Radiometr mikrofalowy

RADIOMETR MIKROFALOWY
(wybrane zagadnienia)
Opracowanie :
dr inż. Waldemar Susek
dr inż. Adam Konrad Rutkowski
1
RADIOMETR MIKROFALOWY
Wprowadzenie
Wszystkie ciała o temperaturze większej od 0K emitują promieniowanie
elektromagnetyczne i pochłaniają energię elektromagnetyczną z otaczającej
przestrzeni. Energetyczną zdolność emisyjną ciała doskonale czarnego
przedstawia wzór Plancka:
r( f ,T ) =
2πf 2
c2
⋅
hf
⎛ hf ⎞
exp⎜ ⎟ − 1
⎝ kT ⎠
(1)
gdzie: c [m/s] - prędkość światła, T [K]- temperatura ciała, f [Hz] - częstotliwość
h [Js]- stała Plancka, k [J/K]- stała Boltzmana.
Dla ciała doskonale czarnego gęstość widmowa luminancji energetycznej b jest
związana z jego zdolnością emisyjną r(f,T) zależnością b=r/π .
b [pW/(m srHz)]
2
1
-1
10
-2
10
10-3
Termografia mikrofalowa
-4
zakres widzialny
10
-5
10
10-6
10-7
zakres radiowy
10-8
zakres podczerwieni
Częstotliwość [Hz]
-9
10
8
10
9
10
10
10
11
10
12
10
10
13
10
14
1015
Rys.1 Gęstość widmowa luminancji energetycznej ciała doskonale
czarnego w temperaturze 310 K.
2
W zakresie mikrofalowym gęstość luminancji jest wprost proporcjonalna do
temperatury T tego ciała.
b≅
2kTf 2
c2
(1)
Radiometry mikrofalowe mogą więc funkcjonować jako swoiste mierniki
temperatury Dokonują one pomiaru mocy promieniowania termicznego
emitowanego przez dane ciało. Ze względu na sposób pomiaru mocy szumu
termicznego, do którego sprowadza się w zasadzie pomiar temperatury,
radiometry mikrofalowe można podzielić na kompensacyjne i modulacyjne
(Dicke’a). W grupie radiometrów modulacyjnych na wyróżnienie zasługują
radiometry zrównoważone oraz radiometry z kompensacją współczynnika
odbicia. W rozwiązaniach układowych radiometrów modulacyjnych wejście
odbiornika przełączane jest z częstotliwością kilkuset Hz pomiędzy wejściem
antenowym a źródłem sygnału odniesienia, którym zwykle jest sterowane
elektronicznie źródło szumów. Następuje w ten sposób zaznaczenie szumów
odebranych przez antenę, co umożliwia odróżnienie ich od szumów sytemu
odbiorczego, oraz określenie ich wielkości w odniesieniu do znanego poziomu
szumów generatora wzorcowego. Tak zmodulowany sygnał poddawany jest
wzmocnieniu i kwadratowej detekcji w detektorze mikrofalowym. Amplituda
sygnału wyjściowego detektora niesie informację o wielkości i kierunku zmian
mocy szumów wprowadzanych do anteny w relacji do mocy szumów generatora
odniesienia.
3
Układy radiometrów mikrofalowych
Radiometry kompensacyjne
Schemat typowego miernika mocy szumów, mierzącego całkowitą moc
szumów pochodzących od anteny oraz od samego odbiornika, przedstawiono na
rys. 2.
T A+ΔT
TR
U we
Wzmacniacz
w.cz.
Detektor
kwadratowy
Wzmacniacz
m.cz.
FDP
U wy ∝ ΔT
-U sys
Rys. 2. Schemat blokowy radiometru kompensacyjnego
Odbiornik tego typu, choć nie jest obecnie szeroko stosowany, zawiera
podstawowe bloki bardziej złożonych radiometrów, zatem można go uznać za
układ bazowy. Układ ten charakteryzuje się liniową zależnością sygnału
wyjściowego od mocy sygnału wejściowego (wykorzystanie detektora
kwadratowego). Część wyjściowego napięcia stałego zależną od średniej
temperatury systemu można skompensować poprzez doprowadzenie takiego
samego, co do wartości napięcia −U sys do pierwszego stopnia wzmacniacza
małej częstotliwości i w efekcie sygnałem wyjściowym jest napięcie wprost
proporcjonalne do przyrostu mocy szumów odbieranych przez antenę.
Fluktuacje wygładzane są za pomocą filtru dolnoprzepustowego o skutecznym
paśmie przenoszenia rzędu ułamków herca.
4
Radiometry modulacyjne
Wpływ fluktuacji skutecznej wejściowej temperatury szumów radiometru
związanej m.in. z niestabilnością wzmocnienia można zredukować, jeśli wejście
odbiornika będzie w sposób ciągły przełączane pomiędzy anteną a wzorcowym
źródłem szumów z częstotliwością dostatecznie dużą w stosunku do
częstotliwości fluktuacji szumów własnych radiometru. Zasadę tę po raz
pierwszy wprowadził w 1946 r. R. H. Dicke. Schemat blokowy odbiornika
Dicke’a przedstawiony jest na rys. 3.
Wejście odbiornika jest kluczowane między anteną a obciążeniem odniesienia
z częstotliwością fK. Jeśli poziom mocy szumów źródła odniesienia PNC = kTC Bw.cz.
jest różny od mocy szumów pochodzących od anteny PNA = k (TA + ΔT )Bw.cz. , to
sygnał wejściowy wzmacniacza w.cz. jest zmodulowany amplitudowo
z częstotliwością fK. Sygnał ten jest demodulowany w mikrofalowym detektorze
kwadratowym i doprowadzany do detektora synchronicznego. Jeśli
częstotliwość kluczująca fK jest duża w porównaniu z częstotliwością fluktuacji
szumów własnych radiometru, można przeprowadzić detekcję synchroniczną
sygnału eliminującą wpływ szumów radiometru na jego czułość.
TA+ΔT
Wzmacniacz
w.cz.
TC
Detektor
kwadratowy
Wzmacniacz
m.cz.
Detektor
synchroniczny
FDP
Uwy
Generator
kluczujący
fK = 500Hz
Rys. 3. Schemat blokowy odbiornika Dicke’a (radiometru modulacyjnego).
5
Radiometry zrównoważone z kompensacją współczynnika odbicia
W radiometrach Dicke’a sygnał wyjściowy zawierający informację
o temperaturze jest proporcjonalny do wzmocnienia Gw.cz. radiometru. Z tego
powodu wymagana jest długoterminowa stabilność wzmocnienia i okresowe
kalibrowanie radiometru w oparciu o wzorcowe źródło szumów. Istotny jest
również fakt, że odczyty w radiometrach Dicke’a zależą nie tylko od efektywnej
temperatury szumowej ciał poddawanych pomiarowi, ale również od
niedopasowania pomiędzy anteną a tkanką. Z tego względu radiometry Dicke’a
muszą być poddawane rekalibracji praktycznie przed każdym pomiarem.
Eliminację błędów pomiaru wynikających z fluktuacji wzmocnienia można
uzyskać, stosując radiometr w układzie zrównoważonym, z wewnętrznym
sterowanym źródłem szumów. Schemat blokowy takiego radiometru,
posiadającego ponadto właściwości kompensacji współczynnika odbicia na
granicy antena – obiekt, przedstawiono na rys. 4. W radiometrze tym moc
wejściowa porównywana jest z mocą lokalnego generatora szumów. Skutkiem
samorównoważenia się urządzenia, moc z generatora lokalnego zrównywana
jest z mocą wejściową, a napięcie na wyjściu filtru dolnoprzepustowego zmierza
do zera.
Generator
kluczujący
CF
antena
Odbiornik
przełącznik
FDP
detektor
synchroniczny
Generator
szumów
sygnał
błędu
Mikroprocesor
Rys. 4. Schemat blokowy radiometru z kompensacją współczynnika odbicia.
6
Rys.5. Mapa termiczna okolic serca pacjenta A
zarejestrowana za pomocą radiometru mikrofalowego
Rys.6. Mapa termiczna okolic serca pacjenta B
zarejestrowana za pomocą radiometru mikrofalowego.
7