RU2495443C1 - Scanning radiometer - Google Patents

Abstract

FIELD: instrument making.SUBSTANCE: radiometer comprises a movable antenna, a reference signal generator, a mixer, a heterodyne, a low-frequency amplifier with direct and inverse outputs, N synchronous detectors and a quadratic detector, the input of which is connected to the output of the mixer with an intermediate frequency amplifier connected by one input to the output of the heterodyne, two sources of reference voltage, a subtractor, a controlled divider, N integrators, N-1 summators and N-1 multipliers, synchronous detectors. At the same time the output of the quadratic detector is connected with the input of the low-frequency amplifier, N-1 multipliers are connected by some inputs via appropriate integrators to outputs of appropriate synchronous detectors, by other inputs - to the output of the controlled divider, and by outputs - to some inputs of appropriate summators, the controlled divider is connected by a control input to an output of the N synchronous detector via the N integrator and an information input to the output of the subtractor. Besides, additionally there is a sensor of carrier speed, a sensor of carrier height, the second controlled divider, an amplifier, the input of which is connected with the output of the second controlled divider, and the output with the control input of integrators, N-1 analogue keys, outputs of which are connected with outputs of N-1 summators, and control inputs are connected to outputs of a decoder, an analogue to digital converter, a secondary processing unit, the input of which is connected to the output of the analogue to digital converter, an interruption input of which is connected with an output of a driving oscillator, and its output is the output of the device.EFFECT: improved detail of view and higher accuracy of measurement of radio brightness temperature measurement.2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к сканирующим радиометрам в технике дистанционного зондирования земной поверхности и мирового океана.The invention relates to the field of instrumentation, namely to scanning radiometers in the technique of remote sensing of the earth's surface and the oceans.

В частности к СВЧ радиометрии.In particular, to microwave radiometry.

Изобретение может быть использовано для построения карт радиотеплового излучения подстилающей поверхности, которые применяются в народном хозяйстве.The invention can be used to build maps of thermal radiation of the underlying surface, which are used in the national economy.

Известны схемы картографирующих радиометров, в которых применяется циклоидальный способ обзора. [Ю.А. Мельник и др. Радиолокационные методы исследования земли. М. «Советское радио». 1980 г., стр.42, рис.2.4 (б)]Known schemes for mapping radiometers in which a cycloidal survey method is used. [Yu.A. Miller and others. Radar methods of land research. M. "Soviet Radio". 1980, p. 42, fig. 2.4 (b)]

Из известных устройств наиболее близким можно считать сканирующий радиометр [Сканирующий радиометр. М.В. Бухаров и др. А.С. №1257598 кл. G01W 1/100 от 29.12.84], содержащий подвижную антенну, генератор опорного сигнала с двумя выходами, смеситель с усилителем промежуточной частоты, гетеродин, усилитель низкой частоты с прямым и инверсным выходами, N синхронных детекторов и квадратичный детектор, вход которого подключен к выходу смесителя с усилителем промежуточной частоты, подсоединенного одним входом к выходу гетеродина, два источника опорного излучения, вычитатель, управляемый делитель, N интеграторов, N-1 сумматоров и N-1 умножителей, синхронные детекторы, выполненные двухканальными компенсирующего типа с двумя информационными и двумя управляющими входами, подключенные информационными входами к соответствующим выходам усилителя низкой частоты и управляющими входами - к соответствующим выходам генератора опорного сигнала, выход подвижной антенны подключен к другому входу смесителя с усилителем промежуточной частоты, выход квадратичного детектора соединен со входом усилителя низкой частоты, N-1 умножителей подключены одними входами через соответствующие интеграторы к выходам соответствующих синхронных детекторов, другими входами - к выходу управляемого делителя и выходами - к одним входам соответствующих сумматоров, управляемый делитель подключен управляющим входом к выходу N-го синхронного детектора через N-й интегратор и информационным входом к выходу вычитателя, один вход которого подсоединен к выходу одного источника опорного излучения и с другим входом (N-1)-го сумматора, другой вход каждого последующего сумматора подключен к выходу предыдущего сумматора.Of the known devices, the scanning radiometer [Scanning radiometer. M.V. Bukharov and others A.S. No. 1257598 cl. G01W 1/100 of 12.29.84], comprising a movable antenna, a reference signal generator with two outputs, a mixer with an intermediate frequency amplifier, a local oscillator, a low-frequency amplifier with direct and inverse outputs, N synchronous detectors and a quadratic detector, the input of which is connected to the output a mixer with an intermediate frequency amplifier connected by one input to the local oscillator output, two reference radiation sources, a subtractor, a controlled divider, N integrators, N-1 adders and N-1 multipliers, synchronous detectors, made two-channel compensating type with two information and two control inputs, connected by information inputs to the corresponding outputs of the low-frequency amplifier and control inputs - to the corresponding outputs of the reference signal generator, the output of the mobile antenna is connected to another input of the mixer with an intermediate frequency amplifier, the output of the quadratic detector is connected to the input low-frequency amplifier, N-1 multipliers are connected by one input through the corresponding integrators to the outputs of the corresponding synchronous parts ctorov, other inputs to the output of the controlled divider and outputs to one input of the respective adders, the controlled divider is connected by the control input to the output of the Nth synchronous detector through the Nth integrator and the information input to the output of the subtractor, one input of which is connected to the output of one source reference radiation and with another input of the (N-1) -th adder, the other input of each subsequent adder is connected to the output of the previous adder.

Устройство, описанное в прототипе, работает следующим образом: генератор опорного сигнала периодически воздействует на шаговый двигатель, который поворачивает зеркало. Вращающееся зеркало переотражает радиотепловое излучение на облучатель, тем самым осуществляется процесс сканирования лучом антенны по конической поверхности. Сигнал с выхода облучателя подается на вход радиометра. Выходной низкочастотный сигнал радиометра синхронно детектируется, интегрируется, калибруется по отношения к двум источникам опорного излучения. В результате на выходе устройства возникают значения антенных температур, соответствующих положениям вращающегося зеркала.The device described in the prototype works as follows: the reference signal generator periodically acts on the stepper motor, which rotates the mirror. The rotating mirror reflects the thermal radiation to the irradiator, thereby the process of scanning the antenna beam along the conical surface is carried out. The signal from the output of the irradiator is fed to the input of the radiometer. The output low-frequency signal of the radiometer is synchronously detected, integrated, calibrated in relation to two sources of reference radiation. As a result, the antenna temperature values corresponding to the positions of the rotating mirror arise at the output of the device.

Недостатком описанного сканирующего радиометра является то, что процесс сканирования не согласован с параметрами движения носителя, на котором расположен радиометр, что приводит к пропуску полезной информации при недостаточной скорости вращения подвижного зеркала, или получению избыточной информации при превышении требуемой скорости сканирования. Кроме того, в данной схеме никак не учитывается паразитное излучение, принятое по боковым лепесткам диаграммы направленности антенны, что приводит к потере точности при измерении радиояркостной температуры.The disadvantage of the described scanning radiometer is that the scanning process is not consistent with the motion parameters of the medium on which the radiometer is located, which leads to the omission of useful information when the rotation speed of the movable mirror is insufficient, or to excess information when the required scan speed is exceeded. In addition, this scheme does not take into account spurious radiation received from the side lobes of the antenna radiation pattern, which leads to a loss of accuracy in measuring radio brightness temperature.

Таким образом, целью изобретения является улучшение детальности обзора и повышение точности измерения радиояркостной температуры.Thus, the aim of the invention is to improve the detail of the review and increase the accuracy of measuring radio brightness temperature.

Поставленная цель достигается тем, что в сканирующий радиометр по А.С. №1257598 (прототип) дополнительно введены датчик скорости носителя, датчик высоты носителя, второй управляемый делитель, первый вход которого соединен с выходом датчика высоты, второй - с выходом датчика скорости, а выход соединен с управляющим входом задающего генератора, усилитель, вход которого соединен с выходом второго управляемого делителя, а выход с управляющим входом интеграторов, N-1 аналоговых ключей, выходы, которых соединены с выходам N-1 сумматоров, а управляющие входы соединены с выходами дешифратора, аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с выходами N-1 аналоговых ключей, блок вторичной обработки, вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, вход прерывания которого соединен с выходом задающего генератора, а его выход является выходом устройства.This goal is achieved by the fact that in a scanning radiometer according to A.S. No. 1257598 (prototype), a media speed sensor, a media height sensor, a second controlled divider, the first input of which is connected to the output of the height sensor, the second to the output of the speed sensor, and the output connected to the control input of the master oscillator, an amplifier whose input is connected to the output of the second controlled divider, and the output with the control input of integrators, N-1 analog keys, the outputs of which are connected to the outputs of N-1 adders, and the control inputs are connected to the outputs of the decoder, analog-to-digital conversion Tel having an input coupled to the outputs of N-1 analog switches, a secondary treatment unit, whose input is connected to the output of analog-to-digital converter, which interrupt input coupled to an output of the master oscillator, and its output is the output device.

Датчик скорости носителя и датчик высоты носителя могут, в частности, быть частью навигационного датчика, например, приемника спутниковой навигационной системы.The media speed sensor and the media height sensor can, in particular, be part of a navigation sensor, for example, a receiver of a satellite navigation system.

Предлагаемый радиометр удовлетворяет критерию новизны, так как присущие ему существенные признаки не содержатся в известных устройствах и в них не реализуется заявленный положительный эффект.The proposed radiometer meets the criterion of novelty, since the essential features inherent in it are not contained in the known devices and they do not realize the claimed positive effect.

Изобретение будет понятно из следующего описания и приложенных к нему чертежей.The invention will be clear from the following description and the accompanying drawings.

На фиг.1 изображена схема сканирования в положении обзора, где буквами обозначены:Figure 1 shows the scanning scheme in the viewing position, where the letters denote:

V - скорость носителя;V is the speed of the carrier;

H - высота носителя;H is the height of the carrier;

θ₀ - угол между осью вращения зеркала и осью диаграммы направленности антенны;θ ₀ is the angle between the axis of rotation of the mirror and the axis of the antenna pattern;

φ₀ - угол поворота зеркала, отсчитанный от направления движения носителя;φ ₀ - the angle of rotation of the mirror, counted from the direction of movement of the carrier;

δ - ширина главного лепестка диаграммы направленности антенной системы;δ is the width of the main lobe of the antenna system radiation pattern;

φ_m - предельное значение φ₀.φ _m is the limit value of φ ₀ .

На фиг.2 представлена структурная схема сканирующего радиометра.Figure 2 presents the structural diagram of a scanning radiometer.

Сканирующий радиометр, содержащит подвижную антенну 1, в составе облучателя 17, вращающегося зеркала 18, укрепленного на валу шагового двигателя 19, генератор опорного сигнала (ГОС) 11 с двумя выходами, состоящий из задающего генератора 22, счетчика 23 и дешифратора 24, радиометрический приемник 2, состоящий из смесителя 3, гетеродина 4 усилителя промежуточной частоты (УПЧ) 5, квадратичного детектор (КД) 6, усилителя низкой частоты УНЧ) 7 с прямым и инверсным выходами,, N синхронных детекторов 8, N интеграторов 9, N-1 сумматоров 10, N-1 умножителей 12, два источника опорного излучения 15, 16 с датчиками контрольного сигнала 20, 21, управляемый делитель 14 с первым, вторым входами и одним выходом, датчик скорости носителя 25, датчик высоты носителя 26, второй управляемый делитель 27, усилитель 28, N-1 аналоговых ключей 29, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 30, блок вторичной обработки (БВО) 31. Выход подвижной антенны 1 подключен одному входу смесителя 3, являющемуся входом радиометрического приемника 2, другой вход смесителя 3 соединен с выходом гетеродина 4, а его выход подключен через последовательно соединенные УПЧ 5 и КД 6 к выходу УНЧ 7, прямой и инверсионный выходы которого являются выходами радиометрического приемника 2. Синхронные детекторы 8 присоединены информационными входами к соответствующим выходам УНЧ 7, а управляющими входами - к соответствующим выходам ГОС 11. N-1 умножителей 12 соединены одними входами через соответствующие интеграторы 9 с входам соответствующим N-1 синхронным детектором 8, другими входами - с выходом управляемого делителя 14, а выходами - с входом соответствующих N-1 сумматоров 10. Управляемый делитель 14 подключен управляющим входом через соответствующий интегратор 9 к выходу N-го синхронного детекторов 8 через N-й интегратор, а информационным входом соединен выходом вычислителя 13, один вход которого соединен с источник опорного излучения 20, другой вход соединен с выходом другого источника опорного излучения 21 и входом последовательно соединенных N-1 сумматоров 10. Входы N-1 аналоговых ключей 29 соединены с выходами N-1 сумматоров 10, управляющие входы соединены с выходами дешифратора 24 а выходы соединены с входом АЦП 30. Первый вход второго управляемого усилителя 27 соединен с выходом датчика высоты 26, второй - с выходом датчика скорости 25, а выход соединен с управляющим входом задающего генератора 22 и входом усилителя 28, выход которого соединен с управляющими входами интеграторов 9. Один вход БВО 31, соединен с выходом АЦП 30, другой вход прерывания соединен с выходом задающего генератора 22, выход БВО 31 является выходом устройства.A scanning radiometer comprising a movable antenna 1, comprising an irradiator 17, a rotating mirror 18 mounted on the shaft of a stepper motor 19, a reference signal generator (GOS) 11 with two outputs, consisting of a master oscillator 22, a counter 23 and a decoder 24, a radiometric receiver 2 consisting of a mixer 3, a local oscillator 4 of an intermediate frequency amplifier (IFA) 5, a quadratic detector (CD) 6, a low-frequency amplifier VLF) 7 with direct and inverse outputs, N synchronous detectors 8, N integrators 9, N-1 adders 10 , N-1 multipliers 12, two sources reference radiation 15, 16 with control signal sensors 20, 21, controlled divider 14 with first, second inputs and one output, carrier speed sensor 25, carrier height sensor 26, second controlled divider 27, amplifier 28, N-1 analog keys 29 , analog-to-digital converter (ADC) 30, secondary processing unit (BWO) 31. The output of the mobile antenna 1 is connected to one input of the mixer 3, which is the input of the radiometric receiver 2, the other input of the mixer 3 is connected to the output of the local oscillator 4, and its output is connected through series connected output frequency converter 5 and CD 6 to the output of the VLF 7, the direct and inverse outputs of which are the outputs of the radiometric receiver 2. Synchronous detectors 8 are connected by information inputs to the corresponding outputs of the VLF 7, and the control inputs are connected to the corresponding outputs of the GOS 11. N-1 of the multipliers 12 are connected one input through the corresponding integrators 9 with inputs corresponding to the N-1 synchronous detector 8, other inputs with the output of the controlled divider 14, and outputs with the input of the corresponding N-1 adders 10. The controlled divider 14 is connected the input through the corresponding integrator 9 to the output of the Nth synchronous detectors 8 through the Nth integrator, and the information input is connected to the output of the calculator 13, one input of which is connected to the reference radiation source 20, the other input is connected to the output of another reference radiation source 21 and the input connected in series N-1 adders 10. The inputs of N-1 analog keys 29 are connected to the outputs N-1 of adders 10, the control inputs are connected to the outputs of the decoder 24 and the outputs are connected to the input of the ADC 30. The first input of the second controlled amplifier 27 is connected to the output of the height sensor 26, the second to the output of the speed sensor 25, and the output is connected to the control input of the master oscillator 22 and the input of the amplifier 28, the output of which is connected to the control inputs of the integrators 9. One input of the BWO 31 is connected to the output of the ADC 30, another interrupt input is connected to the output of the master oscillator 22, the output of the BWO 31 is the output of the device.

На фиг.3 изображена структурная схема БВО, который содержит тактовый генератор 32, центральный процессорный элемент (ЦПЭ) 33, тактовый вход которого соединен с выходом задающего генератора 22, а на выходе формируется шина адреса (ША), системный контроллер 34, подключенный к ЦПЭ 33, на выходе которого шина данных (ШД) и шина управления (ШУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 36 и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 35 подключенные к ША, ШД и ШУ, регистр параллельного ввода-вывода 37, подключенный к ША, ШД, ШУ, к линиям ввода которого подсоединен выход АЦП, а линии вывода являются выходными устройствами.Figure 3 shows the structural diagram of the BWO, which contains a clock generator 32, a Central processing element (CPE) 33, the clock input of which is connected to the output of the master oscillator 22, and the output bus address is formed (SHA), a system controller 34 connected to the CPU 33, the output of which is a data bus (ШД) and control bus (ШУ), random access memory (RAM) 36 and read-only memory (ROM) 35 connected to the ША, ШД and ШУ, parallel I / O register 37 connected to the ША , ШД, ШУ, to the input lines of which I connect ADC output, and output lines are output devices.

Предлагаемый сканирующий радиометр работает следующим образом.The proposed scanning radiometer operates as follows.

Устройство размещается на подвижном носителе так, чтобы ось вращения зеркала была вертикальна. При движении носителя и одновременном вращении зеркала главный лепесток диаграммы направленности антенны будет описывать на земле часть циклоиды (см. фиг.1). Таким образом за счет вращения зеркала осуществляется развертка по одной координате, а за счет движения носителя по другой. При этом размеры разрешаемого элемента определяются по формулам:The device is placed on a movable medium so that the axis of rotation of the mirror is vertical. With the movement of the carrier and the simultaneous rotation of the mirror, the main lobe of the antenna pattern will describe on the ground part of the cycloid (see figure 1). Thus, due to the rotation of the mirror, scanning is carried out in one coordinate, and due to the movement of the medium in another. In this case, the dimensions of the resolved element are determined by the formulas:

$${\Delta }_{\max }=H\delta /{\cos }^2{\theta }_0,(1)$$

$${\Delta }_{\max }=H\delta /{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="cos"\; filenames="00000023.png"\; state="\{\{state\}\}">cos</figure-callout>}}^2{\theta }_0,(\mathrm{one})$$

$${\Delta }_{\min }=H\delta /\cos {\theta }_0.(2)$$

$${\Delta }_{\min }=H\delta /\cos {\theta }_0.(2)$$

Так как длинна строки определяется выражениемSince the length of the string is determined by the expression

$$L_C={\varphi }_{m}Htg{\theta }_0,(3)$$

$$L_C={\varphi }_{m}Htg{\theta }_0,(3)$$

то число независимых элементов на строкеthen the number of independent elements per row

$$N_{ЭЛ}=[L_C/{\Delta }_{\min }]=[{\varphi }_m\sin {\theta }_0\cos {\theta }_0/\delta ],(4)$$

$$N_{EL}=[L_C/{\Delta }_{\min }]=[{\varphi }_m\sin {\theta }_0\cos {\theta }_0/\delta ],(\mathrm{four})$$

где знак [] означает взятие целой части.where the sign [] means taking the whole part.

Для того чтобы на просматриваемой поверхности не возникало пропусков или перекрытий строк необходимо, чтобы за один оборот вращающегося зеркала носитель продвигался на расстояние равное Δ_max. Следовательно, период одного оборота зеркала:In order to avoid gaps or line overlaps on the viewing surface, it is necessary that the carrier moves a distance equal to Δ _max for one revolution of the rotating mirror. Therefore, the period of one revolution of the mirror:

$$T={\Delta }_{\max }/V=\frac{H}{V}\cdot \frac{\delta }{{\cos }^2{\theta }_0}.(5)$$

$$T={\Delta }_{\max }/V=\frac{H}{V}\cdot \frac{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\delta \; cos"\; filenames="00000023.png"\; state="\{\{state\}\}">\delta \; </figure-callout>}}{{\cos }^{}}.(5)$$

Поэтому время визирования одной строкиTherefore, the time of sighting one line

$$T_C=\frac{{\varphi }_m}{\pi }\cdot T=\frac{H}{V}\cdot \frac{{\varphi }_m}{V}\cdot \frac{\delta }{{\cos }^2{\theta }_0}.(6)$$

$$T_C=\frac{{\varphi }_m}{\pi }\cdot T=\frac{H}{V}\cdot \frac{{\varphi }_m}{V}\cdot \frac{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\delta \; cos"\; filenames="00000023.png"\; state="\{\{state\}\}">\delta \; </figure-callout>}}{{\cos }^{}}.(6)$$

А время визирования одного элементаAnd the time of sighting of one element

$$T_{Э}=T_{С}/N_{ЭЛ}=\frac{H}{V}\cdot \frac{{\delta }^2}{\pi }\cdot \frac{1}{{\cos }^3{\theta }_0\sin {\theta }_0}.(7)$$

$$T_E=T_{\mathrm{FROM}}/N_{EL}=\frac{H}{V}\cdot \frac{{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\delta "\; filenames="00000023.png"\; state="\{\{state\}\}">\delta </figure-callout>}}^2}{\pi }\cdot \frac{\mathrm{one}}{{\mathrm{<figure-callout\; id="3"\; label="cos"\; filenames="00000023.png"\; state="\{\{state\}\}">cos</figure-callout>}}^3{\theta }_0\sin {\theta }_0}.(7)$$

При этом, чтобы не допустить временной корреляции между соседними элементами, постоянную времени интегратора т необходимо выбрать из условия:Moreover, in order to prevent a time correlation between adjacent elements, the integrator time constant m must be selected from the condition:

$$\tau =T_{Э}/2=\frac{H}{V}\cdot \frac{{\delta }^2}{2\pi }\cdot \frac{1}{{\cos }^3{\theta }_0\sin {\theta }_0}.(8)$$

$$\tau =T_E/2=\frac{H}{V}\cdot \frac{{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\delta "\; filenames="00000023.png"\; state="\{\{state\}\}">\delta </figure-callout>}}^2}{2\pi }\cdot \frac{\mathrm{one}}{{\mathrm{<figure-callout\; id="3"\; label="cos"\; filenames="00000023.png"\; state="\{\{state\}\}">cos</figure-callout>}}^3{\theta }_0\sin {\theta }_0}.(8)$$

При движении подвижного носителя датчик скорости носителя 25 и датчик высоты 26 выдают свои выходные сигналы на управляемый делитель 27, на выходе которого возникает сигнал, пропорциональный отношению H/V. Задающий генератор 22 формирует на выходе импульсы с периодом повторения, пропорциональным выходному сигналу управляемого делителя с коэффициентом пропорциональности, определяемым выражением (7).When the moving carrier moves, the carrier speed sensor 25 and the height sensor 26 give their output signals to a controlled divider 27, the output of which produces a signal proportional to the H / V ratio. The master oscillator 22 generates pulses at the output with a repetition period proportional to the output signal of the controlled divider with a proportionality coefficient defined by expression (7).

Радиотепловое излучение, принятое подвижной антенной 1, преобразуется радиометрическим приемником 2 в сигнал с напряжением U(t), пропорциональным мощности радиотеплового излучения. Выходной сигнал радиометра для каждого j-го элемента разрешения синхронно детектируется отдельным синхронным детектором 8^j. В случае сканирующего радиометра за один шаг шагового двигателя 19 вращающееся зеркало 18 должно поворачиваться на угол равный δ, при этом число элементов разрешения на строке не произвольно, а определяется выражением (4). Сигнал с выхода синхронного детектора 8^j интегрируется соответствующим интегратором 9^j, постоянная интегрирования, определяемая выражением (8), управляется усилителем 28, которой задает требуемый коэффициент пропорциональности.The thermal radiation received by the mobile antenna 1 is converted by the radiometric receiver 2 into a signal with a voltage U (t) proportional to the power of the thermal radiation. The output signal of the radiometer for each j-th resolution element is synchronously detected by a separate synchronous detector 8 ^j . In the case of a scanning radiometer, in one step of the stepper motor 19, the rotating mirror 18 must rotate by an angle equal to δ, while the number of resolution elements per line is not arbitrary, but is determined by expression (4). The signal from the output of the synchronous detector 8 ^{j is} integrated by the corresponding integrator 9 ^j , the integration constant defined by expression (8) is controlled by an amplifier 28, which sets the required proportionality coefficient.

Калибровка сигналов с выходов интеграторов 9j осуществляется по известной схеме сканирующего радиометра. В результате на выходе сумматоров 10^j возникают сигналы равные антенной температуре $$T_A^j$$

соответствующего элемента разрешения. Эти аналоговые сигналы последовательно, синхронно с импульсами задающего генератора, переключаются аналоговыми ключами 29_j на вход аналого-цифрового преобразователя 30. На выходе аналого-цифрового преобразователя последовательно в цифровом виде возникают значения антенных температур соответствующих элементов разрешения.Calibration of the signals from the outputs of the integrators 9j is carried out according to the known scheme of a scanning radiometer. As a result, the output of the adders 10^j signals appear equal to the antenna temperature $$T_A^j$$

corresponding permission element. These analog signals sequentially, synchronously with the pulses of the master oscillator, are switched by analog keys 29_j to the input of the analog-to-digital converter 30. At the output of the analog-to-digital converter, the values of the antenna temperatures of the corresponding resolution elements appear sequentially in digital form.

Однако полученные значения температур не являются точными, так как являются суммой двух компонентHowever, the obtained temperature values are not accurate, since they are the sum of two components

$$T_A({\theta }_0,{\varphi }_0)={\displaystyle \underset{{\Omega }_{Г}}{\int }{T}_{Я}(\theta ,\varphi )\Psi (\theta -{\theta }_0,\varphi -{\varphi }_0)d\Omega +}{\displaystyle \underset{{\Omega }_{Б}}{\int }{T}_{Я}(\theta ,\varphi )\Psi (\theta -{\theta }_0,\varphi -{\varphi }_0)d\Omega },(9)$$

$$T_A({\theta }_0,{\varphi }_0)={\displaystyle \underset{{\Omega }_G}{\int }{T}_{\mathrm{I\; AM}}(\theta ,\varphi )\Psi (\theta -{\theta }_0,\varphi -{\varphi }_0)d\Omega +}{\displaystyle \underset{{\Omega }_B}{\int }{T}_{\mathrm{I\; AM}}(\theta ,\varphi )\Psi (\theta -{\theta }_0,\varphi -{\varphi }_0)d\Omega },(9)$$

где Ψ(θ,φ) - нормированная по мощности диаграмма направленности антенны;where Ψ (θ, φ) is the antenna power-normalized radiation pattern;

(θ_Я,φ_Я) - угловые координаты оси наблюдения;(θ _I , φ _I ) - the angular coordinates of the axis of observation;

(θ₀,φ₀) - угловые координаты оси диаграммы направленности;(θ ₀ , φ ₀ ) - the angular coordinates of the axis of the radiation pattern;

Ω_Г - телесный угол, занимаемый главным лепестком;Ω _G is the solid angle occupied by the main lobe;

Ω_Б - телесный угол, занимаемый боковыми лепестками.Ω _B - solid angle occupied by the side lobes.

Первое слагаемое описывает мощность радиоизлучения, принятого по главному лепестку диаграммы направленности, второе - по боковым лепесткам. Второе слагаемое тем больше, чем больше коэффициент рассеяния антенны β, определяемый как:The first term describes the power of radio emission received from the main lobe of the radiation pattern, the second - along the side lobes. The second term is the greater, the greater the scattering coefficient of the antenna β, defined as:

$$\beta ={\displaystyle \underset{{\Omega }_{Б}}{\int }\Psi (\theta ,\varphi )в\Omega }.(10)$$

$$\beta ={\displaystyle \underset{{\Omega }_B}{\int }\Psi (\theta ,\varphi )\mathrm{at}\Omega }.(10)$$

Точность измерения радиояркостной температуры тем меньше, чем больше коэффициент рассеяния антенны. В [1] показано, что ошибка, обусловленная боковыми лепестками антенны, может достигать 20 К. В [2] показано, что радиояркостную температуру подстилающей поверхности в данном направлении можно рассматривать как линейную комбинацию антенных температур, измеренных для ряда других направлений в интервале сканирования. Радиояркостная температура элемента разрешения является функцией антенных температур нескольких соседних элементов разрешения. Нахождение обратной функции позволило бы по известному распределению антенных температур вычислить соответствующее распределение радиояркостных температур. При этом за счет излучения, принятого по боковым лепесткам, на 5-30 процентов повышается точность измерения радиояркостной температуры. Тот же результат можно получить без вычисления обратной функции за счет построения итерационной процедуры.The accuracy of measuring the brightness temperature is the less, the greater the scattering coefficient of the antenna. It was shown in [1] that the error caused by the side lobes of the antenna can reach 20 K. In [2] it was shown that the radio brightness temperature of the underlying surface in this direction can be considered as a linear combination of antenna temperatures measured for a number of other directions in the scanning interval. The radio brightness temperature of the resolution element is a function of the antenna temperatures of several neighboring resolution elements. Finding the inverse function would allow us to calculate the corresponding distribution of radio brightness temperatures from the known distribution of antenna temperatures. At the same time, due to the radiation received from the side lobes, the accuracy of measuring radio brightness temperature is increased by 5-30 percent. The same result can be obtained without calculating the inverse function by constructing an iterative procedure.

Считая Т_Я(θ,φ)=const в пределах Ω_Г и усредняя Т_Я(θ,φ) по главному лепестку диаграммы направленности, из формулы (9) получаемAssuming T _I (θ, φ) = const within Ω _Г and averaging T _I (θ, φ) over the main lobe of the radiation pattern, from formula (9) we obtain

$$T_{ЯГ}({\theta }_0,{\varphi }_0)=(T_A({\theta }_0,{\varphi }_0)-{\displaystyle \underset{{\Omega }_{Б}}{\int }{T}_{Я}(\theta ,\varphi )\Psi (\theta -{\theta }_0,\varphi -{\varphi }_0)d\Omega })/(1-\beta ).(11)$$

$$T_{\mathrm{I\; AM}G}({\theta }_0,{\varphi }_0)=(T_A({\theta }_0,{\varphi }_0)-{\displaystyle \underset{{\Omega }_B}{\int }{T}_{\mathrm{I\; AM}}(\theta ,\varphi )\Psi (\theta -{\theta }_0,\varphi -{\varphi }_0)d\Omega })/(\mathrm{one}-\beta ).(\mathrm{eleven})$$

Итерационная процедура строится по правилуThe iterative procedure is constructed according to the rule

$$T_{ЯГ}^{(И)}({\theta }_0,{\varphi }_0)=(T_A({\theta }_0,{\varphi }_0)-{\displaystyle \underset{{\Omega }_{Б}}{\int }{T}_{ЯГ}^{(n-1)}(\theta ,\varphi )\Psi (\theta -{\theta }_0,\varphi -{\varphi }_0)d\Omega })/(1-\beta ),(12)$$

$$T_{\mathrm{I\; AM}G}^{(\mathrm{AND})}({\theta }_0,{\varphi }_0)=(T_A({\theta }_0,{\varphi }_0)-{\displaystyle \underset{{\Omega }_B}{\int }{T}_{\mathrm{I\; AM}G}^{(n-\mathrm{one})}(\theta ,\varphi )\Psi (\theta -{\theta }_0,\varphi -{\varphi }_0)d\Omega })/(\mathrm{one}-\beta ),(12)$$

где в качестве начального приближения берется распределение температур с выхода сканирующего радиометраwhere, as an initial approximation, the temperature distribution from the output of the scanning radiometer is taken

$$T_{ЯГ}^{(0)}({\theta }_0,{\varphi }_0)=T_A({\theta }_0,{\varphi }_0),(13)$$

$$T_{\mathrm{I\; AM}G}^{(0)}({\theta }_0,{\varphi }_0)=T_A({\theta }_0,{\varphi }_0),(13)$$

Из формулы (12) следует, что ошибка n-го приближения выражается через ошибку (n-1)-го приближения следующим образом:It follows from formula (12) that the error of the nth approximation is expressed through the error of the (n-1) th approximation as follows:

$$\delta T_{ЯГ}^{(n)}({\theta }_0,{\varphi }_0)=\frac{\beta }{1-\beta }\delta T_{ЯГ}^{(n-1)}({\theta }_0,{\varphi }_0),(14)$$

$$\delta T_{\mathrm{I\; AM}G}^{(n)}({\theta }_0,{\varphi }_0)=\frac{\beta }{\mathrm{one}-\beta }\delta T_{\mathrm{I\; AM}G}^{(n-\mathrm{one})}({\theta }_0,{\varphi }_0),(\mathrm{fourteen})$$

То есть она в $${\left(\frac{\beta }{1-\beta }\right)}^n$$

раз меньше ошибки, возникающей при аппроксимации Тяг соответствующим значением антенной температуры.That is, she is in $${\left(\frac{\beta }{\mathrm{one}-\beta }\right)}^n$$

times less than the error that occurs when approximating the Rods with the corresponding value of the antenna temperature.

Итерационный процесс сходится при условии β<0,5, что выполняется для подавляющего большинства антенн.The iterative process converges under the condition β <0.5, which is performed for the vast majority of antennas.

Итерационный процесс удобнее реализовывать в цифровом виде, при этом формулы (12)-(13) приобретают вид:Iterative process is more convenient to implement in digital form, while formulas (12) - (13) take the form:

$${Я}_{ij}^{(0)}=A_{ij},(15)$$

$${\mathrm{I\; AM}}_{ij}^{(0)}=A_{ij},(\mathrm{fifteen})$$

$${Я}_{ij}^{(n)}=(A_{ij}-{\displaystyle \sum _k^{кроме}{\displaystyle \sum _1^{(k\mathrm{,1})=(i,j)}{Я}_{k1}^{(n-1)}{D}_{k-i\mathrm{,1}-j}}})/(1-\beta ),(16)$$

$${\mathrm{I\; AM}}_{ij}^{(n)}=(A_{ij}-{\displaystyle \sum _k^{\mathrm{to}R\mathrm{about}me}{\displaystyle \sum _{\mathrm{one}}^{(k\mathrm{,one})=(i,j)}{\mathrm{I\; AM}}_{k\mathrm{one}}^{(n-\mathrm{one})}{D}_{k-i\mathrm{,one}-j}}})/(\mathrm{one}-\beta ),(16)$$

где $$A_{ij}=T_A\left({\theta }_{0i},{\varphi }_{0j}\right)$$

; $${Я}_{ij}^{(n)}=T_{ЯГ}^{(n)}\left({\theta }_{0i},{\varphi }_{0j}\right)$$

;Where $$A_{ij}=T_A\left({\theta }_{0i},{\varphi }_{0j}\right)$$

; $${\mathrm{I\; AM}}_{ij}^{(n)}=T_{\mathrm{I\; AM}G}^{(n)}\left({\theta }_{0i},{\varphi }_{0j}\right)$$

;

$$D_{k-i,l-j}={\displaystyle \underset{{\theta }_k}{\overset{{\theta }_{k+1}}{\int }}{\displaystyle \underset{{\varphi }_l}{\overset{{\varphi }_{l+1}}{\int }}\Psi \left(\theta -{\theta }_{0i},\varphi -{\varphi }_{0j}\right)d\Omega }}$$

$$D_{k-i,l-j}={\displaystyle \underset{{\theta }_k}{\overset{{\theta }_{k+\mathrm{one}}}{\int }}{\displaystyle \underset{{\varphi }_l}{\overset{{\varphi }_{l+\mathrm{one}}}{\int }}\Psi \left(\theta -{\theta }_{0i},\varphi -{\varphi }_{0j}\right)d\Omega }}$$

i - номер элемента разрешения в строке;i is the number of the permission element in the line;

j - номер строки.j is the line number.

Итерационная процедура (15)-(16) реализуется блоком вторичной обработки 31, на вход которого последовательно поступают с аналого-цифрового преобразователя значения антенных температур A_ij. На выходе блока 31 последовательно формируются значения скорректированных радиояркостных температур Я_ij.The iterative procedure (15) - (16) is implemented by the secondary processing unit 31, the input of which is sequentially supplied from the analog-to-digital converter with the antenna temperature values A _ij . At the output of block 31, the values of the adjusted radio brightness temperatures R _ij are successively formed.

В остальном сканирующий радиометр работает по известной схеме.The rest of the scanning radiometer works according to a well-known scheme.

Блок вторичной обработки 31 может быть реализован, в частности, на МПКБИС серии К580, или на любой аналогичной. Блок 31 имеет два основных режима работы - режим прерывания и режим системного контроллера. Режим прерывания инициализируется импульсом с выхода задающего генератора 22. В этом режиме центральный процессорный элемент 33 через регистр параллельного ввода-вывода 37 принимает с выхода аналого-цифрового преобразователя значения антенной температуры и размещает его в оперативном запоминающем устройстве 36 для дальнейшей обработки. Далее, из оперативного запоминающего устройства 36 извлекается значение соответствующей скорректированной яркостной температуры и выводится через линии вывода порта 37 параллельного ввода-вывода.The secondary processing unit 31 can be implemented, in particular, on MPKBIS K580 series, or on any similar. Block 31 has two main operating modes — interrupt mode and system controller mode. The interrupt mode is initialized by a pulse from the output of the master oscillator 22. In this mode, the central processor element 33, through the parallel I / O register 37, receives the values of the antenna temperature from the output of the analog-to-digital converter and places it in the random access memory 36 for further processing. Next, the value of the corresponding adjusted brightness temperature is extracted from the random access memory 36 and output through the output lines of the parallel I / O port 37.

В режиме системного контроллера центральный процессорный элемент 33 под управлением программы, размещенной в постоянном запоминающем устройстве 35, производит пересчет антенных температур в яркостные в соответствие с формулами (15)-(16), после окончания текущих расчетов центральный процессорный элемент 33 переходит в режим ожидания прерывания. Схемы включения и диаграммы функционирования всех элементов блока 31 известны и описаны, например, в [3].In the system controller mode, the central processor element 33, under the control of a program located in the read-only memory 35, recalculates the antenna temperatures into brightness temperatures in accordance with formulas (15) - (16), after the end of the current calculations, the central processor element 33 goes into interrupt standby mode . Switching schemes and diagrams of the functioning of all elements of block 31 are known and described, for example, in [3].

Использование изобретения позволит улучшить детальность обзора и повысить точность измерения радиояркостной температуры на величину от 5 до 30%.Using the invention will improve the detail of the review and increase the accuracy of measuring the brightness temperature by a value of from 5 to 30%.

ЛитератураLiterature

1. Beck F.B. Antenna Pattern Corrections to Microwave Radiometer Temperature Calculations. - Radio Science, 1975, v.10, N10, p.839.1. Beck F.B. Antenna Pattern Corrections to Microwave Radiometer Temperature Calculations. - Radio Science, 1975, v. 10, N10, p. 839.

2. Stogrym A. Estimates of Brightness Temperatures from Scanning Radiometer Data. - IEEE Trans. Antennas and Propagat, 1978, v.AP-26, N5, p.720.2. Stogrym A. Estimates of Brightness Temperatures from Scanning Radiometer Data. - IEEE Trans. Antennas and Propagat, 1978, v. AP-26, N5, p. 720.

3. Коффрон Дж. Технические средства микропроцессорных систем. - М. «Мир», 1983 г., стр.90.3. Koffron J. Technical means of microprocessor systems. - M. "Mir", 1983, p. 90.

Claims (2)

1. Сканирующий радиометр, содержащий подвижную антенну в составе облучателя вращающегося зеркала, укрепленного на валу шагового двигателя, генератор опорного сигнала с двумя выходами, состоящий из соединенных последовательно задающего генератора, счетчика и дешифратора, радиометрический приемник, состоящий из смесителя с усилителем промежуточной частоты, гетеродина, усилителя низкой частоты с прямым и инверсным выходами, квадратичный детектор, N синхронных детекторов, выполненных двухканальными компенсирующего типа с двумя информационными и двумя управляющими входами, N интеграторов, N-1 умножителей, N-1 сумматоров, два источника опорного излучения с датчиками контрольного сигнала, управляемый делитель с первым, вторым входами и одним выходом, причем выход подвижной антенны подключен к одному входу смесителя, являющемуся входом радиометрического приемника, другой вход смесителя соединен с выходом гетеродина, а выход смесителя подключен через последовательно соединенные усилитель промежуточной частоты (УПЧ) и квадратичный детектор (КД) к входу усилителя низкой частоты (УНЧ), прямой и инверсионный выходы которого, являющиеся выходами радиометрического приемника, подключены к соответствующим выходам синхронных детекторов, управляющие входы которых подключены к соответствующим выходам генератора опорного сигнала; N-1 умножителей подключены одними входами через соответствующие интеграторы к выходам соответствующих синхронных детекторов, другими входами - к выходу управляемого делителя, а выходами - к входам соответствующих N-1 сумматоров, управляемый делитель подключен управляющим входом к выходу N-го синхронного детектора через N-й интегратор, а информационным входом - к выходу вычислителя, один вход которого соединен с источник опорного излучения, другой вход соединен с выходом другого источника опорного излучения и входом последовательно соединенных N-1 сумматоров, отличающийся тем, что в него дополнительно введены датчик скорости носителя, датчик высоты носителя, второй управляемый делитель, усилитель, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), N-1 аналоговых ключей, блок вторичной обработки (БВО), причем первый вход второго управляемого делителя соединен с датчиком высоты, второй вход - с датчиком скорости, выход соединен с управляющим входом задающего генератора и входом усилителя, выход которого соединен с управляющими входами интеграторов; входы N-1 аналоговых ключей соединены с выходами N-1 сумматоров, а управляющие входы соединены с выходами дешифратора, выходы аналоговых ключей соединены с входом АЦП, выход которого соединен с входом БПО, у которого другой вход прерывания соединен с выходом задающего генератора, а выход является выходом устройства.1. Scanning radiometer containing a movable antenna in the irradiator of a rotating mirror mounted on the shaft of a stepper motor, a reference signal generator with two outputs, consisting of a master oscillator, a counter and a decoder connected in series, a radiometric receiver consisting of a mixer with an intermediate frequency amplifier, a local oscillator , low-frequency amplifier with direct and inverse outputs, quadratic detector, N synchronous detectors, made of two-channel compensating type with two information one and two control inputs, N integrators, N-1 multipliers, N-1 adders, two reference radiation sources with control signal sensors, a controlled divider with first, second inputs and one output, the output of the mobile antenna being connected to one input of the mixer, which is the input of the radiometric receiver, the other input of the mixer is connected to the output of the local oscillator, and the output of the mixer is connected through a series-connected amplifier of intermediate frequency (UPCH) and a quadratic detector (CD) to the input of the amplifier low often s (ULF), direct and inverse outputs of which, which are output radiometric receiver, connected to respective outputs of the synchronous detectors, the control inputs of which are connected to corresponding outputs of a reference signal generator; N-1 multipliers are connected by one input through the corresponding integrators to the outputs of the corresponding synchronous detectors, by other inputs to the output of the controlled divider, and by the outputs to the inputs of the corresponding N-1 adders, the controlled divider is connected by the control input to the output of the N-th synchronous detector through N- th integrator, and with an information input - to the output of the computer, one input of which is connected to the reference radiation source, the other input is connected to the output of another reference radiation source and the input is connected in series N-1 adders, characterized in that it additionally includes a media speed sensor, a media height sensor, a second controlled divider, an amplifier, an analog-to-digital converter (ADC), N-1 analog keys, a secondary processing unit (BWO), moreover the first input of the second controlled divider is connected to a height sensor, the second input to a speed sensor, the output is connected to the control input of the master oscillator and the input of the amplifier, the output of which is connected to the control inputs of the integrators; the inputs of the N-1 analog keys are connected to the outputs of the N-1 adders, and the control inputs are connected to the outputs of the decoder, the outputs of the analog keys are connected to the input of the ADC, the output of which is connected to the input of the BPO, which has another interrupt input connected to the output of the master oscillator, and the output is the output of the device. 2. Сканирующий радиометр по п.1, в котором блок вторичной обработки содержит тактовый генератор, центральный процессорный элемент, тактовый вход которого соединен с выходом тактового генератора, вход прерывания соединен с выходом задающего генератора, а на выходе формируется шина адреса, системный контроллер, подключенный к центральному процессорному элементу, на выходе которого формируются шина данных и шина управления, оперативное запоминающее устройство и постоянное запоминающее устройство, подключенное к шине адреса, шине данных и шине управления, регистр параллельного ввода-вывода, подключенный к шине адреса, шине данных и шине управления, линии ввода которого соединены с выходом аналого-цифрового преобразователя, а линии вывода являются выходом устройства. 2. The scanning radiometer according to claim 1, in which the secondary processing unit comprises a clock generator, a central processor element, the clock input of which is connected to the output of the clock generator, the interrupt input is connected to the output of the master oscillator, and an address bus, a system controller connected to the output, is formed to the central processor element, at the output of which a data bus and a control bus are formed, a random access memory and read only memory connected to the address bus, data bus, and control bus, parallel I / O register connected to the address bus, data bus and control bus, the input lines of which are connected to the output of the analog-to-digital converter, and the output lines are the output of the device.

Images