CN100449283C - 测量从人体内部辐射出的电磁能的辐射温度计及方法 - Google Patents

Abstract

一种辐射温度计系统及测量人体内部温度的方法。该系统包括：天线，接收从温度需测量物体辐射的热能；第一和第二噪声源，为了获得天线和物体之间界面的反射系数Γ保持在不同的温度；第一开关，响应第一脉冲信号周期性地切换第一和第二噪声源的输出；循环器，其将天线接收到的信号加到从第一或第二噪声源经由第一开关输出的反射波上并将相加结果沿一个方向传输；第三和第四噪声源，其保持在不同温度；第二开关，其响应第二脉冲信号周期性地切换第三噪声源的输出、循环器的输出或者第四噪声源的输出，第二脉冲信号与第一脉冲信号同步；及放大器，其放大第二开关的输出。通过解决天线和人体之间的界面的阻抗失配问题可以获得测量的高精度和可再现性。

Description

测量从人体内部辐射出的电磁能的辐射温度计及方法

技术领域

本发明涉及一种辐射温度计系统，更具体地说，涉及一种测量从人体内部辐射出的电磁能的辐射温度计系统及方法。

背景技术

普通的物体在绝对温度0°K或者更高在预定频段内辐射电磁能。另一方面，一些物体完全吸收它们周围的能量并在几乎所有频段内辐射电磁能，并且根据普兰克辐射定律将这种物体称为黑体。

图1示出了黑体的辐射能的强度的变化。参考图1，黑体的辐射能的强度随着频率的变化而变化，并且在3-15μm的红外线范围内达到顶峰。通常，应用红外线摄像头(camara)能检测在红外线范围内的黑体的辐射能，并且应用具有定向天线和高灵敏度接收器的辐射温度计能够检测在微波范围内的黑体的辐射能。最早在天文学领域使用的辐射温度计已经广泛的用来测量从宇宙中的行星或恒星辐射出的能量以及估算行星或恒星的温度。

假设在红外线范围内，人体皮肤具有几乎与黑体相同的能量特性，人体表面的温度分布能够通过测量在红外线范围内人体皮肤辐射出的能量获得。近来，辐射温度计越来越多的用来接收来自人体内的组织的能量并测量这些组织的温度。

然而，人体皮肤在微波频率范围内不作为黑体，因此一些从人体深处的内部组织辐射出的电磁能传送到人体皮肤。从人体的内部组织传送到人体皮肤的电磁能的强度根据电磁能到达人体皮肤所穿过的介质的类型而变化，例如，根据电磁能是否是穿过肌肉，骨骼或是脂肪到达人体皮肤。利用微波的辐射温度计通过测量在人体皮肤上由人体辐射出的具有1GHz-6GHz频率的电磁能估算人体内部的温度。

图2示出了利用微波的传统的辐射温度计系统20。参考图2，可控噪声源9的信号输出输入到第一可调节衰减器(attenuator)10，接着输入到与需要通过天线4测量温度的物体1连接的定向耦合器13。可控噪声源9的信号输出还输入到第二可调衰减器11，接着输入到切换开关2的一端。切换开关2的另一端接收物体1放射的能量和物体1反射的能量。切换开关2通过辐射温度计8内的时钟脉冲发生器周期性地切换。辐射温度计8的信号输出经由积分器14作为与物体1的温度T_o相应的电压U_a提供给输出端。传统的辐射温度计系统20通过多次调节噪声源9测量物体1内部的温度。

然而，传统的辐射温度计系统20由于在天线4和物体1之间的界面的阻抗失配或者传统辐射温度计系统20内和周围的电磁波干扰在测量物体1内部的温度时可能会引起许多问题。电磁波干扰的问题可以通过应用电磁波屏蔽室解决。然而天线4和物体1之间的界面的阻抗失配问题造成缺乏再现性，并且因此导致误差。

因此，有必要开发一种即使在天线4和物体1之间的界面发生阻抗失配时仍能够准确的测量物体1的温度的新的辐射温度计。

发明内容

本发明提供一种辐射温度计，其基于通过自动计算天线和人体之间的界面的反射系数，以及按照同样的反射系数补偿它们之间的阻抗失配测得的天线温度估算人体内部的温度。

本发明还提供了一种测量从人体辐射出的电磁波的方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种辐射温度计系统，包括：天线，其接收从需要测量温度的物体辐射出的热能；第一和第二噪声源，其为了获得天线和物体之间的界面的反射系数Γ保持在不同温度；第一开关，其响应第一脉冲信号周期性地切换第一或者第二噪声源的输出；循环器(circulator)，其将天线接收到的信号加到从第一或者第二噪声源经由第一开关输出的反射波，并以一个方向传送相加结果；第三和第四噪声源，其保持在不同的温度；第二开关，其响应第二脉冲信号周期性切换第三噪声源的输出、循环器的输出或者第四噪声源的输出，第二脉冲信号与第一脉冲信号同步；以及放大器，其放大第二开关的输出。

物体的温度T可以通过利用下述方程式获得：

T_A＝α[T(1-Γ)+T_recΓ]

其中，α表示天线的信号传输系数，T_rec表示辐射温度计系统的有效噪声温度。反射系数Γ可以通过下述方程式获得：

$\mathrm{\Γ}=\frac{\mathrm{\ΔU}\·M}{\mathrm{\α}\·2\mathrm{\ΔT}}$

其中， $\mathrm{\ΔU}={\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{st}2}^{\′\′k}-{\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{st}2}^{\′k}={\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{st}1}^{\′\′k}-{\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{st}1}^{\′k},$ $M=\frac{\mathrm{\α}(1-{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{st}})(T_{\mathrm{st}2}^k-T_{\mathrm{st}1}^k)}{({\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{st}2}^k-{\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{st}1}^k)},$

T_st1 ^k和T_st2 ^k分别是在校准辐射温度计系统时使用的第一和第二参考温度，ΔU′_st1 ^k表示当辐射温度计系统接触具有第一参考温度T_st1 ^k的物体并且第一噪声源与辐射温度计系统连接时辐射温度计系统的输出，ΔU″_st1 ^k表示当辐射温度计系统接触具有第一参考温度T_st1 ^k的物体并且第二噪声源与辐射温度计系统连接时辐射温度计系统的输出，ΔU′_st2 ^k表示当辐射温度计系统接触具有第二参考温度T_st2 ^k的物体并且第一噪声源与辐射温度计系统连接时辐射温度计系统的输出，ΔU″_st2 ^k表示当辐射温度计系统接触具有第二参考温度T_st2 ^k的物体并且第二噪声源与辐射温度计系统连接时辐射温度计系统的输出。

根据本发明的另一方面，提供了一种通过利用辐射温度计系统测量从人体辐射出的电磁能的方法，包括如下操作：连接天线和需要测量温度的物体；提供第一到第四噪声源；使第一开关能够响应第一脉冲信号周期性地切换第一噪声源的输出或者第二噪声源的输出；将天线接收到的信号加到第一或者第二噪声源的输出并且以一个方向传送相加结果；使第二开关能够响应第二脉冲信号周期性地切换第三噪声源的输出，相加结果，或者第四噪声源的输出，第二脉冲信号与第一脉冲信号同步；并且放大第二开关的输出到预定电压电平。

通过利用辐射温度计系统测量从人体辐射出的电磁能的方法可以进一步包括通过利用具有第一和第二参考温度的物体校准辐射温度计系统的操作。

根据本发明，可以通过解决天线和人体之间的界面的阻抗失配问题获得从人体放射出的电磁波的测量的高精度和可再现性。

附图说明

参考附图对于本发明典型实施例的详细描述使本发明的上述和其他特性和优点变得更加明显，其中：

图1是普兰克辐射定律的曲线图；

图2是利用微波的传统辐射温度计系统示意图；

图3是根据本发明的典型实施例的辐射温度计系统示意图；

图4是图3辐射温度计系统中的第一和第二开关的输出的波形图；

图5是图3辐射温度计系统输出的波形图。

具体实施方式

下面将参考附图对于本发明进行更完整的描述，其中说明了本发明的典型实施例。在附图中相同的参考数字代表相同的元件。

图3是表示根据本发明的典型实施例的辐射温度计系统30的示意图。参考图3，辐射温度计系统30包括接收从物体31辐射出的辐射能的天线32，循环器33，第一到第四噪声源34到37，第一和第二开关38和39，以及放大器40。第一到第四噪声源34到37中的任何一个设置到高于或低于从物体31辐射出的能量的温度的参考温度。在本实施例中，物体31是人体。因此，为物体31的温度提供参考温度的第一和第三噪声源34和36设置到低于正常人体温度即36.5℃的第一参考温度，例如32℃，并且为物体31提供参考温度的第二和第四噪声源35和37设置到高于36.5℃的第二参考温度，例如42℃。

循环器33将天线32接收到的信号加到来自第一或第二噪声源34或35的反射波输出并将相加结果传输到第二开关39。第一开关38响应第一脉冲信号Fmod1进行周期性地切换将第一噪声源34或者第二噪声源35传输到循环器33。第二开关39响应第二脉冲信号Fmod2进行周期性地将第三噪声源36，循环器33或者第四噪声源37切换到放大器40。第一和第二脉冲信号Fmod1和Fmod2由典型数字脉冲分频电路提供并且相互之间同步。由于信号的量值非常小所以放大器40将第二开关39的输出放大到预定电平。

图4示出了第一和第二开关38和39的输出的波形图。参考图4，在时间段0到t 0期间，第一开关38没有输出电平，第二开关39具有与第三噪声源36的输出电平相等的输出电平V_。在时间段t0到t1期间，第一开关38具有与第一噪声源34的输出电平相等的输出电平V_，并且第二开关39具有与循环器33相同的输出电平。在时间段t1到t2期间，第一开关38没有输出电平，并且第二开关39具有与与第四噪声源37的输出电平相等的输出电平V₊。在时间段t2到t3期间，第一开关38具有与第二噪声源35相同的输出电平，并且第二开关39具有与循环器33相同的输出电平。在时间段t3到t4期间，第一开关38没有输出电平，并且第二开关39具有与第三噪声源36的输出电平相等的输出电平V_。在时间段0到t3期间的第一和第二开关38和39的信号输出波形后续重复。

如图4所示，在0到t1之间和t3到t4之间第二开关39具有与循环器33相同的输出电平，这表示第一或第二噪声源34或35的信号输出很好地传输到循环器33，并加到天线32接收到的信号上，并且相加结果也很好地传输到第二开关39。

在辐射温度计系统30中提供了全部四个信号源，即第一到第四信号源。第一信号源是将天线32接收到的信号T_A加到第一噪声源34的输出上的结果T_A ^-。第二信号源是将天线32接收到的信号T_A加到第二噪声源35上的输出的结果T_A ⁺。第三信号源是第三噪声源36的输出。第四信号源是第四噪声源37的输出T₂。辐射温度计系统30响应第一或第二噪声源34或35输出的输出波形在图5中示出。

辐射温度计系统30响应预定信号源的输出U_i能够通过下述方程式(1)确定：

U_i＝kT_i+u₀          ...(1)

其中，k是传输系数，T_i是预定信号源的有效噪声温度，u₀是独立于预定信号源的常数。

辐射温度系统30响应第三信号源T₁，第四信号源T₂和天线32T_A接收到的信号T_A的输出U₁，U₂和U_A分别可以由下述方程式(2)确定：

U₁＝kT₁+u₀           ...(2)

U₂＝kT₂+u₀

U_A＝kT_A+u₀

方程式(2)整理成下述方程式(3)：

T_A＝T₁+MΔU_A         ...(3)

其中， $M=\frac{{\mathrm{\ΔT}}_k}{{\mathrm{\ΔU}}_k},$ ΔT_k＝T₂-T₁，并且ΔU_k＝U₂-U₁。

天线32接收到的信号T_A，即在天线温度32上反映的温度，可以由下述方程式(4)表示：

T_A＝α[T(1-Γ)+T_recΓ]     ...(4)

其中，α表示天线32的信号传输系数，T表示待测物体31的温度，T_rec表示辐射温度计系统30接收端的有效噪声温度，Γ表示反射系数。

方程式(4)由K.M.Ludeke等在“A New Radiation Balance MicrowaveThermograph for Simultaneous and Independent Noise Temperature andEmissivity Measurements”(Journal of Microwave Power andElectromagnetic Energy，Vol 14，No.2，1979)一文中讲述。

通过利用具有第一和第二参考温度的物体校准辐射温度计系统30，方程式(4)能够扩展为方程式(5)或(6)。

其中，T_st1 ^k表示第一参考温度，即32℃，T_st2 ^k表示第二参考温度，即42℃。

接收端的有效噪声温度T_rec可以由如下公式(7)表示：

T_rec＝T₀±ΔT                 ...(7)

其中，T₀是与高频模块中由温度调节装置保持的高频模块温度相等的天线32端口的有效噪声温度，并且ΔT表示第三和第四噪声源36和37温度中的差，其量值为10℃的一半5℃，即第三和第四噪声源36和37温度之间的差。这里，高频模块附加在天线32的后端。

方程式(6)中的一对方程式互相相加，并且方程式(6)中的一对方程式互相相加，因此获得以下方程式(8)

$\mathrm{\α}[T_{\mathrm{st}1}^k(1-{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{st}})+T_0{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{st}}]=T_1+\mathrm{M\Δ}\stackrel{\‾}{U_{\mathrm{st}1}^k}...\left(8\right)$

$\mathrm{\α}[T_{\mathrm{st}2}^k(1-{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{st}})+T_0{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{st}}]=T_1+\mathrm{M\Δ}\stackrel{\‾}{U_{\mathrm{st}2}^k}$

其中，ΔU_st1 ^k表示当第一噪声源34与辐射温度计系统30连接时辐射温度系统30的平均温度，ΔU_st2 ^k表示当第二噪声源35与辐射温度计系统30连接时辐射温度计系统30的平均温度。

方程式(8)可以重新整理为下述方程式(9)：

$M=\frac{\mathrm{\α}(1-{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{st}})(T_{\mathrm{st}2}^k-T_{\mathrm{st}1}^k)}{({\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{st}2}^k-{\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{st}1}^k)}...\left(9\right)$

下述方程式(10)可以由方程式(6)和(7)获得：

$\mathrm{\Γ}=\frac{\mathrm{\ΔU}\·M}{\mathrm{\α}\·2\mathrm{\ΔT}}...\left(10\right)$

其中， $\mathrm{\ΔU}={\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{st}2}^{\′\′k}-{\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{st}2}^{\′k}={\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{st}1}^{\′\′k}-{\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{st}1}^{\′k}.$ 这里，ΔU′_st1 ^k表示当辐射温度计系统30接触具有第一参考温度T_st1 ^k即32℃的物体，并且第一噪声源34与辐射温度计系统30连接时，辐射温度计系统30的输出，ΔU″_st1 ^k表示当辐射温度计系统30与具有第一参考温度T_st1 ^k即32℃的物体，并且第二噪声源35与辐射温度计系统30连接时，辐射温度计系统30的输出，ΔU′_st2 ^k表示当辐射温度计系统30接触具有第二参考温度T_st2 ^k即42℃的物体，并且第一噪声源34与辐射温度计系统30连接时，辐射温度计系统30的输出，ΔU″_st2 ^k表示当辐射温度计系统30接触具有第二参考温度T_st2 ^k即42℃的物体，并且第二噪声源35与辐射温度计系统30连接时，辐射温度计系统30的输出。

如方程式(10)所示，反射系数Γ与当第一噪声源34与辐射温度计系统30连接时辐射温度计系统30的输出和当第二噪声源35与辐射温度计系统30连接时辐射温度计系统30的输出之间的差成比例。

因此，通过把在天线32上的温度T_A和反射系数Γ代入方程式(4)可以获得物体31的温度T。因此，辐射温度计系统30能够解决天线32和物体31之间的阻抗失配问题。

根据本发明的辐射温度计系统30应用到分别具有恒定温度的各种人体模型(phantom)，结果如下表(1)中所示。

表(1)

人体模型参考温度(℃)	由辐射温度计测量到的人体模型温度(℃)	标准偏差(∑)
			32.00	31.98	0.06
34.00	33.94	0.05
			35.00	34.95	0.14
36.00	36.00	0.04
			37.00	37.00	0.04
38.00	37.99	0.04
			40.00	39.97	0.04
42.00	41.97	0.04

更具体地说，表(1)表示了通过利用辐射温度计系统30测量人体模型温度20次，平均每个人体模型的测量温度，并且计算每个人体模型的测量温度的标准偏差的结果。除了具有35℃温度的人体模型的测量温度，每个人体模型的测量温度具有非常小的标准偏差，并且彼此不同小于0.1℃。因此，辐射温度计系统30能够获得物体31的温度的测量的高精度和可再现性。

尽管参考本发明的典型实施例对于本发明进行了特别的说明和描述，但是在不背离如下述权利要求中限定的本发明的范围和精神的各种形式上和细节上改变对于本领域技术人员都是可以理解的。

Claims (11)

1.一种辐射温度计系统包括：

天线，接收从需要测量温度的物体辐射出的热能；

第一和第二噪声源，其为了获得天线和物体之间的界面的反射系数Γ保持在不同温度；

第一开关，其响应第一脉冲信号周期性地切换第一或第二噪声源的输出；

循环器，其将天线接收到的信号加到从第一或第二噪声源经由第一开关输出的反射波，并将相加结果沿一个方向传输；

第三和第四噪声源，其保持在不同温度；

第二开关，其响应第二脉冲信号周期性地切换第三噪声源的输出、循环器的输出或者第四噪声源的输出，第二脉冲信号与第一脉冲信号同步；以及

放大器，其放大第二开关的输出。

2.如权利要求1所述的辐射温度计系统，其中物体的温度T通过利用下述公式获得：

T_A＝α[T(-Γ)+T_recΓ]

其中，α表示天线的传输系数，T_rec表示辐射温度计系统的有效噪声温度，

反射系数Γ通过下述方程式获得：

$\mathrm{\Γ}=\frac{\mathrm{\ΔU}\·M}{\mathrm{\α}\·2\mathrm{\ΔT}}$

其中， $\mathrm{\ΔU}={\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{st}2}^{\′\′k}-{\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{st}2}^{\′\′k}-{\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{st}2}^{\′k}={\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{st}1}^{\′\′k}-{\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{st}1}^{\′k},$ $M=\frac{\mathrm{\α}(1-{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{st}})(T_{\mathrm{st}2}^k-T_{\mathrm{st}1}^k)}{({\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{st}2}^k-{\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{st}1}^k).},$

T_st1 ^k和T_st2 ^k分别是在校准辐射温度计系统时使用的第一和第二参考温度，ΔU^st1′^k表示当辐射温度计系统接触具有第一参考温度T_st1 ^k的物体并且第一噪声源与辐射温度计系统连接时辐射温度计系统的输出，ΔU_st1″^k表示当辐射温度计系统接触具有第一参考温度T_st1 ^k的物体并且第二噪声源与辐射温度计系统连接时辐射温度计系统的输出，ΔUs_t2′^k表示当辐射温度计系统接触具有第二参考温度T_st2 ^k的物体并且第一噪声源与辐射温度计系统连接时辐射温度计系统的输出，ΔU_st2″^k表示当辐射温度计系统接触具有第二参考温度T_st2 ^k的物体并且第二噪声源与辐射温度计系统连接时辐射温度计系统的输出，“T_A”为从天线接收到的信号，“ΔT’表示第三和第四噪声源的温度差，“Γ_st”为当第一或第二噪声源连接到辐射温度计系统时的反射系数，“ΔU_st1 ^k”为当第一噪声源与辐射温度计系统连接时辐射温度计系统的温度，以及“ΔU_st2 ^k”为当第二噪声源与辐射温度计系统连接时辐射温度计系统的温度。

3.如权利要求1所述的辐射温度计系统，其中第一和第三噪声源保持在相同的温度，并且第二和第四噪声源保持在相同的温度。

4.如权利要求3所述的辐射温度计系统，其中第一和第三噪声源保持在温度32℃，并且第二和第四噪声源保持在温度42℃。

5.如权利要求2所述的辐射温度计系统，其中第一参考温度设定在32℃，并且第二参考温度设定在42℃。

6.一种通过利用辐射温度计系统测量从物体辐射出的电磁能的方法，包括以下操作：

连接天线和需要测量温度的物体；

提供第一到第四噪声源；

使第一开关能够响应第一脉冲信号周期性地切换第一噪声源的输出或者第二噪声源的输出；

将天线接收到的信号加到第一或者第二噪声源的输出上并且沿一个方向传输相加结果；

使第二开关能够响应第二脉冲信号周期性地切换第三噪声源的输出、相加结果或者第四噪声源的输出，第二脉冲信号与第一脉冲信号是同步的；及

放大第二开关的输出到预定电压电平。

7.如权利要求6所述的方法，其中第一和第三噪声源保持在相同的温度，并且第二和第四噪声源保持在相同的温度。

8.如权利要求6所述的方法，其中第一和第三噪声源保持在温度32℃，并且第二和第四噪声源保持在温度42℃。

9.如权利要求6所述的方法，还包括通过利用具有第一和第二参考温度的物体校准辐射温度计系统的步骤。

10.如权利要求9所述的方法，其中具有反射系数，其与当辐射温度计系统接触具有第一参考温度的物体并且第一噪声源与辐射温度计系统相连时辐射温度计系统的输出和当辐射温度计系统接触具有第一参考温度的物体并且第二噪声源与辐射温度计系统相连接时辐射温度计系统的输出之间的差成比例。

11.如权利要求9所述的方法，其中具有反射系数，其与当辐射温度计系统接触具有第二参考温度的物体并且第一噪声源与辐射温度计系统相连时辐射温度计系统的输出和当辐射温度计系统接触具有第二参考温度的物体并且第二噪声源与辐射温度计系统相连接时辐射温度计系统的输出之间的差成比例。

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