Модуляційний радіометр

Винахід відноситься до радіовимірювальної техніки і може бути використаний для виміру інтенсивності електромагнітного випромінювання біологічних об'єктів у діапазоні надвисоких частот (НВЧ). Кожне нагріте тіло відповідно до закону Планка випромінює електромагнітну енергію в широкому діапазоні частот, у тому числі й у діапазоні НВЧ. Біологічні об'єкти (люди, тварини, рослини) крім радіотеплового випромінювання генерують також біоінформаційне випромінювання, джерелом якого є метаболічні процеси в клітинах живих організмів. Біологічні тканини є порівняно прозорими для хвиль НВЧ діапазону в порівнянні з оптичним діапазоном. Тому, оцінивши потужність випромінювання за допомогою НВЧ антени, прикладеної до поверхні шкіри (антена - аплікатор), можна судити як про температуру глибинних шарів, так і про інтенсивність фізіологічних процесів, що протікають в органах і тканинах. Так, у випадку посиленого метаболізму клітин, наприклад, при онкологічних захворюваннях чи при запальних процесах, рівень НВЧ випромінювання істотно зростає, що використовується в неінвазивній діагностиці. Навпаки, виснаження організму, різного роду патології, депресія та ін. дають знижений рівень НВЧ випромінювання, що також використовується як діагностична ознака. Рівень електромагнітного випромінювання біологічних об'єктів у більшості випадків має широкий спектр, дуже малий і порівняний з потужністю шумів вимірювальної апаратури, що також мають суцільний спектр. Тому для цілей діагностики використовують модуляційні радіометри, здатні вимірювати слабкі сигнали із широким спектром на тлі інтенсивних перешкод і шумів (Скрипник Ю.О., Манойлов В.П., Яненко О.П. Модуляційні радіометричні пристрої та системи НВЧ діапазону - Житомир: ЖІТІ, 2001, С.162-165). Однак при дослідженні біологічних об'єктів виникають специфічні погрішності, що вносяться антеною - аплікатором і які важко врахувати і виключити. Відомий модуляційний радіометр по авторському свідоцтву СРСР №1233060, кл. G01R29/26, 1984), що містить антену, автоматичний перемикач, генератор еталонного шуму, n-канальний НВЧ підсилювач, n-входовий суматор, квадратичний детектор, підсилювач низької частоти, синхронний детектор, фільтр нижніх частот і генератор напруги меандру низької частоти. У n-канальному радіометрі рівень власних шумів підсилювача знижений у n раз в порівнянні з одноканальним. Однак періодичне переключення входів НВЧ підсилювачів з виходу антени на вихід генератора еталонного шуму викликає паразитну модуляцію залишкового рівня шумів НВЧ підсилювача, а, отже, і погрішність виміру потужності випромінювання біологічного об'єкту. Відомий також модуляційний радіометр по патенту України №57820, кл. G01R29/26, 2003), що містить антену, автоматичний перемикач, один вхід якого з'єднаний з виходом антени, до іншого входу підключене еквівалентне навантаження, розміщене в термостаті, до ви ходу автоматичного перемикача підключені послідовно з'єднані НВЧ підсилювач, квадратичний детектор, вибірковий підсилювач низької частоти і синхронний детектор. Крім того, модуляційний радіометр містить регульовані фазообертач і атенюатор, множний блок, розділовий конденсатор і диференціальний підсилювач, включені між виходом квадратичного детектора і входом вибіркового підсилювача низької частоти, а також генератор низької частоти, з'єднаний з керуючими входами автоматичного перемикача, синхронного детектора і регульованого фазообертача. При переміщенні аплікаторної антени по поверхні біологічного об'єкту змінюється її температура, а, отже, і рівень власних шумів. У той же час еквівалентне навантаження знаходиться при постійній температурі в термостаті. Тому шуми аплікаторної антени не в повному обсязі компенсуються шумами еквівалентного навантаження при переміщенні антени. Через зміну температури антени міняється її опір і порушується рівність з опором еквівалента антени, що викликає паразитну модуляцію власних шумів НВЧ підсилювача, що також знижує точність вимірів. Задачею винаходу є створення такого модуляційного радіометру, в якому введення нових елементів і зв'язків забезпечило б підвищення точності виміру потужності електромагнітного випромінювання з глибини біологічного об'єкту при різній температурі. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в модуляційний радіометр, що містить антену, автоматичний перемикач, один вхід якого з'єднаний з виходом антени, до іншого входу підключене еквівалентне навантаження, розміщене в термостаті, до ви ходу автоматичного перемикача підключені послідовно з'єднані НВЧ підсилювач, квадратичний детектор, вибірковий підсилювач низької частоти і синхронний детектор, згідно з винаходом, введені другі автоматичний перемикач, послідовно з'єднані вибірковий підсилювач низької частоти і синхронний детектор, два інтегруючих аналого-цифрових перетворювача, мікро-ЕОМ з генератором тактової частоти, цифро-аналоговий перетворювач, цифровий індикатор, дільник частоти, підсилювач потужності, напівпровідниковий елемент Пєльтьє і два датчики температури, один із яких знаходиться в тепловому контакті з антеною, другий - з еквівалентним навантаженням, виходи датчиків температури з'єднані з входами другого автоматичного перемикача, до виходу якого підключені другі вибірковий підсилювач низької частоти і синхронний детектор, до виходів першого і другого синхронних детекторів підключені інтегруючі аналого-цифрові перетворювачі, кодові виходи яких з'єднані з двома входами мікро-ЕОМ, один вихід мікро-ЕОМ з'єднаний із входом цифрового індикатора, другий ви хід з'єднаний із входом цифро-аналогового перетворювача, до аналогових виходів якого через підсилювач потужності підключений напівпровідниковий елемент Пєльтьє, що знаходиться в тепловому контакті з еквівалентним навантаженням, вхід дільника частоти з'єднаний з виходом генератора тактової частоти мікро-ЕОМ, до ви ходу дільника частоти підключені керуючі входи автоматичних перемикачів і синхронних детекторів. Введення в схему модуляційного радіометра други х автоматичного перемикача, вибіркового підсилювача низької частоти і синхронного детектора, двох інтегруючи х аналого-цифрових перетворювачів, мікро-ЕОМ з генератором тактової частоти, ци фро-аналогового перетворювача, цифрового індикатора, дільника частоти, підсилювача потужності, напівпровідникового елемента Пєльтьє і двох датчиків температури, включених зазначеним образом, дозволяє автоматично підтримувати температуру еквівалентного навантаження, рівну температурі аплікаторної антени незалежно від її положення на поверхні біологічного об'єкту, а також зберігати рівність опорів аплікаторної антени і еквівалентного навантаження при будь-якій температурі об'єкту, що забезпечує рівність рівня шумів аплікаторної антени й еквівалентного навантаження, а також сталість власних шумів НВЧ підсилювача при переключенні антени на її еквівалент, завдяки чому компенсуються власні шуми аплікаторної антени і виключається паразитна модуляція власного шуму НВЧ підсилювача. Усе це дозволяє підвищити точність виміру потужності електромагнітного випромінювання з глибини біологічного об'єкту при різній температурі. На кресленні приведена функціональна схема модуляційного радіометру. Антена 1, наприклад, контактна антена аплікаторного типу, з'єднана з одним входом автоматичного перемикача 2, інший вхід якого з'єднаний з еквівалентним навантаженням 3, що нагрівається, розміщеним у термостаті 4. Вихід автоматичного перемикача 2 підключений до входу НВЧ підсилювача 5, до виходу якого підключені послідовно з'єднані квадратичний детектор 6, вибірковий підсилювач 7 низької частоти, синхронний детектор 8 і інтегруючий аналого-цифровий перетворювач (АЦП) 9. У тепловому контакті з антеною 1 розміщений датчик температури 10, а в тепловому контакті з еквівалентним навантаженням 3 - датчик температури 11. Виходи датчиків температури 10 і 11 з'єднані з входами другого автоматичного перемикача 12, до виходу якого підключені послідовно з'єднані вибірковий підсилювач 13 низької частоти, син хронний детектор 14 і інтегруючий АЦП 15. Кодові виходи АЦП 9 і АЦП 15 підключені до входів мікро-ЕОМ 16. До виходу мікро-ЕОМ 16 підключений цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) 17, аналогові ви ходи якого з'єднані через підсилювач потужності 18 з напівпровідниковим елементом Пєльтьє 19. До іншого виходу мікро-ЕОМ 16 підключений цифровий індикатор 20, а до виходу генератора тактової частоти мікро-ЕОМ 16 підключений дільник частоти 21, вихід якого по низькій частоті з'єднаний з керуючими входами автоматичних перемикачів 2, 12 і керуючими входами синхронних детекторів 8, 14. Модуляційний радіометр працює таким чином. НВЧ випромінювання від досліджуваного біологічного об'єкту приймається аплікаторною антеною 1, що знаходиться в безпосередньому контакті з поверхнею біологічного об'єкту. На виході антени 1 формується широкосмуговий НВЧ сигнал з потужністю Р0, значення якої визначається інтенсивністю фізіологічних процесів у тканинах біологічного об'єкту, їхньою температурою, випромінювальною здатністю поверхні і параметрами аплікаторної антени. З ура хуванням власних шумів антени, які некорельовані зі складовими прийнятого сигналу, дисперсію вихідного сигналу антени можна представити у виді суми: 2 2 U1 = P0 + U2 , (1) 2 2 де U1 - дисперсія прийнятого випромінювання; U2 - дисперсія власних шумів антени, погодженої з входом автоматичного перемикача 2. У зазначеному на кресленні положенні автоматичного перемикача 2 на вхід НВЧ підсилювача 5 надходить сигнал від антени 1 з її шумами (1). З урахуванням власних шумів НВЧ підсилювача, рівень яких залежить від вхідного опору джерела сигналу, дисперсію посиленого сигналу представимо також у виді суми: 2 2 2 2 U4 = K1 æ P0 + U 2 + U31 ö, (2) ç ÷ è ø 2 де K1 - коефіцієнт підсилення НВЧ підсилювача 5; U 31 - дисперсія власних шумів НВЧ підсилювача 5 при підключенні до його входу антени 1. У протилежному положенні перемикача 2 на вхід НВЧ підсилювача 5 надходить шумовий сигнал з еквівалентного навантаження 3, яке розміщене у термостаті 4 з регульованою температурою. Шуми еквівалентного навантаження некорельовані із шумами НВЧ підсилювача, тому дисперсія посиленого сигналу: 2 2 2 2 U6 = K 1 æ U5 + U32 ö, (3) ç ÷ è ø 2 2 де U 5 - дисперсія шумів еквівалентного навантаження 3; U32 - дисперсія власних шумів НВЧ підсилювача 5 при підключенні до його входу кінцевого резистора 3. Дисперсію шумів еквівалентного навантаження 3 можна визначити за формулою: 2 U 5 = 4KTPR PB, (4 ) де К - постійна Больцмана (1,38.10-23Дж/К); ТP - температура еквівалентного навантаження 3 у градуса х Кельвіна; RP - опір еквівалентного навантаження 3; В - смуга частот НВЧ підсилювача 5. По формулі (4) можна оцінити і власні шуми антени з урахуванням її опору RA і температури ТA : 2 U2 = 4KT A R A B, (5) Біологічним об'єктам властиво як радіотеплове рівноважне випромінювання, так і нерівноважне НВЧ випромінювання, що викликається метаболічними процесами в його клітинах. Потужність радіотеплового випромінювання, що надходить на вхід антени, можна оцінити за формулою: P1 = xKT0 B (6) де Т0 - внутрішня температура біологічного об'єкта; x - випромінювальна здатність поверхні біологічного об'єкту. При смузі частот В=100МГц(108Гц) і температурі T0=310К ця потужність складає приблизно 4.10-13Bт. На цьому тлі необхідно вимірювати зміни температури в 0,1К, тобто зміну потужності приблизно на 10-16Вт. Нерівноважне випромінювання з потужністю Р2 еквівалентно додатковим змінам температури біологічного об'єкта на рівні (0,01...0,1)К. В такому разі сумарну випромінювану потужність можна представити як : P0 = P1 + P2 = c P1, (7) де c - коефіцієнт фізіологічної активності, що характеризує перевищення сумарного випромінювання над радіотепловим. Потужність власних шумів антени відповідно до виразу (5) при опорі RA=50Ом і температурі TA=293К відповідає приблизно 10-12Вт. Таким чином, вимірюваний сигнал з потужністю P0 набагато менше (приблизно на порядок) рівня шумів антени. Рівень власних шумів НВЧ підсилювача, як активного елемента, ще більше в порівнянні із шумами антени і визначається його коефіцієнтом шуму. Тому дисперсію його вихідних шумів можна представити як: 2 U3 = R(F - 1)T0B, (8) де R - вхідний опір НВЧ підсилювача; F - коефіцієнт шуму НВЧ підсилювача; Т0=273К - температура, що відповідає нулю градусів за Цельсієм. При одному положенні автоматичного перемикача 2 вхідний опір НВЧ підсилювача визначається опором антени RA, а в протилежному - опором кінцевого резистора RP. Тому дисперсія власних шумів НВЧ підсилювача 5 при переключенні змінюється від значення: 2 U31 = R A (F - 1)T0 B (9) до значення: 2 U32 = RP (F - 1)T0 B. (10) Для виділення слабкого НВЧ сигналу з потужністю P0, що знаходиться в адитивній суміші із шумами (4) і (5), його по черзі детектують квадратичним детектором 6. При одному положенні перемикача 2 на виході квадратичного детектора формується відеоімпульс з амплітудою: 2 2 2 U7 = S1K 1 æ P0 + U2 + U31 ö, (11) ç ÷ è ø а при іншому положенні перемикача: 2 2 2 U8 = S1K 1 æ U5 + U32 ö, (12) ç ÷ è ø де S1 - крутість перетворення квадратичного детектора. Автоматичний перемикач 2 керується прямокутною напругою низької частоти, що формується з генератора тактової частоти мікро-ЕОМ 16 за допомогою дільника частоти 21. При періодичних переключеннях автоматичного перемикача 2 на виході квадратичного детектора 6 виділяється змінна напруга низької частоти з амплітудою: U - U8 2 2 2 1 2 U9 = 7 = S1K1 æ P0 + U 2 - U5 + U2 - U32 ö. (13) ç ÷ 31 2 2 è ø Низькочастотна напруга з амплітудою (13) підсилюється вибірковим підсилювачем 7 низької частоти, набудованим на частоту переключення сигналів (1), (4), і випрямляється синхронним детектором 8, що керується тією ж напругою, що й автоматичний перемикач 2. Випрямлена напруга крім корисного різницевого сигналу (13) містить і шумову напругу від флуктуації коефіцієнта підсилення НВЧ підсилювача 5 і низькочастотних шумів квадратичного детектора 6, що попадають у см угу пропущення вибіркового підсилювача 7. Випрямлену напругу можна представити у виді: U10 = K 2 K 3 U9 + U11 ( t ), (14) де К2 - коефіцієнт підсилення вибіркового підсилювача 7; К3 - коефіцієнт випрямлення синхронного детектора 8; U11(t) - низькочастотний шум на виході синхронного детектора. Для придушення впливу шумів випрямлену напругу подають на інтегруючий аналого-цифровий перетворювач 9, вихідний код якого вводиться в мікро-ЕОМ 16. При виборі досить великого часу усереднення в інтегруючому АЦП9 (порядку 2...3с) код, що вводиться: 2 N1 = 2 2 2 a 1 (P0 + U2 - U5 + U31 - U32 ) q1 (15) 2 a 1 = 0,5S1K 1 K 2K 3 де - результуючий коефіцієнт перетворення різницевої напруги в код; q1 - крок квантування АЦП9. Для виключення впливу власних шумів антени 1 і НВЧ підсилювача 5 вихідні сигнали датчиків температури 10 і 11 надходять на другий автоматичний перемикач 12, вихідну напруга якого можна представити у виді тимчасової послідовності відрізків вихідних напруг датчиків. Якщо амплітуди ци х напруг не рівні, то в цій послідовності присутня змінна складова частоти переключення з амплітудою: U - U13 U14 = 12 = 0,5S 2 (T A - TP ), (16) 2 де S2 - чутливість датчиків температури. Змінна напруга з амплітудою (16) підсилюється вибірковим підсилювачем 13 низької частоти і випрямляється синхронним детектором 14, що керується тією ж низькочастотною напругою, що й автоматичний перемикач 12. Випрямлена напруга надходить на другий інтегр уючий АЦП15, на виході якого формується цифровий код: a (T - TP ) N2 = 2 A , (17 ) q2 де a 2 - результуючий коефіцієнт перетворення різниці температур у код; q2 крок квантування АЦП15. Код N2 вводиться в мікро-ЕОМ16, запам'ятовується, і далі виводиться на ЦАП17, де перетворюється в пропорційну напругу постійного струму: q U15 = q 3N 2 = a 2 (TA - TP ) 2 , (18 ) q3 де q3 - крок квантування ЦАП 17. Постійна напруга (18) підсилюється по потужності підсилювачем 18 і впливає на напівпровідниковий елемент Пєльтьє 19. У залежності від напрямку протікання струму через елемент 19 відбувається його нагрівання чи охолодження в залежності від виділення чи поглинання теплоти Пєльтьє. Напрямок протікання постійного струму визначається знаком різниці температур (18), а ЦАП 17 обраний біполярним. Еквівалентне навантаження 3 знаходиться в тепловому контакті з напівпровідниковим елементом Пєльтьє, використовуваним для нагрівання - охолодження термостату 4. Зміна температури ТP еквівалентного навантаження 3 залежить від полярності вихідної напруги ЦАП 17, що керує температурою елемента 19 через підсилювач потужності 18. При зміні поверхневої температури біологічного об'єкту TA змінюється різниця температур TA - Т P і відповідно керуюча напруга на виході ЦАП17. Процес автоматичного регулювання температури Т еквівалентного навантаження 3 триває доти, поки різниця температур DT = T A - TP стане вкрай P малою величиною ( DT