CN107643520B - 纤维材料的毫米波辐射特性室内测量装置与测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纤维材料的毫米波辐射特性的室内测量装置及测量方法，该装置包括包括屏蔽暗箱、金属板、待测材料夹具、待测材料、毫米波辐射计以及标准噪声源。测量时，毫米波辐射计天线分别对准吸波层、待测材料和标准噪声源进行观测，利用本发明公开的测量方法对观测数据进行处理得到材料的毫米波辐射特性。本发明测量装置无需要求在暗室中进行操作，也不受外界天气环境因素的影响，显著降低了对测量环境和测量设备的要求，具有成本低、操作简单、测量精度高的优点。

Description

纤维材料的毫米波辐射特性室内测量装置与测量方法

技术领域

本发明涉及材料毫米波辐射特性测量技术领域，特别涉及一种纤维材料的毫米波辐射特性室内测量装置与测量方法。

背景技术

全球范围内日益严峻的恐怖袭击形势使得人们对公共安全检测技术与手段的关注度持续增长。X射线成像仪由于其分辨率高、穿透性强已经被广泛应用于机场、火车站、港口等重要场所的行李安全检查，但对于人体隐匿违禁物品检测，X射线存在的电离辐射危害使其很难应用于人体安全检查。毫米波具有一定的穿透性，且只接收目标自身的辐射信号的毫米波被动成像系统安全性高，因此毫米波被动成像技术在人体隐匿违禁物品检测领域具有非常广阔的应用前景。

毫米波被动成像系统利用目标之间的辐射特性差异实现场景与人体成像，掌握衣物、陶瓷刀等一些常用材料的毫米波辐射特性对于成像系统及隐匿违禁物品检测算法设计具有非常重要的作用。此外，隐身材料在武器装备中有着广泛的应用，隐身材料的毫米波辐射特性对分析材料的隐身特性具有重要意义。

“纤维织物3mm波段辐射特性测量技术研究”(谢蓬丹，南京理工大学硕士论文，2016)介绍了一种用于测量纤维织物的毫米波辐射特性测量装置。该装置利用伺服控制器控制转台转动，使毫米波辐射计天线分别对吸波层、纤维织物和天空进行测量。尽管该装置具有无需暗室、成本较低、操作简单等有点，但其必须在室外工作，对天气条件具有较高要求，且存在室外操作不方便的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纤维材料的毫米波辐射特性室内测量装置。

实现本发明目的的技术方案为：纤维材料的毫米波辐射特性室内测量装置，包括屏蔽暗箱、金属板、待测材料夹具、待测材料、毫米波辐射计以及标准噪声源，其中：

所述屏蔽暗箱垂直固定在室内水平地面上，所述标准噪声源位于屏蔽暗箱顶面中心正上方；所述毫米波辐射计位于屏蔽暗箱的一侧，且毫米波辐射计的天线中心与屏蔽暗箱中心位于同一水平线上，所述屏蔽暗箱靠近毫米波辐射计的一侧打通，所述屏蔽暗箱的顶面为两扇关于屏蔽暗箱顶面宽度方向的中线对称屏蔽窗；所述金属板与待测材料夹具分别位于两扇屏蔽窗的下方且平行设置，金属板与待测材料夹具在屏蔽窗上的投影均未超过屏蔽窗，金属板、待测材料夹具与屏蔽暗箱底部的夹角均为45°，所述待测材料夹具位于屏蔽暗箱内部靠近毫米波辐射计的一侧；所述屏蔽暗箱及屏蔽窗内表面均涂有吸波材料；所述待测材料固定于待测材料夹具上。

本发明另外一个目的是提供一种纤维材料的毫米波辐射特性的室内测量方法。

实现本发明目的的技术方案为：纤维材料的毫米波辐射特性的室内测量方法，包括以下步骤：

步骤1、利用毫米波辐射计分别对标准噪声源、吸波层进行直接观测，得到对应的输出电压数据；

步骤2、将屏蔽暗箱上方的两个屏蔽窗同时关闭，建立此种情形下的总亮温的组成模型，利用毫米波辐射计对待测材料进行观测，得到对应的输出电压U_B1，并建立此时输出电压与总亮温的关系模型；

步骤3、打开屏蔽暗箱左上方的屏蔽窗，建立此种情形下的总亮温的组成模型，利用毫米波辐射计对待测材料进行观测，得到对应的输出电压U_B2，并建立此时输出电压与总亮温的关系模型；

步骤4、关闭屏蔽暗箱左上方的屏蔽窗，打开屏蔽暗箱右上方的屏蔽窗，建立此种情形下的总亮温的组成模型，利用毫米波辐射计对待测材料进行观测，得到对应的输出电压U_B3，并建立此时输出电压与总亮温的关系模型；

步骤5、同时打开屏蔽暗箱上方的两个屏蔽窗，建立此种情形下的总亮温的组成模型，利用毫米波辐射计对待测材料进行观测，得到对应的输出电压U_B4，并建立此时输出电压与总亮温的关系模型；

步骤6、根据步骤2～5的总亮温组成模型以及输出电压与总亮温的关系模型建立材料辐射特性与输出电压的关系，从而得到材料的辐射率、反射率及透射率。

本发明与现有技术相比，其显著效果为：1)本发明的测量装置和测量方法无须在电波暗室的室内环境中进行操作，显著降低了测量设备成本，同时不受天气因素对测试的影响，具有操作方便、工作效率高的优点；2)本发明的测量装置和测量方法不仅可实现材料的辐射特性测量，还可实现材料的反射、透射特性的测量；

附图说明

图1是本发明一种材料毫米波辐射特性的室内测量装置立体结构示意图。

图2是本发明一种材料毫米波辐射特性的室内测量装置主视图。

图3-a为屏蔽暗箱上方的两个屏蔽窗同时关闭时的材料毫米波辐射特性的测试模型；图3-b为屏蔽暗箱左上方屏蔽窗打开右上方屏蔽窗关闭时的材料毫米波辐射特性的测试模型；图3-c为屏蔽暗箱左上方屏蔽窗关闭右上方屏蔽窗打开时的材料毫米波辐射特性的测试模型；图3-d为屏蔽暗箱上方的两个屏蔽窗同时打开时的材料毫米波辐射特性的测试模型。

具体实施方式

当电磁波照射一种材料时，一部分电磁波被反射，一部分被吸收，另一部分被透射，根据能量守恒定理，入射功率W_i的平衡条件是：

W_i＝W_ρ+W_α+W_τ (1)

式中，W_ρ、W_α、W_τ分别表示反射功率、吸收功率和透射功率；将W_i归一化可得：

式中，

为反射率；

为吸收率；

为透射率。由基尔霍夫定律可知，物体的吸收率等于发射率，即α＝ε，因此在测量得到反射率、透射率的基础上可以由下式得到目标的发射率：

ε＝1-ρ-τ (3)

考虑到毫米波辐射计的输出电压与观测亮温呈线性关系，即：

U_A＝CT_A+β (4)

式中，U_A是辐射计输出电压，C是辐射计接收机定标系数，T_A是辐射计天线亮温。

结合图1，一种纤维材料的毫米波辐射特性室内测量装置，包括屏蔽暗箱1、金属板3、待测材料夹具4、待测材料8、毫米波辐射计6以及标准噪声源7，其中：

屏蔽暗箱1垂直固定在室内水平地面上，标准噪声源7位于屏蔽暗箱1顶面中心正上方；毫米波辐射计6位于屏蔽暗箱1的一侧，且毫米波辐射计6的天线中心与屏蔽暗箱1中心位于同一水平线上，屏蔽暗箱1靠近毫米波辐射计6的一侧打通，屏蔽暗箱1的顶面为两扇关于屏蔽暗箱1顶面宽度方向的中线对称屏蔽窗2；金属板3与待测材料夹具4分别位于两扇屏蔽窗2的下方且平行设置，金属板3与待测材料夹具4在屏蔽窗2上的投影均未超过屏蔽窗2，金属板3、待测材料夹具4与屏蔽暗箱1底部的夹角均为45°，待测材料夹具4位于屏蔽暗箱1内部靠近毫米波辐射计6的一侧；屏蔽暗箱1及屏蔽窗2内表面均涂有吸波材料5；待测材料8固定于待测材料夹具4上。

进一步的实施例中，吸波材料5为尖劈型吸波材料，且尖劈指向屏蔽暗箱1的内部。

进一步的实施例中，毫米波辐射计6到待测材料夹具4中心的水平距离为[30cm，35cm]。

进一步的实施例中，金属板3的一边固定在屏蔽暗箱1远离毫米波辐射计6一侧的顶面宽边处，对边固定在屏蔽暗箱1的底面中线处，待测材料夹具4的一边固定在屏蔽暗箱1顶面宽边方向的中心线，对边固定在屏蔽暗箱1靠近毫米波辐射计6一侧的底面宽边处。

一种纤维材料的毫米波辐射特性的室内测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、利用毫米波辐射计分别对标准噪声源、吸波层进行直接观测，得到对应的输出电压数据；

步骤2、将屏蔽暗箱上方的两个屏蔽窗同时关闭，建立此种情形下的总亮温的组成模型，利用毫米波辐射计对待测材料进行观测，得到对应的输出电压U_B1，并建立此时输出电压与总亮温的关系模型，其中，建立的总亮温T_B1的组成模型为：

T_B1＝αT₀+ρT_abs+τT_abs

式中，τ为待测材料透射率，ρ为待测材料反射率，α为待测材料辐射率，T₀为待测材料自身亮温，T_s为标准噪声源，T_abs为吸波层的亮温，此时，毫米波辐射计测得的输出电压U_B1与亮温的关系模型为：

U_B1＝CT_B1+β。

步骤3、打开屏蔽暗箱左上方的屏蔽窗，建立此种情形下的总亮温的组成模型，利用毫米波辐射计对待测材料进行观测，得到对应的输出电压U_B2，并建立此时输出电压与总亮温的关系模型，其中，建立的总亮温的组成模型为：

T_B2＝αT₀+ρT_abs+τT_s

此时，毫米波辐射计测得的输出电压U_B2与总亮温的关系模型为：

U_B2＝CT_B2+β

步骤4、关闭屏蔽暗箱左上方的屏蔽窗，打开屏蔽暗箱右上方的屏蔽窗，建立此种情形下的总亮温的组成模型，利用毫米波辐射计对待测材料进行观测，得到对应的输出电压U_B3，并建立此时输出电压与总亮温的关系模型，其中，建立的总亮温的组成模型为：

T_B3＝αT₀+ρT_s+τT_abs

此时，毫米波辐射计测得的输出电压U_B3与总亮温的关系模型为：

U_B3＝CT_B3+β。

步骤5、同时打开屏蔽暗箱上方的两个屏蔽窗，建立此种情形下的总亮温的组成模型，利用毫米波辐射计对待测材料进行观测，得到对应的输出电压U_B4，并建立此时输出电压与总亮温的关系模型，其中，建立的总亮温的组成模型为：

T_B4＝αT₀+ρT_s+τT_s

此时，毫米波辐射计测得的输出电压U_B4与总亮温的关系模型为：

U_B4＝CT_B4+β。

步骤6、根据步骤2～5的总亮温组成模型以及输出电压与总亮温的关系模型建立材料辐射特性与输出电压的关系，结合能量守恒定理，从而得到材料的辐射率、反射率及透射率。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本实施例的毫米波辐射计的天线为卡塞格伦天线，口径为130mm，主波束宽度为3.9°，增益为30dB，工作频率为31～38GHz；毫米波辐射计系统中心频率为34.5GHz，系统带宽为2GHz，积分时间为0.1s，灵敏度为0.3K；屏蔽暗箱的高度约为80cm，长为160cm，宽为80cm，内表面粘贴尖劈状的吸波层。

结合图1布置实验装置，利用毫米波辐射计分别对标准噪声源、吸波层以及图2的四种情况进行检测得到对应的输出电压，将该电压分别带入步骤6-2中的公式中，得到待测材料的反射率为0.45、透射率为0.39、辐射率为0.16。

本发明的一种材料毫米波辐射特性的室内测量装置及测量方法无须在电波暗室的室内环境中进行操作，显著降低了测量设备成本，同时不受天气因素对测试的影响，具有操作方便、工作效率高的优点；并且本发明的测量装置和测量方法不仅可实现材料的辐射特性的测量，还可实现材料的反射、透射特性的测量。

Claims (9)

1.一种纤维材料的毫米波辐射特性室内测量装置，其特征在于，包括屏蔽暗箱(1)、金属板(3)、待测材料夹具(4)、待测材料(8)、毫米波辐射计(6)以及标准噪声源(7)，其中：

所述屏蔽暗箱(1)垂直固定在室内水平地面上，所述标准噪声源(7)位于屏蔽暗箱(1)顶面中心正上方；所述毫米波辐射计(6)位于屏蔽暗箱(1)的一侧，且毫米波辐射计(6)的天线中心与屏蔽暗箱(1)中心位于同一水平线上，所述屏蔽暗箱(1)靠近毫米波辐射计(6)的一侧打通，所述屏蔽暗箱(1)的顶面为两扇关于屏蔽暗箱(1)顶面宽度方向的中线对称屏蔽窗(2)；所述金属板(3)与待测材料夹具(4)分别位于两扇屏蔽窗(2)的下方且平行设置，金属板(3)与待测材料夹具(4)在屏蔽窗(2)上的投影均未超过屏蔽窗(2)，金属板(3)、待测材料夹具(4)与屏蔽暗箱(1)底部的夹角均为45°，所述待测材料夹具(4)位于屏蔽暗箱(1)内部靠近毫米波辐射计(6)的一侧；所述屏蔽暗箱(1)及屏蔽窗(2)内表面均涂有吸波材料(5)；所述待测材料(8)固定于待测材料夹具(4)上。

2.根据权利要求1所述的纤维材料的毫米波辐射特性室内测量装置，其特征在于，所述吸波材料(5)为尖劈型吸波材料，且尖劈指向屏蔽暗箱(1)的内部。

3.根据权利要求1所述的纤维材料的毫米波辐射特性室内测量装置，其特征在于，所述毫米波辐射计(6)到待测材料夹具(4)中心的水平距离为[30cm，35cm]。

4.根据权利要求1所述的纤维材料的毫米波辐射特性室内测量装置，其特征在于，所述金属板(3)的一边固定在屏蔽暗箱(1)远离毫米波辐射计(6)一侧的顶面宽边处，对边固定在屏蔽暗箱(1)的底面中线处，所述待测材料夹具(4)的一边固定在屏蔽暗箱(1)顶面宽边方向的中心线，对边固定在屏蔽暗箱(1)靠近毫米波辐射计(6)一侧的底面宽边处。

5.一种基于权利要求1-4任一项所述的纤维材料的毫米波辐射特性室内测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、利用毫米波辐射计分别对标准噪声源、吸波层进行直接观测，得到对应的输出电压数据；

步骤2、将屏蔽暗箱上方的两个屏蔽窗同时关闭，建立此种情形下的总亮温的组成模型，利用毫米波辐射计对待测材料进行观测，得到对应的输出电压U_B1，并建立此时输出电压与总亮温的关系模型；

步骤3、打开屏蔽暗箱左上方的屏蔽窗，建立此种情形下的总亮温的组成模型，利用毫米波辐射计对待测材料进行观测，得到对应的输出电压U_B2，并建立此时输出电压与总亮温的关系模型；

步骤4、关闭屏蔽暗箱左上方的屏蔽窗，打开屏蔽暗箱右上方的屏蔽窗，建立此种情形下的总亮温的组成模型，利用毫米波辐射计对待测材料进行观测，得到对应的输出电压U_B3，并建立此时输出电压与总亮温的关系模型；

步骤5、同时打开屏蔽暗箱上方的两个屏蔽窗，建立此种情形下的总亮温的组成模型，利用毫米波辐射计对待测材料进行观测，得到对应的输出电压U_B4，并建立此时输出电压与总亮温的关系模型；

步骤6、根据步骤2～5的总亮温组成模型以及输出电压与总亮温的关系模型建立材料辐射特性与输出电压的关系，从而得到材料的辐射率、反射率及透射率。

6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，步骤2中屏蔽暗箱上方的两个屏蔽窗同时关闭时，建立的总亮温T_B1的组成模型为：

T_B1＝αT₀+ρT_abs+τT_abs

式中，τ为待测材料透射率，ρ为待测材料反射率，α为待测材料辐射率，T₀为待测材料自身亮温，T_abs为吸波层的亮温，此时，毫米波辐射计测得的输出电压U_B1与亮温的关系模型为：

U_B1＝CT_B1+β

C是辐射计接收机定标系数。

7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，步骤3中，打开屏蔽暗箱左上方的屏蔽窗时，建立的总亮温的组成模型为：

T_B2＝αT₀+ρT_abs+τT_s

此时，毫米波辐射计测得的输出电压U_B2与总亮温的关系模型为：

U_B2＝CT_B2+β

ρ为待测材料反射率，α为待测材料辐射率，T₀为待测材料自身亮温，T_abs为吸波层的亮温，T_s为标准噪声源，τ为透射率，C是辐射计接收机定标系数。

8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，步骤4中只打开屏蔽暗箱右上方的屏蔽窗时，建立的总亮温的组成模型为：

T_B3＝αT₀+ρT_s+τT_abs

此时，毫米波辐射计测得的输出电压U_B3与总亮温的关系模型为：

U_B3＝CT_B3+β

式中，ρ为待测材料反射率，α为待测材料辐射率，T₀为待测材料自身亮温，T_abs为吸波层的亮温，T_s为标准噪声源，τ为透射率，C是辐射计接收机定标系数。

9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，步骤5中同时打开屏蔽暗箱上方的屏蔽窗时，建立的总亮温的组成模型为：

T_B4＝αT₀+ρT_s+τT_s

此时，毫米波辐射计测得的输出电压U_B4与总亮温的关系模型为：

U_B4＝CT_B4+β

式中，ρ为待测材料反射率，α为待测材料辐射率，T₀为待测材料自身亮温，T_abs为吸波层的亮温，T_s为标准噪声源，τ为透射率，C是辐射计接收机定标系数。

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