Многоканальный радиотермограф

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для многоканального контактного измерения радиотеплового излучения тел, в частности в медицине для определения температурного поля внутренних тканей человека. Изобретение позволяет уменьшить абсолютную погрешность измерения поля радиотепловых температур объекта. Это достигается тем, что в состав многоканального радиотермографа дополнительно введены 2N СВЧ-выключателя, 2N-1 циркулятора, делитель частоты на n, счетчик, регистр, цифроаналоговый преобразователь, оперативное запоминающее устройство, дешифратор, демультиплексор, N аналоговых запоминающих ячеек, N-1 согласованная нагрузка, термоэлектрохолодильник и датчики температуры. Введенные существенные отличия позволяют реализовать режим работы многоканального радиотермографа без переходных процессов при переключении антенных каналов и измерять с его помощью динамические температурные процессы с постоянной релаксации, равной постоянной времени согласованных нагрузок. 1 ил.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для многоканального контактного измерения радиотеплового излучения тел, в частности в медицине, для измерения температурного поля внутренних тканей человека.

Известны многоканальные радиотермографы, например совместной разработки Института электроники Академии наук Болгарии и ИРЭ АН СССР (Экспресс-информация. Радиоэлектроника за рубежом, НИИЭИР, 1990, вып. 5, с. 21), который содержит последовательно соединенный циркулятор, усилитель высокой частоты, полосовой фильтр, детектор, делитель низкой частоты и процессор, причем первый вход циркулятора соединен с выходом многопозиционного СВЧ-переключателя, а второй вход через аттенюатор соединен с генератором шума. Многопозиционный переключатель коммутируется с частотой 2 кГц между восемью антеннами и двумя нагрузками 50 и 75 Ом.

Недостатком такого радиотермографа является большая погрешность измерения радиотеплового излучения объекта, присущая ненулевым радиометрам, так как при таком построении радиометра его показания будут зависеть от коэффициента отражения поверхности тела.

Наиболее близким из известных многоканальных радиотермографов является радиотермограф, реализующий нулевой метод измерения радиотепловой температуры (Многоканальный радиотермограф для медицинского применения. Тезисы докладов регионального научно-технического семинара "Радиолокационные методы в научных исследованиях, народном хозяйстве и медицине" г. Каменск-Уральский, 1989, с. 41-42). Этот известный радиотермограф содержит последовательно соединенные многопозиционный СВЧ-переключатель, вход которого коммутирует ряд антенн, циркулятор, радиометрический приемник, компаратор, элемент "исключающее ИЛИ", реверсивный счетчик, цифроаналоговый преобразователь и термоэлектрохолодильник, генератор модулирующего сигнала, выход которого соединен с управляющим входом многопозиционного переключателя и элемента "исключающее ИЛИ", генератор тактовой частоты, выход которого соединен с третьим входом циркулятора, и датчик температуры, причем термоэлектрохолодильник, согласованная нагрузка и датчик температуры находятся между собой в тепловом контакте. Выходом радиотермографа является выход датчика температуры.

Недостатком такого радиотермографа является высокая погрешность измерения, обусловленная переходными процессами при переключении антенн. Время перехода состояния реверсивного счетчика от одного значения радиотепловой температуры n-й антенны Tn1 к другому значению Tn2 определяется частотой тактового генератора, разрядностью реверсивного счетчика и постоянной времени согласованной нагрузки. Постоянная времени согласованной нагрузки в настоящее время не может быть уменьшена до величины менее τ_min 0,6 с. Следовательно, такой радиотермограф практически не пригоден вследствие большой погрешности для измерения быстрых процессов со временем релаксации τ_p менее 3τ_minN, где N-число каналов. Для 12-канального прибора τ_p 21,6 с. Для более медленных процессов наличие переходных процессов приводит к уменьшению эффективного времени усреднения на величину 3 и, как следствие, к увеличению флюктуационной ошибки.

Цель изобретения уменьшение абсолютной погрешности измерения поля радиотепловых температур объекта за счет исключения переходных процессов.

Для этого в многоканальный радиотермограф, содержащий N антенн, циркулятор, последовательно соединенные радиометрический приемник и компаратор, последовательно соединенные генератор тактовой частоты и реверсивный счетчик, термоэлектрохолодильник и находящиеся с ним в тепловом контакте датчик температуры и согласованную нагрузку, выход которой соединен с вторым входом циркулятора, цифроаналоговый преобразователь, введены дополнительно 2N СВЧ-выключателей, первые N из которых соединены входами с выходами соответствующих антенн, 2N-1 циркулятора, входы которых вместе с первым циркулятором соединены с выходами соответственно первых N СВЧ-выключателей, а выходы соединены соответственно с входом радиометрического приемника, последовательно соединенные делитель частоты на n, вход которого соединен с выходом генератора тактовой частоты, и счетчик, оперативное запоминающее устройство, дешифратор, демультиплексор, последовательно соединенные регистр, вход которого соединен с выходом оперативного запоминающего устройства и второй цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с вторым входом компаратора, находящиеся между собой в тепловом контакте N-1 термоэлектрохолодильник, N-1 датчик температуры и N-1 согласованная нагрузка, выходы которых соединены с вторыми входами циркуляторов с 2-го по N-й соответственно, N аналоговых запоминающих ячеек, выходы которых соединены с входами термоэлектрохолодильников с 1-го по N-й соответственно, причем выход генератора тактовой частоты соединен также с счетным входом реверсивного счетчика, выход делителя частоты на n соединен также с вторым входом, а выход оперативного запоминающего устройства с третьим входом реверсивного счетчика, выход которого соединен с входом оперативного запоминающего устройства и первого цифроаналогового преобразователя, выход делителя частоты на n соединен также и с вторым входом оперативного запоминающего устройства, выход первого цифроаналогового преобразователя соединен также с входом демультиплексора, выходы регистров счетчика, начиная со второго, соединены с адресными входами оперативного запоминающего устройства, управляющими входами демультиплексора и дешифратора, а выход первого регистра счетчика соединен с вторыми входами СВЧ-выключателей с 1-го по N-й, первым адресным входом оперативного запоминающего устройства и вторым входом регистра, выходы дешифратора с 1-го по N-й соединены с вторыми входами СВЧ-выключателей с N + 1-го по 2 N-й соответственно, выходы датчиков температуры являются выходами многоканального радиотермографа.

Введенные изменения позволяют исключить влияние переходных процессов в приемнике, согласованных нагрузках и реверсивном счетчике, возникающие при переключении сигнала, поступающего с каждой из N антенн на вход приемника радиотермографа. При этом значения сигнала на каждом такте модуляции запоминаются в цифровом виде в ОЗУ и в аналоговом виде в соответствующих аналоговых запоминающих устройствах. Аналоговые значения сигналов используются между тактами подключения для поддержания температур согласованных нагрузок, соответствующих предыдущему такту подключения канала. Значения сигналов, хранящихся в ОЗУ, используются для перезаписи состояния реверсивного счетчика в начале такта модуляции, в результате состояние реверсивного счетчика всегда соответствует тому антенному каналу, который в данный момент подключен к радиометрическому приемнику.

Дополнительно введенные регистр и второй цифроаналоговый преобразователь позволяют обеспечить измерение сигналов рассогласования между амплитудами шумовых сигналов антенн и согласованных нагрузок, что позволяет избежать взаимного влияния сигналов различных каналов после детектирования и тем самым исключить переходные процессы в радиометрическом приемнике, определяемые нижней частотой его полосы пропускания.

Введенные счетчик, ОЗУ, демультиплексор и дешифратор позволяют выполнить всю совокупность операций коммутаций и перезаписи сигналов после синхронного детектирования. В результате исключаются переходные процессы в выходном сигнале каналов и, следовательно, уменьшается абсолютная погрешность измерения поля радиотепловых температур.

На чертеже изображена блок-схема многоканального радиотермографа.

Многоканальный радиотермограф содержит N антенных каналов, причем каждый i-й канал состоит из последовательно соединенных i-й антенны 7(i-1)+1, i-го СВЧ-выключателя 7(i-1)+2, i-го циркулятора 7(i-1)+3 и (N+i)-го СВЧ-выключателя 7(i-1)+4, последовательно соединенных i-й аналоговой запоминающей ячейки 7(i-1)+5 и i-го термоэлектрохолодильника 7(i-1)+6, который находится в тепловом контакте с i-й согласованной нагрузкой 7(i-1)+7, выход которой соединен с входом i-го циркулятора 7(i-1)+3, а также содержит последовательно соединенные радиометрический приемник 7(N-1)+8, компаратор 7(N-1)+9, реверсивный счетчик 7(N-1)+10 и оперативное запоминающее устройство 7(N-1)+11, выход которого соединен также с вторым входом реверсивного счетчика 7(N-1)+10, последовательно соединенные первый цифроаналоговый преобразователь 7(N-1)+12, вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика 7(N-1)+10 и демультиплексор 7(N-1)+13, выходы которого с 1-го по N-й соединены с входами соответствующих аналоговых запоминающих устройств от 5-го до 7(N-1)+5-го включительно, содержит также последовательно соединенные генератор тактовой частоты 7(N-1)+14, выход которого подключен также к счетному входу реверсивного счетчика 7(N-1)+10, делитель частоты на n 7(N-1)+15, выход которого соединен также с вторым входом реверсивного счетчика 7(N-1)+10 и вторым входом оперативного запоминающего устройства 7(N-1)+11 и счетчик 7(N-1)+16, выходы регистров которого с 2-го по N-й соединены с управляющими входами дешифратора 7(N-1)+17, демультиплексора 7(N-1)+13 и адресными входами с 2-го по N-й оперативного запоминающего устройства 7(N-1)+11, содержит также последовательно соединенные регистр 7(N-1)+18, вход которого соединен с выходом оперативного запоминающего устройства 7(N-1)+11 и второй цифроаналоговый преобразователь 7(N-1)+19, выход которого соединен с вторым входом компаратора 7(N-1)+9, первым адресным входом оперативного запоминающего устройства 7(N-1)+11 и вторым входом регистра 7(N-1)+18, а выход первого регистра соединен с вторыми входами СВЧ-выключателей с 1-го по N-й и первым адресным входом оперативного запоминающего устройства 7(N-1)+11 и вторым входом регистра 7(N-1)+18.

Многоканальный радиотермограф работает следующим образом.

Сигнал генератора тактовой частоты 7(N-1)+14, проходя через делитель частоты 7(N-1)+15 с частотой модуляции f_m, поступает на вход счетчика 7(N-1)+16, второй вход реверсивного счетчика 7(N-1)+10 и второй вход оперативного запоминающего устройства 7(N-1)+11. В результате воздействия предыдущих тактов модуляции в счетчике 7(N-1)+16 образуется значение, которое преобразуется в дешифраторе 7(N-1)+17 в логический сигнал с состоянием на одном из выходов "1", а на остальных "0". Например, если на первом выходе "1", то N+1-й СВЧ-выключатель 4 открыт, а все остальные с N+2-го по 2 N-й закрыты, в результате на вход радиометрического приемника в зависимости от значения сигнала на выходе первого регистра счетчика 7(N-1)+16 подключается либо первая антенна 1, либо первая согласованная нагрузка 7, т.е. на каждый такт модуляции fm/4 N+1-го СВЧ-выключателя приходятся два такта модуляции 1-го СВЧ-выключателя fm/2. С частотой fm/2 происходит также запись в ОЗУ содержимого реверсивного счетчика 7(N-1)+10, в котором хранится значение разности шумовых температур на входе радиометрического приемника 7(N-1)+8 в текущем такте модуляции частоты fm/2 и шумовой температурой первой согласованной нагрузки 7.

В случае, если открыт первый СВЧ-выключатель 2, при открытом N+1-м СВЧ- выключателе 4 сигнал с выхода первой антенны 1 поступает на вход радиометрического приемника 7(N-1)+8, в котором гетеродинируется, детектируется, усиливается и в виде шумового видеосигнала Ua1 поступает на вход компаратора 7(N-1)+9 и одновременно в реверсивный счетчик 7(N-1)+10 записывается значение среднего уровня шумового сигнала, поступавшего с первой антенны 1 в период ее предыдущего подключения. На выходе компаратора 7(N-1)+9 при превышении порога шумовым видеосигналом Ua1 образуется уровень логической "1", в противном случае уровень логического "0". Запись в реверсивный счетчик 7(N-1)+16 производится с частотой сигнала генератора тактовой частоты 7(N-1)+14 fт >> fm. В результате к концу рассматриваемого такта модуляции изменение Δ^A1_pc содержимого реверсивного счетчика пропорционально разности значения порога компаратора и среднего значения сигнала, поступающего с первой антенны, записывается в ОЗУ 7(N-1)+11.

В следующий такт модуляции fm/2 (первый СВЧ-выключатель 2 закрыт) значение Δ^A1_рс, хранящегося в ОЗУ 7(N-1)+11, записывается в регистр 7(N-1)+18 и преобразуется во втором цифроаналоговом преобразователе 7(N-1)+19 в новое значение порога компаратора 7(N-1)+9. В этот такт времени сигнал с первой согласованной нагрузки 7 через первый циркулятор 3, N+1-й СВЧ-выключатель 4 и радиометрический приемник 7(N-1)+8 поступает на вход компаратора 7(N-1)+9, в результате в реверсивном счетчике 7(N-1)+10 накапливается сигнал рассогласования Δ^CH_рс¹ между уровнем порога компаратора 7(N-1)+9 и сигналом первой согласованной нагрузки 7, который в конце такта модуляции записывается в ОЗУ 7(N-1)+11. Преобразованное в первом цифроаналоговом преобразователе 7(N-1)+12 значение Δ^CH_pc¹ поступает через демультиплексор 7(N-1)+13 и первую аналоговую запоминающую ячейку 5 на вход термоэлектрохолодильника 6, в результате чего температура первой согласованной нагрузки повышается (понижается) до значения, равного радиотепловой температуре тела, находящегося в зоне приема первой антенны 1.

При подключении других антенных каналов к входу радиометрического приемника многоканальный радиотермограф работает аналогичным образом. В периоды между подключениями i-го антенного канала температура i-й согласованной нагрузки поддерживается сигналом с i-й аналоговой запоминающей ячейки. Температура согласованных нагрузок с i-й по N-ю измеряется соответствующими датчиками температуры, выходы которых являются выходами многоканального радиотермографа, на которых образуется сигнал, пропорциональный температуре участка объекта, контактирующих с антенной.

Предлагаемый многоканальный радиотермограф имеет погрешность измерения поля радиотепловых температур в 2 10 раз меньшую в зависимости от отношения постоянной релаксации процесса и постоянных времени радиотермографов по сравнению с разработанным и изготовленным по заказу ИРЭ АН СССР на УПКБ "Деталь" (г. Каменск-Уральский).

Формула изобретения

Многоканальный радиотермограф, содержащий N антенн, циркулятор, радиометрический приемник, подключенный к первому входу компаратора, последовательно соединенные генератор тактовой частоты и реверсивный счетчик, выход которого соединен с входом цифроаналогового преобразователя, термоэлектрохолодильник и находящиеся с ним в тепловом контакте датчик температуры и согласованную нагрузку, выход которой соединен с вторым входом циркулятора, отличающийся тем, что в него введены 2N СВЧ-выключателей, первые N из которых соединены входами с выходами соответствующих антенн, 2N 1 циркуляторов, входы которых вместе с первым циркулятором соединены соответственно с выходами первых N СВЧ-выключателей, а выходы соответственно с входами СВЧ-выключателей с (N + 1)-го по 2N-й, выходы которых соединены с входом радиометрического приемника, последовательно соединенные делитель частоты, вход которого соединен с выходом генератора тактовой частоты, и счетчик, а также оперативное запоминающее устройство, дешифратор, демультиплексор, последовательно соединенные регистр, вход которого соединен с выходом оперативного запоминающего устройства, и второй цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с вторым входом компаратора, находящиеся между собой в тепловом контакте N 1 термоэлектрохолодильников, N 1 датчиков температуры и N 1 согласованных нагрузок, выходы которых соединены с вторыми входами циркуляторов с второго по N-й соответственно, N аналоговых запоминающих ячеек, выходы которых соединены с входами термоэлектрохолодильников с первого по N-й соответственно, причем выход генератора тактовой частоты соединен также со счетным входом реверсивного счетчика, выход делителя частоты с вторым входом, а выход оперативного запоминающего устройства с третьим входом реверсивного счетчика, выход которого соединен с входом оперативного запоминающего устройства, выход делителя частоты с вторым входом оперативного запоминающего устройства, выход первого цифроаналогового преобразователя с входом демультиплексора, выходы которого соединены соответственно с входом каждой аналоговой запоминающей ячейки, при этом выходы регистров счетчика, начиная с второго, соединены с адресными входами оперативного запоминающего устройства, управляющими входами демультиплексора и дешифратора, а выход первого регистра счетчика с вторыми входами СВЧ-выключателей с первого по N-й, первым адресным входом оперативного запоминающего устройства и вторым входом регистра, выходы дешифратора с первого по N-й соединены с вторыми входами СВЧ-выключателей с (N + 1)-го по 2 N-й соответственно, при этом выходы датчиков температуры являются выходами многоканального радиотермографа, где N 2, 3, 4

РИСУНКИ

Рисунок 1