16.4.3. Флюктуации усиления

Для повышения чувствительности радиометра может быть введена стабилизация показаний на выходе, как это представлено

на рис. 16.23, а. Однако этот метод имеет ограниченное применение из-за наличия флюктуаций усиления. Для получения нужной характеристики в вышеупомянутом радиометре была бы необходима стабилизация усиления до Галей [81] рассмотрел чувствительность таких радиометров вычитающего типа и определил скорости изменения усиления усилителя, которые дают пренебрежимо малое понижение порога; при условии прямоугольной формы полосы пропускания фильтра нижних частот, отношение сигнал/шум на выходе равно единице, когда

Рис. 16. 23. Рабочие схемы радиометров: а — широкополосный приемник с балансом постоянной составляющей на выходе; сдвоенный приемник с коррелятором для разделения сигнала и шума. (См. [87].)

Уравнение (16.64) выведено для случая квадратичного детектирования, однако было показано [259], что во всех типах радиометров линейное детектирование дает такую же чувствительность.

Шумы, обусловленные флюктуациями усиления, можно оценивать [262] с помощью коэффициента изменчивости

где усиление как функция времени, усиление, усредненное по времени. Для флюктуаций усиления, так же как и для других паразитных явлений, характерно, что амплитуда является быстро уменьшающейся функцией частоты.

Влияние флюктуаций усиления можно уменьшить несколькими способами; Голдштейн [87] предложил использовать два независимых приемника, как показано на рис. Сигнал подается в каждый приемник через изолирующее устройство, которое предотвращает попадание на вход одного приемника шума из другого приемника. Таким образом, напряжение шума в двух приемниках будет некоррелированным, в то время как напряжения сигнала

будут в высокой степей коррелированными. Если используется супер гетеродинный приемник, то гетеродины должны быть синхронизированы. Важным фактором является фазовая стабильность приемников, так как фазовый сдвиг в 90° между приемниками приводит к исчезнованию сигнала. В таком радиометре с помощью умножителя и последующего фильтра нижних частот производится операция взаимного коррелирования недетектированных выходных сигналов приемников. Умножитель должен быть сбалансирован и работать в широкой полосе частот. Величину шумов, вызываемых флюктуациями усиления, можно уменьшить, применяя в приемниках отдельные АРУ. Если снова предположить, что характеристика фильтра нижних частот является плоской, то минимальный обнаруживаемый сигнал будет равным

Если рассматривать полный принимаемый сигнал, то чувствительность уменьшается вдвое, так что

Шумы флюктуаций усиления также можно уменьшить, применяя радиометры сравнения. Принцип работы заключается в том, что через приемную систему одновременно с желаемым сигналом пропускаются сигналы сравнения, что служит средством измерения усиления системы и позволяет скомпенсировать влияние флюктуаций усиления. Силови [234] использовал один приемник, в котором два сигнала, принимаемый сигнал и сигнал сравнения, занимающее разные диапазоны частот, разделялись на выходе приемника с помощью двух фильтров. Выпрямленные сигналы на выходах обоих фильтров сравнивались, и их разность представляла окончательный выходной сигнал. Если сигнал сравнения, так же как и желательный сигнал, имеет шумообразный характер и если полоса, частот, занимаемая сигналом сравнения, такая же, как и желательного сигнала, то минимальный обнаруживаемый сигнал также определяется уравнением (16.66). Если шумовые флюктуации на выходе канала сигнала сравнения в дальнейшем сглаживаются, или когда спектр сигнала сравнения шире спектра принимаемого сигнала, или же в случае использования нешумящих сигналов сравнения, то минимальный обнаруживаемый сигнал определится выражением

В более распространенном типе радиометра сравнения спектр шума сигнала опознается посредством его модуляции до введения в приемник. Сравнение производится путем включения и выключения сигнала, так что сигнал существует только половину времени [377]. Среднее изменение выходного уровня, увеличивающегося при наличии сигнала, будет поэтому меньше по сравнению с флюктуациями шума, чем оно было бы, если бы сигнал поступал

все время [2721- Устройство Дикке [53] на рис. 16.24, а является типичным для радиометров этого класса. Выходной сигнал в этом устройстве зависит от результата сравнения сигнала и теплового излучения вносящего потери диэлектрического колеса, которое вводится в волновод и выводится из него с частотой 30 гц.

Рис. 16. 24. Супергетеродинный радиометр Дикке: а — блок-схема с модуляцией резистивным диском с частотой 30 гц,; б - сигнал на выходе второго детектора; в — характеристики цепи промежуточной частоты и цепи после детектора. (См. [53].)

Приемник имеет балансный смеситель, усилитель на промежуточной частоте 30 Мгц, второй диодный детектор, полосовой фильтр с шириной полосы 30 гц и когерентный детектор, к которому прикладывается напряжение модулирующей частоты. Выходной сигнал оконечного детектора пропускается через фильтр нижних частот, на выходе которого при наличии сигнала образуется постоянное напряжение, на которое накладываются шумовые флюктуации приемника. Сигнал на выходе второго детектора показан на рис. 16.4, б, где видно, что в сигнале, появляющемся с частотой 30 гц, шумы флюктуаций усиления отсутствуют.

Характеристики усилителей до и после детектора показаны на рис. 16.24, в. Если а и постоянные приемника и если предположить, что детектор имеет квадратичную характеристику, то разница между мощностями на выходе при наличии и отсутствии сигнала составляет наличие множителя 2 объясняется тем, что супергетеродинный приемник принимает шумы по двум каналам (основному и зеркальному). Если предположить, что

сигнал модулируется прямоугольным напряжением, то пиковое значение основной составляющей становится равным и постоянная составляющая в регистрирующем приборе будет равна множитель учитывает характеристики двухполупериодного когерентного детектора и усилителя с полосой 30 гц. При слабых сигналах шумы приемника возбуждают в регистрирующем приборе сигнал со среднеквадратичным значением Приравнивая такой сигнал к сигналу в регистрирующем приборе, получаем минимальный обнаруживаемый сигнал

Постоянный множитель в уравнении (16.69) нужно умножить на 2 в случае приемника прямого усиления, на при использовании однополупериодного когерентного детектора, на в случае детектирования прямоугольного сигнала вместо синусоидального и на в случае синусоидальной модуляции вместо прямоугольной.

Таблица 16.3 Значения К в уравнении (16.70)

Стюарт [255] и Мейер [156, 157] осуществляли прямоугольную модуляцию сигнала с помощью ферритовой структуры. Электронный метод дает возможность осуществлять модуляцию с более высокой частотой, чем, например, 100 гц, достижимой при использовании механических способов. Соответствующее устройство показано на рис. 16.25; в нем соленоид вызывает поворот плоскости поляризации на 45°. В зависимости от направления этого поворота сигнал от источника или системы попадает в приемник, а сигнал от источника с референсной температурой — в поглощающую нагрузку или наоборот. Если условие минимального обнаруживаемого сигнала определяется выражением

то чувствительности различных типов и рабочие условия радиометров можно обобщить, как это сделано в табл. 16.3. При плоской характеристике фильтра нижних частот является эффективной шириной полосы шума, но если считать действительной шириной

полосы одного -звена фильтра по уровню половинной мощности, то нужно умножить на Индикаторы на выходе или записывающее устройство могут оказаться чувствительными к шумовым выбросам, которые примерно в 8 раз превышают среднеквадратичное значение, и поэтому на практике минимальный наблюдаемый сигнал в несколько раз больше сигнала, определяемого уравнением (16.70).

Рис. 16. 25. Радиометр, использующий ферритовую структуру для модуляции и изоляции.