СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ПЛОСКОСЛОИСТЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ ЕСТЕСТВЕННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
METHOD FOR REMOTE MEASUREMENT OF COMPLEX DIELECTRIC PERMITTIVACY OF PLANE LAYERED DIELECTRICS OF NATURAL ORIGIN

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.
Изобретение может быть использовано для определения физико-химических параметров, например, влажности и засоленности почвы, плоскослоистых диэлектриков естественного происхождения с потерями.
Уровень техники
Характеристика аналогов технического решения
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Общим для данного и предлагаемого способов является использование условий, вызывающих эффект полного преломления (эффект Брюстера).
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.
B
2
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=(tgϕ).
Недостатком данного способа является низкая точность определения комплексной диэлектрической проницаемости участков земной поверхности, имеющих многослойную структуру и смешанный (диффузный и зеркальный) характер отражения.
Общим признаком является использование эффекта полного преломления и возможность измерения диэлектрической проницаемости объектов, размер которых превышает пять длин волн.
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.
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.
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.
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.
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.
Сущность изобретения
Целью изобретения (техническим результатом) является повышение точности измерений комплексной диэлектрической проницаемости участка земной поверхности при смешанном (диффузном и зеркальном) отражении зондирующего радиосигнала.
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.
При радиолокационном зондировании диэлектрика, имеющего многослойную структуру, отраженный сигнал представляется в виде суммы нескольких составляющих:
- прямой волны, попадающей на приемную антенну по линии, соединяющей приемную и передающую антенны;
- отраженной волны, сформированной при отражении от границы раздела «воздух-поверхность»;
- волны, преломленной через границу воздух-поверхность и отражающейся от внутренних слоев диэлектрика, расположенных на глубину проникновения радиосигнала.
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.
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 (. 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.
Угол Брюстера вертикально поляризованной электромагнитной волны определяется из выражения для коэффициента отражения
. (1)
Здесь  - характеристическое сопротивление первой среды (воздуха);  - в общем случае комплексное характеристическое сопротивление второй среды (исследуемого участка земной поверхности);  - угол падения плоской электромагнитной волны на границу раздела двух сред;  - угол преломления.
Характеристическое сопротивление второй среды определяется выражением:
, (2)
0
r2
0
2
f
где ε – диэлектрическая проницаемость вакуума; ε– относительная диэлектрическая проницаемость второй среды; - относительная магнитная проницаемость второй среды; μ - магнитная проницаемость вакуума; σ - удельная проводимость второй среды; – частота радиосигнала.
Характеристическое сопротивление первой среды – воздуха на уровне четвертого знака после запятой равно характеристическому сопротивлению вакуума и в общем случае имеет вид:
(3)
Вынеся за скобки в выражении (2) множитель , и, учтя, что первая и вторая среда являются немагнитными (, после сокращения одинаковых сомножителей в числителе и знаменателе дроби получим:
. (4)
Обозначим комплексную диэлектрическую проницаемость через
. (5)
,
Выразим в формуле (4) угол преломления через угол падения и отношение показателей преломления первой и второй сред в соответствии со вторым законом Снеллиуса где  – показатели преломления первой и второй среды. Получим
. (6)
Подставим в выражение (4) значение синуса угла преломления из выражения (6) с учетом равенства . Окончательно для вертикальной поляризации радиосигнала получим выражение:
, (7)
в котором комплексный коэффициент отражения определяется только комплексной диэлектрической проницаемостью и углом падения.
B
2
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=(tgϕ).
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).
Таким образом, точное измерение угла Брюстера позволяет определить комплексную диэлектрическую проницаемость исследуемого диэлектрика с потерями.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.4 и фиг.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.
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.
h
, h
ϕ
D
D
L
L
1
2
1
2
1
2
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:  – высоты расположения передающей и приемной антенн, соответственно; - угол падения;  – проекция на поверхность Земли расстояния между передающей позицией и местом формирования отраженного сигнала;  – проекция на поверхность Земли расстояния между приемной позицией и местом формирования отраженного сигнала;  - сумма расстояний и;  – путь который проходит прямая волна; в сумме  и  – путь, который проходит отраженная волна.
t
Мгновенное значение амплитуды прямой волны в момент  имеет вид:
. (8)
λ
Здесь Е - напряженность электрического поля; - действующая длина антенны;  - циклическая частота сигнала;  - длина волны.
t
Мгновенное значение амплитуды отраженной волны  в момент  определяется выражением:
. (9)
Суммарный сигнал  с учетом (8) и (9) примет вид:
. (10)
С учетом подстановки  выражение (10) можно записать:
(11)
Коэффициент отражения  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 выражение
. (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.
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.
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 (. 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.
Выполнив подстановки и преобразования, аналогичные (2)-(6) для коэффициента отражения при вертикальной поляризации, из формулы (12) получим:
. (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  и удельную проводимость .
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.