基于微波辐射计的大尺寸材料有效微波介电常数反演方法

摘要

本发明公开了一种基于微波辐射计的大尺寸材料有效微波介电常数反演方法，通过实验测试对大尺寸固体材料样本进行反演得到大尺寸固体材料样本的有效微波介电常数，有利于建立大尺度固体材料的微波辐射遥感物理模型，从而提高微波遥感数据的解译和分析精度；实验测试部分所采用的微波辐射计，是目前卫星被动微波遥感的主要载荷形式，因此基于该方法探测并反演得到的固体材料样本有效微波介电常数具有很高的应用价值。本发明所构建的“环境‑测试样本‑黑体”观测系统A和“环境‑测试样本‑铝板”观测系统B，在微波辐射传输方面黑体材料和铝板材料均有严格且清晰的边界条件，由此反演所得大尺寸固体材料样本有效微波介电常数具有较高的可信度。

说明书

技术领域

本发明涉及固体材料介电测试技术领域，特别地，涉及一种基于微波辐射计的大尺寸材料有效微波介电常数反演方法。

背景技术

在采用被动微波遥感技术对地进行观测时，地物(包括岩石、混凝土、板结土等固体材料)微波介电性能是影响地物微波发射率，进而影响微波辐射亮温的重要因素；地物微波介电性能的差异，也是利用微波遥感数据识别地物类型的关键理论依据。因此，了解并测知地物微波介电性能是发展卫星被动微波遥感应用的重要基础。

地表固体材料微波介电常数的获取，目前通常是采用实验测试的方式，包括同轴探头法、传输线法、谐振腔法、空间波法等，但从测试条件、测试方法以及测试结果的应用性来讲，存在以下几个方面的不足：

1)同轴探头法、传输线法和谐振腔法一般用于测试小尺寸(几毫米至几厘米)且无显著结构特征的岩石样本的微波介电性能，而对于较大尺寸(分米或米级尺度)的材料样本，其可能具有显著结构特征，因此采用常规测试手段所获取的测试结果就具有一定的局限性，无法有效反映整个大尺寸试块的宏观介电性能。

2)采用空间波法虽然可以反映较大尺寸固体材料整体的微波介电性能，但空间波法实验测试平台的搭建十分复杂，测试环境要求极高，否则测试精度太低，因此该方法测试成本较高，采用空间波法测试岩石样本微波介电性需要多方面考虑技术、经济、效率等问题。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种能够较为简易、高效地获取大尺寸固体材料有效微波介电常数反演方法；该方法通过微波辐射计测试大尺寸固体材料的微波亮温值，基于构建的微波辐射传输模型，采用数值分析方法反演分析得到大尺寸固体材料的有效微波介电常数值。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于微波辐射计的大尺寸材料有效微波介电常数反演方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：构建“环境-测试样本-黑体”三层微波亮温观测系统A；观测系统A中，上层的环境为微波辐射计探测过程中的背景辐射，中间层的测试样本为待测材料，下层的黑体为微波吸波材料，所述测试样本直接放置于所述黑体之上；

步骤2：基于步骤1构建的观测系统A，在所述测试样本的上表面上紧贴设置与其上表面面积大小相等的纯铝板，采用所述微波辐射计在所述测试样本上方以垂直观测的方式探测所述环境的背景辐射亮温T

步骤3：去除步骤2中紧贴于所述测试样本的上表面上的所述纯铝板，采用步骤2中的微波辐射计观测形式，探测“环境-测试样本-黑体”三层微波亮温观测系统A的微波亮温值T

式1)中Γ

其中：

ε

式1)中L

式4)中λ

步骤4：保持步骤3中微波辐射计的观测方式、观测环境以及测试样本不变，用纯铝板替代黑体材料，从而构成“环境-测试样本-铝板”三层微波亮温观测系统B，所述纯铝板紧贴于所述测试样本的底面上；

步骤5：用T

式5)中Γ

步骤6：采用Optimset函数联合求解由式1)和式5)构成的方程组；在求解方程时，先求解测试样本的微波介电常数ε″

进一步的，所述微波辐射计用于对观测系统进行垂直观测，微波辐射计的喇叭天线口与测试样本的上表面之间的距离为3～8cm。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)、本发明基于微波辐射计的固体材料有效微波介电常数反演方法，针对大尺寸天然固体材料样本，通过实验测试的方式进行有效微波介电常数的反演；所反演得到的大尺寸固体材料的有效微波介电常数，有利于建立陆地表大尺度被动微波辐射物理模型，从而提高被动微波遥感数据的解译和分析精度；实验测试部分所采用的微波辐射计，是目前卫星被动微波遥感的主要载荷形式，因此基于该方法探测并反演得到的地表固体材料有效微波介电常数具有很高的应用价值。

(2)、本发明所构建的“环境-测试样本-黑体”观测系统A和“环境-测试样本-铝板”观测系统B，在微波辐射传输方面黑体材料和铝板材料均有严格且清晰的边界条件，由此反演所得大尺寸固体材料有效微波介电常数具有较高的可信度。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明中“环境-测试样本-黑体”三层微观亮温观测系统A的结构示意图；

图2是本发明中“环境-测试样本-铝板”三层微观亮温观测系统B的结构示意图；

图3是本发明一种基于微波辐射计的大尺寸材料有效微波介电常数反演方法的流程示意图；

其中，1-微波辐射计，2-环境，3-测试样本，4-黑体，5-纯铝板。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

请参见图1至图3，本实施例提供一种基于微波辐射计的大尺寸材料有效微波介电常数反演方法，具体包括以下步骤：

步骤1：在室外较为空旷的场地(如楼顶)构建如图1所示的实验观测系统，测试样本3选取天然砂岩为待测岩石样本，砂岩样本的尺寸优选为30cm×30cm×5cm，将砂岩样本放置于黑体4上，黑体为角锥形聚氨酯材料，由此构成的“环境-测试样本-黑体”三层微波亮温观测系统A，也即“环境-岩石-黑体”三层微波亮温观测系统。其中，微波辐射计1选择C波段微波辐射计，C波段微波辐射计的中心频率为6.6GHz、带宽为400MHz、灵敏度为0.1K，C波段微波辐射计对观测系统进行垂直观测，C波段微波辐射计的喇叭天线口与岩石上表面之间的距离为5cm。同时，采用多路温度探测仪测试岩石和黑体的实时物理温度，分别记为T

步骤2：在岩石的上表面上紧贴设置与岩石上表面面积等大小的纯铝板5，采用微波辐射计观测探测当前观测系统的背景辐射值T

步骤3：去除步骤2中岩石的上表面上的纯铝板5，从而获取“环境-岩石-黑体”三层的微波辐射亮温值，记为T

步骤4：保持微波辐射计的观测模式、观测环境不变，用纯铝板5替换“环境-岩石-黑体”中的黑体材料，从而构建形成如图2所示的“环境-测试样本-铝板”三层微波亮温观测系统B，也即“环境-岩石-铝板”微波辐射观测系统，观测并获取当前微波亮温值，记为T

步骤5：基于微波辐射传输理论，分别根据“环境-岩石-黑体”观测系统和“环境-岩石-铝板”观测系统的实验测试结果，建立微波亮温物理模型，并由此形成以下方程组：

由此可知，方程组中只有岩石微波介电常数ε″

步骤6：采用Optimset函数联合求解方程组；根据文献中对多种岩石材料微波介电常数的测试，方程中砂岩微波介电常数ε

步骤7：采用开口同轴谐振腔法对该砂岩实验的微波介电常数(6GHz)进行不同点位的多次测试，测得介电常数实部ε′

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。