Радиометрическая система с компенсацией внешних помех и нестабильности коэффициента передачи системы

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 и состояния зеркала антенны, например, в условиях выпадения осадков. 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 и излучения слоя осадков на поверхности зеркала, а также мультипликативного помехового воздействия, обусловленного изменением коэффициента отражения от поверхности зеркала и нестабильности коэффициента передачи системы. С этой целью в системе применена двухканальная двухмодовая зеркальная антенна, в основной антенный канал которой вводится эталонный шумовой сигнал, излучаемый в сторону зеркала и принимаемый дополнительным антенным каналом совместно с сигналом компенсации фонового излучения с последующей процедурой 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 и состояния зеркала антенны, например, в условиях выпадения осадков.

Антенная температура радиометрической системы при наличии слоя осадков на поверхности зеркала определяется соотношением [1]

где - коэффициент отражения по мощности от трехслойного образования (воздух - вода - металл антенны); Т₃₂₁ - температура шумов данного образования, приведенная к входу радиометрической системы; Т_a - антенная температура при отсутствии слоя осадков на поверхности зеркала равная

где _a - коэффициент полезного действия антенны; - коэффициент рассеяния антенны; - среднее значение яркостной температуры среды соответственно в области главного лепестка и в области рассеяния диаграммы направленности (ДН) антенны.

Анализ выражений (1) и (2) показывает, что в составе антенной температуры кроме информационной составляющей присутствуют аддитивные помехи, обусловленные приемом фонового излучения из области рассеяния антенны и шумового излучения слоя осадков на поверхности антенны, и мультипликативные помехи, связанные с изменением коэффициента отражения от зеркала при наличии слоя осадков на поверхности зеркала.

Для выделения информационной составляющей антенной температуры необходимо выполнить компенсацию помеховых компонент входного сигнала. С этой целью необходимо обеспечить

- формирование дополнительного входного сигнала адекватного аддитивным помехам, обусловленным приемом фонового излучения окружающего пространства и шумового излучения слоя осадков на поверхности антенны с последующей реализацией процедуры нахождения разности основного измерительного сигнала и дополнительного сигнала компенсации;

- формирование дополнительного сигнала, относительный уровень которого пропорционален коэффициенту передачи основного измерительного сигнала в системе, в том числе и коэффициенту отражения от зеркала при наличии на нем слоя осадков, с последующей реализацией процедуры нахождения отношения основного измерительного сигнала и дополнительного сигнала компенсации.

Известен метод компенсации аддитивных помеховых компонент входного сигнала радиометрического системы путем формирования дополнительного сигнала компенсации, при использовании двухканальной двухмодовой зеркальной антенны, адекватного аддитивной помехе, обусловленной приемом фонового излучения, с последующей реализацией операции нахождения разности сигналов основного измерительного канала и дополнительного антенного канала [2].

Для получения компенсирующего сигнала для мультипликативной помехи может использоваться метод эталонного радиояркостного контраста с делением выходных сигналов. При этом специально организуется прохождение эталонного сигнала, уровень которого на выходе пропорционален коэффициенту передачи приемника-радиометра. Далее выходной сигнал измерительного канала делится на сигнал компенсации, тем самым исключается влияние нестабильности коэффициента передачи радиометра на результаты измерений.

На таком принципе основана работа системы с делением сигналов [3]. По сигналам датчиков (термопар) термостабилизирующая система автоматического регулирования поддерживает разность физических (а следовательно, и яркостных) температур опорных нагрузок СН1 и СН2.

После усиления и детектирования сигналов происходит разделение антенного и компенсирующего сигналов. Синхронный детектор СД2 выделяет компенсирующий сигнал пропорциональный разности температур нагрузок Т_ш2-Т_ш1, синхронный детектор СД1 выделяет сигнал, пропорциональный величине [(T _ш2+T_ш1)/2]-Т_a. Коэффициент пропорциональности в обоих случаях одинаков и равен коэффициенту передачи усилительного тракта радиометра. Далее первый сигнал поступает в качестве компенсирующего, а второй - в качестве измеряемого на интегрирующий АЦП, который накапливает измеряемый сигнал, делит его на компенсирующий и переводит в цифровой код.

Рассмотренный способ обеспечивает компенсацию помехового влияния нестабильности коэффициента передачи только радиометра в составе радиометрической системы, однако на точность измерений влияет и нестабильность коэффициента передачи антенного тракта в условиях выпадения осадков

Для полной компенсации воздействия мультипликативных помех на результаты измерений радиометрической системой, необходимо осуществление прохождения эталонного сигнала через все элементы радиометрической системы, включая антенну, при условии возможной компенсации аддитивных помех.

В [4] для цели разделения информационной и помеховой составляющей принимаемого радиошумового излучения предложено использовать поляризационную селекцию, с поляризационным фильтром в виде сетки параллельных проводников, устанавливаемым перед апертурой антенны, и с дополнительными облучателями.

В соответствии с предложенным методом эталонный шумовой сигнал формируется двухуровневым генератором шума и вводится в приемный тракт радиометра через антенную систему посредством двух дополнительных облучателей, имеющих вектор поляризации, перпендикулярный вектору поляризации основного облучателя. При этом излучающий облучатель смещен относительно фокуса параболического зеркала, а за пределами фокусного расстояния расположена поляризационная сетка, не препятствующая прохождению радиояркостного излучения в момент приема полезного сигнала, но защищающая эталонный шумовой сигнал от этого влияния. Благодаря двойному синхронному детектированию и определению отношений выделенных сигналов, удается скомпенсировать влияние собственного излучения антенны и пленки воды, образующейся на поверхности зеркала.

Преимущества данного способа состоит в комплексном подходе к вопросу компенсации помех и аддитивных и мультипликативных. Однако имеют место некоторые недостатки

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

- смещение дополнительных облучателей формирования сигнала компенсации относительно фокальной линии, что вызывает определенную погрешность оценки коэффициента передачи антенного тракта;

- 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 одновременной компенсации аддитивной помеховой составляющей антенной температуры, обусловленной приемом фонового излучения по области рассеяния ДН антенны и собственного шумового излучения слоя осадков на поверхности зеркала антенны, а также мультипликативной помеховой компоненты антенной температуры, обусловленной нестабильностью коэффициента передачи системы в целом, включая антенну и радиометр, в том числе при изменении коэффициента отражения от зеркала антенны при образовании слоя осадков на его поверхности.

Поставленная цель достигается тем, что в период подключения к модулятору M1 дополнительного антенного канала А2 через основной антенный канал А1 происходит излучение эталонного шумового сигнала в сторону зеркала антенны и после отражения его прием дополнительным антенным каналом А2, в результате выходной сигнал А2 адекватен внешним аддитивным помехам, обусловленным приемом фонового излучения окружающего пространства и собственного шумового излучения слоя осадков на поверхности зеркала, и пропорционален коэффициенту отражения от зеркала со слоем осадков.

По второму варианту в основной антенный канал А1 включается направленный ответвитель НО, к которому через модулятор М2 в соответствии с управляющей последовательностью импульсов с ГОН2 подключается двухуровневый генератор шума (ГШ).

По третьему варианту на выходе СД2 формируется сигнал пропорциональный разности двух уровней шумового сигнала ГШ и коэффициенту передачи системы в целом, включая антенный канал и радиометр.

На фиг.1 показана структурная схема радиометрической системы с компенсацией внешних помех и нестабильности коэффициента передачи системы; на фиг.2 - временные диаграммы работы системы.

Радиометрическая система содержит параболическую антенну с двухмодовым облучателем (ДО), расположенным в фокусе зеркала. При этом энергия помехонесущих сигналов, поступающих в антенный канал А2, приблизительно равна энергии помехонесущих сигналов, поступающих через область рассеивания ДН в антенный канал А1. Антенный канал А2 через направленный ответвитель (НО) соединен с первым модулятором (M1). К плечу вторичной линии НО через двухплечный второй модулятор (М2) подключен источник высокостабильного шумового сигнала (ГШ), который является источником эталонного сигнала и предназначен для облучения зеркала антенны. Ко второму плечу модулятора M1 подключен дополнительный антенный канал А2, который кроме сигнала адекватного внешним аддитивным помехам принимает отраженный зеркалом сигнал ГШ. Выход модулятора M1 соединен последовательно с приемно-усилительным блоком (ПУБ) и квадратичным детектором (КД). Выход квадратичного детектора подключен к двум синхронным детекторам (СД1 и СД2). Модулирующее напряжение на модулятор M1 и опорное напряжение на синхронный детектор СД1 формируется генератором опорных напряжении (ГОН1), а модулирующее напряжение на модулятор М2 и опорное напряжение на синхронный детектор СД2 формируется генератором опорных напряжений (ГОН2).

Сигналы генераторов ГОН1 и ГОН2 не кратны по частоте, что позволяет разделить модулированные модуляторами M1 и М2 шумовые сигналы, прошедшие общий приемно-усилительный блок синхронными детекторами СД1 и СД2. Выводы СД1 и СД2 подключены к измерителю отношений (ИО).

Принцип работы радиометрической системы с компенсацией внешних помех и нестабильности коэффициента передачи системы поясняется временными диаграммами работы, приведенными на фиг.2.

На отрезке времени (t₀-t ₃) под действием управляющего сигнала, поступающего с первого выхода генератора опорного напряжения ГОН1 (фиг.2а), модулятор M1 подключает основной канал двухмодового облучателя ДО ко входу усилительно-преобразовательного блока УПБ.

На отрезке времени (t₃-t₄) под действием управляющего сигнала, поступающего со второго выхода генератора опорного напряжения ГОН1 (фиг.2б), модулятор M1 подключает дополнительный канал двухмодового облучателя ДО ко входу усилительно-преобразовательного блока УПБ. Одновременно модулятор М2, под действием управляющего сигнала от генератора опорного напряжения ГОН 2 (фиг.2г), пропускает двухуровневый эталонный пилот-сигнал с выхода генератора шума ГШ в тракт основного канала двухмодового облучателя (фиг.2д), откуда эталонный шумовой сигнал излучается в сторону отражателя антенны и принимается дополнительным каналом двухмодового облучателя А2.

Генератор шума двухуровневый, поэтому на отрезке времени (t₀-t₁) мощность эталонного шумового сигнала характеризуется величиной шумовой температуры Т_э1 а на отрезке времени (t₁-t₂) - величиной, Т_э2.

В результате напряжение на выходе первого синхронного детектора СД1 при условии наличия слоя осадков на поверхности зеркала антенны (фиг.2ж) пропорционально разности

где - коэффициент отражения от трехслойного образования на антенне; T_я - радиояркостная температура, приведенная ко входу приемника в предположении, что КПД антенны =1 и ее собственные шумы ничтожно малы по сравнению с температурой шумов подстилающей поверхности T_бок. и шумовой температурой инородного слоя Т₃₂₁ также приведенных ко входу приемника; Т_эср - средняя температура шумов двухуровневого эталонного источника.

При условии, что реакция зеркала на антенный канал А1 незначительна, и направленный ответвитель НО обладает идеальной направленностью, напряжение на выходе второго синхронного детектора СД2 (фиг.2з) пропорционально разности

где T_э1 и Т_э2 - два уровня температуры шумов эталонного источника, приведенных ко входу приемника.

Выходной сигнал системы на выходе измерителя отношений ИО пропорционален отношению

Как следует из последнего выражения, в выходном сигнале радиометрической системы отсутствуют аддитивные и мультипликативные внешние помехи, обусловленные приемом фонового излучения окружающего пространства и излучения слоя осадков на поверхности антенны и изменением коэффициента передачи системы в целом, включая антенный тракт и радиометр, в том числе и коэффициента отражения от зеркала антенны при наличии слоя осадков на поверхности антенны.

ЛИТЕРАТУРА

1. Тучков Л.Г. Естественные шумовые излучения в радиоканалах. - М.: Сов. радио, 1968.

2. Патент на полезную модель 91630 oп. в бюл. 5 от 20.02.2010 г. Радиометрическая система с компенсацией аддитивных внешних фоновых помех / Федосеева Е.В.

3. Ворсин Н.Н., Милицкий Ю.А., Шаинский В.М., Эткин B.C. Измерительные СВЧ - радиометры с цифровым выходом. // Приборы и техника эксперимента. 2. 1988. С.103

4. А.с. 1686388 СССР, МКИ G01R 29/08 Сверхвысокочастотный радиометр / Фалин В.В., Булкин В.В., Николаев В.А., Щукин Г.Г.

1. Радиометрическая система с компенсацией внешних помех и нестабильности коэффициента передачи системы, включающая двухканальную двухмодовую зеркальную антенну и радиометр модуляционного типа, в котором периодически в соответствии с управляющей последовательностью импульсов с первого генератора опорного напряжения (ГОН1) через первый модулятор (M1) на вход приемно-усилительного блока (ПУБ) подаются сигналы с выхода основного (А1) и дополнительного (А2) антенного канала, далее через квадратичный детектор (КД), усилитель низкой частоты (УНЧ) они поступают на два синхронных детектора (СД1 и СД2), на вторые входы которых подаются управляющие последовательности импульсов с ГОН1 и ГОН2, соответственно, в СД1 и СД2 реализуется процедура нахождения разности входных сигналов, обеспечивающая компенсацию аддитивных помех, выходные сигналы с СД1 и СД2 поступают на измеритель отношений (ИО), в котором реализуется процедура деления этих двух сигналов с целью компенсации мультипликативных помех, обусловленных изменением состояния поверхности зеркала антенны и нестабильностью коэффициента передачи системы в целом, включая антенный канал и радиометр, отличающаяся тем, что в период подключения к модулятору M1 дополнительного антенного канала А2 основной антенный канал А1 соединен с источниками эталонного шумового сигнала генератором шума ГШ и согласованной нагрузкой СН, что обеспечивает прохождение эталонного шумового сигнала в сторону зеркала антенны и после отражения его прием дополнительным антенным каналом А2, в результате выходной сигнал А2 адекватен внешним аддитивным помехам, обусловленным приемом фонового излучения окружающего пространства и собственного шумового излучения слоя осадков на поверхности зеркала, и пропорционален коэффициенту отражения от зеркала со слоем осадков.

2. Радиометрическая система по п.1, отличающаяся тем, что в основной антенный канал включен направленный ответвитель НО, к которому через модулятор М2 в соответствии с управляющей последовательностью импульсов с ГОН2 подключается двухуровневый генератор шума (ГШ).

3. Радиометрическая система по п.1, отличающаяся тем, что на выходе СД2 формируется сигнал, пропорциональный разности двух уровней шумового сигнала ГШ и коэффициенту передачи системы в целом, включая антенный канал и радиометр.