Диссертация (1025404), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Такоетехническое решение не вызывает каких-либо проблем при исследованиях, вкоторыхтребуетсявыполнятьодноразовуюоценкурадиояркостнойтемпературы тела [210]. Для мониторирования функциональных процессов втканях головного мозга в диапазоне частот от 650 до 850 МГц такие решения неприемлемы из-за того, что достаточно большие габариты конструктивногомодуля в дециметровом диапазоне длин волн не позволяют размещать его наголовебезформированияформированияизмененийфизиологическихкровоснабженияартефактовв зонах(например,установкиантенн-аппликаторов): масса модуля для одного радиометрического приемника в этомслучае будет не менее 350 грамм и определяется, в основном, массойциркулятора.Поэтомуцелесообразномеждуантенной-аппликаторомициркулятором ввести кабель длиной (30 – 50) см.
В этом случае условияинвариантностиошибкиизмерениярадиояркостнойтемпературыоткоэффициента отражения АА с телом, полученные в [211], не выполняются.РассмотримтермобалансаодинСВЧизвозможныхрадиотермографа,вариантоввкоторойпостроенияошибкусхемыизмерениярадиояркостной температуры тела Тх можно обеспечить в заданных пределах.60На Рис. 2.13 приведена эквивалентная структурная схема такогорадиотермографа, который далее будем называть модифицированным.Рис.2.13. Структурная схема модернизированного СВЧ радиотермографа.Ключевым вопросом любого радиометрического измерения являетсяобеспечение минимальной ошибки оценки радиояркостной температуры Тx, т.е.разности между Тя и ее оценкой, реализуемой СВЧ радиотермографом.
В нашемслучаетакойоценкойявляетсятемпературасогласованнойнагрузкициркулятора ТСН.Контактный модифицированный СВЧ радиотермограф является такжемодуляционным, но в отличие от представленного на Рис. 2.12: междумодуляторомициркуляторомвключеныпоследовательносоединенные коаксиальный кабель и аттенюатор; модулятор является не выключателем, а переключателем и в режиме, когдаантенна-аппликатор отключена от радиометрического приемника, выполняетфункцию короткозамыкателя для коаксиального кабеля.Для организации измерения радиояркостной температуры тела Тх вмодифицированном СВЧрадиотермографаформируютсядварежимаавторегулирования.
В первом режиме контакты 1 и 2 модулятора соединены,контакты 2 и 3 разомкнуты и сигнал радиояркостной температуры Тх послесоответствующих преобразований поступает на вход радиометрическогоприемника (точка В на Рис. 2.13). Во втором режиме – контакты 2 и 3соединены, а контакты 1 и 2 разомкнуты: в этом случае сигнал61радиояркостной температуры Тх от входа радиометрического приемникаотключен, а сигнал термоуправляемой согласованной нагрузки отражается отконтакта 3.Причемтаккак контакт 3модуляторасоединенсэкраномкоаксиального кабеля, то во втором режиме нагрузкой модулятора являетсякороткозамыкатель. В СВЧ радиотермографе (как на Рис. 2.12) во второмрежиме авторегулирования модулятор работает в режиме холостого хода.Использование во втором режиме авторегулирования короткозамыкателя вкачестве нагрузки модулятора обеспечивает наибольший уровень отражениясигнала от электрода 3.Подтверждением этого являются результаты измерения коэффициентаотражения Г для переключателя, реализованного на интегральной схемеAnalog Device ADG904.
Представленные на Рис. 2.14. результаты измерениявыполнены с помощью векторного анализатора цепей National InstrumentsPXIe-5630.Рис. 2.14. Результаты измерений коэффициента отраженияпереключателя Analog Device ADG904.62Запишем уравнение авторегулирования первого режима с учетом потерьв СВЧ элементах схемы термобаланса, причем кабель и аттенюатор будем ф.л.рассматривать как совмещенную фидерную линию с потерямии термодинамической температурой Тф.л.:(1)B= (1 − Г2 )(1 − а )(1 − кл ) (1 − ф.л. ) (1 − ц1 ) +СН (1 − ц2 ) (1 − ф.л. ) (1 − кл )(1 − а )Г2х (1 − а )(1 − кл ) (1 − ф.л.
) (1 − ц1 ) + + кл γкл + ф.л. γф.л. + ц1 γц1 + ц2 γц2 .(2.6)Здесь и далее а , кл , ф.л. , ц1 , ц2 , к.з. – потери в АА, ключе, фидере,первомивторомплечеа , кл , ф.л. ,ц1 , ц2 ,к.з. –циркулятораихикороткозамыкателя,термодинамическиеатемпературы,соответственно.Во втором режиме авторегулирования уравнение, описывающее этотпроцесс, будет иметь следующий вид:(2)B= СН (1 − ц2 ) (1 − ф.л. ) (1 − ф.л. ) (1 − ц1 )(2.7)Для удобства записи введем следующие обозначения:С1 = (1 − а )(1 − кл ) (1 − ф.л.
) (1 − ц1 );2С2 = (1 − ц2 ) (1 − ф.л. ) (1 − ц1 );22С3 = (1 − кл ) (1 − а ) ;( )эл = + кл γкл + ф.л. γф.л. + ц1 γц1 + ц2 γц2 .(1)Тогда, при условии равновесия достигается равенство сигналов B=(2)B , откуда можно найти:СН =Х (1−Г2х )С1 +()элС2 [1−С3 Г2х ](2.8)Проведем численное моделирование ошибки измерений флуктуацийрадиояркостной температуры тела Тх , определяемой как = Tx TСН при разныхзначениях потерь в его элементах и разных значениях коэффициента отраженияГ2х от границы АА – тело в программе реализованной в среде MATLAB. При этом63флуктуации радиояркостной температуры тела Тх будем задавать в виде простогопериодически меняющегося сигнала, как:х = (309.75 + ∗ sin(2)), K.(2.9)Используемые при численном моделировании параметры были взяты из [209] ирезультатов соответствующих исследований представленных пунктах 2.1 и 2.3:а = [309.75], K; температура тела.кл = ф.л. = ц1 = ц2 = [293.15], К;-лабораторная температура.ц2 = ц1 = а = кл = [0.1], дБ;- потери в СВЧ элементах.ф.л.
= [0.00; 0.10; 0.20; 0.30; 0.40; 0.50], дБ; - набор уровней потерь в фидере.Г2Х = [0.109; 0.206; 0.292; 0.369; 0.438], отн. ед; - коэффициент отражения.A = [0.5], K. - амплитуда флуктуаций сигнала.На Рис.2.15. приведен вид модельного сигнала, с частотойдискретизации равной 2 Гц.Рис. 2.15. Вид модельного сигнала.На Рис. 2.16-2.20 представлены графики подставляемых значений сигналаTХ (синий маркер на Рис.2.15) и рассчитываемые по формуле (2.7) ТСН для разныхзначений потерь в фидере, для разных уровнях коэффициента отражения.Представленные графики масштабированы для участка модельного сигнала от10 до 15 секунд.64Рис. 2.16.
Результаты численной оценки ТСН для коэффициента отражения 0.109отн.ед.Рис.2.17. Результаты численной оценки ТСН для коэффициента отражения 0.201отн.ед.65Рис.2.18. Результаты численной оценки ТСН для коэффициента отражения 0.292отн.ед.Рис.2.19. Результаты численной оценки ТСН для коэффициента отражения 0.369отн.ед.66Рис.2.20.
Результаты численной оценки ТСН для коэффициента отражения 0.438отн.ед.Представленные на Рис.2.16-2.20 результаты свидетельствуют, что вовсех случаях уровней потерь в фидере имеется постоянная во времени добавка,которая не влияет на функциональный вид выходного сигнала. Следовательно,эту добавку можно скомпенсировать с учетом уровня ошибки измерения припомощи калибровки СВЧ-радиометра.Для этого введем калибровочное слагаемое:∆Т = TА (1 −(1−Г2х )С1С2 [1−С3 Г2х ])−С(T)ЭЛ22 [1−С3 Гх ](2.10)Данное слагаемое включает в себя известные параметры температурыэлементов, потерь в элементах, и коэффициента отражения, определенные выше(2.7).На Рис.
2.21-2.25 представлены подставляемые значения сигнала TХ ирассчитываемые по формуле ТСН для разных значений потерь в фидере, дляразных уровнях коэффициента отражения, с учетом калибровочного слагаемого(2.10). Представленные графики масштабированы для участка модельногосигнала от 10 до 15 секунд.67Рис. 2.21. Результаты численной оценки ТСН для коэффициента отражения 0.109отн.ед.
с учетом калибровочного слагаемого.Рис. 2.22. Результаты численной оценки ТСН для коэффициента отражения0.206 отн.ед. с учетом калибровочного слагаемого.68Рис. 2.23. Результаты численной оценки ТСН для коэффициента отражения 0.292отн.ед. с учетом калибровочного слагаемого.Рис. 2.24. Результаты численной оценки ТСН для коэффициента отражения 0.369отн.ед. с учетом калибровочного слагаемого.69Рис.
2.25. Результаты численной оценки ТСН для коэффициента отражения 0.438отн.ед. с учетом калибровочного слагаемого.Полученные результаты моделирования на Рис. 2.21-2.25 показывают, чтовведение калибровочного коэффициента уменьшило разброс оценок флуктуацийТСН от уровня потерь в фидере для всех рассматриваемых коэффициентовотражения на несколько порядков (со 150 К до 0.1 К) по сравнению срезультатами моделирования, представленными на 2.16-2.20.
На рисунке 2.26 ив Таблице 4 представлены графики зависимости чувствительности СВЧрадиометра от коэффициента отражения для разных уровней потерь в фидере.70Рис. 2.26. Зависимость ε-ошибки от коэффициента отражения АА с теломГx2,(отн. ед.) для разных значений коэффициента потерь в фидере , (дБ).Значение ε-ошибки для разных уровней коэффициентаотражения Г2х и потерь в фидере фидфид , дБ0,00,10,20,30,40,50,1090,0160,0050,0060,0170,0290,040Г2х , отн. ед.0,206 0,292 0,3690,021 0,027 0,0340,011 0,017 0,0230,001 0,006 0,0130,011 0,005 0,0020,023 0,016 0,0090,034 0,028 0,020Таблица 4.0,4380,0410,0300,0200,0100,0010,012Интерпретация полученных результатов в Таблице 4 и на Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
