DE2803480C2

DE2803480C2 - Verfahren und Anordnung zur Messung der physikalischen Objekttemperatur mittels Mikrowellen

Info

Publication number: DE2803480C2
Application number: DE2803480A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Ing.(grad.) 2083 Halstenbek Köhler; Kai-Michael Dipl.-Phys. 2000 Hamburg Lüdeke; Burkhard Dipl.-Ing. Dr. Schiek
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1978-01-27
Filing date: 1978-01-27
Publication date: 1984-11-22
Also published as: JPS6046648B2; JPS54113381A; FR2415799A1; US4235107A; GB2013350A; GB2013350B; FR2415799B1; DE2803480A1

Description

3. Verfahren zur Messung der physikalischen Temperatur von Objekten mittels Mikrowellen unter Verwendung eines Dicke-Radiometers, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rauschsignal gleichzeitig mit synchron modulierter Amplitude einem Umschalter zugeführt wird, der periodisch und abwechselnd eine auf das Objekt gerichtete Antenne (Zustand i) und einen Vergleichsreflektor (Zustand 2) mit dem Radiometer verbindet, dessen integriertes Ausgangssignal die Rauschleistung steuert und der Objekttemperatur proportional ist, wobei zur Synchronmodulation das Rauschsignal während des 2. Zustandes abgeschwächt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch zusätzliche Amplitudenmodulation des Rauschsignales und ständige Messung des am Ausgang des Radiometers vorhandenen Modulationssignales gleichzeitig und kontinuierlich die Emissivität des Meßobjektes festgestellt wird.

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine steuerbare Rauschquelle (9) enthält, deren erster Ausgang über einen ersten veränderbaren Abschwächer

(10) und einen Richtungskoppler (13) mit einer auf das Objekt gerichteten Antenne (4) verbunden ist, und deren zweiter Ausgang über einen zweiten veränderbaren Abschwächer (11) mit einer ersten Eingangsklemme eines Umschalters (2) verbunden ist, dessen zweite Einfcangsklemme mit dem zweiten Ausgang des Richtungskoppler (13) verbunden ist, und dessen von einem Taktgenerator abwechselnd auf die Eingangsklemme geschaltete Ausgangsklemme am Eingang eines Radiometers (8) liegt, dessen Ausgang über einen

Integrator (14) am Steuereingang der Rauschquelle (9) liegt und dieser Verbindung ein der Objekttemperatur entsprechendes Signal entnehmbar ist (Fig. 5).

6. Anordnung zur Durchführung des Verfahens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine steuerbare Rauschquelle (9) vorgesehen ist, deren erster Ausgang über einen ersten veränderbaren Abschwächer (10) und einen ersten Richtungskoppler (12) mit einem Vergleichsreflektor verbunden ist, und

deren zweiter Ausgang über einen zweiten veränderbaren Abschwächer (11) und über einen zweiten Richtungskoppler (13) mit einer auf das Objekt gerichteten Antenne verbunden ist, daß die /weiten Ausgänge der Richtungskoppler (12,13) mit den Eingangsklcmmen eines von einem Taktgenerator gesteuerten Umschalters (2) verbunden sind, dessen Ausgangsklemme am Eingang eines Radiometers (8) liegt, dessen Ausgang über einen Integrator (14) mit dem Steuereingang der Rauschquellc (9) verbunden ist und dieser Leistung f, 40 ein der Objekttemperatur entsprechendes Signal entnehmbar ist (Fig. 6).

\ 7. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine

steuerbare Rauschquelle (9) über einen geschalteten Abschwächer (10') und einen Richtungskoppler (13) ^ mit der Ausgangsklemme eines Umschalters (2) verbunden ist, dessen erste Eingangsklemme mit der

'"''ι Antenne (4) und dessen zweite Eingangsklemme mit einem Vergleichsreflektor verbunden sind, daß der

, ν ⁴5 zweite Ausgang des Richtungskoppler am Eingang eines Radiometers (8) liegt, dessen Ausgang über einen

< f Integrator (14) mit dem Eingang der Rauschquelle (9) verbunden ist, an dessen Klemme in dieser Verbindung ein der Objekttemperatur entsprechendes Signal entnehmbar ist, und daß Mittel zur synchronen Steuerung von Abschwächer (10') und Umschalter (2) vorgesehen sind.

8. Anordnung zur Durchführung der Verfahren nach Anspruch 4, unter Verwendung einer Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch einen NF-Oszillator (21), der über ein Summierglied (22) an den Steuereingang der Rauschquellc angeschlossen und mit dem Steucreingang eines weiteren Synchron-Detektors (23) verbunden ist, dessen Meßeingang am Ausgang des Radiometers (8) liegt und dest sen Ausgangsspannung der Emissivität des Objektes entspricht (Fig. 12).

_t 9. Anordnung nach einem der Ansprüche 5,6,7,8, dadurch gekennzeichnet, daß als Richtungskoppler ein

*< ⁵⁵ Zirkulator (16) oder ein Leitungskoppler (17) mit einem Isolator (15) verwendet ist (Fig. 8).

Die Erfingung betrifft ein Verfahren zur Messung der physikalischen Temperatur von Objekten mittels Mikrowellen unter Verwendung eines Dicke-Radiometers, sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. Aus der Astrophysik und der Geophysik ist es bekannt, die Strahlungstcmperatur T_x von Sternen oder irdischen Objekten im Frequenzbereich der Mikrowellen zu messen.

Die hierzu verwendeten Radiometer (Dicke Radiometer und abgeleitete Verfahren in R. II. Dicke »The Measurement of Thermal Radiation at Microwave Frequencies«, Rev. Sei. Instrum., VoI 17, pp 268-275, July 1946; und »Microwave Radiometry«, Manual οΓ Remote Sensing, American Society of Photogrammetry, Falls Church, Va., 1975, Part I, Chapt. 9, pp 499-527) empfangen eine vom Objekt ausgsandte thermische Mikrowellenleistung, die nach der Nyquist-Formel der Strahlungstemperatur 7y direkt proportional ist. Die Strahlungs-

temperatur T_s ist gegeben durch das Produkt aus Emissivität E und Objekttemperatur T₀

T₅- E- T₀ (1)

In jüngster Zeit wird diese Methode der Temperaturmessung auch im technischen und medizinir.chen Bereich s angewandt, wobei jedoch das Ziel der Messung in der Regel die physikalische Objekttemperatur T₀ selbst, nicht dagegen die Strahlungstemperatur 7^ist. Die genaue Bestimmung der Objekttemperatur r_omit herkömmlichen Radiometern ist unmöglich, wenn

a) die Emissivität des Objektes nicht genau bekannt ist, oder

b) die Emissivität des Objektes sich während der Messung in unbekannter Weise ändert, oder

c) die Emissivität sich zwischen den Messungen an einzelnen Individuen einer Gruppe von Objekten in unbekannter Weise ändert.

Dieses Problem sei verdeutlicht anhand eines Beispiels aus der medizinischen Anwendung.

Fig. 1 zeigt die Emissivität eines 3-Schichtcn-Modclls der Oberfläche des menschlichen Körpers bei 3 GHz und 10 GHz als Funktion von Haut· und Fettschichtdicke (H. P. Schwan, K. Li: »Hazards due to total body irradiation by Radar«, Proc. of IRE, Nov. 1956, pp 1572-1581). So kann bei 3 GHz und einer Hautdicke «/„von 2 mm die Emissivität £je nach Dicke der Fettschicht d_F zwischen 60% und 30% betragen. Die Parameter Hautdicke </_wund Fettschichtdicke d_r sind bei nichtinvasiver Messung im allgemeinen unbekannt.

Das üblicherweise verwendete Dicke-Radiometer nach Fig. 2 besteht aus einem hochempfindlichen Mikrowellenempfänger 1, dessen Eingang über einen Schalter 2 periodisch zwischen einer auf ein Objekt 5 mit einer Temperatur T₀ gerichteten Empfangsantenne 4 mit der Strahlungstemperatur T₆ und einer Vergleichsquelle 3 mit der Temperatur 7* umgeschaltet wird. Ein Synchrondetektor 7, der wie der Schalter 2 von einem Taktgenerator 6 gesteuert wird, liefert dann eine Gleichspannung, die der Differenz beider Temperaturen proportional ist:

Δ T= Ta- T_R (2)

Die bekannten abgeleiteten Nullverfahren (z. B. »Microwave Radiometry«, Manual of Remote Sensing, American Society of Photogrammetry, Falls Church, Va., 1975, Part I, Chapt. 9, pp 499-527) nach den Fig. 3 und 4, addieren entweder auf den Eingang mit einem Rieht! oppler 13 in Richtung Radiometer elektronisches Rauschen, beschrieben durch die Temperatur 7^(Fig. 3), oder verwenden als Vergleichsquelle eine steuerbare Rauschquelle T_n(Fig. 4). Ein Integralregler stellt in jedem Fall die geeichte variable Rauschquelle so ein, daß AT=O wird.

Bei der Anordnung nach F i g. 3 wird ein Dicke-Radiometer 8 mittels des Schalters 2 abwechselnd an die auf ein (nicht dagestelltes) Objekt gerichtete Antenne 4 und an die Temperaturvergleichsquelle 3 gelegt. Der Ausgang des Radiometers 8 ist mit dem Eingang einer steuerbaren Rauschquelle t verbunden, deren Rauschen Γ* über einen Richtkoppler 13 eingekoppelt wird. Demgegenüber ist bei der Anordnung nach F i g. 4 die Vergleichsquelle durch eine steuerbare Rauschquelle 9 ersetzt.

Diesen und allen anderen bisher publizierten Radiometersystemen ist gemeinsam, daß selbst bei Annahme idealer Bauelemente bei der Temperaturmessung im einfachsten Fall eines Objektes, das die Antennencharakteristik voll ausfüllt und eine konstante Temperatur hat, der ermittelte Meßwert einen Absolutfehler F(T) aufweist (Differenz zwischen Meßwert und Objekttemperatur 7Ό), gegeben durch die Gleichung:

F(O = R (Tk-T₀) (3)

Dabei sind R der Leistungsreflexionsfaktor an der Antenne und T_K ein Maß Tür die sich im Radiometer 8 in Richtung auf die Antenne 4 ausbreitende thermische Strahlung.
Zwischen der Objektemissivität E und dem Reflexionsfaktor R besteht hier der Zusammenhang

50 E + R - 1 (4)

Die Leistungsreflexion R ist die in der Mikrowellentechnik gebräuchlichere Größe. Sie beschreibt die Fehlanpassung der Antenne an das Objekt.

Bei dem eingangs genannten Beispiel aus der medizinischen Anwendung kann R je nach Patient zwischen 40% und 70% variieren. Das bedeutet bei T₁₁ - 25° C, T₀ = 37° C, also einer Temperaturdifferenz von 12° C, einen Meßfehler zwischen 4,8° C und 8,4° C, der um Größenordnungen über die angestrebte Genauigkeit von 0,1° C hinausgeht.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schäften, bei denen der genannte Fehler nicht auftritt.

Wie aus Gleichung (3) hervorgeht, kann der systematische Meßfehler F(T) unabhängig vom Reflexionsfaktor R dadurch beseitigt werden, daß T_E- T₀-O eingestellt wird, d. h. wenn im verallgemeinerten Sinn Radiometer und Objekt isotherm sind, oder genauer: wenn die StrahlungseinfVissc vom Objekt zur Antenne und vom Radiometer zur Antenne gleich groß sind.

Demzufolge besteht eine erste erfindungsgemäße Lösung der genannten Aufgabe darin, daß ein Rauschsignal gleichzeitig ständig einer au! das Objekt gerichteten Antenne und periodisch und abwechselnd mit dem Antennensignal (reflektiertes Rauschen plus Objektemission) dem Radiometer zugeführt wird, dessen intergriertes Ausgangssignal die Rauschleistung steuert und der Objekttemperatur proportional ist.

Dabei können beide Rauschteiitignale unabhängig voneinander veränderbar sein.

Eine zweite erfindungsgemäBe Lösung besteht darin, daß ein Rauschsignal gleichzeitig und ständig einer auf das Objekt gerichteten Antenne und einem Vergleichsreflektor (offene Leitung, Kurzschluß oder rein reaktiver Abschluß) zugeführt wird und die Teilsignale periodisch und abwechselnd auf das Radiometer gelangen, dessen s integriertes Ausgangssignal die Rauschleistung steuert und der Objekttemperatur proportional ist.

Diese selbstabgleichenden Nullverfahren stellen das Strahlungsgleichgewicht her, ohne die physikalische Temperatur des Radiometers selbst zu ändern, indem die erforderliche Rauschtemperatur T'_E des in Richtung zur Antenne fließenden Strahlungsstromes und eine Vcrgleichsrauschtemperatur (ebenfalls T'£ durch Einkopplung zusätzlichen elektronischen Rauschens entsprechend eingestellt werden, um so die notwendige erhöhte ίο Radiometertemperatur T'_E= T₀ zu simulieren.

An Hand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Darin zeigt Fig. S eine mögliche Anordnung zur Durchführung des ersten vorgeschlagenen Verfahrens, Fig. 6 eine mögliche Anordnung zur Durchführung des zweiten vorgeschlagenen Verfahrens,

Fig. 7 eine weitere mögliche Anordnung,
Fig. 8 verschieden Arten geeigneter Koppler,

Fig. 9 eine vierte Anordnungsmöglichkeit,

Fig. 10 ein Diagramm, darstellend die mit einer Anordnung nach Fig. 5 erzielte Verbesserung der Meßgenauigkeit, und

Fig. 11 ein Ersatzschaltbild.
Fi g. 12 die erfindungsgemäße Anordnung mit einer Vorrichtung zur Ermittlung des Emissivität des Objektes.

Bei einer ersten Anordnung nach F i g. 5 gelangt das Ausgangssignal einer steuerbaren Rauschqucllc 9 einmal über einen einstellbaren Abschwächer 10 und einen Richtungskoppler 13 auf eine Antenne 4, die auf ein nicht dargestelltes Objekt, dessen Temperatur gemessen werden soll, gerichtet ist, und zum anderen gleichzeitig über einen zweiten einstellbaren Abschwächer 11 auf einen Kontakt eines Schalters 2, dessen anderem Kontakt die von dem Objekt über die Antenne 4 reflektierte Leistung zusammen mit der vom Objekt selbst emittierten Leistung zugeführt wird. Dieser Schalter 2 wird in bekannter Weise (F i g. 2) durch einen im Radiometer 8enthaltenen Taktgenerator periodisch umgeschaltet. Das Ausgangssignal des Radiometers 8gelangt über einen Integrator 14 auf eine Ausgangsklemme, deren Spannung {/„der Objekttemperatur entspricht und zugleich zur Steuerung der Rauschquelle 9 dient.

Eine zweite Anordnung nach Fig. 6 enthält ebenfalls die steuerbare Rauschquelle 9, deren Ausgangssignal wiederum über zwei einstellbare Abschwächer 10 und 11 auf je einen Richtungskoppler 12 bzw. 13 arbeitet, deren einer, 12, mit einem Vergleichsreflektor verbunden ist, während der andere, 13, mit der Antenne 4 verbunden ist. Die von dem Vergleichsreflektor und dem Objekt reflektierten Tcilsignale sowie das vom Objekt emittierte Signal gelangen wieder auf den Umschalter 2, der, periodisch gesteuert, diese Teilsignale abwechselnd dem Radiometer 8 zuführt, dessen Ausgang wiederum über den Integrator 14 die Rauschquelle 9 steuert, wobei das Ausgangssignal des Integrators 9 der Objekttemperatur entspricht.

Der Meßbereich der Anordnungen erstreckt sich von der minimalen Empfängercingangstemperatur T_E (gleich der physikalischen Temperatur der Abschwächer 10,11 und Koppler 12,13) bis zu der mit dem Zusatzrauschen von der Rauschquelle 9 einstellbaren maximalen Rauschtemperatur T_E. Als Quelle stehen Halbleiterdioden mit Rauschtemperaturen in der Größenordnung 10⁶K zur Verfügung. Mit dem Abschwächer U wird der erforderliche Meßbereich eingestellt:

z. B. 50 dB Abschwächung *■ ίο ~⁵ für einen 10°-Meßbereich

30 dB Abschwächung δ. ίο ' für einen 1000°-Meßbereich.

Der Abschwächer 10 wird so eingestellt, daß bei Totalreflexion an der Antenne 4 die aus den Abschwächern 10, 11, den Kopplern 12, 13, dem Schalter 2 sowie der Antenne und dem Vergleichsreflektor bestehende Brückenanordnung bezüglich des Zusatzrauschens aus der Rauschquelle 9 abgeglichen ist.

Eine Abwandlung nach Fig. 7, die im wesentlichen die gleichen Bauteile enthält wie die Anordnungen nach den Fig. 5 und 6, setzt die Verwendung idealer Bauelemente voraus.

Bie diesen drei Anordnungen werden die besten Ergebnisse dann erzielt, wenn als Richtungskoppler 13 entweder ein Zirkulator 16 oder eine Kombination aus Leitungskoppler 17 mit einem Isolator 15 nach Fig. 8 verwendet wird.

In der Fi g. 12 ist die in der Fig. 5 dargestellte Anordnung zur Messung der Objekttemperatur durch ein zwi-

sehen dem Integrator 14 und der Rauschquelle 9 geschaltetes Summierglied 22, durch einen das Summierglied 22 ansteuernden NF-Oszillator 21 und durch einen vom Radiometer 8 und vom NF-Oszil!ator 21 angesteuerten

Synchrondetektor 23 ergänzt, der eine Spannung U_a mit einem der Emissivität E des Objektes proportionalen Wert liefert.

Im Summierglied 22 wird aus dem vom NF-Oszillator 21 gelieferten NF-Signal und aus dem vom Integrator gelieferten Steuersignal ein Summensignal gebildet, das die Rauschquelle 9 derart steuert, daß die Amplitude des von der Rauschquelle 9 erzeugten Rauschsignales im Takt des NF-Signales moduliert wird. Das Rauschsignal weist somit eine Gleich- und eine Wechselkomponente auf.

Das Rauschsignal wird über den Abschwächer 10 und den Richtungskoppler 13 der Antenne 4 zugeführt, die das Objekt anstrahlt.

Das vom Objekt ausgehende und von der Antenne 4 empfangene Meßsignal weist eine Gleichkomponente, die sich aus der Wärmestrahlung des Objektes und dem am Objekt reflektierten Gleichanteil des Rauschsignales zusammensetzt, und eine Wcchselkomponente auf, die dem am Objekt reflektierten Anteil der Wechselkomponente des Rauschsignals entspricht.

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Über den Schalter 2 wird abwechselnd das MeUsignal und das von der Raüschquelle 9 über den Abschwächer Il gelieferte Rauschsignal dem Radiometer 8 zugeführt, der das McBsignal vom Rauschsignal subtrahiert. Das sich daraus ergebende Modulationssignal weist eine deich- bzw. eine Wechselkomponente auf, die sich aus der Differenz der deich- bzw. Wechselkomponenten des Rausch- und des Meßsignals ergibt.

Solange die Amplituden des Rauschsignals und des Meßsignals verschiedene Werte haben, hat auch die Amplitude des Modulaüonssignales einen von Null abweichenden Wert, und das Modulationssignal verändert über den Integrator 14 die Amplitude des von der Rauschquelle 9 erzeugten Rauschcignals.

Sind die Gleichkomponenten von Rausch- und Meßsignal gleich groß, wird die Gleichkomponente des Modulationssignals gleich 0, und der Wert des vom Integrator 14 erzeugten Steuersignals bleibt konstant. Dieser Wert entspricht der Temperatur des Objektes.

Der Wechselanteil des Modulationssignals hat keinen Einfluß auf den Wert des Steuersignals und entspricht dem vom Objekt absorbierten Wechselanteil des Rauschsignals. Da das Absorptionsvermögen und das Emissionsvermögen des Objektes gleich sind, ist somit die im Synchrondetektor 23 aus dem Modulationssignal und dem NF-Signal ermittelte Amplitude des Wechselanteiles des Modulationssignals ein Maß fur die Emissivität des Objektes.

üie wichtigsten, noch verbleibenden Fehierquciien (in diesem Sinn Fehier zweiter Ordnung) bestehen in:

1. Transmissionsverlusten zwischen Antenne und Radiometer:

a) Antennenvcrlusten

b) Verlusten im Verbindungskabel zwischen Antenne und Schalter,

c) Verlusten im Schalter,

2. Mehrfachreflexionen zwischen Antenne und Schalter,

3. Überlagerung der radiometerseitigen Reflexion von Rauschenergie im »Eirw-ZusUnd mit den Reflexionen an der Antenne (betrifft nur die Anordnung nach Fig. 7),

4. unsymmetrischem Schalterbetrieb, abwechselnd als Transmissions- und Reflexionsglied mit Transmission r<l und Reflexion R_s< 1 (betrifft nur Anordnung nach F ig. 7, r- Transmissionskoeffizient des Schalters im »Ein«-Zustand, R_s: ReflexionskoefTizient des Schalters im »Aus«-Zustand),

5. Eigenemission der passiven Bauelemente (Zirkulator, Koppler, Abschwächer, Leitungen). Dieser Fehler entfällt, wenn sich alle Bauelemente auf gleicher physikalischer Temperatur befinden,

6. Eigenemission eines z. B. als Schalter 2 verwendeten PIN-Dioden-Schalters

a) aufgrund der durch den notwendigen Steuerstrom erhöhten Diodentemperatur. Dieser Fehler entfällt bei symmetrischer Belastung der Schaltereingänge wie in den Anordnungen nach Fig. 5 und 6, nicht dagegen bei unsymmetrischem Schalterbetrieb nach F i g. 7. Hier hängt die Eigenemission des Schalters in das Radiometer von der Reflexion R an der Antenne ab.

b) scheinbare Eigenemission aufgrund des Mikrowellenspektralanteiles des Diodensteuerstromes. Diese wird beseitigt durch abwechselnde getrennte Ansteuerung der beiden PIN-Dioden mit einem Steuerstrom gleicher Polarität.

Nur der Fehler nach Punkt 4 sei hier quantitativ beschriiben: Der relative Meßfehler beträgt:

^ΛΤο~^ΔΤ» = _JL_ mit y - —£- (\-4-)- <⁵>

A T₀ 1 + γ ' 1 - R \ RsJ

Dieser Fehler verschwindet bei beliebigem R nur für den Sonderfall i² - Rs. Im allgemeinen wird jedoch r² < R_s sein.

Ein praktisches Beispiel: Typische Schaltertransmission im »Ein«-Zustand: /·*»0,9 so Typische Schaltcrreflexion im »Aus«-Zustand: Äs» 0,9

mit R - 0,5 folgt:

Δ T₀ - A T_n _{= 9%} -

Δ T₀

oder F(T) = A T₀-A T_n = 1,1° C bei A T_p = 12° C.

Wird zwischen Antenne und Schalter ein längeres Kabel eingesetzt, so wird infolge der Leitungsver-

lustc die entsprechende gesamte Transmission ι noch kleiner, der Fehler noch größer. Dieser Fehler kann daduch beseitigt werden, daß zwischen Richtungskoppler 13 (F i g. 9) und steuerbarer Rauschquelle 9 ein synchron mit dem Schalter 2 umschaltbarer Abschwächer 10' eingefügt ist, der durch geringe Abschwächung im »Ein«-Zustand die Transmissionsverluste des elektronischen Rauschens bis zur Antenne kompensiert. Auf diese Weise wird mit dieser Anordnung auch mit nicht-idealen Bauelementen das erforderliehe Strahlungsgleichgewicht an der Schnittstelle Antenne/Objekt möglich. Die übrigen genannten Fehlerquellen bleiben jedoch bestehen. Die Anordnungen nach den F i g. 5 und 6 erreichen von vornherein eine höhere Meßgenauigkeit, da

1. die Transmissionsverluste zwischen Antenne 4 und Radiometer 8 auf einfache Weise durch entsprechende Einstellung des zum Koppler 13 führenden variablen Abschwächers IO kompensiert werden.

2. Mehrfachreflexionen zwischen Antenne 4 und Schalter 2 entfallen wegen der nichtreziproken Eigenschaft des dazwischen eingesetzten Kopplers 13 (Zirkulator oder Leitungskoppler plus Isolator).

Die Fehlerquellen 3,4 und 6anach Seite 13/14 entfallen Tür diese Anordnung von vornherein. Die Fehlerquellen 5 und 6b können, wie bereits oben beschrieben, genügend klein gehalten werden. Die Anordnungen nach den Fig. S und 6 realisieren Nullverfahren. In einem verallgemeinerten Sinn wären sie als »isotherme Radiometer« zu bezeichnen, im Gegensatz zu herkömmlichen, nichtisothermen Radiometerverfahren, die das Strahlungsgleichgewicht an der Antenne weder anwenden noch ausnutzen.

Praktische Ergebnisse

Fig. 10 zeigt die erreichte Verbesserung der Meßgenauigkeit durch einen Aufbau nach Fig. S im Vergleich mit einem Radiometer des nichtisothermen Typs.

Dabei handelt es sich in beiden Fällen um dasselbe Gerät 8, das jedoch zwischen der Arbeitsweise ais kompensierendes »isothermes« Nullverfahren »C« und als herkömmliches Dicke-Radiometer »D« umgeschaltet werden kann.

Das Meßobjekt 20 besteht hieraus einer physiologischen Salzlösung (H₂O +0,9% NaCI) mit einer Temperatur von 32° C bei einer Umgebungstemperatur von 24,4° C. Die Übertemperatur beträgt also 7,6° C. Zur Eichung wird ein angepaßter Lastwiderstand 19, der sich auf gleicher Temperatur im Wasserbad 20 befindet, anstelle der Antenne 4 verwendet. Auf diese Weise wird eine Emissivität von E = 1, also Ä=0, simuliert. In diesem Fall ergeben beide Meßverfahren den gleichen Meßwert. Ein H-Band-Wellcnleiterftansch, gefüllt mit Aluminiumoxid, wird in das Bad getaucht und dient als Antenne im 2 -2,5 GHz-Frequenzband. In dieser Zusammenstellung hat das Meßobjekt eine Emissivität von etwa 0,63 (entsprechend einem Leistungsreflexionskoeffizienten von R = 0,37). Dieser Wert kann weiter reduziert werden durch einen fehlanpassendcn Reflektor 18 geringer Emissivität zwischen Antennenöffnung und Wasserbad (isotherme fchlangcpaßte S-Schichtcn-Struktur). In diesem Fall beträgt die Emissivität dann nur noch E = 0,26 (R = 074).

Die Meßkurve zeigt die entsprechenden Fehler des Dicke-Radiometers (37% bzw. 74%), wohingegen das kompensierende »isotherme« Radiometer innerhalb der statistischen Fluktuationen (in diesem Beispiel 3% oder 0,3 K) in allen drei Fällen den korrekten Temperaturwert anzeigt.

Mathematischer Anhang

Zur Erklärung der der Erfindung zugrunde liegenden Idee sei das Radiometers' (Fi g. 11) durch einen Nennlastwiderstand der Temperatur T_E dargestellt, der mit dem Objekt verbunden ist. Antenne, Objekt und Umgebung werden beschrieben durch ein Ein-Tor (Zweipol), das im folgenden zur Abkürzung einfach als Objekt bezeichnet wird. Dieses Objekt mag von beliebiger innerer Beschaffenheit sein und demgemäß eine beliebige Anzahl von unabhängigen inneren Quellen enthalten mit den jeweiligen Temperaturen Γ, ... 7J. Die beiden Ein-Tore tauschen Strahlungsleistung aus entsprechend der Nyquist-Formel: P= KT- B (K:

ρ Boltzmann-Konstante, B: Breite des betrachteten Frequenzbandes, T: Temperatur).

P Das Prinzip der Energieerhaltung verlangt, daß die Leistungsreflcxion am Eingang R ■ T_E und die inneren Lei- H stungsabsorptionen A₁ ■ T_E sich zu 100% der auf das Objekt einfallenden Strahlung (repräsentiert durch T_E)

$. summieren:

k 1= R+ LA₁ (6)

% Die Koeffizienten sind Mittelwerte über die Meßbandbreite B. Γ symbolisiert in vereinfachter Weise die zur

|| Erfassung aller Volumenelemente verschiedener Temperatur oder Emissivität (unterschieden durch den Index

fl 50 0 notwendige Summation oder Integration. Eine mittlere Temperatur 7j des Objektes kann definiert werden

if durch lineare Überlagerung der einzelnen inneren Quellen:

M T₃=LErT₁ (7)

Für den Sonderfall tines Objektes mit homogener Temperatur T₀ vereinfacht sich die Gleichung zu:

T₅ = E_GTo. Ec= ZE₁ W

Unter der in der Praxis immer gerechtfertigten Annahme, daß für alle Einzelkomponenten des Objektes das Reziprozitätsgesetz erfüllt ist, gilt:

und folglich:

1 - R = E_G oder E₀ + R - 1 (9)

Daher ist im allgemeinen die Gesamtemissivität E₀ um den Betrag des Leistungsreflexionskoeffizienten R
kleiner als »eins«. Die vom Radiometer »gesehene« Eingangstemperatur T₀ ergibt sich zu:

T_c = T_s + R ■ T_E (10)

Im Dicke-Radiometer und herkömmlichen abgeleiteten Verfahren ist die Radiometer- ode-· Vergleichstemperatur T_E = T_R konstant und liegt nahe der Eingangstemperatur T₀.

Im Spezialfall eines Objektes homogener Temperatur folgt für den systematischen Meßfehler des Dicke-Radiometers aus obigen Gleichungen:

To-T₀-R-CTe-T(J (H)

Bei nicht-homogener Temperaturverteilung im Objekt ist 7₍,durch die »verfügbare« Temperatur (engl.: »available« temperature) T_n, zu ersetzen:

T_m m IZLLL - 1±3-. (12)

Σ Ei \ — K

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Palentanspruch:

1. Verfahren zur Messung der physikalischen Temperatur von Objekten mittels Mikrowellen unter Verwendung eines Dicke-Radiometers, dadurchgekennzeichnet, daßein Rauschsignal gleichzeitig stän-

dig einer auf das Objekt gerichteten Antenne und periodisch und abwechselnd mit dem Antennensign&l (reflektiertes Rauschen plus Objektemission) dem Radiometer zugeführt wird, dessen integriertes Ausgangssignal die Rauschleistung steuert und der Objekttemperatur proportional ist.

2. Verfahren zur Messung der physikalischen Temperatur von Objekten mittels Mikrowellen unter Verwendung eines Dicke-Radiometers, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rauschsignal gleichzeitig und ständig

einer auf das Objekt gerichteten Antenne und einem Vergleichsreflektor (offene Leitung, Kurzschluß oder rein reaktiver Abschluß) zugeführt wird und die Teilsignale periodisch und abwechselnd auf das Radiometer gelangen, dessen integriertes Ausgangssignal die Rauschleistung steuert und der Objekttemperatur proportional ist.