8 mm波段含水量對(duì)砂土輻射特性影響研究

趙書(shū)占,張光鋒,馬逸超,吳根水

(1.中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院,河南 洛陽(yáng) 471009；2.南京理工大學(xué),南京 210094)

8 mm波段含水量對(duì)砂土輻射特性影響研究

趙書(shū)占1,張光鋒2,馬逸超1,吳根水1

(1.中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院,河南 洛陽(yáng) 471009；2.南京理工大學(xué),南京 210094)

毫米波技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)是物體在毫米波波段的輻射特性的差異，但現(xiàn)階段物體在毫米波波段的輻射特性的研究缺乏相關(guān)理論和試驗(yàn)驗(yàn)證支撐，因此進(jìn)行了8 mm波段砂土輻射特性和含水量相關(guān)關(guān)系的建模和仿真研究，通過(guò)菲涅爾折射定律及理想介質(zhì)面波的連續(xù)性推導(dǎo)出了理想介質(zhì)面的反射率計(jì)算公式，然后利用該公式進(jìn)行了8 mm波段水面輻射特性和含水量對(duì)砂土輻射特性影響的仿真，最后通過(guò)測(cè)量和計(jì)算增加砂土含水量對(duì)砂土輻射特性影響的定性試驗(yàn)進(jìn)行仿真結(jié)果的定性驗(yàn)證;試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果一致，砂土隨著含水量的增加發(fā)射率在下降，砂土的亮溫在下降，通過(guò)這一結(jié)論可以通過(guò)砂土亮溫的變化定性反演出砂土含水量的變化，從而為毫米波技術(shù)在監(jiān)測(cè)含水量等方面的應(yīng)用提供一定的理論研究和試驗(yàn)驗(yàn)證支撐。

毫米波；輻射特性；含水量；建模仿真；試驗(yàn)驗(yàn)證

0 引言

對(duì)比納米級(jí)的可見(jiàn)光，毫米波[1-2]幾乎不受惡劣天氣環(huán)境的影響，可以全天時(shí)、全天候的成像；對(duì)比厘米級(jí)、米級(jí)、甚至以上的微波波段，毫米波的波長(zhǎng)較短，所以成像分辨率較微波成像的分辨率高，同時(shí)毫米波輻射計(jì)是被動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)人體無(wú)輻射傷害，因此毫米波輻射計(jì)在目標(biāo)制導(dǎo)、衛(wèi)星遙感、公共場(chǎng)所安檢、環(huán)境污染檢測(cè)等領(lǐng)域[3]近些年來(lái)被廣泛應(yīng)用。本文主要研究8 mm波段含水量對(duì)砂土的輻射特性的影響，從而對(duì)毫米波應(yīng)用提供一定的理論和試驗(yàn)支持。

1 全功率輻射計(jì)原理

全功率輻射計(jì)原理如圖1所示。全功率輻射計(jì)[4-5]由射頻放大器、混頻器、本振和中放共同構(gòu)成了射頻前端。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)候，先通過(guò)天線接收來(lái)自目標(biāo)的微弱的毫米波信號(hào)，然后將小信號(hào)進(jìn)行放大處理，再通過(guò)混頻器把高頻信號(hào)降低到中頻信號(hào)。中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)平方律檢波器后，可形成輻射計(jì)電壓輸出和天線輸入溫度的線性關(guān)系。低通濾波器濾掉平方律檢波器輸出的由于輸入噪聲信號(hào)隨機(jī)性引入的高頻分量，輸出的低頻分量與積分器的作用得到最終的輸出電壓V。

圖1 全功率輻射計(jì)原理框圖

圖2 全功率輻射計(jì)等效框圖

這樣輻射計(jì)最終經(jīng)過(guò)低通濾波后的輸出電壓可以表示為：

(1)

式中，C為檢波器功率靈敏度常數(shù)；G為混頻和中放的總增益；B為檢波前系統(tǒng)總帶寬。

(2)

2 仿真建模

2.1 反射率公式推

由菲涅爾折射定律關(guān)系式及理想介質(zhì)面波的連續(xù)性[6]如圖3所示:

圖3 理理想介質(zhì)面波的連續(xù)性圖

假設(shè)介質(zhì)的磁導(dǎo)率相，等可得入射波為水平極化波時(shí)的反射系數(shù)R(θ;h)和入射波為垂直極化波時(shí)的反射系數(shù)R(θ;v)：

(3)

(4)

式中，θ為入射波的入射角度；ε為介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)。

(5)

(6)

其中：

(7)

(8)

物質(zhì)表面的亮度溫度則可以表示為：

(9)

其中：TS是物質(zhì)的熱力學(xué)溫度;Γ(θ;p)表示的是空氣與物質(zhì)分界面的反射率。

2.2 8 mm波段水面輻射特性仿真

物質(zhì)的發(fā)射率與物質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)相關(guān)，而復(fù)介電常數(shù)在不同頻率和溫度下又不同，通過(guò)參考文獻(xiàn)[7]得到，在常溫下(溫度20 ℃)，純水在35 GHz即8 mm波段時(shí)其相對(duì)復(fù)介電常數(shù)為εr=19.93-j29.19，應(yīng)用公式(5)和(6)對(duì)水面反射率和入射角以及極化方向關(guān)系進(jìn)行仿真，得到如圖4所示的結(jié)果圖。

圖4 水面反射率隨入射角度變化仿真圖

通過(guò)圖4可以發(fā)現(xiàn)在在0°～10°之間反射率和極化方向幾乎無(wú)關(guān)，在10°～80°之間，垂直極化的反射率隨入射角度增加而減小，并在80°時(shí)達(dá)到最低點(diǎn)，水平極化的反射率隨入射角度增加而增加，在80°～90°之間，垂直極化的反射率開(kāi)始隨入射角度增加而急劇增加，水平極化的反射率繼續(xù)隨入射角度增加而增加，兩種極化方式均在90°時(shí)達(dá)到各自反射率最高點(diǎn)

2.3 8 mm波段含水量對(duì)砂土輻射特性影響仿真

表1 部分砂土復(fù)介電常數(shù)和含水對(duì)應(yīng)關(guān)系

應(yīng)用公式(5)和(6)對(duì)固定45°入射角情況下，不同極化方式下砂土發(fā)射率和含水量對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行仿真，得到如圖5所示的結(jié)果圖。

圖5 砂土反射率隨含水量變化仿真圖

從圖5中可以看出，隨著含水量的增加，砂土的發(fā)射率也隨著下降，由圖4(8 mm波段水與空氣界面的反射率與入射角的關(guān)系)可以看到45°水平極化方式下水的發(fā)射率為0.45，45°垂直極化方式下水的發(fā)射率為0.65，雖然砂土的發(fā)射率在下降，但還是比純水發(fā)射率要高，極限情況下，即理論下限就是純水的發(fā)射率。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

本文試驗(yàn)驗(yàn)證采用的是8 mm交流輻射計(jì)。

其主要指標(biāo)為:

天線：300 mm口徑的喇叭天線,3 dB波束寬度1.5°主波瓣寬度4.2°；副瓣高度-28 dB；損耗0.25 dB；

本振：耿氏振蕩器；頻率35 GHz；輸出功率4 mW；

混頻器：雙平衡混頻器；噪聲系數(shù)4 dB；

中頻放大器：增益60 dB；帶寬100～600 MHz；

視頻檢波器(平方濾波器)：靈敏度398 ×10-5 mW；

視頻放大器(交流耦合)；增益60 dB；帶寬4～100 MHz。

3.1 輻射計(jì)整體定標(biāo)

毫米波輻射計(jì)的整體定標(biāo)就是對(duì)毫米波輻射計(jì)的整機(jī)進(jìn)行定標(biāo)，原則上就是將天線孔徑直接對(duì)準(zhǔn)已知亮溫的目標(biāo)進(jìn)行定標(biāo)，此時(shí)天線的接收功率只和黑體的物理溫度相關(guān)，即天線溫度等于黑體的物理溫度，改變目標(biāo)不同的已知亮溫便得到輸入輸出的定量關(guān)系式[8-10]。在0～30°的范圍內(nèi)，晴朗的天空的天頂溫度Tsky基本不變，我們可以把它看成亮度精確且分布均勻的展源。在整體定標(biāo)測(cè)試中，直接將天線孔徑指向天空進(jìn)行低溫定標(biāo)，而高溫定標(biāo)則利用幾層厚的毫米波吸波材料對(duì)準(zhǔn)天線孔徑進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)環(huán)境選擇在晴朗的高樓樓頂，室外試驗(yàn)時(shí)的溫度為4 ℃左右，空氣濕度在5%左右，風(fēng)速在10 m/s。試驗(yàn)儀器8 mm波段輻射計(jì)以及配套電源、電纜，萬(wàn)能表溫度計(jì)，濕度計(jì)，風(fēng)速計(jì)，在實(shí)際測(cè)試時(shí)候，首先將輻射計(jì)天線對(duì)準(zhǔn)天頂，開(kāi)機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間，待輻射計(jì)運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)候進(jìn)行讀數(shù)，吸波材料也在室外放置一段時(shí)間使其溫度同樣穩(wěn)定在室外溫度4 ℃。

經(jīng)過(guò)多次測(cè)量取平均得到吸波材料高溫定標(biāo)時(shí)8 mm輻射計(jì)輸出電壓為-0.66 V。晴空時(shí)8 mm波段時(shí)天頂溫度為25 K[11]左右，經(jīng)過(guò)多次測(cè)量取平均得到8 mm輻射計(jì)輸出電壓為-2.55 V。帶入數(shù)據(jù)得到8 mm輻射計(jì)天線溫度TA的定標(biāo)方程為：

其中:TA主要是和受以物體自身發(fā)射溫度和反射天空溫度所為主體的視在溫度TAP相關(guān)。由于在同一試驗(yàn)環(huán)境下測(cè)試，天線熱力學(xué)溫度影響、系統(tǒng)噪聲溫度的影響和天線有效輻射率的影響基本是一致的，造成輻射計(jì)輸出電壓變化的主要因素就是物質(zhì)的發(fā)射率。由于試驗(yàn)條件精確性的不夠，以及測(cè)量中受到外界各種因素的影響，定標(biāo)方程可能存在一定誤差，但仍然可以用作物體輻射特性定性參考和定量反演的近似參考。

3.2 8mm波段含水量對(duì)砂土輻射特性影響試驗(yàn)驗(yàn)證

設(shè)計(jì)以下試驗(yàn)進(jìn)行含水量對(duì)砂土的輻射特性影響的定性研究，試驗(yàn)環(huán)境同天線定標(biāo)環(huán)境，此時(shí)仍輻射計(jì)固定入射角度45°，垂直極化，將首先在80×40×10cm大小(大于輻射計(jì)照射地面的波束范圍)金屬槽中鋪滿質(zhì)地均勻的砂土，至砂土的增加不在對(duì)輻射計(jì)的讀數(shù)產(chǎn)生影響，即此時(shí)毫米波不會(huì)穿透砂土層，然后再加入一些砂土，確保不會(huì)受到底層金屬槽底的影響，測(cè)量此時(shí)的砂土輻射溫度，然后覆蓋吸波材料，測(cè)量此時(shí)吸波材料輻射溫度，然后加入2L水，放置，等完全吸收混合后再測(cè)量砂土的輻射溫度和覆蓋吸波材料的后的溫度，再加入2L水，放置，等完全吸收混合后再測(cè)量砂土的輻射溫度，依次重復(fù)采取多個(gè)含水量的砂土輻射特性，試驗(yàn)場(chǎng)景如圖6所示：

圖6 試驗(yàn)場(chǎng)景圖

應(yīng)用8mm輻射計(jì)經(jīng)過(guò)多次測(cè)量得到8mm波段砂土含水量對(duì)輻射特性影響的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 含水量對(duì)砂土輻射特性影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)

其中純水時(shí)輻射計(jì)示數(shù)-1.35V,水面覆蓋吸波材料時(shí)示數(shù)-0.57V。

將加水次數(shù)和亮溫差值的數(shù)據(jù)生成對(duì)應(yīng)的8mm波段含水量對(duì)砂土輻射特性影響定性研究曲線圖，曲線圖如圖7所示。

圖7 含水量對(duì)砂土輻射特性影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖

試驗(yàn)中之所以通過(guò)亮溫差值來(lái)研究含水量對(duì)砂土輻射特性影響是因?yàn)樵跍y(cè)量過(guò)程中，受到環(huán)境的變化，輻射計(jì)運(yùn)行時(shí)間的差異，會(huì)造成輻射計(jì)輸出電壓的變化，兩次測(cè)量取差值可以減小這一變化的影響。通過(guò)表2和圖7可以發(fā)現(xiàn)，隨著含水量的增加砂土的輻射計(jì)輸出電壓在減小，和覆蓋吸波材料時(shí)的輸出電壓的差值在增大，砂土表面亮溫在下降，也就是說(shuō)砂土的反射系數(shù)隨著含水量的增加在不斷的增加，發(fā)射系數(shù)在下降，通過(guò)表2中的數(shù)據(jù)可以看出隨著加水次數(shù)增加砂土的輻射計(jì)輸出電壓趨于水的輻射計(jì)輸出電壓。以上8mm輻射計(jì)的試驗(yàn)得出的結(jié)論和8mm波段含水量對(duì)砂土輻射特性的仿真結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

本文進(jìn)行了含水量對(duì)砂土輻輻射特性影響的建模仿真，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證；試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果一致，砂土隨著含水量的增加反射率增加，發(fā)射率下降，表面亮溫下降，通過(guò)這一特性，可以應(yīng)用毫米波遙感監(jiān)測(cè)土壤的干旱程度。本文所做試驗(yàn)驗(yàn)證為定性驗(yàn)證，在精確計(jì)算和反演物體亮溫方面仍存在不足，需要進(jìn)一步提高。

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Study of Radiation Characteristics of Sand Soil Affected by Water Content on 8 mm Wave Band

Zhao Shuzhan1, Zhang Guangfeng2, Ma Yichao1, Wu Genshui1

(1.China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009，China;2.Nanjing University of Science & Technology, Nanjing 210094, China)

The basis of millimeter wave technology application is the difference of radiation characteristics between Objects in millimeter wave band, but the study of objects’ radiation characteristics in millimeter wave band is lack of relevant theoretical and experimental verification support in present stage. Therefore in this paper, we focused on the building model and simulation about radiation characteristics of sand soil affected by water content on 8 mm wave band, and designed experiments to verify the correlation between the radiation characteristics of sand soil with water content. By the Fresnel formula and continuity of wave on the ideal medium surface, deduced the reflectivity calculation formula on the ideal medium surface. Then simulation about radiation characteristics of water surface and radiation characteristics of sand soil affected by water content on 8 mm wave band by the deduced formula been carried out. Finally we designed a qualitative test to qualitative verify the simulation results. The simulation results were in agreement with the experimental results. With the increase of water content, the emission rate and brightness temperature of sand soil decreased. By this conclusion we can qualitative invert the change of sand soil’s water content according to the change of sand soil’s brightness temperature. That provides the theoretical and experimental verification support for the application of millimeter wave technology in monitoring water content etc.

millimeter wave; radiation characteristics; water content; modeling- simulation; experimental verification

2016-08-24；

2016-09-24。

國(guó)家自然科學(xué)基金(61371038)。

趙書(shū)占(1989-),男,河北邯鄲,碩士生,主要從事毫米波、亞毫米波成像技術(shù), 雷達(dá)目標(biāo)與環(huán)境特性半實(shí)物仿真方向的研究。

1671-4598(2017)02-0137-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.02.038

TN98

A