Методы и средства обеспечения достоверности и точности измерений параметров собственного излучения тел в СВЧ радиометрии

Измерение Физическим величин, характеризующий энергию электромагнитного излучения во всем спектре частот, называют радиометрией. На частотах от 10−100 кГц до 100 -1000 ГГц энергия излучения определяется волновым характером электромагнитного поля, описываемого уравнениями Максвелла, и измеряется методами классической радиометрии. На частотах выше 1018 -1019 Гц энергия излучения характеризуется количеством Фотонов в единицу времени и измеряется методами квантовой радиометрии. В переходной области используют измерительные приемы классической и квантовой радиометрии [1].

Энергия излучения тел на частотах ниже 1 ТГц с температурами от «80 К до 105 К и стационарное излучение от «60 К до «2−3 К, неизменное в течение длительных промежутков времени, исследуются методами сверхвысокочастотной (СВЧ) радиометрии [2]. Измеряемые уровни сигналов могут быть заметно ниже уровня собственных шумов самого радиоприемника — СВЧ радиометра.

СВЧ радиометрия", «микроволновая радиометрия», «радиометрия микроволнового диапазона» — термины-синонимы, достаточно устоявшиеся. Свидетельством тому является включение их в рубрикаторы литературы. С См., например, рубрикаторы в реферативном журнале ВИНИТИ России «Исследование Земли из космоса» .).

СВЧ радиометрия широко применяется для изучения среды обитания человека и природных ресурсов [3−5], медико-биологических исследований, в том числе для диагностики и лечения онкологических заболеваний человека и животных [8−8], диагностики плазмы [9, 10], изучения космического пространства [11], радионавигации по Солнцу и звездам [12], обнаружения объектов по их радиотепловому излучению (радиовидения) [13], измерения параметров антенн. В Узбекистане проводились работы по контролю самопроизвольного разогрева хлопкасырца в бунтах с помощью радиометра с антенной в интервале длин волн 2, 5- 100 см с погрешностью 0. 5 °C? радиометрический метод контроля существенно уменьшал трудоемкость и затраты времени по сравнению с альтернативным методом — протягиванием малоинерционного терморезистора по каналу внутри бунта [14]. Во французском центре СВЧ и полупроводников совместно с Лилльским институтом науки и техники определяли корреляционным радиометром шумовую температуру и местоположение неоднородности в СВЧ фидере [15], контролировали температуру текстильного полотна из натуральных и искусственных волокон, измеряя СВЧ радиометром излучение образца на частоте 9 ГГц в полосе 1.1 ГГц [16].

На базе СВЧ радиометрии разработаны крупные национальные программы, например, мониторинга земной поверхности со спутниковукраинских («С1ч-3») [17] и российских [18].

Существует массовый вид измерений шума в радиоприемниках, телевизорах, усилителях, транзисторах, интегральных схемах.

Основным инструментом дистанционных измерений в СВЧ радиометрии является радиоприемник шумоподобных сигналов ССВЧ радиометр) с антенной, которые перед измерениями вместе калибруют в свободном пространстве по источнику с известными параметрами излучения.

Такими источниками являются расчетные излучатели. Закон излучения абсолютно черного тела САЧТ), открытый в начале 20-го века, стал основой для разработки расчетных излучателей — источников излучения, интенсивность которого вычисляют с необходимой точностью с помощью фундаментального соотношения Планка с физическими величинами (температурой и частотой), измеряемыми независимыми методами. Модели АЧТ, выполненные по закону Планка, используют в оптическом — инфракрасном СИЮ диапазоне.

В радиодиапазоне и при высоких температурах тел действует приближение закона Планка — закон Рэлея-Джинса. Закон Рэлея-Джин-са описывает интенсивность излучения, переносимого электромагнитной волной, возникающей в изотермической полости. Число таких волн — собственных распространяющихся волн полости и эффективность излучения из отверстия полости зависят от свойств материала, размеров и формы полости и отверстия. Для численной характеристики энергии излучения измеряют значения спектральной плотности мощности шума ССПМШ) в единицах [натт/герц] или эквивалентной шумовой С радиошумовой, радиояркостной) температуры СЗШТ) в единицах [кельвин], причем 1 [Вт/Гц] / к = 1 [К], где к =1,3806*10−23 Дж/К — постоянная Больцмана. Температура Т, до которой нагрета изотермическая полость черного тела, равна величине ЭШТ.

С момента рождения микроволновой радиометрии — изобретения радиометра Дайка в 1946 году [19] - до сегодняшних дней на основе закона Рэлея-Джинса разрабатывают все новые излучатели — модели черного тела СВЧ диапазона, удовлетворяющие изменяющимся технологическим и эксплуатационным требованиям, и соответственно уточняют методики калибровки радиометра с антенной.

Все это свидетельствует об актуальности и важности темы. Проследим развитие вопроса в историческом и научно-техническом плане.

В конце 40-х и в 50-х годах радиометр использовался в первую очередь для изучения небесных тел — в радиоастрономии. Для повышения точности измерений возникла необходимость в абсолютной калибровке радиометра вместе с антенной по СВЧ модели черного тела. В качестве такой модели лист радиопоглощающего материала СРПЮ, «черный диск», устанавливали в дальней зоне или зоне Френеля испытуемой антеннырадиотелескопа на фоне «холодного» неба и сравнивали сигналы от неба и диска, принятые антенной [20].

Радиоизлучение окружающей среды имеет шумовую температуру одного порядка с термодинамической температурой тел С ~300 И) и может явиться источником погрешности измерения радиошумовык температур при сличении излучателей между собой и калибровке радиометра с антенной. Погрешность становится меньше при увеличении радиоконтраста излучателя на Фоне окружающих предметов, например, при понижении или повышении радиошумовой температуры излучателя. Величина погрешности сличения может быть уменьшена за счет уменьшения разности шумовых температур сличаемых излучателей. Поэтому для калибровки радиометра с антенной необходимы СВЧ модели черного тела с различной шумовой температурой. Назовем излучатели с радиошумовой температурой ниже 300 К «холодными», с радиошумовой температурой немного больше 300 К -" теплыми", с радиошумовой температурой 104 К и выше — «горячими» .

В 60-х годах были испытаны охлаждаемые апертурные излучатели. Криогенный излучатель НИРФИ [21] (Нижний Новгород) представлял собой лист РПМ, погруженный в жидкий азот, залитый в пенопластовый контейнер. Использование жидкости удобно для выравнивания градиентов температуры излучающей структуры (т.е. листа радиопоглотителя). Однако для практического использования составляли неудобство, во-первых, малое время, в течение которого излучатель сохранял свои метрологические характеристики, так как криогенная жидкость быстро испаряется, во-вторых, водяной конденсат на крышке пенопластового ящика, уменьшающий точность калибровки СВЧ радиометра.

Для удаления пленки конденсата в американской спутниковой радиометрической системе к приемной рупорной антенне пристыкована модель черного тела [22]. Последняя выполнена в виде металлического контейнера, заполненного пористым РПМ с пирамидальными выступами на поверхности, обращенной в сторону апертуры рупора. Поглотитель заключен в оболочку из непористой пластмассовой пены. Через специальное отверстие в контейнере его внутренний объем вместе с поглотителем и пенистой оболочкой заполняется жидким азотом или аргоном. Затем на частоте 2 ГГц производится калибровка радиометра, подстыкованного к рупорной антенне. Погрешность установки температуры в описанной антенной насадке типа «черное тело» не превышала 0.1 К.

Стремление к повышению точности абсолютной калибровки радиометра с антенной привело в 70-х годах к созданию «теплых» апертур-ных излучателей с температурой, немного превышающей 300 К. Такой излучатель был выполнен в Хельсинкском технологическом университете [23]. Излучатель представлял собой лист радиопоглотителя, заключенный в пенопластовый контейнер, внутри которого помещались также нагреватель и вентилятор, обеспечивающие равномерный нагрев излучающей структуры из РПМ.

В 80-е годы и по настоящее время охлаждаемые и нагреваемые СВЧ модели черного тела широко применяются в различных областях народного хозяйства. При зондировании Земли с помощью СВЧ радиометров, установленных на спутниках, погрешность измерений радиоконтрастов заметно зависит от вида апертурного излучателя, по которому калибруется радиометр. Погрешность калибровки по эталонным участкам Земли составляет 10%. С привлечением дополнительных данный о восходящих потоках излучения, спектральной толщине атмосферы, индикатрисе рассеяния атмосферы, о профильном зондировании атмосферы погрешность снижается до 3−5%. При использовании специальных. тепловых эталонов можно получить 2%-ную погрешность [24].

Для измерений космического микроволнового Фона на южном полюсе и в горах Калифорнии на волнах 2,5−24 см используют радиометр с антенной, который калибруют по охлаждаемому гелием апертурному излучателю. Диаметр апертуры излучателя равен 78 см, коэффициент отражения менее 0,035%. Расход гелия составляет 4.4 л/час. [25].

Бортовой широкоапертурный излучатель БШИ с температурой 300 К ±30 К для частот 22, 35, 94 ГГц использован в российском модуле интегрального влажностного зондирования атмосферы (МИВЗА) [26,27]. Излучатель представляет собой прямоугольную матрицу 165×135 мм, собранную из кремниевых штырей длиной 90 мм с квадратным сечением 15×15 мм. С одного конца штыри сошлифованы на конус с углом 20°. Другой конец каждого штыря приклеен к соседнему и вся кремниевая матрица БШИ заключена в корпус из алюминиевого сплава. Для уменьшения градиентов температуры в состав клея введен порошок нитрида бора Сили алмазный порошок). Коэффициент черноты излучателя не менее 0. 993. Аналогично выполнена конструкция излучающей структуры охлаждаемого азотом излучателя с диаметром апертуры 105 мм, длина стержней 75 мм. Излучатель предназначен для наземной калибровки и измерения характеристик радиометров.

При исследовании параметров ряби в лабораторных условиях на длинах волн 2−30 см при различных поляризациях применены излучатели типа «лист радиопоглотителя» и отражатель с размерами 100×90×20 и 150×100×30 см, которыми последовательно закрывали лотки с испытуемой жидкостью для калибровки радиометра с антенной [28].

Аналогичная калибровка производилась при изучении рассеяния и поглощения излучения элементами растений на длинах волн 2,25- 18- 30 см в полосе частот 120 МГц. Погрешность измерений не превышала 25−30% [29].

Абсолютная калибровка модуляционного радиометра в диапазонах 75−110 и 110−170 ГГц позволила определять электронную температуру плазмы на термоядерной установке Tokamak Fusion Test Reactor независимо от других диагностических методов. Использован излучатель из материала Eccosorb CV, погруженный в жидкий азот. При калибровке по двум источникам с шумовой температурой 300 К и 78 К обеспечивалась точность 5−10% [30].

При измерении ослабления мм волн в дожде осуществлена калибровка радиометра, исключающая влияние боковых и задних лепестков диаграммы направленности приемной антенны [31]. Применялось черное тело при температуре окружающей среды и жидкого азота, выполненное в виде антенной насадки — кюветы из пенопласта диаметром 0.8 м, внутри которой над алюминиевой Фольгой находился поглотитель из древесно-стружечной плиты толщиной 15 мм. Толщина слоя жидкого азота над поглотителем составляла около 2 см. Калибровку необходимо производить перед каждым измерением шумовой температуры дождя. Погрешность измерения ослабления мм волн в дожде не превысила 1% при затухании 1 дБ и 3% при 20 дБ.

Для измерения параметров антенн по двум известным шумовым температурам предложен нагреваемый излучатель на основе объемного поглотителя [32]. Микропровод размещен в полых пенопластовых блоках размерами 415×352×228 мм. Блоки скрепляются деревянной рамой, в нижней части которой расположены нагреватель и вентилятор для изменения температуры в пределах 20−90 °С. После 40-иинутного нагрева и 5-минутного перемешивания устанавливается температура 77, 5 +1.5 °С. Коэффициент отражения от поверхности блоков был не хуже -20 дБ в диапазоне волн 1−40 см.

Медицинские радиотермографы с контактными антеннами калибруют по излучателям, которые термостатируют водой при температурах +36 °С и -33 °С с погрешностью 0.1 °С. При постоянной времени 1 с Флуктуационный порог чувствительности 32-см радиометров (полоса приема 100 МГц) составляет 0.05 К, 9-см радиометров (полоса 200 МГц) — 0.1 К [33].

Конструкция волноводной нагрузки мм диапазона [34] с многослойным поглотителем может быть использована при создании апертур-ных излучателей СВЧ шума. Металлический стакан заполняется на глубину 15- 20 мм поглощающим материалом «Мрак» (кварц, вспененный с поглотителем) с коэффициентом отражения -23 дБ, с погонным поглощением 10−15 дБ/см. Поверх насыпается электрографический порошок «Тонэр» С с поглощением 3−5 дБ/см, с показателем преломления менее 1.3), обеспечивающий общий коэффициент отражения -30 дБ. Стакан закрывается пробкой из ваты толщиной 10 мм. После встряхивания стакана порошок частично проникает в слой ваты, доводя коэффициент отражения до -35 дБ. Для уменьшения толщины нагрузки на дно можно добавить слой поглощающей резины толщиной 2−3 мм, применяемой в 8 мм диапазоне, с коэффициентом отражения -(10−15) дБ. В этом случае достаточно 10 мм слоя поглотителя «Мрак». Исследования проведены при длинах волн 1−4 мм.

В 60-х годах предприняты попытки создания «горячего» излучателя — на плазменный генераторах шума с радиошумовой температурой, на порядок превышающей 300 К. В Санкт-Петербургском университете разработан излучатель — искусственное радиосолнце в виде прямоугольника из 20 параллельный газоразрядных трубок дневного света, расположенных в одной плоскости над металлическим экраном [35]. Измерение шумовой температуры излучения проводилось путем сличения излучателя с Солнцем при помощи радиотелескопа. Отсутствие точной калибровки по шумовой температуре не позволило использовать излучатель в качестве первичного источника сравнения.

В 60-х, 70-х годах в Харьковском институте метрологии СХГНИИМ) велись исследования в области плазменной СВЧ диагностики и создавались для этой цели апертурные излучатели с высокой радиошумовой температурой. Большое внимание уделялось разработке методов аттестации излучателей по радиошумовой температуре [36].

В ГОСТ 8.157−75 была установлена температурная шкала в диапазоне 6300 -105 К, основанная на зависимости спектральной плотности энергии излучения черного тела от температуры в микроволновом диапазоне длин волн, но не имелось аттестованных точек температуры для этой шкалы. Погрешность измерения радиошумовых температур свыше 10s К оценивалась на уровне более 10%.

В 1974 году в ХГНИИМ для микроволновой диагностики плазмы были изготовлены следующие макеты высокотемпературных излучателей: тепловая модель АЧТ в виде нагреваемого листа из РПМ с клинообразными выступами [37]- полостная модель АЧТ в виде клина, собранного из газоразрядных генераторов шума с расположенными за стенками клина металлическими плоскими отражателями [37−39]- излучатель в виде решетки диэлектрических антенн, запитанных от индивидуальных генераторов шума на лавинно-пролетном диоде [37]. На основе этих излучателей в 1976 году началось бюджетное финансирование создания в ХГНИИМ прецизионного аппаратурного комплекса для измерения шумовой температуры до 100 000 К по излучению в свободном пространстве. Целью было опережающее развитие прецизионных средств и методов измерения радиошумовой температуры для ускорения внедрения СВЧ радиометрии в народное хозяйство, в частности, в измерения высоких радиошумовых температур для СВЧ диагностики плазмы.

Государственный специальный эталон единицы температуры в диапазоне 1000−100 000 К по излучению в микроволновой области спектра был принят Постановлением Госстандарта СССР от 27 ноября 1980 года со сроком введения с 1 июля 1981 года [40] и занесен в государственный реестр под номером ГЗТ-127. Появилось сообщение в средствах массовой информации [41].

Во главе эталона находится тепловой широкоапертурный излучатель (ТШЮ — модель АЧТ в виде изотермической «черной» полости [42], обеспечивающий хранение и воспроизведение шумовых температур до 1000 К в диапазоне 0.8−8 см. С помощью прецизионного эталонного компаратора — нуль-радиометра модуляционного типа с антенной производится передача единицы шумовой температуры с высокой точностью по методике МИ-823−85 [43,44] двум плазменным излучателямгазоразрядному ШВИ-Г [45] и полупроводниковому ШВИ-П [46], имеющим шумовые температуры, близкие к 104 К и 105 К. Аттестованное таким образом их излучение (с погрешностью «4%) можно сличать при помощи компаратора с излучением других источников и приписывать последним конкретные значения радиошумовой температуры [47], При модернизации в 1987 году в состав эталона введен еще один газоразрядный излучатель ШВИ-Г-08 [48], усовершенствована методика аттестации эталонного комплекса [49,50] (погрешность снижена до «2%).

Подобный эталон создан впервые. Зарубежная публикация [51] об аналогичном стандарте появилась год спустя после сообщения об эталоне в печати.

Введение

эталона ГЗТ-127 обеспечило единство и достоверность измерений радиошумовых температур в стране, способствовало ускорению разработок образцовых и рабочих средств измерений собственного радиоизлучения тел различной природы, развитию теоретических исследований в области СВЧ радиометрии [52−55]. Результаты, полученные при создании и эксплуатации эталона, позволили осуществить важные народно-хозяйственные проекты: оснащение самолетов солнечным радиосекстантом, калибруемым с помощью образцового излучателя, имитирующего радиосолнечное излучение [56,57], который аттестован и периодически поверяется по эталону, разработку большой группы радиометрических методов антенных измерений [58−64].

Настоящая работа выполнялась в процессе участия автора в следующих плановых темах!

1976;1980 г. г. Разработка эталона ГЭТ-127 (в качестве ответственного исполнителя бюджетной темы 06.01.08.03 Госстандарта СССР).

1980;1993 г. г. Хранение эталона ГЭТ-127 по бюджетной теме 06.05.00.02 С в качестве ученого хранителя эталона, согласно Постановлению Госстандарта СССР от 27 ноября 1980 г.).

1985;1987 г. г. Модернизация эталона ГЭТ-127 (в качестве ответственного исполнителя бюджетной темы 06.01.08.01 Госстандарта СССР).

1976;1993 г. г. Хоз. договорные работы по созданию и поверке образцовых излучателей ШВИ, «Солнце», «Сириус», «Лебедь», горячего диска ГД-1, методикам аттестации излучателей, по аттестации антенного фактора малой антенны и двух антенных полигонов для предприятий городов Москвы, Жуковского, С.-Петербурга, Гатчины, Ульяновска, Каменска-Уральского С в качестве руководителя темы).

С 1994 г. участие в разработке метрологического обеспечения спутниковой радиометрической системы (в качестве ответственного исполнителя раздела НИР ИРЗ НАНЮ.

С 1997 г. участие в проектировании метрологического обеспечения системы электромагнитной совместимости авиационным радиосредств в Харьковском институте летчиков.

При разработке и эксплуатации эталона выяснилось, что СВЧ радиометрия имеет ряд специфическим особенностей, неучет которых приводит к измерительным ошибкам и недостоверным результатам.

Для создания расчетных излучателей необходимо определять предельно возможные излучательные характеристики СВЧ черного тела и его минимальные размеры. Такого рода теории недостаточно разработаны. Существующие теории не позволяли рассчитывать шумовые температуры апертурных излучателей с плазменными носителями. Известное в радиоастрономии уравнение измерений не обеспечивало возможности экспериментального нахождения параметров реальных СВЧ моделей черного тела. Отсутствовали методики калибровки радиометра с антенной в ближней зоне, что требовало использования дорогостоящих бе-зэховых камер, других антенных полигонов, и (или) учета влияния окружающих тел.

Поэтому актуальной и важной явилась разработка единой системы методов и средств, свободной от указанных недостатков, обеспечивающей достоверность и точность измерений параметров собственного излучения тел.

Цель работы.

— теоретическое обоснование и создание комплекса прецизионных устройств и методик высокоточной калибровки СВЧ радиометра с антенной для измерения параметров излучений, превышающих естественный Фон в нормальных условиях (с шумовыми температурами свыше 300 К до 105 Ю.

Содержание работы изложено в четырех главах и заключении. Выбранная методика исследования методов калибровки радиометра с антенной отличается от традиционно развиваемых в отечественной и зарубежной практике, где основные усилия направлялись на учет посторонних излучений (от местных предметов, Фона и т. п.В настоящей работе сделан акцент на создание «горячих» излучателей и на исключение мешающих излучений в процессе калибровки. Это обусловлено спецификой диапазона уровней излучений, для которого разрабатывались методы и средства калибровки, а именно: в ряде случаев можно не учитывать собственное излучение окружающей среды, но следует обращать внимание на переотражения от окружающих предметов излучения «горячего» источника.

В главе 1 разработаны теоретические предпосылки радиометрии микроволнового диапазона с учетом специфических особенностей. Ключевыми моментами являются: аналитическое обоснование необходимости калибровки радиометра с антенной при помощи расчетного излучателя.

2], отмена требования больших размеров черного тела [55], понятие и аналитическое описание минимального размера черного тела (элемента АЧТ) [65], реализация элемента АЧТ в виде открытого конца волновода с критическими размерами [66] и малой антенны типа вибратора Герца [67,68], моделирование черного тела неотражающим профилем [69−71] и нефазированной антенной решеткой [72], уравнение радиометрических измерений, учитывающее радиационные характеристики СВЧ модели АЧТ [73−74].

Практическое воплощение теоретических результатов главы 1 представлено в главах 2, 3. Глава 2 посвящена созданию «теплых» и «горячих» апертурных излучателей СВЧ шума со свойствами, максимально приближающими их к теоретической модели черного тела микроволнового диапазона, включая проектирование, конструирование, изготовление и лабораторную отработку. В главе 3 рассмотрена апробированная система методов калибровки радиометрического тракта, обеспечивающей достоверность и точность измерений параметров собственного излучения тел.

В главе 4 с целью повышения точности измерений радиометром с антенной разработаны методики аттестации и контроля основных параметров антенн с помощью «горячих» излучателей, представлены результаты проектирования и исследования антенно-фидерных устройств для радиометрического тракта.

Апертурные модели черного тела с управляемыми параметрами (шумовой температурой, размером апертуры, поляризацией) использованы в новых более точных методиках измерений антенных параметров [53], как традиционных (кпд, коэффициентов усиления, и рассеяния [58−60]), так и новых в радиометрическом методе (коэффициента омических потерь антенны [61], амплитудно-Фазового распределения на разных частотах за один проход приемного зонда [62]). Повышена точность известных методов (измерение ДН антенны корреляционным радиометром [63]). Развитие радиометрии СВЧ обусловило необходимость разработки новых антенн (для измерения шумового поля внутри локального объема [75]), привело к созданию нового инструментария для контроля параметров антенн (формы поверхности зеркала радиотелескопа [64]). Поскольку чувствительность радиометра зависит от полосы пропускания волноводного тракта, проведены исследования диапазонности фидерных устройствс помощью предложенного строгого метода расчета [76−79] установлены пределы полосы пропускания интерференционных волноводных устройств.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты диссертации.

В диссертации имеются два приложения. Приложение 1 содержит краткое изложение метода расчета СВЧ разветвлений путем синтеза матрицы рассеяния и строгого решения ключевой задачи (о волнах на стыке прямоугольный волноводов с Нро волнами) с основными Формулами и дополнительным списком литературы из 15 наименований. Б приложении 2 приведены ксерокопии актов внедрения, справок об объеме использования, расчетов экономической эффективности Сна 21 листе) и других документов (титульных листов б открытых отчетов, Г0СТ8. 421−81, Представления о назначении ученого хранителя, публикаций об эталоне в средствах массовой информации).

Научная новизна работы состоит в том, что решена проблема создания комплексного метрологического обеспечения СВЧ радиометрии излучений, превышающих естественный Фон в нормальных условиях. Автором впервые получены следующие научные результаты.

1. Разработаны теоретические предпосылки обеспечения достоверности и точности измерений параметров собственного излучения тел в СВЧ радиометрии. Аналитически обоснована необходимость калибровки радиометра с антенной при помощи расчетного излучателя. Разработана теоретическая концепция аппаратурной реализации расчетного излучателя — СВЧ модели черного тела. Получено измерительное уравнение СВЧ радиометрии, более общее, чем известные, позволяющее учесть важные параметры поля СВЧ излучения тел. Сформулированы параметры апертурных СВЧ моделей АЧТ.

2. Разработаны и исследованы апертурные излучатели СВЧ шума со свойствами, максимально приближающими их к теоретической модели черного тела микроволнового диапазона, — тепловые [а.с. 42, 80−82], газоразрядные [а.с.45,48,56, 57,83−88] и полупроводниковые [а. с. 46, 89−90].

3. Создана система методов и средств калибровки самого радиометра и радиометра с антенной, обеспечивающая достоверность и точность измерений параметров собственного излучения тел [а.с.43, 49, 92−98]. Аналитически показано, что при измерениях с помощью некалиброванного радиометра можно получить недостоверные значения отношений радиояркостей [91].

4. Построена система аттестации и контроля параметров антенн с помощью «горячих» излучателей, в том числе с регулируемыми апертурой, интенсивностью излучения, поляризацией, [а. с. 58−64,75].

Предложена поверочная схема, основанная на Фактически существующих метрологических связях СВЧ радиометрии (при использовании горячих излучателей) с узаконенными абсолютным контактным измерением температуры и определением внешних электродинамических параметров антенн относительным методом двух антенн [99].

Исследованы для радиометрического тракта некоторые антенно-Фидерные устройства с волноводами связи произвольной длины. Для расчета предложен строгий метод и на его основе создан единый машинный алгоритм расчета волноводного разветвления в Н-плоскости с конфигурацией любой формы. [76−79].

Таким образом в настоящей работе выполнен комплекс теоретическим и экспериментальных исследований, углубляющий представления о средствах изучения собственного излучения тел, позволяющий учесть специфические особенности СВЧ радиометрии и ее связи с другими более устоявшимися областями Физики и измерительной техники.

Практическая значимость работы. Внедрение результатов.

Практическая значимость работы состоит в создании комплекса апертурных моделей АЧТ для государственного эталона ГЭТ-127, разработке и поверке образцовых излучателей СВЧ шума.

Введение

эталона ГЭТ-127 обеспечило единство и достоверность измерений радиошумовых температур в стране, способствовало ускорению разработок средств измерений собственного радиоизлучения тел различной природы, развитию теоретических исследований в области СВЧ радиометрии. Результаты, полученные при создании и эксплуатации эталона, позволили осуществить важные народно-хозяйственные проекты: оснащение самолетов солнечным радиосекстантом, калибруемым с помощью имитатора радиосолнечного излучения, который аттестован и периодически поверяется по эталону, разработку большой группы радиометрических методов антенных измерений.

На защиту выносятся:

1. Теоретические предпосылки обеспечения достоверности и точности измерений параметров собственного излучения тел в СВЧ радиометрии. Обоснование необходимости калибровки радиометра с антенной при помощи расчетного излучателя. Аналитическое описание размеров и параметров излучения СВЧ реализаций черного тела. Измерительное уравнение СВЧ радиометрии, учитывающее параметры излучения реальных СВЧ моделей АЧТ. Перечень параметров апертурных микроволновых моделей АЧТ.

2. Система создания «горячих» апертурных СВЧ моделей АЧТ, включая их проектирование, изготовление, настройку и аттестацию.

3. Действующие излучатели в составе эталона ГЭТ-127, излучатели «Солнце», ШВИ (горячий диск).

4. Система калибровки радиометра с антенной при помощи «горячих» СВЧ моделей АЧТ.

5. Поверочная схема, связывающая СВЧ радиометрию, использующую «горячие» излучатели, с абсолютным контактным измерением температуры и определением внешних электродинамических параметров антенн относительным методом.

6. Система измерений с помощью «горячих» излучателей основных характеристик антенн и поэлементного контроля формы параболического зеркалаконструкция радиометрической антенны дециметрового диапазона для локального объема.

7. Строгий метод расчета интерференционных волноводных устройств с волноводными разветвлениями в Н-плоскости любой заданной конфигурации.

Результаты расчета с помощью ЭВМ диапазонности интерференционных волноводных устройств, показавшие, что эти устройства можно применять в радиометрическом тракте при ширине полосы 20−25% от значения центральной частоты.

Обоснованность научных положений и достоверность результатов. Для разработки математических моделей использованы апробированные методы решения. Проведена проверка полученных формул путем предельного перехода к известным ранее решениям, сравнения моделей между собой. О правильности вычислительных программ свидетельствует совпадение результатов, полученных различными способами, сравнение с известными результатами. Теоретические результаты подтверждаются экспериментально. Достоверность экспериментальных результатов определяется адекватным выбором методов измерения и измерительных средств с соответствующей оценкой случайной и систематической погрешностей. В программах для ЭВМ предусмотрен специальный тест контроля достоверности вычисленных данных. Произведено сличение имитатора радиосолнечного излучения, аттестованного по предложенной методике, с излучением Солнца.

Апробация работы и публикация результатов.

Материалы диссертации обсуждены на Московском электродинамическом семинаре Научного совета по распространению радиоволн РАН (Москва, ИРЗ, 6.1.98), на семинаре ОКБ МЭИ (21.1.98).

Отдельные результаты выполненных исследований докладывались на 5 Международном симпозиуме по современным достижениям в микроволновой технологии 1БРАМТ'95, Киев.- на Международной конференции по антенной теории и технике 1САТТ'95, Харьковна 6-й Международной Крымской конференции «Микроволновые и телекоммуникационные технологии», Севастополь, 1996; на 5-й Крымской конференции «СВЧ-техника и спутниковые телекоммуникационные технологии», Севастополь, 1995; на 3-й и 4-й Крымской конференции «СВЧ-техника и спутниковый прием», Севастополь, 1993 и 1994; на 4-й Всесоюзной науч.-техн. конференции «Метрологическое обеспечение температурных и теплофизич. измерений в области высоких температур «Темпера-тура-90», Харьковна 3-й Всесоюзной науч.-техн. конференции «Метрологическое обеспечение температурных и теплофизич. измерений в области высоких температур», Харьков, 1986; на 3-й Всероссийской конференции «Фазированные антенные решетки и перспективные средства связи (ФАР-94)», Казаньна Всесоюзном научно-технич. совещании «Метрологическое обеспечение измерений высоких температур и параметров плазмы», Харьков, 1979; на Всесоюзной науч.-техн. конференции «Метрологическое обеспечение температурных и теплофиз. измерений в диапазоне высоких температур», Харьков, 1983; на 6-й всесоюзной науч. -технич. конференции по Физике низкотемпературной плазмы, Ленинград, 1983; на 6-й Всесоюзной науч.-техн. конференции молодых специалистов Госстандарта «Повышение роли стандартизации и метрологии в обеспечении интенсификации общественного производства», Львов, 1985; на Всесоюзной научно-технич. конференции «Фазированные антенные решетки и их элементы. Автоматизация проектирования и измерений СФАР-90)», Казань, 1990; на 1-ой Украинской науч.-техн. конференции «Метрология в электронике-94», Харьков, 1994; на межреспубликанской науч.-технич. конференции «Фазированные антенные решетки и их элементы: автоматизация проектирования и измерений СФАР-92)», Казань, 1992; на республиканской науч.-технич. конференции «Теория и практика измерений параметров электромагнитных колебаний и линий передачи», Харьков, 1991; на 3-й республиканской науч.-техн.конференции «Измерительная и вычислительная техника в технологических процессах и конверсии производства», Хмельницкий, 1995; на 5-й Всесоюзной науч.-технич. конференции молодых ученых и специалистов Госстандарта «Влияние повышения уровня метрологического обеспечения и стандартизации на эффективность производства и качество выпускаемой продукции», Тбилиси, 1983; на 4-й Всесоюзной науч.-технич. конференции молодых специалистов «Влияние повышения эффективности работ в области стандартизации и метрологии на качество выпускаемой продукции», Харьков, 1980; на 5-й Всесоюзной науч.-техн. конференции «Метрология в радиоэлектронике», Москва, 1981; на 5-й Всесоюзной науч.-техн. конференции «Метрологическое обеспечение антенных измерений (ВКАИ-5)», Ереван, 1990; на Всесоюзном симпозиуме по теории дифракции и распространению волн, Ростов-на Дону, 1977.

Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 109 публикациях в центральных отечественных и зарубежных изданиях, в том числе в трех нормативно-технических документах Госстадарта СССР, трех обзорах литературы (общий объем — 9 авт. листов) — 31 статье- 34 авторских свидетельствах СССР, 1 положительном решении.

Личный вклад автора. Автором предложены принципы работы и конструирования всех излучателей, аттестованных в составе эталона ГЗТ-127, излучателей ШВИ (горячий диск) и «Солнце», методы и средства калибровки излучателей, аттестации эталонного комплекса. Автору принадлежат идеи устройств и методов, защищенные авторскими свидетельствами в соавторстве. В совместных публикациях по расчету волноводных устройств на ЭВМ автором разработаны алгоритм и программы для ЭВМ. В остальных совместных работах автором даны постановка задачи, выбор метода решения, интерпретация результатов.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и двух приложенийсодержит 205 страниц основного текста, 77 рисунков, размещенных на 40 с., и 4 таблицы. В списке цитируемой литературы 315 наименований. Приложение 1 на 19 листах включает 9 рис. и список литературы из 15 наим., сброшюровано вместе с основным содержанием, приложение 2 включает ксерокопии документов на 30 листах и составляет отдельную брошюру.

ВЫВОДЫ к главе 4.

1. Проанализированы тесные взаимосвязи СВЧ радиометрии с антенной теорией, техникой, измерениями параметров антенн.

1.1. В классической антенной технике используется монохроматический сигнал. В инженерной практике обнаружены новые свойства антенн при прохождении широкополосных сигналов, различные для разных спектров.

1.2. Не имеется универсальных методов расчета свойств широкополосных антенн.

1.3. Находясь на стыке нескольких областей физики и измерительной техники ~Сфотометрии, статистической оптики, радиофизики, теории антенн, температурных измерений, измерений СВЧ мощности, антенной техники и измерений) радиометрия СВЧ предлагает свои методики определения диапазонных свойств антенн и в свою очередь получает прогрессивные идеи от антенной науки и техники.

1.4. Чтобы законодательная метрология стимулировала применение и развитие передовых технологий, которые создаются в СВЧ радиометрии, предложена поверочная схема, основанная на фактически существующих метрологических связях СВЧ радиометрии с абсолютными контактными температурными измерениями и измерениями внешних электродинамических параметров антенн относительным методом.

2. Показано, что применение горячего диска в известных радиометрических методах вместо «черных дисков» позволяет исключить погрешности, связанные с измерением температуры земли, атмосферы, фона за диском, космического излучения, диаграмм направленности диска и антенны. С помощью «горячего» источника шума расширяется динамический диапазон измерения параметров, связанных с диаграммой направленности антенны, на два — три порядка, становится возможньм регистрировать боковые лепестки до 30−40 дБ вместо 13−20 дБ.

Сравнительный анализ радиационных свойств черного диска, излучателя в виде направленной антенны, возбуждаемой высокотемпературным генератором шума, и горячего диска — нефазированной антенной решетки с индивидуальными ГШ показал, что последний наилучшим образом приближается к черному диску.

3. Предложены принципиально новые методики измерения модуляционным радиометром коэффициентов полезного действия, омических потерь, усиления и рассеяния антенны с помощью именно «горячих» излучателей.

4. Развит корреляционный метод антенных измерений, позволяющий измерять с помощью «горячих» излучателей диаграммы направленности и амплитудно-фазовые распределения поля вблизи раскрыва на нескольких частотах за один проход приемного зонда.

5. Описана оригинальная конструкция проволочной антенны дециметрового диапазона, обеспечивающей фокусирование электромагнита ного поля в локальном объеме (внутри отрезка трубки) и согласование с этим полем в случае заполнения объема материалом с некоторым радиопоглощением. Антенна может использоваться для радиометрического диагностирования мастита у коров, для гипертермии, для оперативного и долговременного контроля температурного режима промышленных установок с жидкими теплоносителями и теплосетей.

6. Предложен оригинальный способ поэлементного контроля Формы параболического зеркала с помощью шумового пилот-сигнала. В способе обеспечивается минимальное рассеяние СВЧ мощности, что снижает вероятность влияния переотражений от окружающих предметов. Сняты проблемы, связанные с затенением поля, отраженного от зеркала. Разъюстировка электрической оси облучателя-приемника минимизируется самим способом измерения. Использованы высокостабильные по принципу действия источник и приемник. Разрешающая способность устройства, реализующего предложенный способ, определяется в основном чувствительностью приемника (СВЧ радиометра).

7. С точки зрения применимости в радиометрическом тракте рассмотрены интерференционные волноводные устройства, характеризующиеся наличием многомодовых регулярных волноводов связи между не-однородностями. Для расчета разработан строгий метод: синтезирована обощенная матрица рассеяния волноводного устройства с несколькими волноводами связи произвольной длины, методом Винера-Хоп-Фа-Фока С факторизации) решена ключевая задача для В-плоскостной неоднородности. На этой основе создан единый машинный алгоритм расчета волноводного разветвления в Н-плоскости с конфигурацией любой формы.

Исследована с помощью ЭВМ и экспериментально диапазонность некоторых антенно-фидерных устройств:' Н-гоюскостного волновод-но-щелевого моста, а также включающих этот мост фазовращателя и антенны круговой поляризации. Показано, что интерференционные волноводные устройства могут применяться в радиометрическом тракте при ширине полосы 20−25% от значения центральной частотыони обладают малыми потерями и потому предпочтительны в высокочувствительных радиометрах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Разработаны теоретические предпосылки микроволновой радиометрии. Обоснована необходимость калибровки радиометра с антенной при помощи расчетного излучателя. Создана теория расчетного излучателя — СВЧ модели черного тела, включающая аналитические соотношения: для определения размеров элемента черного теладля коэффициента использования поверхности апертурной антенны, включая КИП круглой и квадратной апертур с критическими размерамидля определения величины сужения ДН микроволнового элемента черного тела по сравнению с диаграммой Ламбертадля определения антенного Фактора методом двух антенндля вычисления эффективной площади микроволновой модели АЧТ в виде электрически малой антенны, возбужденной от согласованного генератора шумадля построения профилей полостных моделей Арного теладля расчета апертурной микроволновой модели АЧТ — нефазированной антенной решетки. Получено измерительное уравнение СВЧ радиометрии, обобщающее известные соотношения. Сформулированы параметры апертурных микроволновых моделей АЧТ.

Для разработки математических моделей использованы апробированные методы решения С факторизации), известные теории математической физики (статистического анализа и корреляционной теории, теорий дифракции, антенн, антенной статистики, геометрической оптики и безэховых камер, радиолокации). Проведена проверка полученных формул путем предельного перехода к известным решениям, сравнения моделей, сравнение следствий известных и новых результатов.

На основе анализа измерительного уравнения СВЧ радиометра показано следующее. Радиояркость, измеренная калиброванным радиометром и выраженная в Кельвинах, и термодинамические температуры, измеренные контактным термопреобразователем и также выраженные в Кельвинах, представляются разными по своей природе физическими величинами, не поддающимися сравнению (сличению), не зависимому от других измеряемых величин, а потому они не могут быть отнесены к первичным и вторичным по отношению друг к другу. Отсутствует метрологическая связь СВЧ радиометрии с измерениями излучения в опти-ческом-ИК диапазоне.

На основе теории расчетного СВЧ излучателя разработаны и исследованы оригинальные по конструкции апертурные микроволновые модели АЧТ: тепловые излучатели в виде нагреваемой полости, многокамерной модели черного телагазоразрядные излучатели на эффекте полого катода, на газоразрядных трубках внутри металлической, полости, «» в виде решетки излучающих элементов, содержащих каждый газоразрядную трубку в металлическом волноводеполупроводниковые излучатели в виде нефазированной антенной решетки с управляемыми поляризацией, размером апертуры и шумовой температурой.

С учетом теоретических предпосылок создана система методов калибровки радиометрического тракта, обеспечиващая достоверность и точность измерений параметров собственного излучения тел, включающая следующие этапы: калибровку радиометра как абсолютного энергетического измерителя (градуировку шкалы), аттестацию первичного источника сравнения, сличение с излучателями, прошедшими метрологическую аттестацию.

Разработана методика градуировки шкалы радиометра с исключением накопления ошибки измерения, обусловленной ограниченной чувствительностью радиометра и нестабильностью аппаратуры, расчета и проверки чувствительности радиометра для измерений температуры живой ткани и криогенных температур. Аналитически показано, что при измерениях с помощью некалиброванного радиометра можно получить недостоверные значения отношений радиояркостей.

Разработаны оригинальные методы и устройства для измерения радиационных параметров апертурных излучателейметод динамической калибровки радиометра с антенной при помощи модели неизотерми-ческога черного теламетодики сличения излучателей с разными размерами апертур (на основе уравнения радиометрических измерений) и сильно отличающимися шумовыми температурамиустройства для измерения нестабильности шумовой температуры излучателей между поверками, для измерения поляризационных характеристик апертурных излучателейустройство автоматизации измерения затуханий прецизионными поляризационными аттенюаторами.

Теоретические предпосылки были подтверждены экспериментально при исследованиях и аттестации апертурных моделей, при калибровке радиометра с антенной по аттестованным моделям, в натурных испытаниях при сличении имитатора излучения Солнца с излучением светила.

Построена поверочная схема, основанная на фактически существующих метрологических связях СВЧ радиометрии (при использовании горячих излучателей) с узаконенными абсолютным контактным измерением температуры и определением внешних электродинамических параметров антенн относительным методом.

С целью повышения точности измерений с помощью радиометра с антенной разработаны на основе именно «горячих» излучателей принципиально новые методики измерения модуляционным радиометром коэффициентов полезного действия, омических потерь, усиления и рассеяния антенны и корреляционным радиометром — диаграммы направленноети антенны и амплитудно-фазовых распределений поля вблизи раскры-ва на нескольких частотах за один проход приемного зонда. По сравнению с известными методами при измерениях параметров антенн получены более высокие точности, расширены полоса рабочих частот и динамический диапазон.

Описана оригинальная конструкция проволочной антенны дециметрового диапазона для радиометрического диагностирования, для гипертермии, для оперативного и долговременного контроля температурного режима промышленных установок с жидкими теплоносителями и теплосетей. Предложен оригинальный способ поэлементного контроля формы параболического зеркала с помощью шумового пилот-сигнала.

С точки зрения применимости в радиометрическом тракте рассмотрены интерференционные волноводные устройства, характеризующиеся наличием многомодовых регулярных волноводов связи между неодно-родностями. Для расчета разработан строгий метод: синтезирована обобщенная матрица рассеяния волноводного устройства с несколькими волноводами связи произвольной длины, методом Винера-Хопфа-Фока (факторизации) решена ключевая задача для Н-плоскостной неоднородности. На этой основе создан единый машинный алгоритм расчета волноводного разветвления в Н-плоскости с конфигурацией любой формы, содержавший тесты отсутствия сбоев.

Исследована с помощью ЭВМ и экспериментально диапазонность некоторых антенно-фидерных устройств: Н-плоскостного волновод-но-щелевого моста, а также включающих этот мост фазовращателя и антенны круговой поляризации. Показано, что интерференционные волноводные устройства могут применяться в радиометрическом тракте при ширине полосы 20−25% от значения центральной частоты: они обладают малыми потерями и потому предпочтительны в высокочувствительных радиометрах.

Совокупность научных и практических результатов, изложенных в диссертации, можно рассматривать как решение следующей научной проблемы: теоретическое обоснование и создание системы методов и средств обеспечения достоверности и точности измерений параметров собственного излучения тел в СВЧ радиометрии.

В результате разработаны на уровне мировой новизны комплекс прецизионных апертурных СВЧ моделей черного тела, система средств и методов достоверной и точной калибровки радиометрического тракта, обеспечившие создание государственного эталона единицы температуры в диапазоне 1000−100 000 К по излучению в микроволновой области спектра, образцовые излучатели и методы антенных измерений для народного хозяйства.