UA34996A - Пристрій для реєстрації характеристик відбиття мікрохвиль від об'єктів живої природи - Google Patents

Abstract

Винахід стосується аналізу властивостей об'єктів живої природи. Пристрій містить послідовно з'єднані мікрохвильовий генератор, керований атенюатор і антену, диференційний підсилювач та джерело стабілізованої опорної напруги, вихід якого з'єднаний з одним з входів диференційного підсилювача, а також послідовно з'єднані мікрохвильовий попередній підсилювач, квадратичний детектор, керований відеопідсилювач та піковий детектор.

Description

Винахід стосується аналізу властивостей об'єктів живої природи за допомогою мікрохвиль і може бути використаний для реєстрації характеристик відбивання мікрохвиль від локальних дільниць шкіри людини, тварин і поверхні інших живих істот.

Відбивні властивості шкіри людини і інших ссавців тісно пов'язані з кількістю вологи, що міститься в ній. З підвищенням вологовмісту шкіри коефіцієнт відбивання мікрохвиль зростає. Однак при опроміненні шкіри в біологічно активних точках акупунктури електромагнітними хвилями (ЕМХ) міліметрового діапазону (30-300 ГГЦ) спостерігається аномально вузькосмугове (резонансне) поглинання на деяких частотах, що отримали назву терапевтичних частот (див. Девятков Н.Д., Голант М Б. Особенности частотнозависимьх биологических зффектов при воздействий злектромагнитньїх излучений - Злектронная техникат Сер. Злектроника СВУ, 1982, вьп. 12 (348), С 40-50).

Коефіцієнт відбивання ЕМХ на терапевтичних частотах залежить не тільки від вмісту води в шкірі та підшкірних структурах, але і від потужності опромінення. Так, із збільшенням інтенсивності ЄМХ поглинання зменшується за рахунок зростання відбивних властивостей шкіри. Під впливом інтенсивного опромінення клітини шкіри немов би тимчасово закриваються високопровідною "шторкою", яка відбиває ЕМХ, що с нормальною запобіжною реакцією живих істот. Можливо має місце місцевий приплив рідини з підшкірних структур, що забезпечує екранування. Подальше підвищення інтенсивності опромінення викликає місцевий розігрів і відповідні термічні ефекти.

При зниженні інтенсивності ЕМХ виявляється зворотна картина, так при малих (не теплових) інтенсивностях

ЕМХ оввідбивальна властивість шкіри різко падає, що призводить до значного збільшення поглинання електромагнітної енергії. Якщо інтенсивність опромінення менша за 108..,109 Вт/см", то поблизу терапевтичних частот Коефіцієнт відбивання зменшується практично до нуля. Поза смугою поглинання коефіцієнт відбивання збільшується до 70...8095 і визначається вологістю шкіри. Однак вимірювання коефіцієнта відбивання, від поверхні живих істот пов'язаний з великими труднощами через малі рівні опромінення, які за величиною близькі до рівня власного електромагнітного випромінення живих істот, а також через суттєвий вплив власних шумів вимірювальної апаратури.

Відомий пристрій для реєстрації характеристик відбивання мікрохвиль від об'єктів живої природи (Див. Искин

В.Д. Биологические зффекть! миллиметровьїх волн и корреляционньій метод их обнаружения. Харьков, Изд-во "Основа" при Харьк. ун-те, 1990, с. 164-165), що містить мікрохвильовий генератор, до виходу якого подключені атенюатор, циркулятор і діелектричний стрижень-антена, що поміщена в досліджуване середовище, а до другого виходу циркулятора подключен) микрохвильовий детектор, підсилювач і індикатор. Показання індикатора пропорційні коефіцієнту відбивання при збереженні постійності микрохвильової потужності, що генерується.

Неминуча непостійність потужності микрохвильового генератора, особливо при перестройці його частоти, нестабільність чутливості детектора і підсилювача, вплив власних шумів і т.ї. не дозволяють зареєструвати зміни коефіцієнта відбивання при малих рівнях опромінення в широкому частотному діапазоні.

Відомий також пристрій для реєстрації характеристик відбивання мікрохвиль від об'єктів живої природи за

А.С. СССР М5 654886, МПК? СО1М 23/24, 1977 (Бюл. Ме 12, 1979), що містить послідовно з'єднані мікрохвильовий генератор, керований атенюатор і антену, диференціальний підсилювач та джерело стабілізованої опорної напруги, вихід якого з'єднаний з одним з входів диференційного підсилювача, а також послідовно з'єднані мікрохвильовий попередній підсилювач, квадратичний детектор, керований відеопідсилювач і піковий детектор.

Крім того, відомий пристрій містить відкритий резонатор із зворотно-поступальним механізмом, що виконує роль випромінювача і приймача мікрохвиль, взаємодіючих з контрольованим матеріалом. Схема вимірювання включає також детектор середніх значень і дільник напруги, а також другий диференційний підсилювач, причому входи другого диференційного підсилювача з'єднані з виходами детектора середніх значень і дільника напруги, вхід якого з'єднаний з виходом пікового детектора. Вихід першого диференційного підсилювача з'єднаний з другим входом керованого аттенюатора. Показання індикатора, підключеного до виходу другого диференційного підсилювача, пропорційні вологості контрольованого матеріалу, а отже і його коефіцієнту відбивання.

Автоматичний регулятор потужності на основі керованого атенюатора і першого диференційного підсилювача стабілізує потужність мікрохвильового випромінювання, що забезпечує незалежність результату виміру від нестабільності Потужності мікрохвильового генератора і параметрів підсилювально-перетворювального тракта.

Однак стабілізація мікрохвильової потужності не дозволяє вимірювати коефіцієнт відбивання при різних рівнях мікрохвильової потужності. Тому неможливо реєструвати характеристики відбивання мікрохвиль від людини і інших живих істот при зміні інтенсивності опромінення в широких межах.

В основу винаходу покладене завдання створення такого пристрою для реєстрації характеристик відбивання мікрохвиль від об'єктів живої природи, в якому введення нових елементів і зв'язків між ними дозволило підвищити точність реєстрації характеристик відбивання в широкому динамічному і частотному діапазонах.

Поставлене завдання вирішується тим, що в пристрій для реєстрації характеристик відбивання мікрохвиль від об'єктів живої природи, що містить послідовно з'єднані мікрохвильовий генератор, керований атенюатор і антену, диференційний підсилювач та джерело стабілізованої опорної напруги, вихід якого з'єднаний з одним з входів диференційного підсилювача, а також послідовно з'єднані мікрохвильовий попередній підсилювач, квадратичний детектор, керований відеопідсилювач та піковий детектор, згідно винаходу введені послідовно з'єднані фільтр верхніх частот, підсилювач низької частоти, синхронний детектор, фільтр нижніх частот і автоматичний потенціометр, генератор низької частоти, подвійний хвилеводний тройник, другий керований атенюатор та послідовно з'єднані вентиль, циркулятор, мікрохвильовий модулятор, другий вентиль і другий циркулятор, включені між виходом керованого атенюатора та входом-виходом антени, при цьому другий вихід першого циркулятора через другий керований атенюатор з'єднаний з одним входом подвійного хвилеводного тройника, другий вхід якого з'єднаний з другим виходом другого циркуляра, а вихід подвійного хвилеводного тройника з'єднаний з входом мікрохвильового попереднього підсилювача, вихід керованого відеопідсилювача з'єднаний також з входом фільтру верхніх частот, при цьому керуючі входи мікрохвильового модулятора та синхронного детектора з'єднані з виходом генератора низької частоти, стрічкопротяжний механізм автоматичного потенціометру кінематичне з'єднаний з механічним приводом керованого атенюатора, а вихід пікового детектора з'єднаний з другим входом диференційного підсилювача, вихід якого з'єднаний з другим входом керованого відеопідсилювача. Введення до складу пристрою мікрохвильового модулятора з керуючим генератором низької частоти, двох вентилів та двох циркуляторов дозволить виділяти послідовно в часі відбиту і падаючу хвилі та спрямовувати їх на один квадратичний детектор з почерговим підсиленням детектованих сигналів. Підключення до виходу відеопідсилювача ланцюжка з фільтру верхніх частот, підсилювача низької частоти, синхронного детектора та фільтру нижніх частот забезпечує виділення сигналу, пропорційного різниці потужностей падаючої і відбитої хвиль. Вимірювання виділеного сигналу постійного струму автоматичним потенціометром, стрічкопротяжний механізм якого кінематичне з'єднаний з механічним приводом керованого атенюатора, дозволяє автоматично реєструвати значення цього сигналу, пропорційного коефіцієнту відбивання, у функціональній залежності від рівня потужності мікрохвильового опромінення З'єднання виходу пікового детектора з одним з тектора з одним з входів диференційного підсилювача, вихід якого з'єднаний з другим входом керованого відвопідсилювача, виключає вплив змін рівня мікрохвильового опромінення на значення коефіцієнта відбивання, що дозволить підвищити точність реєстрації характеристик відбивання в широкому динамічному та частотному діапазонах.

На фігурі представлена функціональна схема пристрою для реєстрації характеристик відбивання мікрохвиль від об'єктів живої природи.

Пристрій містить послідовно з'єднані мікрохвильовий генератор 1, керований атенюатор 2, вентиль 3, перший циркуляр 4, мікрохвильовий модулятор 5, другий вентиль б, другий циркулятор 7 та антену 8. До другого виходу першого циркуляра через другий керований атенюатор 9, підключений одним входом подвійний хвилеводний тройник 10, другий вхід якого з'єднаний з другим виходом другого циркулятора 7. До виходу подвійного хвилеводного тройника 10 підключені послідовно з'єднані мікрохвильовий попередній підсилювач 11, квадратичний детектор 12, керований відеопідсилювач 13 і піковий детектор 14. Вихід пікового детектора з'єднаний з одним входом диференційного підсилювача 15, другий вхід якого з'єднаний з джерелом 16 стабілізованої опорної напруги, а вихід диференційного підсилювача з'єднаний з другим входом керованого відеопідсилювача. До виходу керованого відеопідсилювача підключені також послідовно з'єднані фільтр 18 верхніх частот, підсилювач 19 низької частоти, синхронний детектор 20, фільтр 21 нижніх частот і автоматичний потенціометр 22. стрічкопротяжний механізм якого кінематично з'єднаний з механічним приводом 23 керованого атенюатора. Позицією 24 позначена поверхня досліджуваного об'єкта живої природи, 17 - генератор низької частоти.

Пристрій працює таким чином. Генератором 1 генеруються мікрохвильові коливання міліметрового діапазону, які через керований атенюатор 2, вентиль З та циркулятор 4 надходять на мікрохвильовий модулятор 5.

Модулятор виконаний на р-і-п діодах і працює на принципі повного віддзеркалення, коли на нього поступає запираюча напруга від генератора 17 низької частоти. При відкритому модуляторі мікрохвильові коливання проходять крізь відкритий модулятор 5 і далі крізь вентиль 6 та циркулятор 7 поступають в антену 8. Коливання міліметрового діапазону частково поглинаються локальною ділянкою поверхні об'єкту 24, що знаходиться в зоні випромінювання антени 8, і частково відбиваються. Відбиті коливання приймаються антеною 8 та проходять на другий вихід циркулятора 7. Відбиті коливання, що пройшли крізь циркулятор поглинаются у вентилі 6. При закриванні мікрохвильового модулятора 5 коливання генератора 1 відбиваються від модулятора та проходять на другий вихід циркулятора 4. Коливання, що пройшли крізь циркулятор 4, поглинаються у вентилі 3. Коливання з другого виходу циркулятора 4 проходять крізь аттенюатор 9 | поступають на один вхід подвійного хвилеводного тройника 10, на другий вхід якого поступають коливання з другого виходу циркулятора 7. В результаті почергового відкривання-закривання модулятора 5 мікрохвильові сигнали, пропорційні відбитим і падаючим коливанням, почергово підсилюються мікрохвильовим попереднім підсилювачем 11 та детектуються квадратичним детектором. 12. В результаті почергового детектування пакетів мікрохвильових коливань утвориться послідовність відеоіїмпульсів з амплітудами:

МКК КК) Вірі й; (1)

Ор е ге де 12. 2 хх (КіКеКеКа) БА Рі я Об; (2) де Кі - коефіцієнт передачі атенюатора 2;

Ке - коефіцієнт передачі циркулятора 4;

Кз - коефіцієнт передачі атенюатора 9;

Ка - коефіцієнт підсилення керованого мікрохвильового попереднього підсилювача 11;

К» - коефіцієнт передачі циркулятора 7;

Ке - коефіцієнт передачі антени 8;

Зі чутливість квадратичного детектора 12;

Рі - потужність мікрохвильових коливань генератора 1;

А - коефіцієнт відбивання об'єкту;

Шо - дисперсія власних шумів попереднього підсилювача 11 та квадратичного детектора 12.

Відеоіїмпульси з амплітудами (1) і (2) почергово посилюються керованим відеопідсилювачем 13 та поступають на піковий детектор 14. Вихідна напруга пікового детектора пропорційна амплітуді більшого з відеоімпульсів.

Оскільки потужність падаючих коливань більше потужності відбитих, то вихідна напруга пікового детектора з х (КіКоКзКа) КВ бо, (3) де 52 - чутливість пікового детектора 14;

К; - коефіцієнт підсилення керованого відеопідсилювача 13. Постійна напруга Оз діє на один вхід диференційного підсилювача 15, на другий вхід якого подана опорна напруга Ох стабілізованого джерела 16. На виході диференційного підсилювача 15 формується посилена різносна напруга

Ов Ка. КіКоКзКуа) Кб 52, (4) де Кв - коефіцієнт підсилення диференційного підсилювача 15 Напруга 05 поступає на другий вхід керованого відеопідсилювача 13. Процес автоматичного Догулюрання коефіцієнтом підсилення діє доти, доки вхідні напруги диференційного підсилювача не врівняються 73 7 4).

Виходячи з цього маємо 2

Це (КІКоКзК. ) КІР, (5)

З рівняння (5) визначаємо усталене значення коефіцієнта підсилення керованого відеопідсилювача в)

К;- --« « « вт (6) (КККаУК,) ЗЗР,

Відеоіїмпульси з амплітудами (1) та (2) з виходу відеопідсилювача 13 діють також на вхід фільтру 18 верхніх частот. З послідовності відеоїмпульсів фільтром виділяється змінна складова напруги ц-и й в: КК, т (7) де К»е - коефіцієнт передачі фільтру 18 верхніх частот. Напруга змінної складової не залежить від рівня власних шумів мікрохвильового підсилювача 11 і квадратичного детектора 12. Через те, що в схемі пристосування використовуються два однакових циркулятора 4 і 7, то можна вважати, що їхні коефіцієнти передачі рівні (К2-К»5).

Тоді, підставляючи до виразу (7) значення амплітуд відеоіїмпульсів (1) та (2), а також значення усталеного коефіцієнта підсилення (6) керованого відеопідсилювача, отримуємо к5-кев?

ШЦв- Ке-3. 5-8--- Му. (8) к55 2

Змінна напруга з амплітудою (8) посилюється підсилювачем 19 низької частоти, випрямляється синхронним детектором 20 та згладжується фільтром 21 нижніх частот. Випрямлена напруга має вигляд к5-кев

Це КоКикКе вва Це. (9)

КЗЗ де Кіо - коефіцієнт підсилення підсилювача 19 низької частоти;

Киї - коефіцієнт передачі фільтру 21 нижніх частот. Коефіцієнти передачі фільтрів 18 і 21 вибираються з умови

КеКуї:х 52, (10)

Тоді з врахуванням (10) остаточно одержуємо значення випрямленої напруги 4д2 к3-квА

От еКіо-3- 52 Му. 19

Кз352

Постійна напруга ШО; поступає на вхід автоматичного потенціометра 22, стрічкопротяжний механізм якого кінематичне з'єднаний з механічним приводом керованого атенюатора 2.

На початку реєстрації в атенюаторі 2 повністю виводиться поглинаючий елемент за допомогою початкової установки механічного приводу 23. Цьому відповідає мінімальне послаблення атенюатора 2, а отже максимальній інтенсивністі випромінюваних коливань в антені 8. Потім антена закривається металевим екраном, що відповідає коефіцієнту відбивання Н-1. Регулюванням коефіцієнта передачі атенюатора 9 досягають нульового показання потенціометра 22. У відповідності з виразом (11) при 0-0 маємо

Кз - КЗ Во с КЕ. аг)

Потім екран прибирають і антену 8 направляють не досліджувану ділянку 24 живого об'єкту. Показання потенціометра зростуть і реєстрована напруга у відповідності з виразом (11) прийме вигляд

Ов 2 Ків(1- ВХ) Шу, (13) де Ах - поточне значення коефіцієнта відбивання. який визначається властивостями об'єкту та рівнем потужності електромагнітного опромінення. Водночас вмикається стрічкопротяжний механізм автоматичного потенціометра 22, який кінематично з'єднаний з механічним приводом 23 керованого атенюатора 2. Одночасно з реєстрацією напруги 0? починається процес введення поглинаючого елементу атенюатора 2 та зменшення його коефіцієнта передачі Кі. Потужність опромінення об'єкту 22

Ро КУКК Р, (14) і зменшується по мірі зменшення коефіцієнта передачі Кі атенюатора 2. Із зменшенням потужності опромінення починає зменшуватися коефіцієнт відбивання Ех. У відповідності з виразом (13) починає збільшуватися напруга, що реєструється Ш»7.

Таким чином на стрічці автоматичного потенціометра 22 реєструється залежність коефіцієнта відбивання живого об'єкту від потужності рохвильового випромінювання. Величина (1-82) у виразі (13) характеризує поглинальну здатність об'єктів живої природи. Тому процес реєстрації віддзеркалює залежність поглинання електромагнітної енергії об'єктом від інтенсивності опромінювання.

Для визначення впливу зміни терапевтических частот процес реєстрації характеристики "відбивання- поглинання" проводиться повторно при зміні частоти мікрохвильового генератора 1. По кривим максимального поглинання визначають значення терапевтических частот. Згідно виразу (13) крутизну характеристик, що реєструються, легко регулювати зміною коефіцієнта підсилення Кіо підсилювача 19 низької частоти. Так при великих значеннях коефіцієнта відбивання (ХХ 0/7) ії опорній напрузі Олесопві високу чутливість до вмісту води с. ; В, г можна забезпечити за рахунок великого коефіцієнта підсилення Ко. Навпаки, при великому поглинанні( хХ о, коефіцієнт підсилення треба зменшувати. Таким чином, регулюючи коефіцієнт підсилення підсилювача 19 низької частоти одночасно із коефіцієнтом передачі атенюатора 2 можна отримати необхідну форму характеристики відбивання.

Зіставлення виразів (14) та (13) показує, що зміна потужності (Рг) опромінення не впливає на значення напруги, яка реєструється, і це забезпечує високу точність вимірювання коефіцієнта відбивання об'єкта.

Крім того, на результат виміру не впливає нестабільність коефіцієнта підсилення мікрохвильового підсилювача 11 (Ка), непостійність чутливості мікрохвильового детектора 12 (51), коефіцієнта підсилення відеопідсилювача 13 (К7), а також власні шуми приймально-підсилювального тракта, що сприяє також підвищенню точності реєстрації характеристик відбивання об'єкту в широкому динамічному та частотному діапазонах. од "7 : ; | І / 4 і і і ши 7 зашш 12 --

У то 7

КЕ /кх

Claims (1)

1. Пристрій для реєстрації характеристик відбиття мікрохвиль від об'єктів живої природи, що містить послідовно з'єднані мікрохвильовий генератор, керований атенюатор і антену, диференційний підсилювач та джерело стабілізованої опорної напруги, вихід якого з'єднаний з одним з входів диференційного підсилювача, а також послідовно з'єднані мікрохвильовий попередній підсилювач, квадратичний детектор, керований відеопідсилювач та піковий детектор, який відрізняється тим, що в нього введені послідовно з'єднані фільтр верхніх частот, підсилювач низької частоти, синхронний детектор, фільтр нижніх частот і автоматичний потенціометр, генератор низької частоти, подвійний хвилеводний тройник, другий керований атенюатор і послідовно з'єднані вентиль, циркулятор, мікрохвильовий модулятор, другий вентиль та другий циркулятор, включені між виходом керованого атенюатора та входом-виходом антени, при цьому другий вихід першого циркулятора через другий керований атенюатор з'єднаний з одним входом подвійного хвилеводного тройника, другий вхід якого з'єднаний з другим виходом другого циркулятора, а вихід подвійного хвилеводного тройника з'єднаний з входом мікрохвильового попереднього підсилювача, вихід керованого відеопідсилювача з'єднаний також з входом фільтру верхніх частот, при цьому керуючі входи мікрохвильового модулятора і синхронного детектора з'єднані з виходом генератора низької частоти, стрічкопротяжний механізм автоматичного потенціометра кінематичне з'єднаний з механічним приводом керованого атенюатора, а вихід пікового детектора з'єднаний з другим входом диференційного підсилювача, вихід якого з'єднаний з другим входом керованого відеопідсилювача.