621.37
Микроволновый радиотермометр для измерений глубинных температур биологических объектов
неинвазивным методом
А. В. ФИЛАТОВ1, А. Г. ЛЕХАНОВ2, А. В. УБАЙЧИН3
1 Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники,
Томск, Россия
2 Институт кибернетики Национального исследовательского Томского политехнического университета, Томск, Россия, e-mail: filsash@mail.ru, 3 Институт неразрушающего контроля Национального исследовательского Томского политехнического университета, Томск, Россия
Описан микроволновый радиотермометр для определения температуры локальных участков внутри биологической среды. В основе принципа работы прибора использована модификация метода нулевых измерений.
Ключевые слова: глубинная температура, биологические среды, неинвазивный метод, микроволновый радиотермометр, нулевой метод измерений.
The microwave radio thermometer for determination of temperature of local sections within the biological objects is described. The basis of the instrument principle of operation the modification of a zero measurements method is used.
Key words: depth temperature, biological environment, noninvasive method, microwave radio thermometer, zero method of measurement.
В настоящее время активно развивается новое направление ранней медицинской диагностики, основанное на комплексном измерении физических полей и излучений электромагнитных волн человеком в микроволновой и инфракрасной областях спектра в процессе жизнедеятельности [1]. С использованием методов микроволновой радиометрии проводят неинвазивное радиотепловое картирование биологического объекта в различных спектральных диапазонах, по которому восстанавливают профиль распределения температур по глубине. В целом определяют температурный режим биологической среды, что является важной характеристикой функционирования организма.
Для измерений собственного излучения биосред в микроволновом диапазоне используют радиометры с антеннами аппликаторного типа [2] (радиотермометры), при этом основное влияние на точность измерений оказывает непредсказуемое значение коэффициента отражения на границе антенны с биологическим объектом. В приборах влияние коэффициента отражения как главной погрешности измерений, минимизируют различными способами: компенсацией, дополнительным термостатированием антенной системы, обработкой сигналов сложными алгоритмами и др.
Также с этой целью в радиометрических системах применяют структурные решения построения входных приемных блоков, в основу которых положен способ создания дополнительного шума на объекте исследования опорным сигналом радиометра [3—5]. При этом учитывают, что часть радиоволнового сигнала объекта с эффективной температурой Т шумов на границе с антенной отражается обратно в объект и составляет величину ТЯ для коэффициента отражения Я по мощности. Адаптивное определение радиометром части полезного электромагнитного сигнала, возвращаемого обратно в объект, обеспечивает свойство симметричности и тождественность коэффициента отражения как со стороны объекта исследования, так и приемной антенны радиометра.
Радиотермометры с использованием описанного выше способа собирают, например, по схемам, где дополнительный шумовой сигнал регулируют изменением температуры согласованной нагрузки [6]. Шумовой сигнал, генерируемый согласованной нагрузкой, равен ее физической температуре в единицах шкалы Кельвина (в термодинамическом плане согласованная нагрузка представляет собой аналог абсолютно черного тела). Поэтому, нагревая или охлаждая согласованную нагрузку, можно изменять шумовой сигнал, поступающий на границу антенны с исследуемой средой со стороны входного блока радиометра. Такой принцип регулировки относится к аналоговому.
Принцип работы описанного радиотермометра основан на модификации нулевого метода измерений [7], для которого мощность дополнительного шумового сигнала, поступающего на объект исследований, регулируют изменением длительности его поступления при неизменной выходной мощности, что, в отличие от изменения физической температуры согласованной нагрузки, значительно улучшает динамические характеристики радиотермометра. Применение модификации этого метода позволило не только устранить влияние коэффициента отражения на границе антенна— объект, но и определить искомый сигнал объекта исследований по длительности дополнительного шумового сигнала, минимизировать влияние на точность измерений дрейфа и флуктуаций усиления радиометрического приемника и изменений постоянной составляющей его собственных шумов.
На рис. 1 представлена структурная схема радиотермометра, который состоит из антенны 1 аппликаторного типа, термостатированного входного блока и радиометрического приемника, собранного по схеме, описанной в [8, 9]. Входной блок включает сверхвысокочастотные (СВЧ) узлы: ключ 2, переключатель 6, циркулятор 4, работающий в режиме вентиля (невзаимного устройства, в котором одно плечо цир-кулятора соединено с согласованной нагрузкой 5), ответви-тель 3, работающий в противонаправленном режиме (на-
правленные ответвители в зависимости от конструкции работают в двух режимах — сонаправленном и противонаправленном), в основном канале которого установлены две согласованные нагрузки 7, 9 и опорный генератор шума 8. В модификации метода нулевого приема во входном блоке синхронно выполняются два вида импульсных модуляций: амплитудная и широтная (рис. 2). Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ) является симметричной (типа меандр) и состоит из двух полупериодов равной длительности 'АИМ. Ши-ротно-импульсная модуляция (ШИМ) выполняется только в пределах первого полупериода АИМ по управляющим сигналам длительностью 'ШИМ. Импульсный логический сигнал длительностью 'АИМ управляет замыканием и размыканием ключа 2. СВЧ-ключ работает на отражение, т. е. в случае разомкнутого состояния (сигнал ?АИМ равен логическому нулю) отражает поступивший через направленный ответвитель сигнал генератора шума в сторону радиометрического приемника. В другом случае, если 'АИМ равен логической единице, то ключ соединяет через направленный ответвитель антенну с приемником. Импульсный логический сигнал длительностью ?ШИМ управляет коммутацией в переключателе 6 и меняет направление поступления опорного шумового сигнала генератора шума в приемный тракт. Если 'ШИМ равен логической единице, сигнал генератора шума поступает на вход приемника; если 'ШИМ равен логическому нулю, шумовой сигнал генератора излучается в сторону антенны.
Таким образом, для различных комбинаций управляю-
щих сигналов '
'АИМ, 'ШИМ
на входе радиометрического прием-
ника находятся три уровня шумовых сигналов А, В, С, соответственно (см. рис. 2):
Т(1 - Я) + Тгш в + ТвГ^ + Тш; Т(1 - Я) + ТГш в! + ТвЯ + ТШ; Т В + Т + Т ,
г.ш " в ш'
(1) (2) (3)
где Т — измеряемая температура объекта; Я — коэффициент отражения по мощности на границе объекта исследований с антенной; Тг.ш — эффективная температура опорного генератора шума; в — коэффициент передачи (связи) направленного ответвителя (В<1); Тв — шумовая температура согласованной нагрузки вентиля, равная ее физической температуре; Тш — приведенная ко входу радиометрического приемника эффективная температура его собственных шумов.
В качестве сигналов используют не мощности тепловых шумов, а их шумовые температуры, которые согласно [10] связаны между собой через коэффициент пропорциональности, равный произведению постоянной Больцмана и полосы частот принимаемого радиометром электромагнитного шумового сигнала. Мощности шумов антенны, генератора шума, нагрузки вентиля, собственные шумы приемника имеют тепловую природу, принадлежат разным источникам и, следовательно, не коррелируют друг с другом и обладают свойством аддитивности, т. е. их шумовые температуры можно складывать. Считаем, что антенна и СВЧ-ключ не имеют потерь, а направленность ответвителя и отражение ключа в разомкнутом состоянии принимаем идеальными.
В радиотермометре собственные шумы приемника, определяемые параметром Тш, поглощаются согласованной нагрузкой вентиля и не проходят в антенный тракт. Применение невзаимного устройства упрощает требования к раз-
Рис. 1. Структурная схема радиотермометра: 1 — антенна; 2 — ключ входного блока; 3 — ответвитель; 4 — циркулятор; 5, 7, 9 — согласованные нагрузки; 6 — переключатель;
8 — опорный генератор шума
мещению элементов входного блока и к выбору длин линий связи между отдельными пассивными узлами.
В модификации метода нулевых измерений на их результат не влияют изменения постоянной составляющей собственных шумов и коэффициента передачи и согласно математической модели передаточной характеристики радиометра сигнал от антенны выражается через длительность 'ШИМ управляющего сигнала ШИМ [11]:
'шим = 'аим (с - в)/(а - е).
(4)
Разности уровней шумовых сигналов С-В, А-В с учетом (1)—(3) соответственно имеют вид
Тг.ш В + Тв + Тш - Т(1 - Я) - Тгш ВЯ - ТвЯ - Тш = = Тг.ш В (1 - Я) + Тв(1 - Я) - Т(1 - Я); Т(1 - Я) + Тг.ш В + ТвЯ + Тш - Т(1 - Я) -- Тг.ш ВЯ - ТвЯ - тш = Тг.ш В(1 - Я). После подстановки (5), (6) в (4) получим
'шим = 'аим (Тг.ш В + Тв - Т )/(Тг.ш В).
(5)
(6)
(7)
Рис. 2. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы радиотермометра
Из (7) следует, что ?ШИМ связана с Т линейной зависимостью, и в полученную формулу не входит коэффициент Я. Таким образом, в радиотермометре исключено влияние на точность измерений коэффициента отражения при рассогласовании антенны с исследуемой средой.
Из (7) находим
Т = Тг.ш в + Тв - Тг.ш Р^ШИМ / ^АИМ. (8)
На основании (8) минимальная и максимальная границы диапазона измерений составят
Тт1п = Тв для ^ШИМ = ^АИМ' (9)
Ттах = Тг.ш Р + Тв для fШИМ = 0
Динамический диапазон измерений 6Т = Ттах - ТтП = Т р.
Нижняя граница измерений определяется физической температурой согласованной нагрузки вентиля, верхняя — добавочным шумом из канала дополнительного шумового сигнала. Нижнюю границу диапазона измерений регулируют изменением температуры входного блока, а верхнюю — изменением силы тока, питающего шумовой диод генератора шума.
Радиотермометр калибруют с использованием ст
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.