CC BY
17
УДК 621.317.3
бортовая микроволновая радиометрическая система
с высокой динамикой измерения
Т. Аодирасул уулу, К. В. Алексеев, Д И. Данилов, 1.1. Жук, А. С. Тсшходжаев, А. В. Убайчин, А. В. Филатов Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
С.КЕ «Смесна». р. Томск. Россия
Аннотация - В Ш1ье ошкан новый меюд ироекшроъаним ылленыл. микроио.шоныл. ралиолимров с высокой динамикой измерений, стабильностью п пониженным энергопотреблением. Раскрыты аспекты оригинального способа формирования опорного источника низкотемпературного шума, алгоритма управления п условия нулевого баланса мошнослп измеряемых сигналов в модифицированных нулевых радиометрах. Приведена разработанная структурная схема радиометрической системы, предназначенной для иошка радио!еиловыл аномалий иодешланшдей шшерлност с ио.чошью нвшни.ниию беспилотного летательного аппарата.
Ключевые слова: лпетанппонное зондирование, микроволновый радиометр, радиофизические методы исследований, научное приборостроение, попек рлднотепловых аномалии.
I. ВВЬДЬНМЕ
Радиометрические методы получили широкое распространение в различных прикладных отраслях народного хозяйства. Неотъемлемой частью радиометрических измерений является специализированная измерительная аппаратура, характеристики которой определяют метрологический уровень полученных данных. В настоящее время с достаточной глубиной решен вопрос разработки и создания стационарных радиометрических систем, основанных на классических измерительных методах [1]. Все большей актуальностью начинают обладать задачи применения микроволновых радиометров в составе летате:сьных аппаратов и других подвижных объектов с автономным питанием [2]. Актуальность применения таких систем микроволновой радиометрии обусловлена необходимостью реализации перспективных прикладных задзч. заключающихся, в том числе, в мониторинге подстилающей поверхности на предмет поиска «холодных» н «горячих» радиэтепловых аномалии, обусловленных. например, возгораниями или скрытыми металлическим объектами.
П. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Ключевой особенностью автономных измерительных систем является ограниченная емкость элементов питания. Взиду необходимости обеспечения тщательного термоститировання и питания систем контроля усиления существующие микроволновые радиометрические системы обладают повышенным потреблением энергетической энергии. В связи с этим актуальна задача разработки нозых методологических решений, позволяющих создавать радиометрические системы с низким энергопотреблением и высокими метрологическими характеристиками.
Нашим коллективом разработана микроволновая радиометрическая система коротковолновой части сантиметрового диапазона длин волн для поиска радиотепловых аномалий с оорта автономного оеслитотнсго летательного аппарата. Радиометрическая система характеризуется низким энергопотреблением, высокой стабильностью и динамикой измерений, присущей нулевым радиометрам.
Ш. СТРУКТУРНАЯ СХЕМ/. РАДИОМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
В основе радиометрической системы заложены принцип многогриемниковости модификации нулезого метода измерений и оригинальное техническое решение [2]. Структурные схемы автономной радиометрической системы и двухприемннкового радиометра показаны на рис. 1.
— БП —|
ГЛОНАСС
У
I
РМ ЦСУ ППЗУ |
ФАР
РК
КЗ
±
ПК
ФВЧ1 К1
РМП1
РМП2
"X
ЦБУ
ФВЧ2
' ШПД
К2
а)
Ь)
Рис. 1 Структурные схемы автономной радиометрической системы а) н двухлриемннкового нулевого радиометра Ь)
Радиометрическая система состоит из фазированной антенной решетки ФАР. микроволнового радиометра РМ. цифровой системы правления ЦСУ. программируемого постоянного запоминающего устройства ППЗУ. блока передачи данных по радиоканалу РК. автономного блока питания БП. блока глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС.
На рис. 1Ь изображена структурная схема двухгриемннкового микроволнового радиометра с пониженным энергопотреблением. Радисметр состоит из антенного фидера Ф. выход которой подключен к соответствующему входу сверхвысоко час* ш иш и исрсклю чанмш ПК, соответствующие входы ко юрою подключены к согласованной нагрузке СН н сверхвысокочастотному короткозамыкателю КЗ, при этом первый выход переключателя соединен с пероым бкодом цифрового блока управления ЦБУ через последовательно соединенные первый ра диометрический приемник РПМ1. первый фильтр высоких частот ФВЧ1 и первый компаратор К1. а второй выход переключателя соединен го вторым пхолом цифрового блока упраялеичя ЦБУ черед погледонателкио го-единенные второй радиометрический приемник РПМ2. второй фильтр высоких частот ФВЧ2 и второй компаратор К2. цифровой блок управления имеет одну цифровую управляющую шину данных, соединяющую соответствующий выход ЦБУ с управляющим входом ПК, а вторая цифровая шина ЦБУ является выходкой шиной радиометра ВШД.
a) О
b) О
c) О Щ
<*) о
е) О
1 1 ^
г 1—1
{рут2 1 ^
ч \Уй . ммм--Т и+
и'о »
^^ и1
Рис. 2. Временные диаграммы работы разработанного радиометра
Функционирование радиометра происходит согласно временным диаграммам, представленным на рис. 2 и осуществляется следующим образом. Работа радиометра выполняется синхронно с тремя управляющими логическими сигналами т^ (Рис. 2 а), г^^ (рис. 2 Ь), (Рис- 2 с) генерируемыми в ЦБУ. Под действием управляющего сигнгла Трап посредством высокочастотного переключателя происходит поочередное переключение
ФАР на входы первого н второго радиометрических приемников. Высокий уровень сигнала tpcm соответствует подключению ФАР на вход второго радиометрического приемника низкий уровень соответствует подключению ФАР на вход первого радиометрического приемника. Высокий уровень управляющих сигналов t^i и управляют подключением согласованной нагрузки на вход первого и второго радиометрических приемников соответственно.
Во время низкого уровня сигнала трми1 и высокого уровня сигнала г^ на вход первого радиометрического приемника подключается высокочастотный короткозамыкагель. Во время низкого уровня сигнала ip^mi и низкого уровня сигнала ipam высокочастотный коротко замыкатель подалючается на вход второго радиометрического приемника. Па рис. 2 диаграммы d и е соответствуют эпюрам напряжения на входе первого н второго компараторов соответственно.
IV. АЛГОРИТМ РАБОТЫ РАДИОМЕТРА К МОДЕЛИРОВАНИЕ
Прн помощи САПР N1 AWR Microwave Office проведено моделирование алгоритма работы разработанного радиометра. Алгоритм работы состоит в следующем. Пусть согласованная нагрузка обладает шумовой температурой Тш, птумокая температура первого радиометрического приемника соотнетгткует а птумоняя температура фазированной антенной ретттетти раина Тл Амплитуды положительного v отрицательного импульсов (рис. 3 d) U+. U. и уровня напряжения, пропорционального подключению на зход приемника фазированной антенной решетки U0 соответственно равны
и+ * кAT1G1 (Тш +тш), и_ * kAffi,[Тш). U0K kAffi,(Тш + Тл) (1)
где к постояш:ая Больцмапа. Д/i рабочая полоса частот первого радиометрического приемшпеа. G\ ксоф фицнект передачи перзого радиометрического приемника.
Выполнение условия (2) обусловливает равенство вольт-секундных площадей [3]:
(U0 -U_y [t^ - ) = [L\ -Uoy t. (2)
Технически вьшолнение условия (2) достигается за счет измерения длительности широтно-нмпульсной модуляции. при этом компаратор производит непрерывное слежение за напряжением в полупеоисде амплитудно-импульсной модуляции, соответствующим подключению на вход радиометрического приемника фазированной антенной решетки. Фиксация нулевого напряжения соответствует выполнению условия (4) при исключенной постоянной составляющей продетектлреваннон импульсной последовательности [3] при помощи фильтра высоких частот.
Подставляя выражения (1) в (2)т путем делешга левой и правой части па общий множитель kAfvG . вычита ния 7V,7ii и преобразовывая относительно Тл
= О)
Формула (3) показывает инвариантность результатов измерений к изменениям коэффициента передачи приемника и собственной шумовой температуры.
V. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Разработан новый способ реализации модификации нулевл о метода измерений и ко.-щеиции .мноюлрием-ннковостн. Разработанный на основе орнгннатьЕого способа модифицированный двухпрнемниковый мнЕро-волповый радиометр использует собственную шумовую температуру радиометрического приемника и согласо ванную нагрузку в качестве опорных точек для построения передаточной характеристики. Приведенная особенность позволяет избежать применения опорного генератора шума на основе лавннно-пролетных диодов и диодов Ганна По сравнению гп структурной схемой приведенной r [3] конструкция разработанного радиометра упрошена за счет исключения направленного ответвителя. генератора шума, управляющего СВЧ-ключа.
VI. ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведенных исследований снижено энергопотребление и улучшены массогзбаритные параметры бортовой радиометрической системы. В разработанном радиометре нет необходимости термостатирова-ния радиометрического приемника при измерении температуры согласованной нагрузки н коррекции результатов измерений. Формирование опорного источника шумозогэ сигнала посредством переотражения собственных шумов системы связано с рядсм особенностей, описанных в [2].
В приведенной структурной схеме данные особенности, связанные с интерференцией собственных шумов также имеют место. Способ их устранения в модификации нулевого метода измерений охраняется авторами в режиме «ноу-хау».
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-37-00237мол_а
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Camps А__ Tnroiigi J. M Mianwiw radiometer resolution optimization using variable observation times И Remote Seusmg.2010.Vol. 2.P. 1826-1843.
2. Filatov A.V., Ubattim A.V.A microwave four-channel null L-baiid radiometer If Instruments aiid Experimental Techniques. 2012 Vol. 55.no. LP. 59-64
3. Filatov A.V, Ubaichin A.V.Tlie dynamic properties of a digital radiometer system and its operating efficiency И Measurement Techniques.Vol. 12, no.lO.P. 1-6.
4. Ubaichin A.V.. Filatov A. V. Quick event registration by a microwave radiometric method И Proceeding CriMiCo.2Q14.P. 1123-1124.
