МОДУЛЯЦИОННЫЙ РАДИОМЕТР

April 13, 2012 by admin Комментировать »

Скрипник Ю. А., Шевченко К. Л. Киевский национальный университет технологий и дизайна Немировича-Данченко, 2, Киев – 01011, Украина Тел.: 38 (044) 2562993; e-mail: autom@i.com.ua

Аннотация – Рассмотрены структура и алгоритм работы модуляционного радиометра для измерения интенсивности электромагнитного излучения биологических объектов в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ).

I.  Введение

Согласно закону Планка каждое нагретое тело излучает электромагнитную энергию в широком диапазоне частот, в том числе и в диапазоне СВЧ. Биологические объекты (люди, животные, растения) кроме радиотеплового излучения генерируют также биоинформационное излучение, источником которого являются метаболические процессы в клетках живых организмов. Поэтому, оценив мощность излучения с поверхности кожного покрова, можно судить как о температуре глубинных слоев, так и об интенсивности физиологических процессов в органах и тканях. Так, в случае усиленного метаболизма клеток при онкологических заболеваниях или воспалительных процессах внутренних органов, уровень СВЧ излучения существенно возрастает, что используется в неинвазивной диагностике. Наоборот истощение организма, различного рода патологии, депрессия и др. дают пониженный уровень СВЧ излучения, что также служит диагностическим признаком.

II.  Основная часть

Уровень электромагнитного излучения биологических объектов, которое в большинстве случаев имеет широкий спектр, весьма мал и соизмерим с уровнем шумов измерительной аппаратуры, которые также имеют сплошной спектр. Поэтому для целей диагностики используют модуляционные радиометры, способные измерять слабые сигналы на фоне интенсивных помех и шумов [1]. Для снижения влияния собственных шумов измерительного тракта радиометров используют различные структурноалгоритмические решения. Так, в модуляционном радиометре [2], используются многоканальный СВЧ усилитель, многовходовый сумматор и автоматический переключатель. Использование оригинального алгоритма работы радиометра позволяет при наличии N каналов в N раз снизить суммарный уровень некоррелированных собственных шумов высокочастотных усилителей.

Однако периодическое переключение входов СВЧ усилителей вызывает паразитную модуляцию остаточного уровня шумов СВЧ усилителей, а, следовательно, и погрешность измерения мощности излучения биологического объекта.

При исследовании биологических объектов возникают специфические погрешности, вносимые антенной – аппликатором. Для исключения влияния собственных шумов антенны применяют эквивалентную нагрузку в виде оконечного резистора, размещенного в термостате [3].

Однако, при перемещении аппликаторной антенны по поверхности биологического объекта меняется ее температура и соответственно уровень собственных шумов. В то же время оконечный резистор эквивалентной нагрузки находится при постоянной температуре. Поэтому при перемещении антенны ее шумы не полностью компенсируются шумами оконечного резистора. Из за изменения температуры антенны нарушается равенство с сопротивлением ее эквивалента, что вызывает паразитную модуляцию собственных шумов СВЧ усилителя, которая также снижает точность измерения.

Авторами разработан модуляционный радиометр, обеспечивающий полную компенсацию собственных шумов антенны в широком диапазоне температур исследуемого биологического объекта и полное исключение паразитной модуляции собственных шумов СВЧ усилителя при коммутации антенны. Этим достигается повышение точности измерения мощности электромагнитного излучения из глубины биологического объекта при различной температуре.

Рис. 1. Функциональная схема модуляционного радиометра.

Fig. 1. Block diagram of switching radiometer

СВЧ излучение от исследуемого биологического объекта принимается аппликаторной антенной 1 (рис. 1), находящейся в непосредственном контакте с поверхностью биологического объекта. На выходе антенны 1 формируется широкополосный СВЧ сигнал с мощностью Рп, значение которой определяется интенсивностью физиологических процессов в тканях биологического объекта, их температурой, из- лучательной способностью поверхности и параметрами антенны. С учетом собственных шумов антенны, которые не коррелированны с составляющими принимаемого сигнала, дисперсию выходного сигнала антенны можно представить в виде суммы:

где S2 – чувствительность датчиков температуры.

Переменное напряжение с амплитудой (16) усиливается избирательным усилителем 13 низкой частоты и выпрямляется синхронным детектором 14. Выпрямленное напряжение поступает на второй интегрирующий АЦП 15, на выходе которого формируется цифровой код:

где а2 – результирующий коэффициент преобразования разности температур в код; q2 шаг квантования АЦП 15.

Код N2 вводится в микро-ЭВМ 16, запоминается,

и далее выводится на ЦАП 17, где преобразуется в пропорциональное напряжение постоянного тока:

)

где q3 – шаг квантования ЦАП 17.

Постоянное напряжение (18) усиливается по мощности усилителем 18 и воздействует на полупроводниковый элемент Пельтье 19. В зависимости от направления протекания тока через элемент 19 происходит его нагрев или охлаждение в зависимости от выделения или поглощения теплоты Пельтье. Направление протекания постоянного тока определяется знаком разности температур (18).

Оконечный резистор 3 находится в тепловом контакте с полупроводниковым элементом Пельтье, используемым для нагревания – охлаждения термостата 4. Изменение температуры ТР оконечного резистора 3 зависит от полярности выходного напряжения ЦАП 17, управляющего температурой элемента 19 через усилитель мощности 18. При изменении поверхностной температуры биологического объекта ТА изменяется разность температур ТАР и соответственно управляющее напряжение на выходе ЦАП 17. Процесс автоматического регулирования температуры ТР оконечного резистора 3 длится до тех пор, пока разность температур АТ =ТАР станет пренебрежимо малой величиной (АТ «ТА ).

Сопротивление оконечного резистора 3 выбирают равным сопротивлению аппликаторной антенны 1 (Rp=Ra). Поэтому при уравнивании температур

ТАР и равенстве сопротивлений антенны и оконечного резистора, уровень собственных шумов антенны (5) становится равным уровню шумов оконечного резистора (4), т. е. :

При равенстве сопротивлений антенны 1 и оконечного резистора 3 уравниваются и дисперсии (9) и (10) собственных шумов СВЧ усилителя 5, которые соответствуют двум положениям автоматического переключателя 2:

>

В результате достижения равенств (15) и (16) код, формируемый АЦП 15, принимает значение:

)

Как следует из полученного выражения (21), результат измерения мощности Р0 СВЧ сигнала, принимаемого аппликаторной антенной 1, не зависит от уровня собственных шумов антенны и собственных шумов СВЧ усилителя 5. При этом принимаемый сигнал может быть многим меньше уровня собственных шумов радиометра. Обычно температура биологического объекта ненамного превышает окружающую (чаще комнатную) температуру. При изменении комнатной температуры соответственно изменяется температура оконечного резистора ТР , и, следовательно, управляющее напряжение на выходе ЦАП

17.   Благодаря этому значение ТР остается неизменным. Это позволяет использовать радиометр для точных измерений, как при изменениях температуры объекта, так и температуры окружающей среды.

III.  Заключение

В предложенном авторами модуляционном радиометре температура оконечного резистора эквивалентной нагрузки автоматически поддерживается, равной температуре аппликаторной антенны независимо от ее положения на поверхности биологического объекта. При этом сохраняется равенство сопротивлений аппликаторной антенны и эквивалентной нагрузки при любой температуре объекта. Благодаря этому обеспечивается равенство уровня шумов аппликаторной антенны и эквивалента антенны, а также постоянство собственных шумов СВЧ усилителя при переключении антенны на ее эквивалент. Этим достигается компенсация собственных шумов аппликаторной антенны и исключается паразитная модуляция собственного шума СВЧ усилителя, что позволяет повысить точность измерения мощности электромагнитного излучения из глубины биологического объекта при изменении температуры или интенсивности патологического процесса.

IV. Список литературы

[1]  Скрипник Ю. О., Манойлов В. П., Яненко О. П. Моду- ляцмнп радюметричнп пристроТта системи НВЧ д1апазону

–  Житомир: Ж1Т1, 2001, С. 162—165).

[2]  Авт. св. СССР № 1233060, кл. G01R 29/26, 1984, Бюл.

№ 30, 1986 г.

[3]  Патент Украины № 57820, кл. G01R 29/26, 2000 (Бюл.

№ 7, 2003Г.2001 г.

[4]  Скрипник Ю. А., Шевченко К. П. Применение электромагнитных волн КВЧ диапазона при исследованиях биологических объектов – В кн.: 9-я международная Крымская конференция «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии». Материалы конференции (Севастополь, 13-16 сентября 1999 г). Севастополь: Вебер, 1999, с. 48-51.

SWITCHING RADIOMETER

Skripnik Yu., Shevchenko K.

Kiev National University of Technologies and Design

1      Nemirovicha-Danchenko St., Kiev – 01011, Ukraine phone: 38 (044) 2562993 e-mail: autom@i. com.ua

Abstract – Structure and algorithm of a switching radiometer intended for measuring the intensity of biological objects’ UHF EM radiation are discussed.

I. Introduction

According to Planck’s law, any heated body emits EM energy across a wide range of frequencies, including UHF. Biological objects (humans, animals, plants), apart from thermal radiowave radiation, also produce bio-information radiation generated by metabolic processes occurring in the cells of living organisms. Biological tissues are quite transparent for micro- wave-range waves, which is not the case with an optical range. Therefore, by estimating the power of radiation at skin integuments with the aid of an applicator antenna, it would be possible to assess both the temperature of internal layers and the intensity of physiological processes occurring in organs and tissues.

II. Main part

The level of EM radiation of biological objects, which mostly has a wide spectrum, is rather low and commensurable with noise levels of measuring equipment that also have a continuous spectrum. In view of this, in diagnostics use is made of switching radiometers capable of measuring weak wide- spectrum signals against the background of intensive interference and noise [1]. To decrease the influence of self-noise in measuring paths of radiometers various structural and algorithmic solutions are implemented. For example, in a switching radiometer [2] a multichannel microwave amplifier, multiport adder and automatic switch are employed. Using a proprietary algorithm of radiometer operation allows for the overall level of uncorrelated intrinsic noise of high-frequency amplifiers to be decreased N times for N number of channels.

However, periodic switching at the inputs of microwave amplifiers results in spurious modulation of the residual noise level in microwave amplifiers, and, consequently, in measurement uncertainties for the radiation power of biological objects.

The investigation of biological objects is accompanied by specific errors produced by applicator antenna that are hard to register and correct. To eliminate the self-noise of applicator antennas, equivalent loads are used designed as a terminating resistor placed inside a thermostat [3]. However, if an applicator antenna moves over the surface of biological objects, its temperature, and, consequently, its self-noise level changes. At the same time, the terminating resistor of the equivalent load is kept at a constant temperature in the thermostat, which does not provide adequate correction for the antenna noises by the terminating resistor noises. Due to variations in the antenna temperature the resistance equality with the equivalent load is disturbed, which produces spurious modulation of the microwave amplifier self-noise resulting in inaccurate measurements.

We have designed a switching radiometer (Fig. 1) providing complete correction of antenna self-noise over a wide range of temperatures of investigated biological objects, as well as total elimination of spurious modulation of microwave amplifier selfnoise with antenna connected. This offers increased accuracy for measurements of EM radiation power emerging outside biological objects at different temperatures.

The microwave radiation emitted by an investigated biological object is picked up by an applicator antenna 1 which is in direct contact with the surface of the biological object. A wideband microwave signal with the power P0 is shaped at the antenna output. This power is determined by the intensity of physiological processes occurring in the tissues of the biological object, their temperature, surface emissivity and antenna parameters. With regard to the antenna self-noise which is not correlated with the received signal components, the dispersion of the antenna output signal may be presented as the sum (1).

Taking into account the microwave amplifier self-noise whose level depends on the input resistance of a signal source, the dispersion of an amplified signal may be presented as the sum (2).

At the reverse position of a switch 2 a noise signal from the terminating resistor 3 located in the thermostat 4 arrives at the microwave amplifier 5 input. Since the terminal resistor noise is independent of the microwave amplifier noise, the dispersion of the amplified signal is expressed as (3).

Biological objects display both equilibrium thermal radio radiation and nonequilibrium microwave radiation caused by metabolic processes in their cells. The power of the thermal radio radiation arriving at the antenna input may be assessed using the formula (6).

At finite positions of the automatic switch 2 the input resistance of the microwave amplifier is defined either by the antenna resistance or the terminating resistor resistance. Thus the dispersion of the switched microwave amplifier 5 self-noise varies between values (9) and (10).

To isolate a P0 -power weak microwave signal that is addi- tively mixed with noises (4) and (5), it is subject to alternate detection by a square-law detector 6. At the alternating positions of the switch 2 video pulses with amplitudes (11) and (12) are shaped at the output of the square-law detector.

If the automatic switch 2 is switched periodically, a LF AC voltage appears at the square-law detector 6 having the amplitude (13).

The LF voltage with the amplitude (13) is amplified by a selective amplifier 7 and rectified by a synchronous detector 8. The rectified voltage may be presented as (14).

To reduce the noise influence, the rectified voltage is fed to an integrating AD converter 9 whose output code (15) is entered into a microcomputer 16.

To eliminate antenna 1 and microwave amplifier 5 selfnoises, output signals of temperature sensors 10 and 11 are fed to a second automatic switch 12 whose output voltage may be presented as a time sequence of the sensor output voltages. If the amplitudes of these voltages are not equal, this sequence has a variable component of the switching frequency with the amplitude of (16).

The rectified voltage enters the second integrating AD converter 15 that has a digital code (17) shaped at its output.

When (15) and (16) are equal, the code shaped at the AD converter 15 assumes the value (21).

The obtained expression (21) shows that the measurements of the P0 power of microwave signals arriving at the applicator antenna 1 do not depend on the antenna and the microwave amplifier 5 self-noise levels.

III. Conclusion

The proposed switching radiometer automatically keeps the temperature of the equivalent load terminating resistor equal to the applicator antenna temperature irrespective of its position on the biological object. Here the equality between the applicator antenna and equivalent load resistances is maintained at any object temperature. This ensures the balance between the noise levels of the applicator antenna and the antenna equivalent, as well as the consistency of the microwave amplifier selfnoise when the antenna is switched to its equivalent. Thus the applicator antenna self-noises are corrected and the spurious modulation of the microwave amplifier self-noise is eliminated offering increased accuracy of EM radiation power measurements deep inside biological objects displaying varying temperatures or intensities of pathological processes.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты