Тема: Система ближнепольного интерференционного зондирования

В последнее время учеными со всего света активно изучаются возможности ближнепольного микроволнового зондирования объектов и сред, характеризуемых как слабо выраженным, так и сильным поглощением [1-3]. Для решения обратной задачи рассеяния, как правило, используются данные измерений поля на многих частотах в пределах двумерной области над неоднородностью. При этом измерения должны проводиться системой жестко связанных источника и приемника, а поле, рассеянное диэлектрическими объектами фиксируется на глубине соизмеримой с размерами ближнего поля при наибольшей длине волны частотного диапазона зондирующего сигнала. В большом количестве работ высказываются предположения, что такой подход может позволить преодолеть фундаментальное релеевское ограничение разрешающей способности в том случае, если из-за наличия сильного поглощения в среде переход к более коротковолновому диапазону невозможен. При этом чувствительность по глубине сохраняют на необходимом уровне, используя такие параметры, как частота сигнала, размер апертуры приемной антенны, высота уровня сканирования.
Особое развитие ближнепольное микроволновое зондирование получило после того, как экспериментально была подтверждена возможность преодоления фундаментальных пределов, теоретически предсказанных Аббе и Релеем [2, 4, 5]. В результате чего была продемонстрирована возможность получения так называемого сверхразрешения в исследованиях широкого круга практических задач, связанных с диагностикой поверхностей объектов и сред (2D диагностика), а далее в ходе развития методов и технологии в области 3D диагностики. Однако, стоит отметить, что все подходы опираются исключительно на методы ближнепольной диагностики в эванесцентных полях одиночных зондов (излучателей) [2, 6, 7].
Отмеченные особенности, в частности, можно использовать при неинвазивной диагностики художественных полотен. Традиционно для этой цели используются методы рентгеновской радиографии и инфракрасной 5
рефлексографии [8]. Однако сейчас все большее внимание начинает уделяться терагерцовой диагностике. В научном сообществе насчитывается не менее десяти исследовательских групп, ведущих целенаправленные исследования в данной области. При всем этом следует отметить, что подобный подход не лишен недостатков, связанных порой с обработкой и интерпретацией результатов измерений структуры полотен, у которых отдельные фрагменты выполнены с использованием различных техник. Кроме того, качество терагерцового изображения существенно зависит от рельефа лицевой поверхности изучаемого полотна. Дело в том, что даже весьма малые локальные изменения в структуре рельефа могут вызывать заметные изменению углов отражения и преломления излучения. Это, в свою очередь, проецируется на регистрируемый сигнал, приводя к появлению артефактов на изображении.
В последнее время чрезвычайно важное значение приобрела проблема эффективного выявления на ранних стадиях опаснейшего заболевания - меланомы. Она проявляет себя как одно из самых коварных заболеваний. Составляя не более 4 % от всевозможных новообразований кожи, она обусловливает до 80 % летальности от злокачественных образований [9]. Любое инвазивное вмешательство, в том числе и с целью диагностики, является крайне нежелательным. В этой связи имеется насущная потребность в разработке эффективной и надежной технологии ранней неинвазивной диагностики меланомы. Полученные к настоящему времени результаты указывают на необходимость сочетания при решении проблемы нескольких подходов. Так в [9] достаточно подробно обсуждены возможности, преимущества и недостатки трех методов - дерматоскопии, сиаскопии, конфокальной микроскопии.
Принципиально другой подход к неинвазивной диагностике меланомы предложен в работах [10, 11]. Его основу составляет ближнепольная резонансная сверхвысокочастотная (СВЧ) микроскопия. Несмотря на то, что при диагностике используется излучение СВЧ диапазона, чувствительность и разрешающая способность прибора ближнепольного зондирования изучаемого новообразования оказываются достаточными для его отнесения или не отнесения к числу злокачественных [10]. Естественно, что полученные результаты еще требуют всестороннего исследования, обоснования достоверности и воспроизводимости в рамках клинических исследований.
Как показано в [10] ключевое значение при ближнепольном СВЧ- зондировании биологической ткани имеет рациональная конструкция измерительной емкости датчика. В частности, авторы данной работы пришли к заключению, что «...в качестве зондирующего элемента в разрабатываемых для диагностики меланомы кожи датчиках целесообразно выбрать краевую емкость цилиндрического конденсатора, внешняя обкладка которого оканчивается металлическим фланцем.». В условиях экспериментов, проведенных ими, удалось практически полностью исключить нежелательное влияние трудно контролируемой степени «прижима» датчика к исследуемому участку кожного покрова. Здесь важно подчеркнуть, что характерный масштаб локализации его электрического поля зависит от расстояния между внешним и центральным проводниками измерительной емкости датчика. С целью обеспечения зондирования объекта исследования на разную глубину авторы [10, 11] предлагают использовать несколько датчиков, обеспечивающих порознь различные глубины зондирования.
Методы ультразвуковой томографии находит широкое применение в современной дефектоскопии [12, 13], медицинской диагностике [14] и звуковидении в воде [15]. Разработаны методы узкополосной [16] и сверхширокополосной томографии [17]. Для зондирования используются сигналы различных видов модуляции [18, 19]. Современные микроконтроллеры позволяют генерировать сигналы произвольной формы с применением цифро¬аналоговых преобразователей (ЦАП). Однако для генерации сигнала с полосой в 500 кГц требуется ЦАП с частотой минимум 1 МГц, что может обеспечить не каждый микроконтроллер. В то же время, бинарные выходы микроконтроллеров обладают намного более высоким быстродействием, чем ЦАП.
Цель работы - теоретическое обоснование и экспериментальная проверка метода ближнепольной микроволновой диагностики материалов, объектов и сред с использованием интерференционного взаимодействия эванесцентных полей, возникающего при эффекте нарушенного полного внутреннего отражения.
Для достижения поставленной цели, были поставлены следующие задачи:
1) Аналитический обзор литературы по методам ближнепольной микроскопии и ближнепольному взаимодействию.
2) Разработка метода ближнепольного интерференционного зондирования объектов и сред.
3) Разработка метода управления зондирующим сигналом, при диагностике различных сред и объектов, с целью получения дополнительной информации.
4) Разработка и тестирование макета системы ближнепольного интерференционного зондирования. Составление и редактирование текста диссертации.
Объектом исследования является процесс формирования интерференционного эванесцентного поля, возникающего при эффекте нарушенного полного внутреннего отражения.
Предметом исследования является модель системы ближнепольного интерференционного зондирования, работа которой основана на эффекте нарушенного полного внутреннего отражения.
Научная новизна исследования, заключается в эффективном использовании интерференционной составляющей вектора Пойнтинга перекрывающихся эванесцентных полей сформированных с помощью эффекта нарушенного полного внутреннего отражения.
Методы исследования основываются на использовании строгих математических методов расчета электромагнитных полей заданных систем электрических и магнитных токов. В процессе конструктивной проработки модели зондов, а также макета ближнеполного микроволнового интерференционного микроскопа, применялись программные продукты MathCAD и CST Microwave Studio.
Практическая значимость научного положения.
Результаты, относящиеся к исследованию, позволяют создать модель ближнепольного интерференционного зондирующего микроскопа на основе эффекта нарушенного полного внутреннего отражения, имеющего ряд преимуществ перед классической схемой зондирования. А именно повысить чувствительность и разрешающую способность при зондировании поверхностей диэлектрических объектов.
Научные положения, выносимые на защиту.
1. Возбуждение в условиях нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) над границей раздела сред (в частности, над большой гранью прямоугольной диэлектрической призмы) двух распространяющихся навстречу друг другу монохроматических сверхвысокочастотных электромагнитных волн, приводит к образованию дополнительного действительного интерференционного потока энергии. Наличие этого потока увеличивает разрешающую способность системы зондирования на основе явления (НПВО) как минимум в 7 раз, по сравнению с традиционной технологией.
2. Управление в системе интерференционной ближнепольной сверхвысокочастотной диагностики на основе явления НПВО разностью начальных фаз эванесцентных полей, пространственно перекрывающихся между большими гранями двух прямоугольных диэлектрических призм этой системы, позволяет повысить качество диагностики за счет получения на 60 % большего объема измеряемой информации по сравнению с традиционной технологией.
Достоверность научных положений и других полученных результатов.
Выводы об условиях возникновения эванасцентного интерференционного потока энергии и его влиянии на разрешающую способность не противоречат современным фундаментальным представлениям о механизмах формирования таких потоков энергии, а именно формулировкам теорем Пойнтинга.
Исследование особенности формирования и управления эванесцентными полями зондирующей системы, состоящей из нескольких излучателей следует из результатов аналитического и численного исследования. Данный факт подтверждается и численными расчетами с использованием пакетов программ MathCAD и CST Microwave Studio.
Апробация результатов исследования.
Две статьи по теме диссертации опубликованы в журналах из перечня ВАК РФ, одна статья цитируется базой данных Scopus: докладывались и обсуждались на Всероссийских научных конференциях:
1. IX Международная научно-практическая конференция
"Информационно-измерительная техника и технологии" в рамках Международного форума "Интеллектуальные системы 4-й промышленной революции", 21-24 ноября 2018 года, г. Томск;
2. XIV Международная научно-практическая конференция «Электронные средства и системы управления», 28-30 ноября 2018 г, г. Томск;
3. V Международной конференции по инновациям в неразрушающем контроле (SibTest - 2019)/ Томский политехнический университет, 26-28 июня 2019 г., г. Екатеринбург;
4. 29-ая Международная крымская конференция "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (КрыМиКо - 2019), 8-14 сентября 2019 г., Севастополь, Крым;
5. 8-ая Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы радиофизики» (АПР-2019), 1-4 октября 2019 г., г. Томск;
6. XV Международная научно-практическая конференция «Электронные средства и системы управления», 20-22 ноября 2019 г, г. Томск;

Купить

В ходе работы, проведя обзор литературы, ознакомившись с существующими моделями систем ближнепольного зондирования работа которых основана как на получении данных при использовании ближней зоны излучателей, так и на эффекте НПВО и способами их использования, была выявлена общая особенность предшествующих подходов, существенно влияющий на получаемые результаты. Она заключается в то, что во всех существующих моделях ближнепольных микроскопов используется только один активный зонд и предполагается механическое перемещение либо самой системы либо зонда в частности.
Выдвинуто и подтверждено предположение о влиянии фазовых соотношений на интерференционное взаимодействие двух излучателей. Аналитические расчеты показали, что меняя разность начальных фаз токов можно варьировать в широких пределах соотношение величин компонент полного вектора Пойнтинга в некоторой окрестности точки наблюдения в ближней зоне. Тем самым с принципиальной точки зрения обеспечивается возможность изменения режима зондирования этой окрестности электрическим путем, не прибегая к какому либо перемещению элементов излучающей системы. Проведено численное моделирование в программе CST Microwave Studio, которое подтвердило, что при добавлении второго излучателя в систему, существует возможность изменения структуры поля и его интенсивности на грани призмы или в случае с добавлением второй призмы и второго зонда. Это говорить о том, что чувствительность зондирующей системы, использующей перекрывающиеся эванесцентные поля на большой гране призмы двух коаксиальных конических зондов, должна быть более высокой по сравнению с системой, построенным по традиционной схеме.
Для подтверждения правильности и достоверности численных расчетов, полученных в результате аналитического рассмотрения и данных математического моделирования, был проведен эксперимент. По результатам проведенного экспериментоа можно сделать выводы о преимуществах 55
использования ближнепольной диагностики перекрывающимися эванесцентными полями. Прежде всего, можно отметить весьма значительное отличие чувствительности микроволнового интерференционного микроскопа от чувствительности прибора, использующего традиционное конструктивное исполнение. Этот эффект проявился в экспериментах, касающихся обнаружения дефектов. Так же следует отметить, существования возможности фокусировки области перекрывания эванесценых полей в исследуемых объектах. Экспериментальные исследования с использованием призм, изготовленных из гипса, не подтвердили полученные ранее результаты. Это связанно с особенностями выбранного материала и качеством изготовленных образцов. Была разработана методика изготовления призм из парафина с учетом, полученного ранее опыта. В дальнейшем планируется проведение экспериментов с призмами, геометрически правильными формами, изготовленными из парафина, а также материала схожего по диэлектрическим параметрам с парафином.

Купить