Бескалибровочный радиометрический способ измерения комплексной диэлектрической проницаемости по отражению от поверхности раздела в безэховой камере
CALIBRATION-FREE RADIOMETRIC METHOD OF MEASURING COMPLEX DIELECTRIC PERMEABILITY FROM SEPARATION SURFACE REFLECTION IN AN ANECHOIC CHAMBER

Изобретение относится к методам измерения диэлектрических свойств жидкостей или твердых поверхностей.
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.
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.
Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений за счет использования безэховой камеры и бескалибровочных радиометрических измерений.
0
S
0
пр
0
отр
пр
р
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 Т равной температуре измеряемого вещества T, измеряют сигнал радиометра U при ориентации его оси диаграммы направленности на стены безэховой камеры, измеряют сигнал радиометра U при ориентации его оси диаграммы направленности прямо по оси диаграммы направленности излучателя, (имеющего яркостную температуру большую, чем Т,) измеряют сигнал радиометра U, 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 U, а коэффициент отражения R(θ) вычисляют без абсолютной калибровки радиометра по формуле:
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.
0
изл
0
изл
На фиг. 1 представлен первый режим измерений в безэховой (абсолютно черной) камере 1, термодинамическая температура которой равна Т, а на оси радиометра 2 на расстоянии L располагается излучатель 3, средняя яркостная температура которого на срезе рупора излучателя равна Т>Т, а сам рупор перекрывает телесный угол ΔΩ.
изл
На фиг. 2 происходит зеркальное отражение излучения T от поверхности раздела под углом θ. При этом расстояние от радиометра 2 до мнимого изображения среза излучателя 3' остается равным L.
h
v
v
h
На фиг. 3 представлены зависимости коэффициентов отражения от угла падения θ рассчитанные по формулам Френеля для гладкой поверхности измеряемого вещества и игольчатой диаграммы направленности. R(θ) рассчитана для поляризации перпендикулярной плоскости падения, a R(θ) рассчитана для поляризации параллельной плоскости падения при условии R(θ=0)=R(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.
0
а,0
0
Если радиометр находится в безэховой камере, термодинамическая температура которой равна Т, то при ориентации его оси диаграммы направленности на стены безэховой камеры радиометр будет измерять антенную температуру, равную температуре камеры: Т=Т.
изл
0
изл
изл
При первом режиме измерений на оси диаграммы направленности радиометра на расстоянии L располагают излучатель с яркостной температурой Т>Т, ось которого направлена прямо навстречу радиометру. При этом на фоне сигнала от абсолютно черной комнаты появится срез антенны излучателя с яркостной температурой Т, который перекрывает телесный угол ΔΩ, фиг. 1. При этом измеряемая радиометром антенная температура изменится:
а,пр
где Т - 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.
S
0
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 T=T, 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:
а,отр
где T - антенная температура, измеряемая радиометром при отражении излучения излучателя от поверхности раздела, фиг. 2. Из (1) и (3) для коэффициента отражения получим:
а
Учитывая линейную связь сигналов радиометра U и антенной температуры Т, измеряемой радиометром:
0
а,0
пр
а,пр
отр
а,отр
U=А+В⋅Т, U=А+В⋅Т, U=А+В⋅Т
Получим выражение для коэффициента отражения:
В предложенном способе не требуется абсолютная калибровка радиометра и получение калибровочных коэффициентов А и В, что улучшает точность измерений.
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.
S
0
S
0
а,0
0
Примером использования способа может служить измерение диэлектрической проницаемости морской воды при температуре T=25° в безэховой камере, имеющей такую же температуру T=T. Радиометр, работает на частоте 37ГГц и на вертикальной поляризации p=v. Первоначально ось диаграммы направленности радиометра направляют на стены безэховой камеры и регистрируют сигнал U, пропорциональный антенной температуре, которая совпадает с температурой камеры Т=Т.
изл
0
пр
Затем на оси диаграммы направленности радиометра на расстоянии L=3м устанавливают излучатель, имеющий яркостную температуру T≥2Т, излучение которого, как и радиометр, имеет вертикальную поляризацию p=v в плоскости падения. Измеряют сигнал радиометра U, идущий прямо от излучателя к радиометру, фиг. 1.
1
1
отр
1
v
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 θ=30°, фиг. 2. Излучатель также устанавливают над поверхностью морской воды на расстоянии L/2 от центра ванны под тем же углом θ=30°. Плоскости поляризации радиометра и излучателя вертикальны (находятся в плоскости падения). При такой геометрии измеряют сигнал радиометра U(θ). Коэффициент отражения R(θ) вычисляют по формуле:
v
1
Например, получаем значение R(θ=30)=0.4902.
отр
2
2
v
2
Затем аналогично измеряют сигнал радиометра U(θ) при угле падения θ=78°, который близок к углу Брюстера, и вычисляют второй коэффициент отражения R(θ):
v
2
Например, получаем значение R(θ=78)=0.0698.
Две неизвестных величины - действительную и мнимую части диэлектрической проницаемости воды однозначно вычисляют по двум формулам Френеля для вертикальной поляризации:
Решение двух уравнений дает комплексную величину диэлектрической проницаемости морской воды ε=17,35+i⋅27,24 (для частоты 37 ГГц и температуры Т=25°).
Изобретательский уровень предлагаемого изобретения подтверждается отличительной частью формулы изобретения.
Литература
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/
2. Завьялов А.С. Измерение диэлектрической проницаемости в свободном пространстве Методические указания. http://window.edu.ru/resource/663/46663/files/tsu004.pdf