Точность измерения параметров быстропротекающих процессов радиометрическими методами

Большинство исследуемых радиометрическими методами явлений являются стационарными либо квазистационарными процессами – изменения электромагнитного излучения объектов происходят в течение длительного времени и составляют 1…5% динамического диапазона измерительного устройства (~350 К) [1]. Существуют специализированные задачи регистрации "быстрых" явлений, таких как вспышки на Солнце, горение в доменных печах, обзор профиля земной поверхности с подвижных объектов и т.д. [2] Семантическая длительность таких явлений сопоставима с величиной периода модуляции в радиометре. Высокая научная значимость исследования быстропротекающих явлений требует соответствующей точности радиоизмерительной аппаратуры [3].
Широкое распространены классические схемные исполнения радиометров: модуляционные, компенсационные, корреляционные и ряд других схем [4]. Применение модуляционного радиометра, по сравнению с компенсационным, обеспечивает снижение влияния аномальных флуктуаций коэффициента передачи вблизи нулевой частоты и дрейфа собственных шумов приемника, что описано в [2,4].
Флуктуации коэффициента передачи в модуляционном радиометре уменьшаются за счет цепей интегрирования с постоянной ~ 103 от периода модуляции и более.
В описанных выше задачах необходимо уменьшать время интегрирования до времен близких к длительности протекающих процессов при эквивалентном увеличении частоты модуляции. В результате этого происходит ухудшение флуктуационной чувствительности за счет увеличения дисперсии выходного шумового сигнала и влияния аномальных флуктуаций коэффициента передачи радиометра.
Для оценки влияния флуктуаций коэффициента передачи на точность измерений проведено моделирование работы модуляционного радиометра. Спектр сигнала, описывающий аномальные флуктуации приемника характеризуется убыванием спектральной плотности по закону 1/f2,5.
Амплитудная модуляция импульсной последовательности модулирующим сигналом аномальных флуктуаций говорит об ухудшении точности измерений при уменьшении времени накопления до десятков и единиц миллисекунд. Для заданного сигнала инвариантность к флуктуациям коэффициента передачи в пределах флуктуационной чувствительности 0,01% (нормированной к динамическому диапазону измерений) достигается при временах накопления более 1,2 с. Уменьшение времени интегрирования до десятков миллисекунд приводит к ухудшению флуктуационной чувствительности до 25% от динамического диапазона измерений.
Для решения вышеуказанных задач необходимо применять нулевые радиометры. Среди последних преимуществом обладают нулевые радиометры с комбинированной импульсной модуляцией[5]. Принцип, схемотехника и алгоритмы функционирования данного типа радиометров описаны в [5] На примере исследованных флуктуаций коэффициента передачи проведен анализ модулированной импульсной последовательности модифицированного нулевого радиометра.
Моделирование работы нулевого радиометра при малых временах интегрирования показало, что при заданном сигнале аномальных флуктуаций искажения вольт-секундной площади приводящие к ухудшению заданной флуктуационной чувствительности (0,01%) происходят при увеличении периода модуляции свыше 4,8 мс.
Заключение
Для эффективного решения задач измерения параметров быстропротекающих процессов радиометрическими методами наиболее пригодны нулевые радиометры.

Литература
1. Арманд Н.А. Перспективы исследований в области дистанционного зондирования Земли и экологического мониторинга/ Н.А. Арманд, В.Н. Воронков, В.П. Никитский, В.А. Панченко// Радиотехника и электроника. – 1998. – Т. 43, №9. – С. 1061–1069.
2. Евсеев В.И. История начального периода развития радиотеплолокации в задачах дистанционного зондирования земли (вторая половина 1940-х — первая половина 1960-х гг.) / В.И. Евсеев, А.В. Лосик, Ю.П. Соколов //Вестник санкт-петербургского университета.– 2008. – Сер. 2. – Вып. 4.– Ч. II. – с.44-49.
3. Астафьева Н.М., Раев М.Д., Шарков Е.А. Портрет Земли из космоса. Глобальное радиотепловое поле // Природа. – 2006. – №9. – С.20–35.
4. Camps A., Tarongi J.M. Microwave radiometer resolution optimization using variable observation times // Remote Sensing. – 2010. – V. 2. – P. 1826–1843
5. Filatov A.V., Ubaichin A.V. The dynamic properties of a digital radiometer system and its operating efficiency . Measurement Techniques. 2012.-V.54 № 10. P. 1-6.