Вирішенню цієї задачі з успіхом сприяє використання радіометричних методів та засобів, які мають значні потенційні можливості по чутливості, точності вимірювання, частотному діапазону. Радіометричні прилади та системи радіохвильового діапазону (радіометри) призначені для вимірювання параметрів слабких шумових сигналів, однак вони можуть використовуватись також для оцінювання параметрів низькоінтенсивних монохроматичних сигналів і параметрів ланцюгів, особливо в діапазонах надвисоких (3-30 ГГц) і надзвичайно високих частот (30-300 ГГц). Враховуючи спорідненість діапазону надвисоких і надзвичайно високих частот, яка характеризується використанням розподілених параметрів у подальшому застосовуємо позначення діапазонів як НВЧ.

Значний вклад в освоєння діапазону надвисоких частот у галузі вимірювання параметрів сигналів та ланцюгів, в тому числі і радіометричними методами, внесені працями Г.Д. Бурдуна, М.І. Білько, Р.А. Валітова, В.І. Водотовки, Л.Г. Гасанова, Н.А. Єсепкіної, Б.Г. Кадука, Д.В. Королькова, І.В. Лебедева, В.П. Манойлова, Ю.Ф. Павленко, Ю.Н. Парійського, Ю.О. Скрипника, В.С. Троїцького, М.А. Філінюка.

Діапазон надвисоких частот є найбільш освоєним. Він забезпечений стандартними засобами вимірювання параметрів, у тому числі й низькоінтенсивних сигналів: потужності, частоти, фазового зсуву, ослаблення, коефіцієнтів поглинання та відбиття, тощо.

Дещо гірші справи з вимірюванням параметрів низькоінтенсивних сигналів (у тому числі й потужності) у діапазоні надзвичайно високих частот. Відомі стандарті засоби вимірювання (ЗВТ) потужності М3-22А, М3-64/1, М3-64/2 забезпечують діапазон вимірювання потужностей в межах 10^-2.10^-6 Вт на частотах від 37,5 до 78,3 ГГц. Водночас значної актуальності набуває вимірювання потужності у цьому діапазоні, меншої за Р < 110^-6 Вт, для потреб фізики, біології та медицини. Інформаційними сигналами при цьому можуть бути як монохроматичні (детерміновані), так і шумові (стохастичні) сигнали, рівень яких значно нижчий 10^-6 Вт і може становити Р_min = 10^-12.10^-15 Вт.

Аналіз технічних публікацій та наукових праць з проблем вимірювання параметрів низькоінтенсивних сигналів та використання радіометричних методів показує, що більшість із них присвячені розробкам та створенню високочутливих вимірювачів на фіксовані довжини хвиль. У багатьох випадках такі радіометричні системи (РС) використовують квантові підсилювачі, додаткове охолодження, гетеродинне перетворення вхідних сигналів та інші технічні рішення, що підвищує їх флуктуаційну чутливість. Подібна реалізація схеми значно спрощує вирішення технічного завдання, однак обмежує науково-дослідницькі можливості, наприклад, щодо вивчення резонансних явищ і розподілу інтенсивності випромінювання та оцінки спектра випромінювання об'єктів. Недоліком подібних РС є також неможливість їхнього використання з метою метрологічної оцінки генеруючих джерел електромагнітного випромінювання, що діють у широкому діапазоні частот (наприклад, генераторів квантової медицини, еталонних джерел теплового шуму та інших генеруючих пристроїв).

Таким чином, існує проблема вимірювання інформативних параметрів слабких сигналів надзвичайно високих частот, інтенсивність яких порівняна або менша за рівень власних шумів апаратури, підвищення чутливості і точності вимірювання, розширення діапазону робочих частот і функціональних можливостей мікрохвильової апаратури.

На наш погляд, проведення досліджень і створення високочутливих широкосмугових радіометричних приладів та систем для вимірювання інформативних параметрів слабких сигналів діапазону мм-хвиль є актуальною задачею, вирішення якої можливе за рахунок розвитку теоретичних та практичних засад побудови нових спеціалізованих схем (КМП) вимірювачів із застосуванням, наприклад, комутаційно-модуляційного перетворення. Однак, розробка та використання останніх у мм-діапазоні є складним завданням через відсутність окремих пасивних та активних елементів або обмеженість їхніх частотних і шумових параметрів, відсутність еталонної та зразкової бази в Україні, дороговизну тощо.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами та темами. Робота виконувалася згідно з планом науково-дослідних робіт Міністерства охорони здоров'я України, затвердженим МОЗ 06.01.1998 року, у рамках НДР "Розробка та впровадження спеціалізованої вимірювально-інформаційної системи для оцінки, перевірки та калібровки параметрів апаратури мікрохвильової резонансної терапії на діапазон частот 53,5 - 78,3 ГГц" (№ держ. реєстрації 0198U008083 від 24.12.98р.) та "Розробка та впровадження спеціалізованої вимірювально-інформаційної системи для оцінки, перевірки та калібровки параметрів апаратури мікрохвильової резонансної терапії на діапазон частот 37,5-53,5 ГГц" (№ держ. реєстрації 0101U00818 від 13.11.01р.), а також відповідно до держбюджетного договору, укладеного з Міністерством науки і освіти № 2р/277-2000 від 16.11.2000р. у рамках НДР "Дослідження впливу зворотних (від'ємних) потоків ЕМВ мм-діапазону на біологічні об'єкти та розробка терапевтичного приладу для технологій квантової медицини" (№ держ. реєстрації 0100U06640 від 25.12.2000р.).

Перевірка можливостей розроблених радіометричних установок проводилась також в рамках спільної НДР з Національним науково-дослідним центром оборонних технологій та воєнної безпеки України "Технологія експрес-моніторінгу робочого середовища та оцінки психофізіологічного стану людини-оператора на основі використання адсорбційно-напівпровідникових сенсорів" (шифр "Еколог"), № держ. реєстрації 0100U03787.

Мета і задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи полягає в підвищенні чутливості і точності, розширенні діапазону робочих частот та функціональних можливостей радіометричної апаратури НВЧ-діапазону за рахунок нових методів та засобів перетворення, виділення та вимірювання інформативних параметрів надзвичайно слабких сигналів різноманітних джерел мікрохвильових випромінювань на фоні шумових завад, по інтенсивності зіставлених або більших за інтенсивність сигналів.

Відповідно до поставленої мети було обумовлено такі завдання досліджень.

1. Подальший розвиток теоретичних основ комутаційно-модуляційного перетворення слабких сигналів в радіометричних каналах різної структури.

2. Проведення аналізу існуючих методів та засобів вимірювання параметрів низькоінтенсивних сигналів та визначення пріоритетного напрямку побудови радіометричної апаратури НВЧ-діапазону.

3. Дослідження структурно-функціональних моделей модуляційних вимірювачів та основних параметрів перетворення радіометричного каналу і причин зниження чутливості та точності вимірювання інформативних параметрів слабких сигналів.

4. Розробка методів зниження флуктуаційного порогу, підвищення чутливості і точності вимірювання, розширення діапазону робочих частот та функціональних можливостей модуляційної радіометричної апаратури НВЧ-діапазону.

5. Розробка високочутливих модуляційних структур приймальної та радарної радіометричної апаратури для вимірювання енергетичних, частотно-часових і кореляційних характеристик мікрохвильових сигналів, а також дослідження реакції об'єктів живої і неживої природи на вплив зовнішніх електромагнітних полів.

6. Дослідження факторів, що є причиною похибок, розробка рекомендацій по їх зменшенню та розробка методів і засобів метрологічного забезпечення з експериментальною перевіркою основних параметрів і можливостей високочутливої модуляційної радіометричної апаратури.

7. Експериментальне дослідження параметрів електромагнітних полів об'єктів живої та неживої природи за допомогою розробленої радіометричної апаратури.

Об'єкт дослідження. Процеси перетворення параметрів інформаційних сигналів НВЧ-діапазону по інтенсивності порівняних або менших від власних шумів радіометричної апаратури.

Предмет дослідження. Одноканальні та двоканальні радіометричні структури з періодичним перемиканням інформаційних порівнюваних сигналів та сигналів ланцюгів зворотних зв'язків.

Методи дослідження. базуються на використанні загальної теорії радіотехнічних вимірювань, структурно-функціонального моделювання, комутаційно-модуляційного перетворення, спектрального та кореляційного аналізу, теорії випадкових сигналів для оцінювання впливу завад і внутрішніх шумів на похибку вимірювання, методу графів та матричного обчислення для аналізу впливу нестабільності і неідентичності НВЧ-елементів на чутливість та точність вимірювання.

Наукова новизна одержаних результатів. У процесі проведених досліджень вирішено проблему виділення та вимірювання інформативних параметрів надзвичайно слабких НВЧ-сигналів від різноманітних джерел мікрохвильових випромінювань на тлі шумових завад, рівень яких за інтенсивністю зіставлений або більший за рівень інформаційних сигналів. Обґрунтовано вибір модуляційних методів і структур радіометричної апаратури, як найбільш перспективних для забезпечення чутливості і точності вимірювання параметрів надзвичайно слабких сигналів фізичних та біологічних об'єктів. В подальшому розвитку цього напрямку отримано такі наукові результати:

1. Розвинуто теорію модуляційних радіометричних приладів та систем, яка основана на виділенні вузькосмугових і широкосмугових інформаційних слабких сигналів, на тлі шумових завад та забезпечено подальше підвищення чутливості і точності вимірювання, що досягається за рахунок придушення флуктуаційних складових в околицях частоти модуляції з використанням алгоритму первинного заміщення, інвертування та протиставлення сигналів у радіометричних каналах.

2. Вперше обґрунтовано методи побудови НВЧ-структур з використанням додатного і від'ємного зворотного зв'язків для поліпшення характеристик модуляційних радіометричних приладів і систем. Отримано алгоритми перетворення інформативних параметрів і показано, що використання зворотних зв'язків забезпечує підвищення чутливості і зниження похибок від нестабільності параметрів радіометричних каналів та зменшення сталої часу вимірювання.

3. Подальшого розвитку отримало структурно-функціональне моделювання та теорія побудови високочутливих модуляційних структур радіометричної апаратури НВЧ-діапазону з використанням декількох частот комутації, роздільним синхронним детектуванням низькочастотних сигналів, що забезпечує розширення функціональних можливостей за рахунок вимірювання декількох параметрів.

4. Вперше доведено можливість вимірювання автокореляційної та взаємокореляційної характеристик широкосмугових НВЧ-сигналів радіометрами з використанням переваг періодичного одноканального модуляційного перетворення, що забезпечує підвищення точності вимірювання та дозволяє аналізувати структуру і ідентифікувати джерела мікрохвильового випромінювання.

5. Вперше запропоновано метод розподілу прийнятого сигналу біооб'єктів на дві складові - біоінформаційну та радіотеплову, заснований на порівнянні сумарного сигналу з сигналом радіотеплового випромінювання і подальшим виділенням різницевого сигналу за допомогою комутаційно-модуляційного перетворення, що забезпечує оцінювання рівня метаболізму та стану організму біооб'єкта.

6. Аналітично обґрунтовано підвищення чутливості, точності та розширення частотного діапазону в двоканальних РС у порівнянні з існуючими підходами шляхом періодичного інвертування сигналу проміжної частоти з придушенням корельованих шумів перетворюваних сигналів.

7. Вперше запропоновані методи та засоби вимірювання характеристик об'єктів живої та неживої природи в зовнішніх ЕМП, зокрема з інтенсивністю близькій до інтенсивності власних випромінювань об'єктів, що дозволяє врахувати вплив власних випромінювань об'єктів на кінцевий результат вимірювання.

8. Подальшого розвитку отримало використання періодичного зміщення частоти для формування зондуючого сигналу верхньої та нижньої бокової частоти з порівнянням відбитих сигналів цих частот по амплітуді або фазовому зсуві, що дозволяє оцінювати поглинальну здатність, визначати резонансні частоти поглинання, фазові затримки, степінь узгодження та інші параметри об'єктів дослідження.

9. Визначено джерела та отримано аналітичні вирази для розрахунку похибок комутаційних перетворювачів, впливу НВЧ-шумів, асиметрії комутуючих імпульсів, що забезпечує вибір структури радіометричного каналу з мінімальними похибками перетворення та підвищує точність вимірювання.

Практичне значення одержаних результатів полягає у створенні основ проектування високочутливої радіометричної апаратури НВЧ-діапазону для вимірювання інформативних параметрів надзвичайно слабких сигналів, рівень яких зіставлений або менший, ніж рівень власних шумів апаратури. На основі отриманих наукових результатів:

1. Запропоновано класифікаційну схему модуляційних РС, яка забезпечує вибір найбільш раціональної структури для розв'язання конкретної вимірювальної задачі.

2. Розроблено рекомендації щодо проектування модуляційного радіометричного каналу з мінімальним впливом заважаючих факторів на його чутливість та точність, що забезпечує покращення метрологічних характеристик радіометричної апаратури.

3. Запропоновано базову структуру приймального модуляційного НВЧ-вимірювача з використанням зворотного додатного зв'язку, а також структури і алгоритми перетворення для інженерного проектування більш чутливої модуляційної радіометричної апаратури з розширеними частотними діапазонами та функціональними можливостями.

4. Запропоновано рекомендації щодо побудови модуляційних структур радарного типу для дослідження поведінки об'єктів живої і неживої природи в зовнішніх низькоінтенсивних електромагнітних полях, що дозволяє вимірювати коефіцієнти поглинання і відбиття, резонансні частоти і фазові зсуви.

5. Розроблені варіанти метрологічного забезпечення високочутливих РС з використанням стандартних і нестандартизованих засобів вимірювання в умовах відсутності еталонної бази в Україні та запропоновані шляхи зменшення їх похибок.

Реалізація і впровадження результатів роботи. Теоретичні та експериментальні дослідження, виконані автором в НДЦ квантової медицини "Відгук" МОЗ України і стосуються розробки високочутливої радіометричної апаратури з флуктуаційною чутливістю 110^-12.310^-14 Вт, в результаті чого створені та впроваджені:

– "Установка для вимірювання малих рівнів потужності НУ-1" № 00 на діапазон частот 53,5-63,5 ГГц та діапазон вимірювання потужностей монохроматичних сигналів 10^-6.10^-12 Вт, а шумових 10^-12.10^-18 Вт/Гц, з похибкою 2 дБ;

– "Установка для вимірювання малих рівнів потужності міліметрового діапазону хвиль НУ-1" № 01 на діапазон частот 37,5.53,5 ГГц, з флуктуаційною чутливістю 310^-14 Вт на діапазон вимірювання потужності 310^-6.310^-13 Вт, з похибкою 3 дБ;

радіометрична апаратура діапазон сигнал

– "Установка для вимірювання малих рівнів потужності міліметрового діапазону хвиль НУ-2" № 02 на діапазон частот 53,5.78,3 ГГц, з флуктуаційною чутливістю 310^-14 Вт на діапазон вимірювання потужності 310^-6.310^-13 Вт, з похибкою 3 дБ.

Установки атестовані УкрЦСМ, впроваджені в експлуатацію у Головній організації з метрологічного забезпечення електричних та радіотехнічних вимірювань МОЗ України - НДЦ квантової медицини "Відгук". Завдяки впровадженню установок вдалося вирішити питання метрологічного забезпечення малопотужної апаратури медичного призначення мм-діапазону в Україні.

Розроблені технічні рішення захищені патентами України.

Патент України № 28122 "Нульовий модуляційний радіометр" зайняв третє місце у Всеукраїнському конкурсі "Винахід-2000" з розділу "Забезпечення потреб людини". Автори патентного проекту Скрипник Ю.О. та Яненко О.П. стали лауреатами та відзначені дипломами Міжнародного відкритого Рейтингу популярності та якості товарів і послуг "Золота фортуна" у номінації "Кращий винахідник" за 2000 рік. Акти впровадження та копії свідоцтв наведені у додатку.

Результати дисертаційних досліджень використовуються у Національному технічному університеті України "КПІ" та Житомирському інженерно-технологічному інституті при підготовці студентів за спеціальністю "Біотехнічні та медичні апарати і системи", Київському державному університеті технологій та дизайну за спеціальністю "Автоматизація технологічних процесів і виробництв", у вигляді навчальних посібників "Метрологія медичної та біологічної апаратури", "Модуляційні радіометричні пристрої та системи НВЧ-діапазону", "Автоматизація фазовимірювальних пристроїв та систем". Навчальний посібник "Метрологія медичної та біологічної апаратури" та монографія "Аппаратурное обеспечение современн? х технологий квантовой медицин? " внесені в перелік джерел для підготовки до кандидатського екзамену за спеціальністю "Медичні прилади та системи".

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати дисертаційної роботи є особистим здобутком автора. В роботах, написаних у співавторстві, здобувачу належить [1-3, 7-9, 12, 17] - розробка концепції побудови модуляційних вимірювачів спеціального призначення, розробка теоретичних питань перетворення параметрів сигналів у каналах вимірювачів; [10-11, 14, 16, 19] - розробка алгоритмів вимірювання і формування складових електромагнітного випромінювання та методів і структурних схем щодо їхньої реалізації; [6, 13, 18] - аналіз стану та розробка концепції метрологічного забезпечення апаратури квантової медицини з використанням можливостей модуляційних вимірювачів; [5, 10-11, 14, 19] - проведення експериментальних наукових досліджень та аналіз результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційних досліджень пройшли апробацію на 30 науково-технічних конференціях, з'їздах, конгресах, симпозіумах, серед них: Міжнародний симпозіум MSMW'98 "PHYSICS AND ENGINEERING OF MILLIMETER AND SUBMILLIMETER WAVES" (м. Харків, 1998); 10-12 Міжнародна кримська мікрохвильова конференція "СВЧ-техника и телекомуникационн? е технологии" (м. Севастополь, 2000-2002); VI Міжнародна конференція "Проблеми сучасної електротехніки - 2000" (м. Київ, 2000); II-IV Міжнародна НТК "Метрологія та вимірювальна техніка" (м. Харків, 1999-2002); II з'їзд українського біофізичного товариства (м. Харків, 1998); IV Європейський конгрес з біоелектромагнетизму "4^th EBEA Congress" (Хорватія, м. Загреб, 1998); Міжнародний симпозіум "Electromagnetic Aspects of Selforganization in Biology" (Чехія, м. Прага, 2000, 2002); ІІ Міжнародна наукова конференція "Управление свойствами зерна, технологии муки, крупы и комбикормов" (Росія, м. Москва, 2000) та ін.

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковані в одній монографії, трьох навчальних посібниках, 25 статтях у наукових фахових журналах, 9 статтях у наукових та науково-технічних журналах, 41 статтях у збірках праць науково-технічних конференцій, 14 патентах та авторських свідоцтвах на винаходи.

Обсяг та структура дисертації. Дисертація складається із вступу, семи розділів, висновків викладених на 279 стор. машинописного тексту, 49 рисунків, виконаних на окремих стор., списку використаних літературних джерел 188 найменувань на 18 стор. та додатків на 25 стор. Додатки висвітлюють результати впровадження та використання матеріалів дисертаційної роботи, документи атестації високочутливих радіометричних систем, фотокопії апаратури та окремих блоків НВЧ-діапазону.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертації, мета та основні наукові завдання дослідження; висвітлюється зв'язок роботи з програмами та планами НДР; визначається наукова новизна та практичне значення одержаних результатів; наводяться результати реалізації та впровадження основних положень роботи; визначено особистий вклад здобувача у надрукованих роботах; подається інформація щодо апробації та публікації результатів дисертації.

У першому розділі розглянуті особливості застосування радіометричного контролю, що використовується для вимірювання і оцінки параметрів слабких шумових та монохроматичних сигналів в науці і техніці, підтверджено перспективність використання радіометричних методів не тільки для радіоастрономії, метеорології, військової справи, а й для фізики, біології та медицини.

Порівняльний аналіз електромагнітних параметрів біооб'єктів та НВЧ-апаратури, що застосовується для впливу та лікування, показує, що досягнута потужність апаратури мм-діапазону, за якої фіксується стійкий біологічний ефект, сягає для монохроматичних сигналів 110^-10.110^-12 Вт, а для шумових сигналів 110^-18.110^-20 Вт/Гц.

Класифікація вимірювачів потужності НВЧ-сигналів, здатних забезпечити метрологічний супровід джерел мм-випромінювань у діапазоні частот f > 30 ГГц та в умовах надзвичайно малої потужності ( < 110^-12 Вт) підтвердила відсутність стандартних ЗВТ на подібні потужності. Із можливих методів вимірювання параметрів НВЧ-сигналів, інтенсивність яких значно менша ніж рівень власних шумів вимірювачів, знайшли застосування компенсаційні, кореляційні та модуляційні методи вимірювання.

Модуляційні вимірювачі найповніше відповідають вимогам забезпечення чутливості, діапазону робочих частот, стабільності і надійності. Проте через недостатнє опрацювання принципів побудови та забезпечення параметрів подібних вимірювачів, особливо в зоні мм-хвиль, стандартних засобів вимірювання параметрів низькоінтенсивних сигналів цього діапазону не існує, а наявні спеціалізовані вимірювачі зазвичай характеризуються недостатньою чутливістю та швидкодією, вузьким діапазоном робочих частот. Все це знижує ефективність наукових досліджень, призводить до метрологічної незабезпеченості окремих галузей науки і техніки, зокрема мікрохвильової апаратури квантової медицини. Тому розробка принципів побудови високочутливих модуляційних вимірювачів параметрів низькоінтенсивних сигналів, придатних для роботи як у широкій смузі, так і на окремих частотах НВЧ-діапазону, здатних забезпечити вимірювання основних параметрів сигналів (енергетичних, частотно-часових, поляризаційних) також похідних (коефіцієнта поглинання, відбиття, кореляції, поляризації, фазових і частотних характеристик) з урахуванням накопиченого досвіду, наявного технічного рівня та можливостей сучасної елементної бази є невідкладним завданням.

У другому розділі розглядаються структурно-функціональні моделі модуляційних радіометричних систем (РС) ближньої дії та обґрунтовуються їхні можливості щодо вимірювання параметрів НВЧ-сигналів. Розроблена класифікаційна схема модуляційних РС. Досліджено вплив флікер-шуму на флуктуаційну чутливість РС, розподіл якого наведений на рис.1.

Проведено аналіз основних співвідношень радіометричного модуляційного каналу без перетворення та з перетворенням вхідної частоти. В результаті послідових перетворень у радіометричному каналі вихідна напруга фільтра нижніх частот (ФНЧ) вимірювача

, (3)

де - частота заважаючих шумів.

Аналіз рівнянь (3) показує, що окрім постійної складової вихідний сигнал містить напруги "паразитних" складових частот, наближених до частоти комутації, що обумовлює проходження їх на вихід вимірювальної системи та збільшення флуктуацій.

Враховуючи, що найбільший вплив на параметри радіометричного приймача чинять складові від добутку шумів та першої гармоніки опорного сигналу (при n = 1), приймає значення

. (6)

Як видно із (6), в результаті проходження через смуговий фільтр підсилювача А3 шумів, наближених до частоти комутації (рис.1, б) на виході СД формується напруга як низькочастотних (перший член рівняння), так і високочастотних (другий і третій члени рівняння) складових. Високочастотні складові рівняння (5) зазвичай затримуються вихідним фільтром вимірювача. Напруги першої складової, особливо від частот, наближених до нульової, вільно проходять на індикатор, спричиняючи повільну флуктуацію показника індикатора.

Зменшення впливу цих складових можна досягнути, збільшуючи постійну часу ФНЧ на виході СД, однак при цьому зменшується швидкодія вимірювачів, що не бажано при дослідженні швидкоплинних процесів. Одним із можливих шляхів зниження впливу шумів, наближених до частоти комутації, є зменшення смуги пропускання фільтра, що виділяє цю частоту.

Водночас, послаблення впливу термодинамічних флуктуацій можливе шляхом усереднення результату виміру. Кількість відліків (n) протягом усереднення на конкретній частоті , період якої можна записати як . У цьому випадку потужність усереднення має вигляд . Враховуючи, що на виході квадратичного детектора має значення 4,0410^-13 Вт розподіл інтенсивності різних частотних компонент на вході індикатора радіометра при одиничному коефіцієнті передачі СД та ФНЧ має вигляд, представлений на рис.2, б.

Із рис.2, б видно, що усереднення зменшує амплітуду складових термодинамічних флуктуацій не однаковою мірою - амплітуда інфранизькочастотних складових < 1 Гц може сягати значень 10^-13.10^-11 Вт, а це призводить до підвищення флуктуаційного порогу та погіршення чутливості радіометричного каналу. Це пояснюється різною кількістю відліків (n) для різних частот при постійній часу (), що обмежує можливість застосування подібного вимірювача для дослідження швидкоплинних процесів.

Автором запропоновано метод подальшого зменшення впливу частотних складових шуму, наближених до частоти комутації за рахунок введення додаткового перетворення в колі від'ємного зворотного зв'язку і фазоамплітудної компенсації заважаючих шумів до їх виділення фільтром частоти комутації. Реалізація методу виконується за допомогою схеми (рис.3), яка містить стандартний радіометричний канал із послідовно з'єднаних антени Х1, комутатора S1, підсилювача А1, квадратичного детектора U1, підсилювача комутуючої частоти А3, синхронного детектора U2, фільтра нижніх частот Z1 та індикатора РА1.

Додатково між квадратичним детектором U1 та вибірковим підсилювачем А3 під'єднаний диференційний підсилювач А2, охоплений зворотним зв'язком через помножувач U4, фазообертач U3 та атенюатор А4.

Вихідний сигнал амплітудного детектора U1 за період комутації має вигляд:

=

, (7)

де - напруга низькочастотних шумів з урахуванням постійної складової; - крутизна перетворення, коефіцієнт передачі та смуга частот відповідних блоків РС; - температура об'єкта дослідження.

Фазові співвідношення спектральних складових визначаються фазовим зсувом , обумовленим фазообертачем U3, а амплітуда - коефіцієнтом передачі атенюатора А4, завдяки вибору яких досягають мінімального значення різниці комбінаційних складових , що призводить до зменшення другої складової співвідношення (9) та проявляється мінімальними флуктуаціями показника індикатора.

Друга складова рівняння (7) затримується вибірковим підсилювачем, а перша складова напруги випрямляється синхронним детектором U2 і згладжується фільтром Z1 нижніх частот. В результаті реєструється лише напруга, пропорційна температурі об'єкта дослідження:

, (10)

де - крутизна перетворення синхронного детектора; - коефіцієнти передачі відповідних підсилювачів.

Враховуючи, що вузькосмуговий шум із спектральними складовими _і у смузі пропускання підсилювача A3 послаблений компенсуючою напругою з виходу атенюатора A4, постійна часу фільтра Z1 нижніх частот може бути істотно знижена, а, отже, підвищена його швидкодія. При збереженні вибраної інерційності фільтра значно підвищується і чутливість модуляційного радіометричного вимірювача.

Таким чином, розглянутий структурно-алгоритмічний метод дає можливість значно знизити флуктуаційний поріг вимірювачів слабких сигналів і тим самим сприяє підвищенню чутливості РС. Окрім того, подібне технічне рішення відкриває можливість повної і надійної структурної реалізації модуляційних радіометрів із позитивним зворотним зв'язком та підвищення їх флуктуаційної чутливості.

Регулювання рівня чутливості РС можна досягнути не тільки за рахунок зміни флуктуаційного порогу, а й шляхом використання додатного та від'ємного зворотного зв'язків (ДЗЗ, ВЗЗ), що пов'язано із зміною глибини модуляції несучого коливання у відповідні напівперіоди комутуючої частоти.

Автором запропонована модуляційна РС, що реалізує ДЗЗ та автоматичне поглиблення модуляції і перетворення вхідної частоти (рис.4) має стандартний радіометричний канал, охоплений через атенюатор А6 на вхід якого поступає сигнал генератора шуму G3 та вхідний суматор А1 ДЗЗ. Як випливає із рис.4, у верхньому положенні комутатора на вхід підсилювача А2 надходить суміш вхідного сигналу, власних шумів та сигналу генератора G3, а в нижньому - тільки сигнал власних шумів.

Враховуючи, що коефіцієнт передачі керованого атенюатора А6 , де - коефіцієнт передачі дільника напруги А5, вихідна напруга ФНЧ визначається співвідношенням

. (14)

При відсутності додаткового шумового сигналу ( = 0) . Якщо присутній додатковий шумовий сигнал від генератора G3 ( > 0), то чутливість радіометра збільшується у число разів:

. (15)

Таким чином, як видно з (15), чутливість визначається знаменником виразу, а за постійності і дисперсію додаткового сигналу генератора G3 і, наприклад, при використанні знаменника з виразу (15) як , чутливість радіометра збільшиться у 10 разів порівняно з розімкнутою схемою.

Теоретично чутливість радіометра у замкнутій структурі можна збільшувати в десятки разів, наближуючи праву частину рівняння (15) до нуля. Практично чутливість модуляційного радіометра можна збільшити в 10-50 раз і досягти чутливості за потужністю 10^-22.10^-23 Вт/Гц. Ще більшої чутливості можна досягти за рахунок введення у схему радіометра спеціальних коригувальних ланок і гнучких зворотних зв'язків, що забезпечуватимуть стійкість замкнутої системи.

Важливим напрямком вдосконалення РВ є розширення діапазону робочих частот, що можна забезпечити шляхом застосування супергетеродинного перетворення вхідної частоти. В той же час використання у вхідних НВЧ-ланцюгах комутаційно-модуляційного перетворювача (КМП) не дозволяє повною мірою реалізувати переваги цього методу як за частотним діапазоном, так і за точністю вимірювання, оскільки забезпечення узгодження КМП у широкому діапазоні частот є складним технічним завданням.

На рис.5 наведена розроблена автором функціональна схема двоканального супергетеродинного радіометра, яка має значно спрощену НВЧ-частину (блок І). Запропонована схема використовує метод періодичного інвертування одного із сигналів на низькій проміжній частоті.

Такий варіант реалізації комутаційно-модуляційного перетворення забезпечує розширення частотного діапазону, підвищення точності за рахунок забезпечення високого рівня узгодження і постійності вхідного імпеданса та розширення функціональних можливостей РС. До недоліків схеми слід віднести складність забезпечення ідентичності каналів та можливість появи кореляційних зв'язків між каналами вимірювача, однак похибки, що виникають під впливом цих складових, мають значно менші значення, ніж похибки вхідного НВЧ-тракту.

Похибка виникає через наявність у каналах вимірювача корельованих шумів, які спричиняються неповною розв'язкою каналів приймача хвилеводним трійником А1 та термодинамічною неадекватністю антен Х1 і Х2. Для компенсації похибки в схему РС додатково введені атенюатор А5 та комутатор S1. При екранованих вхідних антенах і одному із крайніх положень комутатора S1 створюється додатковий зв'язок між каналами, який в одному положенні (коли збігаються фази) підсилює рівень корельованих шумів, а в іншому (коли шуми у протифазі) - зменшує їх.

Спрощена схема НВЧ-ступеня (І) дозволяє виконувати його у вигляді перетворювального блока на той чи інший перетин хвилеводу. Шляхом зміни вхідного НВЧ-блока можна забезпечити працездатність РС у всьому діапазоні мм-хвиль (30-300 ГГц). Таким чином, використання подібної двоканальної радіометричної системи забезпечує не тільки розширення частотного діапазону, підвищення чутливості та точності вимірювання рівня електромагнітного випромінювання, а й розширення функціональних можливостей щодо аналізу параметрів сигналів об'єктів живої та неживої природи, особливо у верхньому діапазоні мм-хвиль.

У світлі розглянутих теоретичних положень проблема побудови модуляційних РС зводиться до створення широкосмугового вимірювального каналу з низьким флуктуаційним порогом і високою чутливістю, високою точністю перетворення параметрів вхідного сигналу. Запропоновані та досліджені варіанти поліпшення метрологічних параметрів РС дають можливість використовувати їх у структурних схемах спеціалізованих вимірювачів НВЧ-діапазону.

Третій розділ присвячений розв'язку задач з розробки та удосконалення структур спеціалізованої приймальної модуляційної радіометричної апаратури у напрямку підвищення чутливості, розширення діапазону робочих частот та номенклатури вимірюваних параметрів, забезпечення спеціальних вимірювальних функцій - дослідження кореляційних характеристик, аналіз спектрів НВЧ сигналів, диференційні вимірювання, селекція нерівноважних електромагнітних процесів та розроблено 6 нових структур РС.

Розглянуто можливості модуляційних РС для дослідження кореляційних характеристик стохастичних сигналів. Синтезовано високочутливі схеми вимірювачів для оцінки автокореляційної та взаємокореляційної функції відповідно одного та двох випадкових процесів х (t) та y (t), що відкриває перспективи у дослідженні нерівноважних електромагнітних процесів, які виникають у фізичних тілах та біологічних об'єктах. При цьому часто необхідно одночасного вимірювати як потужність, так і кореляційну функцію сигналу, що потребує різночасового перетворення сигналів, яке неможливо реалізувати при стандартному одночастотному періодичному перетворенні сигналів в одноканальному тракті. Розв'язок цієї задачі запропоновано здійснювати за допомогою двочастотного комутаційно-модуляційного перетворення у схемі одновходового модуляційно-кореляційного вимірювача (рис.6).

Схема забезпечує розширення функціональних можливостей РС та реалізує вимірювання як потужності, так і автокореляційної функції вхідного сигналу. Завдяки побудові одноканальної схеми модуляційного кореляційного вимірювача та введення затримки на проміжній частоті виключається проходження сигналу з каналу в канал характерне для двоканальної кореляційної схеми та підвищується точність вимірювання Особливості алгоритму роботи схеми такі. Комутатор S1 керується напругою з частотою , а комутатор S2 - , причому , де - коефіцієнт ділення подільника частоти U4. У нижньому положенні комутатора S2 та періодичному перемиканні комутатора S1 у каналі РС реалізуються стандартні перетворення сигналу з реєстрацією напруги, пропорційної потужності вхідного сигналу.

Таким чином, змінюючи затримку часу у ланці A2 від 0 до _мах, можна реєструвати відносну зміну кореляційної функції ₁ () прийнятого НВЧ-сигналу. При цьому на результат вимірювання не впливає рівень прийнятого сигналу, , власних шумів НВЧ-підсилювача, змішувача та інших елементів одноканального тракту, а також мінливість коефіцієнта перетворення одноканального тракту радіометра. Коефіцієнт перетворення стабільний і визначається у процесі калібрування радіометра.

Функціональна схема двовходового модуляційно-кореляційного вимірювача дозволяє встановити взаємокореляційну функцію двох сигналів. Відмітною особливістю двоканальної РС є побудова вхідного КМП на базі двох антен, подвійного хвилеводного трійника та двох модуляторних p-і-n-ключів з протифазним управлінням, що розширює функціональні можливості вимірювача.

На виході подвійного хвилеводного трійника А1 формується сумарний та різницевий сигнали, кожний із прийнятих сигналів складається із шумової компоненти радіотеплового випромінювання об'єкта і і когерентної біоінформаційної складової і , що генерується клітинними і субклітинними структурами біооб'єкта.

Коефіцієнт взаємної кореляції має найбільше значення при розташуванні двох антен на точках з однаковою інтенсивністю випромінювання. Для знаходження цих зон одну із антен переміщують по поверхні об'єкта дослідження у напрямку збільшення або збереження рівня інтенсивності. Зону (точку, лінію) біоінформаційного розподілу фіксують за максимальним показником вихідного індикатора, незалежно від рівня апаратурних шумів і потужності радіотеплового випромінювання.

Нижче (рис.8, а) наведена структура спеціалізованого НВЧ-спектроаналізатора для реєстрації термонеоднорідностей та градієнтів температури об'єктів, а на рис.8, б - розподіл частотних похибок у діапазоні 53,5-78,3 ГГц, що вносяться модулятором пристрою. Відмітною ознакою розробленого спектроаналізатора є наявність циркулятора А1, до другого входу якого під'єднаний калібровочний генератор "білого" шуму, що дозволяє порівнювати інтенсивність вхідного сигналу з інтенсивністю калібровочного генератора та виділяти інформацію про нерівномірність спектра випромінювання об'єкта дослідження.

Електромагнітне випромінювання приймається антеною X1 у діапазоні НВЧ. Прийнятий сигнал за своєю структурою є широкосмуговим НВЧ-шумом, спектр якого визначається температурою ділянки поверхні сканованого об'єкта Т_х і градієнтом температурного поля всередині об'єкта.

За допомогою гетеродина G2 (із початковою частотою f₁ і напругою ), який перенастроюється за частотою блоком U2, вибирається поточна частота f₂ спектра НВЧ-сигналу із смугою f, обумовленою смугою пропускання підсилювача A3.

На початковій частоті аналізу f_2н керований атенюатор A2 встановлює напругу (U_А7 = 0), а = 1

На інших частотах аналізу через нерівномірність спектра випромінювання біооб'єкта = 1 рівність порушується. Відносна форма представлення результату вимірювання дає можливість уникнути впливу нестабільності параметрів схеми радіометра.

Біологічні об'єкти, такі як людина, тварина, випромінюють електромагнітні хвилі (ЕМХ) у мм-діапазоні довжин хвиль (30.300 ГГц). Джерелом ЕМХ є рівноважні теплові процеси, які підтримують температуру багатьох біологічних об'єктів на постійному рівні. Іншим джерелом ЕМХ є нерівноважні процеси, які викликаються метаболічними процесами організму і формують біоінформаційне випромінювання.

Автором запропоновано дві структури РС для оцінки біоінформаційної складової ЕМВ біооб'єктів, представленою різницею між сумарним та тепловим ЕМВ. Сенсором використовується металокерамічний селективний перетворювач, який виділяє мікрохвильову компоненту пропорційну температурі тіла. Інтенсивність нерівноважної компоненти залежить від стану біооб'єкта і значною мірою є показником його життєздатності. Вивчення кореляційних зв'язків розподілу нерівноважної складової із станом здоров'я може сприяти розвитку нової діагностичної і лікувальної медичної апаратури.

Четвертий розділ присвячений розробці та удосконаленню радарних модуляційних радіометричних вимірювачів. Розглянуто 9 нових структур вимірювачів, що значно розширює сферу застосування РС у таких галузях, як фізика, біологія та медицина.

Важливою характеристикою взаємодії об'єктів живої і неживої природи з електромагнітними полями і випромінюваннями є поглинання та відбиття ЕМВ. Рівень поглинання може бути непрямим доказом очікуваного біологічного ефекту, а відповідно визначення резонансних частот поглинання. Це один із шляхів підвищення ефективності впливу на біооб'єкти. Подібна оцінка проводиться на рівнях реальних сигналів, які можуть становити 110^-12.110^-13 Вт, що звичайно можна виконати тільки за допомогою високочутливих РС, деякі з них розглянуті нижче.

У ряді випадків виникає необхідність реєструвати залежність інтенсивності власного ЕМВ біологічного об'єкта від інтенсивності зовнішнього опромінювання широкосмуговим шумовим НВЧ-сигналом. При цьому можна визначити поглинальні та відбивні властивості об'єкта залежно від інтенсивності зовнішнього опромінювання.

Подібна схема, яка розроблена автором має двочастотну комутацію, що не тільки розширює перелік вимірюваних параметрів, а й забезпечує можливість їхньої автоматизованої обробки (рис.9). У результаті став можливим одночасний прийом сигналів, обумовлених як власним ЕМВ біооб'єкта, так і спроможністю об'єкта поглинати чи відбивати зовнішнє опромінення у НВЧ-діапазоні.

Частоти комутації вибираються із співвідношення f₁ > f₂. Фільтр Z1 виділяє постійну складову від перетворення частоти комутації f₁, яка заряджає інтегратор А6 та регулює коефіцієнт передачі атенюатора А9 до досягнення тотожності інтенсивностей сигналу випромінювання об'єкта та сигналу від генератора G4.

За рівності сигналів на вході комутатора S1 коефіцієнт передачі пропорційний потужності власного випромінювання досліджуваного об'єкта.

Змінна складова напруги частоти f₂, що проходить через фільтр Z1 та виділяється вибірковим підсилювачем А5.

На виході СД U4 формується постійна напруга та заряджає інтегратор А7 і регулює коефіцієнт передачі атенюатора А8. Регулювання виконується до тих пір, поки потужність, що відбивається від об'єкта, не буде дорівнювати компенсуючій потужності на другому вході комутатора S1. У цьому випадку коефіцієнт передачі пропорційний коефіцієнту відбиття Г об'єкта. Електричні сигнали, що змінюють коефіцієнти передачі керованих атенюаторів A9 і A8, реєструються ЕОМ як коефіцієнт відбиття об'єкта Г і рівня власного випромінювання залежно від інтенсивності зовнішнього опромінювання об'єкта. При цьому на результат вимірювання не впливає мінливість потужності опромінювання та власного випромінювання, а також мінливість рівня власних шумів радіометра, нестабільність результуючого коефіцієнта перетворення радіометра та параметрів додаткових елементів і блоків радіометра.

Дослідженнями встановлено значний вплив на біооб'єкти не тільки інтенсивності ЕМВ мм-діапазону та спектрального складу, а й температури джерела випромінювання. На рис.10 приведена функціональна схема РС для реєстрації поглинальної здатності шкіри людини від температури джерела ЕМВ теплового генератора шуму.

Генератор шуму G1 у вигляді узгодженого навантаження, яке підігрівається або охолоджується термоелектричною батареєю, формує опромінюючий сигнал. У перший напівперіод комутуючої частоти напрямлений відгалужувач пропускає відбиту від об'єкта хвилю, а в другий - падаючу хвилю. Двоканальна система виділення відбитої та падаючої хвилі формує постійні напруги, пропорційні амплітудам цих хвиль, а диференційний підсилювач виділяє різницеву напругу сигналів, яка порівнюється з постійною опорною напругою генератора G2. В результаті послідових перетворень напруга пропорційна К_БХ - коефіцієнту біжучої хвилі.

Таким чином, якщо опорна напруга постійна (), показання реєструючого пристрою комп'ютера будуть пропорційні коефіцієнту біжучої хвилі К_БХ. У процесі реєстрації за допомогою програми мікроЕОМ здійснюється пропорційне регулювання струму, що надходить на елементи Пельтє термобатареї, реєстрація розподілу від температури та оптимізація алгоритму впливу на біооб'єкт (точку, зону) для отримання максимального біологічного ефекту.

Важливою проблемою у біології та медицині є точне визначення радіочастоти впливу на об'єкт дослідження. Автором запропоновано метод та радарна система (рис.11), що реалізуються шляхом опромінювання біологічного об'єкта модульованим за амплітудою НВЧ-сигналом, бічні частоти якого зсунуті відносно частоти несучих коливань на половину смуги резонансного поглинання об'єктів. Порівняння потужності відбитих сигналів на двох бічних частотах, зміна несучої частоти опромінюваного сигналу до вирівнювання відбитих сигналів дає можливість виміряти несучу частоту опромінюваного сигналу, за значенням якої визначають резонансну частоту об'єкта.

Змінюючи несучу частоту , домагаються нульового значення напруги (33), а це означає, що і частота збігається з , що і фіксується частотоміром Р1.

Розглянута система забезпечує автоматичний пошук резонансних частот біологічних об'єктів за бічними частотами і з високою точністю. При цьому можна значно скоротити час на визначення частот впливу на біологічні об'єкти та підвищити їхню ефективність. Зміною глибини модуляції можна змінювати співвідношення потужностей на резонансній і бічних частотах, забезпечуючи додатковий біологічний ефект.

У п'ятому розділі приводяться результати теоретичних та експериментальних досліджень комутаційно-модуляційних перетворювачів (КМП) мм-діапазону з використанням p-і-n-ключів. Методом еквівалентних чотириполюсників, які моделюють схему p-і-n-діода у відкритому та закритому стані були досліджені джерела похибок, що виникають у різних варіантах використання p-і-n-діода, отримані співвідношення, що характеризують відносну похибку КМП.

Досліджена еквівалентна схема модулятора на p-i-n-діоді у режимі вимикача. Сумарна похибка КМП у режимі вимикача містить як адитивну, так і мультиплікативну складову, причому мультиплікативна похибка зростає при значеннях пригнічення p-i-n-ключа у закритому стані .

Досліджено КМП у режимі перемикача. Підключення хвилеводного трійника Т до виходів модуляторів М1 та М2 створює постійний ланцюг зв'язку як при закритих, так і відкритих модуляторах, сприяє виникненню "паразитного" сигналу на виході хвилеводного трійника та обумовлює додаткову похибку адитивного характеру.

Досліджено вплив асиметрії імпедансів приймальної антени та еквівалента, неідентичність яких призводить до виникнення паразитної модуляції власними шумами та похибок. Розподіл похибок при малих індексах паразитної модуляції (q = 0-5%), який за коефіцієнтом пригнічення k = 0,01-0,001 знаходяться у межах для узгодженого модулятора без втрат.

Досліджено похибку від неідентичності коефіцієнтів передачі відкритих p-i-n-ключів КМП в режимі перемикача.

Неідентичність коефіцієнтів суттєво впливає на сумарну похибку вимірювання, що необхідно враховувати при розробці широкосмугових вимірювачів, оскільки коефіцієнт передачі p-i-n-ключа у частотному діапазоні змінюється.

Неточне формування тривалості напівперіодів комутуючої частоти також є причиною виникнення похибок.

Аналіз розподілу похибок показує, що за асиметрії, наприклад, 1% та q = 1 похибка сягає 6%. Реальним шляхом зниженням похибки від асиметрії тривалості імпульсів комутуючої частоти є забезпечення чіткого формування рівноцінних за тривалістю півперіодів імпульсної напруги, а також забезпечення q << 1.

Шостий розділ присвячений дослідженню складових похибок та оцінці метрологічного забезпечення модуляційної радіометричної апаратури. Метрологічна оцінка РС мм-хвиль ( = 10-1 мм) ускладнюється відсутністю в Україні стандартних засобів вимірювання на потужностях Р < 1 мкВт та еталонної бази.

У РС з перетворенням вхідної частоти основними джерелами похибок є неузгодження входу приладу з джерелом НВЧ-сигналу (), вхідний модулятор (), НВЧ-перетворювач (), НЧ-канал () і індикатор (). Сумарну похибку радіометричного вимірювача можна записати:

. (38)

Враховуючи, що частка перших трьох складових рівняння (6.1) є визначальною детально були досліджені саме ці похибки.

У реальних умовах експлуатації РС модуль коефіцієнта відбиття джерела сигналу () може змінюватися у широких межах - від = 0,04 до = 0,35.

Досліджено вплив власних НВЧ-шумів на похибку вимірювача при застосуванні КМП у режимі вимикача та перемикача. Показано, що наявність шумів НВЧ-тракту обумовлює виникнення інтерференційної похибки.

За умови рівності вплив шумів виключається, однак, забезпечити подібне співвідношення у режимі використання p-і-n-ключа неможливо, оскільки вхідний та вихідний імпеданси КМП у відкритому та закритому стані значно відрізняються. Водночас, зменшення спричиняє зменшення похибки, що можна досягнути за рахунок введення вентилів та пригнічення шумів.

Аналіз отриманих співвідношень показує, що похибка, обумовлена НВЧ-шумами, визначається їх рівнем (), неідентичністю ключів КМП у відкритому та закритому стані і зменшення впливу НВЧ-шумів на результат вимірювання можна забезпечити: зниженням рівня шумів на вході вимірювача ; ідентичністю приймальної антени, еквівалента та ключів; зменшенням проходження НВЧ-шумів у КМП.