Нулевая радиометрическая система для исследования динамических радиотепловых аномалий

Радиометрические методы получили широкое распространение в различных прикладных отраслях народного хозяйства. Неотъемлемой частью радиометрических измерений является аппаратная часть, 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 [Camps et al. 2010].
Все большей актуальностью начинают обладать вопросы применения микроволновых радиометров в составе летательных аппаратов и других подвижных объектов с автономным питанием. Ключевой особенностью таких систем является ограниченная емкость элементов питания. В виду необходимости тщательного термоститирования и питания систем контроля усиления, существующие микроволновые радиометры требуют повышенных энергетических затрат. Актуальность применения систем микроволновой радиометрии в составе автономных летательных аппаратов не вызывает сомнения – одной из перспективных задач является мониторинг подстилающей поверхности на предмет "холодных" и "горячих" радиотепловых аномалий, обусловленных например возгораниями или скрытыми металлическим объектами.
Нашим коллективом разработана микроволновая радиометрическая система коротковолновой части сантиметрового диапазона длин волн для поиска радиотепловых аномалий с борта автономного беспилотного летательного аппарата. Радиометрическая система характеризуется низким энергопотреблением, высокой стабильностью и динамикой измерений, присущей нулевым радиометрам.
Функционирование радиометра происходит согласно алгоритму, описанному в [Filatov et al. 2012].
В разработанном радиометре наибольший практический интерес представляет оригинальный способ формирования отрицательного импульса, заключающийся в переотражении собственных шумов радиометрических приемников от высокочастотного короткозамыкателя.
Для проверки теоретических предпосылок была проведена серия экспериментальных исследований. Для этого в соответствии с разработанной структурной схемой, создан макет нулевого радиометра сантиметрового диапазона. Разработка макета осуществлялась с применением систем автоматизированного проектирования конструкторской и технологической документации (Solid Works), электромагнитного моделирования (AWR Microwave Office, CST Microwave Studio). Измерения изготовленных СВЧ-узлов проводилось при помощи оборудования ООО "Планар" (измеритель комплексных коэффициентов передачи и отражения Обзор-804/1), АО "НПФ Микран" (скалярный анализатор цепей Р2М-18А). Низкочастотная часть макета тестировалась при помощи осциллографа Tektronix TDS 2024B.
В разработанном макете высокочастотный переключатель выполнен на базе микросхемы Peregrine Semiconductor PE4257, позволяющей осуществить режим поочередного подключения антенного канала, высокочастотного короткозамыкателя и согласованной нагрузки. Малошумящие усилители выполнены с применением микросхем Minicirquits PMA5453+. Для детектирования СВЧ-сигналов применен диод с барьером Шоттки HSMS-2850 с совокупности и согласующей цепью. Последетекторная низкочастотная часть выполнена на микросхемах Analog Devices. Цифровой блок управления реализован на микроконтроллере AT91SAM7S256.
Проведенные исследования разработанного макета показали, что динамический диапазон измеряемых сигналов составляет 0...300К, при этом верхняя граница определяется физической температурой согласованной нагрузки, входящей в состав измерительной системы. Собственные шумы системы составляют около 75К, что является удовлетворительным результатом с учетом примененной технологии изготовления и элементной базы.
Разработанный на основе оригинального способа модифицированный микроволновый радиометр использует собственную шумовую температуру радиометрического приемника и согласованную нагрузку в качестве опорных точек для построения передаточной характеристики. Данная особенность позволяет избежать применения опорного генератора шума на основе лавинно-пролетных диодов и диодов Ганна. По сравнению со структурной схемой приведенной в [Filatov et al. 2013] конструкция разработанного радиометра упрощена за счет исключения направленного ответвителя, генератора шума, управляющего СВЧ-ключа и т.д. Снижено энергопотребление и массогабаритные параметры, в том числе, за счет упрощения блока питания. В разработанном радиометре нет необходимости термостатирования при измерении температуры согласованной нагрузки и последующей коррекции результатов измерений.
Формирование опорного источника шумового сигнала посредством переотражения собственных шумов характеризуется рядом особенностей. В приведенной структурной схеме данные особенности, связанные в том числе с интерференцией собственных шумов так же имеют место. Способ их устранения в модификации нулевого метода измерений охраняется в режиме "ноу-хау".
Для разработки макета применена элементная база зарубежного производства. Этот факт является значительным недостатком данного технического решения. Не смотря на это, концепция проектирования подразумевает использование только отечественной элементной базы в случае перехода к серийному запуску производства разрабатываемой системы при успешном прохождении серии натурных испытаний.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-37-00237мол_а
Литература
1. Camps A., Tarongi J.M. Microwave radiometer resolution optimization using variable observation times // Rem. Sens. 2010. Vol. 2.P. 1826–1843
2. Filatov A.V. A.V., Ubaichin A.V., Bombizov A.A. А two-receiver microwave radiometer with high transfer characteristic linearity / Filatov // Meas. Tech. 2013. Vol. 55.No. 11. P. 1281-1286.
3. Filatov A.V., Ubaichin A.V. The dynamic properties of a digital radiometer system and its operating efficiency // Meas. Tech. 2012. Vol. 54. No. 10. P. 1-6.