Радиометрическая система с компенсацией аддитивных внешних фоновых помех

Полезная модель относится к технике радиоизмерений и обеспечивает повышение точности измерений радиояркостных температур радиотеплового излучения при радиофизических исследованиях окружающего пространства в условиях трудно отслеживаемых недетерминированных изменений излучения окружающего фона. Радиометрическая система обеспечивает повышение точности измерений уровня радиошумового излучения путем компенсации аддитивной помеховой составляющей антенной температуры, обусловленной приемом фонового излучения по области рассеяния ДН антенны. С этой целью в системе применена двухканальная двухмодовая зеркальная антенна, выходной сигнал которой с дополнительного антенного канала используется в качестве сигнала компенсации в радиометре модуляционного типа.

Полезная модель относится к технике радиоизмерений и обеспечивает повышение точности измерений радиояркостных температур радиотеплового излучения при радиофизических исследованиях окружающего пространства в условиях трудно отслеживаемых недетерминированных изменений излучения окружающего фона.

Ограниченная пространственная селективность антенны радиометрической системы приводит к тому, что в выходном сигнале антенны, характеризуемым величиной антенной температуры, присутствуют помеховые составляющие, обусловленные приемом радиошумового излучения через область рассеяния антенны [1]. Поэтому для повышения точности радиометрических измерений необходима корректировка уровня выходного сигнала системы, для обеспечения его полной адекватности уровню радиошумового излучения, принимаемого по угловой области главного лепестка диаграммы направленности (ДН) антенны, т.е. выделения информационной составляющей антенной температуры. Эффективным способом решения данной задачи является реализация компенсации в системе сигнала пропорционального помеховой составляющей антенной температуры.

Наиболее известен в радиометрии вариант построения системы с возможностью осуществления способа диаграммной модуляции [2], когда прием радиошумового излучения ведется последовательно с двух направлений - направления расположения объекта, имеющего радиояркостный контраст с окружающим пространством, и направления ближайшего к первому с соблюдением условия выведения главного лепестка ДН антенны из угловой области расположения исследуемого объекта. Далее выполняется операция нахождения разности уровней сигналов, формируемых при приеме с этих двух направлений. В результате идеализированный алгоритм выделения информационного сигнала в величинах антенной температуры выглядит следующим образом:

где T₁, T₂ - антенные температуры радиометрической системы при измерениях в направлении на объект и вне его; Т_гл - яркостная температура объекта исследования; T_бок - яркостная температура пространства, соответствующего области рассеяния ДН антенны; T₀ - температура антенны; - коэффициент рассеяния антенны; - кпд антенны.

Недостатки метода диаграммной модуляции

- обязательное условие при проведении измерений - наличие радиояркостного контраста объекта исследования с окружающим пространством;

- погрешность оценки помеховой составляющей антенной температуры T₁ по величине T₂, при смене углового направления зондирования антенны в результате изменения взаимного расположения окружающего пространства и угловой структуры ДН антенны.

Другим способом получения сигнала компенсации в радиометрических системах является использование поляризационной селекции при формировании сигнала компенсации на выходе антенны. Например, в [3] для реализации данного способа предложено снабжать антенну поляризационным фильтром в виде сетки параллельных проводников, устанавливаемых или в апертуре антенны или на поверхности зеркала с последующей коммутацией режимов приема на двух ортогональных поляризациях в системе. Идеализированный алгоритм выделения информационного сигнала в данном способе выглядит следующим образом:

где //, - условные обозначения величин антенных температур, формируемых при приеме на ортогональных поляризациях.

Преимущество данного способа поляризационной селекции по сравнению со способом диаграммной модуляции состоит в неизменности относительного расположения ДН антенны и окружающего пространства при формировании сигнала компенсации.

Недостатки способа поляризационной селекции

- формирование сигнала компенсации на ортогональной поляризации, что может приводить к дополнительным погрешностям выделения информационного сигнала;

- инерционность поляризационных разделителей, реализуемых на основе механических перемещений поляризационной сетки или электрически управляемых ферритовых устройств, ограничивает возможности быстродействия алгоритмов компенсации в радиометрических системах.

Целью предлагаемого технического решения является повышение точности измерений уровня радиошумового излучения радиометрической системой путем компенсации аддитивной помеховой составляющей антенной температуры, обусловленной приемом фонового излучения по области рассеяния ДН антенны.

Поставленная цель достигается применением в составе радиометрической системы двухканальной двухмодовой зеркальной антенны, осуществляющей одновременный прием радиошумового излучения в двух режимах: синфазного и противофазного распределения поля по апертуре с разделением входных сигналов в двухмодовом облучателе антенны в соответствии с двумя модами круглого волновода - H₁₁ и E₀₁.

По второму варианту второй сигнал, подаваемый на вход модулятора (М) радиометра, снимается с выхода двухканальной двухмодовой антенны, обеспечивающего прием в противофазном режиме распределения поля по апертуре с отсутствием приема по осевому направлению, соответствующего режиму волны E₀₁ в облучателе антенны.

На фиг.1 показана структурная схема радиометрической системы с компенсацией аддитивных внешних фоновых помех; на фиг.2 - временные диаграммы работы системы.

Радиометрическая система содержит двухканальную двухмодовую зеркальную антенну, состоящую из зеркала и конического двухмодового облучателя с модовым разделителем на основе круглого волновода, расположенного в фокусе параболического зеркала. При этом энергия аддитивных внешних фоновых помех, поступающих в антенный канал А1 через боковые лепестки ДН зеркальной антенны при приеме излучения из угловой области исследования в режиме синфазного распределения поля по апертуре (волна Н₁₁ в облучателе) равна энергии аналогичных помеховых сигналов, поступающих на выход канала А2, в котором отсутствует прием по осевому направлению за счет реализации противофазного распределения поля по апертуре зеркала (волна E₀₁ в облучателе). Антенные каналы подключены к двухплечему модулятору М, на который подается управляющая последовательность импульсов с генератора опорного напряжения ГОН.

Принцип работы радиометрической системы с компенсацией аддитивных внешних фоновых помех поясняется временными диаграммами работы, приведенными на фиг.2.

На отрезке (t₀ -t₁) под действием управляющей последовательности

импульсов, поступающей с выхода ГОН (фиг.2а), модулятор М подключает основной измерительный антенный канал А1 ко входу приемно-усилительного блока ПУБ.

На отрезке (t ₁-t₂) под действием управляющей последовательности импульсов, поступающей с выхода ГОН (фиг.26), модулятор М подключает дополнительный антенный канал А1 ко входу приемно-усилительного блока ПУБ.

Оба входных сигнала канала А1 на отрезке (t₀-t₁) и канала А2 на отрезке (t₁ -t₂) проходят общий приемный тракт с преобразованием частоты в ПУБ, амплитудным детектированием в квадратичном детекторе и с усилением в усилителе низкой частоты УНЧ с формированием в соответствующие отрезки времени выходных сигналов пропорциональных величинам шумовых температур (фиг.2в) T_a1+T_шпр и T_a2+T_шпр, где T_шпр - шумовая температура приемного тракта радиометра. В результате выходные напряжения УНЧ равны

- на отрезке (t₀ -t₁)

- на отрезке (t₁-t₂ )

где k - коэффициент передачи радиометра входных сигналов антенны.

В соответствии с управляющей последовательностью импульсов с генератора опорного напряжения ГОН на первый вход синхронного детектора СД в течение отрезка (t₀-t₁) поступает напряжение U_выхА1 , а в течение (t₁-t₂) - напряжение U _выхА2 на второй вход СД поступает аналогичная управляющая последовательность импульсов с ГОН. Выходное напряжение синхронного детектора СД равно

Как следует из выражения (9) в выходном сигнале радиометрической системы отсутствуют аддитивные внешние фоновые помехи, обусловленные приемом внешнего фонового излучения через область рассеяния ДН антенны.

ЛИТЕРАТУРА

1. Цейтлин Н.М. Антенная техника и радиоастрономия. - М.: Сов.радио, 1976.-352 с.

2. Есепкина Н.А., Корольков Д.В., Парийский Ю.Н. Радиотелескопы и радиометры/ Под ред. Д.В.Королькова. - М.: Наука, 1973. - 416 с.

3. А.с.1376049 СССР, МКИ G01R 29/26. Модуляционный радиометр/Фалин В.В., Николаев В.А., Гинеотис С.П., Первушин Р.В., Костров В.В.

4. Патент на изобретение 2300831 оп. В БИПМ 16 от 10.06.2007 г. Способ снижения уровня шума антенны и двухмодовая антенна/ Федосеева Е.В., Ростокин И.Н.. Ростокина Е.А.

1. Радиометрическая система с компенсацией внешних аддитивных помех с радиометром модуляционного типа, в котором два входных сигнала подаются периодически в соответствии с управляющей последовательностью импульсов с генератора опорного напряжения (ГОН) через модулятор (М) с антенны на вход приемно-усилительного блока (ПУБ), квадратичный детектор (КД), усилитель низкой частоты (УНЧ) и на синхронный детектор (СД), на второй вход которого подается управляющая последовательность импульсов с ГОН, в результате реализуется процедура нахождения разности двух входных сигналов, обеспечивающая компенсацию аддитивных помех, отличающаяся тем, что в качестве антенны используется двухканальная двухмодовая зеркальная антенна, осуществляющая одновременный прием радиошумового излучения в двух режимах: синфазного и противофазного распределений поля по апертуре с разделением входных сигналов в двухмодовом облучателе антенны в соответствии с двумя модами круглого волновода - H₁₁ и E₀₁ .

2. Радиометрическая система по п.1, отличающаяся тем, что второй сигнал, подаваемый на вход модулятора (М), снимается с выхода двухканальной двухмодовой антенны, обеспечивающего прием в противофазном режиме распределения поля по апертуре с отсутствием приема по осевому направлению, соответствующего режиму волны E₀₁ в облучателе антенны.