RU2715350C1 - Calibration-free radiometric method of measuring complex dielectric permeability from separation surface reflection in an anechoic chamber - Google Patents
Calibration-free radiometric method of measuring complex dielectric permeability from separation surface reflection in an anechoic chamber Download PDFInfo
- Publication number
- RU2715350C1 RU2715350C1 RU2019116823A RU2019116823A RU2715350C1 RU 2715350 C1 RU2715350 C1 RU 2715350C1 RU 2019116823 A RU2019116823 A RU 2019116823A RU 2019116823 A RU2019116823 A RU 2019116823A RU 2715350 C1 RU2715350 C1 RU 2715350C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiometer
- substance
- incidence
- measured
- measuring
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
- G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
- G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radiation Pyrometers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к методам измерения диэлектрических свойств жидкостей или твердых поверхностей.The invention relates to methods for measuring the dielectric properties of liquids or solid surfaces.
Известны методы измерения комплексной диэлектрической проницаемости ε в микроволновом диапазоне длин волн путем размещения измеряемого образца внутрь волновода [1]. Однако при этом могут изменяться свойства материала.Known methods for measuring the complex permittivity ε in the microwave wavelength range by placing the measured sample inside the waveguide [1]. However, this may change the properties of the material.
Наиболее близким аналогом является измерение комплексной диэлектрической проницаемости е в свободном пространстве по величине излучения прошедшего через тонкий образец и величине отраженного сигнала. При этом используются формулы Френеля [2]. Недостатком способа является необходимость приготовления образца и изменение его свойств в процессе изготовления.The closest analogue is the measurement of the complex permittivity e in free space by the magnitude of the radiation transmitted through a thin sample and the magnitude of the reflected signal. In this case, Fresnel formulas are used [2]. The disadvantage of this method is the need for sample preparation and changing its properties during the manufacturing process.
Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений за счет использования безэховой камеры и бескалибровочных радиометрических измерений.The technical result of the invention is to increase the accuracy of measurements through the use of an anechoic chamber and calibration-free radiometric measurements.
Для достижения технического результата проводится измерение комплексной диэлектрической проницаемости ε вещества путем измерения коэффициентов отражения R на заданных поляризациях излучения при двух или более углах падения на поверхность вещества и вычисления ε по формулам Френеля, при этом измерения проводят в безэховой камере при температуре Т0 равной температуре измеряемого вещества TS, измеряют сигнал радиометра U0 при ориентации его оси диаграммы направленности на стены безэховой камеры, измеряют сигнал радиометра Uпр при ориентации его оси диаграммы направленности прямо по оси диаграммы направленности излучателя, (имеющего яркостную температуру большую, чем Т0,) измеряют сигнал радиометра Uотр, после отражения излучения излучателя от поверхности вещества под заданным углом падения θ и при том же расстоянии от радиометра до мнимого изображения излучателя, как при измерении Uпр, а коэффициент отражения Rр(θ) вычисляют без абсолютной калибровки радиометра по формуле:To achieve a technical result, the complex permittivity ε of a substance is measured by measuring the reflection coefficients R at given polarizations of radiation at two or more angles of incidence on the surface of the substance and calculating ε using Fresnel formulas, while measurements are carried out in an anechoic chamber at a temperature T 0 equal to the temperature of the measured substances T S , measure the signal of the radiometer U 0 when orienting its axis of the radiation pattern to the walls of the anechoic chamber, measure the signal of the radiometer U pr when orient ntations of its axis of the radiation pattern directly along the axis of the radiation pattern of the emitter (having a brightness temperature greater than T 0 ) measure the signal of the radiometer U OTP , after the radiation of the emitter is reflected from the surface of the substance at a given angle of incidence θ and at the same distance from the radiometer to the imaginary image of the emitter, as when measuring U CR , and the reflection coefficient R p (θ) is calculated without absolute calibration of the radiometer according to the formula:
Второй вариант отличается тем, что один из коэффициентов отражения измеряют на поляризации перпендикулярной плоскости падения при любом угле падения или на поляризации, лежащей в плоскости падения в диапазоне углов падения меньших 45°, и один из коэффициентов отражения измеряют на поляризации, лежащей в плоскости падения при угле Брюстера или вблизи угла Брюстера.The second option is characterized in that one of the reflection coefficients is measured on the polarization of the perpendicular plane of incidence at any angle of incidence or on a polarization lying in the plane of incidence in the range of incidence angles less than 45 °, and one of the reflection coefficients is measured on the polarization lying in the plane of incidence at corner of Brewster or near the corner of Brewster.
На фиг. 1 представлен первый режим измерений в безэховой (абсолютно черной) камере 1, термодинамическая температура которой равна Т0, а на оси радиометра 2 на расстоянии L располагается излучатель 3, средняя яркостная температура которого на срезе рупора излучателя равна Тизл>Т0, а сам рупор перекрывает телесный угол ΔΩизл.In FIG. 1 shows the first measurement mode in an anechoic (completely black)
На фиг. 2 происходит зеркальное отражение излучения Tизл от поверхности раздела под углом θ. При этом расстояние от радиометра 2 до мнимого изображения среза излучателя 3' остается равным L.In FIG. 2, a mirror reflection of the radiation T rad from the interface occurs at an angle θ. In this case, the distance from the
На фиг. 3 представлены зависимости коэффициентов отражения от угла падения θ рассчитанные по формулам Френеля для гладкой поверхности измеряемого вещества и игольчатой диаграммы направленности. Rh(θ) рассчитана для поляризации перпендикулярной плоскости падения, a Rv(θ) рассчитана для поляризации параллельной плоскости падения при условии Rv(θ=0)=Rh(θ=0)=0,541. На каждом графике кривые различаются значениями угла диэлектрических потерь ϕ, который изменяются от 0 до 80 градусов с шагом в 10 градусов.In FIG. Figure 3 shows the dependences of the reflection coefficients on the angle of incidence θ calculated by the Fresnel formulas for the smooth surface of the measured substance and the needle radiation pattern. R h (θ) is calculated for polarization perpendicular to the plane of incidence, and R v (θ) is calculated for polarization parallel to the plane of incidence provided R v (θ = 0) = R h (θ = 0) = 0.541. On each graph, the curves differ in values of the dielectric loss angle ϕ, which vary from 0 to 80 degrees in increments of 10 degrees.
Если радиометр находится в безэховой камере, термодинамическая температура которой равна Т0, то при ориентации его оси диаграммы направленности на стены безэховой камеры радиометр будет измерять антенную температуру, равную температуре камеры: Та,0=Т0.If the radiometer is located in an anechoic chamber whose thermodynamic temperature is equal to T 0 , then when its directional axis is oriented to the walls of the anechoic chamber, the radiometer will measure the antenna temperature equal to the chamber temperature: T a, 0 = T 0 .
При первом режиме измерений на оси диаграммы направленности радиометра на расстоянии L располагают излучатель с яркостной температурой Тизл>Т0, ось которого направлена прямо навстречу радиометру. При этом на фоне сигнала от абсолютно черной комнаты появится срез антенны излучателя с яркостной температурой Тизл, который перекрывает телесный угол ΔΩизл, фиг. 1. При этом измеряемая радиометром антенная температура изменится:In the first measurement mode, an emitter with a brightness temperature T rad > T 0 , the axis of which is directed directly towards the radiometer, is located at a distance L on the axis of the radiometer radiation pattern. In this case, against the background of the signal from a completely black room, a cut-off of the emitter’s antenna will appear with brightness temperature T rad , which covers the solid angle ΔΩ rad , fig. 1. At the same time, the antenna temperature measured by the radiometer will change:
где Та,пр - антенная температура, измеряемая радиометром при прямом освещении излучателем, фиг. 1; G(0,0) - значение нормированной диаграммы направленности антенной системы радиометра в направлении его оси. При этом интеграл по диаграмме направленности антенной системы по всем телесным углам dΩ=dαdβ равен единице.where T a, pr is the antenna temperature measured by a radiometer in direct illumination by a radiator, FIG. 1; G (0,0) - the value of the normalized radiation pattern of the antenna system of the radiometer in the direction of its axis. Moreover, the integral over the directivity diagram of the antenna system over all solid angles dΩ = dαdβ is equal to unity.
При втором режиме измерений, рис. 2, ось излучателя направлена на гладкую поверхность исследуемого вещества под углом падения θ. При такой геометрии измерений удобно изобразить мнимое изображение излучателя в положении 3', которое эквивалентно рисунку 1 за исключением того факта, что на пути лучей имеется отражающая поверхность раздела. При этом термодинамическая температура исследуемого вещества TS=T0, а эффективное расстояние L от радиометра до мнимого изображения излучателя должно быть таким же, как в первом режиме измерений. При этом измеряемая радиометром антенная температура составит величину:In the second measurement mode, Fig. 2, the axis of the emitter is directed to the smooth surface of the test substance at an angle of incidence θ. With such a geometry of measurements, it is convenient to depict an imaginary image of the emitter in position 3 ', which is equivalent to Figure 1 except for the fact that there is a reflecting interface on the path of the rays. In this case, the thermodynamic temperature of the test substance T S = T 0 , and the effective distance L from the radiometer to the imaginary image of the emitter should be the same as in the first measurement mode. In this case, the antenna temperature measured by the radiometer will be:
где Tа,отр - антенная температура, измеряемая радиометром при отражении излучения излучателя от поверхности раздела, фиг. 2. Из (1) и (3) для коэффициента отражения получим:where T a, neg is the antenna temperature measured by a radiometer when the radiation of the emitter is reflected from the interface, FIG. 2. From (1) and (3) for the reflection coefficient we obtain:
Учитывая линейную связь сигналов радиометра U и антенной температуры Та, измеряемой радиометром:Given the linear relationship of the signals of the radiometer U and the antenna temperature T a measured by the radiometer:
U0=А+В⋅Та,0, Uпр=А+В⋅Та,пр, Uотр=А+В⋅Та,отр U 0 = A + B⋅T a, 0 , U pr = A + B⋅T a, pr , U neg = A + В⋅T a, neg
Получим выражение для коэффициента отражения:We get the expression for the reflection coefficient:
В предложенном способе не требуется абсолютная калибровка радиометра и получение калибровочных коэффициентов А и В, что улучшает точность измерений.The proposed method does not require absolute calibration of the radiometer and obtaining calibration coefficients A and B, which improves the accuracy of the measurements.
Особенность коэффициентов отражения заключается в том, что наибольшая чувствительность коэффициентов отражения к углу диэлектрических потерь наблюдается для поляризации в плоскости падения в окрестности угла Брюстера, фиг. 3. По этой причине один из коэффициентов отражения следует измерять именно в окрестности угла Брюстера.A feature of the reflection coefficients is that the greatest sensitivity of the reflection coefficients to the dielectric loss angle is observed for polarization in the plane of incidence in the vicinity of the Brewster angle, FIG. 3. For this reason, one of the reflection coefficients should be measured precisely in the vicinity of the Brewster angle.
Примером использования способа может служить измерение диэлектрической проницаемости морской воды при температуре TS=25° в безэховой камере, имеющей такую же температуру T0=TS. Радиометр, работает на частоте 37ГГц и на вертикальной поляризации p=v. Первоначально ось диаграммы направленности радиометра направляют на стены безэховой камеры и регистрируют сигнал U0, пропорциональный антенной температуре, которая совпадает с температурой камеры Та,0=Т0.An example of the use of the method is the measurement of the dielectric constant of sea water at a temperature T S = 25 ° in an anechoic chamber having the same temperature T 0 = T S. A radiometer operating at a frequency of 37 GHz and at a vertical polarization p = v. Initially, the axis of the radiation pattern of the radiometer is sent to the walls of the anechoic chamber and a signal U 0 is recorded, which is proportional to the antenna temperature, which coincides with the chamber temperature Ta , 0 = T 0 .
Затем на оси диаграммы направленности радиометра на расстоянии L=3м устанавливают излучатель, имеющий яркостную температуру Tизл≥2Т0, излучение которого, как и радиометр, имеет вертикальную поляризацию p=v в плоскости падения. Измеряют сигнал радиометра Uпр, идущий прямо от излучателя к радиометру, фиг. 1.Then, on the directivity pattern of the radiometer axis at a distance L = 3m emitter set having a brightness temperature T 0 rad ≥2T whose radiation as radiometer has a vertical polarization p = v in the plane of incidence. The signal of the radiometer U pr going straight from the emitter to the radiometer is measured, FIG. 1.
На следующем шаге радиометр устанавливают над поверхностью измеряемого вещества - морской воды, которая налита в ванну в безэховой камере, на расстоянии L/2 от центра ванны. Ось радиометра ориентируют под углом падения θ1=30°, фиг. 2. Излучатель также устанавливают над поверхностью морской воды на расстоянии L/2 от центра ванны под тем же углом θ1=30°. Плоскости поляризации радиометра и излучателя вертикальны (находятся в плоскости падения). При такой геометрии измеряют сигнал радиометра Uотр(θ1). Коэффициент отражения Rv(θ1) вычисляют по формуле:In the next step, the radiometer is installed above the surface of the measured substance - sea water, which is poured into the bath in an anechoic chamber, at a distance L / 2 from the center of the bath. The axis of the radiometer is oriented at an incidence angle θ 1 = 30 °, FIG. 2. The emitter is also installed above the surface of sea water at a distance L / 2 from the center of the bath at the same angle θ 1 = 30 °. The polarization planes of the radiometer and emitter are vertical (located in the plane of incidence). With this geometry, the signal of the radiometer U otr (θ 1 ) is measured. The reflection coefficient R v (θ 1 ) is calculated by the formula:
Например, получаем значение Rv(θ1=30)=0.4902.For example, we obtain the value of R v (θ 1 = 30) = 0.4902.
Затем аналогично измеряют сигнал радиометра Uотр(θ2) при угле падения θ2=78°, который близок к углу Брюстера, и вычисляют второй коэффициент отражения Rv(θ2):Then, in a similar manner, the signal of the radiometer U od (θ 2 ) is measured at an angle of incidence θ 2 = 78 °, which is close to the Brewster angle, and the second reflection coefficient R v (θ 2 ) is calculated:
Например, получаем значение Rv(θ2=78)=0.0698.For example, we obtain the value of R v (θ 2 = 78) = 0.0698.
Две неизвестных величины - действительную и мнимую части диэлектрической проницаемости воды однозначно вычисляют по двум формулам Френеля для вертикальной поляризации:Two unknown quantities - the real and imaginary parts of the dielectric constant of water are uniquely calculated using two Fresnel formulas for vertical polarization:
Решение двух уравнений дает комплексную величину диэлектрической проницаемости морской воды ε=17,35+i⋅27,24 (для частоты 37 ГГц и температуры Т=25°).The solution of the two equations gives the complex value of the dielectric constant of seawater ε = 17.35 + i⋅27.24 (for a frequency of 37 GHz and a temperature of T = 25 °).
Изобретательский уровень предлагаемого изобретения подтверждается отличительной частью формулы изобретения.The inventive step of the invention is confirmed by the distinctive part of the claims.
ЛитератураLiterature
1. Еременко З.Е., Ганапольский Е.М. Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова НАН Украины ул. Ак. Проскуры, 12, Харьков, 61085, Украина. http://nauchebe.net/2013/01/svch-izmereniya-dielektricheskoj-pronicaemosti-silno-pogloshhayushhej-zhidkosti-v-malom-obeme/1. Eremenko Z.E., Ganapolsky E.M. Institute of Radiophysics and Electronics AND I. Usikov NAS of Ukraine st. Ak. Proskury, 12, Kharkov, 61085, Ukraine. http://nauchebe.net/2013/01/svch-izmereniya-dielektricheskoj-pronicaemosti-silno-pogloshhayushhej-zhidkosti-v-malom-obeme/
2. Завьялов А.С. Измерение диэлектрической проницаемости в свободном пространстве Методические указания. http://window.edu.ru/resource/663/46663/files/tsu004.pdf2. Zavyalov A.S. Measurement of dielectric constant in free space. Methodological instructions. http://window.edu.ru/resource/663/46663/files/tsu004.pdf
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019116823A RU2715350C1 (en) | 2019-05-30 | 2019-05-30 | Calibration-free radiometric method of measuring complex dielectric permeability from separation surface reflection in an anechoic chamber |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019116823A RU2715350C1 (en) | 2019-05-30 | 2019-05-30 | Calibration-free radiometric method of measuring complex dielectric permeability from separation surface reflection in an anechoic chamber |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2715350C1 true RU2715350C1 (en) | 2020-02-26 |
Family
ID=69631104
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019116823A RU2715350C1 (en) | 2019-05-30 | 2019-05-30 | Calibration-free radiometric method of measuring complex dielectric permeability from separation surface reflection in an anechoic chamber |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2715350C1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1524012A1 (en) * | 1987-12-23 | 1989-11-23 | Харьковский авиационный институт им.Н.Е.Жуковского | Method of measuring dielectric permittivity |
RU2655610C1 (en) * | 2017-02-15 | 2018-05-29 | Виктор Вячеславович Стерлядкин | Method for non-calibration radiometric measurement of effective emissivity of rough underlying surface |
RU2675670C1 (en) * | 2017-11-22 | 2018-12-21 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) | Radiometric measurement of coefficient of reflection in broadband frequency |
-
2019
- 2019-05-30 RU RU2019116823A patent/RU2715350C1/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1524012A1 (en) * | 1987-12-23 | 1989-11-23 | Харьковский авиационный институт им.Н.Е.Жуковского | Method of measuring dielectric permittivity |
RU2655610C1 (en) * | 2017-02-15 | 2018-05-29 | Виктор Вячеславович Стерлядкин | Method for non-calibration radiometric measurement of effective emissivity of rough underlying surface |
RU2675670C1 (en) * | 2017-11-22 | 2018-12-21 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) | Radiometric measurement of coefficient of reflection in broadband frequency |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
Enric Valencia I Domenech, Ocean Monitoring Using L-Band Microwave Radiometry and GNSS-R, Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions Universität Politecnica de Catalunya, June 15, 2012. * |
Enric Valencia I Domenech, Ocean Monitoring Using L-Band Microwave Radiometry and GNSS-R, Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions Universität Politecnica de Catalunya, June 15, 2012. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Gregson et al. | Advances in planar mathematical absorber reflection suppression | |
WO2020113671A1 (en) | System and method for detecting electromagnetic characteristic of object by using terahertz electromagnetic wave | |
Li et al. | Compact dielectric constant characterization of low-loss thin dielectric slabs with microwave reflection measurement | |
RU2665593C1 (en) | Material dielectric properties measuring method and device for its implementation | |
RU2715350C1 (en) | Calibration-free radiometric method of measuring complex dielectric permeability from separation surface reflection in an anechoic chamber | |
Schultz et al. | A comparison of material measurement accuracy of RF spot probes to a lens-based focused beam system | |
RU2408005C1 (en) | Method to determine dielectric permeability of dielectric object | |
RU2346266C1 (en) | Method for remote determination of coefficient of electromagnet wave reflection from boundary surface "air-horizontal surface of underlying medium" | |
Barowski et al. | Monostatic and thickness-independent material characterisation based on microwave ellipsometry | |
Shi et al. | A new permittivity measurement method for walls in indoor scenes | |
RU2079144C1 (en) | Device for measurement of complex reflection factor in quasi-optical sections | |
Zhao et al. | A Quasi-optical THz Imaging System Using a One-port Vector Network Analyser | |
CN109238971B (en) | Object surface refractive index imaging system for underwater television camera shooting | |
RU2563581C1 (en) | Remote determination of dielectric constant of dielectric object | |
Leone et al. | On the performances of two algorithms in phaseless antenna measurements | |
RU2453856C1 (en) | Device for determining dielectric capacity of material specimen under external effects | |
Hasar | Procedure for accurate and stable constitutive parameters extraction of materials at microwave frequencies | |
RU2790085C1 (en) | Method for remote measurement of complex dielectric permittivacy of plane layered dielectrics of natural origin | |
Takatori et al. | Permittivity imaging method by incorporating range points migration and ellipsometry for UWB short range radar | |
Furashov et al. | Study of the dielectric properties of water in the frequency range 75–120 GHz | |
Eccleston et al. | Deconvolution Enhanced Negative-Refractive-Index Lens Imaging System | |
Mizrakhy et al. | Investigation of polarization back-scattering characteristics of metal cube in sub-THz frequency range by the quasi-optical waveguide modeling method | |
SU1423966A2 (en) | Method of measuring reflectivity index of radio-absorbing material | |
RU2202779C2 (en) | Passive method for remote detection of actual dielectric constant portion of oil film spilled over water surface | |
Drobakhin et al. | Multifrequency radar images of electrodynamics objects located behind dielectric layer in millimeter wave range |