Портативные цифровые микроволновые радиометры на базе метода комбинированной импульсной модуляции с авторегулированием нулевого баланса

В настоящее время методы дистанционного зондирования находят применение при исследованиях различных объектов и явлений [1−4] в геологии, климатологии, гидрологии, сельском хозяйстве, метеорологии, океанологии и других отраслях науки и техники. Важное место в таких исследованиях занимает микроволновая радиометрия [5−19], как один из методов изучения различных физических явлений, происходящих внутри объектов, в природных образованиях, путем проведения измерений электромагнитных колебаний в области микроволн, создаваемых собственным тепловым излучением этих объектов. Так, например, в работах [20−23] показана перспективность и уникальность метода радиотеплолокации при исследовании пресных ледяных покровов, мерзлых фунтов, почв, неоднородностей во льдах, нарушений их структуры. В [24] выполненные работы по дистанционным измерениям пресного ледяного покрова и полученные результаты свидетельствуют о том, что такие измерения могут оказаться полезными для геологии при выявлении подповерхностных структур через процессы выделения газов, тепла, подток вод, при определении физико-химических и биологических процессов, протекающих в водоемах. В лимнологии представляется возможным определять степень эвтрофности водоемов, измерив интенсивность газообразования и других процессов. Оконту-ривая зоны газовыделения и определяя площади активных процессов, можно определить биологическую активность водоемов. Рельеф дна отражается в ледяном покрове: под мелководными участками накапливается больше неоднородностей, которые выявляются при зондировании.

Пассивное зондирование используется в ходе проведения мониторинга различного типа природных сред. Например, при изучении динамики сезонного промерзания и оттаивания криогенных систем различного масштаба в натурных условиях, от объектов локального уровня до региональных [25−27]. Результатами работ является предупреждение развития криогенных геологических процессов.

Методы пассивной локации применяются не только в целях исследований природных объектов, но и в промышленных целях. В металлургии проводятся щ дистанционные измерения температуры расплавленного металла в загазованных и задымленных помещениях. В медицине определяются локальные очаги с повышенной температурой внутри биологических объектов [28−31]. В методах неразрушающего контроля дистанционно обнаруживаются внутренние дефекты (раковины, трещины) в различных непроводящих и полупроводящих телах, структурах и конструкциях с одновременным определением размеров этих дефектов [32, 33]. Возможно построение радиоизображений скрытых ^ объектов, определение параметров диэлектриков, измерение влажности, отбраковка лесоматериалов и т. д. Можно получать информацию от объектов с определенных глубин.

Собственное излучение объектов тепловой природы — это электромагнитные флуктуационные сигналы очень слабой интенсивности [34, 35]. Для измерения этих сигналов применяются высокочувствительные малошумящие приемники, которые принято называть радиометрами. Отличительной чертой таких приемников является широкая полоса приема (10−20% от центральной частоты), низкая интенсивность собственных шумов. Широкая полоса приема обеспечивает значительный радиометрический выигрыш, который заключается в увеличении отношения «сигнал/шум». Низкий коэффициент шума приемника позволяет повысить флуктуационный порог обнаружения сигнала [36].

Выполнение выше упомянутых исследований при изучении природных объектов в натурных условиях требует применение малогабаритных перенос-^ ных радиометров, способных стабильно работать в переменных климатических условиях, сохраняя при этом высокую точность.

Как отмечалось, тепловые шумы природных объектов порождают весьма слабые сигналы, поступающие в антенну. Это обстоятельство налагает определенные условия на рабочие параметры радиометров, извлекающих информацию из электромагнитных полей [37]. Чтобы данные сигналы можно было правильно интерпретировать, коэффициент передачи радиометра должен быть большим. Как правило, коэффициент усиления сигналов по мощности в высокочастотной части приемника составляет 60−80 дБ, после квадратичного детектора усиление огибающей по напряжению приблизительно равно 120 дБ. Конечно, в радиометре должны быть сведены к минимуму влияния хаотических изменений параметров аппаратуры на обнаружение сигнала. Прежде всего это относится к стабильности коэффициента усиления всего измерительного такта и постоянству его шумов. Одним словом, изменения этих параметров радиометра приводят к тому, что слабые сигналы могут быть замаскированы этими изменениями и не обнаружены. Ослабление влияния этих дестабилизирующих факторов обычно добиваются двумя путями. Первый путь связан с глубоким термостатированием всех важнейших узлов радиометрической системы (это относится к стационарным системам, которые, например, используются в радиоастрономии), второй — с созданием новых методов и принципов работы радиометров, вследствие применения которых они становятся не чувствительными к изменениям коэффициента усиления тракта и его собственных шумов [38−42].

Различные приемы стабилизации или учета изменений параметров радиометров заключаются в применении различных методов работы этих приемных устройств пассивной радиолокации. Среди различных схем радиометров самое широкое распространение получили модуляционные радиометры, в основу работы которых положен метод дифференциальных измерений. На входе радиометра, перед приемником, производится модуляция с некоторой частотой (как правило 1 кГц) сигнала антенны и стабильного сигнала опорного генератора шума — имитатора антенны, подключаемого на вход приемника радиометра вместо антенны [38, 39]. Так как измерения переносятся на более высокую частоту, с которой модулируются сигналы, это приводит к значительному снижению влияния двух основных дестабилизирующих факторов на измерения, к заметному снижению влияния аномальных флуктуаций коэффициента усиления вблизи нулевой частоты и изменений постоянной и квазипостоянной составляющих собственных шумов радиометра.

Широкое применение модуляционных радиометров связано, с одной стороны, с достаточно высокой точностью измерений, которая достигается в сущности простыми приемами (модуляция на входе и демодуляция — синхронное детектирование — на выходе) и простой схемной реализацией, с другой стороны. Модуляционные радиометры привлекают простой конструкцией, поэтому являются перспективными для повторений, что проявляется в массовом их использовании. Однако полной минимизации влияния изменений коэффициентов усиления усилителей и собственных шумов приемника в модуляционной схеме не происходит. Заметно минимизировать эти изменения можно только в том случае, если применить в модуляционном радиометре нулевой метод измерений (данный метод имеет самые высокие потенциальные возможности по созданию прецизионных радиометров).

Ведущий замысел, трактовка нулевого метода применительно к радиометрам принадлежат Ryle М. и Троицкому B.C. [39−42]. Впоследствии концепция нулевого метода измерений и ее применение в микроволновых радиометрах была развита в трудах Аблязова B.C., Башаринова А. Е., Бордонского Г. С., Бородзич Э. В., Волохова С. А., Есепкиной H.A., Карлова Н. В., Кислякова А. Г., Королькова Д. В., Носова В. И., Парийского Ю. Н., Полякова В. М., Рахли-на B.JI., Сороченко P. JL, Струкова И. А., Эткина B.C., Крауса Д. Д., Hardy W.N., и др. С созданием нулевых радиометров связан ряд успешных исследований: доказательство справедливости формулы Найквиста для спектральной плотности флуктуационных шумов сопротивлений различных материалов [41]- в радиоастрономии — открытие рекомбинационных радиолиний, излучаемых высоковозбужденными атомами [76], измерение глубинной температуры биологических объектов и т. д. В нулевом радиометре частично или полностью исключается вредное влияние флуктуаций коэффициента усиления на измеряемый сигнал. Начиная с момента, когда этот метод был применен в радиометрах и до настоящего времени, создано множество схем нулевых радиометров. Большинство схемных решений подробно освещены в литературном обзоре данной диссертации. В нулевом радиометре выходная мощность опорного генератора шума регулируется до достижения так называемого нулевого баланса в измерительном тракте. Нулевой баланс в радиометре считается установленным, если по измерительному тракту в разные полупериоды симметричной модуляции (меандр) проходят одинаковые сигналы и на выходе радиометра исчезают сигналы с частотой модуляции. Опорный сигнал настраивают равным сигналу антенны и такой регулировкой добиваются нулевого баланса. Следовательно, в нулевом радиометре необходимо выполнить контур обратной следящей связи и регулируемый опорный источник шума. Первые нулевые радиометры имели аналоговый принцип регулирования нулевого баланса и требовали применения во входных узлах прецизионных регулируемых СВЧустройств (как правило, прецизионных регулируемых аттенюаторов или генераторов шума с регулируемой выходной мощностью). Данные элементы не только должны были обладать высокой линейностью регулировочной характеристики, но и иметь большой динамический диапазон регулировки для измерения сигналов антенны в широком диапазоне изменения, и при этом обладать повышенным быстродействием регулирования для приведения измерительной системы в режим нулевого баланса. Конечно, это приводило к усложнению схемы радиометра, так как существуют определенные трудности в создании прецизионных, с регулируемой выходной мощностью, генераторов шума и в определении на выходе радиометра момента достижения нулевого баланса (в этом методе величину сигнала антенны определяют по регулирующему воздействию на изменение сигнала опорного источника шума). Погрешности, возникающие от применения данных элементов во входных блоках, не позволяли полностью peaлизовать достоинства нулевого метода измерений и нулевые радиометры не были широко распространены.

Успешным продолжением развития нулевого метода явилось создание в нулевом радиометре режима импульсного «подшумливания» по широтноимпульсному закону. В этом случае во входном высокочастотном блоке нулевого радиометра регулируется не амплитуда опорного сигнала, а его длительность при неизменной выходной мощности опорного генератора шума. Изменением длительности действия опорного сигнала регулируется средняя за полупериод модуляции величина опорного сигнала [43−45]. Это привело к значительному упрощению входного приемного блока, снижению погрешности измерений и повышению линейности калибровочной характеристики радиометра при простой регулировке опорного сигнала. По сути, во входном блоке радиометра прецизионный регулируемый опорный источник шумового сигнала был заменен на последовательно соединенные генератор шума, вырабатывающий стабильный и неизменный сигнал, и управляемый по широтноимпульсному закону диодный СВЧключ.

Данный способ смешения опорных и измеряемого сигналов, различным образом импульсно модулированных, хоть и привел к значительному упрощению конструкции входного блока, но с другой стороны потребовал усложнения обработки сложно модулированных сигналов после квадратичного детектора, после выделения огибающей. Сравнение малых энергий сигналов на входе радиометра в разные полупериоды модуляции и формирование управляющего воздействия на изменение длительности действия опорного сигнала привели к усложнению процедуры низкочастотной обработки сигналов и к увеличению погрешностей измерений. Таким образом, схемы нулевых радиометров с импульсным «подшумливанием» оказались сложнее, чем схемы обычных модуляционных радиометров, и вследствие этого они не получили широкого распространения.

В конце прошлого столетия в Сибирском отделении АН по фундаментальным программам проводились работы по изучению свойств различных природных объектов, включая почвы, льды, грунты. В основном такие исследования требовали длительных (режимных) наблюдений за динамикой поведения природных сред, например, в процессе промерзания и оттаивания почв, в ходе роста толщины льда и т. п. Для проведения исследований применялись как контактные, так и дистанционные методы изучения с применением микроволновых радиометров. В различных спектральных диапазонах определялись излучательные характеристики природных сред. Данные и подобные им исследования в натурных условиях проводились как в зимнее, так и в летнее время, а также в межсезонье, и требовали применения радиометрических систем, которые могли стабильно работать при изменении температуры окружающей среды (дневные и ночные перепады температур иногда достигали 30 -40°С) и в то же время быть переносными, компактными системами с незначительным энергопотреблением и с возможностью установки на различные носители: автомобили, летательные аппараты.

В то время в практике работ широко были распространены модуляционные радиометры, благодаря (как отмечено выше) простому схемному и конструктивному исполнению при приемлемой точности. Но в наших исследованиях данные радиометры модуляционного типа давали заметную погрешность (дрейф выходного сигнала и т. п.) при изучении тонких эффектов, которые требовали длительных наблюдений (недели, месяцы) за поведением природных сред. Приходилось термостатировать не только входной узел радиометров, но и весь измерительный тракт, что приводило к увеличению потребляемой мощности и массогабаритных показателей. Поэтому была необходимость в создании новых радиометрических систем, что оказалось довольно проблематичным.

Так как нулевой метод имеет самые высокие потенциальные возможности по созданию радиометров высокой точности, для проведения намеченных исследований природных сред была поставлена задача создания такой схемы нулевого радиометра, которая по простоте реализации конструкции не уступала бы обычному модуляционному радиометру, но в которой в большей степени было ослаблено влияние на измерения двух основных дестабилизирующих факторов: изменений коэффициента усиления измерительного тракта и собственных шумов. Разрабатываемые радиометры должны обладать высокой стабильностью и достоверностью измерений и отвечать следующим требованиям:

— малые габариты и вес,.

— низкая потребляемая мощность,.

— простая структурная и схемная реализация конструкции без использования прецизионных регулируемых СВЧэлементов,.

— высокая временная и температурная стабильность,.

— возможность представления результатов измерений в цифровом виде.

В настоящее время такие радиометры созданы, чему посвящена данная диссертация, в которой описаны новые портативные радиометрические системы с использованием метода комбинированной импульсной модуляции и авторегулированием нулевого баланса, ориентированные на применение в натурных (полевых) условиях при изучении природных объектов и сред в течение длительного интервала времени и в различных, меняющихся климатических условиях.

Можно говорить о создании нового класса радиометрических систем, в которых упрощено схемное исполнение и конструкция, и по этому параметру они конкурируют с самыми распространенными радиометрами модуляционного типа, но имеют более высокие метрологические характеристики по стабильности, точности, флуктуационной чувствительности.

Целью работы является решение важной научно-технической проблемы, которая касается создания портативных микроволновых радиометров для дистанционных исследований природных сред в натурных условиях и заключается в развитии теории и практики нулевого метода измерений, в разработке с применением результатов теоретических исследований новой модификации данного метода на базе комбинированной импульсной модуляции, в создании на ее основе опытных малогабаритных переносных нулевых микроволновых радиометров с улучшенными метрологическими характеристиками, такими как точность, стабильность, чувствительность.

Задачи исследований. В ходе создания комплекса портативных модифицированных нулевых радиометров для дистанционных исследований природной среды в натурных условиях ставились и решались следующие задачи:

1. Научное обоснование технических решений, направленных на построение портативных цифровых радиометров на базе метода комбинированной импульсной модуляции с авторегулированием нулевого баланса.

1.1. Создание алгоритмов обработки сигналов в портативных модифицированных нулевых СВЧрадиометрах, который позволяет при упрощении конструкции радиометров повысить точность измерений шумовой температуры антенны.

1.2. Нахождение передаточной характеристики модифицированных нулевых радиометров, с помощью которой устанавливается связь между шумовой температурой антенны и длительностью широтноимпульсного сигнала, управляющего модуляцией дополнительного опорного сигнала.

2. Разработка обобщенной структурной схемы радиометров, являющейся основой для создания нового класса радиометров с комбинированной импульсной модуляцией и авторегулированием нулевого баланса.

3. Анализ флуктуационной чувствительности радиометров, как одной из основных характеристик, по которой можно оценить чувствительность системы на стадии ее проектирования.

4. Создание на базе обобщенной структурной схемы радиометров базовых структурных моделей входных приемных устройств.

5. Теоретическое и экспериментальное исследование погрешностей портативных цифровых нулевых радиометров.

6. Разработка способов изменения динамического диапазона измерения, основанных на изменении модуляции измеряемого и опорных сигналов.

Диссертация выполнена в соответствии с программами фундаментальных исследований СО РАН: «Теория, методы и аппаратура для дистанционно-% го изучения криогенных объектов с использованием электромагнитного излучения» (задание 3.1.8 в программе 12- 1991;1995) — «Пространственновременные закономерности распространения, развития мерзлых горных пород, льдов, криогенных процессов и явлений (тема 5.2.6, 1996;2000) — общеакадемической программой фундаментальных исследований «Новые приборы и средства автоматизации научных исследований высшей категории сложности», раздел 4 «Прецизионные приборы для геофизических и экологических исследований» ^ (приоритет 7, 1990;1991) — при поддержке РФФИ, грант 00−05−64 641- фонда СоросаФедерального агентства по образованию, грант по ведомственной научной программе «Развитие научного потенциала высшей школы» (2005).). Перечисленные работы относятся по перечню приоритетных направлений науки, технологий и техники РФ в части применения к разделу «Экология и рациональное природопользование», в части научно-технических решений — к разделу «Информационно-телекоммуникационные технологии и электроника» .

Методы исследований. В работе использованы методы исследований, основанные на дифференциальном и интегральном исчислении, методах алгебры, теории вероятностей и математической статистики, теории линейных цепей, теории ошибок, метод эквивалентных схем, а также методы экспериментальных исследований характеристик СВЧрадиометров.

Научная новизна работы заключается в разработке новой модификации метода нулевого приема на базе комбинированной импульсной модуляции, теоретическом обосновании и создании на ее основе портативных микроволновых нулевых радиометров с более высокими техническими характеристиками. Результаты, полученные впервые:

1. Развита концепция нулевого метода измерений и ее применение в микроволновых радиометрах, ведущий замысел которой был сформулирован Ryle М., Троицким B.C. Впервые предложен и научно обоснован модифицированный метод нулевого приема на базе комбинированной импульсной модуляции с оригинальным принципом обработки сигналов по низкой частоте, повышающий точность измерений микроволновых радиометров, а также позволяющий выполнить радиометр многодиапазонным, упростить конструкцию и повысить надежность, уменьшить габариты, массу и снизить энергопотребление.

2. Получен алгоритм функционирования следящей системы авторегулирования нулевого баланса изменением длительности широтно-импульсного сигнала, согласно которому на выходе радиометра в первом полупериоде прямоугольной симметричной модуляции производится выравнивание вольт-секундных площадей импульсов периодической последовательности модулированных сигналов после исключения в них постоянной составляющей. Это эквивалентно процедуре выравнивания энергий сигналов на входе приемника радиометра в разные полупериоды модуляции. Тогда, индикатором равенства вольт-секундных площадей импульсов является нулевое напряжение во втором полупериоде модуляции.

3. Установлена линейная связь эффективной шумовой температуры антенны с длительностью модулированного по широтно-импульсному закону опорного генератора шума, которая в общем виде математически описывает работу различных модификаций нулевых радиометров с комбинированной импульсной модуляцией.

4. Согласно предложенной модификации метода нулевого приема разработана в общем виде структурная схема радиометра, которая является базовой схемой для создания различных нулевых радиометров с функциональными и эксплуатационными параметрами, необходимыми для портативных приборов.

5. Получены математические соотношения для определения флуктуаци-онной чувствительности различных типов нулевых радиометров, использующих комбинированную импульсную модуляцию, позволяющие решить прямую и обратную задачи по оценке чувствительности радиометра на стадии его проектирования или вычислить технические характеристики радиометрического приемника по минимальному порогу обнаружения сигнала. Для достижения необходимого радиометрического выигрыша, с одной стороны, и обеспечения оптимальной динамики функционирования следящей системы авторегулирования нулевого баланса и накопления информации, с другой стороны, введены два этапа низкочастотной фильтрации сигналов.

6. Предложены классификация и способы синтеза схем приемных блоков, позволяющие создавать многодиапазонные нулевые радиометры на модифицированном нулевом методе измерений. Разработаны и внедрены в практику три базовые структурные модели входных приемных устройств, отличающиеся динамическим диапазоном измерений, обладающие повышенной температурной и временной стабильностью при простой конструкции.

7. В результате проведенного анализа выявлены основные источники погрешностей различных модификаций нулевых радиометров и получены математические соотношения для инженерного расчета этих погрешностей, что позволяет в дальнейшем либо их учитывать, либо производить компенсацию.

8. Предложены и разработаны технические реализации изменения динамического диапазона измерения в модифицированных нулевых радиометрах, которые заключаются в изменении вида модулирующей функции и комбинаций участвующих в модуляции сигналов. Это приводит к изменению схемы цифрового блока управления, что экономически более целесообразно, чем производить регулировку опорных источников шума во входном блоке радиометра.

Практическая ценность работы состоит в том, что предложенная в диссертации модификация метода нулевого приема позволяет на основе новых схемотехнических решений создавать устройства новой техники — портативные микроволновые модифицированные нулевые радиометры для дистанционных исследований природных сред в натурных условиях.

Предложены и реализованы ряд новых конструкций цифровых нулевых радиометров с комбинированной импульсной модуляцией:

— радиометр с произвольным диапазоном измерения, в котором опорные сигналы формируются одним источником шумовой мощности. Использование одного источника значительно снижает систематическую погрешность системы, повышает стабильность. Радиометр оперативно перестраивается на любой диапазон измерений;

— радиометр для измерения сигналов с низкой эффективной температурой, в котором опорные сигналы формируются с использованием стабильных шумовых генераторов — согласованных тепловых нагрузок и полосовых фильтров. В конструкции «согласованная нагрузка — полосовой фильтр», используя селективные свойства фильтров, удается получить опорный источник шума с низкой эффективной температурой без использования «холодного» активного генератора — высокочастотного малошумящего усилителя. Значительным преимуществом является то, что в математическую модель функционирования радиометра в качестве опорной величины входит только шумовая температура согласованной нагрузки, равная ее кинетической температуре. Измеряя эту температуру прецизионными контактными методами можно осуществить точные абсолютные измерения. Дополнительно снижаются требования к точности термостатирования согласованной нагрузки;

— радиометр с установкой нулевого баланса по низкой частоте. Для этого в низкочастотном тракте обработки выполняется дополнительная модуляция опорного сигнала по широтно-импульсному закону. Преимущества данного способа установки нулевого баланса заключаются в том, что позволяют реализовать нулевой метод в любой выполненной конструкции классического модуляционного радиометра. Для этих целей подходит любой высокочастотный входной блок и приемник модуляционного радиометра, в котором изменению подвергается низкочастотная часть. Специальным алгоритмом калибровочной процедуры радиометр настраивается на любой диапазон измерений;

— двухканальный модифицированный нулевой радиометр. Использование двух, поочередно работающих, приемников позволяет измерять сигнал антенны без пропусков. Это приводит к уменьшению порога обнаружения сигнала и повышению динамических свойств системы.

Полученные результаты несомненно будут стимулировать дальнейшее развитие принципов построения радиометрических систем, создание перепек-, тивных переносных измерительных радиометров нового поколения.

Новизна предложенных технических решений подтверждается патентами РФ и авторскими свидетельствами на изобретения. Практическая значимость работы также подтверждается актами внедрения.

Реализация результатов работы. Комплекс цифровых нулевых СВЧ-радиометров для дистанционных измерений вошел в перечень важнейших научноисследовательских работ институтов СО РАН.

Результаты диссертационной работы нашли практическое применение при дистанционных измерениях излучательных характеристик пресного ледового покрова, мерзлых грунтов, почв. Полученные результаты свидетельствуют о том, что такие измерения полезны для геологии при выявлении подповерхностных структур, в лимнологии при определении степени эвтрофности, биологической активности водоемов. Изучалась динамика сезонного промерзания и оттаивания криогенных систем различного масштаба, что является важным для предупреждения развития криогенных геологических процессов.

Внедрения в практику работ модифицированных нулевых радиометров подтверждены актами, представленными в приложении:

Главного управления природных ресурсов Министерства природных ресурсов России по Читинской области, использование при изучении вариаций содержания экологически важных малых газовых и аэрозольных составляющих атмосферы;

Томского государственного университета, дистанционные исследования излучательных радиотепловых характеристик растительных покровов с целью их идентификации;

Восточного филиала Российского научно-исследовательского института комплексного использования и охраны водных ресурсов (ВостокНИИВХ), г. Чита, дистанционное определение параметров ледяных покровов рек в зоне антропогенного воздействия;

Томского государственного университета и Читинского государственного университета, применение в учебном процессе методов и разработок диссертационной работы.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах: Всесоюзной конференции по статистическим методам обработки данных дистанционного зондирования окружающей среды (Рига, 1986), 21-й Всесоюзной конференции «Радиоастрономическая аппаратура» (Ереван, 1989), Всесоюзной конференции «Методы и микроэлектронные средства цифрового преобразования и обработки сигналов» (Рига, 1989), Международном Форуме th по проблемам науки, техники и образования (Москва, 2000), 8 International Symposium on Remote Sensing (Toulouse, France, 2001), 1st European Permafrost Conference (Italy, Rome, 2001), 2-й конференции геокриологов России (Москва, 2001), Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы современной радиоэлектроники и систем управления» (Томск, 2002), The InternaiL tional Symposium on Optical Science and Technology. SPIE’s 47 Annual Meeting (Seattle, Washington, USA, 2002), 2-й Всероссийской научно-технической конференции по проблемам создания перспективной авионики (Томск, 2003), Международной конференции «Современная радиоэлектроника в ретроспективе идей В.А.Котельникова» (Москва, 2003), Всероссийской научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления» (Томск, 2003), 10-й Международной научно-практической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (ЯЬМС*2004) (Воронеж, 2004).

Основные положения, выносимые автором на защиту:

1. Авторегулирование длительности широтноимпульсного сигнала управления дополнительным опорным источником шума в первом полупериоде симметричной импульсной модуляции в созданных радиометрах обеспечивает повышение точности измерений эффективной шумовой температуры антенны при условии исключения после квадратичного детектора в модулированной последовательности постоянной составляющей и применения индикатора нулевого баланса, привязанного по времени ко второму полупериоду симметричной импульсной модуляции.

2. При достижении в радиометре нулевого баланса по критерию равенства нулю напряжения во втором полупериоде симметричной импульсной модуляции существует линейная зависимость между шумовой температурой антенны и длительностью широтно-импульсного сигнала дополнительного опорного источника шума в первом полупериоде симметричной импульсной модуляции, инвариантная к коэффициенту усиления измерительного тракта и его собственным шумам.

4. Обобщенная структурная схема радиометра, в основу работы которой положен алгоритм функционирования на базе метода комбинированной импульсной модуляции с авторегулированием нулевого баланса, позволяет проектировать радиометры, обладающие функциональными и эксплуатационными параметрами, необходимыми для портативных приборов, и является базовой схемой для построения нового класса микроволновых радиометрических систем.

5. Результаты теоретического анализа флуктуационной чувствительности радиометров с авторегулированием нулевого баланса на основе комбинированной импульсной модуляции в виде новых математических выражений позволяют решить прямую и обратную задачи по оценке величины минимального порога обнаружения шумового сигнала антенны на стадии структурного синтеза схемы радиометра или выполнить анализ параметров радиометров для заданной чувствительности.

6. Структурная оптимизация приемных входных блоков радиометров привела к выделению трех базовых схем, которые без применения прецизионных регулируемых СВЧузлов позволяют создавать многодиапазонные нулевые радиометры на основе метода комбинированной импульсной модуляции с повышенной точностью и стабильностью и с одновременным упрощением конструкции радиометров.

7. Реализация предложенных способов изменения динамического диапазона измерения в модифицированных нулевых радиометрах заключается в варьировании вида модулирующей функции и комбинаций участвующих в модуляции сигналов, что достигается изменением схемы цифрового блока управления, и в совокупности упрощает задачу практического создания радиометров, так как экономически целесообразнее регулировок опорных источников шума на входе радиометра.

Публикации. Всего по результатам выполненных исследований опубликовано 50 научных работ, в том числе: монография, 13 статей в рецензируемых отечественных журналах, включая издания РАН. Приоритет основных технических решений защищен 15 авторскими свидетельствами и патентами РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 381 страницах машинописного текста, иллюстрируется 81 рисунком, содержит 12 таблиц. Список использованной литературы включает 248 наименований.

Основные результаты и выводы диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Развита концепция нулевого метода измерений и ее применение в микроволновых радиометрах, предложенная в трудах Ryle М., Троицкого B.C., Аблязова B.C., Башаринова А. Е., Бордонского Г. С., Бородзич Э. В., Волохо-ва С.А., Есепкиной H.A., Карлова Н. В., Кислякова А. Г., Королькова Д. В., Носова В. И., Парийского Ю. Н., Полякова В. М., Рахлина В. Л., Сороченко Р. Л., Струкова И. А., Эткина B.C., Крауса Д. Д., Hardy W.N. др. Ведущий замысел, руководящая идея, трактовка нулевого метода были выдвинуты Ryle М., Троицким B.C.

Предложена и научнообоснована модификация метода нулевых измерений на базе комбинированной импульсной модуляции с оригинальным алгоритмом функционирования следящей системы авторегулирования нулевого баланса в микроволновых радиометрах.

Предложенная модификация основана на следующем принципе: в низкочастотном тракте радиометра производится выравнивание вольт-секундных площадей импульсов периодической последовательности модулированных сигналов после исключения в них постоянной составляющей. Это эквивалентно процедуре выравнивания энергий сигналов на входе приемника радиометра в смежные полупериоды прямоугольной симметричной импульсной модуляции.

Для осуществления модификации в радиометре необходимыми операциями над сигналами после радиометрического приемника являются: исключение постоянной составляющей, синхронный анализ величины и знака напряжения в заданный интервал модуляции. Данные операции, по сравнению с классическими, значительно упрощают измерительный тракт радиометра после квадратичного детектора.

2. Получена математическая модель функционирования модификации метода нулевых измерений в общем виде, для произвольных модулируемых сигналов, согласно которой сигнал антенны может быть определен косвенно через длительность сигнала, модулируемого по широтно-импульсному закону. В отличии от традиционного метода, предложенная модификация позволяет определять сигналы антенны по длительности широтного импульса без преобразований сигналов в низкочастотном тракте.

3. Синтезирована обобщенная структурная модель модифицированного нулевого радиометра. Показано, что от приемного блока на входе радиометра зависят основные его характеристики — флуктуационная чувствительность, температурная и временная стабильность, диапазон измерений.

4. Предложены три базовые структурные модели входных приемных блоков, с использованием которых рекомендовано построение любых модификаций нулевых радиометров. Базовые конструкции построены по следующим схемам: с направленным ответвителем и вводом дополнительного опорного сигнала в тракт антенны, с направленным ответвителем и вводом дополнительного опорного сигнала в опорный тракт, с двумя модуляторами.

6. Обобщены схемы и приведена классификация генераторов шума, используемых в радиометрах в качестве опорных источников. Все генераторы поделены на две группы по признаку активности и на четыре подгруппы по вырабатываемой мощности шумов.

7. Выполнен анализ флуктуационной чувствительности модифицированных нулевых радиометров, получены математические модели определения флуктуационной чувствительности радиометров с базовыми входными блоками. Показано, что на минимально обнаруживаемый пороговый сигнал оказывают влияние только шумовые компоненты сигналов, вызванные шумовой природой принимаемых сигналов. Вклад в полную дисперсию флуктуаций коэффициента передачи измерительного тракта ничтожно мал, что хорошо согласуется с более ранними работами по анализу флуктуационной чувствительности нулевых радиометров. Создана методика по определению технических характеристик радиометров, обеспечивающая получение заданного минимального порога обнаружения сигнала. В результате найдено одно из основных соотношений, используемое при проектировании модифицированных радиометров, которое связывает время накопления сигнала и флуктуационную чувствительность.

8. Предложена и теоретически обоснована методика оптимального синтеза приемного блока модифицированного нулевого радиометра, исходными данными для построения которого является диапазон измерений. Путем перебора базовых структур входных блоков, для различных опорных источников шума производится определение флуктуационной чувствительности. Оптимизация производится по минимальному порогу обнаружения антенного сигнала, стабильности используемых генераторов шума, конструктивным особенностям. В ходе оптимизации, используются полученные выражения для расчета чувствительности, соотношения, учитывающие аддитивную и мультипликативную составляющие систематической погрешности (связанные со стабильностью измерений) и погрешности нелинейности передаточной характеристики.

9. Обоснованы два этапа интегрирования и накопления сигнала антенны в аналоговых и цифровых фильтрах и предложена методика определения постоянной времени аналоговых фильтров и времени накопления цифровых кодов при измерении.

10. Теоретически обоснована методика расчета погрешностей модифицированного нулевого радиометра. Показано, что аддитивная и мультипликативная составляющие систематической погрешности связаны с отклонениями выходных сигналов двух опорных источников шума на входе радиометра от номинальных значений, погрешность нелинейности зависит от искажений формы импульсных модулированных сигналов, возникающие после квадратичного детектора. Проведен анализ погрешностей, вызванных нестабильностью опорных генераторов шума и конечным значением постоянной времени схемы исключения постоянной составляющей. Получены формулы, позволяющие рассчитать эти погрешности и в дальнейшем либо их учитывать, либо производить полную или частичную компенсацию.

11. Проведен анализ динамики функционирования следящей системы радиометра и рассчитана погрешность, вызванная задержкой в цепи авторегулирования нулевого баланса. Показано, что постоянную времени аналогового накопительного фильтра необходимо выбирать одинаковой с постоянной времени схемы исключения постоянной составляющей (для постоянной составляющей сигналов она является интегрирующей) для оптимальной динамики работы цепи следящей обратной связи.

12. Предложены два новых способа изменения диапазона измерения в модифицированных нулевых радиометрах. Согласно полученным ранее математическим моделям функционирования модифицированных радиометров, изменение диапазона измерения требует изменений выходных мощностей опорных шумовых сигналов. В предложенных способах это достигается изменением вида модулирующей функции, применением сложного вида импульсной модуляции сигналов, изменением комбинаций, участвующих в модуляции сигналов. При этом не производятся регулировки опорных источников шума, не изменяется высокочастотный блок радиометра. Изменению подвергается только цифровой блок управления радиометром, что отвечает более простой задаче при конструировании и создании радиометра, и экономически более целесообразнее регулировок опорных сигналов во входном узле.

Первый способ изменения диапазона измерения заключается во введении в импульсную последовательность модулированных сигналов дополнительных периодов модуляции, от числа которых зависит размах диапазона измерения (разрешающая способность измерений), от типа — смещение диапазона измерения по термодинамической шкале Кельвина. Показано, что измерения низких эффективных температур антенны (вблизи нуля Кельвина) можно проводить, используя для этих целей различные опорные шумовые источники, включая источники с высокой эффективной температурой.

Во втором способе смещение диапазона измерения достигается специальным видом модулирующей функции. Два опорных сигнала разной интенсивности формируются одним рабочим опорным генератором шума, что снижает систематическую погрешность измерений.

13. Предложены и обобщены некоторые перспективные схемы усовершенствованных современных модифицированных нулевых радиометров:

— схема с произвольным диапазоном измерения, в которой опорные сигналы формируются одним источником шумовой мощности. Использование одного источника значительно снижает систематическую погрешность системы, повышает стабильность. Радиометр оперативно перестраивается на любой диапазон измерений;

— схема для измерения сигналов с низкой эффективной температурой, в которой опорные сигналы формируются с использованием стабильных шумовых генераторов — согласованных тепловых нагрузок, и полосовых фильтров. В конструкции «согласованная нагрузка — полосовой фильтр», используя селективные свойства фильтров, удается получить опорный источник шума с низкой эффективной температурой без использования «холодного» активного генератора — высокочастотного малошумящего усилителя, который обладает меньшей стабильностью. Значительным преимуществом является то, что в математическую модель функционирования радиометра, в качестве опорной величины, входит только шумовая температура согласованной нагрузки, равная ее кинетической температуре. Измерения этой температуры прецизионными контактными методами позволяют осуществить точные абсолютные измерения. Дополнительно, снижаются требования к точности термостатирования согласованной нагрузки;

— схема с установкой нулевого баланса по низкой частоте. Для этого в низкочастотном тракте обработки сигнала выполняется дополнительная модуляция опорного сигнала по широтно-импульсному закону. Преимущества данного способа установки нулевого баланса заключаются в том, что позволяют реализовать нулевой метод в любой выполненной конструкции классического модуляционного радиометра (высокочастотный входной блок и приемник любого модуляционного радиометра подходят для этих целей). Изменением низкочастотной части радиометра и специальным алгоритмом калибровочной процедуры, радиометр настраивается на любой диапазон измерений;

— схема двухканального модифицированного нулевого радиометра. Использование двух поочередно работающих приемников позволяет измерять сигнал антенны без пропусков. Это приводит к уменьшению порога обнаружения сигнала и повышению динамических свойств системы.

14. Разработаны и исследованы новые практические схемы и конструкции микроволновых модифицированных нулевых радиометров. Приведены результаты экспериментальных исследований, примеры применения при дистанционном зондировании природных сред. Основные технические решения имеют патентную защиту в России.

Полученные результаты, несомненно, будут стимулировать дальнейшее развитие принципов построения радиометрических систем, создание перспективных, переносных, измерительных радиометров принципиально нового поколения с использованием теории модификации метода нулевых измерений. Полученные в диссертации методики носят общий характер и могут быть использованы при анализе широкого класса нулевых радиометров. Совокупность полученных результатов является существенным вкладом в решение научно-технической проблемы разработки микроволновых радиометров с улучшенными характеристиками, что несомненно будет способствовать модернизации существующих пассивных радиоэлектронных систем и созданию систем нового поколения.

В заключении выражаю свою искреннюю признательность Сафроно-ву Г. В., Савиных A.M., Рябовой Л. Д., Кубасову В. Н. за помощь, оказанную при изготовлении образцов микроволновых модифицированных радиометров. Выражаю благодарность Бордонскому Г. С., Шестерневу Д. М., в результате многочисленных дискуссий с которыми в разное время сформулировалась часть идей, положенных в основу настоящей работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.