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 ) πf = c exp 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. hf hf kt 1 (1) 1 10-1 b [pw/(m srhz)] 10-10 -3 10-4 Termografia mikrofalowa 10-5 10-6 10-7 10-8 zakres radiowy zakres podczerwieni zakres widzialny 10-9 10 8 10 9 10 10 10 11 10 1 10 13 10 14 10 15 Częstotliwość [Hz] Rys.1 Gęstość widmowa luminancji energetycznej ciała doskonale czarnego w temperaturze 310 K.
W zakresie mikrofalowym gęstość luminancji jest wprost proporcjonalna do temperatury T tego ciała. ktf b (1) c 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.. T A +ΔT T R U we w.cz. Detektor kwadratowy m.cz. FDP U wy ΔT -U sys Rys.. 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 f K. Jeśli poziom mocy szumów źródła odniesienia PNC = ktc Bw.cz. jest różny od mocy szumów pochodzących od anteny P NA = k ( T A + ΔT ) B w.cz., to sygnał wejściowy wzmacniacza w.cz. jest zmodulowany amplitudowo z częstotliwością f K. Sygnał ten jest demodulowany w mikrofalowym detektorze kwadratowym i doprowadzany do detektora synchronicznego. Jeśli częstotliwość kluczująca f K jest duża w porównaniu z częstotliwością fluktuacji szumów własnych radiometru, można przeprowadzić detekcję synchroniczną sygnału eliminującą wpływ szumów radiometru na jego czułość. T A +ΔT w.cz. Detektor kwadratowy m.cz. Detektor synchroniczny FDP U wy T C Generator kluczujący f K = 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 G w.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. antena CF Odbiornik Generator kluczujący FDP przełącznik Generator szumów Mikroprocesor detektor synchroniczny sygnał błędu 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