CN112710396A - 一种毫米波体温测温仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种毫米波体温测温仪，由具有内参考源及魔T结构的毫米波天线、毫米波前端模块、信号处理模块构成。本发明采用毫米波Ka波段实现非接触人体表皮下测温，采用具有内参考源及魔T结构的毫米波天线和复相关接收机结构实现人体表皮下非接触测温，减小了环境噪声和系统噪声对被测信号影响，提高了测温灵敏度。同时，本发明采用特定校准方法，实现测温仪对人体测温高精度定标。相较于现有非接触式红外测温仪，本发明利用毫米波波段人体热辐射进行检测测温，具有穿透衣物直达皮下测温的检测性能，且有更好的测温线性度和更高的测量精度，能够满足医疗临床快速、准确、高效的体温检测应用需求。
Description
技术领域
本发明涉及毫米波辐射计技术领域，具体涉及一种毫米波体温测温仪。
背景技术
体温是人体健康的重要体征指标之一，体温的变化反映了人体体征病变程度。对于 危重病人而言，体温增高可以使机体代谢率增高，耗氧增加，呼吸加深加快，导致呼吸疲劳、衰竭。监测人体皮下温度的实时变化有利于综合评定和分析病情，了解人体病情 的危重程度。目前，医院对病患的体温测量主要使用传统的水银温度计、电子温度计或 红外测温仪。水银温度计一般置于腋下测量，虽然精度较高，造价低廉，但缺点是必须 接触测量，且测量速度缓慢，读数也不方便，更为严重的是一旦水银温度计折断泄漏将 对人体和环境产生危害。电子温度计不含水银，测量时间较短，读数方便，能记忆并有 蜂鸣提示的优点，但是其测量精度相比水银温度计较低。
红外测温是一种非接触测量体表温度的测量技术，具有测温速度快，灵敏度高的特 点，适用于检疫防控管理的快速测温需求。目前非接触式人体体温快速检测方法主要是采用红外检测技术，其应用产品形式分为红外体温枪及红外热成像体温测试系统。然而，由于红外检测技术有局限性，其应用缺陷主要表现为如下几点：(1)红外体温无法实 现“穿透式”检测。由于红外光本身不能穿透被测人员的衣物或口罩、帽子之类纺织物 品，所以红外体温枪仅能测量被测人员裸露的表皮温度。(2)红外体温难以实现高精 度检测。人体体温从33～43度约有10度的分布范围，人体红外辐射功率与人体温度二 者在这个范围内呈现出非线性关系，即使在使用标准黑体频繁校准的条件下，也仅能获 得大约正负0.3度的实际测温精度，难以达到医疗防疫及临床诊断所要求的正负0.1度 高精度的检测要求。(3)红外体温检测产品容易受到使用环境影响。为了达到要求的 测量精度，红外体温测量仪对于被测物体所处光环境有较高要求，测试环境必须避免强 光、逆光或反光等，限制了红外体温检测产品应用。
本发明基于毫米波波段人体热辐射的原理进行体温检测测量的设备，相比于红外测 温方式具有穿透人体穿戴的纺织物品、对应用环境要求更宽泛以及精度高的优点，从原理上讲是红外测温的换代技术产品。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种毫米波体温测温仪， 采用毫米波Ka波段，以及具有内参考源及魔T结构的毫米波天线和复相关接收机结构，减小环境噪声和系统噪声对被测信号的影响；采用特定的温度测量定标方法，实现对人 体体温的高精度测量。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术实现方案：一种毫米波体温测温仪的 主体由具有内参考源及魔T结构的毫米波天线、毫米波前端模块、信号处理模块构成。本发明的测量方式为非接触测温，采用毫米波Ka波段透过衣物直达人体表皮皮下，采用 具有内参考源及魔T结构的毫米波天线和复相关接收机结构，实现高精度测温。本发明采 用了特定的定标方法，实现了对测温仪的高精度温度测量定标。
具有内参考源及魔T结构的毫米波天线由喇叭天线、魔T和装有测温传感器的参考负 载组成。喇叭天线用于接收人体毫米波热辐射信号，测温传感器用于测量参考负载的物理温度。魔T将所接收人体毫米波热辐射与参考负载热噪声信号混合，输出此二者电压 相加和相减的两路信号，并传至后面的两路毫米波前端模块。
毫米波前端模块由毫米波Ka波段信号通道、本机振荡源、中频信号通道构成，其输入为人体毫米波热噪声信号与参考负载热噪声信号电压的相加和相减值，输出为经过复相关器相关的正交I/Q两路直流电压信号，其直流电压值正比于所测人体毫米波热辐 射与参考负载热噪声功率算术差。毫米波前端中的两路移相器可在后端信号处理模块的 控制下分别完成[0°,360°]移相，利用多组正交I/Q直流电压信号构建输出电压信号复相 关圆，复相关圆半径正比于人体毫米波热辐射与参考负载热噪声功率的算术差。
信号处理模块由A/D转换器、微控制器、存储器、无线通信模块、液晶屏、电源管 理模块构成，它完成毫米波前端控制、参考负载物理温度测量、毫米波前端输出测量信 号的放大调理、模数转换、平滑滤波、复相关圆构建等功能，并最终获得体温高精度测 量值。同时，信号处理模块也集成了电源管理模块，以便合理控制毫米波前端和信号处 理模块的能耗，延长电池使用时间。
温度测量定标方案：毫米波体温测温仪在实际测量人体体温之前，需要经过定标操 作。测温仪需首先对两个不同物理温度的黑体定标源进行测量，以获得接收功率值P与被测对象亮度温度的正比例关系。然后对密闭金属腔体进行测量，获得毫米波人体测温 仪逆向辐射的亮度温度，再通过测量体温正常的人体皮肤，获得人体皮肤的发射率。最 后，经过计算，获得测量人体体温的校准参数，为人体体温实际测量做好准备。
与现有红外非接触人体体表测温仪相比，本发明的优点在于：
(1)采用毫米波穿透式非接触测温，被测人不需脱衣即可测量体温；
(2)采用毫米波Ka波段，直接测得人体皮下温度；
(3)采用特定设计毫米波天线组件和复相关接收机结构，减小了环境噪声和系统噪 声对被测信号的影响；
(4)采用特定的定标方法，除传统两点定标外，本发明加入了金属腔体和人体皮肤的测定，可获得毫米波测温仪逆向辐射和人体皮肤发射率，能够显著提高人体体温的 测量精度。
附图说明
图1为本发明一种毫米波体温仪整体结构示意图；
图2为本发明中具有内参考源及魔T结构的毫米波天线结构示意图；
图3为本发明中毫米波前端模块功能示意图；
图4为本发明中信号处理模块功能示意图；
图5为本发明中定标操作原理示意图；
图6为本发明的实际测温流程示意图。
具体实施方式
本发明的一种毫米波体温测温仪的测量方式为非接触测温，工作频段为毫米波Ka波段；所述毫米波体温测温仪包括：具有内参考源及魔T结构的毫米波天线、毫米波前 端模块和信号处理模块；
具有内参考源及魔T结构的毫米波天线，采用内参考源、波导魔T和毫米波喇叭天线复合一体的结构，为毫米波测温仪的信号接收装置，用于接收人体毫米波热辐射并通 过魔T实现人体毫米波热辐射与参考源热噪声电压的相加和相减；
毫米波前端模块，位于具有内参考源及魔T结构的毫米波天线之后，通过波导魔T相连；采用独特的模拟复相关接收机结构，用于对具有内参考源及魔T结构的毫米波天 线输出的两路毫米波功率信号进行低噪声放大、变频、移相相关，将人体毫米波热辐射 功率与参考源热噪声功率的相减值，转换为直流电压信号；
信号处理模块，位于毫米波前端模块之后，采用高精度多路同步A/D采样、高精度D/A控制及数字滤波算法，用于对具有内参考源及魔T结构的毫米波天线中的参考源进 行测温，对毫米波前端模块中的移相器进行控制，对毫米波前端模块输出的直流信号的 放大调理、模数转换、数据平滑滤波、存储及运算，完成测量。
所述具有内参考源及魔T结构的毫米波天线包括：内参考源、波导魔T和毫米波喇叭天线；毫米波喇叭天线位于组件的最前端，用于接收人体毫米波热辐射信号；毫米波 喇叭天线后接一个波导魔T，即波导魔T连接在毫米波喇叭天线的馈电口处；内参考源 由参考负载和测温传感器组成，位于波导魔T的一个端口内；波导魔T为四端口网络， 其中一个端口与毫米波喇叭天线相接，一个端口与内参考源相连，另两个端口作为毫米 波前端模块的输入端，与毫米波前端模块相接；内参考源发出参考热噪声功率，测温传 感器用于测量内参考源物理温度；波导魔T将毫米波喇叭天线所接收人体毫米波热辐射 与参考负载热噪声信号相混合后，通过两个端口输出至毫米波前端模块。
所述毫米波前端模块包括：两个毫米波Ka波段信号通道、本机振荡源和中频信号通道，三者共同构成了模拟复相关接收机结构；
两个毫米波Ka波段信号通道的输入是波导魔T的两个输出端口，两个信号输入通道的电路结构完全相同，每个毫米波Ka波段信号通道由两个Ka波段低噪声放大器和混 频器构成；
本机振荡源由振荡器经功分器功分后分为同相位同功率的两路，之后此两路的信号 分别经过移相器移相，经倍频器四倍频，再经过滤波器滤波后，最终输出两路本机振荡信号；
中频信号通道位于毫米波Ka波段信号通道和本机振荡源的信号通路后方，由中频滤波器、中频放大器、模拟复相关器和放大调理电路组成；
由具有内参考源及魔T结构的毫米波天线接收的人体毫米波热辐射与参考负载热噪 声信号相混合后，通过魔T的两个输出端口进入毫米波前端模块的毫米波Ka波段信号通道；在两个毫米波Ka波段信号通道内，分别经过两个Ka波段低噪声放大器放大后， 分别与本机振荡源输出信号通过混频器混频下变频至中频进入中频信号通道。在此过程 中，本机振荡源两个振荡信号中的一路由信号处理模块控制移相器完成[0°,360°]移相， 另一路相位保持不变；在中频信号通道内，两路中频信号首先经过带通滤波器滤波，再 经两个中频低噪声放大器放大后，进入模拟复相关器进行信号的模拟相关，输出直流电 压信号I/Q两路，I/Q两路直流电压信号被放大调理电路进行信号放大、调理后，输出 至信号处理模块。
所述信号处理模块包括：仪表放大器、A/D转换器、微控制器、存储器、无线通信 模块、液晶屏、电源管理模块；
毫米波前端模块输出的直流电压信号I/Q两路首先进入两路仪表放大器，仪表放大 器后接入A/D转换器，A/D转换器后与微控制器相接，位于具有内参考源及魔T结构的 毫米波天线处的测温传感器的输出电压信号也接入A/D转换器，再经A/D转换将数据 传入微控制器。微控制器与存储器、无线通信模块、液晶屏、电源管理模块直接相连。 微控制器首先控制位于毫米波前端模块中的移相器移相，在毫米波前端模块输出直流电 压信号I/Q两路后，此两路信号进入两路仪表放大器，经放大后进入A/D转换器将模拟 信号转换为数字信号，再经A/D转换将数据传入微控制器进行平滑滤波、存储。重复微 控制器控制位于毫米波前端模块中的移相器移相的过程，令毫米波前端模块本机振荡源 中的移相器在[0°,360°]间移相，得到多组I/Q电压值，以构建复相关圆。(复相关圆 是以I/Q两路电压信号中的实部作为X轴，虚部作为Y轴构建出的。当毫米波前端模块 本机振荡源中的移相器在[0°,360°]间移相时，会得出多组不同的I/Q电压值，这些电 压值在坐标轴上对应的位置构成的形状是一个圆，这个圆称为复相关圆。)微控制器再 将通过计算得到的数据经由液晶屏显示，经由无线通信模块传至上位机，同时微控制器 控制电源管理模块，以便控制毫米波前端和信号处理模块的能耗，延长电池使用时间。
本发明一种毫米波测温仪需要标定。在实际测量之前需要进行定标操作，以期经定 标操作后，测温仪对于人体表皮下的温度测量精度达到0.1K，如图6所示具体如下：
(1)将毫米波测温仪的定标装置为处于两个物理温度分别为T1和T2的黑体定标源、密闭金属腔体和正常体温的人体皮肤四种定标体；
(2)首先对两个不同物理温度的黑体定标源进行测量，以获得接收功率值P与被测对象亮度温度的正比例线性关系；
(3)然后对密闭金属腔体进行测量，获得毫米波人体测温仪逆向辐射的亮度温度；
(4)之后通过测量体温正常的人体皮肤，获得人体皮肤的发射率；
(5)最后，经过计算，获得测量人体体温的校准参数，为人体体温实际测量做好 准备；所述计算公式表示为：
V1＝A(T1+Tn)+B (1)
V2＝A(T2+Tn)+B (2)
V3＝A(eTs+Tn)+B (3)
V4＝A·Tn+B (4)
公式中：T1和T2分别是黑体定标源的物理温度，Ts是正常人体皮肤的物理温度，e为正常人体皮肤的发射率，Tn是毫米波人体测温仪逆向辐射的亮度温度，V1、V2、V3 和V4是测量物理温度为T1和T2黑体定标源时、测量物理温度为Ts的正常人体皮肤 时、对密闭金属腔体进行测量时毫米波人体测温仪的输出电压，A和B为公式的附加系 数；通过对处于两个物理温度分别为T1和T2的黑体定标源、密闭金属腔体和正常体温 的人体皮肤的测量，最终需要确定的分别是A、B、Tn和e(因有四个参数需要确定， 因此需要经4次测量得到四个方程)。
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
为了测量人体体温，本发明测温仪选择30～35GHz毫米波Ka波段。
如图1所示，本发明的一种毫米波体温测温仪具有内参考源及魔T结构的毫米波天线、毫米波前端模块、信号处理模块构成。
为了更好的阐明上述技术方案，将结合说明书附图对本发明做进一步的详细说明。
本发明为是一种非接触毫米波人体皮下温度测量仪，用于实现对人体皮下温度的高 精度测量，其系统结构如图1所示。
具有内参考源及魔T结构的毫米波天线的结构如图2所示。在测温仪正常启动后，喇叭天线接收人体毫米波热辐射功率PA＝k·TA·B(其中，TA为人体毫米波热辐射的亮度温度，k为玻尔兹曼常数，B为毫米波辐射计系统带宽)，测温传感器在信号处理模块 的控制下测量参考负载Ref的物理温度TRef。波导魔T将人体毫米波热噪声信号与参考 负载热噪声信号相混合，输出此二者电压相加和相减的两路信号。两路信号分别通过两 个通道进入毫米波前端模块。
毫米波前端模块如图3所示，分别对两路输入信号进行低噪声放大和混频，把毫米波信号下变频到中频信号。本机振荡源中的振荡器经功分器功分后均接入移相器。两路 中频信号经滤波放大后，进入模拟复相关器进行相关运算，输出为两路正交I/Q直流电 压分量VR、VI。复相关器输出直流电压值正比于所测人体毫米波热噪声与参考负载毫米 波热噪声功率算术差。两路本振移相器可在后端信号处理模块的控制下在[0°,360°]内移 相，输出多组电压信号构成复相关圆。拟合计算复相关圆的半径
可实现对 人体毫米波热噪声功率与参考负载热噪声功率算术差值的测量，R∝P＝PA-PRef。
信号处理模块如图4所示，其中微控制器MCU实现对毫米波前端本振移相器的移相控制，铂电阻温度传感器实现对参考负载物理温度TRef的测量。同时，信号处理模块 需对毫米波前端模拟复相关器输出的直流电压VR和VI进行放大调理、模数转换、存储、 平滑滤波和复相关圆构建，以获得与体温对应的毫米波噪声功率测量值。信号处理模块 也集成了电源管理模块，以控制毫米波前端和信号处理模块的能耗，在使用测温仪对人 体测温后延时关断毫米波前端，令信号处理模块自身休眠，以便延长电池使用时间。
如图5所示，毫米波人体测温仪在测量人体体温之前，需要进行定标。首先测量两个毫米波黑体定标源。定标源具有稳定的物理温度值，通过测量两个具有不同标准温度T1、T2的两个定标源功率值P1、P2，获得测量接收功率值P与被测物体温度T的正比 例关系。通过密闭金属腔体，获得毫米波人体测温仪逆向辐射的毫米波噪声功率值，然 后通过测量体温正常的人体皮肤，获得人体皮肤的发射率，为后续校正实际测量结果做 好准备。具体地，人体体温实际测量流程如图6所示。
本发明原理可行、结构简洁，体积小易携带，使用场合广、性价比高，可满足多种应用情景的高精度快速非接触人体体温测量需求。
Claims (5)
1.一种毫米波体温测温仪，其特征在于：所述毫米波体温测温仪的测量方式为非接触测温，工作频段为毫米波Ka波段；所述毫米波体温测温仪包括：具有内参考源及魔T结构的毫米波天线、毫米波前端模块和信号处理模块；
具有内参考源及魔T结构的毫米波天线，采用内参考源、波导魔T和毫米波喇叭天线复合一体的结构，为毫米波测温仪的信号接收装置，用于接收人体毫米波热辐射并通过魔T实现人体毫米波热辐射与参考源热噪声电压的相加和相减；
毫米波前端模块，位于具有内参考源及魔T结构的毫米波天线之后，通过波导魔T相连；采用独特的模拟复相关接收机结构，用于对具有内参考源及魔T结构的毫米波天线输出的两路毫米波功率信号进行低噪声放大、变频、移相相关，将人体毫米波热辐射功率与参考源热噪声功率的相减值，转换为直流电压信号；
信号处理模块，位于毫米波前端模块之后，采用高精度多路同步A/D采样、高精度D/A控制及数字滤波算法，用于对具有内参考源及魔T结构的毫米波天线中的参考源进行测温，对毫米波前端模块中的移相器进行控制，对毫米波前端模块输出的直流信号的放大调理、模数转换、数据平滑滤波、存储及运算，完成测量。
2.根据权利要求1所述的毫米波体温测温仪，其特征在于：所述具有内参考源及魔T结构的毫米波天线包括：内参考源、波导魔T和毫米波喇叭天线；毫米波喇叭天线位于组件的最前端，用于接收人体毫米波热辐射信号；毫米波喇叭天线后接一个波导魔T，即波导魔T连接在毫米波喇叭天线的馈电口处；内参考源由参考负载和测温传感器组成，位于波导魔T的一个端口内；波导魔T为四端口网络，其中一个端口与毫米波喇叭天线相接，一个端口与内参考源相连，另两个端口作为毫米波前端模块的输入端，与毫米波前端模块相接；内参考源发出参考热噪声功率，测温传感器用于测量内参考源物理温度；波导魔T将毫米波喇叭天线所接收人体毫米波热辐射与参考负载热噪声信号相混合后，通过两个端口输出至毫米波前端模块。
3.根据权利要求1所述的毫米波体温测温仪，其特征在于：所述毫米波前端模块包括：两个毫米波Ka波段信号通道、本机振荡源和中频信号通道，三者共同构成了模拟复相关接收机结构；
两个毫米波Ka波段信号通道的输入是波导魔T的两个输出端口，两个信号输入通道的电路结构完全相同，每个毫米波Ka波段信号通道由两个Ka波段低噪声放大器和混频器构成；
本机振荡源由振荡器经功分器功分后分为同相位同功率的两路，之后此两路的信号分别经过移相器移相，经倍频器四倍频，再经过滤波器滤波后，最终输出两路本机振荡信号；
中频信号通道位于毫米波Ka波段信号通道和本机振荡源的信号通路后方，由中频滤波器、中频放大器、模拟复相关器和放大调理电路组成；
由具有内参考源及魔T结构的毫米波天线接收的人体毫米波热辐射与参考负载热噪声信号相混合后，通过魔T的两个输出端口进入毫米波前端模块的毫米波Ka波段信号通道；在两个毫米波Ka波段信号通道内，分别经过两个Ka波段低噪声放大器放大后，分别与本机振荡源输出信号通过混频器混频下变频至中频进入中频信号通道。在此过程中，本机振荡源两个振荡信号中的一路由信号处理模块控制移相器完成[0°,360°]移相，另一路相位保持不变；在中频信号通道内，两路中频信号首先经过带通滤波器滤波，再经两个中频低噪声放大器放大后，进入模拟复相关器进行信号的模拟相关，输出直流电压信号I/Q两路，I/Q两路直流电压信号被放大调理电路进行信号放大、调理后，输出至信号处理模块。
4.根据权利要求1所述的毫米波体温测温仪，其特征在于：所述信号处理模块包括：仪表放大器、A/D转换器、微控制器、存储器、无线通信模块、液晶屏、电源管理模块；
毫米波前端模块输出的直流电压信号I/Q两路首先进入两路仪表放大器，仪表放大器后接入A/D转换器，A/D转换器后与微控制器相接，位于具有内参考源及魔T结构的毫米波天线处的测温传感器的输出电压信号也接入A/D转换器，再经A/D转换将数据传入微控制器，微控制器与存储器、无线通信模块、液晶屏、电源管理模块直接相连，微控制器首先控制位于毫米波前端模块中的移相器移相，在毫米波前端模块输出直流电压信号I/Q两路后，此两路信号进入两路仪表放大器，经放大后进入A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，再经A/D转换将数据传入微控制器进行平滑滤波、存储，重复微控制器控制位于毫米波前端模块中的移相器移相的过程，令毫米波前端模块本机振荡源中的移相器在[0°,360°]间移相，得到多组I/Q电压值，以构建复相关圆；微控制器再将通过计算得到的数据经由液晶屏显示，经由无线通信模块传至上位机，同时微控制器控制电源管理模块，以便控制毫米波前端和信号处理模块的能耗，延长电池使用时间。
5.一种对权利要求1-4任意之一所述的毫米波体温测温仪进行标定的方法，其特征在于：在实际测量之前需要进行定标操作，经定标操作后，测温仪对于人体表皮下的温度测量精度达到0.1K，具体如下：
(1)将毫米波测温仪的定标装置为处于两个物理温度分别为T1和T2的黑体定标源、密闭金属腔体和正常体温的人体皮肤四种定标体；
(2)首先对两个不同物理温度的黑体定标源进行测量，以获得接收功率值P与被测对象亮度温度的正比例线性关系；
(3)然后对密闭金属腔体进行测量，获得毫米波人体测温仪逆向辐射的亮度温度；
(4)之后通过测量体温正常的人体皮肤，获得人体皮肤的发射率；
(5)最后，经过计算，获得测量人体体温的校准参数，为人体体温实际测量做好准备；所述计算公式表示为：
V1＝A(T1+Tn)+B (1)
V2＝A(T2+Tn)+B (2)
V3＝A(eTs+Tn)+B (3)
V4＝A·Tn+B (4)
公式中：T1和T2分别是黑体定标源的物理温度，Ts是正常人体皮肤的物理温度，e为正常人体皮肤的发射率，Tn是毫米波人体测温仪逆向辐射的亮度温度，V1、V2、V3和V4是测量物理温度为T1和T2黑体定标源时、测量物理温度为Ts的正常人体皮肤时、对密闭金属腔体进行测量时毫米波人体测温仪的输出电压，A和B为公式的附加系数；通过对处于两个物理温度分别为T1和T2的黑体定标源、密闭金属腔体和正常体温的人体皮肤的测量，最终需要确定的分别是A、B、Tn和e。
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