RU2790085C1 - Method for remote measurement of complex dielectric permittivacy of plane layered dielectrics of natural origin - Google Patents

Method for remote measurement of complex dielectric permittivacy of plane layered dielectrics of natural origin Download PDF

Info

Publication number
RU2790085C1
RU2790085C1 RU2022127905A RU2022127905A RU2790085C1 RU 2790085 C1 RU2790085 C1 RU 2790085C1 RU 2022127905 A RU2022127905 A RU 2022127905A RU 2022127905 A RU2022127905 A RU 2022127905A RU 2790085 C1 RU2790085 C1 RU 2790085C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
angle
incidence
earth
interference
signal
Prior art date
Application number
RU2022127905A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Геннадий Иванович Линец
Анатолий Вячеславович Баженов
Сергей Владимирович Мельников
Наталья Владимировна Гривенная
Сергей Владимирович Малыгин
Владислав Дмитриевич Гончаров
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Кавказский федеральный университет"
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Кавказский федеральный университет" filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Кавказский федеральный университет"
Application granted granted Critical
Publication of RU2790085C1 publication Critical patent/RU2790085C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: measuring technology.
SUBSTANCE: invention is intended for remote measurement of the complex permittivity of planar-layered dielectrics of natural origin. The substance of the invention lies in the fact that transmitting and receiving radio modules are placed above the studied area of the earth's surface, the earth's surface is irradiated from the position of the transmitter with radio waves of a fixed frequency with vertical and horizontal polarization at different angles of incidence on the surface, the receiving position is moved to change the angle of incidence, interference is received a signal on horizontal and vertical polarization, oscillations of interference waves are recorded separately for a horizontally and vertically polarized signal, the Brewster pseudo-angle is determined by the appearance of a phase difference between vertically and horizontally polarized interference signals, and the complex permittivity of a surface area is calculated.
EFFECT: increasing the accuracy of measurements of the complex permittivity of a section of the earth's surface with diffuse and specular reflection of a probing radio signal.
1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области дистанционного измерения комплексной диэлектрической проницаемости участков земной поверхности, представляющих собой плоскослоистый диэлектрик естественного происхождения с потерями (грунты, почвы сельскохозяйственного назначения, снежный покров, лёд, травянистая растительность и т.д.), сезонная и суточная вариация значений характеристик которых существенно изменяется под воздействием различных факторов. The invention relates to the field of remote measurement of the complex dielectric constant of the earth's surface, which is a flat-layered dielectric of natural origin with losses (soils, agricultural soils, snow cover, ice, grassy vegetation, etc.), the seasonal and daily variation in the values of the characteristics of which is significantly changes under the influence of various factors.

Изобретение может быть использовано для определения физико-химических параметров, например, влажности и засоленности почвы, плоскослоистых диэлектриков естественного происхождения с потерями.The invention can be used to determine the physical and chemical parameters, such as moisture and salinity of the soil, flat-layered dielectrics of natural origin with losses.

Уровень техникиState of the art

Характеристика аналогов технического решенияCharacteristics of analogues of the technical solution

В настоящее время известны способы исследования диэлектрических свойств материала, в том числе с использованием для последующего расчета диэлектрический проницаемости известных формул Френеля. В ходе исследований специально обработанные образцы материала конечного размера испытываются в лабораторных условиях с помощью специальных установок, причем диэлектрические свойства образца частично известны и в ходе эксперимента остаются неизменными, а условия наблюдения соответствуют идеальному зеркальному отражению. Currently, methods are known for studying the dielectric properties of a material, including using the known Fresnel formulas for the subsequent calculation of the dielectric constant. In the course of research, specially processed samples of material of a finite size are tested in laboratory conditions using special installations, and the dielectric properties of the sample are partially known and remain unchanged during the experiment, and the observation conditions correspond to ideal mirror reflection.

Известен способ определения диэлектрической проницаемости материалов (Патент СССР 1550436, G01R 27/26, опубл. 15.03.1990), заключающийся в том, что плоскую поверхность исследуемого материала облучают электромагнитной СВЧ-волной переменной частоты, последовательно изменяют угол падения, регистрируют отраженное излучение и определяют угол Брюстера, исходя из величины которого вычисляют диэлектрическую проницаемость. Отраженное излучение одновременно регистрируют под двумя углами, один из которых больше, а другой меньше угла падения, а угол Брюстера определяют по наличию отраженного излучения равной интенсивности при двух углах приема, тем самым фиксируют формирующиеся после отражения от поверхности два пучка, распространяющихся под одинаковыми углами относительно угла Брюстера.A known method for determining the dielectric constant of materials (USSR Patent 1550436, G01R 27/26, publ. 03/15/1990), which consists in the fact that the flat surface of the material under study is irradiated with an electromagnetic microwave wave of variable frequency, the angle of incidence is successively changed, the reflected radiation is recorded and the the Brewster angle, from which the permittivity is calculated. The reflected radiation is simultaneously recorded at two angles, one of which is greater and the other less than the angle of incidence, and the Brewster angle is determined by the presence of reflected radiation of equal intensity at two reception angles, thereby fixing two beams formed after reflection from the surface, propagating at the same angles relative to Brewster angle.

Недостатком данного способа является определение диэлектрической проницаемости исключительно в лабораторных условиях, ограничения на толщину и протяженность исследуемого материала, низкая точность амплитудного косвенного метода оценки диэлектрической проницаемости, особенно для диэлектриков с потерями. The disadvantage of this method is the determination of the permittivity exclusively in the laboratory, the limitations on the thickness and length of the material under study, the low accuracy of the amplitude indirect method for estimating the permittivity, especially for lossy dielectrics.

Общим для данного и предлагаемого способов является двухпозиционное размещение передающей и приемной антенн и выполнение измерений диэлектрической проницаемости при углах падения, близких к углу Брюстера.Common to this and the proposed methods is the on-off placement of the transmitting and receiving antennas and the measurement of the dielectric constant at angles of incidence close to the Brewster angle.

Отличием предлагаемого способа от рассмотренного является облучение поверхности электромагнитными волнами с фиксированной частотой и двумя видами поляризации, определение угла Брюстера по разности фаз вертикально и горизонтально поляризованных интерференционных волн. The difference between the proposed method and the considered one is the irradiation of the surface with electromagnetic waves with a fixed frequency and two types of polarization, the determination of the Brewster angle from the phase difference of vertically and horizontally polarized interference waves.

Известен способ (Патент России 2688588C1, G01R 27/26, опубл. 21.05.2019), основанный на измерении мощности и фазы прошедшей волны между передающей и приемной антеннами в отсутствии образца материала, а затем измерении мощности и фазы прошедшей волны между передающей и приемной антеннами с образцом материала, вычислении мощности и фазы прошедшей волны между передающей и приемной антеннами с расположенным между ними образцом материала и без него, расчет мощности и фазы комплексных сверхвысокочастотных параметров материала, при этом в полосе частот измеряют угловые зависимости мощности и фазы прошедшей и отраженной волн при повороте образца материала между передающей и приемной антеннами в двух перпендикулярных плоскостях поляризации, по измеренным угловым зависимостям мощности и фазы отраженной волны определяют углы Брюстера, а комплексные величины сверхвысокочастотных параметров рассчитывают по мощностям и фазам поля, прошедшего через образец материала при нормальном падении и повернутого под углом Брюстера, причем, если не определяется угол падения, соответствующий углу Брюстера для поляризации с вектором электрического поля, перпендикулярным плоскости падения падающей волны, то для этой поляризации используется величина угла Брюстера для поляризации с вектором электрического поля в плоскости падения падающей волны. There is a known method (Patent of Russia 2688588C1, G01R 27/26, publ. 05/21/2019), based on measuring the power and phase of the transmitted wave between the transmitting and receiving antennas in the absence of a material sample, and then measuring the power and phase of the transmitted wave between the transmitting and receiving antennas with a material sample, calculating the power and phase of the transmitted wave between the transmitting and receiving antennas with and without a material sample located between them, calculating the power and phase of the complex microwave parameters of the material, while in the frequency band the angular dependences of the power and phase of the transmitted and reflected waves are measured at by rotating the material sample between the transmitting and receiving antennas in two perpendicular planes of polarization, the Brewster angles are determined from the measured angular dependences of the power and phase of the reflected wave, and the complex values of the microwave parameters are calculated from the powers and phases of the field that has passed through the material sample at normal incidence and rotated at the Brewster angle, and if the angle of incidence corresponding to the Brewster angle for polarization with the electric field vector perpendicular to the plane of incidence of the incident wave is not determined, then for this polarization the value of the Brewster angle for polarization with the electric field vector in the plane of incidence of the incident wave is used.

Недостатком данного способа является ограничение на размеры образца исследуемого диэлектрика, требование к обеспечению зеркального отражения поля от поверхности исследуемого образца, невозможность определения диэлектрической проницаемости объектов, имеющих многослойную структуру.The disadvantage of this method is the restriction on the size of the sample of the investigated dielectric, the requirement to provide specular reflection of the field from the surface of the sample under study, the impossibility of determining the dielectric constant of objects having a multilayer structure.

Общим для данного и предлагаемого способов является использование двух видов поляризации электромагнитных волн зондирующего излучения, двухпозиционное размещения передающей и приемной антенн, регистрация фазы, прошедшей между передающей и приемной антеннами и отраженной от поверхности диэлектрика волн.Common to this and the proposed methods is the use of two types of polarization of electromagnetic waves of probing radiation, two-position placement of the transmitting and receiving antennas, registration of the phase that has passed between the transmitting and receiving antennas and reflected from the surface of the wave dielectric.

Отличием предлагаемого способа от рассмотренного является использование для определения угла Брюстера разности фаз вертикально и горизонтально поляризованных интерференционных волн, возможность проведения измерений в реальных условиях для определения диэлектрической проницаемости участков земной поверхности, имеющих многослойную структуру и смешанный (диффузный и зеркальный) характер отражения.The difference between the proposed method and the considered one is the use of the phase difference between vertically and horizontally polarized interference waves to determine the Brewster angle, the possibility of carrying out measurements in real conditions to determine the dielectric constant of the earth's surface areas having a multilayer structure and mixed (diffuse and specular) nature of reflection.

Известен СВЧ-способ контроля влажности твердых материалов (Патент России 2330268C2, G01N 22/04, опубл. 27.07.2008), заключающийся в размещении исследуемого материала в высокочастотное электромагнитное поле с последующей регистрацией изменения параметров, характеризующих высокочастотное излучение, а именно минимума мощности отраженной волны, и косвенного определения мощности преломленной волны как разности между мощностью падающей и минимумом мощности отраженной волн. Known microwave method for monitoring the moisture content of solid materials (Patent of Russia 2330268C2, G01N 22/04, publ. 27.07.2008), which consists in placing the material under study in a high-frequency electromagnetic field with subsequent registration of changes in parameters characterizing high-frequency radiation, namely, the minimum power of the reflected wave , and indirectly determining the power of the refracted wave as the difference between the power of the incident and the minimum power of the reflected waves.

Недостатком данного способа является использование в качестве зондирующего излучения радиоволны диапазона 46-66ГГц, что существенно ограничивает глубину измерения диэлектрической проницаемости подповерхностных слоев объекта, а также невысокая точность измерений, связанная с использование минимума мощности отраженной волны для определения псевдоугла Брюстера, поскольку коэффициент отражения для диэлектриков с потерями не имеет выраженного минимума. The disadvantage of this method is the use of a radio wave in the range of 46-66 GHz as a probing radiation, which significantly limits the depth of measurement of the dielectric constant of the subsurface layers of the object, as well as the low measurement accuracy associated with the use of the minimum power of the reflected wave to determine the Brewster pseudo-angle, since the reflection coefficient for dielectrics with loss does not have a pronounced minimum.

Общим для данного и предлагаемого способов является использование условий, вызывающих эффект полного преломления (эффект Брюстера). Common to this and the proposed methods is the use of conditions that cause the effect of complete refraction (Brewster effect).

Отличием предлагаемого способа является использование для определения угла Брюстера разности фаз вертикально и горизонтально поляризованных интерференционных волн, возможность проведения измерений в реальных условиях для определения диэлектрической проницаемости участков земной поверхности имеющих многослойную структуру.The difference of the proposed method is the use of the phase difference of vertically and horizontally polarized interference waves to determine the Brewster angle, the possibility of carrying out measurements in real conditions to determine the dielectric constant of the earth's surface areas with a multilayer structure.

Известен способ (Патент России 2613810C1, G01R 27/00, опубл. 21.03.2017) измерения комплексной диэлектрической проницаемости материала с потерями в СВЧ-диапазоне, заключающийся в измерении зависимости коэффициента отражения Френеля плоского образца материала от угла падения электромагнитной волны в пределах от 40 до 90 градусов с помощью СВЧ-рефлектометра, когда электрическое поле волны параллельно плоскости падения, после чего по графику зависимости коэффициента отражения Френеля от угла падения определяют угол Брюстера, а относительную диэлектрическую проницаемость образца материала или поверхности земли рассчитывают по известной формуле ε=(tgϕB)2.There is a known method (Patent of Russia 2613810C1, G01R 27/00, publ. 03/21/2017) for measuring the complex permittivity of a material with losses in the microwave range, which consists in measuring the dependence of the Fresnel reflection coefficient of a flat material sample on the angle of incidence of an electromagnetic wave in the range from 40 to 90 degrees using a microwave reflectometer, when the electric field of the wave is parallel to the plane of incidence, after which the Brewster angle is determined from the graph of the dependence of the Fresnel reflection coefficient on the angle of incidence, and the relative permittivity of the material sample or the earth's surface is calculated using the well-known formula ε=(tgϕ B ) 2 .

Недостатком данного способа является низкая точность определения комплексной диэлектрической проницаемости участков земной поверхности, имеющих многослойную структуру и смешанный (диффузный и зеркальный) характер отражения.The disadvantage of this method is the low accuracy of determining the complex dielectric permittivity of areas of the earth's surface with a multilayer structure and mixed (diffuse and specular) nature of reflection.

Общим признаком является использование эффекта полного преломления и возможность измерения диэлектрической проницаемости объектов, размер которых превышает пять длин волн. A common feature is the use of the effect of total refraction and the ability to measure the permittivity of objects larger than five wavelengths.

Отличием предлагаемого способа является возможность проведения измерений в реальных условиях для определения диэлектрической проницаемости участков земной поверхности имеющих многослойную структуру и смешанный (диффузный и зеркальный) характер отражения.The difference of the proposed method is the possibility of carrying out measurements in real conditions to determine the dielectric constant of areas of the earth's surface with a multilayer structure and a mixed (diffuse and specular) nature of reflection.

Наиболее близким к заявленному является СВЧ-способ дистанционного определения комплексной диэлектрической проницаемости и толщины диэлектрических пластин (Патент России 2249178 С2, G01B15/02, G01R27/26, опубл. 27.03.2005), используемый для контроля состава и свойств материалов в процессе их производства и в эксплуатации, сущность которого состоит в том, что комплексная диэлектрическая проницаемость и толщина диэлектрической пластины определяются путём помещения образца материала в высокочастотное электромагнитное поле с последующей регистрацией изменения параметров, характеризующих высокочастотное излучение, с помощью устройства возбуждения, представляющего собой направленную антенну (рупор), возбуждающую Е-волну, падающую на диэлектрическую пластину. По отсутствию поля отраженной волны или по его минимуму определяется угол Брюстера падающей волны, рассчитывается величина диэлектрической проницаемости, измеряется мощность падающей и отраженной волн, определяется коэффициент отражения, удельная проводимость и величина диэлектрических потерь (мнимая часть диэлектрической проницаемости). Увеличивая угол падения электромагнитной волны до величины, обеспечивающей полное внутреннее отражение электромагнитной волны, измеряется затухание напряженности поля в нормальной плоскости относительно направления распространения волны, рассчитываются коэффициенты нормального затухания и толщина диэлектрической пластины.The closest to the claimed is a microwave method for remote determination of the complex permittivity and thickness of dielectric plates (Russian Patent 2249178 C2, G01B15/02, G01R27/26, publ. 03/27/2005), used to control the composition and properties of materials in the process of their production and in operation, the essence of which is that the complex dielectric permittivity and the thickness of the dielectric plate are determined by placing a sample of the material in a high-frequency electromagnetic field with subsequent registration of changes in the parameters characterizing high-frequency radiation using an excitation device, which is a directional antenna (horn) that excites E-wave incident on a dielectric plate. By the absence of the reflected wave field or by its minimum, the Brewster angle of the incident wave is determined, the dielectric constant is calculated, the power of the incident and reflected waves is measured, the reflection coefficient, specific conductivity and dielectric loss (the imaginary part of the dielectric constant) are determined. By increasing the angle of incidence of the electromagnetic wave to a value that provides total internal reflection of the electromagnetic wave, the attenuation of the field strength in the normal plane relative to the direction of wave propagation is measured, the normal attenuation coefficients and the thickness of the dielectric plate are calculated.

Недостатком данного способа является низкая точность определения комплексной диэлектрической проницаемости диэлектриков с потерями так как для этого используется нахождение минимума мощности отраженного радиосигнала (или его полное отсутствие) для определения угла Брюстера, при этом для диэлектриков с потерями зависимость коэффициента отражения от угла падения не имеет ярко выраженного минимума и тем более полного отсутствия отраженного сигнала. Кроме этого для реализации данного способа определения комплексной диэлектрической проницаемости необходимо обеспечение зеркального отражения падающей волны.The disadvantage of this method is the low accuracy of determining the complex permittivity of dielectrics with losses, since this uses the minimum power of the reflected radio signal (or its complete absence) to determine the Brewster angle, while for dielectrics with losses, the dependence of the reflection coefficient on the angle of incidence does not have a pronounced minimum and, moreover, the complete absence of the reflected signal. In addition, to implement this method for determining the complex permittivity, it is necessary to provide a specular reflection of the incident wave.

Общим для данного и предлагаемого способов является обеспечение условий полного преломления электромагнитной волны при облучении исследуемого диэлектрика под псевдоуглом Брюстера и использование косвенного метода определения комплексной диэлектрической проницаемости.Common to this and the proposed methods is the provision of conditions for the complete refraction of an electromagnetic wave during irradiation of the investigated dielectric under the Brewster pseudo-angle and the use of an indirect method for determining the complex permittivity.

Отличием предлагаемого способа от рассматриваемого является использование для облучения поверхности образца электромагнитных волн с горизонтальной и вертикальной поляризацией вместо электромагнитной волны с вертикальной поляризацией (Е-волны), использование в качестве информационного признака обеспечения условия полного преломления, появление разности фаз между интерференционными волнами с различными видами поляризаций. Возможность проведения измерений в реальных условиях для определения диэлектрической проницаемости участков земной поверхности, имеющих многослойную структуру и смешанный характер отражения.The difference between the proposed method and the one under consideration is the use of electromagnetic waves with horizontal and vertical polarization for irradiation of the sample surface instead of an electromagnetic wave with vertical polarization (E-waves), the use of full refraction conditions as an information sign, the appearance of a phase difference between interference waves with different types of polarizations . The possibility of carrying out measurements in real conditions to determine the dielectric constant of the areas of the earth's surface that have a multilayer structure and a mixed nature of reflection.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Целью изобретения (техническим результатом) является повышение точности измерений комплексной диэлектрической проницаемости участка земной поверхности при смешанном (диффузном и зеркальном) отражении зондирующего радиосигнала. The aim of the invention (technical result) is to improve the accuracy of measurements of the complex permittivity of a section of the earth's surface with mixed (diffuse and specular) reflection of a probing radio signal.

Цель (указанный технический результат) достигается тем, что над исследуемым участком земной поверхности раздельно размещают передающий и приемный модули, излучают с позиции передатчика радиоволны фиксированной частоты с вертикальной и горизонтальной поляризацией (например, с использованием двух антенн) под различными углами падения на поверхность, путем перемещения приемной позиции с целью изменения угла падения, принимают на приемной позиции интерференционный сигнал на горизонтальной и вертикальной поляризации, представляющий собой сумму прямо проходящего от радиопередающего модуля к радиоприемному модулю радиосигнала, отраженного от границы «воздух-поверхность» радиосигнала и проходящего ниже границы раздела «воздух-поверхность» радиосигнала, регистрируют осцилляции интерференционных волн отдельно для горизонтально и вертикально поляризованного сигналов, определяют псевдоугол Брюстера по появлению разности фаз между вертикально и горизонтально поляризованными интерференционными сигналами, рассчитывают комплексную диэлектрическую проницаемость контролируемого участка по известным формулам. The goal (the specified technical result) is achieved by the fact that the transmitting and receiving modules are placed separately above the studied area of the earth's surface, and radio waves of a fixed frequency with vertical and horizontal polarization (for example, using two antennas) are emitted from the position of the transmitter (for example, using two antennas) at different angles of incidence on the surface, by moving the receiving position in order to change the angle of incidence, receive at the receiving position an interference signal in horizontal and vertical polarization, which is the sum of the radio signal directly passing from the radio transmitting module to the radio receiving module, reflected from the air-surface boundary of the radio signal and passing below the air interface -surface" of a radio signal, oscillations of interference waves are recorded separately for horizontally and vertically polarized signals, the Brewster pseudo-angle is determined by the appearance of a phase difference between vertically and horizontally polarized interference signals lamy, calculate the complex permittivity of the controlled area according to known formulas.

При радиолокационном зондировании диэлектрика, имеющего многослойную структуру, отраженный сигнал представляется в виде суммы нескольких составляющих: In radar sounding of a dielectric having a multilayer structure, the reflected signal is represented as the sum of several components:

- прямой волны, попадающей на приемную антенну по линии, соединяющей приемную и передающую антенны;- direct wave incident on the receiving antenna along the line connecting the receiving and transmitting antennas;

- отраженной волны, сформированной при отражении от границы раздела «воздух-поверхность»;- the reflected wave formed upon reflection from the air-surface interface;

- волны, преломленной через границу воздух-поверхность и отражающейся от внутренних слоев диэлектрика, расположенных на глубину проникновения радиосигнала. - waves refracted through the air-surface boundary and reflected from the inner layers of the dielectric located at the depth of penetration of the radio signal.

Каждая из составляющих проходит свое расстояние от передающей до приемной антенн через разные среды с разной протяженностью и, соответственно, имеет своё значение фазы и поляризации. В точке приема происходит интерференция радиоволн, выражающаяся в осцилляциях амплитуды и фазовых сдвигах.Each of the components passes its own distance from the transmitting to the receiving antennas through different media with different lengths and, accordingly, has its own phase and polarization value. At the receiving point, interference of radio waves occurs, which is expressed in amplitude oscillations and phase shifts.

Существенным для предлагаемого способа является то, что при определенном значении угла падения, зависящем от комплексной диэлектрической проницаемости среды, при вертикальной поляризации радиоволны возникает эффект, при котором коэффициент отражения от границы раздела воздух-поверхность будет стремиться к нулю (

Figure 00000001
. При этом для радиоволн с горизонтальной поляризацией данный эффект не наблюдается. Прямое измерение амплитуды (мощности) отраженного сигнала в различных точках над исследуемой поверхностью и соответствующих разным углам падения, не позволяет с высокой точностью определить угол Брюстера, особенно для диэлектриков с потерями. Причинами возникновения ошибок является наличие в принимаемом сигнале составляющих отраженного сигнала от внутренних слоев исследуемой поверхности, смешанный (диффузно-зеркальный) характер отражения и неравенство нулю коэффициента отражения при достижении псевдоугла Брюстера для диэлектриков с потерями. It is essential for the proposed method that at a certain value of the angle of incidence, which depends on the complex permittivity of the medium, with the vertical polarization of the radio wave, an effect arises in which the reflection coefficient from the air-surface interface will tend to zero (
Figure 00000001
. At the same time, this effect is not observed for radio waves with horizontal polarization. Direct measurement of the amplitude (power) of the reflected signal at various points above the surface under study and corresponding to different angles of incidence does not allow one to determine the Brewster angle with high accuracy, especially for lossy dielectrics. The reasons for the occurrence of errors are the presence in the received signal of the components of the reflected signal from the inner layers of the surface under study, the mixed (diffuse-mirror) nature of the reflection, and the inequality of the reflection coefficient to zero when the Brewster pseudo-angle is reached for dielectrics with losses.

Угол Брюстера вертикально поляризованной электромагнитной волны определяется из выражения для коэффициента отражения The Brewster angle of a vertically polarized electromagnetic wave is determined from the expression for the reflection coefficient

Figure 00000002
. (1)
Figure 00000002
. (1)

Здесь

Figure 00000003
- характеристическое сопротивление первой среды (воздуха);
Figure 00000004
- в общем случае комплексное характеристическое сопротивление второй среды (исследуемого участка земной поверхности);
Figure 00000005
- угол падения плоской электромагнитной волны на границу раздела двух сред;
Figure 00000006
- угол преломления.Here
Figure 00000003
- characteristic resistance of the first medium (air);
Figure 00000004
- in the general case, the complex characteristic resistance of the second medium (the studied area of the earth's surface);
Figure 00000005
- angle of incidence of a plane electromagnetic wave on the interface between two media;
Figure 00000006
- angle of refraction.

Характеристическое сопротивление второй среды определяется выражением:The characteristic resistance of the second medium is given by:

Figure 00000007
, (2)
Figure 00000007
, (2)

где ε0 – диэлектрическая проницаемость вакуума; εr2 – относительная диэлектрическая проницаемость второй среды;

Figure 00000008
- относительная магнитная проницаемость второй среды; μ0 - магнитная проницаемость вакуума; σ2 - удельная проводимость второй среды; f – частота радиосигнала. where ε 0 is the vacuum permittivity; ε r2 is the relative permittivity of the second medium;
Figure 00000008
- relative magnetic permeability of the second medium; μ 0 - vacuum magnetic permeability; σ 2 - conductivity of the second medium; f is the frequency of the radio signal.

Характеристическое сопротивление первой среды – воздуха на уровне четвертого знака после запятой равно характеристическому сопротивлению вакуума и в общем случае имеет вид:The characteristic resistance of the first medium - air at the level of the fourth decimal place is equal to the characteristic resistance of vacuum and in the general case has the form:

Figure 00000009
(3)
Figure 00000009
(3)

Вынеся за скобки в выражении (2) множитель

Figure 00000010
, и, учтя, что первая и вторая среда являются немагнитными (
Figure 00000011
, после сокращения одинаковых сомножителей в числителе и знаменателе дроби получим:Taking out of brackets in expression (2) the factor
Figure 00000010
, and, taking into account that the first and second media are non-magnetic (
Figure 00000011
, after reducing the same factors in the numerator and denominator of the fraction, we get:

Figure 00000012
. (4)
Figure 00000012
. (4)

Обозначим комплексную диэлектрическую проницаемость черезLet us denote the complex permittivity as

Figure 00000013
. (5)
Figure 00000013
. (5)

Выразим в формуле (4) угол преломления через угол падения и отношение показателей преломления первой и второй сред в соответствии со вторым законом Снеллиуса

Figure 00000014
, где
Figure 00000015
– показатели преломления первой и второй среды. Получим Let us express in formula (4) the angle of refraction through the angle of incidence and the ratio of the refractive indices of the first and second media in accordance with the second Snell's law
Figure 00000014
, where
Figure 00000015
are the refractive indices of the first and second media. Get

Figure 00000016
. (6)
Figure 00000016
. (6)

Подставим в выражение (4) значение синуса угла преломления из выражения (6) с учетом равенства

Figure 00000017
. Окончательно для вертикальной поляризации радиосигнала получим выражение:Let us substitute into expression (4) the value of the sine of the angle of refraction from expression (6), taking into account the equality
Figure 00000017
. Finally, for the vertical polarization of the radio signal, we obtain the expression:

Figure 00000018
, (7)
Figure 00000018
, (7)

в котором комплексный коэффициент отражения определяется только комплексной диэлектрической проницаемостью

Figure 00000019
и углом падения. in which the complex reflection coefficient is determined only by the complex permittivity
Figure 00000019
and angle of incidence.

Для диэлектриков без потерь, у которых при угле Брюстера коэффициент отражения равен нулю, выражение для относительной диэлектрической проницаемости выводится из формулы (1) путем приравнивания числителя к нулю. Получается простое выражение вида ε=(tgϕB)2. For lossless dielectrics, in which the reflection coefficient is zero at the Brewster angle, the expression for the relative permittivity is derived from formula (1) by equating the numerator to zero. It turns out a simple expression of the form ε=(tgϕ B ) 2 .

Для диэлектриков с потерями предлагается комплексную диэлектрическую проницаемость находить из выражения (7), приравняв производную по углу падения от этого выражения к нулю, так как при угле Брюстера график зависимости коэффициента отражения будет испытывать экстремум (см. фиг.1, 2).For dielectrics with losses, it is proposed to find the complex permittivity from expression (7), equating the derivative with respect to the angle of incidence from this expression to zero, since at the Brewster angle, the dependence of the reflection coefficient will experience an extremum (see Fig.1, 2).

Таким образом, точное измерение угла Брюстера позволяет определить комплексную диэлектрическую проницаемость исследуемого диэлектрика с потерями.Thus, accurate measurement of the Brewster angle makes it possible to determine the complex permittivity of the lossy dielectric under study.

Сущность изобретения поясняется фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.4 и фиг.5. The essence of the invention is illustrated in figure 1, figure 2, figure 3, figure 4 and figure 5.

На фиг.1 и фиг.2 показаны зависимости коэффициента отражения для почвы с различными значениями удельной проводимости от угла падения для радиоволн с вертикальной и горизонтальной поляризацией. На фиг. 1 удельная проводимость почвы составляет 0,017 См/м, что соответствует сухой почве, на фиг.2 - 0,7 См/м, т.е. сильно увлажненной почве, увеличение удельной проводимости ведет к смещению угла Брюстера в сторону больших значений. При этом чем больше мнимая часть комплексной диэлектрической проницаемости, тем больше величина коэффициента отражения при угле падения, соответствующем псевдоуглу Брюстера. Figure 1 and figure 2 shows the dependence of the reflection coefficient for soil with different values of conductivity from the angle of incidence for radio waves with vertical and horizontal polarization. In FIG. 1 soil conductivity is 0.017 S/m, which corresponds to dry soil, figure 2 - 0.7 S/m, i.e. highly moistened soil, an increase in conductivity leads to a shift in the Brewster angle towards large values. In this case, the larger the imaginary part of the complex permittivity, the greater the value of the reflection coefficient at the angle of incidence corresponding to the Brewster pseudo-angle.

На фиг.3 показано возможное размещение передатчика и приемника, составляющих бистатическую радиосистему, на двух беспилотных летательных аппаратах, при котором возможно наблюдение эффекта полного преломления. Подъем передающей и приемной позиций увеличивает площадь эллипса отражения от земной поверхности, в котором диэлектрическая проницаемость подлежит измерению.Figure 3 shows a possible placement of the transmitter and receiver, constituting a bistatic radio system, on two unmanned aerial vehicles, in which it is possible to observe the effect of total refraction. Elevating the transmitting and receiving positions increases the area of the ground reflection ellipse in which the permittivity is to be measured.

Для повышения точности определения псевдоугла Брюстера, обеспечивающего выявление эффекта полного преломления, целесообразно использовать интерференцию прямой и отраженной волн для двух видов поляризации радиосигнала (вертикальной и горизонтальной). На фиг.3 показаны условия формирования интерференционной волны и приняты следующие обозначения: h 1 , h 2 – высоты расположения передающей и приемной антенн, соответственно; ϕ - угол падения;

Figure 00000020
– проекция на поверхность Земли расстояния D 1 между передающей позицией и местом формирования отраженного сигнала;
Figure 00000021
– проекция на поверхность Земли расстояния D 2 между приемной позицией и местом формирования отраженного сигнала;
Figure 00000022
- сумма расстояний L 1 и L 2 ;
Figure 00000023
– путь который проходит прямая волна; в сумме
Figure 00000024
и
Figure 00000025
– путь, который проходит отраженная волна.To improve the accuracy of determining the Brewster pseudo-angle, which ensures the detection of the effect of total refraction, it is advisable to use the interference of direct and reflected waves for two types of radio signal polarization (vertical and horizontal). Figure 3 shows the conditions for the formation of an interference wave and adopted the following notation:h 1 , h 2 – the heights of the transmitting and receiving antennas, respectively;ϕ- angle of incidence;
Figure 00000020
is the projection onto the Earth's surface of the distanceD 1 between the transmitting position and the place of formation of the reflected signal;
Figure 00000021
is the projection onto the Earth's surface of the distanceD 2 between the receiving position and the place where the reflected signal is formed;
Figure 00000022
- sum of distancesL 1 AndL 2 ;
Figure 00000023
- the path that the direct wave travels; in total
Figure 00000024
And
Figure 00000025
is the path traveled by the reflected wave.

Мгновенное значение амплитуды прямой волны

Figure 00000026
в момент t имеет вид:Instantaneous value of direct wave amplitude
Figure 00000026
at time t has the form:

Figure 00000027
. (8)
Figure 00000027
. (8)

Здесь Е - напряженность электрического поля;

Figure 00000028
- действующая длина антенны;
Figure 00000029
- циклическая частота сигнала; λ - длина волны.Here E is the electric field strength;
Figure 00000028
- effective length of the antenna;
Figure 00000029
- cyclic frequency of the signal; λ is the wavelength.

Мгновенное значение амплитуды отраженной волны

Figure 00000030
в момент t определяется выражением:Instantaneous value of the amplitude of the reflected wave
Figure 00000030
at time t is given by:

Figure 00000031
. (9)
Figure 00000031
. (9)

Суммарный сигнал

Figure 00000032
с учетом (8) и (9) примет вид:sum signal
Figure 00000032
taking into account (8) and (9) takes the form:

Figure 00000033
. (10)
Figure 00000033
. (10)

С учетом подстановки

Figure 00000034
выражение (10) можно записать:Taking into account the substitution
Figure 00000034
expression (10) can be written:

Figure 00000035
(11)
Figure 00000035
(eleven)

Коэффициент отражения

Figure 00000036
для диэлектрика с потерями, каким является почва (особенно влажная), имеет комплексный характер и для вертикально поляризованной волны определяется выражениями (1), (7), а для горизонтальной поляризации используется выражениеReflection coefficient
Figure 00000036
for a dielectric with losses, which is the soil (especially wet), has a complex character and for a vertically polarized wave is determined by expressions (1), (7), and for horizontal polarization, the expression is used

Figure 00000037
. (12)
Figure 00000037
. (12)

Подставив в выражение (12) формулы для расчета коэффициентов отражения для горизонтальной и вертикальной поляризации получим графики интерференционных волн в зависимости от угла падения. Результаты расчетов интерференционных волн по полученным формулам представлены на фиг.4.Substituting into expression (12) formulas for calculating the reflection coefficients for horizontal and vertical polarization, we obtain graphs of interference waves depending on the angle of incidence. The results of calculations of interference waves according to the obtained formulas are presented in Fig.4.

Зависимость коэффициента отражения от угла падения при вертикальной и горизонтальной поляризации, используемые при моделировании, соответствуют фиг.1. На фиг.5 показана зависимость разности фаз, отраженных от исследуемой поверхности сигналов с горизонтальной и вертикальной поляризацией. The dependence of the reflection coefficient on the angle of incidence for vertical and horizontal polarization, used in the simulation, correspond to Fig.1. Figure 5 shows the dependence of the phase difference reflected from the investigated surface of the signals with horizontal and vertical polarization.

На фиг.4 и фиг.5 показано, что условие полного преломления (эффект Брюстера) сопровождается сменой характера осцилляций: при угле падающего (и отраженного) сигнала, меньшем угла Брюстера, поступившие в приемник интерференционные горизонтально и вертикально поляризованные волны синфазны, а при угле, превышающем угол Брюстера, между интерференционными волнами наблюдается фазовый сдвиг. Величина фазового сдвига (фиг.5) изменяется от нулевого значения до максимального (

Figure 00000038
. Угол падения, при котором появляется не нулевая разность фаз, соответствует углу Брюстера (псевдоуглу Брюстера для диэлектриков с потерями). Точность определения угла Брюстера, таким образом, будет определяться чувствительностью фазового дискриминатора. Figure 4 and figure 5 shows that the condition of complete refraction (Brewster effect) is accompanied by a change in the nature of the oscillations: at an angle of the incident (and reflected) signal, less than the Brewster angle, received in the receiver interference horizontally and vertically polarized waves are in phase, and at an angle exceeding the Brewster angle, a phase shift is observed between the interference waves. The magnitude of the phase shift (figure 5) changes from zero to maximum (
Figure 00000038
. The angle of incidence at which a non-zero phase difference appears corresponds to the Brewster angle (pseudo Brewster angle for lossy dielectrics). The accuracy of determining the Brewster angle will thus be determined by the sensitivity of the phase discriminator.

Выполнив подстановки и преобразования, аналогичные (2)-(6) для коэффициента отражения при вертикальной поляризации, из формулы (12) получим:Having performed substitutions and transformations similar to (2)-(6) for the reflection coefficient at vertical polarization, from formula (12) we obtain:

Figure 00000039
. (13)
Figure 00000039
. (13)

Определив по отношению амплитуд прямой и отраженных волн при вертикальной и горизонтальной поляризации радиосигналов коэффициенты отражения для условий псевдополного преломления из выражений (7) и (13) можно составить систему уравнений и определить две неизвестные величины, входящие в выражение (5) - относительную диэлектрическую проницаемость

Figure 00000040
и удельную проводимость
Figure 00000041
.Having determined the ratio of the amplitudes of direct and reflected waves with vertical and horizontal polarization of radio signals, the reflection coefficients for the conditions of pseudo-total refraction from expressions (7) and (13), we can compose a system of equations and determine two unknown quantities included in expression (5) - the relative permittivity
Figure 00000040
and conductivity
Figure 00000041
.

Способ дистанционного измерения диэлектрической проницаемости плоскослоистых диэлектриков естественного происхождения с потерями на основе определения условий полного преломления за счет контроля появления фазового сдвига между отраженными сигналами с вертикальной и горизонтальной поляризациями может быть использован в сельском хозяйстве, например, для определения физико-химических характеристик почвы.A method for remote measurement of the permittivity of flat-layered dielectrics of natural origin with losses based on determining the conditions for complete refraction by controlling the appearance of a phase shift between reflected signals with vertical and horizontal polarizations can be used in agriculture, for example, to determine the physicochemical characteristics of the soil.

Claims (1)

Способ дистанционного измерения комплексной диэлектрической проницаемости плоскослоистых диэлектриков естественного происхождения с потерями, имеющих смешанный характер отражения, заключающийся в размещении над исследуемым участком земной поверхности передающего и приемного радиомодулей, облучении земной поверхности с позиции передатчика радиоволнами фиксированной частоты с вертикальной и горизонтальной поляризацией под различными углами падения на поверхность, перемещении приемной позиции с целью изменения угла падения, приеме интерференционного сигнала на горизонтальной и вертикальной поляризации, регистрации осцилляций интерференционных волн отдельно для горизонтально и вертикально поляризованного сигнала, определении псевдоугла Брюстера по появлению разности фаз между вертикально и горизонтально поляризованными интерференционными сигналами, выполнении расчетов комплексной диэлектрической проницаемости участка поверхности.A method for remote measurement of the complex permittivity of planar-layered dielectrics of natural origin with losses having a mixed nature of reflection, which consists in placing a transmitting and receiving radio modules above the studied area of the earth's surface, irradiating the earth's surface from the position of the transmitter with radio waves of a fixed frequency with vertical and horizontal polarization at different angles of incidence on surface, moving the receiving position in order to change the angle of incidence, receiving an interference signal in horizontal and vertical polarization, recording interference wave oscillations separately for a horizontally and vertically polarized signal, determining the Brewster pseudo-angle by the appearance of a phase difference between vertically and horizontally polarized interference signals, performing complex calculations dielectric permittivity of the surface area.
RU2022127905A 2022-10-27 Method for remote measurement of complex dielectric permittivacy of plane layered dielectrics of natural origin RU2790085C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2790085C1 true RU2790085C1 (en) 2023-02-14

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2804381C1 (en) * 2023-03-01 2023-09-28 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Кавказский федеральный университет" Device for remote measurement of humidity of flat-layer dielectric with losses

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4818930A (en) * 1986-11-12 1989-04-04 United Kingdom Atomic Energy Authority Method and apparatus for thin layer monitoring
RU2071048C1 (en) * 1992-12-29 1996-12-27 Институт радиотехники и электроники РАН Method for determination of dielectric permittivity and thickness of upper layer of planet soil
RU2613810C1 (en) * 2015-10-06 2017-03-21 Георгий Галиуллович Валеев Method of measurement relative complex permittivity of material with losses in microwave range
RU2623668C1 (en) * 2015-12-28 2017-06-28 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Морской гидрофизический институт РАН" Method of remote determination of the relative dielectric permeability of the environment under the atmosphere-ocean border
RU2665593C1 (en) * 2017-09-27 2018-08-31 Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г. Ромашина" Material dielectric properties measuring method and device for its implementation
RU2750563C1 (en) * 2020-08-12 2021-06-29 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Method for remote identification of ice-snow cover state

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4818930A (en) * 1986-11-12 1989-04-04 United Kingdom Atomic Energy Authority Method and apparatus for thin layer monitoring
RU2071048C1 (en) * 1992-12-29 1996-12-27 Институт радиотехники и электроники РАН Method for determination of dielectric permittivity and thickness of upper layer of planet soil
RU2613810C1 (en) * 2015-10-06 2017-03-21 Георгий Галиуллович Валеев Method of measurement relative complex permittivity of material with losses in microwave range
RU2623668C1 (en) * 2015-12-28 2017-06-28 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Морской гидрофизический институт РАН" Method of remote determination of the relative dielectric permeability of the environment under the atmosphere-ocean border
RU2665593C1 (en) * 2017-09-27 2018-08-31 Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г. Ромашина" Material dielectric properties measuring method and device for its implementation
RU2750563C1 (en) * 2020-08-12 2021-06-29 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Method for remote identification of ice-snow cover state

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2804381C1 (en) * 2023-03-01 2023-09-28 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Кавказский федеральный университет" Device for remote measurement of humidity of flat-layer dielectric with losses

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Nyfors Industrial microwave sensors—A review
AU2002304283B2 (en) Apparatus and method for microwave determination of at least one physical parameter of a substance
Klysz et al. Determination of volumetric water content of concrete using ground-penetrating radar
AU2002304283A1 (en) Apparatus and method for microwave determination of at least one physical parameter of a substance
Pinel et al. Influence of layer roughness for road survey by ground penetrating radar at nadir: theoretical study
Hislop Permittivity estimation using coupling of commercial ground penetrating radars
Sagnard et al. In situ measurements of the complex permittivity of materials using reflection ellipsometry in the microwave band: theory (Part I)
Bystrov et al. Experimental study of rough surface backscattering for low terahertz automotive radar
RU2790085C1 (en) Method for remote measurement of complex dielectric permittivacy of plane layered dielectrics of natural origin
Dusséaux et al. Study of backscatter signature for seedbed surface evolution under rainfall-influence of radar precision
Lai et al. GPR wave dispersion for material characterization
Wensink et al. MEASURED UNDERWATER NEAR‐FIELD E‐PATTERNS OF A PULSED, HORIZONTAL DIPOLE ANTENNA IN AIR: COMPARISON WITH THE THEORY OF THE CONTINUOUS WAVE, INFINITESIMAL ELECTRIC DIPOLE1
LeCaillec et al. Focusing problems of a buried point scatterer using a low frequency SAR
Bystrov et al. Low terahertz signal backscattering from rough surfaces
Yigit et al. Grain moisture detection by using a-scan radar measurement
RU2613810C1 (en) Method of measurement relative complex permittivity of material with losses in microwave range
Al Takach et al. Permittivity Extraction of Moist Soil for GPR Applications
Gundewar et al. Design of a microstrip patch antenna as a moisture sensor
Aristov et al. Determination of the electrophysical parameters of dielectric objects via the processing of ultra-wideband pulse radar signals
Takahashi et al. Robust estimation of the dielectric constant of cylindrical objects using wideband radar transmission measurements
Bermond et al. A Microwave Frequency Range Experiment for the Measurement of Snow Density and Liquid Water Content
Demontoux et al. Antipodal Vivaldi antennas dedicated to in-situ broadband microwave permittivity measurements
RU2804381C1 (en) Device for remote measurement of humidity of flat-layer dielectric with losses
Sagnard et al. In-situ characterization of soil moisture content using a monopole probe
RU2202779C2 (en) Passive method for remote detection of actual dielectric constant portion of oil film spilled over water surface