Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Физические основы СВЧ термометрии 8
1.1. Радиотепловое излучение биологических тканей 8
1.2. Электрические свойства биологических тканей 10
1.3. Модели радиотеплового излучения биологических тканей 18
1.4. Сравнительный анализ возможностей дистанционной и аппликационной методик приема радиотеплового излучения биологического объекта 30
ГЛАВА 2. Модельные представления системы среда - аппликационная антенна . 43
2.1. Электрические и магнитные поля в системе антенна - среда 45
2.2. Эквивалентная схема системы антенна - среда 50
ГЛАВА 3. Методика измерения температуры и диэлектрических свойств среды . 60
3.1. Методические погрешности измерения глубинной температуры 60
3.2. Измерение глубинной температуры в условиях теплообмена в системе антенна-среда 75
3.3. Измерение профиля температуры по глубине. Теоретические основы одночастотной методики 83
3.4. Методика определения структуры слоистой среды 89
ГЛАВА 4. Разработанные приборы и экспериментальные исследования в лаборатории 94
4.1. Радиометры 95
4.2. Антенны - аппликаторы 100
4.3. Температурная калибровка радиотермометра и измерение электрических характеристик антенны - аппликатора 105
4.3.1. Среды для моделирования биологических тканей... 105
4.3.2. Измерение параметров антенн - аппликаторов 111
4.3.3. Температурная калибровка радиотермометра 113
4.4. Калибровка СВЧ измерителя толщины слоев 114
4.5. Определение весовых коэффициентов антенн - аппликаторов. 118
4.6. Эксперименты по оценке температурного профиля 122
ГЛАВА 5. Применение радиотермометра в животноводстве и медицине 125
5.1. Применение радиотермометра в животноводстве 126
- Электрические свойства биологических тканей
- Эквивалентная схема системы антенна - среда
- Измерение глубинной температуры в условиях теплообмена в системе антенна-среда
- Температурная калибровка радиотермометра и измерение электрических характеристик антенны - аппликатора
Введение к работе
Новые методики прецизионных измерений подповерхностной температуры и структуры исследуемой среды открывают широкие возможности применения СВЧ- радиометрии в науке и народном хозяйстве (медицине, сельскохозяйственном производстве, текстильной промышленности и т.д.). Эти методики позволяют на самых ранних стадиях обнаружить и измерить слабоконтрастные температурные и структурные изменения исследуемого объекта. Температурный режим и структура исследуемой среды являются важными характеристиками объекта, позволяющими диагностировать протекающие в нем процессы, контролировать функционирование его систем и делать оценки свойств материала. Разработанные в диссертационной работе методики были использованы при изучении одного из наиболее сложных объектов - живых тканей человека и животных. Применение прецизионных методов СВЧ - радиометрии в медицине обосновано их неинвазивностью, безвредностью, достаточной точностью, легкостью и быстротой получения значительного количества независимой информации, способствующей эффективной диагностике. В настоящее время за рубежом и в нашей стране теоретические и экспериментальные работы в этом направлении продолжаются и интенсивно развиваются.
Отклонения от нормы температуры тканей биологического объекта проявляется часто на ранних стадиях заболевания, когда изменения структуры или плотности тканей слабо выражены и не могут быть обнаружены рентгеновскими или ультразвуковыми методами. Однако существующие и широко используемые неинвазивные средства (аппликационные датчики - термопары, терморезисторы и термочувствительные жидкокристаллические пленки) и (дистанционные приборы - инфракрасные тепловизоры), как правило, позволяют определить только поверхностную температуру, которая слабо связана с процессами, протекающими на глубине и подвержена сильному влиянию окружающей среды. Значительно более информативной является, так называемая глубинная интегральная температура, которую чаще называют просто глубинной. Она представляет собой взвешенную сумму температур разных по глубине слоев исследуемого участка (см. гл.1). Методики СВЧ - радиометрии, измеряя глубинную температуру, позволяют на ранних стадиях заболевания обнаружить нарушение локального температурного режима в организме человека или животного и осуществлять безвредный постоянный контроль этих областей с целью анализа динамики внутренних процессов, контроля эффективности лечения и возможного раннего обнаружения структурных изменений. Существуют факторы, которые затрудняют использование СВЧ - термометрии в научных исследованиях, медицине и народном хозяйстве, а также создание новых методик и аппаратуры: точности измерения и представление результатов измерения не позволяют достаточно эффективно использовать существующие методики; методики измерений и аппаратура достаточно сложна, дорогостоящая и требует высокой квалификации обслуживающего персонала; на точность измерения существенно влияют индустриальные помехи, которые иногда делают невозможным применение данного метода вне экранированных помещений.
В настоящей диссертации, на основе теоретического и экспериментального исследований основных радиофизических процессов, сделана попытка уменьшить, а в некоторых случаях, исключить влияние перечисленных выше факторов.
В результате теоретического исследования процесса измерения собственного излучения биологических тканей показано существенное влияние излучательной способности и структуры исследуемого объекта, а так же подсветки окружающей среды. Выполнен сравнительный анализ возможностей дистанционной и аппликационной методик приема радиотеплового излучения биологического объекта (Глава 1).
На основе анализа эквивалентных электрических схем, моделирующих физические процессы в системе антенна-среда предложена методика теоретической оценки обобщенных характеристик антенн - аппликаторов. Показано влияние диэлектрических свойств среды на характеристики приемной антенны (Глава 2).
Теоретический анализ методических погрешностей и погрешностей измерения позволили разработать основные требования как к вновь разрабатываемой методике измерений, так и к основным узлам измерительного прибора. Погрешности, вызванные изменчивостью параметров антенны - аппликатора (полосы частот, коэффициента отражения, температуры антенны, КПД антенны), которые в свою очередь обусловлены вариациями температуры антенны - аппликатора и структуры биоткани. В целях минимизации такого рода погрешностей необходимо иметь калибровочные эталонные излучатели, диэлектрические свойства которых достаточно близки соответствующим свойствам исследуемого объекта. Для этого необходимо знать структуру исследуемой среды. Предложена оригинальная методика определения структуры слоистой среды. Методика основана на измерении модуля коэффициента отражения для двух или трех антенн - аппликаторов, параметры которых согласованны с разными средами. Это позволило, с одной стороны получать информацию о структуре среды, а с другой стороны, уменьшить погрешности измерения температуры. В условиях теплового контакта антенны - аппликатора с полупространством кожно- мышечной ткани проведен теоретический анализ возмущения термодинамических и радиационных температур измеряемой среды для стационарного и нестационарного режимов теплообмена. Предложена и теоретически обоснована оригинальная одночастотная методика определения профиля температуры исследуемой среды (авт. св.[40]). В основе методики положена зависимость толщины эффективно излучающего слоя исследуемой среды от типа антенны и принимаемого антенной спектра пространственных волн. В отличие от многочастотной методики, малый ассортимент и стоимость измерительной и калибровочной аппаратуры (только один комплект) позволяют значительно облегчить практическую реализацию методики. Возможность проведения всей процедуры измерения в течение одного короткого теплового контакта, позволяет получить прецизионные точности измерения глубинных температур, что обеспечивает хорошее восстановление профиля температуры. (Глава 3).
Представлены разработанные и изготовленные радиометр, антенны - аппликаторы, калибровочные излучатели и измерительный стенд, с помощью которых были получены основные экспериментальные результаты в условиях, как лаборатории, так и животноводческих хозяйств и медицинских лечебных учреждений.
Рассмотрен атгоритм обработки сигналов и функциональная схема радиометра (авт. св. [32-35, 50]) для прецизионных измерений глубинной температуры и коэффициента отражения. Проведен анализ стабильности основных характеристик радиометра применительно к разработанному алгоритму обработки сигналов. Предложена конструкция антенны - аппликатора (авт. св. [49]), на базе которой в соответствии с выработанными рекомендациями и санитарными требованиями разработаны антенны для структурных измерений и профиля температуры. Описаны экспериментальные исследования и результаты измерений основных характеристик антенн - аппликаторов (КСВ, КПД, коэффициент рассеяния, модифицированные весовые функции).
Обсуждаются принципы создания твердых и жидких моделей биологических тканей для изготовления калибровочных эталонных излучателей. Предложен состав сред для жидких и твердых эталонных излучателей. Рассмотрены особенности температурной калибровки радиотермометра.
Предложена методика измерения весовых функций антенн в жидких средах. Разработана конструкция и изготовлен стенд для экспериментальных исследований весовых функций антенн - аппликаторов. По данным глубинных температур мышцы бедра человека, измеренных в условиях лаборатории с помощью трех антенн - аппликаторов на частоте 1,5 ГГц, с использованием экспериментально полученных на стенде значений весовых функций, был получен профиль температуры близкий к реальному.
Обсуждаются методики калибровки радиотермометра в режиме измерения структуры исследуемой среды. Показана реализация предложенных методик измерения и калибровки толщины слоев в трехслойной среде, состоящей из кожной, жировой и мышечной тканей. (Глава 4).
Используя разработанные методики и прибор, были проведены измерения глубинных температур в условиях медицинских учреждений, а также промышленных и сельскохозяйственных предприятий. Измерения подтвердили расчетные точности и высокую информативность полученных данных, а также показали, что разработанный прибор может использоваться вне экранированных помещений (больничные палаты, коровники и т.д.) и эксплуатироваться средним медицинским и техническим персоналом (Глава 5).
Электрические свойства биологических тканей
Дисперсия типа а наблюдается на низких частотах, порядка 100Гц. В этом диапазоне частот измерены значения проницаемости до 103. Для объяснения этой дисперсии было предложено несколько механизмов, включая эффект переноса через клеточную мембрану [17] и релаксацию ионной атмосферы вокруг каждой клетки [!8]. Клеточные мембраны, емкость которых составляет примерно 1 мкФ/см2, действуют как изоляционные слои, так что ток в среде может течь только снаружи клетки. Это создает на низких частотах низкую проводимость тканей и достаточно полный заряд - разряд мембран за период внешнего поля, что приводит к большим емкостям тканей и, клетки создается слой ионов с зарядом вполне определенного знака, к которым электрически притягиваются ионы противоположного знака, создавая тем самым вокруг клетки двухслойную ионную атмосферу. Под действием внешнего поля ионы могут перемещаться вдоль поверхности клетки. Возникает индуцированный дипольный момент, который увеличивает диэлектрическую проницаемость среды. Дисперсия типа (3 [18] объясняется основным строением клетки. У ткани с высоким содержанием воды внутренняя часть клетки и среда, окружающая ее снаружи, представляют собой проводящие водные жидкости, разделенные клеточной мембраной; проводимость и диэлектрическая проницаемость ниже, чем у разделяемых ею сред. Суспензия клеток представляет собой неоднородный материал, в котором наблюдается дисперсия эквивалентной проводимости и проницаемости, вызванная эффектом
Максвелла - Вагнера. В результате этого эффекта значение низкочастотной проницаемости неоднородного материала оказывается большим, чем значения проницаемости каждой отдельной части. Для типичных параметров клетки, время релаксации составляет х=2,7-108 с, что соответствует центральной частоте дисперсии около б МГц. В пределах СВЧ диапазона, в котором и осуществляется СВЧ - термометрия, имеет место дисперсия типа у (на частотах выше 1ГГц), где проводимость пропорциональна частоте, а диэлектрическая проницаемость обратно пропорциональна ей. Это вызвано полярными свойствами молекул свободной воды находящейся в биологических тканях, которые имеют частоту релаксации примерно 22 ГГц. 60002 1 + (0,015/Д)2 где 2 - длина волны в вакууме выраженная в м; $ - объемная часть фракции, занимаемая макромолекулами; а - проводимость См-м" ; сг0 - низкочастотная проводимость для частот 1ч-10 МГц. Этот параметр зависит от содержания соли и примерно равен половине низкочастотной проводимости физиологического раствора. Точность этой формулы - лучше, чем 10%. Поведение диэлектрических свойств тканей с малым содержанием воды качественно подобно тканям с высоким содержанием воды, однако величины диэлектрической проницаемости и проводимости на порядок меньше и имеют значительные количественные вариации. Это обусловлено тем, что неизвестно соотношение свободной и связанной воды в разных типах тканей. Имеется также большое разнообразие в тканях с низким содержанием воды. Поскольку свободная вода имеет высокие проводимость и диэлектрическую проницаемость по сравнению с жиром и связанной водой, то проводимость и проницаемость ткани могут значительно изменяться при незначительном изменении содержания в ней свободной воды. Это хорошо видно на рис. 1.4 [60]. Поэтому предложить формулы аналогичные (1.6) не предоставляется возможным. Содержание воды, % Частотные зависимости относительных вещественных диэлектрических проницаемостей и проводимостей, для тканей с высоким и низким содержанием воды приведены в таблице 1.1 и 1.2 [17]. Там же приведены значения коэффициента отражения (модуль и фаза) и глубины проникновения радиоволн в ткани.
Значения глубины даны по уровню мощности е 2. Величины диэлектрической проницаемости е и проводимости а могут также изменяться с температурой. В СВЧ диапазоне, где дисперсия мала, изменения составляют [17] Ле/е=2%/С, До/а= - 0,5%/С. Диэлектрические свойства тканей играют важную роль в оптимальном выборе рабочего диапазона частот, в определении отражения и передачи мощности от границы раздела различных сред, в решении ряда задач по определению интенсивности теплового излучения и нахождению глубинного распределения термодинамической температуры в биологическом объекте, а также при создании конструкции антенны - аппликатора. количественной оценки влияния диэлектрических, структурных и температурных характеристик исследуемой среды на ее яркостную температуру и излучательную способность рассмотрим, в приближении плоских волн, четыре модели: однородное полупространство с постоянной температурой по глубине; однородное полупространство с температурой изменяющейся по глубине; плавно-неоднородное полупространство с изменяющимися по глубине диэлектрическими свойствами и температурой; слоисто-неоднородное (стратифицированное) полупространство с изменяющейся температурой по глубине (слоям).
Для моделей в виде однородного полупространства где Я - коэффициент отражения по мощности на границе поверхности объекта, а Тг - радиационная температура. Коэффициенты отражения, для вертикальной и горизонтальной поляризации, в зависимости от угла визирования могут быть найдены по формулам Френеля [1]: ]е2 СО5 0 + -яп -е . 1 1 2 где Я, , Ки - коэффициент отражения мощности вертикальной и горизонтальной поляризаций излучения; - угол визирования, отсчитываемый от нормали к поверхности; е,, = г\2 - и"г - относительная комплексная диэлектрическая проницаемость среды 1 и 2; е{2- вещественная часть относительной комплексной диэлектрической проницаемости среды 1 и 2; - мнимая часть относительной комплексной диэлектрической проницаемости среды 1 и 2, которая может быть представлена в виде: где / - частота излучения Гц; с - скорость света в вакууме м-с"1; х, 2 - проводимость среды 1 и 2 (Ом-м)"1; Л - длина волны в вакууме (м). Для полупространства, заполненного биологической тканью с большим содержанием воды (кожа, мышцы, кровь и т.п. - / = 1,5 ГГц; е =49; а = 1,77 См-м"1 [17]) и для полупространства, заполненного биологической тканью с малым содержанием воды (жир, кости и т.п. - / = 1,5 ГГц; е =5,6; а =0,0714-0,171 См-м"1 [17]), по формулам (1.7), (1.8) и (1.9) были построены кривые излучательной способности, которые представлены на рис.1.5. Значения на графике приведены для вертикальной и горизонтальной поляризаций в зависимости от угла наблюдения. Для полупространства заполненного жировой тканью на каждой из поляризаций даны две кривые, соответствующие крайним значениям диапазона проводимости жира. Обсуждение этого графика отложим до раздела 1.4. 0,8 " 0,4 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Угол наблюдения град. Рис. 1.5. Излучательная способность полупространства жировой и кожной ткани в зависимости от угла наблюдения, для частоты 1,5ГГц. Угол наблюдения отсчитывается от нормали к поверхности. 8 - кожа; Б - жир; V - вертикальная поляризация; Ь - горизонтальная поляризация; 1 и 2 -для граничных значений возможных вариаций проводимости жира соответственно 0,071 и 0,171 См/м. 0,6 0,2 0,0 о Радиационная температура для первой модели (изотермическое полупространство) равна термодинамической температуре полупространства. Для второй модели (неизотермическое полупространство) радиационная температура Тг и яркостная температура Ть определяются выражениями со (1.10) ГА=(1-Л)[7Хг)г ехр(-у-) где Т(г)- функция распределения температуры по глубине объекта, координата 2 направлена перпендикулярно к поверхности объекта; у - коэффициент поглощения по мощности, который может быть выражен через диэлектрическую проницаемость среды
Эквивалентная схема системы антенна - среда
Анализ комплексной теоремы Пойнтинга (2.2) и структуры поля в системе антенна - среда позволяют представить модель системы в виде эквивалентной схемы, состоящей из двух комплексных сопротивлений, представляющих собой выходное сопротивление антенны и входное сопротивление радиометра. Будем считать, что поверхность интегрирования А стянута до поверхности антенной системы. Тогда можно написать, что спектральная плотность полной комплексной мощности, поступающая на входной разъем антенны, например, мощность шума входных цепей радиометра, равна (в дальнейшем в этой главе для краткости все спектральные плотности мощности, будем называть просто мощностью): где Р" - активная мощность, подводимая к разъему антенны; Рг - реактивная мощность, подводимая к разъему антенны; Р1 - комплексная мощность излучения антенны; Рк - комплексная мощность, рассеиваемая элементами конструкции антенны. Комплексная мощность излучения антенны может быть представлена через вектор Пойнтинга [16] а ее активную Р" и реактивную Рг составляющие можно разделить каждую еще на несколько частей, например, на мощности излучения в близлежащую область (зона 1) и оставшуюся область пространства простирающуюся до бесконечности (зона 2) где индексы " 1 "и"2" соответствуют одноименным зонам. Комплексная мощность Рк может быть представлена в виде суммы где Р" - активная составляющая, которая поглощается элементами конструкции антенны; Р/ - реактивная составляющая, которая обычно возникает вследствие наличия неоднородных элементов в конструкции антенны, например, в согласующе - симметрирующем устройстве, распределителе питания излучателя, самого излучателя и т.д. Таким образом, полную комплексную мощность, поступающую на входной разъем антенны можно представить в виде Входной импеданс антенны, например, для сечения входного разъема равен [16]: где J - эффективное значение тока в сечении входного разъема. Если в выражении (2.16) вместо полной мощности взять комплексную мощность излучения, то получим выражение для комплексного сопротивления излучения антенны в среду [16]
Аналогичным способом можно получить выражения для активных сопротивлений излучений в зоны 1, 2 и сопротивление потерь в элементах конструкции антенны Для полноты картины напишем так же выражения для реактивных сопротивлений Все эти сопротивления соединены последовательно между собой и составляют входной импеданс антенны Поэтому эквивалентная схема системы антенна - среда - вход радиометра может быть представлена в виде изображенном на рис. 2.2, где =гг + гхг- входной импеданс радиометра. В эквивалентной схеме рис.2.2 в соответствии с основными положениями флуктуационно - диссипационной теоремы действующие источники мощности радиотеплового излучения представлены в виде генераторов шума. Каждый генератор представляет собой последовательно соединенный источник ЭДС и комплексное сопротивление, нагретое до соответствующей шумовой температуры. Спектральная плотность среднего квадрата шумовой ЭДС каждого такого генератора может быть найдена по формуле Найквиста [61] где к - постоянная Больцмана, Г - температура активной части комплексного сопротивления, г - активная часть комплексного сопротивления. Если статистические характеристики мощности шумов входных цепей радиометра и мощности теплового излучения достаточно близки, то спектральную плотность мощности шумов входных цепей радиометра можно характеризовать шумовой температурой, а на эквивалентной схеме представить в виде генератора шума, образованного комплексным сопротивлением, нагретым до шумовой температуры. Спектральную плотность среднего квадрата ЭДС такого эквивалентного генератора можно получить, используя формулу (2.21). Величина активной части сопротивления излучения антенны важна с точки зрения сопоставления ее с величиной сопротивления потерь гк, определяющей мощность потерь в элементах конструкции антенны. При этом коэффициент полезного действия антенны равен [64] Иногда для оценки ближнего реактивного поля излучающей системы вводят коэффициент реактивности, который представляет собой отношение модуля комплексной мощности излучения антенны к активной излучаемой мощности [ 16] Антенны с большим коэффициентом реактивности q 10 обладают мощным реактивным полем и поэтому при работе в среде с поглощением обычно имеют значительную величину гх, что свидетельствует о значительном поглощении мощности средой в области ближней зоны. В аппликационных измерениях часто можно считать, что среда, например, биологического объекта, занимает полупространство расположенное перед рабочей поверхностью антенны. При этом некоторые типы антенн могут обладать заметным уровнем излучения в противоположное, свободное полупространство.
Оценить уровень этого излучения можно с помощью коэффициента рассеяния [64], [45], который может быть представлен в виде где Рр - комплексная мощность излучения в противоположное от рабочей поверхности, свободное полупространство. Этот вид излучения также может быть представлен в эквивалентной схеме путем введения еще одного комплексного сопротивления которое также подключено последовательно с имеющимися, = (2.26) N и генератора ЭДС. Для тепловой природы излучения этого пространства спектральная плотность среднего квадрата ЭДС может быть представлено в виде 7 = 4kTprfl, (2.27) где Т0 - радиационная температура среды пространства, расположенного противоположно рабочей поверхности антенны; к - постоянная Больцмана; rf
Измерение глубинной температуры в условиях теплообмена в системе антенна-среда
Предположим, что т] - постоянная величина и не зависит от частоты, а Г - может меняться в процессе измерений. Это условие хорошо выполняется, если г] достаточно близко к единице. Если предположить слабую частотную зависимость К/ п Г , что имеет место в действительности при использовании сверхширокополосных антенн - аппликаторов, то интегралы в (3.8) можно заменить коэффициентами: со ос Будем полагать, что интерференция подавлена до уровня, когда ей можно пренебречь, а коэффициент п « 0, тогда выражение (3.8) для приема излучения от объекта примет вид: Рассмотрим случай термодинамического равновесия, т.е. когда температуры всех действующих источников шума во входной части радиометра равны между собой Т = Тк = Г, ив соответствии с (3.9) можно написать из которого видно, что выходное напряжение радиометра не зависит от 7, Я, а КТр + С постоянная величина, которая может быть определена путем калибровки по двум эталонным излучателям. Таким образом, в точке термодинамического равновесия, можно осуществить весьма высокие точности определения температуры, причем нет необходимости знать величины 77, II. Иногда на практике не нужно знать точно абсолютное значение глубинной температуры объекта, а весьма важно знать выше или ниже измеряемая температура некоторого достаточно точно заданного уровня. Например, такая задача стоит при массовой разбраковке животных по их глубинной температуре на здоровых и больных, как при их содержании на фермах, так и перед убоем на мясокомбинатах.
Для решения этой задачи нужно выбрать температуру термодинамического равновесия равную заданному температурному уровню разбраковки. Наиболее просто это может быть осуществлено путем поддержания температуры согласованной нагрузки циркулятора, антенны - аппликатора и других элементов входной части радиометра на заданном уровне температурной разбраковки. При этом отклонения выходного напряжения радиометра в ту или иную сторону от значения при термодинамическом равновесии может являться соответствующей командой для сортировочного автомата [37]. Если предположить, что антенна - аппликатор обладает коэффициентом передачи очень близким к единице, то можно осуществить очень точные измерения глубинной температуры среды в условиях частичного термодинамического равновесия, когда Т = Т[ фТк. Для осуществления этого необходимо использовать вместо согласованной нагрузки циркулятора управляемый генератор шума с калиброванной мощностью на его выходе. Диапазон изменения выходной мощности должен быть выбран таким, чтобы можно было установить температуру шума на выходе генератора равной глубинной температуре среды. Эта методика измерения осуществлена в [12], где для измерения был использован модуляционный радиометр (см. Рис3.2). Модулятор с частотой несколько кГц поочередно, или подключает антенну - аппликатор к входу циркулятора, или создает в соединительной линии режим полного отражения мощности. Напряжения на выходе квадратичного детектора для каждого из периодов работы модулятора имеют вид: У такого радиометра при достижении термодинамического равновесия на выходе синхронного детектора появляется нулевое выходное напряжение. Таким образом, радиометр используется как нуль индикатор. Если в качестве нагрузки использовать генератор шума, у которого выходная мощность регулируется с помощью аттенюатора, то при достижении термодинамического равновесия на входе радиометра, измеряемая глубинная температура среды будет равна где Та/1 - температура аттенюатора; Т - температура генератора шума; т]ап - коэффициент передачи аттенюатора. Значение глубинной температуры среды определяется при достижении термодинамического равновесия по показаниям выходной температуры калиброванного аттенюатора генератора шума. Возможны и другие варианты выполнения регулируемых генераторов шума, например, у полупроводниковых генераторов шума можно регулировать их выходную мощность, изменяя величину постоянного тока протекающего через шумовой диод без изменения коэффициента передачи аттенюатора. В этом случае измеряемая глубинная температура среды будет связана, в общем случае, нелинейной зависимостью с величиной постоянного тока протекающего через шумовой диод. Такое построение генератора шума позволяет легко автоматизировать процесс измерения, путем введения замкнутого контура следящей системы. Однако в такой измерительной системе процесс измерения достаточно длительный. Ниже будет показано, что длительный контакт антенны со средой приводит к большим погрешностям измерения глубинной температуры. Существуют многие другие недостатки и дополнительные погрешности, присущие следящим системам. Возможности такого метода измерения глубинных температур ограничены, так как принципиально можно измерять глубинные температуры, величина которых равна шумовой температуре согласованной нагрузки циркулятора. Поэтому для использования этого метода при измерении низких температур, например, в криохирургии, нужно иметь охлаждаемую согласованную нагрузку циркулятора, что весьма неудобно в эксплуатации. Реальные значения коэффициента передачи антенны не равные единице могут вызвать значительные ошибки измерения глубинной температуры.
Пусть на выходе синхронного детектора модуляционного радиометра напряжение равно нулю. Система антенна - среда и входные цепи радиометра находятся при частичном термодинамическом равновесии. При этом будем считать, что антенна обладает реальным т] ф\,Яф 0 и элементы конструкции антенны - аппликатора находятся при температуре Тк. Температура согласованной нагрузки подобрана таким образом, чтобы на выходе радиометра было нулевое напряжение Поскольку г] ф 1, можно предположить, что температура согласованной нагрузки будет несколько отличаться от глубинной температуры среды так, что Ть =Т + ДТ . Подставляя это значение в (3.14) получим погрешности определения глубинной температуры Из этого выражения видно, что погрешность определения глубинной температуры среды зависит от коэффициента передачи антенны и разности температур среды и элементов конструкции антенны. Так, например, если 7 г-Г=5Ки 7 = 0,95, то Хорошие результаты могут быть получены другим путем, используя на входе радиометра квазитермодинамическое равновесие, т.е. когда прием радиотеплового излучения осуществляется вблизи термодинамического равновесия, без изменения в процессе измерений температуры согласованной нагрузки циркулятора. Для реализации такой методики определения абсолютного значения глубинной температуры среды, как известно, используется процедура измерения мощности собственного теплового излучения объекта и двух калибровочных эталонов. Будем полагать, что диэлектрические свойства сред калибровочных эталонов одинаковы. Поэтому 7, = г)2, К1 ( = К21 и л?, = Я2. Напишем выражения для выходных напряжений синхронного детектора модуляционного радиометра рис.3.2, соответствующих приему излучения от исследуемого объекта и двух эталонных излучателей:
Температурная калибровка радиотермометра и измерение электрических характеристик антенны - аппликатора
В теории антенн все свободное полупространство, расположенное перед раскрывом антенны, принято условно делить на три зоны - ближнюю, Френеля и Фраунгофера. Такое деление на зоны не только значительно облегчает приближенное решение электродинамической задачи о поле антенны, но и дает достаточно ясную картину структуры полей в этих зонах [16]. Прием мощности радиотеплового излучения антенной - аппликатором осуществляется, в общем случае, сразу из всех трех зон, если вообще допустить возможность деления на указанные зоны в среде с потерями, а не из одной только зоны Фраунгофера, как это обычно имеет место в радиоастрономии, радиосвязи и радиолокации. В среде с потерями понятие диаграмма направленности и связанные с ним другие удобные и физически ясные электрические характеристики антенн вовсе теряют физический смысл. Сопротивление излучения, коэффициент полезного действия и т.п., эти понятия должны быть уточнены или расширены для антенн - аппликаторов работающих в среде с электрическими потерями. К наиболее важным электрическим характеристикам антенны - аппликатора, которые оказывают наиболее сильное влияние на результаты измерения интенсивности радиотеплового излучения и последующего определения глубинного распределения термодинамической температуры среды можно отнести: входной импеданс антенны; рабочая полоса частот; неравномерность входного импеданса в рабочей полосе частот; коэффициент полезного действия; устойчивость характеристик антенны при вариациях вещественной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости биологической среды; весовая функция, определяющая глубинны приема радиотеплового излучения среды; разрешающая способность по поверхности; характер формируемого в ближней зоне поля (электрическое, магнитное, электромагнитная волна или их суперпозиция); распределение действующих и фиктивных электрических и "магнитных" токов в апертуре антенны - аппликатора; коэффициент рассеяния или помехозащищенность; наличие одной или нескольких, переключаемых стабильных характеристик фильтрации пространственного спектра волн. Расположение неоднородной среды с электрическими потерями в непосредственной близости к апертуре антенны оказывает очень сильное влияние на все электрические характеристики антенны. Иногда среда может даже выступать в роли составного звена самой конструкции антенны. Поэтому при анализе свойств антенн - аппликаторов и процессов передачи радиотеплового излучения среды в антенну - аппликатор необходимо рассматривать антенну - аппликатор и среду, как единую систему.
Синтез антенны - аппликатора с заданными характеристиками в значительной степени усложняется наличием вариаций вещественной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости неоднородной среды, сильной взаимозависимостью большинства параметров между собой и свойствами среды. Вещественная и мнимая части комплексной диэлектрической проницаемости среды особенно в ближней зоне оказывают наиболее сильное воздействие на основные характеристики антенны - аппликатора, так как здесь сосредоточены наибольшие напряженности электрического и магнитного полей. Многие параметра антенны - аппликатора приходится выбирать компромиссно. Например, для получения большой глубины приема радиотеплового излучения среды необходимо сформировать излучателем или системой излучателей плоскую или сфокусированную вогнутую волну. Это можно сделать только путем увеличения раскрыва апертуры антенны, что приведет к ухудшению разрешающей способности по поверхности и снижению помехозащищенности. Потребуются дополнительные меры по обеспечению согласования выходного импеданса антенны - аппликатора в заданной полосе частот, подбору фазы коэффициента отражения на входе радиометра для минимизации погрешностей измерения в условиях некоторого отличия диэлектрических свойств калибровочных эталонов и измеряемой среды. Для хорошей помехозащищенности антенны - аппликатора размер апертуры антенны должен быть много меньше четверти длины волны в воздухе. Необходимо исключить возможность затекания токов на наружную поверхность корпуса антенны - аппликатора. Важным фактором защиты от помех всей радиометрической системы и обеспечения ее работы без специальных экранированных помещений является правильный выбор рабочей частоты. По возможности желательно работать в полосе частот выделенных для работы пассивных систем Международным союзом по радиосвязи. С выбором рабочей частоты связано задание максимальной глубинны приема излучения и разрешающей способности.
При уменьшении рабочей частоты увеличивается глубина приема излучения, но уменьшается разрешающая способность. Антенну - аппликатор можно условно представить в виде излучателя, распределителя и согласующего устройства. Такое представление чисто условное, так как часто одни и те же элементы конструкции могут выполнять сразу несколько функций. Согласующее устройство предназначено для обеспечения режима питающей линии, как можно более близкого к бегущей волне во всей рабочей полосе частот. Распределитель антенны представляет собой конструкцию из проводников и диэлектриков и предназначен для получения необходимого закона распределения излучающего тока в пределах антенны, обеспечивающего формирование требуемой характеристики направленности, или при приеме обеспечивает заданную характеристику фильтрации пространственного спектра волн. Излучающая система представляет собой область пространства, заполненную токами, которые возбуждают электромагнитные волны. В качестве излучающей системы могут фигурировать как реальные электрические токи, текущие по металлической поверхности, так и эквивалентные фиктивные электрические и «магнитные» токи на замкнутых поверхностях окружающих антенну, а также токи электрической и магнитной поляризаций в объемах, занимаемых диэлектриками и магнитодиэлектриками. В процессе конструирования антенн - аппликаторов необходимо принимать во внимание на ряду с электрическими и конструктивные требования, предъявляемые к ним. Конструкция антенны - аппликатора в основном должна: удовлетворять санитарно-гигиеническим нормам потребителя; быть технологична в серийном производстве; обладать достаточной механической прочностью и герметичностью; исполнение должно быть пыле - водонепроницаемым; иметь защиту от статического электричества; обеспечивать возможность установки датчиков температуры на излучатель; обеспечивать слабое тепловое возмущение контактируемой области среды; или должна быть предусмотрена возможность установки атрибутов системы термостатирования излучателя для прецизионных измерений.
