Аналіз характеристик рефлектометричних систем для дистанційного вимірювання діелектричних параметрів біооб’єктів Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК.621.317

Федюшко Ю. М., д.т.н., професор Борохов I. В., асистент © Тавртський державный агротехнолог1чний утверситет

АНАЛ1З ХАРАКТЕРИСТИК РЕФЛЕКТОМЕТРИЧНИХ СИСТЕМ ДЛЯ ДИСТАНЦШНОГО ВИМ1РЮВАННЯ Д1ЕЛЕКТРИЧНИХ ПАРАМЕТР1В БЮОБ'СКТШ

Обтрунтована допустима здаттсть та точшсть вим1рювання д1електричног спектроскопа бюоб 'ектгв рефлектометром у втьному простор1.

Ключовi слова - д1електрична проникнетсть, бюлоггчт об'екти, рефлектометричш системи.

Постановка проблеми. В наш час для створення перспективних шформацшних електромагштних технологш в медициш та сшьському господарствi необхiдно створення бази даних дiелектричноl проникненостi бiологiчних об'eктiв на рiзних рiвнях [1, 2, 3]. У зв'язку з чим актуальним завданням е розробка методiв i систем для дистанцiйного вимiрювання електрофiзичних параметрiв бiологiчних об'ектiв.

Анал1з попередшх дослщжень. В даний час юнують розробки, в яких розглянуто застосування рефлектометра в системах зв'язку i телекомушкаци [1,2,3]. Проте слiд зазначити, що по сво1м характеристиках вони не можуть бути використанi для дистанцшного вимiрювання ДП бiооб'ектiв.

Формування мети статть Метою статтi е проведення аналiзу характеристик рефлектометрiв для вимiрювання дiелектричних параметрiв бiологiчних об'екив у вiльному просторi.

Основна частина. Для вимiрювання дiелектричних параметрiв бюлопчних об'ектiв у вiльному просторi переважним е застосування багато частотно! рефлектометрично! системи (РС) з швидкою перебудовою частоти задаючого генератора. Найбiльш поширеним способом змiни частоти в багаточастотних РС е швидка перебудова частоти малопотужного задаючого генератора НВЧ з подальшим посиленням (якщо це необхiдно) сигналiв, що генеруються ним, в широкосмуговому пiдсилювачi потужност [8-10].

В якостi задаючих генераторiв НВЧ дiапазону, переважним е використання синтезаторiв частоти. Вiдомо, що потенцшш значення характеристик рефлектометрiв визначаються параметрами зондуючих сигналiв i системою !х обробки [11, 12]. При вибраних параметрах сигналу i системи обробки, реалiзацiя основних потенцiйних характеристик залежить вiд стабiльностi параметрiв зондуючих сигналiв, в першу чергу, фазових характеристик, як визначаються сумарним впливом рiзних причин [11].

Сумарний вплив змши фази визначаеться виразом:

© Федюшко Ю. М., Борохов I. В., 2011

а\ = О]2 + О22 + О32 + О42 + О52 ■ (l)

2

де О ъ - диспеpсiя фази зондуючого сигнaлy;

О] - диспеpсiя фази в пpиймaльно-пеpедaвaльномy тpaктi;

О2 - диспеpсiя фази за paхyнок змiни положення PC;

°3 - диспеpсiя фази за paхyнок pозповсюдження;

О4 - диспеpсiя фази ^и вiдобpaженнi вiд об'eктiв;

5 - диспеpсiя фази в системi обpобки.

Вкaзaнi пpичини змiни фази ^иводять до спотвоpення вихiдного сигнaлy i зpештою погipшyють потенцiйнi хapaктеpистики PC [l2]. Для дiелектpичноï спектpоскопiï пpи 6лижньопольному зондyвaннi бiооб'eктiв■ доданки о2, g3 достатньо мaлi.

Вщомо, що основними хapaктеpистикaми pефлектометpa для дiелектpичноï спектpоскопiï бiооб'eктiв у вшьному пpостоpi e pоздiльнa здaтнiсть i точшсть вимipювaнь [l2].

Оцiнимо вплив пеpешкод на точнiсть покaзникiв якост pефлектометpa. Вiдомо■ що pоздiльнa здатшсть PC по пapaметpy а хapaктеpизyeться iнтеpвaлом Да [l2].

Аа = Аа

ПОТ

No ( f ) + M ( f )

N o (f )

(2)

де Аа Аап°т - вщповщно pеaльний i потенцшний iнтеpвaли допуску PC по пapaметpy а ;

N0(f) - спектpaльнa щiльнiсть внyтpiшнiх шyмiв■ пеpеpaховaних на вхщ;

M(f) - миттевий спектp зовнiшнiх пеpешкод на входi PC.

Зазвичай точшсть PC ощнюеться сеpедньоквaдpaтичною помилкою вимipювaнь. У iнженеpнiй ^акти^ для визначення pеaльноï точностi PC ш^око викоpистовyeться фоpмyлa для потенцшно!' сеpедньоквaдpaтичноï помилки вимipювaнь пapaметpy а .

О

ß

а

У2з

N o (f )

(3)

де ß - потенцшна pоздiльнa здaтнiсть PC;

Э - енеpгiя сигналу. Пpи цьому вводяться коефiцieнти втpaт k1, k2, якi вpaховyють вiдповiдно зменшення вiдношення сигнал-шум i погipшення ß . Pеaльне значення сигнал-шум знаходять по фоpмyлi:

л/23

л/23 К (/ )

N0 (/) + М (/ ) N0 (/ ) N0 (/) + М (/ )

Отже:

к

N 0 (/) + М (/)

З виразу (2) видно, що

к 2 =

N 0 (/) N 0 (/) + М (/)

N 0 (/)

Тодi точшсть вимiрювання можна оцiнити таким чином:

(4)

(5)

(6)

а

в кк 423 к

а

N 0 (/) + М (/)

N 0 (/)

N0 (/)

0 (7)

Таким чином, аналiз формул (2) ^ (7) показуе, що висока роздшьна здатшсть i точнiсть вимiрювань забезпечуеться в основному за рахунок високо! частоти спектру вихiдного сигналу рефлектометра.

Наприклад, для змiни параметрiв ^ю) i ^21 при вимiрюваннi дiелектричноl проникностi бюоб'екпв, рееструють зворотнiй i зондуючий сигнали. За допомогою алгоритму швидкого перетворення Фурье знаходимо спектри цих сигналiв, а по !х вiдношенню - Б-параметри. Параметр визначаеться через

вщношення спектру вiдображеного сигналу до спектру зондуючого сигналу. Похибка вимiрювання залежатиме вiд того наскшьки спектральна щiльнiсть потужностi зондуючого сигналу у вибраному дiапазонi частот значно перевищуватиме спектральну щiльнiсть шуму i дискретних складових в спектрi сигналу, тобто вщ спектрально! чистоти сигналу.

У [11] показано, що основний вплив в попршення потенцшних характеристик РС вносить приймально-передавальний тракт.

Тому, виходячи з умов роботи РС, до фазово! стабiльностi приймально-передавального тракту висуваються жорсткi вимоги. При вдеальнш стабiльностi цього тракту вщсутш випадковi змiни прийнятого сигналу, обумовлеш флуктуацiями амплiтуди i фази зондуючого сигналу, а також вщображеного сигналу в результат його проходження через приймальний пристрiй. Але реальний приймально-передаючий тракт вносить фазовi спотворення, як по ампштуд^ так i частот!

У свою чергу короткочасна стабшьшсть частоти збудника, у тому чи^ i синтезатора, визначаеться сумарною дiею детермiнованих та флуктуацiйних

2

ПОТ

збурень в спектрi вихщного сигналу. На вiдмiну вщ щеального синтезатора, спектр вихщного коливання мютить тiльки одну корисну дискретну спектральну лiнiю.

Якщо спектр перешкоди вихiдного коливання синтезатора е не тшьки суцiльним, але i мютить п дискретних спектральних лiнiй, i якщо всi компоненти збурення взаемно некорельоваш, то чистота спектру реального синтезатора характеризуеться виразом:

о Р +У.Р о Р

Р пш ^^ Щ Р П Р

^ _ п _ _к—1 _ пш + ^ п

~ Р ~ Р ~ Р к—1Р (8)

с с с с , (8)

де Рпш - перешкода, що мае шумовий спектр;

Рпг - перешкода, що мае тшьки одну дискретну лшш.

Грунтуючись на отриманi результати, можна зробити висновок про те, що для отримання високо! роздшьно! здатностi рефлектометра < 1% необхiдно, щоб дискретш компоненти в спектрi вихiдного сигналу синтезатора були пригшчеш до рiвня власних фазових шумiв синтезатора, тобто до - 140 дб.

Л1тература

1. Бранд А. А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах / А. А. Бранд - М. : Физматгиз, 1964. - 404 с.

2. Харвей А.Ф. Техника сверхвысоких частот / А. Ф. Харвей -М.: Сов.радио, 1965.-783с.

3. Потапов А. А. Современные диэлектрические методы и аппаратура для исследования микро- и макроскопических свойств веществ / А. А. Потапов - М. : ВНИИКИ, 1980. - 56 с.

4. Введенский Ю.В. Импульсный рефлектометр пикосекундного диапазона. - В кн. : Современные методы и аппаратура для измерения параметров подключений: Докл. Всесоюз.симпозиумная / Ю.В. Введенский, Л. В. Горячев, В В. Крылов В В. - Новосибирск. 1974, с. 129

5. Введенский Ю. В. Импульсный рефлектометр с субнаносекундным разрешением / Ю. В. Введенский, Л. И. Горячев, В. В. Крылов - Приборы и техника эксперимента, 1975 №1, 1. с. 130

6. Гоникман А. Б. Временной рефлектометр для измерения параметров структурно-сложных СВЧ трактов / А. Б. Гоникман - Метрология и точные измерения, 1976, №1 с. 10

7. Импульсные рефлектометры. Проспект. - М. : ЦООНТИ «Экос», 1980.

8. Кочемасов В. Н. Формирование сигналов с линейной частотной модуляцией / В. Н. Кочемасов, Л. А. Белов, В. С. Оконешников. -М.: Радио и связь. - 1983. - 190 с.

9. Бартон Д. Справочник по радиолокационным измерениям / Д. Бартон, Г. Вард. - М. : Сов. радио, 1976. - 392 с.

10. Вишин Г. М. Многочастотная радиолокация / Г. М. Вишин - М.: Воениздат, 1973. - 92 с.

11. Приёмо-передающие устройства. Под ред. В. И. Гомозова. -М. СССР 1987. - 240 с.

12. Справочник по радиолокации. Под ред. М. Смолника. Нью-Йорк, 1970. Пер. с англ. под общ. ред. К. Н. Трофимова. Том 2. Радиолокационные антенные устройства. Под ред. В. И. Дудника. -М.: Сов. радио,1977. - 408 с.

Summary I. Borokhov, Y. Fedyushko AN ANALYSIS OF DESCRIPTIONS OF REFLEKTOMETRICHNIKH OF SYSTEMS IS FOR TELEMETERING OF DIELECTRIC PARAMETERS OF

BIOOBJECTS

Possible ability and exactness of measuring is grounded reflektometr of dielectric spectroscopy of bioobjects in free space.

Key words: inductivity, biological objects, reflektometric system.

Рецензент - д.т.н., проф. Щж Б.Р.