Нулевой радиометр

 

Использование: прием слабых сигналов в широком диапазоне частот. Сущность изобретения: нулевой радиодальномер содержит направленный ответвитель 1, аттенюатор 2, генератор шума 3, направленный генератор тока 4, модулятор 5, приемник 6, импульсный усилитель 7, фильтр высоких частот 8, синхронный фильтр 9, аналоговый компаратор 10, согласованную нагрузку 11, термостатированную плату 12, счетчики обратного счета 13 и 14, реверсивный двоичный счетчик 15, двоичный счетчик 16, генератор тактовых импульсов 17, триггер широтно - импульсного сигнала 18, триггер полупериодов модуляции 19, цифровой компаратор 20, дешифратор 21, согласующие усилители 22 - 24, формирователь импульсов 25, элементы И 26, 28, 30, 32, элементы ИЛИ 31, 33, инверторы 27, 29, антенну 34. 4-3-2-1-5-6-7-8-9-10-15-20-18-33-32-22-4, 17-16-19-25-26-13-27-32-21-23-23-9, 25-28-14-31-18, 25-30-13-31, 14-29-30-14-33. 7 ил.

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и может использоваться для приема слабых сигналов в широком диапазоне частот.

Известен нулевой радиометр, состоящий из модулятора, осуществляющего попеременную коммутацию (в зависимости от управляющего сигнала с опорного генератора) на вход приемника согласованной нагрузки и антенны, подключенной к модулятору через направленный ответвитель, на второй вход которого через аттенюатор и ключ, управляемый от формирователя импульсов, поступает шумовой сигнал от генератора шума [1]. Радиометр также содержит после приемника последовательно соединенные синхронный детектор, интегратор, преобразователь "напряжение-частота".

Входное устройство радиометра термостатируется с помощью термостата. Ввод постоянного по мощности сигнала от генератора шума в тракт антенны осуществляется импульсами длительностью ≈ 40 мкс, частота поступления которых в направленный ответвитель переменна и зависит от выходной частоты преобразователя "напряжение-частота". Сигнал от согласованной нагрузки и смесь сигналов от антенны и генератора шума подвергаются синхронному детектированию и затем интегрированию с целью сглаживания и выделения из последовательности импульсов постоянной составляющей напряжения, которое является управляющим для преобразователя "напряжение-частота", и на выходе которого изменяется частота. Цепь автоматического регулирования замыкается через формирователь и ключ. Частота поступления постоянного по мощности шумового сигнала от генератора шума в направленный ответвитель будет зависеть от того, выполняется ли условие нулевого приема.

К недостаткам этого радиометра можно отнести невысокую точность измерения (представление в виде частоты), которая будет зависеть от точности интегрирования сигналов, их сглаживания с целью устранения пульсаций. К ухудшению точности приводят пульсации на выходе интегратора, для их уменьшения увеличивают сглаживающую емкость, что приводит к динамической погрешности, зависимой от постоянной фильтра низких частот. Точность представления результатов измерения будет также зависеть от погрешности преобразования напряжения в частоту (от точности работы управляемого напряжением генератора), от его линейности. Так как подшумливание в тракт антенны происходит импульсами переменной частоты и малой длительности (≈40 мкс), повышенные требования предъявляются к ключевому элементу, управляемому от формирователя импульсов, к его быстродействию. В этом случае потеря точности будет происходить на фронтах и срезах импульсов шумового сигнала от генератора шума. Точность работы прибора зависит от стабильности формирования длительности импульсов управления ключом.

Известен нулевой радиометр, который состоит из антенны, направленного ответвителя, согласованной нагрузки, модулятора, термостатированной платы, приемника, импульсного усилителя, фильтра верхних частот, синхронного фильтра, аналогового компаратора [2] . Сигнал компенсации поступает на вход направленного ответвителя через аттенюатор от генератора шума, работа которого управляется генератором тока. Кроме того, этот радиометр также содержит двоичный реверсивный и двоичный счетчики, генератор тактовых импульсов, цифровой компаратор, триггеры полупериодов модуляции для управления модулятором и широтно-импульсного сигнала для управления генератором тока, дешифратор, который управляет синхронным фильтром, три согласующих усилителя, выходную цифровую шину. В данном радиометре период модуляции шумовых сигналов от антенны, генератора шума и согласованной нагрузки состоит из двух равных по длительности полупериодов.

В первом полупериоде на вход приемника через направленный ответвитель и модулятор поступает сигнал от антенны и переменный по длительности сигнал компенсации от генератора шума, который вводится в тракт антенны через второй вход направленного ответвителя. Во втором полупериоде на вход приемника коммутируется согласованная нагрузка. После усиления промодулированных сигналов по высокой частоте, детектирования и усиления в этой периодической последовательности сигналов фильтром высокой частоты исключается постоянная составляющая напряжения и в дальнейшем происходит анализ на равенство вольт-секундных площадей положительных и отрицательных импульсов модуляции.

В этом случае управляющее воздействие для изменения длительности сигнала от генератора шума вырабатывается аналоговым компаратором на основании сравнения во втором полупериоде напряжения на выходе фильтра высоких частот с нулевым потенциалом. В это время на вход приемника коммутируется согласованная нагрузка. С изменением сигнала от антенны на выходе фильтра высоких частот происходит смещение периодической последовательности сигналов относительно нулевой линии, и напряжение во втором полупериоде не будет равно нулю. Фазировка входом аналогового компаратора выбрана так, что устройством будет автоматически пропорционально меняться соответственно длительность поступления шумового сигнала от генератора шума в антенный тракт, чтобы получить напряжение после фильтра высоких частот во втором полупериоде равным нулю. В этом заключается условие правильного регулирования. В момент этого равенства длительность сигнала от генератора шума пропорциональна сигналу от антенны.

К недостаткам этого радиометра можно отнести невысокую точность измерения и недостаточные функциональные возможности. В данном радиометре шумовые температуры управляемого по включению-выключению генератора шума и опорной согласованной нагрузки выполняют роль двух опорных величин и, следовательно, изменение диапазона измеряемых сигналов влечет за собой изменение этих опорных величин. Изменение диапазона измерения в этом случае можно осуществить путем аналогового изменения выходной шумовой мощности генератора шума, дискретно изменяя протекающий через него ток. Тогда будет меняться лишь нижняя граница измеряемых температур от антенны при неизменной верхней, которая определяется температурой статирования входного узла радиометра. Между выходным сигналом генератора шума и протекающим через него постоянным током существует нелинейная зависимость. Тогда для установки точных и кратных границ диапазона измерения необходимо выполнить фиксированные с подобранным значением источники тока. Так как генераторы шума имеют разброс параметров, то после их замены источники тока вновь необходимо подбирать и калибровать в соответствии с новой характеристикой величины шумового сигнала на выходе генератора шума от протекающего через него постоянного тока, что является трудоемкой операцией и будет приводить к погрешностям, снижать точность измерения. Количество диапазонов измеряемых температур антенны будет определяться количеством источников тока. В этом случае надо решить проблему коммутации этих источников тока с генератором шума, что приведет к дополнительным погрешностям и снизит точность измерения. Диапазоны измерения будут отличаться друг от друга лишь нижней границей измеряемых температур, и поэтому нет возможности получать шкалу преобразования в любом интересующем исследователя при эксплуатации прибора участке максимальной шкалы, определяемой шумовыми температурами согласованной нагрузки и генератора шума.

Предлагаемый нулевой радиометр свободен от указанных недостатков, имеет расширенные функциональные возможности, что заключается в изменении диапазона измерения не традиционными методами, и более высокую точность. Диапазон измерения изменяется модуляцией двух опорных сигналов и входного измеряемого. Это осуществляется путем включения к периоду, в котором осуществляется широтно-импульсная модуляция сигнала от одной опорной нагрузки - генератора шума, дополнительных периодов модуляции, от типа и числа которых зависит диапазон измеряемых антенных сигналов. Это достигается тем, что в нулевой радиометр, содержащий последовательно соединенные антенну, направленный ответвитель, модулятор, приемник, импульсный усилитель, фильтр высокой частоты, синхронный фильтр, аналоговый компаратор и последовательно соединенные управляемый генератор тока, генератор шума, аттенюатор, при этом второй вход аналогового компаратора соединен с общей шиной, второй вход модулятора подключен к согласованной нагрузке, а выход аттенюатора соединен с вторым входом направленного ответвителя, причем управляемый генератор тока, генератор шума, аттенюатор, направленный ответвитель, модулятор и согласованная нагрузка размещены на термостатированной плате и находятся в тепловом с ней контакте, а также содержащий цифровой компаратор, первый и второй триггеры, генератор тактовых импульсов, дешифратор, первый и второй счетчики, первой, второй и третий согласующие усилители, выходы которых соединены соответственно с третьим входом модулятора, с вторым входом синхронного фильтра и входом управляемого генератора тока, а входы второго и первого согласующих усилителей подключены соответственно к выходу дешифратора и прямому выходу второго триггера, выход первого счетчика, который также является выходной шиной устройства, и первый выход второго счетчика подключены соответственно к первому и второму входам цифрового компаратора, выход которого соединен с S-входом первого триггера, R-вход которого соединен с первым входом дешифратора, первый вход первого счетчика и вход второго счетчика соединены соответственно с выходами аналогового компаратора и генератора тактовых импульсов, второй выход второго счетчика соединен с входом второго триггера, дополнительно введены третий и четвертый счетчики, первый, второй, третий и четвертый элементы И, первый и второй элементы ИЛИ, первый и второй инверторы, формирователь импульсов, первая и вторая входные шины, которые соединены соответственно с первыми входами третьего и четвертого счетчиков, при этом выход третьего счетчика соединен с первыми входами первого элемента И и первого элемента ИЛИ и объединен с входом первого инвертора, выход которого соединен с первыми входами второго, третьего и четвертого элементов И, а выход четвертого счетчика соединен с входом второго инвертора и с вторыми входами второго элемента И и первого элемента ИЛИ и объединен с первым входом второго элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом первого триггера, а выход - с вторым входом четвертого элемента И, выход которого соединен с вторым входом дешифратора и входом третьего согласующего усилителя, выход второго инвертора подключен к второму входу третьего элемента И, третий вход которого, а также третий вход второго элемента И и второй вход первого элемента И соединены вместе и объединены с выходом формирователя, вход которого соединен вместе с первым входом дешифратора и подключен к прямому выходу второго триггера, инверсный выход которого соединен с третьим входом четвертого элемента И, выходы первого и второго элементов И соединены соответственно с вторыми входами третьего и четвертого счетчиков, третьи входы которых и второй вход первого счетчика соединены вместе и подключены к выходу третьего элемента И, выход первого элемента ИЛИ соединен со вторым R-входом первого триггера.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого нулевого радиометра; на фиг. 2 - временные диаграммы периода модуляции с широтно-импульсным изменением сигнала от генератора шума (а) и дополнительных периодов модуляции антенны (б) и генератора шума (в); на фиг. 3 - графики прямых преобразования - длительность введения сигнала от генератора шума в тракт антенны в зависимости от исследуемого сигнала антенны; на фиг. 4 - один полный период модуляции, содержащий два периода - антенны и основной; на фиг. 5 - один полный период модуляции, содержащий два периода - генератора шума и основной; на фиг. 6 - один полный период модуляции, содержащий три периода - два дополнительных (антенны и генератора шума) и основной; на фиг. 7 - временные диаграммы, поясняющие функционирование радиометра при формировании периодической последовательности сигналов модуляции, содержащей два дополнительных периода антенны, один дополнительный период генератора шума и основной период.

Нулевой радиометр (см. фиг. 1) состоит из направленного ответвителя 1, аттенюатора 2, генератора шума 3, управляемого генератора тока 4, модулятора 5, приемника 6, импульсного усилителя 7, фильтра высоких частот 8, синхронного фильтра 9, аналогового компаратора 10, согласованной нагрузки 11, термостатированной платы 12, а также включает два счетчика обратного счета 13 и 14, реверсивный двоичный счетчик 15, двоичный счетчик 16, генератор тактовых импульсов 17, триггеры широтно-импульсного сигнала 18 и полупериодов модуляции 19, цифровой компаратор 20, дешифратор сигналов 21, три согласующих усилителя 22-24, формирователь импульсов 25, четыре логических элемента И (конъюнкторы) 26, 28, 30, 32, два логических элемента ИЛИ (дизъюнкторы) 31, 33, два инвертора 27, 29, две входные шины 35, 36, выходную шину 37. На вход измерительного тракта радиометра подключается антенна 34.

Как известно из принципа работы устройства-прототипа, в нем период модуляции входных сигналов от антенны 34, генератора шума 3 и согласованной нагрузки 11 состоит из двух равных по длительности полупериодов t_п/п. В первом полупериоде на вход приемника 6 устройства подключается антенна, и в тракт антенны через направленный ответвитель 1 вводится шумовой сигнал от генератора шума Т_гш, длительность которого t_шис пропорциональна шумовому сигналу антенны Т_А и может изменяться от 0 до длительности полупериода при соответствующем изменении сигнала от антенны. Во втором полупериоде на протяжнии всего его времени на входе приемника действует сигнал Т_о от согласованной опорной нагрузки. После фильтра высоких частот в периодической последовательности сигналов модуляции исключается постоянная составляющая напряжения, что приведет к смещению этой последовательности вверх или вниз относительно нулевой линии. Направленный сдвиг последовательности сигналов относительно нулевой линии осуществляется изменением длительности t_шис ввода сигнала от генератора шума. Эта длительность автоматически регулируется и поддерживается такой, чтобы напряжение сигнала на входе аналогового компаратора 10 во втором полупериоде было равно нулю (см. фиг. 2, а). В этом заключается правильная работа устройства, в котором осуществляется следящий режим за изменением сигнала от антенны, все время "подгоняя" длительность включенного состояния генератора шума. Зависимость длительности изменения t_шис от антенного сигнала Т_А определяется равенством t_шис= · t_п/п , (1) в котором Т_о и Т_гш являются двумя опорными нагрузками и определяют диапазон измеряемых температур от антенны, а искомый сигнал от антенны находится из выражения T_A= T_O-T_гш (2) В этом случае границы измеряемых температур Т_А находятся путем подстановки t_шис = 0 и t_шис = t_п/п в выражении (2) и равны соответственно Т_А = Т_о и Т_А = Т_о - Т_гш. Графически зависимость (1) показана на фиг, 3 прямой линией 1.

В предлагаемом радиометре изменение диапазона измерения при неизменных величинах образцовых шумовых сигналов Т_о и Т_гш достигается изменением модуляции этих образцовых источников шума и измеряемого входного сигнала. Это изменение заключается в введении дополнительных периодов модуляции, которые в совокупности с периодом широтно-импульсного сигнала, как у прототипа, образуют новую периодическую последовательность сигналов. В этом случае диапазон измерения будет непосредственно зависеть от типа и числа дополнительных периодов. В предлагаемом устройстве формируются дополнительные периоды двух типов и так же, как и период модуляции с широтно-импульсным сигналом от генератора шума, имеют равную с ним длительность и состоят из двух полупериодов. В первом полупериоде на вход приемника поступает либо сигнал только от антенны (первый тип дополнительных периодов, фиг. 2, б), либо сумма сигналов от генератора шума и антенны (второй тип дополнительных периодов, фиг. 2, в), а во втором полупериоде для обоих типов дополнительных периодов модуляции на вход приемника подключается согласованная опорная нагрузка. Таким образом, в зависимости от диапазона измеряемых сигналов полный период модуляции формируется путем набора периодической последовательности импульсных сигналов из необходимого числа трех стандартных (см. фиг. 2) периодов по следующему принципу: в начале полного периода следуют дополнительные периоды, число и тип которых определяют диапазон измеряемых сигналов. Заканчивается полный период модуляции всегда одним периодом с широтно-импульсным сигналом от генератора шума.

В дальнейшем назовем период модуляции, в котором осуществляется изменение сигнала от генератора шума по длительности, основным периодом модуляции (см. фиг. 2, а). Дополнительный период, характеризующийся поступлением на вход приемника в первом полупериоде только сигнала от антенны, обозначим как дополнительный период антенны (см. фиг. 2, б), а дополнительный период, когда на вход приемника поступает сумма сигналов от антенны и генератора шума, назовем дополнительным периодом генератора шума (см. фиг. 2, в).

При включении в периодическую последовательность сигналов дополнительных периодов принцип работы цепи обратной связи автоматически регулированного по длительности ввода сигнала от генератора шума в антенный тракт остается прежним (как у прототипа), т.е. путем изменения этой длительности на выходе измерительного тракта (входе аналогового компаратора) все время поддерживается нулевое напряжение в полупериоде коммутации на вход приемника согласованной нагрузки. При изменении сигнала от антенны цепь автоматического регулирования "отрабатывает" это изменение соответствующим изменением длительности поступления в тракт антенны через направленный ответвитель сигнала от генератора шума.

Тогда в соответствии с правилом правильного регулирования для периодической последовательности сигналов, составленной из одного дополнительного периода антенны и основного периода (см. фиг. 4), длительность широтно-импульсного сигнала t_шис поддерживается такой, чтобы на выходе фильтра высоких частот для первых полупериодов выполнилось равенство вольт-секундных площадей импульсов модуляции, лежащих в положительной и отрицательной областях напряжений, т.е. S₁ + S₂ = S₃ или (Т_о - Т_А) t_п/п + (Т_о - Т_А) (t_п/п - t_шис) =(Т_А + Т_гш - Т_о)t_шис, откуда t_шис= t_п/п, (3) сигнал от антенны Т_А определится как T_A= T_O-T_гш (4) На фиг. 3 для такого случая последовательности периодических сигналов модуляции прямая преобразования займет положение линии 2.

Таким образом, добавление к основному периоду одного дополнительного периода подключения на вход антенны ведет к изменению диапазона измерения, и при неизменных опорных величинах Т_о и Т_гш он сдвигается в сторону более высоких температур Т_А. Входной сигнал от антенны может изменяться в пределах от Т_о до T_O- , вызывая изменение длительности сигнала от генератора шума в основном периоде от 0 до длительности полупериода t_п/п. Размах диапазона измеряемых сигналов Т_А в этом случае может быть определен как ΔT_A= T-T = T_O-T_O+T_гш· = Т.е. Δ Т_А в два раза меньше, чем у прототипа, для которого Δ Т_А = Т_гш, что следует из формулы (2). Это приведет к тому, что при том же количестве разрядов в выходном цифровом коде радиометра вес младшего разряда уменьшается вдвое, т.е. увеличивается разрешение представления результатов измерения сигнала от антенны в диапазоне T_O ÷ T_O- и соответственно точность.

Аналогично можно показать, что при добавлении к основному периоду модуляции одного дополнительного периода генератора шума (см. фиг. 5), будут выполняться равенства: t_шис= t_п/п (5) T_A= T_O- 1 +
Для крайних значений длительности широтно-импульсного сигнала от генератора шума t_шис = 0 и t_шис = t_п/п сигналы от антенны будут соответственно определены как T_A= T_O- и Т_А = Т_о - Т_гш. На графике (см. фиг. 3) прямая преобразования займет положение прямой 3. Таким образом, при введении одного дополнительного периода генератора шума диапазон измерения сдвигается в более "холодную" сторону антенных температур. При изменении входного сигнала Т_А от Т_о - Т_гш до T_O- длительность сигнала от генератора шума в основном периоде будет последовательно изменяться от t_п/п до 0. Величина диапазона Т_А так же, как в предыдущем случае, останется , что соответствует увеличению разрешения представления результатов измерения в два раза.

Рассмотрим третий случай, когда полный период модуляции содержит (см. фиг. 6) три следующих друг за другом периода: дополнительный период антенны, дополнительный период генератора шума и основной период. Для одного полного периода модуляции можно записать S₁ + S₃ = S₂ + S₄ или
(Т_о - Т_А)t_п/п + (Т_о - Т_А)(t_п/п - t_шис) = (Т_А + +Т_гш - Т_о)t_п/п + (Т_А+ Т_гш - Т_о)t_шис, откуда
t_шис= t_п/п, (6)
T_A= T_O- 1 +
Из выражений (6) следует, что при t_шис = 0, T_A= T_O- , при t_шис= T_A= T_O- и при t_шис = t_п/п T_A= T_O- . Значения антенных температур T_O- и T определяют границы диапазона измеряемых сигналов, которые в данном случае симметричны относительно центра максимальной шкалы со значением T_O- . Прямая преобразования на графике (см. фиг. 3) изображена прямой линией 4. Таким образом, введение двух дополнительных периодов разных типов в полный период модуляции приведет к изменению диапазона измеряемых сигналов, а именно границы диапазона симметрично сдвинутся к центру полной шкалы преобразования. Размах диапазона Δ Т_А станет равным
ΔT_A= T-T = T_O- - T_O+ T = По сравнению с прототипом, для которого ΔТ_А = Т_гш, для данного случая модуляции разрешение измеряемого сигнала возрастет в три раза.

Если полный период последовательности сигналов будет состоять из n дополнительных периодов антенны и основного периода, то длительность сигнала от генератора шума в основном периоде модуляции, измеряемый антенный сигнал и величина диапазона измерения будут определены через выражения
t_шис= t_п/п T_A= T_O- ·
(7)
ΔT_A=
Если полный период модуляции включает в себя m дополнительных периодов второго типа (дополнительных периодов генератора шума) и основной период, то в этом случае
t_шис= t_п/п
T_A= T_O- m + (8)
ΔT_A= В общем случае при включении в импульсную периодическую последовательность n дополнительных периодов антенны и m дополнительных периодов генератора шума выражения для t_шис, Т_А и Δ Т_А будут иметь вид
t_шис= t_п/п
T_A= T_O- m + (9)
ΔT_A=
Из этого следует, что диапазон измеряемых шумовых сигналов Т_А можно достаточно легко менять в пределах максимальной шкалы преобразования, ограниченной опорными шумовыми сигналами Т_о и Т_гш, не изменением этих опорных величин, а изменением модуляции сигналов Т_о, Т_гш и Т_А. Полный период модуляции образуется из дополнительных периодов антенны, генератора шума и основного периода.

В предлагаемом нулевом радиометре направленный ответвитель 1, аттенюатор 2, генератор шума 3, управляемый генератор тока 4, модулятор 5, согласованная нагрузка 11 устанавливаются на термостатированной плате 12 и находятся в непосредственном с ней тепловом контакте. Температуры Т_о статирования платы 12 определяет верхний предел диапазона измеряемых температур от антенны 34. Назначение фильтра высоких частот 8 в измерительном тракте радиометра такое же, как и в прототипе. Он исключает постоянную составляющую напряжения в поступающей с выхода импульсного усилителя 7 периодической последовательности сигналов. Двоичный 16 и двоичный реверсивный 15 счетчики, цифровой компаратор 20, триггеры полупериода модуляции 10 и широтно-импульсного сигнала 18, а также дешифратор 21, генератор тактовых импульсов 17 и усилители согласования 22-24 имеют такое же назначение, как и аналогичные элементы в прототипе.

Двоичный счетчик 16 производит прямую развертку двоичного кода от поступающих на его вход счета С импульсов с генератора тактовых импульсов 17 и в момент переполнения с выхода Р изменяет состояние триггера 19 модуляции на обратное. Тем самым с прямого выхода триггера 19 модуляции через согласующий усилитель 24 осуществляется переключение входов модулятора 5 в измерительном тракте радиометра. Причем если на прямом выходе триггера 19 высокий потенциал (лог. "1"), то на вход приемника 6 коммутируется эталонная согласованная нагрузка 11, а если лог. "0", то на вход приемника поступает сигнал с выхода направленного ответвителя 1.

Содержимое двоичного реверсивного счетчика 15 изменяется в конце каждого полного периода работы радиометра и в зависимости от потенциального логического сигнала с выхода аналогового компаратора 10, который поступает на вход направления счета +/- счетчика, его состояние либо увеличивается, либо уменьшается. Одновременно содержимое двоичного реверсивного счетчика является выходным цифровым кодом устройства. Дешифратор 21 и согласующий усилитель 23 выполняют такую же функцию, что и в прототипе, и осуществляют последовательную коммутацию накопительных конденсаторов в синхронном фильтре. На первом конденсаторе накапливается уровень сигнала от антенны, на втором - сумма сигналов от антенны и генератора шума, а на третьем - сигнал от опорной согласованной нагрузки.

В двоичные счетчики 13 и 14, работающие на вычитание в начале каждого полного периода по параллельным входам D_i с соответствующих входных шин 35 и 36 при наличии сигнала стробирования на входе Е этих счетчиков заносится информация о количестве дополнительных периодов модуляции. В счетчик 13 заносится в двоичном коде число дополнительных периодов модуляции только сигнала от антенны (дополнительные периоды антенны), а в счетчик 14 - число дополнительных периодов модуляции суммы сигналов от антенны и генератора шума (дополнительные периоды генератора шума). Вычитание в счетчиках происходит по переднему фронту импульсного сигнала, поступающего на вход С счетчиков.

Для выхода Р счетчиков 13 и 14 действительна следующая таблица истинности. Если состояние счетчика нулевое, то на выходе Р низкий потенциал (лог. "0"), если его состояние не нулевое, то на этом выходе высокий потенциал (лог. "1"). Формирователь импульсов 25 запускается отрицательным перепадом сигнала с прямого выхода триггера модуляции 19 (при переходе от лог. "1" к лог. "0") в конце каждого периода (как основного, так и дополнительных) и формирует на своем выходе короткий импульс, по фронту которого выполняются операции счета в одном из счетчиков 13, 14, 15 или одновременно заносится информация в счетчики 13 и 14 по параллельным входам D_i. Длительность этого импульса меньше времени переходных процессов в счетчиках, что необходимо для предотвращения их ложного срабатывания.

Согласно приведенному принципу функционирования радиометра рассмотрим работу устройства на примере формирования одного полного периода модуляции, состоящего из последовательно следующих друг за другом двух дополнительных периодов антенны, одного дополнительного периода генератора шума и основного периода широтно-импульсного сигнала. На фиг. 7 приведена временная диаграмма, поясняющая работу устройства в этом случае.

В начале каждого полного периода в счетчиках обратного счета 13 и 14 находятся цифровые коды, которые соответствуют кодам цифровых входных шин 35 и 36 и в двоичном исчислении выражают количество дополнительных периодов модуляции антенны и генератора шума соответственно. Для рассматриваемого случая счетчик 13 содержит цифровой код 2₁₀, а счетчик 14 - код 1₁₀. В начале первого полупериода первого дополнительного периода антенны триггер модуляции 19 находится в нулевом состоянии, что приводит сигналом с его прямого выхода через согласующий усилитель 24 к коммутации на вход приемника 6 антенны 34. Двоичный счетчик 16 начинает прямой счет импульсов тактового генератора 17 от нуля. Так как состояние счетчика 13 не равно нулю, то с его выхода Р высокий потенциал (лог. "1") после инверсии в инверторе 27 запрещает работу элемента И 32 по входу 1. В результате генератор шума 3 включается и добавочный шумовой сигнал компенсации не поступает в направленный ответвитель 1.

После переполнения двоичного счетчика 16 сигналом с его выхода Р состояние триггера 19 меняется на обратное. Он переходит в единичное состояние. Тем самым в модуляторе 5 радиометра происходит переключение с антенны 34 на согласованную нагрузку 11. Это указывает на то, что выполняется второй полупериод.

После второго переполнения двоичного счетчика 16 триггер полупериодов модуляции 19 переходит снова в нулевое состояние, фиксируя окончание одного дополнительного периода антенны. Перепадом с его прямого выхода запускается формирователь 25, короткий импульс с выхода которого поступает на третьи входы элементов И 28, 30 и на второй вход элемента И 26. Так как элементы 28 и 30 запрещены по входу 1 сигналом лог. "0" с выхода инвертора 27 (так как состояние счетчика 13 не нулевое), то импульс формирователя проходит только на выход схемы 26. По его переднему фронту происходит счет в счетчике 13 на вычитание, после чего состояние счетчика 13 становится равным 2₁₀-1 = 1₁₀.

Во втором дополнительном периоде антенны выполняется точно такая же последовательность операций, что и в первом. В момент окончания второго дополнительного периода антенны состояние счетчика 13 становится равным нулю (1₁₀ - 1 = 0). Таким образом, на его выходе Р возникает низкий потенциал, который с выхода инвертора 27 разрешает в дальнейшем работу элементов 28, 30, 32 по входу 1 и запрещает работу схемы И 26.

В первом полупериоде дополнительного периода генератора шума, когда на вход приемника скоммутирован тракт антенны, сигнал лог. "1" с выхода Р счетчика 14 (состояние счетчика не равно нулю) через первый вход элемента ИЛИ 33 поступает на вход 2 элемента И 32, который находится в разрешенном состоянии. На его входах 1 и 3 высокие потенциалы, так как состояние счетчика 13 равно нулю, триггер модуляции 19 находится в нулевом состоянии и на его инверсном выходе высокий уровень сигнала. Таким образом, с выхода элемента 32 через согласующий усилитель 22 происходит включение управляемого генератора тока 4, питающего генератор шума 3, и в направленный ответвитель 1 поступает дополнительный шумовой сигнал компенсации.

Во втором полупериоде дополнительного периода генератора шума управляемый генератор тока 4 выключается, так как элемент И 32 запрещается по входу 3. Триггер модуляции 19 находится во втором полупериоде в единичном состоянии, что вызывает подключение на вход приемника 6 согласованной нагрузки 11. После окончания дополнительного периода генератора шума триггер модуляции 19 переходит в нулевое состояние и на выходе формирователя 25 возникает импульс. Из элементов 26, 28, 30 разрешенным оказывается только элемент 28. Элемент 26 запрещен по входу 1, на котором низкий потенциал, так как содержимое счетчика 13 равно нулю. Содержимое счетчика 14 не равно нулю, т. е. на его выходе Р высокий потенциал, который после инверсии в элементе 29 запрещает по входу 2 работу элемента 30. Таким образом, импульс с выхода формирователя 25, пройдя на выход схемы И 28, производит счет на вычитание в счетчике 14. Его состояние становится равным нулю (1₁₀ - 1 = 0), что свидетельствует об окончании дополнительных периодов генератора шума.

В дополнительных периодах при сравнении кодов двоичного счетчика 16 и двоичного реверсивного счетчика 15 схема компаратора 20 вырабатывает сигналы установки триггера 18 в единичное состояние. Эти сигналы установки игнорируются, так как на входе сброса R₂ триггера 18 потенциал лог. "1", и этот вход имеет более высокий приоритет, чем вход S. На вход сброса R₂ потенциал лог. "1" поступает с выхода логического элемента ИЛИ 31, который анализирует состояние выходов Р двоичных счетчиков обратного счета. Если хотя бы на одном из выходов высокий потенциал, что указывает на необходимость вырабатывать устройством дополнительные периоды модуляции, то через элемент 31 на вход R₂ поступает лог. "1" и поддерживает триггер широтно-импульсного сигнала 18 в сброшенном состоянии.

В первом полупериоде основного периода с широтно-импульсным изменением сигнала от генератора шума, который следует последним в цепочке полного периода, разрешается установка триггера 18 в единицу, так как на его входах сброса R₁ и R₂ низкие потенциалы. Триггер модуляции 19 находится в нуле и на его прямом выходе низкий потенциал. На входах элемента ИЛИ 31 также низкие потенциалы, так как счетчики 13 и 14 находятся в нулевом состоянии. На вход приемника 6 скоммутирована антенна 34. Двоичный счетчик 16 осуществляет прямую развертку цифрового кода. В момент совпадения кодов двоичного 16 и двоичного реверсивного 15 счетчиков цифровой компаратор 20 вырабатывает сигнал, который поступает на вход S триггера широтно-импульсного сигнала 18 и переводит его в единичное состояние. С прямого выхода триггера 18 сигнал лог. "1" через вход 2 элемента 33 поступает на вход 2 элемента 32. Так как этот элемент разрешен по входам 1 и 3, то с его выхода происходит включение через усилитель согласования 22 управляемого генератора тока 4 и сигнал
от генератора шума 3 поступает в направленный ответвитель 1 тракта антенны. После окончания первого полупериода основного периода триггер модуляции 19 переходит в единичное состояние, и на вход приемника 6 коммутируется согласованная нагрузка 11. Триггер 18 сбрасывается по входу R₁ и тем самым выключается управляемый генератор тока 4. После окончания второго полупериода основного периода и всего полного периода модуляции на выходе формирователя 25 вырабатывается импульс. В этот момент времени элементы И 28 по входу 2 и 26 по входу 1 запрещены, так как состояние счетчиков 13 и 14 нулевое и соответственно на их выходах Р потенциалы лог. "0". С другой стороны эти потенциалы после инверсии в элементах 27 и 29 создают на входах 1 и 2 элемента И 30 сигналы лог. "1", разрешая работу этого элемента. В этом случае выходной импульс формирователя 25 через элемент 30 поступает на вход счета С реверсивного счетчика 15 и производит счет в последнем. Содержимое счетчика увеличивается (уменьшается) в зависимости от логического потенциала на входе направления счета +/-. На этот вход поступает сигнал с выхода аналогового компаратора 10, который сравнивает выходной сигнал синхронного фильтра 9 с нулевым потенциалом.

Это сравнение происходит а полупериоде коммутации на вход приемника 6 согласованной нагрузки 11. Если есть отклонение этого сигнала в положительную или отрицательную область напряжений, аналоговый компаратор формирует на выходе такой потенциальный логический сигнал, чтобы состояние реверсивного счетчика увеличивалось после каждого полного периода модуляции, если на входе аналогового компаратора отрицательное напряжение, а при положительном напряжении на входе аналогового компаратора состояние реверсивного счетчика должно уменьшаться. Благодаря такой правильной фазировке входов аналогового компаратора длительность поступления компенсирующего сигнала от генератора шума в направленный ответвитель меняется пропорционально изменению сигнала от антенны в заданных пределах его изменения.

Одновременно с изменением содержимого реверсивного счетчика на 1 младший разряд этот же импульс поступает на вход стробирования Е счетчиков 13 и 14 обратного счета, по которому в эти счетчики заносится информация о количестве дополнительных периодов антенны и генератора шума.

Работа устройства повторяется формированием следующего полного периода модуляции, который также состоит из четырех периодов: двух периодов антенны, одного периода генератора шума и основного периода.

В соответствии с такой импульсной последовательностью сигналов модуляции t_шис, Т_А и Δ Т_А могут быть определены из системы уравнений (9) после подстановки в нее n = 2 и m = 1
t_шис= t_п/п
T_A= T_O- 1 +
ΔT_A= Пределы изменения шумового сигнала Т_А, который может быть измерен, следующие: если t_шис = 0, T_A= T_O- , если t_шис = t_п/п, T_A= T_O- . На графике (см. фиг. 3) прямая преобразования представлена прямой 5.

Если периодическая последовательность сигналов модуляции не содержит дополнительных периодов антенны и полный период модуляции состоит только из дополнительных периодов генератора шума и основного, то в этом случае с входной шины 35 в счетчик обратного счета 13 заносится нулевой код (во всех разрядах нули). На выходе Р счетчика 13 потенциал лог. "0", который после инверсии в элементе 27 разрешает элемент И 32 по входу 1. Таким образом, в первом полупериоде полного периода модуляции происходит сразу включение генератора шума (содержимое счетчика 14 не равно нулю). В дальнейшем работа устройства повторяется.

Если полный период модуляции включает только дополнительные периоды антенны и основной, то после формирования дополнительных периодов антенны низкие потенциалы с выходов Р счетчиков 13 и 14 через элемент 31 снимают сигнал сброса триггера 18 по входу R₂, а после их инверсии в элементах 27 и 29 разрешается работа элемента И 30. Таким образом, после дополнительных периодов антенны следует сразу же основной период с широтно-импульсным сигналом от генератора шума.

Таким образом, в результате изменения модуляции неизменных по величине двух опорных шумовых сигналов и измеряемого антенного сигнала, что будет заключаться в дополнительном введении некоторого числа периодов модуляции двух типов, достигается возможность изменения диапазона измерения при неизменных величинах опорных источников шума с одновременным эффектом пропорционального увеличения точности.

Формула изобретения

НУЛЕВОЙ РАДИОМЕТР, содержащий последовательно соединенные антенну, направленный ответвитель, модулятор, приемник, импульсный усилитель, фильтр высокой частоты, синхронный фильтр и аналоговый компаратор и последовательно соединенные управляемый генератор тока, генератор шума и аттенюатор, второй вход аналогового компаратора соединен с общей шиной, второй вход модулятора подключен к согласованной нагрузке, а выход аттенюатора соединен с вторым входом направленного ответвителя, причем управляемый генератор тока, генератор шума, аттенюатор, направленный ответвитель, модулятор и согласованная нагрузка размещены на термостатированной плате и находятся в тепловом контакте с ней, цифровой компаратор, триггеры широтно-импульсного сигнала и полупериодов модуляции, генератор тактовых импульсов, дешифратор, реверсивный двоичный и двоичный счетчики, первый, второй и третий согласующие усилители, выходы которых соединены соответственно с третьим входом модулятора, с вторым входом синхронного фильтра и входом управляемого генератора тока, а входы второго и первого согласующих усилителей подключены соответственно к выходу дешифратора и прямому выходу триггера полупериодов модуляции, выход реверсивного двоичного счетчика, являющийся выходом нулевого радиометра, и первый выход двоичного счетчика подключены соответственно к первому и второму входам цифрового компаратора, выход которого соединен с S - входом триггера широтно-импульсного сигнала, R-вход которого соединен с первым входом дешифратора, первый вход реверсивного двоичного счетчика и вход двоичного счетчика соединены соответственно с выходами аналогового компаратора и генератора тактовых импульсов, второй выход двоичного счетчика соединен с входом триггера полупериодов модуляции, отличающийся тем, что в него дополнительно введены первый, второй, третий, четвертый элементы И, первый и второй элементы ИЛИ, первый и второй инверторы, формирователь импульсов, первый и второй двоичные счетчики обратного счета, первые входы которых являются входами информации о количестве дополнительных периодов модуляции, выход первого двоичного счетчика обратного счета соединен с первыми входами первого элемента И и первого элемента ИЛИ и объединен с входом первого инвертора, выход которого соединен с первыми входами второго, третьего и четвертого элементов И, а выход второго двоичного счетчика обратного счета соединен с входом второго инвертора и с вторыми входами второго элемента И и первого элемента ИЛИ и объединен с первым входом второго элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом триггера широтно-импульсного сигнала, а выход - с вторым входом четвертого элемента И, выход которого соединен с вторым входом дешифратора и входом третьего согласующего усилителя, выход второго инвертора подключен к второму входу третьего элемента И, третий вход которого, третий вход второго элемента И и второй вход первого элемента И соединены вместе и объединены с выходом формирователя импульсов, вход которого соединен с первым входом дешифратора и подключен к прямому выходу триггера полупериодов модуляции, инверсный выход которого соединен с третьим входом четвертого элемента И, выходы первого и второго элементов И соединены соответственно с вторыми входами первого и второго двоичных счетчиков обратного счета, третьи входы которых и второй вход реверсивного двоичного счетчика объединены и подключены к выходу третьего элемента И, выход первого элемента ИЛИ соединен с вторым R-входом триггера широтно-импульсного сигнала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7