МНОГОПРИЕМНИКОВЫЙ РАДИОМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ГЛУБИННЫХ ТЕМПЕРАТУР ОБЪЕКТА (РАДИОТЕРМОМЕТР)

Изобретение относится к области радиотермометрии для 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 для ранней медицинской диагностики воспалительных процессов.

Известен радиотермометр (радиометр), выбранный в качестве аналога [А.В. Вайсблат. Медицинский радиотермометр // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2001. - №8. - С. 3-9; Патент №2082118 РФ. МПК⁸ G01K 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).

В радиометре используется антенна аппликаторного типа, которая непосредственно располагается на поверхности объекта для измерения интегральной температуры T 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 T_CHR. Следовательно, на входе приемника при замкнутом состоянии ключа модулятора 2 присутствует сумма сигналов T(1-R)+T_CHR. Если ключ модулятора разомкнут, на вход приемника поступает сигнал только согласованной нагрузки, отраженный от 2, и, следовательно, равный T_CH. 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)+T_CHR=T_CH. Откуда Т=T_CH и на процесс измерений не влияет коэффициент отражения R. Выравнивание осуществляется за счет действия обратной связи.

Недостатком данной схемы радиометра-аналога является невысокая точность измерений и низкое быстродействие, что связано с тепловыми процессами по нагреванию или охлаждению согласованной нагрузки при регулировке нулевого баланса.

Известен радиометр для измерения электромагнитного излучения объектов, находящихся в непосредственной близости с антенной, выбранный в качестве прототипа [Пат. 2485462 РФ, МПК G01K 13/00, G01R 29/08. Радиометр для измерения глубинных температур объекта (радиотермометр) / Филатов А.В., Лощилов А.Г., Убайчин А.В.; заявл. 04.08.2011; опубл. 20.06.2013, Бюл. №17], содержащий (фиг. 2) аппликаторную антенну 1, работающий на отражение и в ключевом режиме модулятор 2, направленный ответвитель 3, циркулятор 4 с подключенной на второй вход первой согласованной нагрузкой 5, переключатель 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. 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 объекта.

В радиометре выполняются два вида импульсной модуляции. Амплитудная модуляция происходит посредством замыкания-размыкания ключа в модуляторе 2 по сигналу t_АИМ, следующему со скважностью 2. Широтной модуляции подвергается сигнал генератора шума 9. Модуляция происходит в переключателе 6 по поступающему на его управляющий вход импульсному сигналу t_ШИМ с блока управления. Переключатель 6 имеет двухполюсную конфигурацию, три входа и два выхода, и работает следующим образом. При действии импульса t_ШИМ 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. При отсутствии импульса t_ШИМ 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.

Циркулятор 4 работает в режиме вентиля, когда собственные шумы радиометра, определяемые шумовой температурой T_Ш, поглощаются согласованной нагрузкой 5. В этом случае шумовая температура T_CH, согласованной нагрузки излучается в антенный тракт и после отражения от границы "объект - антенна" или от разомкнутого ключа модулятора 2 (в зависимости от сигнала t_АИМ), через прямое плечо циркулятора поступает на вход приемника 11.

Измерительный канал 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 состоит из однозвенных интегрирующих RC-цепей. На конденсаторах фильтра накапливаются постоянные составляющие модулированных и продетектированных входных шумовых сигналов. Подключение конденсаторов к общей шине радиометра происходит через электронные ключи, управляемые по сигналам блока управления 15. 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_cp << 1/2t_АИМ), и предназначен для устранения в сигналах постоянной составляющей. В результате на выходе фильтра выделяется переменная составляющая сигнала с минимальными искажениями формы импульсов.

Во входном узле радиометра, в зависимости от состояния модулятора 2 и переключателя 6 на вход приемника поступают следующие три уровня сигналов. Если ключ модулятора 2 включен и отсутствует импульс t_ШИМ, на входе приемника радиометра присутствует сумма сигналов T(1-R)+T_ГШβR+T_CHR+T_Ш, где β - коэффициент передачи сигналов из основного канала направленного ответвителя (в котором находится генератор шума) в дополнительный (антенный тракт). Первым сигналом данной суммы является интегральная (глубинная) шумовая температура T объекта, прошедшая через границу с антенной, на которой происходит отражение по мощности с коэффициентом R. Вторым и третьим сигналами являются сигналы генератора шума T_ГШ и согласованной нагрузки T_CH, также отраженные от этой границы. Четвертым сигналом является собственная шумовая температура T_Ш приемника. При появлении импульса t_ШИМ в направленном ответвителе 3 меняется направление поступления сигнала генератора шума 9 в ответвитель и на входе приемника радиометра имеет место сумма сигналов T(1-R)+T_ГШβ+T_CHR+T_Ш. При разомкнутом ключе модулятора 2, поступающие на него шумовые сигналы с направленного ответвителя согласованной нагрузки циркулятора отражаются в сторону входа приемника, на котором в этом случае действует сумма сигналов T_ГШβ+T_CH+T_Ш.

Нулевой баланс в радиометре устанавливается изменением длительности широтно-импульсного сигнала t_ШИМ. Изменением длительности этого сигнала достигается равенство вольт-секундных площадей положительного и отрицательного импульсов на входе компаратора радиометра: U₊t_ШИМ=U_-(t_АИМ-t_ШИМ), где U₊ и U_- - амплитуды положительного и отрицательного импульсов, равные: U₊=Gkdffile://{/T/1-R)+T_ГШβ+T_CHR+T_Ш]-(T_ГШβ+T_CH+T_Ш)}=Gkdf[(T-T_CH)(1-R)]; U_-=Gkdf{(T_ГШβ+T_CH+T_Ш)-[T(1-R)+T_ГШβR+T_CHR+T_Ш]}=Gkdf(T_ГШβ-Т+T_CH)(1-R), где G - коэффициент передачи приемника, k - постоянная Больцмана, df - полоса частот приемника. Решая равенство относительно t_ШИМ, получим: t_ШИМ=(T_ГШβ+T_CH-T)t_АИМ/T_ГШβ. Из последней формулы следует линейная зависимость длительности t_ШИМ от измеряемого сигнала объекта Т. Следовательно, через эту длительность можно косвенным способом определить усредненную глубинную температуру объекта. Также следует, что на измерения не влияют изменения собственных шумов T_Ш радиометра, коэффициента G передачи измерительного тракта приемника, коэффициента R отражения сигнала по мощности на границе антенны и объекта. Из полученного уравнения интегральная температура объекта равна: T=T_ГШβ+T_CH-T_ГШβ(t_ШИМ/t_АИМ).

Значения минимальной T_мин и максимальной T_макс интегральных температур объекта могут быть найдены после подстановки в последнюю формулу двух крайних значений длительности t_ШИМ: T_мин=T_CH (t_ШИМ=t_АИМ), T_макс=T_CH+T_ГШβ (t_ШИМ=0). Следовательно, диапазон измерений сигналов начинается от физической температуры согласованной нагрузки 5 и имеет размах, равный эффективной температуре сигнала генератора шума, поступившего в антенный тракт через направленный ответвитель.

Настройка диапазона измерений выполняется в ходе калибровки по простому алгоритму, когда на антенну подаются сигналы от образцовых излучателей. Калибровка осуществляется в два этапа и начинается с подачи сигнала эталона, определяющего нижнюю границу диапазона измерения. На этом этапе сигнал генератора 9 на протяжении всей работы направлен в сторону приемника. Для этого длительность импульса t_ШИМ устанавливается равной длительности импульса t_АИМ. Регулировка шумовой (эффективной) температуры согласованной нагрузки 5 осуществляется изменением температуры термостатированной платы 17, на которой данная нагрузка установлена. Шумовая температура согласованной нагрузки равна ее физической температуре (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.

После того, как произведена регулировка нижней границы диапазона измерений, на вход антенны радиометра подается сигнал эталона, определяющий верхнюю границу диапазона. Импульс t_ШИМ не вырабатывается. То есть на протяжении этого этапа калибровки сигнал генератора шума 9 направлен все время в сторону антенны. Осуществляется регулировка 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.

Несмотря на очевидные достоинства (описанные выше) радиометра-прототипа (возможность регулировки обоих границ диапазона измерения по несложным алгоритмам, инвариантность выходного сигнала радиометра к изменениям коэффициента передачи измерительного тракта и его собственных шумов, исключение влияния рассогласование антенны с объектом исследования (нечувствительность к вариациям коэффициента отражения сигнала по мощности), определение температуры объекта косвенным способом через длительность широтно-импульсного сигнала), для фиксации слабых температурных аномалий внутри объекта требуется высокая флуктуационная чувствительность. Предлагаемым изобретением решается задача увеличения чувствительности радиометра.

Для достижения этого технического результата в радиометр, содержащий антенну, последовательно соединенные направленный ответвитель, циркулятор, приемник, синхронный низкочастотный фильтр, фильтр высоких частот, компаратор, второй вход которого соединен с общей шиной радиометра, а второй вход циркулятора подключен к первой согласованной нагрузке, переключатель, первый и второй выходы которого соединены с одноименными входами направленного ответвителя, а первый, второй и третий входы подключены ко второй, третьей согласованным нагрузкам и к выходу последовательно соединенных источнику тока и генератору шума, причем направленный ответвитель, циркулятор, переключатель, генератор шума, источник тока, первая, вторая и третья согласованные нагрузки установлены на термостатированной плате и находятся с ней в тепловом контакте, введены микроконтроллер, селектор, n-1 последовательно соединенных направленных ответвителей, циркуляторов, приемников, синхронных низкочастотных фильтров, фильтров высоких частот, компараторов, вторые входы которых соединены с общей шиной радиометра, а вторые входы циркуляторов соединены с n-1 согласованными нагрузками, n-1 переключателей, первый и второй выходы которых соединены с одноименными входами n-1 направленных ответвителей, первый и второй входы переключателя подключены к 2n-2 согласованным нагрузкам, а третий вход переключателя соединен с последовательно соединенными n-1 источниками тока и n-1 генераторами шума, вход селектора соединен с антенной, его выходы - с третьими входами n направленных ответвителей, а управляющий вход селектора соединен с первым выходом микроконтроллера, второй выход которого является выходной шиной радиометра, k и m выходы микроконтроллера соединены соответственно к управляющими входам n переключателей и n синхронных низкочастотных фильтров, a l входы микроконтроллера подключены к выходам n компараторов, причем селектор, n-1 циркуляторов, переключателей, генераторов шума, источников тока, 3n-3 согласованных нагрузок 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 схемы на фиг. 3, радиометр состоит из антенны аппликаторного типа 1, работающего в ключевом режиме селектора 2 с одним входом и n выходами, n направленных ответвителей 3, 15, …, 27, циркуляторов 4, 16, …, 28, с подключенными на вторые входы согласованными нагрузками 5, 17, …, 29, переключателей 6, 18, …, 30 двухполюсного типа, на входы которых подключены генераторы шума 9, 21, …, 33 с питающим их источниками тока 10, 22, …, 34 и согласованные нагрузки 7, 8, 19, 20, …, 31, 32. Селектор, направленные ответвители, циркуляторы, согласованные нагрузки, переключатели, генераторы шума и источники тока образуют входной узел радиометра, который установлен на термостатированной плате 40. В измерительные каналы радиометра входят приемники 11, 23, …, 35, синхронные фильтры низких частот 12, 24, …, 36, фильтры высоких частот 13, 25, …, 37, компараторы 14, 26, …, 38, определяющие полярность напряжения, так как вторые входы компараторов подключены к общей точке радиометра. Все управляющие сигналы в радиометре вырабатывает микроконтроллер 39. Сигнал t_АИМ микроконтроллера поступает на управляющий вход селектора для подключения одного из приемных каналов к антенне. Сигналы t_ШИМ для изменения направления распространения сигнала генератора шума в антенном тракте поступают на переключатели радиометра с шины к микроконтроллеру. С шины m микроконтроллера происходит управление синхронными фильтрами низких частот. На шину l поступают выходные сигналы компараторов измерительных каналов. Измеряемый сигнал объекта формируется на выходной шине 41 микроконтроллера.

Принцип работы радиометра иллюстрируется временными диаграммами на фиг. 4 и заключается в следующем. Подключение к антенне каждого из приемных каналов выполняется согласно принципу временного разделения. Вход канала на короткий промежуток времени подключается к антенне, и в этом промежутке времени выполняется широтно-импульсная модуляция выбранного канала. В остальное время на вход приемника канала поступают опорные сигналы согласованной нагрузки вентиля и генератора шума.

Для осуществления принципа временного разделения сигналы, управляющие амплитудно-импульсной модуляцией в радиометре, поступают на селектор 2 по шине с выхода 1 микроконтроллера 39. В селекторе тракт антенны последовательно подключается на входы каналов, начиная с первого на одинаковое время t_АИМ (в любой момент времени подключенным оказывается только один канал). Таким образом, период повторения сигнала управления амплитудно-импульсной модуляцией для одного канала составляет nt_АИМ, где n - количество приемных каналов в радиометре. В остальное время, когда канал не подключен к антенне, сигналы T_CH согласованной нагрузки циркулятора 5 (17, …, 29) и генератора шума T_ГШβ 9 (21, …, 33), отражаясь от закрытого ключа селектора 2, поступают на вход приемника 11 (23, …, 35). Таким образом, накопление сигналов согласованной нагрузки циркулятора и генератора шума для каждого канала возрастает в n раз.

По сигналам t_ШИМ широтно-импульсной модуляции происходит коммутация в переключателях и тем самым изменяются направления поступления сигналов генераторов шума в антенные входные тракты. Данной модуляцией устанавливается нулевой баланс в приемных каналах радиометра (как в прототипе), когда не оказывают влияния на точность измерений изменения коэффициента передачи измерительных трактов каналов и через длительность управляющего широтного сигнала определяется сигнал объекта исследования по формуле, полученной выше для радиометра - прототипа.

Таким образом, уровни шумовых сигналов, формируемые на входах приемников радиометра в результате синхронно выполняемых импульсных модуляций, амплитудной и широтной, полностью аналогичны уровням шумовых сигналов, формируемых в радиометре - прототипе.

Как следует из описанного принципа работы многоприемниковой схемы радиометра, время накопления опорных сигналов согласованной нагрузки циркулятора и генератора шума в каждом канале возрастает от t_АИМ до (n-1)t_АИМ. Это приводит к значительному сглаживанию флуктуирующей компоненты шумового сигнала. Согласно закону больших чисел теории вероятности, при увеличении времени наблюдения шумового сигнала уменьшается разброс в его независимых выборках, то есть его постоянная составляющая становиться слабошумящей. В этом случае возникает аналогия с работой компенсационного радиометра (радиометра полной мощности, обладающего самой высокой потенциальной чувствительностью среди различных схем, но не достижимой на практике вследствие сильного влияния дестабилизирующих факторов - дрейфа и флуктуаций коэффициента усиления приемников и собственных шумов), в котором сравнение происходит с не шумящим источником - источником образцового напряжения.

В измерительных каналах радиометра установлены синхронные фильтры 12 (24, …, 36), состоящие (как в прототипе) из трех однозвенных интегрирующих RC-цепей, в которых резистор является общим, а постоянные составляющие трех уровней, полученных в результате модуляции входных шумовых сигналов (см. фиг. 4), накапливаются на трех конденсаторах синхронным их подключением к общей точке схемы через управляемый электронный ключ на временных интервалах t_ШИМ, t_АИМ-t_ШИМ, t_АИМ(n-1). Так как время накопления сигналов согласованной нагрузки циркулятора и генератора шума возрастает и становится равным t_АИМ(n-1), постоянную времени цепи синхронного фильтра, накапливающей эту сумму сигналов, необходимо увеличивать в n-1 раз соответствующим увеличением емкости конденсатора. Тогда флуктуационная чувствительность всего многоприемникового радиометра возрастает в количество раз, равное корню квадратному из числа приемных каналов [Есепкина Н.А., Корольков Д.В., Парийский Ю.Н. Радиотелескопы и радиометры. - М.: Наука, 1973. - 415 с.]. Результирующий широтно-импульсный сигнал вычисляется после каждого полного периода амплитудной модуляции операцией нахождения среднего широтно-импульсных сигналов каждого приемного канала. Калибровка многоприемникового радиометра, в ходе которой радиометр настраивается на заданный диапазон измерений, осуществляется по алгоритмам радиометра-прототипа и одновременно по всем приемным каналам.

В радиометре микроконтроллер 39 выполнен на широко известном семействе Atmega фирмы Atmel. В литературе достаточно полно описаны конструкции селектора, переключателя, направленного ответвителя, циркулятора [например, Богданов A.M., Давидович М.В., Кац Б.М. и др./ Под ред. А.П. Креницкого и В.П. Мещанова. Сверхширокополосные микроволновые устройства. М.: Радио и связь, 2001]. В качестве селектора и переключателей используются управляемые ключи фирмы NEC Electronics. В активной зоне генераторов шума используются лавинно-пролетные диоды. В приемниках измерительных каналов применены высокочастотные транзисторные усилители. Синхронные низкочастотные фильтры описаны в [Фрейтер. Синхронный интегратор и демодулятор // Приборы для научных исследований. 1965. Т. 36, №5. С. 53].

Таким образом, в отличии от прототипа в предлагаемой схеме многоприемникового радиометра увеличивается флуктуационная чувствительность, что превышает чувствительность одноканальной схемы в √n-раз, где n - число каналов многоприемникового радиометра. Это позволяет достоверно измерить дистанционным способом слабовыраженные температурные аномалии в непроводящих и полупроводящих телах на большей, чем для одноканальных схем, глубине. При этом каждый приемный канал радиометра работает в режиме нулевых измерений, что повышается стабильность его функционирования. Одновременно возрастает надежность измерений: отказ одного из каналов не приводит к нарушению работоспособности всего радиометра, лишь незначительно снижается чувствительность.