РАДИОМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ГЛУБИННЫХ ТЕМПЕРАТУР ОБЪЕКТА (РАДИОТЕРМОМЕТР)
RADIOMETER FOR MEASUREMENT OF DEPTH TEMPERATURES OF OBJECTS (RADIO THERMOMETER)

Изобретение относится к области радиотермометрии (радиотермографии) измерения глубинных (профильных) температур объектов по их собственному радиоизлучению, в частности, может быть использовано в медицинской технике для неинвазивного обнаружения температурных аномалий внутри биологической ткани.
8
Известен радиотермометр (радиометр), выбранный в качестве аналога [А.В.Вайсблат. Медицинский радиотермометр // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2001. - №8. - С.3-9; Патент №2082118 РФ. МПКG01K 7/00. Медицинский радиотермометр / А.В.Вайсблат. - Приоритет от 11.07.1994. - Опубл. 20.06.1997], состоящий из (фиг.1) антенны 1, модулятора 2 (ключа), управляемого импульсами задающего генератора опорной частоты 11, циркулятора 3, на второй вход которого подключена согласованная нагрузка 7, выполняющая в радиометре роль генератора шума, приемника 4, усилителя мощности 5, управляющего термостатом 6, в котором используются элементы Пельтье, контактного датчика температуры 8, усилителя сигнала датчика 9, устройства индикации 10 (регистратора).
сн
сн
сн
сн
сн
сн
В радиометре используется антенна аппликаторного типа, которая непосредственно располагается на поверхности объекта для измерения интегральной температуры Т по глубине в объеме проекции данной антенны. Принцип работы обеспечивается импульсной модуляцией сигналов посредством замыкания и размыкания ключа 2. В замкнутом состоянии часть сигнала, прошедшая через границу объекта с антенной и равная T(1-R), где R - коэффициент отражения по мощности, поступает на вход приемника 4. Также на вход приемника поступает сигнал согласованной нагрузки 7 (генератора шума), отраженный от границы и равный ТR. Следовательно, на входе приемника при замкнутом состоянии ключа модулятора 2 присутствует сумма сигналов T(1-R)+ТР. Если ключ модулятора разомкнут, на вход приемника поступает сигнал только согласованной нагрузки, отраженный от 2, и, следовательно, равный Т. В радиометре реализован принцип скользящего подшумливания, когда температура согласованной нагрузки 7 путем нагревания или охлаждения элемента Пельтье устанавливается такой, чтобы выполнялось равенство T(1-R)+ТR=Т. Откуда Т=Т и на процесс измерений не влияет коэффициент отражения R. Выравнивание осуществляется за счет действия обратной связи.
Недостатком данной схемы радиометра-аналога является низкое быстродействие, что связано с тепловыми процессами по нагреванию или охлаждению согласованной нагрузки при регулировке нулевого баланса. Это снижает динамические свойства приемной радиометрической системы.
5
1
2
1
гш1
гш2
гш2
гш1
гш1
гш2
Известен радиометр для измерения электромагнитного излучения объектов, близко расположенных к антенне, выбранный в качестве прототипа [А.С. 1626210 СССР. МКИ G01R 29/26. Модуляционный радиометр / B.C.Гаевский, С.В.Маречек, Ю.В.Мешков, Ю.Н.Муськин, В.М.Поляков. - Опубл. в Б.И. №5, 1991], содержащий антенну 1, модулятор 2, работающий по принципу отражения сигнала, направленный ответвитель 3, опорный генератор шума 4, источник тока 5, питающий генератор шума, приемник 6, коммутатор 7 с конфигурацией 1×2, первый 8, второй 9 и третий 10 синхронные детекторы, первый 11, второй 12 и третий 13 фильтры низких частот, сумматор 14, блок вычитания 15, первый 16 и второй 17 делители аналоговых сигналов, регистраторы 18 и 19, первый 20 и второй 21 задающие генераторы опорных частот модуляции. В радиометре прием мощности теплового излучения исследуемого объекта производится при двух различных заданных уровнях шумового сигнала, вырабатываемого опорным генератором. Задающий генератор 20 вырабатывает импульсы, следующие с частотой f и скважностью 2. Работа задающего генератора 21 синхронизирована импульсами генератора 20, и на выходе генератора 21 вырабатывается прямоугольная импульсная последовательность, имеющая также скважность, равную двум, но следующая с частотой, в два раза меньшей, f=f/2. Генератор шума 4 вырабатывает два различных опорных сигнала Т и Т, причем Т>Т. Модуляция генератора шума ГШ выполняется импульсами задающего генератора 20. Направленный ответвитель включен в измерительный тракт так, что сигнал генератора шума направлен в сторону выхода модулятора. Для всего диапазона измеряемого сигнала Т объекта справедливо неравенство Т<T<T.
гш1
1
гш1
ш
гш1
ш
ш
гш2
гш1
2
гш2
ш
Задающие генераторы управляют модуляцией сигналов в приемном тракте. Поскольку фазы колебаний генераторов строго синхронизированы, то имеют место четыре повторяющихся интервала времени, обусловленные различными состояниями модулятора 2 и генератора шума 4. Таким образом, полный период модуляции состоит из четырех временных интервалов равной длительности. В ходе первого интервала модуляции модулятор 2 выключен. Сигнал генератора шума, равный на этом такте Т, полностью отражаясь от выхода разомкнутого модулятора, поступает на вход приемника, и мощность сигнала на его входе равна: W=kdfT+kdfT=kdf(T-T), где k - постоянная Больцмана, df - полоса усиливаемых частот, Т - эффективная температура собственных шумов приемника, приведенная к его входу. В следующем временном промежутке модулятор также закрыт, но генератор 4 вырабатывает сигнал величиной Т>Т. Поэтому мощность сигнала на входе приемника возрастает и становится равной: W=kdf(T-T).
гш1
3
гш1
ш
В два следующих интервала времени модулятор открыт.Мощность теплового излучения объекта поступает на границу раздела "антенна"- объект". Часть мощности, пропорциональная TR, где R - коэффициент отражения по мощности на границе "антенна - объект", отражается от границы раздела и затухает в среде объекта. Оставшаяся часть мощности, пропорциональная T(1-R), принимается антенной и через открытый модулятор поступает на вход приемника. Сигнал генератора шума, равный в этот момент T, проходит через открытый модулятор, частично отражается от границы раздела "антенна - объект" с коэффициентом R и также поступает на вход приемника. Таким образом, полная мощность сигналов на входе приемника равна: W=kdf[T(1-R)+TR+T] (считается, что антенна имеет высокий коэффициент полезного действия и ее собственное излучение пренебрежимо мало).
4
гш2
ш
Аналогично для четвертого, последнего интервала модуляции мощность на входе приемника равна: W=kdf[T(1-R)+TR+T].
1
2
3
4
1
2
3
4
ф1
3
4
1
2
гш1
гш2
Выходное напряжение приемника представляет собой повторяющуюся последовательность напряжений U, U, U, U, пропорциональных мощностям входных сигналов W, W, W, W с коэффициентом пропорциональности G. После синхронного детектирования в первом детекторе 8, на выходе фильтра 11, постоянная времени которого значительно больше периода модуляции, формируется напряжение, равное: U=U+U-U-U=Gkdf[2T(1-R)-(T+T)(1-R)].
Выходные напряжения второго и третьего фильтров 12 и 13 после синхронного детектирования в детекторах 9 и 10 соответственно равны:
ф2
4
3
гш1
гш2
ф3
2
1
гш2
гш1
U=U-U=Gkdf(Т+Т)R; U=U-U=Gkdf(T-T).
бв
гш2
гш1
Сигналы с выходов второго и третьего фильтров подаются в блок вычитания 15, в котором формируется напряжение, равное: U=Gkdf(T-T) (1-R).
гш1
гш2
гш1
гш2
гш2
гш1
После блока вычитания напряжение поступает на сумматор 14 для компенсации постоянной составляющей выходного напряжения первого фильтра, обусловленной наличием члена Gkdf(T+T)(1-R). Для этого коэффициенты передачи входов сумматора а и b выбираются так, чтобы выполнилось равенство: aGkdf(T+T)(1-R)=bGkdf(T-T)(1-R).
p1
гш2
гш1
Коэффициенты а и b определяются в ходе калибровки прибора. С выхода сумматора напряжение, равное 2aGkdfT(1-R), в качестве делимого поступает на первый делитель 16. На другой вход делителя поступает напряжение с блока вычитания. После проведения операции деления на входе регистратора 18 появляется напряжение, равное: U=2aT/(T-T). Это напряжение пропорционально интегральной радиационной температуре объекта Т, не зависит от коэффициента передачи измерительного тракта радиометра G и от коэффициента отражения по мощности R сигнала на границе раздела "антенна-объект".
p2
Для того чтобы исследовать структуру объекта, а также для контроля и калибровки, радиометром измеряется коэффициент отражения на границе "антенна-объект". Для этого в радиометре используется вторая схема деления 17, на которую в качестве делимого поступает сигнал с фильтра 12, а делителем является выходное напряжение фильтра 13. Таким образом, напряжение на входе второго регистратора 19 равно: U=R. Это напряжение пропорционально коэффициенту отражения на границе раздела "антенна-объект", не зависит от коэффициента передачи радиометра и точности поддержания разности температур генератора шума.
В данном радиометре для преобразования сигналов с целью выделения информативных уровней напряжения из сложно модулированной последовательности используется достаточно большое количество различных функциональных аналоговых блоков (синхронных детекторов, фильтров низких частот, сумматоров, делителей, вычитающих устройств). Многочисленные процедуры последовательного аналогового преобразования сигналов (как формы, так и амплитуды) приводят к дополнительным погрешностям измерений.
Предлагаемым изобретением решается задача упрощения устройства и алгоритма обработки сигналов без преобразования их формы и повышение точности измерений. Расширены функциональные возможности радиометра по регулировке нижней границы измерительного диапазона. Радиометр можно настроить на диапазон 32-42 градусов Цельсия, применяемый в медицинских целях, что в термодинамических температурах составляет 305-315 градусов Кельвина.
Для достижения этого технического результата в радиометр, содержащий приемник, последовательно соединенные антенну, модулятор, направленный ответвитель, последовательно соединенные источник тока и генератор шума, введены циркулятор, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом направленного ответвителя и первой согласованной нагрузкой, а выход подключен к входу приемника, переключатель, первый вход которого соединен с выходом генератора шума, второй и третий входы подключены соответственно к второй и третьей согласованным нагрузкам, а первый и второй выходы переключателя соединены с соответствующими вторым и третьим входами направленного ответвителя, подключенные к выходу приемника последовательно соединенные синхронный фильтр низких частот, фильтр высоких частот, компаратор, блок управления, первый, второй и третий выходы которого подключены к соответствующим управляющим входам синхронного фильтра низких частот, переключателя и модулятора, а четвертый выход блока управления является выходной шиной радиометра, второй вход компаратора соединен с общей шиной радиометра, причем модулятор, направленный ответвитель, источник тока, генератор шума, переключатель, циркулятор, первая, вторая и третья согласованные нагрузки установлены на термостатированной плате и находятся с ней в тепловом контакте.
На фиг.1 представлена структурная схема радиометра-аналога. На фиг.2 показана структурная схема радиометра-прототипа. На фиг.3 представлена структурная схема предлагаемого радиометра. На фиг.4 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип работы радиометра.
Согласно структурной схеме на фиг.3 радиометр состоит из антенны аппликаторного типа 1, модулятора 2, работающего на отражение и в ключевом режиме, направленного ответвителя 3, циркулятора 4 с подключенной на второй вход первой согласованной нагрузкой 5, переключателя 6 двухполюсного типа, на входы которого подключены генератор шума 9 с питающим его источником тока 10 и вторая 7 и третья 8 согласованные нагрузки. Модулятор, направленный ответвитель, циркулятор, три согласованных нагрузки, переключатель, генератор шума и источник тока образуют входной узел радиометра, который установлен на термостатированной плате 17 и находится с ней в тепловом контакте. В измерительный канал радиометра входит приемник 11, синхронный фильтр низких частот 12, фильтр высоких частот 13, компаратор 14, определяющий на входе полярность напряжения, так как другой его вход подключен к общей точке радиометра. Все управляющие сигналы в радиометре вырабатывает цифровой блок управления 15. На его выходную шину 16 поступает измеренный сигнал антенны.
мод
шиc
шиc
шис
шиc
шис
В радиометре выполняются два вида импульсной модуляции. Амплитудная модуляция происходит посредством замыкания-размыкания ключа в модуляторе 2 по сигналу t, следующему со скважностью 2. Широтной модуляции подвергается сигнал генератора шума 9. Модуляция происходит в переключателе 6 по поступающему на его управляющий вход сигналу t с блока управления. Переключатель 6 имеет двухполюсную конфигурацию, три входа и два выхода и работает следующим образом. Если сигнал tимеет высокий логический уровень (t=1), выход генератора шума 9 коммутируется на первый выход переключателя, а согласованная нагрузка 8 - на второй выход (согласованная нагрузка 7 для рассматриваемого случая отключена). Так как направленный ответвитель сонаправленного типа, сигнал генератора шума через циркулятор 4 поступает на вход приемника 11. Для другого случая, если сигнал t имеет низкий логический уровень (t=0), выход генератора шума 9 подключается на второй выход переключателя 6, а согласованная нагрузка 7 - на первый выход (согласованная нагрузка 8 в этот момент отключена). Тогда сигнал генератора шума передается в обратном направлении, в сторону антенны 1.
ш
сн
Циркулятор 4 работает в режиме вентиля; собственные шумы радиометра Т поглощаются согласованной нагрузкой 5, шумовая температура Т которой излучается в антенный тракт и после отражения через прямое плечо циркулятора поступает на вход приемника 11.
ср
мод
Измерительный канал выполнен, как в прототипе, представляет собой радиометрический приемник с линейной передаточной характеристикой и полосой принимаемых частот df. Приемник 11 включает высокочастотные усилители, полосовой фильтр, квадратичный детектор, выделяющий огибающую сигналов модуляции, линейные усилители низких частот. Синхронный фильтр низких частот 12 производит предварительную фильтрацию сигналов, уменьшает флуктуационную компоненту в продетектированных сигналах. Фильтр состоит из трех однозвенных интегрирующих RC-цепей, в которых резистор является общим, а постоянные составляющие трех уровней модулируемых входных сигналов накапливаются на трех конденсаторах синхронным их подключением к общей шине радиометра через управляемые электронные ключи. Ключи имеют входы управления, на которые поступают сигналы с блока управления по трехпроводной шине. Фильтр высоких частот 13 собран по схеме однозвенного фильтра первого порядка (представляет собой разделительную CR-цепь) с частотой среза, много меньшей частоты модуляции в радиометре (f<<1/2t), и предназначен для устранения в сигналах постоянной составляющей. В результате на выходе фильтра выделяется переменная составляющая сигнала с минимальными искажениями формы импульсов.
мод
шис
мод
шис
гш
сн
ш
гш
сн
ш
мoд
шис
гш
сн
ш
мод
шис
гш
сн
ш
Принцип работы радиометра поясняется временными диаграммами на фиг.4 и заключается в следующем. Во входном узле радиометра, в зависимости от состояния модулятора 2 и переключателя 6, которые управляются импульсами t и t соответственно, на вход приемника поступают следующие три уровня сигналов. Если t=1 (модулятор 2 включен) и t=0, на входе радиометра присутствует сумма сигналов Т(1-R)+ТR+ТR+Т. Первым сигналом является интегральная (глубинная) шумовая температура Т объекта, прошедшая через границу с антенной, на которой происходит отражение по мощности с коэффициентом R. Вторым и третьим сигналами являются сигналы генератора шума Т и согласованной нагрузки Т, так же отраженные от этой границы. Четвертым сигналом является собственная шумовая температура Т приемника. Если t=1 и t=l, в направленном ответвителе 3, как было описано выше, меняется направление и на входе приемника радиометра присутствует сумма сигналов Т(1-R)+Т+ТR+Т. Если t=0 и t=0, ключ модулятора 2 разомкнут, и поскольку он отражательного типа, на входе приемника действует сумма сигналов Т и Т, к которым добавляются собственные шумы Т.
гш
шuc
На фиг.4 приведены временные диаграммы для случая установленного нулевого баланса в радиометре. Нулевой баланс считается установленным, если в первый полупериод амплитудной модуляции, когда на вход приемника поступает сигнал Т генератора шума, отраженный от закрытого выхода модулятора 2, выходное напряжение измерительного тракта равно нулю, и это равенство фиксирует компаратор 14. Нулевой баланс при включении питания радиометра устанавливается и затем при изменении сигнала антенны регулируется соответствующим изменением длительности широтно-импульсного сигнала t. Так как сигнал на входе компаратора 14 в результате модуляции имеет периодический характер и в этих сигналах исключена постоянная составляющая фильтром высоких частот 13, тогда в первом полупериоде амплитудной модуляции при настроенном нулевом балансе напряжение на входе компаратора равно нулю, а для второго полупериода выполняется равенство вольт-секундных площадей положительного и отрицательного импульсов (при подключении на вход приемника антенны)
+
-
+
гш
сн
ш
гш
сн
ш
сн
-
гш
сн
ш
гш
сн
ш
гш
сн
+
-
сн
шис
гш
сн
мод
шис
где U и U - амплитуды положительного и отрицательного импульсов, равные: U=Сkdf{[T(1-R)+T+TR+T]-(T+T+T)}=Gkdf[(T-T)(1-R)]; U=Gkdf{(T+T+T)-[T(1-R)+TR+TR+T]}=Gkdf(T-T+T)(1-R), где G - коэффициент передачи измерительного тракта, равный произведению коэффициентов усиления по высокой и низкой частотам, передачи квадратичного детектора; k - постоянная Больцмана, df - полоса частот приемника. Подставляя U и U в равенство (3), после сокращений получим: (Т-Т)t=(Т-Т+Т)(t-t). Откуда:
шuc
ш
Из последней формулы следует линейная зависимость длительности tот исследуемого сигнала объекта Т. Следовательно, через эту длительность можно косвенным образом определить усредненную глубинную температуру объекта. Из (4) также следует, что на измерения не влияют изменения собственных шумов Т радиометра, коэффициента G передачи измерительного тракта, коэффициента R отражения сигнала по мощности на границе антенны и объекта.
Из (4) интегральная температура объекта равна:
мин
макс
шис
мин
сн
шuc
мод
макс
сн
гш
шис
Значения минимальной Т и максимальной Т интегральных температур объекта могут быть найдены из (5) после подстановки крайних значений длительности t: Т=Т(t=t), Т=Т+Т(t=0). Следовательно, диапазон измерений сигналов начинается от физической температуры согласованной нагрузки 5 и имеет размах, равный эффективной температуре сигнала генератора шума. Можно отметить, что данный диапазон хорошо настраивается при использовании радиометра в медицинских приложениях, при исследовании глубинных температур биологических объектов.
гш
шис
мод
Настройка диапазона измерений выполняется в ходе калибровки, когда эталонные сигналы образцовых источников шума, подключаемых на вход радиометра при осуществлении внутренней калибровки или поступающих через антенну от образцовых излучателей при внешней калибровке, переносятся на внутренние опорные источники, расположенные во входном тракте радиометра. Калибровка осуществляется в два этапа и начинается с подключения эталона, определяющего нижнюю границу диапазона измерения. На этом этапе сигнал подшумливания T генератора 9 на протяжении всего первого полупериода направлен в сторону приемника, что производится установкой длительности t, равной t. Регулировка шумовой (эффективной) температуры согласованной нагрузки 5 осуществляется изменением температуры термостатированной платы 17, на которой данная нагрузка установлена. Шумовая температура согласованной нагрузки равна физической температуре платы (абсолютный поглотитель радиоволн, аналог абсолютно черного тела). Регулировка температуры термостатированной платы и, соответственно, находящейся с ней в тепловом контакте согласованной нагрузки осуществляется до момента исчезновения частоты модуляции на входе компаратора 14. На его выходе будут случайно повторяющиеся переходы между уровнями логического нуля и единицы.
шис
После того как произведена регулировка нижней границы диапазона измерений, на вход радиометра подключается эталон, определяющий верхнюю границу диапазона. Сигнал t устанавливается равным нулю. То есть на протяжении этого этапа калибровки, когда модулятор 2 включен, сигнал генератора шума 9 направлен в сторону антенны. Осуществляется регулировка во входном блоке радиометра выходной мощности генератора шума 9 изменением протекающего через него тока источника 10. Аналогично первому этапу калибровки настройка на верхнюю границу диапазона производится до исчезновения частоты модуляции на входе компаратора 14.
гш
сн
шис
Блок управления 15 вырабатывает все необходимые сигналы для функционирования радиометра. В радиометре осуществляется следящий режим работы и автоматическое поддержание нулевого баланса. Как следует из вышеприведенного описания принципа работы радиометра, необходимым условием нулевого приема является поддержание на входе компаратора 14 нулевого напряжения в фазу прохождения по измерительному тракту сигналов генератора шума Т и согласованной нагрузки Т (первый полупериод амплитудной модуляции). После анализа выходного сигнала компаратора блок управления корректирует цифровой код длительности широтно-импульсного сигнала t, чтo приводит к ее изменению в следующем полупериоде модуляции. Цифровой код длительности широтно-импульсного сигнала является цифровым эквивалентом измеряемого сигнала антенны и поступает на выходную шину 16 блока управления.
В радиометре блок управления выполнен на цифровых интегральных микросхемах. В литературе достаточно полно описаны конструкции направленных ответвителей и методы их расчетов [например, Бахарев С.И., Вольман В.И., Либ Ю.Н. и др. Под ред. Вольмана В.И. Справочник по расчету и конструирования СВЧ полосковых устройств. - М.: Радио и связь, 1982. - 328 с.]. В радиометре в качестве двухполюсного переключателя 6 применена микросхема марки HMC435MS8G фирмы Hittite, которая является переключателем неотражающего типа и имеет встроенные согласованные нагрузки. Модулятор - ключ 2 выполнен на микросхеме НМС545 той же фирмы, но не содержит встроенных согласованных нагрузок и поэтому является ключом отражающего типа. В качестве циркулятора используется ферритовый вентиль с встроенной согласованной нагрузкой. В данном радиометре входной узел выполнен на микрополосковых волноведущих структурах.
В отличие от прототипа схема предлагаемого радиометра имеет более простую структуру, упрощена конструкция. Предложенный алгоритм обработки позволяет без преобразования формы модулированной последовательности сигналов измерять сигнал антенны, выраженный через длительность широтного импульса, и отображать его в цифровой форме без использования стандартных аналого-цифровых преобразователей. На точность измерений не влияют изменения коэффициентов передачи измерительного тракта и отражения на границе "антенна-объект", собственные шумы радиометра. Схема предлагаемого радиометра имеет возможность регулировки обеих границ диапазона измерения.