[發(fā)明專利]一種弱損耗介質(zhì)復(fù)介電常數(shù)的測量方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310097846.7
• 申請日: 2013-03-26
• 公開（公告）號: CN103698613A
• 公開（公告）日: 2014-04-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鄭興明;趙凱;姜濤;張世軼;孫建
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所
• 主分類號: G01R27/26
• 分類號: G01R27/26
• 代理公司: 長春科宇專利代理有限責(zé)任公司 22001
• 代理人: 馬守忠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種弱損耗介質(zhì)復(fù)介電常數(shù)的測量方法。?

背景技術(shù)

微波遙感從遙感器接收到的散射/輻射能量來解譯、判讀或者反演地表目標(biāo)的性質(zhì)和狀態(tài)。在定量化遙感研究中，無論對遙感目標(biāo)建立何種數(shù)學(xué)物理模型，采用何種理論、采取何種計算方法，都要求知道遙感目標(biāo)準(zhǔn)確的介電特性，否則一切都無法進(jìn)行。因此對目標(biāo)復(fù)介電常數(shù)的深入研究是微波遙感定量反演的基礎(chǔ)性工作，是能從微波遙感數(shù)據(jù)中獲得多少信息的關(guān)鍵。土壤介電常數(shù)是微波輻射傳輸模型以及土壤濕度、積雪深度遙感參數(shù)反演的關(guān)鍵參數(shù)之一，獲取高精度的土壤復(fù)介電常數(shù)有利于地表參數(shù)微波遙感反演和輻射傳輸建模。?

介質(zhì)復(fù)介電常數(shù)的測量方法可分兩大類：時域測量法和頻域測量法。時域測量法為電容測量法；頻域測量方法比較常用，主要包括諧振腔法、傳輸線法、傳輸/反射法和自由空間波法。諧振腔法通過測量目標(biāo)介質(zhì)放入諧振腔前后的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)來計算出目標(biāo)介質(zhì)的相對復(fù)介電參數(shù)。該測量方法測量精度較高，尤其是對低損耗介質(zhì)，但該方法只能在一個頻率下進(jìn)行測量，不能進(jìn)行寬頻段測量，具有局限性。同軸探針法/傳輸線法通過測量同軸探頭端口處被測介質(zhì)的反射系數(shù)進(jìn)而計算出被測介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)。該方法可對介質(zhì)樣品進(jìn)行無損和寬頻測量，特別適合測量高損耗介質(zhì)（如液體介質(zhì)）的復(fù)介電常數(shù)，但要求介質(zhì)樣品均勻，對校準(zhǔn)介質(zhì)樣品和測試介質(zhì)樣品的要求都較高，對低損耗材料的靈敏度低，虛部的測量誤差較大。自由空間法可以在不破壞測量對象的前提下進(jìn)行寬頻帶測量，測量方法簡單易實現(xiàn)，但因自由空間中的干擾因素較多，復(fù)介電常數(shù)的測量精度不高。基于單端口和雙端口的傳輸線法（又稱為NRW?傳輸/反射法）在過去50?年中得到了廣泛應(yīng)用，該方法將被測介質(zhì)樣品放入矩形波導(dǎo)或同軸線中,?通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量介質(zhì)樣品端面的散射參數(shù)，然后反演計算出被測介質(zhì)樣品的相對復(fù)介電常數(shù)；NRW?傳輸/反射法簡單且精度較高，對同軸和波導(dǎo)系統(tǒng)均適用。然而，NRW?傳輸/反射方法也存在著以下一些問題：具有厚度諧振和多值性，需要極薄介質(zhì)樣品，不能測量不規(guī)則介質(zhì)樣品，低損耗介質(zhì)測量的不確定性大等問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出一種弱損耗介質(zhì)復(fù)介電常數(shù)的測量方法。該方法結(jié)合了自由空間波法和傳輸/反射法的優(yōu)點，利用吸波材料模擬自由空間波法所需要的半無限大空間測量條件，采用自由空間波法的測量方式，利用傳輸/反射法原理對介質(zhì)復(fù)介電常數(shù)進(jìn)行求解。測量裝置由網(wǎng)絡(luò)分析儀、微波窄帶天線、微波吸波材料和高度調(diào)節(jié)裝置構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)分析儀記錄土壤介質(zhì)表面的反射信號，透過信號被介質(zhì)樣品下面的微波吸波材料吸收，根據(jù)測量的兩層介質(zhì)反射系數(shù)求解土壤介質(zhì)樣品的復(fù)介電常數(shù)。?

本發(fā)明提出一種弱損耗介質(zhì)復(fù)介電常數(shù)的測量方法，步驟和條件如下：

（1）使用的測量裝置由網(wǎng)絡(luò)分析儀、微波窄帶天線、塑料泡沫板介質(zhì)樣品盒、吸波材料、精密升降儀、液壓升降儀組成；網(wǎng)絡(luò)分析儀與微波窄帶天線連接；吸波材料置于精密升降儀上面；精密升降儀置于液壓升降儀的上面，兩者組成高度調(diào)節(jié)裝置；

（2）介質(zhì)樣品處理：介質(zhì)樣品表面要平整光滑；土壤類介質(zhì)樣品要風(fēng)干，之后進(jìn)行碾磨，并用2mm孔徑土壤篩進(jìn)行篩選，平整土壤類介質(zhì)樣品表面；要保證土壤內(nèi)部的均勻性，使土壤內(nèi)部不存在體散射現(xiàn)象；

（3）將介質(zhì)樣品置于塑料泡沫板介質(zhì)樣品盒中，厚度為2-3cm；

（4）吸波材料為SA型角錐泡沫塑料，為保證吸波材料的吸收效率，厚度為10cm；

（5）在放置介質(zhì)樣品之前，將微波窄帶天線對準(zhǔn)吸波材料，讀取網(wǎng)絡(luò)分析儀的反射系數(shù)的測量值；由于吸波材料為全吸收材料，反射系數(shù)為0，那么網(wǎng)絡(luò)分析儀測量的反射系數(shù)為天線口面不匹配引起的天線口面反射系數(shù)?；

（6）測量兩層介質(zhì)的有效反射系數(shù)，兩層介質(zhì)的有效反射系數(shù)R為：

????????（1）

其中為天線口面處的反射系數(shù)，為被測介質(zhì)的反射系數(shù)，d₀為天線口面離介質(zhì)的距離，k₀為自由空間傳播常數(shù)，k₀=2π/f，f為電磁波頻率(Hz)；

窄帶天線置于塑料泡沫板介質(zhì)樣品盒中介質(zhì)樣品上方，利用高度調(diào)節(jié)裝置調(diào)整，使，（如電磁波頻率為5.4GHz，則d₀=1.38cm），則有：

??????????????????????（2）

結(jié)合（1）和（2），變換得到：

???????????????????（3）