Радиометры модуляционного типа с периодической калибровкой приемного тракта

Модуляционный радиометр Дикке

Измерения показывают, что интенсивность флюктуаций коэффициента усиления быстро падает с ростом частоты. Эта зависимость имеет такой же вид, как зависимость спектральной плотности фликер-шума:

G (f ) = D К _р/ К _р ) = К f ^-a,

где К - коэффициент зависящий от стабильности питающих напряжений,

a - лежит в пределах от 2-2,5.

Начиная с некоторых частот, нестабильности усиления радиометра становятся незаметны (рис.11).

Таким образом, эффект нестабильности коэффициента усиления может быть сильно уменьшен, если вход приемника непрерывно переключать с антенны на эталонный источник шумового сигнала. Частота переключений должна быть такой, чтобы коэффициент усиления не мог измениться в течении одного периода. На рис.12приведена структурная схема модуляционного радиометра предложенного Дикке 1946 г.

В МР антенна и эталонная нагрузка попеременно на равные промежутки времени подключаются ко входу приемника с помощью электронного, ферритового, п/п или механического переключателя (модулятора). Частота переключений на практике выбирается в диапазоне 1000...10 Гц. В результате мощность шумового сигнала поступающего на вход радиометра, приобретает модуляцию, глубина которой пропорциональна разности температур антенны и эталонной нагрузки. Если Т _а = Т _э, то при появлении приращения температуры за счет полезного сигнала модуляция шума в тракте приемника будет обусловлена только сигналом.

После квадратичного детектирования огибающая: вызванная модуляцией на входе, усиливается видеодетектором и детектируется синхронным (фазовым) детектором (СД). В качестве опорного напряжения на СД подается модулирующее напряжение. Если температура Т _а= Т _э, то на выходе СД ноль. Это, так называемый режим калибровки чернотельным излучателем находящимся при Т _к= Т _э= Т _а. Если теперь освободить вход, то на выходе появится напряжение сигнала пропорциональное Т _а, которое далее накапливается в течении t _н.

Рассмотрим чувствительность МР и причины, по которым она теоретически оказывается хуже КР.

1) При прямоугольном законе модуляции сигнал поступает на вход радиометра только в течении половины всего времени наблюдения, что приводит к уменьшению чувствительности в раз, т.к. это эквивалентно тому, что уменьшилось время интегрирования (наблюдения) в 2 раза.

2) Во втором полупериоде производится калибровка шумами радиометра и т.к. время интегрирования больше частоты модуляции, то дисперсия шума удваивается и происходит ухудшение чувствительности еще раз (шумы идут и в рабочий и не рабочий период, т.е. шумы удваиваются). В результате получается:

D Т _min = 2 T _cист / .

3) Кроме того, на практике, после квадратичного детектора предпочитают использовать избирательный фильтр УНЧ, настроенный на первую гармонику частоты модуляции. Поскольку эффективное значение первой гармоники составляет 4/(p ), от эффективного значения прямоугольного напряжения, во столько же раз примерно на 10% ухудшится его теоретическая чувствительность. Однако сужение полосы УНЧ сильно уменьшает уровень помех и наводок на УНЧ (не происходит дополнительной добавки шумов), что в итоге практически приводит к выигрышу чувствительности.

4) Если в МР синусоидальным является и закон модуляции входного сигнала (для механического модулятора трапеция, для других типов передний и задний фронт), ухудшение чувствительности составит еще 4/p раз.

К этому ряду потерь следует отнести и потери, возникающие за счет не идеальности СД.

В результате чувствительность МР:

D Т _min = g T _c0 / .

где - методический коэффициент = 2...3

Нестабильность усиления МР проявляется в случае, когда Т _а¹ Т _э. При наличии сигнала трудно заметить дальнейшее изменение сигнала и отделить его от изменения коэффициента усиления. В частности при наличии сигнала большой интенсивности нестабильность усиления может привести к искажению его временной зависимости, т.е. привести к ложному результату:

D Т _min = g T _cист .

Под корнем появляется добавка, ухудшающая чувствительность МР за счет нестабильности коэффициента усиления при наличии сигнала. Избавиться от этой добавки позволяет нулевой модуляционный радиометр.

 

Нулевой модуляционный радиометр

МР у которого автоматически непрерывно поддерживается баланс температур антенны и эталонного нагрузочного сопротивления, называется нулевым модуляционным радиометром. Его структурная схема показана на рис.13.

 

В этом радиометре в качестве эталонной нагрузки используется генератора шума с регулируемой выходной мощностью. Обратной связью с выхода интегрирующего звена приемника, выходная мощность этого генератора все время регулируется так, чтобы выход приемника равнялся бы нулю. Выходным сигналом при этом является напряжение, управляющее мощностью шумового генератора.

 

Радиометры с диаграммной модуляцией (РДМ)

При приеме радиоастрономических сигналов часто чувствительность радиометров снижается за счет нестабильности поглощения в атмосфере. Эта нестабильность приводит к изменению вклада теплового излучения атмосферы в суммарную температуру системы и сказывается на чувствительности так же, как нестабильность усиления в КР. Для уменьшения роли нестабильности потерь в атмосфере при изучении точечных источников используют метод диаграммной модуляции. При этом вместо переключения “антенна-нагрузка” на входе приемника производится качание ДН с частотой модуляции между двумя направлениями, одно из которых соответствует направлению на источник, а второе - свободному от источников и близкому к первому рис.14.

 

Смещение должно быть незначительным и находиться в пределах одной и той же области пространства, обладающей постоянным поглощением и тепловым излучением. Только в этом случае избавляются от нестабильностей атмосферы. В качестве примеров можно привести диаграммный модулятор волноводного и квазиоптического типа.