CN117517259A - 沙尘电磁散射系数测量系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了沙尘电磁散射系数测量系统，包括沙尘试验箱，沙尘实验箱两相对侧壁开设天线窗口，沙尘实验箱的天线窗口处连接发射喇叭天线、接收喇叭天线，发射喇叭天线通过射频线连接矢量网络分析仪输出端，接收喇叭天线连接矢量网络分析仪输入端，沙尘实验箱内连接加热系统；本发明测量系统具有结构简单，不受外部环境影响的特点。本发明还公开了沙尘电磁散射系数测量方法，控制风速和沙尘密度，测量结果不受其它因素的影响。相对于一般的内场实验方案，本发明将不同风速、不同密度的沙尘看做不同特性材料，测量其反射、透射和衰减系数，为研究沙尘电磁参数提供了一种可靠的实验方法。
Description
技术领域
本发明属于沙尘反射、透射、衰减系数测量技术领域，具体涉及沙尘电磁散射系数测量系统，还涉及沙尘电磁散射系数测量方法。
背景技术
目前，土地荒漠化的日趋严重导致沙尘天气的频繁出现，严重影响通信质量，影响识别系统对目标的辨认、追踪能力。我国政府采取了一系列的措施预防和应对沙尘暴的影响，加强对沙尘暴的预警能力，提前掌握沙尘暴的信息。未来，对沙尘暴的早期预警和提高沙尘环境目标识别能力依旧是众多学者研究的重点。
沙尘是由细小的固体颗粒组成，这些颗粒在大气中悬浮并传播，测量其电磁参数可以帮助了解沙尘的电导率、介电参数、反射和散射特性，从而更好的了解电磁波在沙尘中的传输特性，为科学研究和环境保护提供数据支持，提供沙尘的遥感识别和监测手段，精确了解其分布、扩散和变化情况，为灾害预警和防控提供及时的数据支持。
目前，对于沙尘电磁散射特性的实验主要分为内场和外场实验。在野外条件下进行沙尘电磁特性测量实验费时费力，并且受到天气条件的限制，操作上会更加困难和复杂，许多环境因素人为无法控制，例如，沙尘暴产生的风速和沙尘浓度无法控制。内场实验测量沙尘电磁特性一般测量散射参数即可，实验测量参数较少。测量的参数只是对一种沙尘模型有效。
发明内容
本发明的目的是提供沙尘电磁散射系数测量系统，具有结构简单，不受外部环境影响的特点。
本发明的另一目的是提供沙尘电磁散射系数测量方法，通过控制风速和沙尘密度测量沙尘反射、透射和衰减系数，为研究沙尘电磁参数提供了一种可靠的实验方法。
本发明所采用的第一个技术方案是，沙尘电磁散射系数测量系统，包括沙尘试验箱，沙尘实验箱两相对侧壁开设天线窗口，沙尘实验箱的天线窗口处连接发射喇叭天线、接收喇叭天线，发射喇叭天线通过射频线连接矢量网络分析仪输出端，接收喇叭天线连接矢量网络分析仪输入端，沙尘实验箱内连接加热系统。
本发明的特点还在于：
沙尘实验箱包括试验箱本体，试验箱本体上连接移动板，移动板将试验箱本体分为移动沙箱、粉尘模拟箱，移动板上开设出尘孔，移动沙箱与粉尘模拟箱通过出尘管连通，试验箱本体的粉尘模拟箱内连接粉尘浓度传感器，粉尘浓度传感器连接控制系统，试验箱本体的粉尘模拟箱部分开设两个喇叭天线窗口，试验箱本体底部还连接变频风机，变频风机连接控制系统。
本发明所采用的第二个技术方案是，沙尘电磁散射系数测量方法，使用沙尘电磁散射系数测量系统，具体按照以下步骤实施：通过加热系统预热沙尘实验箱，设置风速和沙尘浓度，模拟沙尘暴模型；将发射喇叭天线、接收喇叭天线安装在沙箱的同一天线窗口位置，通过矢量网络分析仪控制发射喇叭天线、接收喇叭天线发射与接收，计算待测沙尘电磁反射系数；将发射天线与接收天线分别安装在沙尘实验箱两个天线窗口位置上，通过矢量网络分析仪控制发射喇叭天线、接收喇叭天线发射与接收，计算沙尘电磁透射系数，并计算沙尘电磁衰减系数。
沙尘电磁散射系数测量方法，将发射喇叭天线、接收喇叭天线安装在沙箱的同一天线窗口位置时，发射喇叭天线与接收喇叭天线之间采用吸波材料隔开，形成单站雷达散射截面测量系统，且另一个窗口用玻璃封装。
计算待测沙尘电磁反射系数过程为：
推导反射系数的计算公式，设入射面为xoz面，根据麦克斯韦方程组可以得到：
将上述方程分为垂直极化波和平行极化波，对于垂直极化波，化简得：
在入射面上，有：
式(4)中将R定义为反射系数；
对于水平极化波，化简得：
在入射面上，有：
式(6)中，R为反射系数；
反射系数则表示为：
式(7)中，Pr为反射波功率，Pi为入射波功率；
测量已知反射系数的沙尘作为定标体，通过实验测量测得反射功率为P1，将待测沙尘换上，实验测得反射功率为P2，假设定标体的反射系数为R0；
根据实验测量所得的数据通过计算得待测沙尘的反射系数Rs为：
计算得待测沙尘的反射系数Rs后还包括：转动发射喇叭天线极化角度，测量水平极化和垂直极化方式下的待测沙尘反射系数。
计算沙尘电磁透射系数过程为：
推导透射系数的计算公式，设入射面为xoz面，在透射面上，对于垂直极化波：
式(9)将T定义为透射系数；
对于水平极化波：
式(10)中T为透射系数；
透射系数则表示为：
式(11)中，Pt为透射波功率，Pi为入射波功率；
测量已知透射系数的沙尘作为定标体，通过实验测量测得透射功率为P3，将待测沙尘换上，实验测得透射功率为P4，假设定标体的透射系数为T0；
根据实验测量所得的数据通过计算得待测沙尘的反射系数Ts为：
计算得待测沙尘的反射系数Ts后还包括：发射天线和接收天线改变收发的角度，测量水平极化和垂直极化两种情况下的透射系数。
计算沙尘电磁衰减系数过程为：
给出衰减系数的计算公式，根据麦克斯韦方程组得到波动方程为：
式(13)中，kc为波数，其中，α为衰减系数，β为相移系数，则透射波可以表示为：
E(r)＝Eie-αre-iβr (13)
功率衰减计算公式为：
式(15)中，PT为接收功率，PR为发射功率；
测量自然空间的衰减系数作为定标，假设自然空间中发射天线的发射功率为P0，接收天线的接收功率为P5，将待测沙尘加上后，假设接收天线的接收功率为P6，则衰减系数可表示为：
沙尘实验箱内不放置任何东西，测量并记录接收喇叭天线的接收功率为P1，加入待测沙尘模拟沙尘暴之后，测量并记录接收喇叭天线的接收功率为P2，利用实验测得的数据，根据式(16)计算得出待测沙尘的衰减系数。
还包括：保持发射喇叭天线、接收喇叭天线位置不变，分别测量添加已知电磁参数的沙尘样品前后的接收功率，进行沙尘的衰减系数的测量；改变风速和沙尘浓度得到不同沙尘模型，重新测量沙尘的反射系数、透射系数和衰减系数。
本发明有益效果是：
本发明沙尘电磁散射系数测量系统，具有结构简单，不受外部环境影响的特点。
本发明沙尘电磁散射系数测量方法中，控制风速和沙尘密度，测量结果不受其它因素的影响。相对于一般的内场实验方案，本发明将不同风速、不同密度的沙尘看做不同特性材料，测量其反射、透射和衰减系数，为研究沙尘电磁参数提供了一种可靠的实验方法。
附图说明
图1为本发明方法中便携式矢量网络分析仪的示意图；
图2为本发明方法中沙尘实验箱的整体示意图；
图3为本发明方法中测量沙尘电磁散射系数的流程图；
图4为本发明方法中垂直极化波的反射、透射示意图；
图5为本发明方法中水平极化波的反射、透射示意图。
图中，1.试验箱本体，2.移动板，3.出尘管，4.粉尘浓度传感器，5.控制系统，6.喇叭天线窗口，7.变频风机。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1
本发明沙尘电磁散射系数测量系统，包括沙尘试验箱，沙尘实验箱用于模拟沙尘环境，其中风速、沙尘浓度可调；沙尘实验箱两相对侧壁开设天线窗口，沙尘实验箱的天线窗口处连接发射喇叭天线、接收喇叭天线，沙尘实验箱内连接加热系统，在测不同沙尘电磁散射系数时，选择安装发射喇叭天线、接收喇叭天线在一个天线窗口或两个天线窗口。发射喇叭天线通过射频线连接矢量网络分析仪输出端，接收喇叭天线连接矢量网络分析仪输入端(矢量网络分析仪如图1所示)，通过矢量网络分析仪控制发射喇叭天线的发射信号，并接收接收喇叭天线的信号，分析沙尘电磁散射系数。
其中，沙尘试验箱结构如图2所示，包括试验箱本体1，试验箱本体1上连接移动板2，移动板2将试验箱本体1分为移动沙箱、粉尘模拟箱，移动板2上开设出尘孔，移动沙箱与粉尘模拟箱通过出尘管3连通，试验箱本体1的粉尘模拟箱内连接粉尘浓度传感器4，粉尘浓度传感器4连接控制系统5，试验箱本体1的粉尘模拟箱部分开设两个喇叭天线窗口6，试验箱本体1底部还连接变频风机7，变频风机7连接控制系统5，粉尘浓度传感器4用于检测粉尘浓度，并将粉尘浓度信号传输至控制系统，进而控制出尘孔向粉尘模拟箱中添加粉尘或者停止向粉尘模拟箱中添加粉尘。
矢量网络分析仪为安捷伦N9951A型。
在试验箱本体1的移动沙箱内装入粉尘，接通电源，在控制系统5上设置风速和沙尘浓度，模拟沙尘暴模型；将待测沙尘放置在上方的移动沙箱内，可根据粉尘浓度传感器4的数值，调整移动沙箱的孔径大小。
实施例2
本发明沙尘电磁散射系数测量方法，如图3所示，使用沙尘电磁散射系数测量系统，具体按照以下步骤实施：
步骤1、通过加热系统预热沙尘实验箱，设置风速和沙尘浓度，模拟沙尘暴模型；
步骤2、将发射喇叭天线、接收喇叭天线安装在沙箱的同一天线窗口位置，将发射喇叭天线、接收喇叭天线安装在沙箱的同一天线窗口位置时，发射喇叭天线与接收喇叭天线之间采用吸波材料隔开，形成单站雷达散射截面测量系统，且另一个窗口用玻璃封装。通过矢量网络分析仪控制发射喇叭天线、接收喇叭天线发射与接收，计算待测沙尘电磁反射系数；过程为：
推导反射系数的计算公式，设入射面为xoz面，根据麦克斯韦方程组可以得到：
垂直极化波的反射如图4所示，水平极化波的反射如图5所示，将上述方程分为垂直极化波和平行极化波，对于垂直极化波，化简得：
在入射面上，有：
式(4)中将R定义为反射系数；
对于水平极化波，化简得：
在入射面上，有：
式(6)中，R为反射系数；
反射系数则表示为：
式(7)中，Pr为反射波功率，Pi为入射波功率；
测量已知反射系数的沙尘作为定标体，通过实验测量测得反射功率为P1，将待测沙尘换上，实验测得反射功率为P2，假设定标体的反射系数为R0；
根据实验测量所得的数据通过计算得待测沙尘的反射系数Rs为：
计算得待测沙尘的反射系数Rs后还包括：转动发射喇叭天线极化角度，测量水平极化和垂直极化方式下的待测沙尘反射系数。
步骤3、将发射天线与接收天线分别安装在沙尘实验箱两个天线窗口位置上，通过矢量网络分析仪控制发射喇叭天线、接收喇叭天线发射与接收，计算沙尘电磁透射系数，计算沙尘电磁透射系数过程为：
垂直极化波的透射如图4所示，水平极化波的透射如图5所示，推导透射系数的计算公式，设入射面为xoz面，在透射面上，对于垂直极化波：
式(9)将T定义为透射系数；
对于水平极化波：
式(10)中T为透射系数；
透射系数则表示为：
式(11)中，Pt为透射波功率，Pi为入射波功率；
测量已知透射系数的沙尘作为定标体，通过实验测量测得透射功率为P3，将待测沙尘换上，实验测得透射功率为P4，假设定标体的透射系数为T0；
根据实验测量所得的数据通过计算得待测沙尘的反射系数Ts为：
计算得待测沙尘的反射系数Ts后还包括：发射天线和接收天线改变收发的角度，测量水平极化和垂直极化两种情况下的透射系数。
步骤4、计算沙尘电磁衰减系数。计算沙尘电磁衰减系数过程为：
给出衰减系数的计算公式，根据麦克斯韦方程组得到波动方程为：
式(13)中，kc为波数，其中，α为衰减系数，β为相移系数，则透射波可以表示为：
E(r)＝Eie-αre-iβr (27)
功率衰减计算公式为：
式(15)中，PT为接收功率，PR为发射功率；
测量自然空间的衰减系数作为定标，假设自然空间中发射天线的发射功率为P0，接收天线的接收功率为P5，将待测沙尘加上后，假设接收天线的接收功率为P6，则衰减系数可表示为：
沙尘实验箱内不放置任何东西，测量并记录接收喇叭天线的接收功率为P1，加入待测沙尘模拟沙尘暴之后，测量并记录接收喇叭天线的接收功率为P2，利用实验测得的数据，根据式(16)计算得出待测沙尘的衰减系数。
步骤5、保持发射喇叭天线、接收喇叭天线位置不变，分别测量添加已知电磁参数的沙尘样品前后的接收功率，进行沙尘的衰减系数的测量；改变风速和沙尘浓度得到不同沙尘模型，重新测量沙尘的反射系数、透射系数和衰减系数。
实施例3
采用实施例1中的测量系统，结合实施例2中的测量方法，并设置风速为3m/s，沙尘浓度为0.8g/cm3，测量已知发射系数的沙尘作为定标，其反射系数为0.25，通过实验测量得其反射功率为P1，替换待测沙尘，实验测量得反射功率为P2。实验测量的数据如表1所示：
表1
将上面多次测量所得的反射系数求取平均值，可得待测沙尘的反射系数为0.2125。
转动收发天线改变极化角度，测量HH极化和VV极化方式下的反射系数。
测量沙尘电磁透射系数的步骤如下：
固定发射天线和接收天线的位置并安装好天线，采用X频段天线(8GHz～12.5GHz)；
根据理论公式推导可得待测沙尘的透射系数Ts为：
首先设置风速为3m/s，沙尘浓度为0.8g/cm3，测量已知透射系数的沙尘作为定标，其透射系数为0.20，通过实验测量得其透射功率为P3，替换待测沙尘，实验测量得透射功率为P4。实验测量的数据如表2所示：
表2
| 实验序号 | 定标沙尘透射功率 | 待测沙尘透射功率 | 透射系数Ts |
| 1 | 0.25mW | 0.25mW | 0.20 |
| 2 | 0.36mW | 0.30mW | 0.18 |
| 3 | 0.31mW | 0.27mW | 0.19 |
| 4 | 0.28mW | 0.25.W | 0.19 |
将上面多次测量所得的反射系数求取平均值，可得待测沙尘的反射系数为0.19。
测量沙尘电磁衰减系数的步骤如下：
根据理论公式推导可得待测沙尘的衰减系数α为：
首先设置风速为3m/s，沙尘浓度为0.8g/cm3，测量自然空间的衰减系数作为定标，自然空间中接收天线的接收功率为P5，将待测沙尘加上后，接收天线的接收功率为P6。实验测量的数据如表3所示：
表3
| 实验序号 | 自然空间接收功率 | 待测沙尘接收功率 | 衰减系数α |
| 1 | 0.24mW | 0.14mW | 2.34 |
| 2 | 0.16mW | 0.09mW | 2.50 |
| 3 | 0.14mW | 0.07mW | 3.01 |
| 4 | 0.12mW | 0.07mW | 2.34 |
将上面多次测量所得的衰减系数求取平均值，可得待测沙尘的衰减系数为2.5475。
为了验证本发明方法的准确性，对实验测得反射系数和衰减系数数据与理论值进行对比，实验数据与理论值对比如表4所示：
表4
| 对比项 | 实验值 | 理论值 | 误差 |
| 反射系数 | 0.21 | 0.23 | 8.70％ |
| 衰减系数 | 2.55 | 2.62 | 1.92％ |
根据这个表格可以得出，沙尘反射系数和衰减系数测量误差不超过10％，可以证明本发明的方法具有一定的可靠性和准确性，可以用来测量其它材料的电磁传输特性。
通过上述方式，本发明沙尘电磁散射系数测量系统及测量方法，制作沙尘实验箱，利用变频风机和浓度传感器控制沙尘风速和浓度构建沙尘暴模型；测量反射系数已知的标准样品的数据进行定标，通过差值的方法计算出待测沙尘团的反射系数；测量透射系数已知的标准样品的数据进行定标，通过差值的方法计算出待测沙尘团的透射系数；测量自然空间的天线接收功率，对比添加待测沙尘团前后的接收功率，计算沙尘电磁的衰减系数；改变收发天线的角度测量HH极化和VV极化方式下的沙尘团电磁参数。本发明验证了实验数据的准确性，实验方法简单，可以将测量的参数应用到沙尘的其它电磁特性测量中。
Claims (10)
1.沙尘电磁散射系数测量系统，其特征在于，包括沙尘试验箱，所述沙尘实验箱两相对侧壁开设天线窗口，所述沙尘实验箱的天线窗口处连接发射喇叭天线、接收喇叭天线，所述发射喇叭天线通过射频线连接矢量网络分析仪输出端，所述接收喇叭天线连接矢量网络分析仪输入端，所述沙尘实验箱内连接加热系统。
2.根据权利要求1所述沙尘电磁散射系数测量系统，其特征在于，所述沙尘试验箱包括试验箱本体(1)，所述试验箱本体(1)上连接移动板(2)，所述移动板2将试验箱本体(1)分为移动沙箱、粉尘模拟箱，所述移动板(2)上开设出尘孔，所述移动沙箱与粉尘模拟箱通过出尘管(3)连通，所述试验箱本体(1)的粉尘模拟箱内连接粉尘浓度传感器(4)，所述粉尘浓度传感器(4)连接控制系统(5)，所述试验箱本体(1)的粉尘模拟箱部分开设两个喇叭天线窗口(6)，所述试验箱本体(1)底部还连接变频风机(7)，变频风机(7)连接控制系统(5)。
3.沙尘电磁散射系数测量方法，其特征在于，使用权利要求2所述沙尘电磁散射系数测量系统，具体按照以下步骤实施：通过加热系统预热沙尘实验箱，设置风速和沙尘浓度，模拟沙尘暴模型；将发射喇叭天线、接收喇叭天线安装在沙箱的同一天线窗口位置，通过矢量网络分析仪控制发射喇叭天线、接收喇叭天线发射与接收，计算待测沙尘电磁反射系数；将发射天线与接收天线分别安装在沙尘实验箱两个天线窗口位置上，通过矢量网络分析仪控制发射喇叭天线、接收喇叭天线发射与接收，计算沙尘电磁透射系数，并计算沙尘电磁衰减系数。
4.根据权利要求3所述沙尘电磁散射系数测量方法，其特征在于，将发射喇叭天线、接收喇叭天线安装在沙箱的同一天线窗口位置时，所述发射喇叭天线与接收喇叭天线之间采用吸波材料隔开，形成单站雷达散射截面测量系统，且另一个窗口用玻璃封装。
5.根据权利要求3所述沙尘电磁散射系数测量方法，其特征在于，所述计算待测沙尘电磁反射系数过程为：
推导反射系数的计算公式，设入射面为xoz面，根据麦克斯韦方程组可以得到：
将上述方程分为垂直极化波和平行极化波，对于垂直极化波，化简得：
在入射面上，有：
式(4)中将R定义为反射系数；
对于水平极化波，化简得：
在入射面上，有：
式(6)中，R为反射系数；
反射系数则表示为：
式(7)中，Pr为反射波功率，Pi为入射波功率；
测量已知反射系数的沙尘作为定标体，通过实验测量测得反射功率为P1，将待测沙尘换上，实验测得反射功率为P2，假设定标体的反射系数为R0；
根据实验测量所得的数据通过计算得待测沙尘的反射系数Rs为：
6.根据权利要求5所述沙尘电磁散射系数测量方法，其特征在于，所述计算得待测沙尘的反射系数Rs后还包括：转动发射喇叭天线极化角度，测量水平极化和垂直极化方式下的待测沙尘反射系数。
7.根据权利要求3所述沙尘电磁散射系数测量方法，其特征在于，所述计算沙尘电磁透射系数过程为：
推导透射系数的计算公式，设入射面为xoz面，在透射面上，对于垂直极化波：
式(9)将T定义为透射系数；
对于水平极化波：
式(10)中T为透射系数；
透射系数则表示为：
式(11)中，Pt为透射波功率，Pi为入射波功率；
测量已知透射系数的沙尘作为定标体，通过实验测量测得透射功率为P3，将待测沙尘换上，实验测得透射功率为P4，假设定标体的透射系数为T0；
根据实验测量所得的数据通过计算得待测沙尘的反射系数Ts为：
8.根据权利要求7所述沙尘电磁散射系数测量方法，其特征在于，所述计算得待测沙尘的反射系数Ts后还包括：发射天线和接收天线改变收发的角度，测量水平极化和垂直极化两种情况下的透射系数。
9.根据权利要求3所述沙尘电磁散射系数测量方法，其特征在于，所述计算沙尘电磁衰减系数过程为：
给出衰减系数的计算公式，根据麦克斯韦方程组得到波动方程为：
式(13)中，kc为波数，其中，α为衰减系数，β为相移系数，则透射波可以表示为：
E(r)＝Eie-αre-iβr (13)
功率衰减计算公式为：
式(15)中，PT为接收功率，PR为发射功率；
测量自然空间的衰减系数作为定标，假设自然空间中发射天线的发射功率为P0，接收天线的接收功率为P5，将待测沙尘加上后，假设接收天线的接收功率为P6，则衰减系数可表示为：
沙尘实验箱内不放置任何东西，测量并记录接收喇叭天线的接收功率为P1，加入待测沙尘模拟沙尘暴之后，测量并记录接收喇叭天线的接收功率为P2，利用实验测得的数据，根据式(16)计算得出待测沙尘的衰减系数。
10.根据权利要求3所述沙尘电磁散射系数测量方法，其特征在于，还包括：保持发射喇叭天线、接收喇叭天线位置不变，分别测量添加已知电磁参数的沙尘样品前后的接收功率，进行沙尘的衰减系数的测量；改变风速和沙尘浓度得到不同沙尘模型，重新测量沙尘的反射系数、透射系数和衰减系数。
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