Скрипник Ю. А., Шевченко К. Л. Київський національний університет технологій та дизайну Немировича-Данченка, 2, Київ – 01011, Україна Тел.: 38 (044) 2562993; e-mail: autom@i.com.ua

Анотація – Розглянуто структура і алгоритм роботи модуляційного радіометра для вимірювання інтенсивності електромагнітного випромінювання біологічних об’єктів в діапазоні надвисоких частот (НВЧ).

I. Вступ

Згідно закону Планка кожне нагріте тіло випромінює електромагнітну енергію в широкому діапазоні частот, у тому числі і в діапазоні СВЧ. Біологічні об’єкти (люди, тварини, рослини) крім радіотеплових випромінювання генерують також біоінформаційне випромінювання, джерелом якого є метаболічні процеси в клітинах живих організмів. Тому, оцінивши потужність випромінювання з поверхні шкірного покриву, можна судити як про температуру глибинних шарів, так і про інтенсивність фізіологічних процесів в органах і тканинах. Так, у разі посиленого метаболізму клітин при онкологічних захворюваннях або запальних процесах внутрішніх органів, рівень НВЧ випромінювання істотно зростає, що використовується в неінвазивної діагностики. Навпаки виснаження організму, різного роду патології, депресія тощо дають знижений рівень НВЧ випромінювання, що також служить діагностичним ознакою.

II. Основна частина

Рівень електромагнітного випромінювання біологічних об’єктів, яке в більшості випадків має широкий спектр, дуже малий і порівняємо з рівнем шумів вимірювальної апаратури, які також мають суцільний спектр. Тому для цілей діагностики використовують модуляційні радіометри, здатні вимірювати слабкі сигнали на тлі інтенсивних перешкод і шумів [1]. Для зниження впливу власних шумів вимірювального тракту радіометрів використовують різні структурноалгорітміческіе рішення. Так, в модуляційному радіометрі [2], використовуються багатоканальний СВЧ підсилювач, багатовхідних суматор і автоматичний перемикач. Використання оригінального алгоритму роботи радіометра дозволяє при наявності N каналів в N разів знизити сумарний рівень некоррелірованних власних шумів високочастотних підсилювачів.

Однак періодичне переключення входів СВЧ підсилювачів викликає паразитне модуляцію залишкового рівня шумів СВЧ підсилювачів, а, отже, і похибка вимірювання потужності випромінювання біологічного об’єкта.

При дослідженні біологічних об’єктів виникають специфічні похибки, що вносяться антеною – аплікатором. Для виключення впливу власних шумів антени застосовують еквівалентну навантаження у вигляді кінцевого резистора, розміщеного в термостаті [3].

Однак, при переміщенні апплікаторной антени по поверхні біологічного об’єкту змінюється її температура і відповідно рівень власних шумів. У той же час крайовий резистор еквівалентної навантаження знаходиться при постійній температурі. Тому при переміщенні антени її шуми не повністю компенсуються шумами кінцевого резистора. З за зміни температури антени порушується рівність з опором її еквівалента, що викликає паразитне модуляцію власних шумів НВЧ підсилювача, яка також знижує точність вимірювання.

Авторами розроблено модуляційний радіометр, що забезпечує повну компенсацію власних шумів антени в широкому діапазоні температур досліджуваного біологічного об’єкта і повне виключення паразитної модуляції власних шумів НВЧ підсилювача при комутації антени. Цим досягається підвищення точності вимірювання потужності електромагнітного випромінювання з глибини біологічного об’єкта при різній температурі.

Рис. 1. Функціональна схема модуляційного радіометра.

Fig. 1. Block diagram of switching radiometer

СВЧ випромінювання від досліджуваного біологічного об’єкта приймається апплікаторной антеною 1 (рис. 1), що знаходиться в безпосередньому контакті з поверхнею біологічного об’єкта. На виході антени 1 формується широкосмуговий СВЧ сигнал з потужністю Рп, Значення якої визначається інтенсивністю фізіологічних процесів в тканинах біологічного об’єкта, їх температурою, з-лучательной здатністю поверхні і параметрами антени. З урахуванням власних шумів антени, які не коррелірованни зі складовими сигналу, дисперсію вихідного сигналу антени можна представити у вигляді суми:

де S2 – Чутливість датчиків температури.

Змінна напруга з амплітудою (16) посилюється виборчим підсилювачем 13 низької частоти і випрямляється синхронним детектором 14. Випрямлена напруга надходить на другий інтегруючий АЦП 15, на виході якого формується цифровий код:

де а2 – Результуючий коефіцієнт перетворення різниці температур в код; q2 крок квантування АЦП 15.

Код N2 вводиться в мікро-ЕОМ 16, запам’ятовується,

і далі виводиться на ЦАП 17, де перетворюється в пропорційне напругу постійного струму:

)

де q3 – Крок квантування ЦАП 17.

Постійна напруга (18) посилюється по потужності підсилювачем 18 і впливає на напівпровідниковий елемент Пельтьє 19. В залежності від напрямку протікання струму через елемент 19 відбувається його нагрівання або охолодження в залежності від виділення або поглинання теплоти Пельтьє. Напрямок протікання постійного струму визначається знаком різниці температур (18).

Крайовий резистор 3 знаходиться в тепловому контакті з напівпровідниковим елементом Пельтьє, використовуваним для нагрівання – охолодження термостата 4. Зміна температури ТР кінцевого резистора 3 залежить від полярності вихідної напруги ЦАП 17, керуючого температурою елемента 19 через підсилювач потужності 18. При зміні поверхневої температури біологічного об’єкта ТА змінюється різниця температур ТАР і відповідно керуючу напругу на виході ЦАП 17. Процес автоматичного регулювання температури ТР кінцевого резистора 3 триває до тих пір, поки різниця температур АТ = ТАР стане пренебрежимо малою величиною (АТ «ТА ).

Опір кінцевого резистора 3 вибирають рівним опору апплікаторной антени 1 (Rp=Ra). Тому при зрівнюванні температур

ТА= ТР і рівність опорів антени і кінцевого резистора, рівень власних шумів антени (5) стає рівним рівнем шумів кінцевого резистора (4), тобто:

При рівності опорів антени 1 і кінцевого резистора 3 зрівнюються і дисперсії (9) і (10) власних шумів НВЧ підсилювача 5, які відповідають двом положенням автоматичного перемикача 2:

>

В результаті досягнення рівностей (15) і (16) код, що формується АЦП 15, приймає значення:

)

Як випливає з отриманого виразу (21), результат вимірювання потужності Р0 СВЧ сигналу, що приймається апплікаторной антеною 1, не залежить від рівня власних шумів антени і власних шумів НВЧ підсилювача 5. При цьому приймається сигнал може бути багатьом менше рівня власних шумів радіометра. Зазвичай температура біологічного об’єкта ненабагато перевищує навколишнє (частіше кімнатну) температуру. При зміні кімнатної температури відповідно змінюється температура кінцевого резистора ТР , І, отже, керуючу напругу на виході ЦАП

17. Завдяки цьому значення ТР залишається незмінним. Це дозволяє використовувати радіометр для точних вимірювань, як при змінах температури об’єкта, так і температури навколишнього середовища.

III. Висновок

В запропонованому авторами модуляційному радіометрі температура кінцевого резистора еквівалентної навантаження автоматично підтримується, рівній температурі апплікаторной антени незалежно від її положення на поверхні біологічного об’єкту. При цьому зберігається рівність опорів апплікаторной антени та еквівалентної навантаження при будь-якій температурі об’єкта. Завдяки цьому забезпечується рівність рівня шумів апплікаторной антени і еквівалента антени, а також сталість власних шумів НВЧ підсилювача при перемиканні антени на її еквівалент. Цим досягається компенсація власних шумів апплікаторной антени і виключається паразитна модуляція власного шуму НВЧ підсилювача, що дозволяє підвищити точність вимірювання потужності електромагнітного випромінювання з глибини біологічного об’єкта при зміні температури або інтенсивності патологічного процесу.

IV. Список літератури

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

– Житомир: Ж1Т1, 2001, С. 162-165).

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

№ 30, 1986 р.

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

№ 7, 2003Г.2001 р.

[4] Скрипник Ю. А., Шевченко К. П. Застосування електромагнітних хвиль КВЧ діапазону при дослідженнях біологічних об’єктів – В кн.: 9-а міжнародна Кримська конференція «СВЧ техніка і телекомунікаційні технології ». Матеріали конференції (Севастополь, 13-16 вересня 1999 р). 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.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»