法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2017-03-22
未缴年费专利权终止 IPC(主分类):G01N21/59 授权公告日:20150304 终止日期:20160128 申请日:20110128
专利权的终止
2015-03-04
授权
授权
2011-11-16
实质审查的生效 IPC(主分类):G01N21/59 申请日:20110128
实质审查的生效
2011-09-07
公开
公开
技术领域
本发明属于电磁辐射领域,具体涉及一种随机粗糙面透射特性的微扰计算方法。
背景技术
电波传播、通信、目标识别分类、环境系统检测、遥感、生物医学诊断、工程材料测试等众多学科的应用需要,推动了随机粗糙表面电磁辐射、散射和透射研究的深入发展.在解析法求解中,最重要的两种方法是基尔霍夫近似法和微扰法,而其它方法都与这两种基本方法或多或少相关。
微扰法的适用条件是,表面标准离差小于电磁波波长的5%左右,且表面平均斜度与波数和表面标准离差之积有同一数量级,即适用于小尺度粗糙度情况。在微波遥感的许多应用都会出现小尺度粗糙度,如海面的小尺度波浪(毛细重力波),较平坦的裸土表面,以及月球表面的局部区域等。研究表明在用微波辐射计垂直观测地物表面的辐射亮温时,这种小尺度粗糙度会对辐射亮温产生重要影响。
现有微扰法可考虑零阶、一阶和二阶的散射贡献,其中零阶解是将粗糙面视作平面时相干分量解,一阶解是最低阶的非相干分量解,而二阶解则是对相干分量的最低阶矫正项,对于保持算法的能量守恒,提高反射率、发射率的计算精度有着重要意义。现有微扰法研究多集中在粗糙面的散射研究中,而在透射方面的研究则非常欠缺,实际上,粗糙面的透射特性与散射特性一样有重要的研究价值,如在对土壤、月壤等地物的微波辐射遥感中,这些地物通常可视作表面粗糙的非等温的分层媒质,要计算这些地物的辐射亮度温度,必须掌握其粗糙表面的透射特性。现有文献仅有一阶微扰法的透射特性研究,但仅考虑零阶和一阶解将造成超过20%的误差,无法满足实际应用的需求。而对二阶微扰法,近来有国外学者基于瑞利假设,仅针对周期介质给出了二阶双站透射系数,但未推导出二阶透射率的解析公式。本发明针对随机粗糙面,基于惠更斯原理和消光定理,用微扰法推导出二阶透射场、二阶双站透射系数和二阶透射率,得到了完整的二阶透射特性并验证了二阶微扰法能量守恒情况及二阶双站透射系数。
发明内容
本发明是为解决现有随机粗糙面微扰法透射模型中忽略二阶项解这一不足之处,提供一种考虑二阶透射贡献的随机粗糙面二阶微扰法透射特性计算方法,以满足微波辐射遥感定量信息反演的精度要求。
二阶微扰法随机粗糙面透射特性计算方法,包含透射场、透射率和双向透射系数的计算步骤,具体为:
(1)所述粗糙面透射场表示为:
其中,
(2)所述透射率表示为:
其中是随机起伏高度的相关函数的Fourier变换,
(3)所述双向透射系数表示为:
在入射波h极化,透射波h极化情况下的双向透射系数为:
在入射波v极化,透射波h极化情况下,
在入射波h极化,透射波v极化情况下,
在入射波v极化,透射波v极化情况下,
其中a,b分别为v极化和h极化的两种情况,且表达镜向透射方向应以θt,φt的形式:其中时,θt才指向透射方向,Re()表示对括号中的数取实部;
入射波矢量
入射波矢量的水平分量为
kix=ksinθicosφi,kiy=ksinθisinφi,kiz=kcosθi,kρi=ksinθi,
入射波水平分量的模
散射波矢量
散射波水平分量
散射波水平分量的模
散射波垂直分量的模
透射波矢量
透射波矢量的水平分量为
透射波水平分量的模
透射波垂直分量的模
入射波的入射角θi和方位角透射波的透射角θt和方位角和分别代表原点和场点的位置矢量,
当入射场为TE极化时入射场为TM极化时
μo和μ1分别代表介质0和介质1的磁导率,
εo和ε1分别代表介质0和介质1的电导率,
w为角频率,
η1为介质1的波阻抗,
粗糙面的均方根高度h和相关长度l,
傅里叶变换
是TE波的菲涅尔透射系数,
是TM波的菲涅尔透射系数,
φ′k,k′ρ,k′z和k′1z是积分所需要的中间变量。
本发明相比现有技术具有如下优点:
针对随机粗糙面,现有的微扰法只给出了一阶透射场和一阶透射率的计算公式,一阶透射公式的适用范围是:但即便是在该范围内,计算出的透射率和反射率不符合能量守恒,将造成接近20%的误差,无法满足实际应用的需求。本发明利用微扰法,经过严格的理论推导给出了二阶透射场、二阶透射率和二阶双向透射系数的计算公式,并验证了一阶、二阶微扰法的能量守恒,结果表明二阶透射公式的适用范围比一阶的要宽,且在其适用范围内,计算出的透射率和反射率符合能量守恒,能满足实际应用的需求。
附图说明
图1是二维随机粗糙面示意图;
图2是在粗糙度在一阶适用范围内的能量守恒验证图,其中图2(a)是v极化,图2(a)是h极化。
图3是在粗糙度超出一阶适用范围的能量守恒验证图,其中图3(a)是v极化,图3(a)是h极化。
具体实施方式
首先计算二阶透射场,然后计算二阶透射率。
一、透射场求解
假设有一平面波:由介质0入射到随机粗糙面上进入介质1中,介质0的介电常数为ε0,介质1的介电常数ε1。其中入射波矢量入射波矢量的水平分量为对随机粗糙面建立三维直角坐标系,由z=f(x,y)随机函数描述此粗糙面,对函数取集平均得<f(x,y)>=0。(如图1)fmin和fmax分别代替粗糙面f(x,y)的最小和最大值。
利用惠更斯原理和消光原理知,介质0中的散射电场和磁场和介质1中透射电场和磁场满足:
S′表示对整个粗糙面进行积分,是指向介质0的面元单位法向量,表示指向介质1的单位法向量。和表示介质0和介质1中的格林函数。
根据电场与磁场切向分量连续的边界条件,可以令
由于可以推出:
则由(1b)和(2a)可推得:
其中散射波矢量
散射波矢量的水平分量为
其中透射波矢量
透射波矢量的水平分量为
水平分量的模
用(6)和(7)我们可以确定粗糙面的表面场,即解出两个未知量和一旦我们确定这个粗糙面的表面场,在介质0的散射场和在介质1的透射场就可以由(1a)和(2b)式确定出来。
由(1a)和(2b)可推知
下面利用微扰法来进一步推导计算,分解和如下:
这里代表第m阶的分量。
由泰勒级数展开可以得到:
在微扰法中,及其斜率参数都要求是小尺度参数,即假利用(5)和(19)可以得到如下关系:
把(19)和(20)式带入(5),(6)和(7)并保持相同阶数,可以计算出各阶表面场,将表面场代入(17),(18)式则可以得到各阶的散射和透射场。由于利用微扰法来研究二阶透射场的特性,所以以二阶为例来说明。
我们定义表面场的傅里叶变换:
以下和分别是对的傅里叶变换,在谱域,(23)结合(22)式可以得到:
由于推导的是二阶,所以泰勒展开也近似到二阶即:
再对f,f2进行傅里叶变换,
可以证明
将(23)和(24)及上述泰勒近似代入(6)(7)式可以得到:
同理可以得到近似到二阶的透射场为:
对(5)式进行傅里叶变换可以推出粗糙面的水平分量与z轴分量之间的关系:
也就是说m阶粗糙面的z轴分量可以由m-1阶粗糙面的水平分量计算得到。则(6)式可以写成:
化简(33)可以得到:
对(7)式用相同的化简方式可以得到
下面分阶求解(34)和(35)方程,并给出一阶和二阶透射场的推导过程。
1、零阶与一阶透射场求解
(1)零阶场
由(30)式可以推导出零介透射场为:
0阶透射解对应平面波入射到一个平面上的透射,(34)和(35)这两个消光定理的表达式近似到零阶可得:
由(36)和(37)可求出零介表面场和代入(36)式可推出零阶透射场的表达式:
其中Rh0是TE波的菲涅尔反射系数,Rv0是TM波的菲涅尔反射系数,
(2)一阶透射场的推导
由(30)式可以推导出一阶透射场为
由(34)和(35)这两个消光定理的表达式近似到一阶可得:
由(41)和(42)可以求解出一阶的表面场和再将和代入(40)可得出一阶透射场表达式:
当入射场为TE极化时入射场为TM极化时我们定义并由坐标关系推出:
同理:
φk,φi分别指透射方位角与入射方位角。
2、二阶透射场求解
由(30)式可以推导出二阶透射场为
由(34)和(35)式可以写出二阶的消光定理的表达式:
由(49),(50)两式可以求解出二阶的表面场和再将和代入(48),可推出出二阶透射场
二、双向透射系数与透射率
由以上0阶、一阶和二阶的公式可以推知精确至二阶的总的透射电场为:
再由公式η1为波阻抗,可以推知:
单位面积上入射波轴分量的功率分别为:
其中为入射波平均坡延亭矢量,是介质1中的透射波的平均坡延亭矢量。
其中是随机起伏高度的相关函数的Fourier变换。则
在应用中我们更多的关注双向透射系数,所以将透射率t(π-θi,φi)写成双向透射系数的形式:
其中a,b分别为v极化和h极化的两种情况,且表达镜向透射方向应以θt,φt的形式:其中θt才指向透射方向。
经过推导可知在入射波h极化,透射波h极化情况下的双向透射系数为:
同理,在入射波v极化,透射波h极化情况下,
在入射波h极化,透射波v极化情况下,
在入射波v极化,透射波v极化情况下,
其中
下面对本发明方案进行验证:
对于如图1所示的二维粗糙面,入射波从自由空间(介质0)入射到该粗糙面上,其中已知介质0的μ0=4π×10-7,同时需要设定参数为入射波的入射角θi和方位角下半部分介质的介电常数ε1,粗糙面的标准离差σ和相关长度l。
首先利用入射角θi和方位角计算出:kix=ksinθicosφi,kiy=ksinθisinφi,kiz=kcosθi,kρi=ksinθi,再利用公式(56)即可计算出透射率。公式(56)中各变量的含义和取值,详见相关公式。
微扰法计算的二阶散射场及二阶反射率已由前人推导得到,为验证本文所推导的二阶透射场及二阶透射率,在不同的参数设置下,按本文方法计算二阶透射率(发射率),按给出的公式计算二阶反射率,将反射率和透射率相加,若等于1则认为符合能量守恒,即本文二阶透射场及二阶透射率的推导结果是正确的。用于对比,还仿真了一阶微扰法透射率和反射率,及其能量守恒情况。
1、当表面粗糙度符合一阶微扰法的适用范围。
令介电常数ε=6,均方根高度h=0.0398λ,相关长度l=λ,频率f=37Ghz,其中λ为该频率下自由空间的波长。该参数设置满足一阶微扰法的适用范围。图2显示了透射率(二阶、一阶)、反射率(二阶、一阶),及透射率+反射率(二阶、一阶),随入射角变化而改变的情况。
图2(a)对应h极化情况,看出虽然表面粗糙度符合一阶微扰法的适用范围,但一阶微扰法并不符合能量守恒,在0度入射角时,误差为18%;而二阶微扰法在h极化时,对所有入射角,包括掠入射情况,都保持能量守恒;
图2(b)对应v极化情况,一阶微扰法在v极化,对所有入射角能量都不守恒。二阶微扰法在v极化,掠入射时能量不守恒,而在其他大部分入射角时是守恒的。
对于二阶微扰法,在掠入射时,只有h极化是符合能量守恒的,而v极化是不符合能量守恒。这一点与已有文献关于二阶微扰法的适用范围研究结论是一致的。
从这个例子看出,二阶微扰法的透射率计算精度较一阶微扰法的透射率计算精度有较大的提高。
在图3(a),3(b)中,介电常数为ε=6,均方根高度σ=0.07λ,相关长度l=0.15λ,频率f=37Ghz,λ为该频率下自由空间的波长。该表面粗糙度及相关参数已超出了一阶微扰法的适用范围。图2(a),2(b),3(a),3(b)中,r1,r2分别表示一阶和二阶发射率;t1,t2分别代表一阶和二阶的透射率。
2、当表面粗糙度一阶微扰法的适用范围。
图3(a)对应h极化情况,看出当表面粗糙度超出一阶微扰法的适用范围时,一阶微扰法能量不守恒的情况均较显著,尤其在0度时,误差已接近40%;;而二阶微扰法在h极化时,对所有入射角,包括掠入射情况,都保持能量守恒;
图3(b)对应v极化情况,一阶微扰法在v极化,对所有入射角能量都不守恒,误差多在40%左右。二阶微扰法在v极化,掠入射时能量不守恒,误差小于20%,而在其他大部分入射角时能量是守恒的。
从这个例子看出,二阶微扰法透射率计算公式较一阶而言,适用范围扩大了,精度提高了。
机译: 随机透射滤光片模块,用于随机透射滤光片模块的透射估计方法以及使用该光谱仪的光谱仪
机译: 光学透射特性控制器,光学显示装置,光学透射特性控制程序和光学显示控制程序以及光学透射特性控制方法和光学显示控制方法
机译: 透射波长特性可变光学元件,使用相同的波长特性可变装置,光学放大器,光学透射系统以及透射波长特性控制方法