сигнала для принятия
решения о наличии радиотеплового сигнала на входе прибора. Уровень постоянной составляющей для кривой 1 (фиг.3) обозначен прямой Tср1, a уровень постоянной составляющей для кривой 2 (фиг.3) обозначен прямой Тср2. Прирост постоянной составляющей выходного сигнала прибора, обусловленный появлением на его входе радиотеплового сигнала, определяется разностью уровней Т ср2 и Tср1, т.е. следует, что Т ср2-Tср1=1,1·10 -5-0,55·10-5=5,5·10 -6 (фиг.3). Чувствительность радиометра определяется отношением приращения постоянной составляющей выходного сигнала прибора к флуктуационному порогу прибора. Для традиционного модуляционного радиометра прирост постоянной составляющей выходного сигнала прибора при появлении на его входе радиотеплового сигнала мощностью, составляющей 1% от мощности его внутренних шумов, превышает флуктуационный порог прибора в 2,75 раза, т.е. следует, что 
(фиг.3). Кривая 1 (фиг.4) отображает выходной сигнал модуляционного радиометра с прямым преобразованием частоты при отсутствии радиотеплового сигнала на его входе. Выходной сигнал того же радиометра при наличии на его входе радиотеплового сигнала мощностью, составляющей 1% от мощности его внутренних шумов, представлен на кривой 2 (фиг.4). При этом разность максимума кривой 1 (точка Т В) и минимума кривой 1 (точка ТА) характеризует флуктуационный порог радиометра, определяемый его внутренними шумами, т.е. следует, что ТВ -ТА=1,5-1,39=0,11 (фиг.4), т.е величину, которую должен превысить прирост постоянной составляющей радиотеплового сигнала для принятия решения о наличии радиотеплового сигнала на входе прибора. Уровень постоянной составляющей для кривой 1 (фиг.3) обозначен прямой Tср1, а уровень постоянной составляющей для кривой 2 (фиг.3) обозначен прямой Тср2. Прирост постоянной составляющей выходного сигнала прибора, обусловленный появлением на его входе радиотеплового сигнала, определяется разностью уровней Тср2 и Tср1, т.е. следует, что Т ср2-Tср1=2,12-1,45=0,67 (фиг.4).
Чувствительность радиометра определяется отношением приращения постоянной составляющей выходного сигнала прибора к флуктуационному порогу прибора. Для предлагаемого в качестве полезной модели модуляционного радиометра с прямым преобразованием частоты прирост постоянной составляющей выходного сигнала прибора при появлении на его входе радиотеплового сигнала мощностью, составляющей 1% от мощности его внутренних шумов, превышает флуктуационный порог прибора в 6,09 раза, т.е. следует, что 
(фиг.3). Таким образом, при использовании модуляционного радиометра с прямым преобразованием частоты отношение приращения постоянной составляющей выходного сигнала прибора к уровню флуктуационного порога прибора увеличивается по отношению к аналогичному параметру традиционного модуляционного радиометра более чем в 2 раза (
).
Предлагаемое техническое решение позволяет повысить чувствительность модуляционного радиометра приблизительно в два раза по сравнению с ныне известными аналогами модуляционного радиометра, избавиться от побочных каналов приема, реализовать возможность перемножения радиотепловых сигналов в цифровой форме и дальнейшую цифровую обработку сигнала в последующих трактах приемника. Кроме того, радиометр практически можно реализовать, начиная от дециметрового диапазона вплоть до коротковолновой части диапазона сантиметровых волн.
Предлагаемый модуляционный радиометр позволяет существенно повысить чувствительность радиометров и расширить область методов, основанных на использовании собственного радиотеплового излучения объектов. Заявляемый в качестве полезной модели радиометр может использоваться в радиотехнических системах морской навигации в условиях тумана (сложной ледовой обстановки), обеспечивая высокую степень безопасности судоходства.
Модуляционный радиометр с использованием прямого преобразования частоты, содержащий последовательно соединенные генератор эталонного шума, модулятор, высокочастотный широкополосный полосовой фильтр, смеситель, усилитель частоты, узкополосный фильтр, синхронный амплитудный детектор и фильтр нижних частот, выход которого является выходом устройства, гетеродин, выход которого подключен ко второму входу смесителя, генератор модулирующего напряжения, оба выхода которого подключены соответственно к третьему входу модулятора и ко второму входу синхронного амплитудного детектора, входом устройства является первый вход модулятора, отличающийся тем, что дополнительно введены устройство вычисления модуля сигнала, к входу которого подключен высокочастотный широкополосный полосовой фильтр, а выход которого подключен к входу смесителя, при этом применен смеситель с прямым преобразованием частоты, и умножитель, к двум объединенным входам которого подключен своим выходом усилитель, а выход умножителя подключен к входу узкополосного фильтра, причем в качестве усилителя использован усилитель нижних частот.
