CN104931797A - 基于透波机制的有耗媒质介电常数的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于透波机制的有耗媒质介电常数的测量方法，包含：S1、测量由发射天线空间直线传播至接收天线的时域电磁波响应信号；S2、在收发天线之间放置待测目标媒质，测量通过待测目标媒质直线传播至接收天线的时域电磁波响应信号；S3、将在放置待测目标媒质前后测量的时域信号变换到频域上，得到相位差和幅度比随频率的变化曲线；S4、仿真建模，计算出相位差和幅度比随媒质介电常数的变化曲线；S5、根据S3和S4对比得到待测目标媒质的相对介电常数。本发明利用时域窄脉冲信号在有耗媒质中传播时，相位差和幅度比与相对介电常数具有对应关系，结合仿真建模测量相对介电常数，有效提高测量精度，降低测量成本。

Description

基于透波机制的有耗媒质介电常数的测量方法

技术领域

本发明涉及时域电磁波信号在有耗媒质中的传播特性和数据处理技术，具体是指一种基于透波机制的有耗媒质介电常数的测量方法。

背景技术

现有技术中，对非金属材料相对介电常数的测量主要采用的是短路波导法或同轴线法。这类方法具有理论清晰、测试精度高、操作方便等特点。但是短路波导法和同轴线法要求对不同的频段预先制作专门的测试试片，所述的测试试片的宽度和高度又必须要与规定的测试频率所选用的波导内截面的尺寸相吻合，这给实际加工和测试带来了较大的困难。

比如，在短路波导法中测试试片的长度选为四分之一介质波导波长的奇数倍。显然，该方法在材料宽带介电常数测试时要制作很多的加工试片，浪费较多的材料和人工成本，测试效率较低。特别是针对低频段材料介电常数的测量需要很大的试片尺寸，这在一般设计中往往无法达到，造成在波导端口和同轴线在与试片的配合时存在较大的间隙，极大的影响了测试精度。

现阶段在军用目标材料的低频反隐身技术、民用雷达的低频段通信都有介质材料对低频段电磁波性能的常数特性需求，开展低频段有耗媒质相对介电常数的宽频段测量具有重要的军事需求和民用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于透波机制的有耗媒质介电常数的测量方法，利用时域窄脉冲信号在有耗媒质中传播时，其相位差和幅度比与媒质相对介电常数具有一一对应的关系，结合仿真建模测量得到有耗媒质的相对介电常数，有效提高测量精度，并降低测量成本。

为了达到上述目的，本发明所提供的基于透波机制的有耗媒质介电常数的测量方法，包含以下步骤：

S1、测量由发射天线空间直线传播至接收天线的时域电磁波响应信号；

S2、在发射天线和接收天线之间放置待测目标媒质，测量由发射天线通过待测目标媒质直线传播至接收天线的时域电磁波响应信号；

S3、将在放置待测目标媒质前后两次测量得到的时域电磁波响应信号变换到频域上，得到相位差和幅度比随频率的变化曲线；

S4、仿真建模，计算出因加入待测目标媒质而引起的相位差和幅度比随媒质介电常数的变化曲线；

S5、根据S3中经测量得到的相位差和幅度比随频率的变化曲线，以及S4中经仿真得到的相位差和幅度比随媒质介电常数的变化曲线，对比得到待测目标媒质的相对介电常数。

所述的S1中，具体包含以下步骤：将发射天线和接收天线架设在距离地面相同高度的空间位置上，测量由发射天线空间直线传播至接收天线的时域电磁波响应信号，并由实时示波器显示。

所述的S2中，具体包含以下步骤：将待测目标媒质放置在发射天线和接收天线之间的中点位置，且该待测目标媒质的中心点与发射天线、接收天线的中心点位于同一高度；测量由发射天线通过待测目标媒质传播至接收天线的时域电磁波响应信号，并由实时示波器显示。

所述的S3中，具体包含以下步骤：

S31、通过添加时间窗Γ函数对发射天线和接收天线之间空间直线传播的时域电磁波响应信号和通过待测目标媒质直线传播的时域电磁波响应信号进行去噪处理；

S32、对在放置待测目标媒质前后两次测量得到的去噪后的时域电磁波响应信号进行傅里叶变换，将时域电磁波信号变换到频域上，分别取对应频点上的幅度比和相位差，得到相位差和幅度比随频率的变化曲线。

所述的S31中，时间窗Γ函数为：

其中，τ为时域电磁波响应信号的时间宽度，t₀为时域电磁波响应信号第一个波形开始的时刻位置。

所述的时域电磁波响应信号的时间宽度τ需要满足：

$\frac{R}{c}+\mathrm{\&tau;}<\frac{2\sqrt{{R^2}_{oh}+{(R/2)}^2}}{c};$

其中，R表示发射天线和接收天线之间的距离，R_oh表示发射天线和接收天线的中心点距离地面的高度，c表示电磁波信号的传播速度。

所述的S4中，具体包含以下步骤：

S41、根据发射天线和接收天线的空间距离、位置关系、天线尺寸以及待测目标媒质的尺寸，进行仿真建模；

S42、选择指定的频率点，通过改变在该频率点上待测目标媒质材料块的相对介电常数，得到接收天线位置处的相位差随待测目标媒质相对介电常数实部的变化曲线；

S43、在相对介电常数实部固定的情况下，通过仿真得到接收天线位置处的幅度比随相对介电常数的虚部的变化曲线。

所述的S5中，具体包含以下步骤：

S51、根据S3中经测量得到的相位差随频率的变化曲线，以及S42中经仿真得到的相位差随媒质介电常数实部的变化曲线，对比得到待测目标媒质的相对介电常数的实部数据；

S52、根据S3中经测量得到的幅度比随频率的变化曲线，以及S43中经仿真得到的幅度比随媒质介电常数虚部的变化曲线，在待测目标媒质材料块的相对介电常数实部确定的情况下，对比得到待测目标媒质的相对介电常数的虚部数据；

S53、结合S51中得到的待测目标媒质的相对介电常数的实部数据，以及S52中得到的待测目标媒质的相对介电常数的虚部数据，从而得到待测目标媒质的相对介电常数。

与现有技术相比，本发明提供的基于透波机制的有耗媒质介电常数的测量方法，具有以下优点和有益效果：(1)无需加工专门的测量试片，可直接对大尺寸媒质材料展开测量，测量设备易携带、数据方便处理；(2)一次测量中可以获得宽频段的媒质材料的相对介电常数，测试效率高，特别是具有瞬态测试能力，对测试环境要求低，可极大的节省测量成本；(3)可实现低频段内媒质材料的相对介电常数的测量，通过边缘校正和建模手段，可极大的提高测量精度；(4)测量得到是材料整体电磁常数特性，不会因大尺寸材料的加工、混合等问题带来测试结果与真实结果的误差。

附图说明

图1为本发明中的基于透波机制的有耗媒质介电常数的测量方法的流程图；

图2为本发明中的时域超宽带介电常数的测量模型；

图3为本发明中的发射天线和接收天线之间空间直线传播的时域电磁波响应信号和地面一次反射的时域电磁波响应信号的对比图；

图4为本发明中的80MHz～380MHz的频域范围内的相位差和幅度比的数据曲线；

图5A和图5B分别为本发明中的在110MHz和330MHz这两个指定频率点上，通过仿真得到的接收天线位置处的相位差随待测目标媒质相对介电常数实部的变化曲线；

图6A和图6B分别为本发明中的在110MHz和330MHz这两个指定频率点上，通过仿真得到的接收天线位置处的幅度比随相对介电常数的虚部的变化曲线。

具体实施方式

以下结合附图，详细说明本发明的一个优选实施例。

如图1所示，为本发明提供的基于透波机制的有耗媒质介电常数的测量方法，其针对有耗媒质低频超宽带相对介电常数的需求开展大尺寸目标低频段测量，根据测量得到的时域信号，利用加时间窗去噪的方式同时结合精确建模仿真手段给出高精度的目标相对介电常数；本方法包含以下步骤：

S1、测量由发射天线空间直线传播至接收天线的时域电磁波响应信号；

S2、不改变任何环境，在发射天线和接收天线之间放置待测目标媒质，测量此时由发射天线通过待测目标媒质直线传播至接收天线的时域电磁波响应信号；

S3、将在放置待测目标媒质前后两次测量得到的时域电磁波响应信号变换到频域上，得到相位差和幅度比随频率的变化曲线；

S4、仿真建模，计算出因加入待测目标媒质而引起的相位差和幅度比随媒质介电常数的变化曲线；

S5、根据S3中经测量得到的相位差和幅度比随频率的变化曲线，以及S4中经仿真得到的相位差和幅度比随媒质介电常数的变化曲线，对比得到待测目标媒质的相对介电常数。

所述的S1中，具体包含以下步骤：将发射天线和接收天线架设在距离地面相同高度的空间位置上，在确定的空间位置、仪器常数、时域激励波形等固定形态下，测量由发射天线空间直线传播至接收天线的时域电磁波响应信号，并由实时示波器显示。在架设发射天线和接收天线时，可以通过采用泡沫支架的方式，或者采用提高架设位置的方式，来尽可能的降低地面发射信号的影响。

所述的S2中，具体包含以下步骤：如图2所示，将待测目标媒质放置在发射天线和接收天线之间的中点位置，且该待测目标媒质的中心点与发射天线、接收天线的中心点位于同一高度；测量由发射天线通过待测目标媒质传播至接收天线的时域电磁波响应信号，并由实时示波器显示。

所述的S3中，具体包含以下步骤：

S31、通过添加时间窗Γ函数对发射天线和接收天线之间空间直线传播的时域电磁波响应信号和通过待测目标媒质直线传播的时域电磁波响应信号进行去噪处理；如图3所示，为前后两次测量得到的时域电磁波响应信号的对比示意图，其中实线表示发射天线和接收天线之间的空间直线传播的时域电磁波响应信号，而虚线则表示在发射天线和接收天线之间放置了待测目标媒质之后，通过待测目标媒质直线传播的时域电磁波响应信号。

本实施例中，时间窗Γ函数的选择是为了选取时域电磁波响应信号直接通过有耗待测目标媒质的部分，一般而言，选取一个信号波形就足够了。此处，选取的时间窗Γ函数为：

其中，τ为时域电磁波响应信号的时间宽度，也表示时间窗Γ函数的宽度，t₀为时域电磁波响应信号第一个波形开始的时刻位置。

进一步，在发射天线和接收天线之间放置了待测目标媒质材料块之后，发射天线所发射的电磁波信号经过地面一次反射到达接收天线与通过待测目标媒质材料块直线到达接收天线的时间差为：其中，R表示发射天线和接收天线之间的距离，R_oh表示发射天线和接收天线的中心点距离地面的高度，c表示电磁波信号的传播速度。

本实施例中，发射天线和接收天线之间的距离设置为0.63m，发射天线和接收天线的中心点距离地面的高度设置为1.2m；并且，选用一个厚度为0.5m，长度和宽度均为1m的待测目标媒质材料块放置在发射天线和接收天线的中间位置进行测量。因此，发射天线所发射的时域电磁波响应信号经过地面一次反射到达接收天线与通过待测目标媒质材料块直线到达接收天线的时间差为： $\mathrm{\&Delta;}t=(2\&times;\sqrt{{1.2}^2+{0.315}^2}-0.63)/0.3=6.17\left(ns\right),$ 其中，0.3m/ns为电磁波信号的传播速度。

因此，对于时间宽度为τ的时域电磁波响应信号，如要区分发射天线和接收天线之间通过待测目标媒质材料块直线传播的时域电磁波响应信号和经地面一次反射的时域电磁波响应信号，则τ需要满足：

$\frac{R}{c}+\mathrm{\&tau;}<\frac{2\sqrt{{R^2}_{oh}+{(R/2)}^2}}{c}.$

S32、对在放置待测目标媒质前后两次测量得到的去噪后的时域电磁波响应信号进行傅里叶变换，将时域电磁波信号变换到频域上，此时得到的频域信号为复信号，分别取对应频点上的幅度比和相位差，得到相位差和幅度比随频率的变化曲线。如图4所示，显示出了80MHz～380MHz的频域范围内的相位差和幅度比的数据曲线；其中，实线表示相位差随频率的变化曲线，而虚线表示幅度比随频率的变化曲线。

本实施例中，以110MHz、330MHz的频率点为例，在这两个频率点测量得到的相位差和幅度比的值如下述表一所示。

频率	相位差	幅度比
			110MHz	0.2681	1.2910
330MHz	0.8716	0.9768

所述的S4中，具体包含以下步骤：

S41、根据发射天线和接收天线的空间位置关系，进行仿真建模；在仿真建模的过程中，应尽可能的保证仿真模型与真实测试环境中的空间距离、位置信息、天线尺寸、待测目标媒质尺寸的一致性，以降低仿真建模带来的误差影响；

S42、选择指定的频率点，通过改变在该频率点上待测目标媒质材料块的相对介电常数，得到接收天线位置处的相位差随待测目标媒质相对介电常数实部的变化曲线；如图5A和图5B所示，分别显示出了在110MHz和330MHz这两个指定频率点上，通过仿真得到的接收天线位置处的相位差随待测目标媒质相对介电常数实部的变化曲线；

S43、根据电磁场理论可知，待测目标媒质材料块的相对介电常数的虚部对能量的衰减起主导作用，也就是相对介电常数的虚部与待测目标媒质材料块引起的信号幅度比具有一一对应的关系；因此，在相对介电常数实部固定的情况下，通过仿真得到接收天线位置处的幅度比随相对介电常数的虚部的变化曲线；如图6A和图6B所示，分别显示出了在110MHz和330MHz这两个指定频率点上，通过仿真得到的接收天线位置处的幅度比随相对介电常数的虚部的变化曲线。

所述的S5中，具体包含以下步骤：

S51、根据S3中经测量得到的相位差随频率的变化曲线，以及S42中经仿真得到的相位差随媒质介电常数实部的变化曲线，对比得到待测目标媒质的相对介电常数的实部数据；

本实施例中，以110MHz、330MHz的频率点为例，在这两个频率点上经测量得到的相位差和经仿真得到的相对介电常数的实部如下述表二所示。

频率	测量相位差	仿真实部值
			110MHz	0.2681	1.66
330MHz	0.8716	1.57

S52、根据S3中经测量得到的幅度比随频率的变化曲线，以及S43中经仿真得到的幅度比随媒质介电常数虚部的变化曲线，在待测目标媒质材料块的相对介电常数实部确定的情况下，对比得到待测目标媒质的相对介电常数的虚部数据；

本实施例中，以110MHz、330MHz的频率点为例，在这两个频率点上经测量得到的幅度比和经仿真得到的相对介电常数的虚部如下述表三所示。

频率

测量幅度比

仿真虚部值

110MHz	1.2910	0.19
			330MHz	0.9768	0.06

S53、结合S51中得到的待测目标媒质的相对介电常数的实部数据，以及S52中得到的待测目标媒质的相对介电常数的虚部数据，从而得到待测目标媒质的相对介电常数。

考虑到在仿真建模、发射天线稳定性、以及时间窗Γ函数的选择上存在的误差，本测试方法可以将测量误差控制在3％以内，这是与实际待测目标媒质材料块的测量结果相对比而得到。该待测目标媒质材料块的最终测量结果如下述表四所示。下表中相对介电常数的实部误差略大于虚部误差，主要是由于在低频段实部对信号衰减也有一定的影响而造成的。

本发明提供的基于透波机制的有耗媒质介电常数的测量方法，针对有耗媒质在低频段超宽带的相对介电常数的需求，开展时域窄脉冲超宽带电磁波在有耗媒质中的透波特性研究；建立了大尺寸有耗媒质相对介电常数的时域测量模型。本发明利用时域窄脉冲信号在有耗媒质中传播时，信号的相位差和幅度比与媒质相对介电常数具有一一对应的关系，结合精确建模手段给出有耗媒质的相对介电常数信息。为保证测量精度，本发明主要选用时间窗函数去噪和仿真建模常数对比的方法，从而实现有耗媒质介电常数的测量方案。

与现有技术相比，本发明提供的基于透波机制的有耗媒质介电常数的测量方法，具有以下优点和有益效果：(1)无需加工专门的测量试片，可直接对大尺寸媒质材料展开测量，测量设备易携带、数据方便处理；(2)一次测量中可以获得宽频段的媒质材料的相对介电常数，测试效率高，特别是具有瞬态测试能力，对测试环境要求低，可极大的节省测量成本；(3)可实现低频段内媒质材料的相对介电常数的测量，通过边缘校正和建模手段，可极大的提高测量精度；(4)测量得到是材料整体电磁常数特性，不会因大尺寸材料的加工、混合等问题带来测试结果与真实结果的误差。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种基于透波机制的有耗媒质介电常数的测量方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1、测量由发射天线空间直线传播至接收天线的时域电磁波响应信号；

S2、在发射天线和接收天线之间放置待测目标媒质，测量由发射天线通过待测目标媒质直线传播至接收天线的时域电磁波响应信号；

S3、将在放置待测目标媒质前后两次测量得到的时域电磁波响应信号变换到频域上，得到相位差和幅度比随频率的变化曲线；

S4、仿真建模，计算出因加入待测目标媒质而引起的相位差和幅度比随媒质介电常数的变化曲线；

S5、根据S3中经测量得到的相位差和幅度比随频率的变化曲线，以及S4中经仿真得到的相位差和幅度比随媒质介电常数的变化曲线，对比得到待测目标媒质的相对介电常数。

2.如权利要求1所述的基于透波机制的有耗媒质介电常数的测量方法，其特征在于，所述的S1中，具体包含以下步骤：

将发射天线和接收天线架设在距离地面相同高度的空间位置上，测量由发射天线空间直线传播至接收天线的时域电磁波响应信号，并由实时示波器显示。

3.如权利要求2所述的基于透波机制的有耗媒质介电常数的测量方法，其特征在于，所述的S2中，具体包含以下步骤：

将待测目标媒质放置在发射天线和接收天线之间的中点位置，且该待测目标媒质的中心点与发射天线、接收天线的中心点位于同一高度；测量由发射天线通过待测目标媒质传播至接收天线的时域电磁波响应信号，并由实时示波器显示。

4.如权利要求3所述的基于透波机制的有耗媒质介电常数的测量方法，其特征在于，所述的S3中，具体包含以下步骤：

S31、通过添加时间窗Γ函数对发射天线和接收天线之间空间直线传播的时域电磁波响应信号和通过待测目标媒质直线传播的时域电磁波响应信号进行去噪处理；

S32、对在放置待测目标媒质前后两次测量得到的去噪后的时域电磁波响应信号进行傅里叶变换，将时域电磁波信号变换到频域上，分别取对应频点上的幅度比和相位差，得到相位差和幅度比随频率的变化曲线。

5.如权利要求4所述的基于透波机制的有耗媒质介电常数的测量方法，其特征在于，所述的S31中，时间窗Γ函数为：

其中，τ为时域电磁波响应信号的时间宽度，t₀为时域电磁波响应信号第一个波形开始的时刻位置。

6.如权利要求5所述的基于透波机制的有耗媒质介电常数的测量方法，其特征在于，所述的时域电磁波响应信号的时间宽度τ需要满足：

$\frac{R}{c}+\mathrm{\&tau;}<\frac{2\sqrt{{R^2}_{oh}+{(R/2)}^2}}{c};$

其中，R表示发射天线和接收天线之间的距离，R_oh表示发射天线和接收天线的中心点距离地面的高度，c表示电磁波信号的传播速度。

7.如权利要求6所述的基于透波机制的有耗媒质介电常数的测量方法，其特征在于，所述的S4中，具体包含以下步骤：

S41、根据发射天线和接收天线的空间距离、位置关系、天线尺寸以及待测目标媒质的尺寸，进行仿真建模；

S42、选择指定的频率点，通过改变在该频率点上待测目标媒质材料块的相对介电常数，得到接收天线位置处的相位差随待测目标媒质相对介电常数实部的变化曲线；

S43、在相对介电常数实部固定的情况下，通过仿真得到接收天线位置处的幅度比随相对介电常数的虚部的变化曲线。

8.如权利要求7所述的基于透波机制的有耗媒质介电常数的测量方法，其特征在于，所述的S5中，具体包含以下步骤：

S51、根据S3中经测量得到的相位差随频率的变化曲线，以及S42中经仿真得到的相位差随媒质介电常数实部的变化曲线，对比得到待测目标媒质的相对介电常数的实部数据；

S52、根据S3中经测量得到的幅度比随频率的变化曲线，以及S43中经仿真得到的幅度比随媒质介电常数虚部的变化曲线，在待测目标媒质材料块的相对介电常数实部确定的情况下，对比得到待测目标媒质的相对介电常数的虚部数据；

S53、结合S51中得到的待测目标媒质的相对介电常数的实部数据，以及S52中得到的待测目标媒质的相对介电常数的虚部数据，从而得到待测目标媒质的相对介电常数。